Die Smart Factory: Die komplett vernetzte Wertschöpfungskette

Bei der Digitalisierung des ganzen Unternehmens bildet die Smart Factory den Kern. In der Smart Factory sind Produkte, Maschinen und die gesamte Umgebung untereinander und mit dem Internet vernetzt. Durch die Integration der realen Welt in eine funktionale, digitale Welt kann ein so genannter „Digitaler Zwilling“ erzeugt werden, der in Echtzeit eine Abbildung von Prozessen, Systemen und ganzen Fabrikhallen ermöglicht.
„Die Digitalisierung bietet die Chance, unsere Produkte individueller und die Produktion effizienter und flexibler zu gestalten. Die Herausforderung ist, gleichzeitig langfristig zu planen und andererseits kurzfristig auf Kundenwünsche und Marktschwankungen reagieren zu können“, erläutert Markus Schäfer, Bereichsvorstand Mercedes-Benz Cars, Produktion und Supply Chain Management, Daimler AG.
„Die Arbeitswelt in der Automobilindustrie steht vor großen und schnellen Veränderungen“, sagt Michael Brecht, Vorsitzender des Gesamtbetriebsrats der Daimler AG. „Diesen Wandel wollen wir aktiv gestalten. Ein Schlüssel hierfür ist zweifellos die systematische und vorausschauende Qualifizierung der heutigen und künftigen Beschäftigten.“
Zunehmende Vernetzung und Systemintelligenz versprechen mehr Flexibilität in den Prozessen. So können in Zukunft Systeme vorausschauend planen, sich selbst optimieren, besser mit Menschen kommunizieren und mehr Sicherheit bieten. Denn ein weiterer entscheidender Punkt in der Fabrik der Zukunft ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Eine einschneidende Veränderung wird dabei die zaunlose Produktion sein.
Fünf Hauptziele verfolgt Mercedes-Benz mit der Smart Factory:
  • Größere Flexibilität: Die Smart Factory ermöglicht eine noch schnellere Reaktion der Fertigung auf globale Marktschwankungen und veränderte, noch individuellere Nachfrage der Kunden. Die digitale Produktion erleichtert auch die Fertigung immer komplexerer Produkte.
  • Erhöhte Effizienz: Effiziente Nutzung von Ressourcen wie Energie, Gebäuden oder Vorräten ist ein entscheidender Wettbewerbsfaktor; eine durchgängig digitale Prozesskette bedeutet auch eine ständige Inventur: Bauteile sind jederzeit und überall identifizierbar. Anlagen sind von überall aus steuerbar.
  • Höhere Geschwindigkeit: Flexible Produktionsprozesse, vereinfachte Anpassung bestehender Produktionseinrichtungen sowie die Installation neuer Anlagen ermöglichen einfachere und effizientere Fertigungsabläufe. Dies erlaubt kürzere Innovationszyklen, Produktinnovationen können schneller in mehr Baureihen gebracht werden (time-to-market).
  • Attraktives Arbeitsumfeld: Aktive Interaktion von Mensch und Maschine auch über neue Bedienoberflächen verändert die Arbeitswelt in vielen Bereichen wie beispielsweise Qualifizierung und Ergonomie. Unter Berücksichtigung des demografischen Wandels ergeben sich neue Perspektiven bei der Gestaltung zukünftiger Arbeits- und Lebensmodelle.
  • Smarte Logistik: von der Fahrzeugkonfiguration und -bestellung des Kunden, über die Teilebedarfsermittlung und Beschaffung hin zur Produktion und bis zur Auslieferung. Visionär formuliert: „Ein bestelltes Fahrzeug sucht sich seine Produktionsstätte und Maschine selbst.“
Um diese Ziele zu erreichen, sind umfassende Veränderungen nicht nur in den Fertigungsstätten notwendig. Zentraler Angriffspunkt ist eine durchgängige digitale Prozesskette. Auf der Produktseite beispielsweise sind die Voraussetzungen für die Digitale Produktion bereits weitgehend durch den Digitalen Prototypen und den Digitale Entwicklungsprozess geschaffen: Fahrzeugdaten stehen in hohem Detaillierungsgrad zur Verfügung.
360°-Vernetzung: Alle Maschinen sprechen eine Sprache
Voraussetzung für ein 360° vernetztes, wandlungsfähiges Produktionssystem ist auch, dass alle Elemente im System die gleiche Sprache sprechen. Mercedes-Benz stellt dies durch die durchgängige, weltweite Nutzung der Steuerungssoftware „ Integra“ sicher: Von der Sensorebene an einzelnen Maschinen bis hin zur Produktionsleitung und ebenso in der Zusammenarbeit mit allen Lieferanten und Systempartnern.
