Strategien und Nutzen der virtuellen Produktion

Immer kürzere Innovationszyklen zwingen Unternehmen zu einer drastischen Beschleunigung ihrer Produktentwicklungsprozesse. Erhebliches Einsparpotenzial lässt sich mit digitalen Prototypen...

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Immer kürzere Innovationszyklen zwingen Unternehmen zu einer drastischen Beschleunigung ihrer Produktentwicklungsprozesse. Erhebliches Einsparpotenzial lässt sich mit digitalen Prototypen erschließen. Lösungen wie das Digital Mock Up zur Produktvisualisierung werden inzwischen von vielen Unternehmen erfolgreich eingesetzt. Software zur digitalen Abbildung der Produktion, die Immersion, Interaktion und Simulation kombiniert, ermöglicht es Mitarbeitern künftig, mit all ihren Sinnen in die virtuelle Produktion einzutauchen.Virtuelle Produktion ist die durchgängige Planung, Evaluierung und Steuerung von Produktionsanlagen und -prozessen mit digitalen Modellen. Dazu wird Simulationssoftware auf allen Betrachtungsebenen der Produktion genutzt. Die Grundlage bilden Methoden und Werkzeuge für ein durchgängiges Produktdaten- und Prozessmanagement. Ziel solcher Werkzeuge ist das gemeinsame Verwalten von Daten verschiedenster Simulationswerkzeuge sowie die integrierte Planung und Entwicklung von Produkten und Produktionsprozessen. Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) verfolgt innerhalb der virtuellen Produktion drei Visionen:Auf dem Weg zu einer Realisierung dieser Visionen lassen sich konkrete Handlungsfelder ableiten. Für eine vollständige Virtualisierung des Produktionsprozesses müssen die bestehenden Werkzeuge weiter qualifiziert und auf neue Fertigungsverfahren und Herstellprozesse angewendet werden. Dazu betreibt das iwb Forschung auf allen Betrachtungsebenen der Produktion. Auf Fabrikebene beschäftigt man sich unter anderem mit der Anbindung der Ablaufsimulation an PPS- und BDE-Systeme als Basis für eine automatische Modellgenerierung. Im Rahmen des von der bayerischen Forschungsstiftung geförderten Forschungsverbundes Simulationstechnik (Forsim) leitet das iwb ein Projekt, in dem die Qualifizierung der Ablaufsimulation zu einem die gesamte Fabrikplanung begleitenden Werkzeug im Vordergrund steht. Das Simulationsmodell soll die integrierenden Eigenschaften eines zentralen Planungsobjekts übernehmen, ähnlich dem CAD-Modell in der Produktentwicklung.Auf der Ebene der Produktionsanlagen können mit der 3D-Simulation sowohl automatisierte als auch manuelle Arbeitsplätze (Bild 1) betrachtet werden. Schon zu einem frühen Zeitpunkt im Planungsprozess sind so Informationen über die Durchführbarkeit geplanter Montageaufgaben zu erlangen. Neben High-End-VR-Systemen (Bild 2), die zur Erzeugung der Geometriemodelle im Rechner und der Stereobilder auf den Projektionsflächen sehr aufwendige Hardware benötigen, werden auch Low-Cost-VR-Systeme eingesetzt. Diese Systeme basieren auf einem preiswerten Desktop-PC, einem einfachen Tracking-System und einer Shutterbrille. Der Immersionsgrad ist zwar etwas geringer, dafür lassen sich die 3D-Simulationen mit deutlich reduziertem Aufwand betreiben. Um die Integration des Menschen in die virtuelle Produktion voranzutreiben, wird an der Entwicklung intuitiver Benutzerschnittstellen gearbeitet. Durch die Kombination von Immersion, Interaktion und Simulation soll der Mensch mit all seinen Sinnen zu jeder Zeit an jedem beliebigen Ort in die virtuelle Produktion eintauchen können. Neben verschiedenen Leistungsstufen zur Visualisierung wurde auch die Integration von Geräten zur Kraftrückkopplung (Haptik) realisiert (Bild 3). Durch Einbeziehung des Tastsinns können Einbauuntersuchung noch näher an der Realität durchgeführt werden.Zur Simulation einzelner Fertigungsverfahren auf Prozessebene werden sowohl die Finite-Elemente-Methode als auch die Mehr-Körper-Simulation angewandt. Ziel ist es, Ergebnisse aus einer Simulation direkt als Eingangsgrößen für die nächste Simulation verwenden zu können. Die Aufwandsminimierung bei der Modellerzeugung soll zu einem effizienteren Einsatz der Simulationswerkzeuge führen und wesentliche Zeit- und Kostenersparnisse ermöglichen. Darüber hinaus wird auch wenig erfahrenen Anwendern die Durchführung von Simulationen erleichtert.Unterschiedliche