Die Entwicklung des Internets der Dinge ermöglicht eine nie da gewesene Vernetzung der Systeme und damit auch der Produktionsmittel. Diese Entwicklung findet bereits statt. Und wie Entwicklungen wie etwa Amazons Echo das Verhalten und damit auch die Anforderungen der Endverbraucher bereits heute nachhaltig beeinflussen, wird der Einsatz dieser Technologien das Verhalten und auch den Anspruch der beteiligten „Stakeholder“ im industriellen Umfeld nachhaltig verändern.
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Die vierte industrielle Revolution ermöglicht nicht nur die Kommunikation der Systeme untereinander. Angetrieben durch den massiven Einsatz von Sensoren und eine hochgradige Vernetzung, entstehen durch den Big-Data genannten Datenstrom, in Verbindung mit den passenden Algorithmen, intelligente Systeme, die viele Tätigkeiten der klassischen Prozessbeteiligten obsolet machen. Gleichzeitig steigen die Genauigkeitsanforderungen und manuelle Prozesse werden durch automatisierte ersetzt.
Mit diesen Veränderungen entstehen hohe Anforderungen an die Betriebsmittel, die über die Netzwerkfähigkeit weit hinaus gehen. Der Übergang zur „Industrie 4.0“ findet schleichend statt und bezeichnet die Informatisierung der Fertigungstechnik und der Logistik bei der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Eines der Ziele dieser Entwicklung ist die „Smart Factory“, welche sich durch Wandlungsfähigkeit, Ressourceneffizienz, ergonomische Gestaltung sowie die Integration von Kunden und Geschäftspartnern in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse auszeichnen soll.
Technologische Grundlage dieser Entwicklung sind cyber-physische Systeme und das „Internet der Dinge“. Bei diesen so evolutionär entstehenden Cyber-Physical Systems werden Objekte bis hin zu Alltagsgegenständen durch Programmierbarkeit, Speichervermögen, Sensoren und Kommunikationsfähigkeiten intelligent. Sie können dadurch direkt oder über das Internet durch sogenannteMachine-to-Machine (M2M)-Kommunikation eigenständig Informationen austauschen, Aktionen auslösen und sich wechselseitig steuern.
Diese Systeme ermöglichen vor allem im Bereich der Großserien-Produktion eine bisher unmöglich erscheinende Individualisierung der Produkte. Die Prozesse werden dabei zunehmend komplexer und erfordern geradezu Verfahren wie Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration und Selbstdiagnose.
Bei all der Technologie soll bei dieser Entwicklung der Mensch im Mittelpunkt stehen. Der Bediener, der sich über Jahre mit „seiner Maschine“, mit „seinem Prozess“ entwickelt hat und direkt für die Erzeugung der Qualität an der Maschine verantwortlich war, geht langsam zusammen mit „seiner Maschine“ in den Ruhestand.
Das neue Bild des Bedieners ist das des „augmented Operators“: Statt für eine Maschine ist er für den Gesamtprozess verantwortlich und kann im Detail allenfalls noch unterstützt durch Assistenz-Systeme eingreifen. Voraussetzung hierfür ist wiederum das Vorhandensein einer gewissen systemischen Intelligenz sowie ein hoher Vernetzungsgrad.
Darüber hinaus stellt diese Vision der Smart Factory jedoch noch weitere Anforderungen an die zukünftigen Betriebsmittel im Allgemeinen und damit speziell auch an die Werkzeugmaschine 4.0: Resilienz, also eine gewisse Robustheit. Bei all den Diskussionen, wie sie insbesondere in der Presse zum Thema Industrie 4.0 geführt werden und die sich nur allzu oft um Cloudsysteme und damit verbunden Apps drehen, wird dieser Aspekt gern vernachlässigt: Was macht denn eine Werkzeugmaschine so robust, dass sie 24/7 ohne ständige Operatorbindung in Produktion gehalten werden kann – bei „Stückzahl 1“, also in einer hochgradig individualisierten Massenfertigung?
Genauigkeit und thermische Stabilität
Dabei geht man stillschweigend davon aus, dass die Fertigungsmodule in einer selbstorganisierenden Fabrik „Plug & Produce“-fähig sind. Doch Massenfertigung wie wir sie kennen funktioniert in Wahrheit nur dann, wenn die Prozesse aufwändig eingefahren werden. In der individualisierten Massenfertigung jedoch erfolgt die Fertigung der Bauteile im Extremfall direkt aus dem CAM-System heraus, ohne dass ein manuelles Einfahren möglich wäre – vergleichbar eher mit den Anforderungen des Werkzeug- und Formenbaus als mit der aktuellen Fertigungsphilosophie im High-Volume Sektor.
