Industrie 4.0 fokussiert auf die durchgängige Nutzung von Informationen zur Optimierung von Prozessen und Abläufen rund um die Werkzeugmaschine. Diese Informationen betreffen zum Beispiel das zu fertigende Produkt, die Werkzeuge oder die Maschine selbst. Entscheidend ist die durchgängige Informationsnutzung.
Begriffe wie Industrie 4.0, Internet der Dinge, Cloud-Computing oder Radio Frequency Identification (RFID) sind in aller Munde. Hersteller preisen diese neuartigen, mit Intelligenz ausgestatteten Produkte, so genannte smarte Technologien, an. Kritische Stimmen hinterfragen den Sinn und suchen erfolgreiche Umsetzungsbeispiele für die ausgerufene „vierte industrielle Revolution“. Jenseits dieses öffentlichen Diskurses bahnt sich in der Produktion ein Paradigmenwechsel an.
Stand in den vergangenen Jahren die Produktivitätssteigerung durch klassische maschinenbautechnische Optimierungen im Vordergrund, wie beispielsweise mehr Leistung in kleinerem Bauraum, zum Beispiel bei Spindeln, höherer Wirkungsgrad bei Antrieben, bessere Werkzeuge oder kürzere Taktzeit, wird zunehmend das Potenzial von aktuellen und hochauflösenden Informationen wie Maschinendaten, Standorten von Werkzeugen, Rüstteilen oder Produkten sowie Daten aus dem Bearbeitungsprozess erkannt.
Heute verfügbare Basistechnologien wie drahtlose Kommunikation, RFID, industrielle Feldbusse auf Ethernetbasis, Smartphones, Tablet-PCs oder industrielle Ortungssysteme machen technische sowie organisatorische Prozesse in der Fabrik beobachtbar. Softwareinnovationen und Standards wie Digital Factory Tools, offene Formate und Beschreibungssprachen (beispielsweise PLMXML, JT, AutomationML, SensorML), Web Services, digitale Produktgedächtnisse und Kommunikationsprotokolle wie OPC-UA ermöglichen die Anbindung an Produktions-IT-Systeme und gewährleisten so die Weiterverarbeitung der entstandenen Informationen.
Die Kernfrage lautet: Wie lassen sich Informationen aus verschiedenen Quellen zusammenführen und zur Optimierung von Abläufen und Prozessen rund um die Maschine nutzen? Die folgenden Ansätze zeigen auf, wie Informationen vom Produkt, von den Werkzeugen und der Maschine selbst zur Optimierung des Gesamtsystems hinsichtlich zentraler Zielgrößen wie Prozess- und Rüstzeit, Durchlaufzeit, volle Nutzung der Werkzeugstandzeit oder Produktqualität ab Stückzahl eins herangezogen werden können.
Der Rohling als Informationsträger
Ein Ansatz zur informationstechnischen Verknüpfung der unterschiedlichen Ebenen der Produktion ist die Nutzung des Rohlings beziehungsweise des halbfertigen Produkts als Informationsträger. Dazu wird der Rohling zum Beispiel mit einem RFID-Etikett (Tag) ausgestattet, auf dem sich eine Verknüpfung zu den Bearbeitungsprogrammen der Maschinen oder Hinweise zum Rüsten der Maschine befinden. Dieser Tag kann auch zur Bearbeitung entfernt und später wieder an das Produkt angebracht oder nach der Bearbeitung durch ein anderes Etikett ersetzt werden.
Weitere Informationen, die mit dem Produkt mitgeführt werden können, sind beispielsweise die Prozesskette der individuellen Fertigung oder auftrags- oder logistikrelevante Hinweise für dessen Handhabung. Zusätzlich können Prozessgrößen oder Produktmerkmale, die während der Bearbeitung gemessen werden, auf den Datenträger am Produkt gespeichert werden. Das individuelle physische Produkt verbindet sich somit selbst mit seinen digitalen Informationen, die in Firmenrechnern und Unternehmensdatenbanken gespeichert sind. Es entsteht die Möglichkeit, die Ebene der organisatorischen Prozesse und der Geschäftsprozesse eng und ohne Medienbruch mit der Fertigung zu verknüpfen.
Während die Kennzeichnung von Produkten mit eindeutigen maschinenlesbaren Etiketten wie Data Matrix Codes oder RFID-Tags seit einigen Jahren vereinzelt und unternehmensintern praktiziert wird, bietet sich durch die konsequente Nutzung im gesamten Wertschöpfungsnetz ein großes Potenzial zur Vereinfachung. So können Verarbeitungshinweise, dokumentierte Prozessparameter, Dokumentation sicherheitskritischer Merkmale ebenfalls ohne Medienbruch weitergegeben werden, und somit kann die Zusammenarbeit im Wertschöpfungsnetz deutlich optimiert werden.
