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Digitale Zwillinge – Basis für die Smart Factory

Produktivitätssteigerung durch eine modellbasierende Teilefertigung
Digitale Zwillinge – Basis für die Smart Factory

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Um eine modellbasierte Fertigung abzubilden, ist der digitale Zwilling des Produktes die Basis. Dieser schafft zahlreiche Möglichkeiten, um die Abläufe entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu optimieren. Die vorhandenen kundenspezifischen Applikationen können über ein Konzept wie Xcelerator berücksichtigt werden. Das integrierte Portfolio aus Software, Service und den Plattformen stellt eine stufenweise und budgetierte Einführung sicher.

Autoren: Dr.-Ing. Thomas Mücke, Marian Rasokat, strategisches Business Consulting, Siemens Industry Software GmbH

Produzierende Unternehmen werden stetig mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Eine steigende Anzahl von Varianten, individualisierten Produkten, kleineren Losgrößen, kürzere Liefer- und Entwicklungszeiten oder die zunehmende Komplexität und der Kostendruck sind nur einige der Trends. Die digitalen Zwillinge und deren Assoziativität bilden die Basis zur Optimierung der Produkte und Prozesse. Somit können Kosten und Durchlaufzeiten reduziert und die Qualität der Bauteile verbessert werden (Abbildung 1).

Heute nutzen viele produzierende Unternehmen Insellösungen, wie z. B. Fertigungsdatenbanken, NC- und Werkzeugverwaltungssysteme, MDE-Systeme, DNC-Lösungen, etc. Diese sind mit spezifischen Schnittstellen mittels Peer-to-Peer verbunden. Hierdurch entstehen Prozess- und Medienbrüche, welche eine mögliche Prozess-Datendurchgängigkeit verhindern und dadurch in der Zukunft analytische Auswertungen auf CAD-Strukturen schwer abbilden lassen.

Lösungsansatz zur Steigerung
der Produktivität

Um einen sukzessiven Ausbau der Digitalisierungsstrategie auf Basis einer Plattform mit einem planbaren Budgetrahmen zu realisieren, hat Siemens ein Stufenkonzept (Abbildung 2) entwickelt, welches als Basis für einen schrittweisen Ausbau der Digitalisierung bis zu neuen Geschäftsmodellen dient. Es ist an bestehenden IT-Landschaften anpassbar und abhängig von Kundenanforderungen bis zu einer kompletten Datendurchgängigkeit, inkl. der Rückführung von Daten ins Engineering modular aufgebaut.

Um z. B. Maschinenstillstände aufgrund fehlender Werkzeuge, Reduzierung der Kapitalbindung von Werkzeugen und eine Verbesserung der Bauteilqualität zu erreichen, bietet die Integration der Systeme ERP, PLM, MES und der Werkzeugverwaltung Potenziale (Stufe 4).

Eine Vielzahl der Unternehmen haben heute oft einen technisch ausgeprägten Prozess, um die NC-Programme zu erstellen, wie es in der Stufe 3 dargestellt wird. Die o. g. Nutzenpotenziale können dadurch nicht gehoben werden. So ist eine CAD/CAM-Prozesskette vorhanden, welche jedoch nicht mit dem betriebswirtschaftlichen Prozess im ERP-Systems gekoppelt ist. Dadurch werden u. a. die NC-Programme im technischen Bereich erstellt und die Arbeitspläne bzw. Fertigungsaufträge in der Arbeitsplanung bzw. Fertigungssteuerung separat ausgearbeitet.

Bereits in der Bauteilkonstruktion können Automatisierungen im Wertschöpfungsprozess anhand des 3D-Bauteiles erfolgen. Hierzu werden am 3D-Modell CAD-Features mit Produkt- und Fertigungsinformationen (PMIs) ergänzt. Basierend auf dem CAD-Modell kann über ein Regelwerk die Fertigungstechnologie automatisiert mit dem Modul Feature based manufacturing (FBM) im CAM-System von Siemens (NX-CAM) generiert werden. Dadurch entfallen teilweise interaktive Tätigkeiten, wobei zugleich aufgrund der Regelwerke eine Standardisierung der verwendeten Werkzeuge gewährleistet ist.

In der Fertigung, bzw. in der Fertigungssteuerung ist damit noch kein Zusammenhang der technischen Dokumente (z. B. NC-Programme, Werkzeuge, etc.) mit den betriebswirtschaftlichen Informationen, wie den Fertigungsaufträgen und physikalischen Ressourcen, vorhanden. Somit müssen die Mitarbeiter in den Fachbereichen eine Optimierung von Ressourcen wie Betriebsmitteln oder Abarbeitungsreihenfolgen aufgrund ihrer Erfahrung, bzw. durch manuelle Tätigkeiten vornehmen.