Mercedes-Benz ist heute schon in der Lage, den Fertigungsprozess vom Presswerk bis zur Endmontage digital zu simulieren und damit die Komplexität moderner Automobile und deren Fertigung zu beherrschen: Allein bei der Montage werden dafür rund 4.000 einzelne Prozesse untersucht und lange vor Serienanlauf deren technische Machbarkeit geklärt. Dazu gehören sowohl die Absicherung der Baubarkeit als auch Bauraumvorgaben an die Entwicklung, der Materialfluss und die Ergonomie in der Arbeitsplatzgestaltung.
Der entscheidende nächste Schritt ist, auch nach dem Anlauf der Fertigung die reale Fabrik weiterhin digital zu dokumentieren: Als Digitaler Zwilling wird ein Abbild der realen Fabrik virtuell in Echtzeit nachgehalten. Dazu gehört beispielsweise eine regelmäßige, automatisierte Erfassung der tatsächlichen Verhältnisse in der Fabrik, zukünftig etwa über Drohnen, die die Fertigungslinien überfliegen und scannen.
Big Data: Selbst lernendes und sich optimierendes Produktionssystem
Schon heute fallen bei allen Prozessen eine Vielzahl von Daten an, künftig wird die Menge noch zunehmen, die Fachleute sprechen daher von „Big Data“. Diese Produkt- und Produktionsdaten werden künftig systematischer ausgewertet und konsequenter genutzt. Am Ende stehen effizientere Regelkreise und gezielte, intelligente Entscheidungen der verantwortlichen Mitarbeiter.
Lokal gemessene und erfasste Informationen, etwa die Güte von Oberflächen, werden dann nicht mehr manuell ausgewertet, sondern durch intelligente analytische Prozesse nutzbar gemacht und zur Steuerung der Maschine, schnellen Ursachenforschung bei Störungen oder Planung der Wartung und Instandsetzung eingesetzt. Digitale Referenzmodelle können heute schon in der laufenden Fertigung Antworten geben, warum bestimmte Maschinen/Prozesse von den Vorgaben abweichen. Die Verwendung digitaler Prozessdaten dient der Vorhersage, wann Prozesse aus dem Ruder laufen, vorausschauende Wartung stabilisiert Prozesse und Qualität.
Beispielsweise konnte in der Zylinderkopfproduktion durch die Erfassung und Auswertung von 600 die Qualität beeinflussenden Parametern die Ausschussquote signifikant um den Faktor 4 gesenkt werden. Noch deutlich größer war der Effekt beim Neuanlauf der Produktion: Die Zeit, bis der Produktionsprozess stabil lief, wurde erheblich verkürzt.
Die Rückkopplung von Produktionsdaten und Servicedaten aus dem Feld führte in der Produktion von Doppelkupplungsgetrieben zu Qualitätssteigerungen und Kostensenkungen. Die vorausschauende Analyse gibt außerdem frühzeitige Hinweise auch für den Anlauf vergleichbarer Komponenten.
Wandlungsfähige Produktion: Neue Technik macht flexibel
Heute sind viele Fertigungsprozesse durch eine komplexe Vollautomation mit starrer Installation der Maschinen und Roboter gekennzeichnet. Änderungen sind kostspielig, erfordern viel Zeit und Raum. Mensch und Maschine sind meist schon aus Sicherheitsgründen strikt durch weitläufige Schutzzäune und Sicherheitseinrichtungen getrennt. Künftige Robotergenerationen ermöglichen verstärkt eine Kooperation mit dem Menschen: Schutzzaunlose Anlagen sind erheblich einfacher umzubauen, die Prozesse werden schlanker, das eingesetzte Kapital wird viel effizienter genutzt. Beim „Robot Farming“ nimmt der Mitarbeiter je nach geforderten Stückzahlen und Fertigungsumfängen einen oder mehrere Roboter hinzu und setzt sie flexibel an verschiedenen Stationen ein oder arbeitet sogar ohne trennende Schutzeinrichtung mit ihnen in einem Arbeitsbereich zusammen.
Mehr Flexibilität ist auch bei der Fördertechnik erforderlich. Die Transport­einrichtungen sind heute fest verbaut in den Fabriken und starr verkettet. Die Flexibilität bei den Stückzahlen ist begrenzt, Änderungen erfordern aufwändige Umbaumaßnahmen. Intelligent gesteuerte Fahrerlose Transportsysteme (FTS) bieten eine optimale Kapitalnutzung durch Skalierbarkeit und freie Rekonfigurierbarkeit. Es ergibt sich außerdem eine flexible Pufferung im Produktionsablauf.
