Die können das. Warum smarte Produktionsprozesse eine neue Generation von 3D-Tools brauchen.

Cenit AG

Jens Fetzer, Leiter Vertrieb Digital Factory Solutions bei der CENIT AG

 

Die Produktionsprozesse der Zukunft bauen auf neuen Systemen, Strukturen und Verfahren auf. Denn Industrie 4.0 ist ein neues Paradigma für die Strukturierung, Planung und Ausführung von Produktionsvorgängen durch den Einsatz moderner IT und Kommunikationsmethoden. Dabei ergeben sich völlig neue Ideen und Konzepte, bei denen IT-Lösungen vor allem aus zwei Perspektiven entscheidende Wegbereiter sind.

Erstens ermöglicht eine geeignete 3D-basierende Simulationssoftware die erforderliche Visualisierung und Validierung von Prozessen und Produktionsaufgaben. Das ist an sich nicht neu, entsprechende Lösungen für die digitale Fabrik sind schon lange im Einsatz. Das Neuartige ist jedoch: Um die Ideen und Konzepte von Industrie 4.0 zu verwirklichen, müssen virtuelle Fabriken und Anlagenmodelle eine exakte Abbildung der realen Produktionssysteme sein – in Bezug auf das logische Verhalten und die Steuerung der Fertigungseinheiten. Sie stellen dadurch einen sogenannten digitalen Zwilling oder eine Schattenfabrik dar. Auf diese Weise lässt sich der Schritt von starren, vorgegebenen Prozessen hin zu agilen, selbstorganisierenden Produktionseinheiten gehen.

Zweitens ermöglicht eine digitale Fabrik die Umsetzung neuer Fertigungsprozesse, Anlagenkonzepte und Technologien, die ohne simulationsbasierte Lösungen nicht oder nur sehr aufwändig umsetzbar wären. Je mehr roboterbasierte Anwendungen nicht nur für einfache Handhabungsaufgaben, sondern auch für komplexere Fertigungsschritte zum Einsatz kommen, desto größer wird der Bedarf an Werkzeugen für die Programmierung und Simulation. IT-Lösungen werden demzufolge zum Wegbereiter dieser komplexen Anwendungen.

Unverzichtbar: cyber-physische Systeme

Dennoch bringt eine virtuelle Kopie einer Fabrik oder Produktionslinie allein noch keinen Mehrwert für die intelligente Fertigung. „Smart“ wird die Produktion erst, wenn alle Komponenten im virtuellen Fertigungsprozess genauso untereinander kommunizieren, wie sie es zukünftig in der realen Umgebung machen werden. Dieses Netzwerk der Komponenten ist das Herzstück von Industrie 4.0 und weist den Weg in Richtung cyber-physische Systeme. „Smart Manufacturing“ bringt den Wechsel von starren Automatisierungsstraßen zu roboterbasierten Systemen und kooperierenden, flexiblen und agilen Automatisierungslösungen. Es geht um den Übergang von starren Betriebsmitteln hin zu flexiblen Produktionsanlagen, die eine Vielzahl von Produktvarianten abdecken, agil auf wechselnde Produktionspläne reagieren und auch kleine Losgrößen effizient fertigen können.

Bedeuten diese hohen Anforderungen, dass intelligente Fertigung und Industrie 4.0 ausschließlich Themen für Großkonzerne sind? Nein, das Gegenteil ist der Fall. Denn projiziert man die Methoden und Ideen von Industrie 4.0 auf kleinere Teilmengen und Unterprozesse oder auf Produkte mit geringeren Fertigungstiefen, sind mögliche Vorteile deutlicher erkennbar und oftmals auch schneller umsetzbar.

Anhand von Anwendungsbeispielen soll im Folgenden aufgezeigt werden, wie hierbei eine neue Generation digitaler Fertigungstools zum Wegbereiter fortschrittlicher Herstellungstechnologien und zukünftiger Fertigungsprozesse wird.

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3D-Simulation von Fertigungsprozessen (Quelle: CENIT AG, Stuttgart)

 

Software für die digitale Fabrik muss „mitwachsen“

Zunächst zu der Frage, welche Eigenschaften eine „Digitale Fabrik“-Software aus heutiger Sicht mitbringen muss. Die Software sollte zunächst mit jedem CAD-System kompatibel sein und sich für Roboter und Maschinen jedes Herstellers eignen. Dies ist eine zwingende Grundbedingung, um auf die immer vielseitigeren Kundenbeziehungen mit immer heterogeneren Systemen eingestellt zu sein. Gleichzeitig wird ein Programm benötigt, das alle relevanten Technologien, Anwendungen und Anlagenkonzepte unterstützt, und das einfach erweitert werden kann, wenn neue Technologien hinzukommen. Das erfordert einen entsprechenden generischen und skalierbaren Aufbau der Software. Und nicht zuletzt muss die Software die nötige Offenheit mitbringen, dass sie in bereits bestehende Systemlandschaften und Datenstrukturen sowie in etablierte Kundenprozesse harmonisch integriert werden kann.

