Industry-Cockpit Industry-Cockpit macht fit für individuelle Kundenwünsche

Autor / Redakteur: Thomas Knothe, Nicole Oertwig und Katharina Strohmeier / Mag. Victoria Sonnenberg

Produkte werden immer individueller. Produzieren in Losgröße 1 wird für eine wachsende Zahl fertigender Unternehmen daher zur täglichen Aufgabe. Das vom Fraunhofer IPK entwickelte Industry-Cockpit lässt die Planung und Überwachung flexibler werden. In Kombination mit anpassungsfähigen Bearbeitungsrobotern macht es Unternehmen fit für die kundenindividuelle Produktion.

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Produzieren mit dem Industry Cockpit und Bearbeitungsrobotern: Abläufe und Anlagen werden unternehmensweit in einem flexiblen Prozessnetz verknüpft – so können sie in ihrer Gesamtheit überwacht und jederzeit auf Kundenwünsche eingestellt werden.
Produzieren mit dem Industry Cockpit und Bearbeitungsrobotern: Abläufe und Anlagen werden unternehmensweit in einem flexiblen Prozessnetz verknüpft – so können sie in ihrer Gesamtheit überwacht und jederzeit auf Kundenwünsche eingestellt werden.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Die Produktion ist in den letzten Jahren immer dynamischer geworden – nicht nur durch verkürzte Innovations- und Veränderungszyklen, sondern vor allem, weil Kundenwünsche stärker in den Fokus der Unternehmen rücken.

Immer häufiger bestimmen die Kunden nicht nur Aussehen und Eigenschaften des Endprodukts, sondern greifen durch ihre Anforderungen indirekt in das Prozessgefüge von Unternehmen ein. Um Kundenwünschen zu entsprechen, müssen Unternehmen oft zahlreiche interne Prozesse anpassen, von Freigabeprozessen über zusätzliche Prüfprozesse oder Zertifikate bis hin zu individuellen Liefer-, Abnahme- und Verrechnungsmodalitäten.

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Produktionsanlagen und das Prozessnetz müssen flexibel sein

Das Ganze in Verbindung mit einem Produkt, das der Auftragnehmer in der gewünschten Ausprägung vielleicht nur ein einziges Mal fertigt. Um solchen Anforderungen gerecht zu werden, ohne die eigene Wirtschaftlichkeit zu riskieren, brauchen Industrieunternehmen zweierlei: Flexible Produktionsanlagen, die sich mit überschaubarem Aufwand für die Herstellung immer neuer Produkte oder Produktvarianten anpassen lassen, sowie ein flexibles Prozessnetz, das bei Bedarf schnell modifiziert werden kann.

Bereits auf der Hannover Messe 2015 präsentierte das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK aus Berlin ein Lösungspaket, das Unternehmen zum flexiblen Umgang mit Prozessen und deren Monitoring befähigt.

Das modellbasierte Industry Cockpit aus dem Geschäftsfeld Unternehmensmanagement wird dazu mit roboterbasierten Bearbeitungsmaschinen kombiniert, die von den Geschäftsfeldern Produktionssysteme und Automatisierungstechnik entwickelt wurden.

Das Industry Cockpit entstammt einem Kooperationsprojekt mit dem Softwarehersteller für Qualitätsmanagement (CAQ), Produktionsmanagement (MES) und Traceability (Rückverfolgbarkeit) Pickert & Partner aus Karlsruhe.

Prozessmanagement und MES-System miteinander kombinieren

Es soll helfen, die komplexen Abläufe in der Fertigung schnell zu überblicken und individuell an Aufträge anzupassen. Diese Idee ist nicht neu – Industrie Cockpits gibt es bereits. Allerdings sind sie recht starr und eignen sich nicht für eine flexible, kundenindividuelle Fertigung. Das ist jedoch dringend nötig. Damit ein flexibles Prozessnetz beherrschbar bleibt, ist die wichtigste Maßgabe, zu jeder Zeit einen vollständigen Überblick über die Produktionsabläufe zu haben. Dies gelingt, wenn Prozessmanagement und MES-System zu einer dynamischen, ganzheitlichen und kontextsensitiven Monitoringumgebung kombiniert werden. Auf diese Weise können sämtliche kundenbezogenen Prozessänderungen produktindividuell nachvollzogen und die erforderlichen Informationen modellbasiert gefiltert und aufbereitet werden.