Das intelligente Werkzeugsystem
Genau wie das Produkt können auch sämtliche Werkzeuge mit digitalen Produktgedächtnissen ausgestattet werden. Diese eindeutige Identifizierung individueller Werkzeuge ist zum Beispiel zur Voreinstellung oder zur optimalen Nutzung der Werkzeugstandzeit bereits seit längerer Zeit Stand der Technik. Neben der Kennzeichnung mit Data Matrix Codes ist auch das Einbringen eines RFID-Tags in das Werkzeug möglich, womit ein wiederbeschreibbarer Datenträger zur lokalen Speicherung der Lebenszyklusinformationen auf dem Werkzeug selbst zur Verfügung steht.
Während Produktgedächtnisse nur zur Speicherung von Lebenszyklusinformationen geeignet sind, machen drahtlose Technologien und kleine Sensoren den Werkzeughalter zum Prozessbeobachter. Die direkte Messung werkzeugbezogener Schnitt- oder Passivkräfte in Kombination mit den Bearbeitungsparametern aus der Maschinensteuerung liefert ein umfassendes Bild des eigentlichen Bearbeitungsprozesses und damit eine hervorragende Ausgangsbasis, auch an dieser Stelle systematische Optimierungen durchzuführen.
Die vernetzte Maschine
Bereits seit einiger Zeit sind Maschinen in das Firmennetzwerk eingebunden. Wesentliche Aufgaben dieses Netzwerks sind der Zugriff auf NC-Programme und Werkzeugdaten oder die Übertragung von Maschinen- und Betriebsdaten. Gerade die Verwendung von (drahtlosen) Sensornetzwerken beispielsweise im Werkzeughalter, der Spannvorrichtung oder auch mechatronischen Komponenten, die ihre Zustandsdaten auswerten (intelligente Spindeln), erlauben die Erfassung von realen Prozesszuständen, mit denen ein Prozess-Simulationssystem mit entsprechenden Randbedingungen gefüttert werden kann.
Beispiele sind eine betriebsparallele Simulation des Bearbeitungsprozesses und die direkte Anpassung der Bearbeitungsparameter, um bessere Qualität zu erzeugen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass direkt das erste gefertigte Bauteil der Spezifikation des Produkts entspricht. Smarte Technologien ebnen der virtuellen Produktion den Weg in die breite Anwendung.
Begriffe wie Industrie 4.0, Internet der Dinge, Cloud-Computing oder Radio Frequency Identification (RFID) sind in aller Munde. Hersteller preisen diese neuartigen, mit Intelligenz ausgestatteten Produkte, so genannte smarte Technologien, an. Kritische Stimmen hinterfragen den Sinn und suchen erfolgreiche Umsetzungsbeispiele für die ausgerufene „vierte industrielle Revolution“. Jenseits dieses öffentlichen Diskurses bahnt sich in der Produktion ein Paradigmenwechsel an.
Stand in den vergangenen Jahren die Produktivitätssteigerung durch klassische maschinenbautechnische Optimierungen im Vordergrund, wie beispielsweise mehr Leistung in kleinerem Bauraum, zum Beispiel bei Spindeln, höherer Wirkungsgrad bei Antrieben, bessere Werkzeuge oder kürzere Taktzeit, wird zunehmend das Potenzial von aktuellen und hochauflösenden Informationen wie Maschinendaten, Standorten von Werkzeugen, Rüstteilen oder Produkten sowie Daten aus dem Bearbeitungsprozess erkannt.
Heute verfügbare Basistechnologien wie drahtlose Kommunikation, RFID, industrielle Feldbusse auf Ethernetbasis, Smartphones, Tablet-PCs oder industrielle Ortungssysteme machen technische sowie organisatorische Prozesse in der Fabrik beobachtbar. Softwareinnovationen und Standards wie Digital Factory Tools, offene Formate und Beschreibungssprachen (beispielsweise PLMXML, JT, AutomationML, SensorML), Web Services, digitale Produktgedächtnisse und Kommunikationsprotokolle wie OPC-UA ermöglichen die Anbindung an Produktions-IT-Systeme und gewährleisten so die Weiterverarbeitung der entstandenen Informationen.
Die Kernfrage lautet: Wie lassen sich Informationen aus verschiedenen Quellen zusammenführen und zur Optimierung von Abläufen und Prozessen rund um die Maschine nutzen? Die folgenden Ansätze zeigen auf, wie Informationen vom Produkt, von den Werkzeugen und der Maschine selbst zur Optimierung des Gesamtsystems hinsichtlich zentraler Zielgrößen wie Prozess- und Rüstzeit, Durchlaufzeit, volle Nutzung der Werkzeugstandzeit oder Produktqualität ab Stückzahl eins herangezogen werden können.