Schlanker wird auch die werksinterne Logistik. Fahrerlose vollautomatische Kommissonierer liefern den Mitarbeitern exakt die an einer Arbeitsstation benötigten Teile, als Carset abgestimmt auf den aktuellen Montageauftrag. Das Ergebnis sind eine deutlich verbesserte Arbeitsplatzergonomie, weniger Laufwege, höhere Qualität, direkter Zugriff auf das Material, mehr Platz am Band und geringere Unfallgefahr durch Verzicht auf Gabelstapler.
Mehr Flexibilität und geringeren Kapitaleinsatz verspricht auch das so genannte „Jigless Welding“ (Schweißen ohne Spannvorrichtung). Komplexe Spanntechnik wird durch die Kooperation zweier Roboter abgelöst: Sie halten die zu fügenden Bauteile und bringen sie in die für den Schweißvorgang optimale Position. Ein Beispiel für eine Serienanwendung ist die Sitzherstellung für den Mercedes-Benz Sprinter.
Zukunftssicher: Integration neuer Technologien
Zur Wandelbarkeit der Smart Factory gehört auch, künftige technologische Entwicklungen schnell und erfolgreich in den Produktionsprozess zu integrieren. Dazu gehören beispielsweise
  • 3D-Druck/Additives Manufacturing: Einsatz beim Rapid Prototyping (z. B. Sand-Gussformen für Motoren), Schutzhauben (z. B. für Werkzeuge in der Mensch-Roboter-Kooperation), Werkzeuge (z. B. Greifelemente)
  • Human Augmentation/Mobile Endgeräte in der Produktion: Neuartige Kalibrierung von Head-up Displays (ab Mitte 2016), Einsatz von Tablets zur Ansteuerung von im Fahrzeug tätigen Robotern („InCarRob“) per WLAN (Werker ruft Roboter zur Himmelmontage ab)
  • Maschinelles Lernen/Maschinen unterstützen ihre Benutzer: Bei Leichtbaurobotern kann z. B. die Bahn durch „Vormachen“ generiert werden, der Werker führt den Roboter und dabei lernt die Maschine die Bahn
  • Production Data Cloud: Weltweite Verfügbarkeit von Produktionsdaten
  • Gestensteuerung: Die Maschinen „verstehen“, was der Mensch von ihnen will.
Schritt für Schritt: Auf dem Weg zur Digitalen Fabrik
Das Konzept der Smart Factory wird Baustein für Baustein im globalen Fertigungsnetzwerk von Mercedes-Benz umgesetzt. Die ersten beiden Schritte sind dabei bereits klar definiert und weitgehend erreicht:
  • Mercedes-Benz verfügt heute über globale Komponentenstandards, standardisierte Systemarchitektur und standardisierte Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungstechnik.
  • Bei allen Investitionen werden weltweit standardisierte Technologiemodule in Robotik und Fertigungsverfahren eingesetzt.
So kann beispielsweise das Mercedes-Benz Werk in Rastatt als Lead-Werk für die Kompaktmodelle weltweit auf Produktionsdaten in allen anderen Werken des Produktionsnetzwerks wie Kecskemét zugreifen und könnte sogar die dortigen Roboter neu programmieren. Außerdem trägt jede Karosserie, die in Rastatt gefertigt wird, einen RFID-Chip (Radio Frequency Identification/Identifikation mit elektromagnetischen Wellen): Auf diesem digitalen Etikett sind alle Details des Fahrzeugs gespeichert. Über Transponder werden die Daten abgefragt und neue Daten zurückgegeben. Damit ist jederzeit dokumentiert, wie weit die Fertigung ist und was noch fehlt. Die Daten werden eingesetzt, um 1.500 Automaten zu steuern.
Die nächsten Schritte auf dem Weg zur Fertigung der Zukunft sind auf Produktmodule abgestimmte weltweit einsetzbare Anlagenmodule und einheitliche Gewerkestrategien. Zusammengeführt wird die konkrete Vision der Smart Factory schließlich noch in diesem Jahrzehnt in einer komplett nach den oben beschriebenen Methoden und Verfahren ausgelegten Referenzfabrik.
Wissenschaftlich begleitet wird der Weg zur Digitalen Fabrik vom Projekt ARENA 2036 (Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles): Ein Forschungscampus in Stuttgart, bei dem Daimler mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft Zukunftsthemen zu Produktion und Leichtbau erforscht. Das Projekt geht bis ins Jahr 2036, in dem das Automobil seinen 150. Geburtstag feiert.
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    2693146_33_The_smart_factory_en.docx
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