Mit dem Industry Cockpit lässt sich ein flexibles Prozessnetz zuverlässig überwachen und steuern. Es bildet die Strukturen einer intelligenten, vernetzten Produktion ab und verknüpft auf der Grundlage von Unternehmensmodellen Menschen, Produkte, Maschinen, Informationssysteme und Organisation ganzheitlich miteinander. So liefert es jederzeit eine exakte Übersicht über die Gesamtsituation des Betriebs – über sämtliche Prozesse ebenso wie über den Zustand der Fertigungsanlagen und des Zuliefernetzes. Alle beteiligten Akteure – Werker, Schichtleiter, Vertriebsmitarbeiter und Manager – erhalten bedarfsgerechte, anschauliche und in Echtzeit aufbereitete Informationen über die für sie relevanten Aspekte der Produktion. Mehr noch: Mit dieser Lösung wird jeder Mitarbeiter zum Prozess-Controller für seinen Verantwortungsbereich.

Automatisierte Anpassung für ein dynamisches Prozessmonitoring

Wenn er Veränderungen an den Prozessen vornimmt, die seiner Verantwortung unterliegen, passt sich das Cockpit bei allen davon beeinflussten Prozessen automatisiert an. Auf diese Weise wird eine transparente Kommunikation und Darstellung der bevorstehenden Aufgaben sowie ein dynamisches Prozessmonitoring gewährleistet. Praktisch funktioniert das so: Im ersten Schritt wird mithilfe eines Prozessmanagement-Clients ein kundenindividuelles Prozessmodell aus vordefinierten Prozessmodulen erstellt. Mit wenigen Klicks sind damit die Informationswege innerhalb der Fertigung definiert. Gleichzeitig wird damit auch die Visualisierung in den dynamischen Cockpits bestimmt. Dazu werden auf Basis der Prozessmodule die abzubildenden Informationen und deren Darstellung mithilfe eines Auswertungsgenerators einmalig definiert.

Prozessmodule können mit Arbeitsplan-Containern verbunden werden

Neben den Auswirkungen der Kundenanforderungen auf die administrative Prozessebene ergeben sich Anforderungen an die technischen Prozesse, die in den Geschäftsprozessmodellen nicht berücksichtigt werden. Um auch dabei die Durchgängigkeit zu gewährleisten, ist der Prozessmanagement-Client mit dem MES-System verbunden.

Die Prozessmodule des Produktflusses können an dieser Stelle mit so genannten Arbeitsplan-Containern verbunden werden, die die einzelnen spezifischen Arbeitsfolgen zur Fertigung einer Komponente enthalten und über die Prozesslogik zu Gesamtarbeitsplänen zusammengesetzt werden.

Ein Beispiel: Ein großer Fahrradhersteller erhält von Kunden vermehrt Anfragen, kundeneigene Fahrradkomponenten in ein neues Rad zu integrieren. Vor allem Fahrradrahmen werden, als Ausdruck eines wachsenden Umweltbewusstseins, gern wiederverwendet. Wünscht ein Kunde erstmalig die Verwendung eines vorhandenen Rahmens, wird zunächst ein Prozessmodul 'Kundenrahmen vorbereiten' erstellt. Dieses Modul ersetzt im Prozessablauf das Modul 'Rahmen fertigen'.

Im nächsten Schritt wird aus dem Modell im MES-System ein neuer Arbeitsplan-Container erzeugt. Dieser wird durch die Arbeitsplanung mit den entsprechenden Arbeitsschritten – Rahmen vermessen und Qualität der Schweißnähte prüfen – sowie Informationen für die Fertigung versehen. Damit steht der Container für den Gesamtarbeitsplan und die Cockpit-Konfiguration zur Verfügung.

