Iterative Planung für Losgröße 1

Software-defined Manufacturing

Durch flexible Produktionssysteme Unsicherheit und Volatilität entgegnen. Dazu müssen starre Verbünde gelöst und auch die Produktions- und Fertigungsplanung flexibilisiert werden. Digitale Zwillinge können helfen, die Produktion in Losgröße 1 zu ermöglichen und dabei Abweichungen im Materialfluss zu kompensieren.

Fehlerfrei, kundenindividuell und adaptiv, so die Wunschvorstellung zukünftiger Produktionssysteme. Ermöglicht durch digitale Zwillinge, eine neue Infrastruktur der Produktion und neue Methoden zur Wandlungsfähigkeit – Doch wie genau? Dieser Frage stellt sich das Forschungsprojekt mit dem Titel ‚Software-defined Manufacturing für die Fahrzeug- und Zuliefererindustrie‘, kurz SDM4FZI. Fazit vorweg: Es bedarf eines Paradigmenwechsels in der Produktion sowie in den Methoden der Fertigungs- und Produktionsplanung, um in flexiblen Produktionssystemen qualitativ hochwertig zu fertigen. Mit Blick auf heutige Produktionssysteme zeigen sich diesbezüglich verschiedene Herausforderungen:

• • Prozesse sind oft in fester Abfolge einer Linie geplant. Einzelne Prozesse bauen auf Planungsergebnissen vorheriger auf. Treten bei Qualitätskontrollen während oder am Ende der Linie Abweichungen auf, führen diese zu Nacharbeit außerhalb oder entgegen des geplanten Materialflusses.
• • Um Prozesse optimal aufeinander abzustimmen, erfordert es oft lange Einrichtzeiten. Eine flexible Umstellung auf andere Prozesse oder Teile, die mitunter noch nicht eingerichtet wurden, wird so erschwert.
• • Je nach Grad der Digitalisierung in der Produktion werden bereits verschiedenste Daten über die Ressourcen, Werkstücke und Prozesse aufgenommen und für das Produktionsmonitoring oder lokale Prozessoptimierungen genutzt. Eine vollständige horizontale Datenintegration mit digitalen Zwillingen zur ganzheitlichen Optimierung ist oft jedoch nicht vorhanden.

Trotz dieser Widersprüche zum eingangs genannten fehlerfreien, kundenindividuellen und adaptivem System zeigt sich diese als festes Ziel, um als Unternehmen Zeiten von Konsumermärkten, Unsicherheit und Volatilität profitabel arbeiten zu können. Was allerdings bleibt ist die Frage, wie dies mit digitalen Zwillingen gelingen kann.

Was ist ein digitaler Zwilling?

Ein digitaler Zwilling ist laut Definition eine vollständige digitale Repräsentation eines identifizierbaren Gegenstands (Entität), die genügt Anwendungsfälle zu erfüllen. Diese Entität stellt den Gegenstand nicht nur in seinem aktuellen Zustand dar, sondern kann auch historische Daten beinhalten sowie Fähigkeiten und Verknüpfungen zu weiteren digitalen Zwillingen darstellen. Die Umsetzung eines solchen digitalen Zwillings kann beispielsweise in Verwaltungsschalen geschehen.

Optimierung im digitalen Raum

Somit können auch verschiedene für die Planung notwendige Produktionsgegenstände in digitalen Zwillingen abgebildet werden. Deren Verknüpfung verlagert Optimierungen in den digitalen Raum. Dazu bedarf es allerdings einer Modellierung dieser digitalen Abbilder. Diese wird klassischerweise in einer Produkt-Prozess-Ressourcen-Modellierung (kurz: PPR) vorgenommen und um zusätzliche Entitäten, wie die Werkstücke und den Produktionsprozess zur individuellen Verwaltung erweitert.

• • Das Produkt stellt die Kundenspezifikation einer zu fertigenden Entität dar. Seine (Konstruktions-)Merkmale können beispielsweise in Features beschrieben werden, welche sowohl geometrische als auch semantische Informationen wie anzustrebende Qualitäten enthalten.
• • Ein Prozess stellt eine verfügbare Technologie dar und verknüpft Features des Produkts mit den Fähigkeiten der Ressourcen. Er beinhaltet zugleich relevante Informationen für die Planung wie etwa Gleichungen zu berechnender Parameter (Bearbeitungszeit, Generierung der Steuerungsprogramme).
• • Die Ressourcen repräsentieren verfügbare Maschinen und Werkzeuge, Logistik und Prozess-relevante IT-Systeme, Parameter der Ressource sowie informationstechnische Schnittstellen der realen Maschine oder die Simulation zur Ausführung der Planungsergebnisse
• • Werkstücke oder Halbzeuge stellen den aktuellen Zustand und die Historie der bearbeitbaren Gegenstände in der Produktion dar. Sie sind einem Produkt zugeordnet und beinhalten etwa relevante Messdaten. Diese ermöglichen den Abgleich geometrischer und semantischer Daten des zu fertigenden Produktes um die notwendige Bearbeitung zu ermitteln. Ein abschließend bearbeitetes Werkstück erfüllt somit die spezifizierten Eigenschaften des Produkts.
• • Der Produktionsprozess stellt das Ergebnis der Planung in einer konkret auszuführenden Instanz dar und ist somit ebenfalls einem Produkt und Werkstück zugeordnet. Für jeden Fertigungsschritt beinhaltet der Prozess Informationen und Bearbeitungsprogramme, wie etwa G-Code über den auszuführenden Prozess, welcher durch ein Scada (Supervisory Control and Data Acquisition)-System in der Produktion ausgeführt werden kann. Neben der Information über den direkt auszuführenden Prozess können auch sämtliche Möglichkeiten der weiteren Bearbeitung einem Prozessschritt für die optimale Planung der Bearbeitung zugeordnet werden.

Basierend auf dieser Modellierung der digitalen Zwillinge wird im Folgenden die iterative Planung und deren Nutzen zur Abweichungskompensation im Materialfluss dargestellt.

Der Weg zur flexiblen Fertigung

Um nun die fehlerfreie, kundenindividuelle und adaptive Produktion auf Basis der digitalen Zwillinge zu ermöglichen, wird die Planung iterativ gestaltet. Das bedeutet, dass nicht eine einzige grundlegende Planung des Produktionsablaufs stattfindet, sondern diese für beliebig geänderte Rahmenbedingungen – etwa neue Messdaten oder sich ändernde Zustände der Ressourcen – wiederholt werden kann. Zu jedem Planungsschritt werden die zu fertigenden Differenzen ermittelt, Möglichkeiten zu deren Fertigung bis zur Fertigstellung des Produkts projektiert, die ganzheitlich beste Möglichkeit ausgewählt und daraus die entsprechenden Bearbeitungsinformationen und Software generiert.

Von Losgröße 1 bis Massenfertigung

Als Anwendungsfall bietet sich hier sowohl die Fertigung in Losgröße 1 als auch die Massenproduktion an. Durch die stetige Iteration der Planung lassen sich Bearbeitungsprogramme auf neue Maschinen generieren, Bearbeitungsergebnisse berücksichtigen und somit Abweichungen in der Fertigung innerhalb eines stetig optimalen Materialflusses kompensieren. Nacharbeiten und Ausschuss können reduziert und durch stetige Datenintegration in den digitalen Zwillingen Planungsergebnisse kontinuierlich verbessert und Kosten gesenkt werden. Starre Verbünde in Planung und Produktionssystemen werden flexibel. Unternehmen können Unsicherheit und Volatilität so besser entgegentreten und dem Wunsch nach einem adaptivem Produktionssystem näher kommen.