Last not least: Jedes Projekt benötigt schnelle Anfangserfolge. Um einerseits mit kleinen Projekten zu beginnen und schnell konkrete Ergebnisse zu erzielen, aber andererseits auch ein hohes Ausbauniveau für die Automatisierung und Prozessintegration zu erreichen, muss die „Digitale Fabrik“-Software modular und skalierbar sein, sich für den spezifischen Einsatz einrichten lassen und mitwachsen können, wenn sich Unternehmensanforderungen ändern. Zu allen genannten Eigenschaften sollte sie auch kosteneffizient sein und eine hohe Benutzerfreundlichkeit bieten.

Virtuelle Fertigungstools: passgenau und ressourcenschonend

Ein Blick in den Arbeitsalltag eines Systemintegrators macht deutlich, welchen Nutzen eine „Digitale Fabrik“-Software der neuen Generation mit sich bringt.

In frühen Projektphasen, manchmal sogar noch während der Presales-Phase, wird von Systemintegratoren erwartet, die Wirtschaftlichkeit und Funktionalität ihres Angebots mit Fallstudien, Erreichbarkeitsprüfungen und Machbarkeitsstudien zu belegen. Diese Aufgaben müssen sehr schnell und möglichst ressourcenextensiv durchgeführt werden.

Mit einem digitalen Katalog mechatronischer Ressourcen ist die Definition und Validierung hochwertiger 3D-Layouts schnell gemacht. Die Frage ist nur: Stellt die IT-Lösung auch sicher, dass die Prozesssimulation dem tatsächlichen Verhalten der später gebauten Fertigungszelle entspricht?

Integration projektspezifischer Komponenten

Statt mit 3D-CAD-Komponenten aus dem Katalog ein schnelles Layout aufzubauen und anschließend aufwändig Skripte und Makros für die Simulierung des Materialflusses und des Verhaltens der Zelle zu programmieren, wäre es viel einfacher, für die Layout-Definition mechatronische Komponenten und Ressourcen zu nutzen und gleichzeitig eine schematische Logik für die Fertigungsinsel zu definieren. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass simuliertes und reales Verhalten übereinstimmen – denn die Simulation basiert auf der gleichen Logik, wie sie bei der PLC-Programmierung verwandt wird, und sie korrespondiert damit mit dem späteren realen Anlagenverhalten.

Dazu kommt, dass sich kein Fertigungslayout auf Standardkomponenten beschränkt. Jetzt zahlt es sich aus, wenn „Digital Factory“-Softwarelösungen benutzerfreundliche Funktionen zur Integration neuer, projektspezifischer Komponenten in das Layout bereitstellen. Dieser Vorgang muss für Anwender ohne Programmierkenntnisse einfach und schnell auszuführen sein.

Zudem sollte die Software-Infrastruktur neuer Lösungen möglichst nicht mehr auf eigenen Formaten, sondern auf offenen Standards aufbauen. Die konsequente Verwendung beispielsweise von AML (Automation Markup Language) als Beschreibungssprache für Anlagenmodelle ermöglicht eine wesentlich einfachere Interaktion mit Engineering-Partnern durch standardisierten, systemneutralen Datenaustausch kompletter Anlagendaten oder Vorrichtungsdaten, inklusive Kinematik- und Logikdefinitionen. Ergänzend dazu wird über PLCOpen auch gewährleistet, dass die Anlagenlogik, die den ersten Simulationskonzepten zugrunde liegt, auch als Grundlage für die spätere SPS-Programmierung verwendet werden kann.

Virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen

Auch die immer wichtiger werdende Anforderung zur virtuellen Inbetriebnahme sollte von der Softwarearchitektur unterstützt werden. Die Software FASTSUITE Edition 2 beispielsweise verwendet einen „Shared Memory“, in den von der Steuerung die Simulationsdaten geschrieben werden, und aus dem die 3D-Visualisierung wiederum die Simulationsdaten ausliest. Dieser Shared-Memory-Ansatz ermöglicht es auch, in der Abnahmephase die Steuerungsemulatoren sogar durch echte Steuerungskomponenten zu ersetzen. In einem solchen Fall sprechen wir von virtuellem Produktionsstart oder virtueller Inbetriebnahme.