Die Monitoringkomponenten für das Prozessmodul 'Kundenrahmen vorbereiten' werden über den Auswertungsgenerator definiert und ihre Anzeigeposition im Cockpit bestimmt. Gleichzeitig kann über die Zuweisung von Rollen zu einzelnen Informationselementen eine gefilterte Weitergabe an die administrative Prozessebene gewährleistet werden. Wird der referenzierte Auftrag in der Fertigung etwa durch einen Barcode-Scan gestartet, ändert sich die Cockpitdarstellung für den Auftrag automatisch.

Verkürzte Reaktionszeit auf individuelle Kundenanforderungen

Die Wiederverwendbarkeit der einmalig erstellten Prozessmodule führt zu deutlich verkürzten Reaktionszeiten auf individuelle Kundenanforderungen. Erforderliche Überwachungsmechanismen müssen nicht mehr programmiert, sondern nur noch konfiguriert werden. So können ad-hoc bereitgestellte, kundenindividuelle Auswertungen den Hersteller optimal bei der Analyse und Umsetzung seiner Fertigungsaufgabe unterstützen.

Von Individualwünschen bis zum Unikat ist alles machbar

Wird ein flexibel gesteuertes Prozessnetzwerk mit einem anpassungsfähigen Maschinenpark kombiniert, ist das gesamte Unternehmen fit für die Erfüllung von Individualwünschen bis hin zum zertifizierten Unikat. Werkzeugmaschinen, bisher die erste Wahl für Bearbeitungsaufgaben wie Schleifen, Fräsen und Entgraten erweisen sich in diesem Zusammenhang immer öfter als zu unflexibel, und ihr hoher Anschaffungspreis führt zu hohen Maschinenstundensätzen. Prozesse mit geringerer Wertschöpfung sollten daher sinnvollerweise auf günstigere Bearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Roboter, verlagert werden. Dadurch lassen sich auch die Herstellungskosten nachhaltig senken.

Die Geschäftsfelder Automatisierungstechnik und Produktionssysteme treiben aus diesem Grund seit einigen Jahren die Qualifizierung von Bearbeitungsrobotern voran, die diese Aufgaben mit der notwendigen Präzision ausführen können. Ihre geringeren Investitionskosten, ihr großer Arbeitsraum und ihre hohe Beweglichkeit machen sie zu einer interessanten Alternative zu den schwereren und teureren Werkzeugmaschinen.

Der Haken ist jedoch: Die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen ist für einen Roboter nur schwer zu erreichen. Zum einen führt ihre geringere Steifigkeit zur Abdrängung des Werkzeugs von der programmierten Sollbahn und dadurch zu einer verringerten Maßhaltigkeit des Bauteils. Dadurch kommen Roboter vor allem bei der Bearbeitung von harten Materialien schnell an Grenzen. Zum anderen treten Werkzeug- und Maschinenschwingungen auf, die sich nicht nur negativ auf die Oberflächenqualität, sondern auch auf das Verschleißverhalten des Werkzeugs und die Lebensdauer des Maschinensystems auswirken können.

Diese negativen Faktoren auszugleichen, ist der wesentliche Inhalt der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IPK. Dazu werden einerseits intelligente Steuerungs- und Regelungsverfahren entwickelt, die etwa automatisiert Bahnkorrekturen vornehmen können. Andererseits werden geeignete Bearbeitungsparameter identifiziert, da sich die Parameter von Werkzeugmaschinen nicht ohne weiteres auf Bearbeitungsroboter übertragen lassen. Die Entwicklung anforderungsgerechter Werkzeuge und Identifikation spezifischer Roboterkonfigurationen führen zu der erforderlichen Steigerung der Genauigkeit. MM

* Thomas Knothe ist Leiter der Abteilung Geschäftsprozess- und Fabrikmanagement, Nicole Oertwig ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und Katharina Strohmeier ist Mitarbeiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, alle am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in 10587 Berlin, Tel. (0 30) 3 90 06-1 40, katharina.strohmeier@ipk.fraunhofer.de

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