Hierbei ist in Stufe 4 im Stufenkonzept die Berücksichtigung von Sekundärressourcen wie Werkzeugen und Vorrichtungen in der Feinplanung von Aufträgen ein wesentlicher Bestandteil zur weiteren Optimierung von Produktionsabläufen. Unter Betrachtung der Integration in die Maschinensteuerung ergeben sich Nutzenpotenziale in der Ressourcenverwaltung, bzw. in der Werkzeuglogistik. Hierbei wird transparent, in welchem Werkzeug-Revolver, Schrank oder auch Lagersystem welche Komponente, welches Spann- oder Messmittel bzw. welches Komplettwerkzeug liegt. Dies wirkt sich u. a. auf die Kapitalbindung von Werkzeugen und schließlich auch auf die maschinenspezifische Einplanung von Fertigungsaufträgen aus. Mit der Differenzbetrachtung von Werkzeuglisten aufgrund aktueller Aufträge gegen die Maschinenbelegung können Be- und Entladelisten, bzw. Umrüstlisten erstellt werden. Diese haben u. a. Auswirkungen auf Rüst- und Transportzeiten.

Anders als bei einer reinen Werkzeuglagerverwaltung, welche auf betriebswirtschaftlichen Abläufen basiert, ergeben sich durch die Integration von Prozessdaten wie Reststandzeiten, Technologiedaten und deren Anpassung oder Vorschubregulierung durch den Werker an der Werkzeugmaschine Optimierungspotenziale. Dadurch wird z. B. sichergestellt, dass korrekte Ist-Daten zu jedem physikalischen Werkzeug in der Steuerung abgespeichert sind, welche ebenfalls die Basis für den nächsten Digitalisierungslevel darstellen. Dies schafft zusätzlich die Grundlage, die Kosten der Werkzeuge zukünftig auf Bauteile und deren Operationen auf Basis von PMIs zu verrechnen.

Hierbei ist es von Bedeutung, dass die Rückmeldungen aus den logistischen Prozessen den digitalen Zwilling ergänzen. Durch die Assoziativität zwischen dem CAD-Feature, der NC-Operation und der verwendeten Ressourcen ist eine Datendurchgängigkeit vorhanden, die auch für analytische Betrachtungen notwendig ist. So können z. B. modifizierte Drehzahlen aus der Maschine zu jeder Bearbeitung über die manuelle Korrektur am Potentiometer der Steuerung ausgelesen werden. Dies kann für eine Nachverfolgbarkeit der Qualität von Bauteilen notwendig sein.

Potenzial der modellbasierten Fertigung

Der Nutzen zur Reduzierung der Kapitalbindung und kürzerer Durchlaufzeit von Bauteilen mit erhöhter Flexibilität ergibt sich durch eine autonome Produktion, welche die Prozessdaten aus der Fertigung im Planungsumfeld berücksichtigt. Beim heutigen Ablauf übernimmt das ERP-System die terminliche und logistische Planung von Produktionsabläufen. Dies erfolgt mittels eines Top-Down-Ansatzes und der notwendigen Rückwärtsterminierung von Kundenaufträgen. Dadurch soll die Produktion basierend auf dedizierten Arbeitsplänen effizient gesteuert werden. Dieser Ansatz stößt jedoch an Grenzen, da er nur bedingt detaillierte Prozessdaten aus dem Shopfloor – bspw. der Werkzeugmaschine oder der verwendeten Betriebsmittel – berücksichtigt.

Der geplante Ablauf des ERP-Prozesses ist transaktionsorientiert und wird somit auf Basis des Arbeitsplanes statisch abgebildet. Dabei kann eine optimale Auslastung der Werkzeugmaschine nur bedingt erzielt werden, da ohne Betrachtung aktueller Kapazitäten und Ressourcen im Fertigungsumfeld nur Planvorgaben berücksichtigt werden können. Aufgrund dieser vorhandenen Systeme und Prozesse sind autonome, selbstorganisierbare Einheiten in der Fertigung (Smart Factory) schwierig umsetzbar.

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, bietet Siemens mit den digitalen Zwillingen des Produktes, der Produktion und der Performance die Möglichkeit, den Wertschöpfungsprozess mittels durchgängiger Prozesse und einer digitalen Unternehmensplattform zu optimieren. Dabei fließen Informationen aus der Fertigung ins Engineering zurück, um Bauteile und die Fertigungstechnologien stetig zu verbessern, welche in der Stufe 5 des Stufenmodells berücksichtigt werden.

Damit sich ein Nutzen in der autonomen Produktion mittels des digitalen Zwillings ergibt, ist grundsätzlich folgender Ablauf zu betrachten: Mit der Berücksichtigung von Ressourceninformationen aus Maschinen bei der NC-Programmgenerierung kann mithilfe von Regelwerken flexibel und autonom gefertigt werden. Hierzu werden aufgrund der Bauteilmerkmalen, wie beispielsweise der PMIs an einer Gewindebohrung, Fertigungsregeln im FBM hinterlegt. Dabei wird definiert, mit welchen Werkzeugen, Maschinen, usw. das Feature (Operation) mittels der automatisierten NC-Programmierung (FBM) gefertigt werden kann. Hierzu werden Werkzeuge, welche in der Maschine aktuell im Einsatz sind, via der Siemens-Applikation Manage my Ressource (MMR/T) – einer Software zur physikalischen Ressourcenverwaltung – in Echtzeit berücksichtigt. Somit können speziell bei kleinen Losgrößen bereits gerüstete Werkzeuge in der Maschine für die Werkzeugbahnberechnung bei der NC-Programmierung berücksichtigt werden.

