Industrie 4.0 Was die 3D-Simulation der Fertigungsautomatisierung bringt

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Die 3D-Simulation ist eine zunehmend eingesetzte Technologie in der Automatisierung im Umfeld von Industrie 4.0. Als virtuelles Testbed komplexer Systeme ist sie ein Werkzeug, um die Planung, Kommunikation und Umsetzung von intelligent vernetzten Fertigungsanlagen und -automatisierung zu unterstützen. Dabei gibt es zahlreiche Anwendungsgebiete.

Industrie 4.0 bedeutet, Maschinen und Abläufe mittels Kommunikations- und Informationstechnologien intelligent zu vernetzen. Fertigungsanlagen werden unter dem Aspekt individualisierter Produkte gestaltet. Die Fertigungsautomatisierung nimmt dabei einen stetig wachsenden Anteil ein. Zentrale Aufgaben liegen hier in der Überwachung und Steuerung von Industrierobotern, Werkzeugmaschinen und komplexen Produktionsanlagen.

Die Herausforderungen bei der Planung und Implementierung derartiger Anlagen sowie deren Automatisierung sind vielfältig. Sie reichen von der Anwendung von Mess- und Steuerungstechnik, Auslegung und Programmierung von Industrierobotern bis hin zur Umsetzung der Maschinen- und Anlagensicherheit.

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Planungs- und Entwurfsphase

Mit 3D-Simulationen lassen sich Prozesse und Maschinen im Vorfeld exakt simulieren und planen, Risiken minimieren und Optimierungen vornehmen. Sie kommen typischerweise in der Planungs- und Entwurfsphase zum Einsatz.

So kann zum Beispiel mit Hilfe der 3D-Simulationslösung Visual Components die Umsetzung der Layout-Idee einer Fertigungslinie mit einem einfachen Workflow vorgenommen werden. Dazu lassen sich in einer Bibliothek mit Standardkomponenten (eCat) die gewünschten Elemente auswählen und mittels Drag & Drop in der 3D-Welt platzieren. Standardisierte Funktionen und Parameter der Bibliothekskomponenten von Works, Process-Modelling und Machine Tending erlauben eine einfache Definition von Abläufen und Modellverhalten. Weiterhin enthält die Bibliothek herstellerspezifische vordefinierte Komponenten, zum Beispiel 1.500 Roboter der mehr als 50 größten Marken der Industrieautomatisierung.

Layoutplanung

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Layoutplanung. Sie unterstützt es, eine effektive Anlagenkonzeption zu erarbeiten – sowohl bei der Planung neuer Projekte als auch bei bestehenden Systemen. Je nach Planungsfall, Projektumfang und Betriebsgröße können Kosten eingespart werden. Die 3D-Simulation zeigt nämlich bereits in der frühen Planungsphase, mit welchem Anlagen-Layout sich ein optimales Produktionsergebnis erzielen lässt. Das verhindert spätere Fehler oder Schwierigkeiten, optimiert den Materialfluss in der gesamten Anlage, erhöht den Durchsatz und reduziert Materialumschlagskosten. Zudem lassen sich Arbeitskräfte effektiv einsetzen, Ausrüstung und Platz sicherstellen, Investitionsausgaben und Betriebskosten verringern.

Implementierungs- und Betriebsphase

Aus Projektsicht erfolgen nach der konzeptionellen Planung des Anlagendesigns und der mechanischen Konstruktion die Realisierung und der Betrieb der Anlage. Besonders in der Realisierungsphase von Automatisierungsprojekten unterstützt der Einsatz eines Simulationswerkzeugs durch virtuelle Inbetriebnahme.

Die Entwicklung von Steuerungsprogrammen für SPS und Robotik kann bereits beginnen, bevor die reale Hardware zur Verfügung steht. Fehlerhafte oder nicht vollfunktionsfähige Komponenten werden bereits im virtuellen Raum ausgebessert und erneut getestet, bevor diese wieder in die Anlage eingebaut werden.

Leistungsanalyse für eine bessere Fertigung

Die gewonnenen Simulationsergebnisse stellen einen zentralen Bestandteil bei Optimierungsprozessen in der Fertigung dar. Sie unterstützen den Anwender bei der Leistungsanalyse und ermöglichen unter anderem die simulative Bewertung, die Materialflussanalyse, die Auslastung und den Vergleich von Szenarien.

Mit 3D-Simulationsplattformen wie Visual Components, die etwa Dualis als spezialisierter Vertriebspartner anbietet, lassen sich die Simulationsergebnisse in Form von Linien-, Flächen-, Balken- oder Tortendiagrammen sichtbar machen. Diese werden in einem speziellen Statistik-Dashboard konfiguriert und dargestellt. Damit kann das Verhalten etwa einer automatisierten Fertigungslinie besser veranschaulicht werden. Zudem lassen sich mögliche Engpässe ermitteln und Auswirkungen von Änderungen auf den Produktionsdurchsatz feststellen. Für weitergehende Untersuchungen besteht außerdem die Möglichkeit, die Simulationsergebnisse als PDF oder Excel zu exportieren und weiterführend auszuwerten und zu vergleichen.

Durch genaue Analyse und eine daraus resultierende Adaption und Optimierung der Fertigungslinie wird die Produktivität der Systeme nachhaltig gesteigert. Dies ist eine der zentralen Aufgaben beim Einsatz von Automatisierungskomponenten in komplexen Produktionssystemen. Deren Ziel ist es schließlich, Prozesse automatisiert zu verketten, um kostengünstiger mehr zu produzieren.

Digital Twin und Virtual Reality

Des Weiteren können 3D-Simulationen unterstützen, um den Digitalen Zwilling zu erstellen, zu verwalten und zu nutzen. Dieser ist im gesamten Produktionslebenszyklus vielfältig anwendbar. So kann er bereits bei den ersten Planungsschritten für eine Fabrik zum Einsatz kommen – aber auch bei Konstruktion, Inbetriebnahme und Wartung. Vorteil dabei: Es muss weder ein reales System noch eine reale Roboterzelle in Betrieb genommen werden. Sondern zuvor wird das Modell in einer realitätsgetreuen simulierten Umgebung getestet und geprüft.

Der Digital Twin stellt heute eine zentrale Anwendung der 3D-Simulationen dar. Sie bilden gemeinsam ein nützliches Werkzeug, um vernetzte Fertigungsanlagen zu unterstützen. So lassen sich Maschinen und Abläufe testen, ohne dass dabei hohe Investitionen wie im Live-Betrieb entstehen. Solche Anwendungen verbessern Effizienz und Produktqualität, reduzieren ungeplante Ausfälle und verkürzen Anlaufzeiten.

Auch Virtual Reality (VR) wird im Maschinen- und Anlagenbau mehr und mehr zur Realität. Durch ein digitales Abbild können beispielsweise komplexe Zusammenhänge der Automatisierung leichter beherrscht und Prozesse vorhergesagt werden. Auch hier dienen 3D-Simulationsplattformen als effektives Werkzeug. Sie vereinfachen die Kollaboration mit Kunden, die Konzeptvalidierung und die Ergonomie-Betrachtung. So kann beispielsweise über VR-Headsets jedem Kunden an jedem Ort der Welt eine neue Anlage realistisch gezeigt werden.

* Ralf Dohndorf ist Head of Factory Simulation bei der Dualis GmbH IT Solution

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