Wie eine Maschine lernt, verschiedene Produkte zu beherrschen

Digital und kollaborativ, so soll das Arbeitsumfeld bald in möglichst vielen deutschen Industriebetrieben aussehen. Um Unternehmen diesen Wandel zu erleichtern, nimmt das Bundesministerium für Bildung und Forschung rund 6,4 Mio. Euro in die Hand – und unterstützt das Forschungsprojekt „MoSyS“ (Menschorientierte Gestaltung komplexer Systems of Systems) des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik. Am Ende des im Dezember 2020 gestarteten und auf drei Jahre angelegten Projekts sollen die Ergebnisse Unternehmen konkrete Hilfestellungen bei der Transformation ihrer Produktion bieten – inklusive klarer, nachvollziehbarer Entscheidungsprozesse.

Einer der 18 Forschungsteilnehmer ist Benteler, Metall-Prozess-Spezialist und globaler Partner der Automobilindustrie. Im Rahmen des Projekts untersucht das Unternehmen die gesamte Prozesskette rund um die Entwicklung und Herstellung am Beispiel einer Verbundlenkerachse – dabei handelt es sich um eine Bauart der Hinterachse bei Automobilen mit Frontantrieb.

Von starren Prozessen zu flexiblen Produktionssystemen

Der Geschäftsbereich Automotive analysiert sämtliche Schritte von der Kundenanfrage über die Produkt- und Prozessentwicklung bis hin zur Produktion genauestens und deckt Verbesserungspotenziale auf. So werden die Grundlagen erarbeitet, um vom realen Prozess einen Digitalen Zwilling zu erstellen, mit dem eine durchgängige digitale Prozesskette über den gesamten Prozess etabliert werden kann. Künftig werden dedizierte Produktionsanlagen, mit denen nur ein Produkt gefertigt wird, durch modulare flexible Produktionssysteme abgelöst, die verschiedene Produkte fertigen können. Zur Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme dieser komplexen Systeme werden in dem Projekt agile Arbeitsweisen, Analysemethoden, Verfahren der Künstlichen Intelligenz, Lösungsmuster und digitale Werkzeuge entwickelt.

Hintergrund ist, dass die stetig zunehmende Volatilität und Variantenvielfalt in der Automobilbranche neue Herangehensweisen erfordert, Produktionsmittel zu planen und flexibel einzusetzen. Denn Produktionssysteme basieren bisher auf einer hochautomatisierten, starren Verkettung von Produktionsanlagen. So lassen sie sich bei geringen Auslastungen nicht ausreichend schnell genug an Marktveränderungen anpassen.

Um die Dynamik des Marktes abzubilden, müssen die am Projekt beteiligten Ingenieure unterschiedliche Szenarien evaluieren. Das betrifft zum Beispiel die Höhe des Auftragsvolumens oder gewünschte Produktvarianten. Hier kommen Impact-Analysen im Rahmen einer integrativen Produkt- und Wertschöpfungssystementwicklung (IPW) zum Einsatz. Eine Kernfrage hierbei ist, welche Informationen im integrativen Entwicklungsprozess zwischen Produkt und Wertschöpfungssystem zu spezifischen Zeitpunkten ausgetauscht werden müssen. Dabei liegt der Fokus auf der Gestaltung des bedarfsorientierten Digitalen Zwillings. Anhand dieses Digitalen Zwillings lassen sich Beobachtungen und Sensordaten sammeln und in das SoS-Modell überführen. 

Vollständig digitalisierter Produktionsprozess für mehr Qualität

Die Produktion des Metall-Prozess-Spezialisten ist im Rahmen von Industrie 4.0 bereits wesentlich digitaler geworden. Dennoch kombinieren die Ingenieure bei der Entstehung und Validierung von Produkten und Prozessen häufig noch analoge und digitale Werkzeuge. Daher existieren heute noch Brüche in der digitalen Entwicklungskette. Simulationsergebnisse, aktuelle Anlagenparameter, Qualitätsdaten und Kennzahlen lassen sich nicht immer ohne Medienbruch in die Entwicklung von Produkten oder Produktionssystemen zurückspielen. Auf diese Weise sind Aktualität und Konsistenz der Daten gefährdet. Dies kann zu Qualitätsproblemen, Verzögerungen und höheren Kosten im Entwicklungsprozess und besonders im Serienanlauf führen.

Im Kern plant das Unternehmen, die vorhandenen Medienbrüche und Lücken zwischen Produkt-, Produktionssystementwicklung und Produktion zu identifizieren und zu eliminieren. Der Digitale Zwilling soll die Erfahrungen aus Prototypenbau und Produktion enthalten, sodass Produkt- und Prozessplaner auf aktuelle Simulations-, Leistungs- und Qualitätsdaten der realen Module zugreifen und diese Informationen in den Planungsprozess einfließen können.

Für das Produktionsumfeld entwickelte das Unternehmen die Smart Production Data Platform. In dieser werden die Produktionsdaten bis auf Sensorebene in einem Datenbanksystem (InfluxDB) für Zeitreihen abgelegt und analysiert. Die 3D-Produktdaten werden in der Unternehmenssoftware von SAP sowie in Enovia verwaltet, einer Software-Anwendung, die das kollaborative Projekt- und Datenmanagement unterstützt. Daten zur Produktionssystementwicklung hingegen werden in einer heterogenen Umgebung mit verschiedenen Tools je nach Produkt und Aufgabe bearbeitet und verwaltet, etwa mittels AutoCAD, CATIA, RobCAD, Robotstudio und den Siemensprodukten Prozessdesign, Prozesssimulate sowie Plantsimulation.

Im Rahmen des Forschungsprojektes MoSyS fasst Benteler die Informationen aus den verschiedenen unabhängigen Quellen zusammen und konzipiert gemeinsam mit den Projektpartnern ein Informationsmodell, welches die Produkt- und Produktionssystementwicklung sowie die Produktion miteinander vernetzt. Nach der Implementierung evaluiert der Betrieb das Modell.

Langfristig will das Unternehmen über technische Ökosysteme eine weitaus größere Produktionsflexibilität und höhere Qualität erreichen. Am Ende soll der Kunde profitieren, indem zukünftig noch schneller auf Anfragen reagiert werden kann und diese umgesetzt werden.

Bildquelle: Benteler