In der Einzelteilfertigung geht es um durchgehend konstante Bedingungen. Dies beginnt mit der Klimatisierung der Halle und findet seinen Höhepunkt in der Erarbeitung von standardisierten Prozessen. Dazwischen liegt die Werkzeugmaschine, an die sich in diesem Zusammenhang ebenfalls die Anforderung ergibt, konstante Ergebnisse zu erzielen. Robustheit kann jedoch nur dann erzielt werden, wenn diese in der Lage ist, die geforderte Qualität zuverlässig, wiederholbar und auf Knopfdruck zu erzeugen.
„Plug & Produce“ bedeutet – bezogen auf die Werkzeugmaschine – in erster Linie, dass die Anforderungen an die Grundgenauigkeit steigen, da im Extremfall ein Einfahren des Prozesses nicht mehr möglich ist. Um das CAM-Modell möglichst exakt am Bauteil abzubilden, bedarf es unter anderem einer hohen Eigensteifigkeit und eines entsprechenden Dämpfungsverhaltens.
Was für den Grundaufbau gilt, sollte auch auf die Spindel zutreffen. Hier kommt es neben der Steifigkeit auf den Rundlauf an. Die gesamte Prozesskette muss sich diesen Anforderungen anpassen, beginnend vom CAD über das CAM-System steigen die Genauigkeitsanforderungen. Steuerungstechnisch entstehen höchste Anforderungen an den Motion Controller, die Interpolation darf diese feinen Strukturen nicht „weginterpolieren“.
Industrie 4.0 Aktivitäten von Makino
Sind diese Grundbedingungen erst einmal erfüllt, ist der Grundstein für weitere Funktionalitäten in Richtung Industrie 4.0 gelegt. Makino hat bereits eine Reihe von Anwendungen realisiert, wie beispielsweise die erste lernende Maschine, die in Zusammenarbeit mit Alicona entwickelt wurde. Sie ermöglicht eine autonome, da geregelte Fertigung (sog. Closed Loop Manufacturing): Eine Senkerodiermaschine vom Typ EDAF wird dabei mit einem optischen Messkopf ausgestattet. Nach erfolgtem Erodieren wird automatisch vermessen, kompensiert und gegebenenfalls nacherodiert.
Im Bereich der Drahterosion hat Makino mit der Steuerung Hyper i bereits 2013 ein intelligentes Steuerungskonzept eingeführt, das seit 2015 auch für Senkerodiermaschinen verfügbar ist. Hier kommen erstmalig Assistenzsysteme zum Einsatz, die sowohl den Maschinenbediener wie auch den Instandhalter aktiv unterstützen. Hyper i überwacht den Zustand der Verbrauchsmaterialien kontinuierlich und ermöglicht beispielsweise die Prognose, ob die Maschine mit dem aktuellen Status (etwa in Bezug auf Harz und Draht) in der Lage sein wird, die programmierten Werkstücke mannlos über das Wochenende zu fertigen. Der Bediener selbst wird technologisch unterstützt, sowohl beim Erlernen der Bedienung an sich, wie auch bei den täglichen technologischen Herausforderungen.
Diese Anwendungen zeigen, in welche Richtung die Reise geht. Mit dem Einsatz von immer umfangreicherer Sensorik, wie etwa zuletzt eingeführt im Bereich der Werkzeugbruch-Kontrolle in den aktuellen Bearbeitungszentren von Makino (Vision B.T.S.), entstehen gleichzeitig auch neue Möglichkeiten, welche die Intelligenz der Maschine Schritt für Schritt steigern.
Umfassende Assistenzsysteme wie etwa CSG (Collision Safeguard), seit Ende 2015 durch die neue Steuerungsgeneration Makino Professional 6 für Bearbeitungszentren verfügbar, stellen einen Meilenstein auf dem Weg zum „augmented Operator“ dar und ermöglichen es, den Bediener aktiv vor Fehlbedienungen zu beschützen, die zu einem Maschinenausfall führen können.
Makino Europe GmbH
Der Autor
Andreas Walbert, Head of Marketing & Product Planning, Makino Europe GmbH.
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