Dies ist möglich, da das gesamte Layout bereits aus cyber-physischen Simulationsmodellen bzw. mechatronischen Ressourcen besteht – daher bietet sich die Verknüpfung mit Software-in-the-Loop oder Hardware-in-the-Loop geradezu an. So kann das virtuelle Modell gegen die reale Steuerung getestet werden, bevor die reale Anlage zur Inbetriebnahme bereitsteht. Das ist auch eine zwingende Voraussetzung für die Integration neuer Produktionsverfahren mit Robot Safet oder kooperierenden Robotern, bei denen eine realistische Nachbildung des immer komplexeren und selbstorganisierenden Anlagenverhaltens über Makroprogrammierungen und Skripte nicht mehr möglich wäre.

Sobald die Fertigungsinseln in Betrieb genommen worden sind, kann dasselbe virtuelle Layout verwendet werden, um neue Teile und Produkte einzuführen. Das zeitaufwändige Teach-in und die damit einhergehende Produktionsunterbrechung entfallen.

3D-Lösungen für virtuelle Programmier- und Simulationsumgebungen

Mit der Entwicklung neuartiger roboterbasierter Technologien und Anwendungen kommen die Vorteile von 3D-Lösungen für die Offline-Programmierung und Simulation immer stärker zum Tragen. Denn bei den komplexen 3D-Bewegungen, die heute gefragt sind, ist ein manuelles Teach-in nicht mehr möglich. Fertigungsprozesse wie Rollfalzen, Versiegeln, Kleben oder Lackieren benötigen eine virtuelle Programmier- und Simulationsumgebung, damit sie auch dann effizient betrieben werden können, wenn kleinere Chargen anfallen oder häufig umgerüstet werden muss. Zudem ist es weit effizienter, nicht nur die CAD-Daten, sondern auch die bereits durch das Engineering bereitgestellten Metadaten (Beispiel: Verbindungselemente) wiederzuverwenden, statt diese jedes Mal in der Produktion neu zu definieren.

Diese Möglichkeiten sind für alle Fertigungsindustrien relevant, das zeigt exemplarisch ein Blick in die Luftfahrtbranche. Denn im Flugzeugbau werden zunehmend Roboterzellen für die Herstellung von Verbundstoffen und die damit verbundenen Technologien wie Bandlegen, Patch-Platzierung und Formenreinigung eingesetzt. Dazu kommen in den Airframe-Montageabteilungen besondere und oftmals hochkomplexe Spezialmaschinen und Robotersysteme. In der Luftfahrtindustrie bestehen zudem hohe Anforderungen bei der Verwaltung von Verbindungselementdaten und der Prozessautomatisierung. Auch hier wird eine virtuelle 3D-Fabriklösung zur Voraussetzung für die Einführung von Automatisierungskonzepten mit dem Ziel, manuelle Vorgänge überflüssig zu machen und eine höhere Produktionsleistung zu erzielen.

Softwarelieferanten werden zu Projektpartnern

Anbieter von entsprechenden Softwarelösungen müssen sich im zunehmenden Maße als Projekt- und Implementierungspartner für die Fertigungsbereiche, aber auch als Brückenbauer zwischen dem Engineering und der Produktion verstehen. Oftmals bestehen zwischen CAD-Systemen einerseits und der Fertigung andererseits große Systembrüche. Software-Partner müssen helfen, diese Lücken effizient zu schließen.

Und nicht zuletzt: Fertigungstechnologien und Prozesse werden immer komplexer, Anlagen und Bauteilvarianten werden immer flexibler. Softwareanbieter müssen Lösungen bieten, die komplexe Dinge einfach und beherrschbar machen.

Résumé

Die zunehmende Flexibilisierung der Fertigungsprozesse mit standardisierten, maschinen- und roboterbasierten Anwendungen ist eine nicht aufzuhaltende Entwicklung. Am Ende werden agile, hochanpassbare Herstellungsprozesse stehen. Industrie 4.0 gibt dazu die notwendigen Konzepte und Ideen für diesen Paradigmenwechsel an die Hand. Die Transformation zwingt IT-Systemintegratoren und Softwarefirmen aber auch dazu, mechatronische Systeme zu erstellen, die die realen Produktionsbedingungen 1:1 abbilden. „Digital Factory“-Lösungen stehen damit im Zentrum für die Verwirklichung von Industrie 4.0.

www.cenit.com

CENIT ist der Partner für die erfolgreiche digitale Transformation. Innovative Technologien aus den Bereichen Product Lifecycle Management, Digitale Fabrik und Enterprise Information Management schaffen dafür die Basis. CENIT beschäftigt rund 700 Mitarbeiter, die weltweit Kunden aus den Branchen Automobil, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Werkzeug- und Formenbau, Finanzdienstleistungen, Handel und Konsumgüter betreuen.

Beitragsbild / Quelle: CENIT AG, Stuttgart