Sichtweisen sind darstellbarBei der Entwicklung von Werkzeugen für ein gemeinsames Produktdaten- und Prozessmanagement nutzt man kommerzielle Lösungen, darauf aufbauend werden aber auch eigene Systeme und Anwendungen entwickelt. Eine wichtige Forderung beim Produktdatenmanagement und bei der integrierten Prozessplanung ist es, verschiedene Sichtweisen auf das Produkt und den Prozess darstellen und verwalten zu können. Bei der Prozessplanung kann beispielsweise zwischen der Betriebsmittelsicht, der Prozesssicht, der Produktsicht und der Sicht entsprechend der Projektstruktur unterschieden werden. Für eine integrierte Prozessplanung sind zwischen diesen verschiedenen Sichtweisen Verknüpfungen zu implementieren, die eine konsistente Datenbasis auch bei Kontextwechseln und Änderungen gewährleisten. Die Komplexität der Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Sichtweisen beschränkt solche automatischen Verknüpfungen bisher auf Insellösungen mit der Verwaltung weniger vordefinierter Sichten. Das am iwb entwickelte Computersystem zur Montage-Automatisierung Cosmonaut [1 und 2] ist ein Beispiel für die Integration feingranularer Planungsobjekte in Multisichten. Darüber hinaus sind kommerzielle Systeme wie der eM-Planner von Tecnomatix oder Ergoplan von Delmia auf dem Markt erhältlich.Im Produktentwicklungsprozess werden innerhalb eines Unternehmens eine Vielzahl von Softwarewerkzeugen mit unterschiedlichen Dateiformaten und Datenstrukturen eingesetzt. Für die Weitergabe von Informationen zwischen den Systemen müssen daher logische Verknüpfungen zwischen den verschiedenen CA-Dokumenten abgebildet und geeignete Konverter entwickelt werden. Der Aufwand zur Pflege dieser Daten steigt wiederum mit dem realisierten Integrationsgrad.Prozessnavigator zur DokumentenverwaltungMit kommerziellen PDM-Systemen lassen sich Dateien beliebiger Simulationsprogramme als Dokumente verwalten. Obwohl man in so einem Fall von einem durchgängigen Datenmanagement sprechen kann, schließlich werden alle im Produktlebenszyklus anfallenden Daten als Datei verwaltet, ist der Integrationsgrad noch gering. Mit einer solchen Methode lassen sich Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Daten nur statisch über Referenzen auf Dokumentebene darstellen. Ein Beispiel für ein solches System ist Windchill der Firma PTC, das neben der Möglichkeit einer durchgängigen, Internet-basierten Dokumentenverwaltung auch volle PDM-Funktionalitäten bezüglich der Benutzerverwaltung und des Versionsmanagements bietet. Aufbauend auf der Informationsmodellierungsumgebung dieser PDM-Lösung wurde am iwb ein Werkzeug zur Navigation in Herstellungsprozessen entwickelt (Bild 4). Die Prozesszustandsobjekte bauen auf Standardobjekten des PDM-Systems auf. Dadurch stehen alle PDM-Basisfunktionen wie Versionsmanagement und Zugriffsregelung zur Verfügung. Es können beliebige Dokumente angehängt und verwaltet werden. Durch Referenzierung anderer Prozess- und Zustandsobjekte können Hierarchien gebildet werden. Das integrierte Workflow-Management steuert den Datenfluss und regelt die Freigabeprozesse. Mit Hilfe des Prozessnavigators ist eine durchgängige Verwaltung aller prozessrelevanten Dokumente an Hand eines individuell gestaltbaren, PDM-basierten Prozessplans möglich.Zentrale Frage bei der Entwicklung durchgängiger Planungswerkzeuge zum Produktdaten- und Prozessmanagement bleibt die Abwägung zwischen einer maximalen Integration gegenüber eines minimalen Aufwands zur Pflege und zur Verwaltung der Daten. Die Beantwortung dieser Frage ist zentraler Gegenstand der Forschung und ein wichtiger Schritt in Richtung Realisierung der im Anfang dieses Artikels genannten Visionen.