Durch die definierten Regeln können alternative Fertigungsoperationen (z. B. eine andere Maschine, abweichende Werkzeuge, etc.) für eine Operation generiert werden, welche mittels einer Optimierung in der Feinplanung unter Berücksichtigung des Kundenauftragsnetzes und der technischen Randbedingungen simuliert werden können. Dies bedeutet, dass NC-Programme in Abhängigkeit von Operationen und Bauteilklassifizierungen (Teil der Regelwerke) für serialisierte Bauteile erstellt werden können, wodurch eine höhere Flexibilität in der Fertigung möglich ist. Aufwendige Änderungen bestehender NC-Programme, Arbeitspläne, usw. sind somit nur noch bedingt notwendig. Abbildung 4 zeigt vereinfacht den beschriebenen Ablauf auf. Hierbei werden die Prozesse wie in Tabelle 1 gezeigt abgebildet.

Möglichkeiten durch Data Analytics

Um die Bearbeitungszeiten zu reduzieren, ist eine analytische Auswertung der Echtzeitdaten aus der Werkzeugmaschine notwendig. Verbesserungen können in Zukunft erreicht werden, wenn Echtzeitdaten aus dem Produktionsprozess u. a. durch Data Mining aufbereitet bzw. für den Einsatzfall ermittelt werden. Hierbei werden Echtzeitdaten über Edge-Computing zu jedem NC-Satz ausgelesen. Durch Korrelation von Standzeiten, Schnittgeschwindigkeiten, Maschinenparametern und weiteren bauteilspezifischen Informationen können über analytische Funktionen aufgrund der großen Datenbestände aus der Maschine Technologieparameter optimiert werden (Abbildung 5).

Somit nehmen Edge-Funktionalitäten mit Berücksichtigung von Hochfrequenzdaten aus den Maschinen an Bedeutung zu. Hierbei werden z. B. via Sinumerik Edge im Millisekundentakt Prozessparameter zu jedem CAD-Feature (NC-Satz) aus der Maschine ausgelesen, um dieses Feature des Bauteiles zukünftig mit verbesserten Fertigungsparametern herzustellen. Diese sind bspw. automatische Auswertungen von Maschinendaten zur Werkzeugbahnoptimierung oder Fertigungs- und Qualitätsverbesserung durch Vorschub- und Drehzahlanpassungen. Diese Optimierung wird mittels des beschriebenen Closed-Loop-Manufacturing-Ansatzes ermöglicht, der die Verbesserung der Technologiedaten von Werkzeugen in der MRL für ähnliche Produkt-Features in Abhängigkeit von Spindelleistungen der Maschinen, Werkstoffen, etc. für die NC-Programmierung abbildet. Hierdurch wird ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess im Engineering erreicht, der unter anderem NC-Operationen in den Bauteilen aus technischer Sicht stetig optimiert. Die technologischen Informationen unterstützen dabei, Bauteile kostengünstiger zu fertigen.

Mithilfe der Echtzeitdaten aus dem Produktionsprozess können neue Geschäftsmodelle entstehen. Z. B. wird eine erweiterte horizontale Vernetzung mit Kunden und Lieferanten angestrebt. Mit den gewonnenen Informationen auf Kundenseite können Verbesserungsvorschläge durch Werkzeuglieferanten zur optimierten Auswahl der angewandten Fertigungstechnologie und Prozessparameter für bestimmte Bearbeitungen über eine IoT-Plattform umgesetzt werden.

Zusammenfassung

Das beschriebene Konzept stellt eine Digitalisierungsstrategie dar, welche über Module aufgebaut ist. Das Nutzenpotenzial ist in jeder Stufe additiv zu betrachten, sodass ein kontinuierlicher Optimierungsprozess stattfindet. Um die Effekte zu erzielen, ist die Datendurchgängigkeit nötig. Eine Einführungsstrategie berücksichtigt die heute eingesetzten Systeme und Lösungen. Speziell im Bereich der Smart Factory ist eine 3D-Durchgängigkeit von wesentlicher Bedeutung.

Die Erfahrung in einigen Siemens-Werken zeigte, dass die konventionellen Lean-Maßnahmen für die neuen Herausforderungen von individualisierten Produkten mit hoher Komplexität nicht mehr ausreichen, um die notwendigen Kostensenkungen bei immer kürzer werdenden Lieferzeiten zu erzielen. Dadurch sind die heutigen Methoden mit Automatisierungs- und Digitalisierungsstrategien zu ergänzen, um die notwendigen Effekte zu erzielen.

Zusammenfassend sind in Tabelle 2 einige Potenziale in Abhängigkeit des Stufenmodells und unter der Berücksichtigung von den Effekten wie Zeit, Kosten und Qualität dargestellt.

Siemens Industry Software GmbH
www.siemens.com


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