Wenn ein Werkstück erst einmal »weiß«, was es werden soll und welche Produktionsschritte dafür nötig sind, ist es auch der ideale »Informant« für jeden Menschen und jede Maschine, die an seiner Produktion beteiligt sein werden. Ein System zu erschaffen, das unter anderem dies möglich macht, war das Ziel des Projekts »Road to Digital Production«. Wie erfolgreich dieser Ansatz ist, haben die verantwortlichen Forscher nun mit einem Demonstrator nachgewiesen.

Bei Coachings, Trainings und anderen Formen der Mitarbeiterschulung gehört er zu den zentralen Elementen: Der Perspektivenwechsel. Durch das Einnehmen eines anderen Standpunktes und dem damit verbundenen neuen Blickwinkel lernen wir Dinge besser zu beurteilen. Vor allem dann, wenn wir Vorgänge nun mit den Augen von unmittelbar Beteiligten sehen. Doch so selbstverständlich (und gewinnbringend) dieses Prinzip für die Interaktion zwischen Menschen geworden ist, so ungewöhnlich (aber unter Umständen ebenso gewinnbringend) ist es noch in Bezug auf die Interaktion zwischen Mensch und Maschine beziehungsweise Maschine und Maschine. Genau an dieser Stelle setzt das Forschungsprojekt »R2D – Road to Digital Production« an. »R2D will klären, wie die Planung der Fertigung und Materialbereitstellung in der Produktion mithilfe der Digitalisierung dezentralisiert und beschleunigt werden kann«, erklärt Andreas Hölczli von der Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Supply Chain Services SCS des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Nürnberg. Der Clou dabei: Um mögliche Optimierungen zu erkennen, »begleitet« ein intelligenter Werkstückträger ein zu fertigendes Produkt durch den gesamten Produktionsprozess. Dank seiner Fähigkeit zur Kommunikation und Ortung und eines zusätzlichen Tags, der am eigentlichen Produkt angebracht wird und Produktdaten sowie Kontextinformationen enthält, können die Forscher (und später auch Planer) sozusagen den Blickwinkel des herzustellenden Produkts einnehmen. So können sie seine Fertigung Schritt für Schritt verfolgen. 

Prozessaufnahme- und Bewertungsmethodik sowie die Entwicklung der Softwarekomponenten zur Initialisierung des Smart Production Tags sind Aufgaben des Fraunhofer SCS im Projekt. Bild: JulianGraf | Kinexon GmbH

Digitalisierung der Wertschöpfungskette in der Produktion

»Der intelligente Werkstückträger ist in der Lage, eigenständig Prozessschritte zu erkennen, zu protokollieren und auch zu steuern«, erklärt Hölczli. Weil zusätzlich die Wertschöpfungskette innerhalb der Produktion komplett digitalisiert werde, sei es so möglich, selbst bei einer industriellen Einzelfertigung das gesamte prozessuale Umfeld bis auf die Werkstattebene hinunter zu erfassen. Zudem könne das am Werkstück angebrachte Tag ein zu fertigendes Produkt durch den gesamten Produktionsprozess mit spezifischen Informationen begleiten. »Später, im regulären Produktionsbetrieb, könnten hier beispielsweise bereits beim Start Prozess- und Auftragsdaten hinterlegt werden. Über eine Lokalisierung erkennt das Tag die Einfahrt in die einzelnen Fertigungszellen, nimmt mit den dort verfügbaren Werkzeugen wie zum Beispiel Schraubern und Systemen Verbindung auf und tauscht Daten wie Produktionsinformationen aus«, ergänzt Hölczli. Auf diese Weise kann das intelligente Werkstück den Werker sehr konkret mitteilen, welche Komponenten und Kleinteile in diesem Fall zu montieren sind. Das Werkstück hat sozusagen seine (teils hochindividuelle) Bearbeitungsanleitung stets dabei.

»Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein Pick-by-local-Light-System, also Lichtsignale, die vom intelligenten Werkstück direkt gesteuert werden. Die dazu notwendigen Stücklisten sind auf dem Tag vorhanden«, sagt Hölczli. Zudem könnte das intelligente Werkstück auch einen Arbeitsauftrag direkt an einen intelligenten Schrauber übermitteln. »Der intelligente Schrauber überwacht anschließend die Arbeitsschritte des Auftrages und teilt sowohl dem Werker, als auch dem Tag den Stand der Auftragserfüllung sowie verschiedene Qualitätsinformationen mit. Wurden alle Verschraubungen korrekt ausgeführt, ist der Arbeitsschritt abgeschlossen«, so Hölczli. 

Die Digitalisierung individualisierter industrieller Produktionsprozesse war Ziel des Projekts R2D. Bild: Vedat Senturk | Fraunhofer IIS

Cyber-Physischen Produktionssystem (CPPS)

Den Forschern ist mit dem Abschluss des Projekts im Februar ein wichtiger Schritt zur Weiterentwicklung und zum Einsatz sogenannter cyber-physischer Produktionssysteme (CPPS) gelungen. CPPS erfassen Daten über produktionsintegrierte Sensoren und Messsysteme in Echtzeit. Sie werten die erhaltenen Daten sofort aus, um anschließend aktiv in den Produktionsprozess einzugreifen und ihn weiter zu optimieren. Mit anderen Worten: Die neuartigen Systeme erkennen anhand der neu gewonnenen Blickwinkel und weiterer Daten, wo an einzelnen Prozessschritten eine Anpassung nötig ist und nehmen diese bis zu einem gewissen Grad selbstständig vor. Ganz im Sinne einer ganzheitlichen Produktion könne so die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Technik verbessert werden, sagt Hölczli. Die bislang übliche zentrale Planung der Fertigung und Materialbereitstellung werde durch die neuen Erfahrungswerte zudem flexibler und schneller. »Durch die Digitalisierung werden Effizienzsteigerungen und eine optimale Qualitätssicherung erleichtert«, betont der Experte. Wie gut das durch R2D erprobte Konzept funktionieren kann, haben die Forscher bereits vorgeführt: Bei einer dreitägigen Ergebnispräsentation zeigten sie bei einem 1.500 Quadratmeter großen Proof-of-Concept Demonstrator in Nürnberg den Fertigungsablauf am Beispiel großer Elektromotoren unter industrienahen Bedingungen. »Der Vorteil cyber-physischer Produktionssysteme liegt allerdings nicht nur in der Optimierung von Prozessen und Qualität. CPPS schaffen auch die Voraussetzung dafür, die Automatisierung von Produktionsprozessen bei der Fertigung und Montage eines Produktes mit der Losgröße 1 deutlich zu vereinfachen«, betont Hölczli.

Beteiligt an dem Projekt waren neben dem Fraunhofer SCS, das für die Prozessaufnahme- und Bewertungsmethodik verantwortlich ist sowie Softwarekomponenten zur Initialisierung des Tags entwickelt und dem Fraunhofer IIS, das unter anderem die Realisierung des Tags übernimmt, auch die Large Drives Motorenwerke von Siemens, die Low-Code-Plattform Simplifier, sowie der Digitalisierungsspezialist Kinexon.

(aku)

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