Der Rohling als Informationsträger
Ein Ansatz zur informationstechnischen Verknüpfung der unterschiedlichen Ebenen der Produktion ist die Nutzung des Rohlings beziehungsweise des halbfertigen Produkts als Informationsträger. Dazu wird der Rohling zum Beispiel mit einem RFID-Etikett (Tag) ausgestattet, auf dem sich eine Verknüpfung zu den Bearbeitungsprogrammen der Maschinen oder Hinweise zum Rüsten der Maschine befinden. Dieser Tag kann auch zur Bearbeitung entfernt und später wieder an das Produkt angebracht oder nach der Bearbeitung durch ein anderes Etikett ersetzt werden.
Weitere Informationen, die mit dem Produkt mitgeführt werden können, sind beispielsweise die Prozesskette der individuellen Fertigung oder auftrags- oder logistikrelevante Hinweise für dessen Handhabung. Zusätzlich können Prozessgrößen oder Produktmerkmale, die während der Bearbeitung gemessen werden, auf den Datenträger am Produkt gespeichert werden. Das individuelle physische Produkt verbindet sich somit selbst mit seinen digitalen Informationen, die in Firmenrechnern und Unternehmensdatenbanken gespeichert sind. Es entsteht die Möglichkeit, die Ebene der organisatorischen Prozesse und der Geschäftsprozesse eng und ohne Medienbruch mit der Fertigung zu verknüpfen.
Während die Kennzeichnung von Produkten mit eindeutigen maschinenlesbaren Etiketten wie Data Matrix Codes oder RFID-Tags seit einigen Jahren vereinzelt und unternehmensintern praktiziert wird, bietet sich durch die konsequente Nutzung im gesamten Wertschöpfungsnetz ein großes Potenzial zur Vereinfachung. So können Verarbeitungshinweise, dokumentierte Prozessparameter, Dokumentation sicherheitskritischer Merkmale ebenfalls ohne Medienbruch weitergegeben werden, und somit kann die Zusammenarbeit im Wertschöpfungsnetz deutlich optimiert werden.
Das intelligente Werkzeugsystem
Genau wie das Produkt können auch sämtliche Werkzeuge mit digitalen Produktgedächtnissen ausgestattet werden. Diese eindeutige Identifizierung individueller Werkzeuge ist zum Beispiel zur Voreinstellung oder zur optimalen Nutzung der Werkzeugstandzeit bereits seit längerer Zeit Stand der Technik. Neben der Kennzeichnung mit Data Matrix Codes ist auch das Einbringen eines RFID-Tags in das Werkzeug möglich, womit ein wiederbeschreibbarer Datenträger zur lokalen Speicherung der Lebenszyklusinformationen auf dem Werkzeug selbst zur Verfügung steht.
Während Produktgedächtnisse nur zur Speicherung von Lebenszyklusinformationen geeignet sind, machen drahtlose Technologien und kleine Sensoren den Werkzeughalter zum Prozessbeobachter. Die direkte Messung werkzeugbezogener Schnitt- oder Passivkräfte in Kombination mit den Bearbeitungsparametern aus der Maschinensteuerung liefert ein umfassendes Bild des eigentlichen Bearbeitungsprozesses und damit eine hervorragende Ausgangsbasis, auch an dieser Stelle systematische Optimierungen durchzuführen.
Die vernetzte Maschine
Bereits seit einiger Zeit sind Maschinen in das Firmennetzwerk eingebunden. Wesentliche Aufgaben dieses Netzwerks sind der Zugriff auf NC-Programme und Werkzeugdaten oder die Übertragung von Maschinen- und Betriebsdaten. Gerade die Verwendung von (drahtlosen) Sensornetzwerken beispielsweise im Werkzeughalter, der Spannvorrichtung oder auch mechatronischen Komponenten, die ihre Zustandsdaten auswerten (intelligente Spindeln), erlauben die Erfassung von realen Prozesszuständen, mit denen ein Prozess-Simulationssystem mit entsprechenden Randbedingungen gefüttert werden kann.
Beispiele sind eine betriebsparallele Simulation des Bearbeitungsprozesses und die direkte Anpassung der Bearbeitungsparameter, um bessere Qualität zu erzeugen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass direkt das erste gefertigte Bauteil der Spezifikation des Produkts entspricht. Smarte Technologien ebnen der virtuellen Produktion den Weg in die breite Anwendung.