Über die Verfügbarkeit und den Einsatz von Simulationswerkzeugen für konkrete Anwendungen herrscht in der Industrie noch eine große Unklarheit. Somit stehen einer breiten Umsetzung der Technologien nicht nur die hohen Kosten für Hard- und Software, sondern auch fehlendes Wissen um die bloße Existenz der Simulationswerkzeuge im Wege. Die Komplexität der Werkzeuge erschwert es unerfahrenen Anwendern zudem, deren Eignung für eine bestimmte Fragestellung zu beurteilen. Dem Anwender stellt sich die Frage, welche Aussagen mit welcher Simulationsmethode gewonnen werden können und welche Werkzeuge am besten dafür geeignet sind. Dabei muss nicht nur die einzelne Softwareanwendung, sondern auch ihre Integration in die umgebende Systemlandschaft berücksichtigt werden. Hierfür gilt es beispielsweise zu klären, welche Eingangsgrößen zur Modellgenerierung benötigt werden und in welcher Form die Ergebnisse der Simulationen ausgegeben werden können.Ein Hindernis, das vor allem kleinen und mittleren Unternehmen bisher den Zugang zur virtuellen Produktion erschwert hat, sind die hohen Investitionskosten für Hard- und Software. Deshalb müssen Methoden und Strategien entwickelt werden, die diesen Unternehmen den Zugang zur Virtuellen Produktion ermöglichen. Das iwb arbeitet in diesem Bereich an der Entwicklung eines Marktplatzes für die virtuelle Produktion. Dieser Marktplatz soll dem Anwender die Möglichkeit geben, über das Internet Simulationsdienstleistungen zu beziehen. Für eine konkrete Fragestellung kann sich der Anwender über den Marktplatz informieren, ob dafür bereits Simulationslösungen existieren und wo er sie gegebenenfalls beziehen kann. Dazu gehört auch die Beratung über den sinnvollen Einsatz und die Kombination möglicher Simulationswerkzeuge. Die Grundlage dafür ist eine durchgängige Bewertung von Aufwand und Nutzen des Simulationseinsatzes.Digitale Modelle ersetzen physische PrototypenAm Anfang jeder Investition steht die Frage nach deren Nutzen im Vergleich zum Aufwand. Die Aufwandsabschätzung ist vergleichsweise einfach. Der Aufwand setzt sich hauptsächlich aus den Investitionskosten für die Hardware und Softwarelizenzen sowie den Schulungskosten für die Mitarbeiter zusammen. Dazu kommen Personalkosten für die Einführung des Werkzeugs in der Übergangszeit. Schwieriger gestaltet sich der Nutzennachweis für den Einsatz von Simulationswerkzeugen. Je nach Art und Auftreten des Nutzens muss zwischen verschiedenen Kategorien unterschieden werden. Analog zu der Nutzenbewertung der Informationsverarbeitung [3] lassen sich drei Nutzenkategorien für Simulationswerkzeuge unterscheiden:Relativ leicht zu ermitteln ist der Nutzen durch substitutiven Einsatz, bei dem ein herkömmliches Verfahren durch ein neues ersetzt wird. Am Beispiel von Simulationswerkzeugen könnte dies der Ersatz physischer Prototypen durch ein digitales Modell sein. In diesem Fall lassen sich die Kosten für das herkömmliche Vorgehen mit den Kosten für das Simulationswerkzeug vergleichen. Problematisch wird es bereits dann, wenn eine zusätzliche Prozessverbesserung erwartet wird. Selbst wenn eine sinnvolle Prognose über den erzielbaren Nutzen gelingt (Einsparpotenzial an Zeit und Kosten, vermiedene Fehlteile), kann es sein, dass dieser erst zu einem späteren Zeitpunkt in der Prozesskette auftritt und dadurch Aufwand und Nutzen nicht mehr klar einander zugeordnet werden können.Simulationssysteme reduzieren EntwicklungszeitenBei den meisten heutigen Anwendungen handelt es sich um den komplementären Einsatz von Simulationswerkzeugen. Das bedeutet die Simulation wird zusätzlich zur bisherigen Produktionsabsicherung genutzt. Hier ist ein Nutzen ausschließlich durch Prognosen über erzielbare Prozessverbesserung in Form von vermiedenen Fehlteilen sowie Zeit- und Kostenersparnissen darstellbar.Der Einsatz von Simulationswerkzeugen kann auch strategischer Natur sein. Der Nutzen in einem solchen Fall würde durch eine gewünschte Verbesserung der Position gegenüber den Wettbewerbern erzielt, beispielsweise durch eine Differenzierungsstrategie bezüglich der Produktqualität. Ein Beispiel für den strategischen Einsatz von Simulationswerkzeugen ist die Einhaltung von Kundenvorgaben. Es ist zu erwarten, das zukünftig nicht nur produktbezogene Daten mit simulativen Absicherungen abgegeben werden müssen, sondern auch Modelle und Ergebnisse aus dem virtuellen Herstellprozesses. In einem solchen Fall würde sich der strategische Nutzen in Form der Aufrechterhaltung der Geschäftsbeziehung mit dem Kunden ausdrücken. Je nachdem in welche Kategorie der geplante Einsatz des Simulationswerkzeugs einzuordnen ist, können unterschiedliche Arten des Nutzennachweises erbracht werden. Während sich der Nutzen der ersten Kategorie explizit berechnen lässt, kann der Nutzen der anderen beiden Kategorien mit vertretbarem Aufwand meist nur qualitativ beschrieben werden.