Digitale Fabrik – anspruchsvolle Technologien sinnvoll einsetzen

Götz Marczinski, Aachen

Kurze Planungszyklen und stressfreie Inbetriebnahme von validierten Prozessen verspricht die Digitale Fabrik. Dazu werden anspruchsvolle Technologien angeboten, für deren sinnvolle Nutzung jedoch oft die Voraussetzungen fehlen. Denn das Fundament der Digitalen Fabrik ist die logisch zentrale und konsistente Datenhaltung. Im Kontext der mechanischen Fertigung funktioniert die Digitale Fabrik deswegen zunächst als Informationsdrehscheibe für die am Planungsprozess beteiligten Mitarbeiter und Lieferanten. Erst im zweiten Schritt macht die aktive Planungsunterstützung Sinn, so die Erfahrungen der CIM GmbH Aachen.

Der Begriff „Digitale Fabrik“ beschreibt die vollständige rechnertechnische Abbildung einer realen Produktionsstätte. Durch den konzertierten Einsatz von Planungs- und Simulationsverfahren auf Basis digitaler Produkt-, Prozess- und Ressourcenmodelle sollen

  • Zeitersparnis und erhöhte Planungsqualität (Fast Ramp Up) erreicht [1]
  • die Grenzen der „Offline-Planbarkeit“ mit herkömmlichen Verfahren überwunden und
  • die Zusammenarbeit im Entwicklungsverbund vereinfacht werden.

Methodisch geht es um die Befähigung zum konzertierten Arbeiten in arbeitsteiligen Entwicklungs- und Planungsprozessen.
Im Ergebnis geht es um den Aufbau und die Nutzung digitaler Darstellungen zur Absicherung der Produktions- und Logistikprozesse, bevor ein reales Produkt hergestellt wird [2].

Hilfsmittel dazu sind Methoden und Softwaretools unterschiedlicher Anbieter aus dem Umfeld „PDM/EDM“, „CAD/CAM“ bzw. Simulation. Trotz der Vielfalt der angebotenen Lösungen und scheinbar vielfältigen Konzepte treffen sich die Stoßrichtungen der Anwender und Anbieter in einem gemeinsamen Bild (Bild 1).
Denn bei genauem Hinsehen sind die beiden „üblichen Verdächtigen“ zum Thema „Digitale Fabrik“ im Wesentlichen Vollsortimenter, die unter einem gemeinsamen Dach Lösungen für unterschiedliche Aspekte der Produktionsgestaltung anbieten [3,4]:

  • Fabrikplanung (Layoutgestaltung, Flächenbedarfsermittlung, Materialflusssimulation)
  • Logistik und Materialversorgung (Behälterkreislauf)
  • Methodenplanung und Bearbeitungssimulation
  • Austakten von Fertigungslinien
  • Werkerbedarfsermittlung und Arbeitsplatzgestaltung (Ergonomie)

In der Praxis der CIM GmbH Aachen hat sich gezeigt, dass die genannten Anwendungen zwar die Messestände und Verkaufsveranstaltungen beherrschen. Fundament der Digitalen Fabrik bildet jedoch die logisch zentrale und konsistente Datenhaltung. In diesem Sinne funktioniert die Digitale Fabrik zunächst als Informationsdrehscheibe für die am Planungsprozess beteiligten Mitarbeiter und Lieferanten. Erst im zweiten Schritt macht die aktive Planungsunterstützung Sinn. Wer genau fragt, wo der Engpass bei zeitintensiven und fehleranfälligen Planungsprozessen liegt, der stößt zunächst auf völlig unspektakuläre Probleme [5].

Praxisbeispiel

Ein Aggregateherstellers, der in drei Werken Verbrennungsmotoren für die Industrie produziert, wird im Folgenden als Beispiel genommen. Die zentrale Produkt- und Prozessentwicklung ist auch für die Serienbetreuung in den Werken zuständig.

Nahezu 50 Prozent des Zeitaufwands zur Einplanung neuer Varianten auf bestehende Fertigungslinien bzw. für die Planung neuer Fertigungslinien ging entweder für das Suchen nach Informationen oder die Dokumentation von Planungsergebnissen verloren.

Diese Erkenntnis war das Ergebnis einer Analyse der Planungsprozesse durch CIMAachen, die als ersten Schritt zum Aufbau eines „Business Case“ für die Einführung der Digitalen Fabrik durchgeführt wurde. Denn der Projektauftrag, den die Geschäftsleitung an Planung und Engineering definiert hatte, lautete, dass 10 Prozent mehr Projekte in 85 Prozent der bisherigen Zeit zu realisieren sind.

Die zwei festgeschriebenen Rahmenbedingungen waren:

  • Keine Personalaufstockung sowie
  • Kein weiterer Know-how Abbau-durch Verlagerung der Fertigungstechnologie auf Lieferanten.

Die für die Prozessanalyse durch CIMAachen eingesetzte Methode gewährleistet die Quantifizierung möglicher Zeitpotenziale auf Kostenstellenebene, so dass der Projektauftrag um bestimmte Ziele für einzelne Verantwortungsbereiche konkretisiert und vom Controlling abgezeichnet werden konnte (Bild 2).

Die Schwachstellen waren vergleichsweise unspektakulär. An erster Stelle stand die ungenügende Archivierung bisheriger Planungsergebnisse, der fehlende Bezug zu tatsächlichen Fertigungsunterlagen und die mangelnde Aktualität dieser Unterlagen. Hierbei ging es in erster Linie um so genannte Werkzeugein-stellpläne als dem zentralen Dokument zur Kommunikation zwischen Planung und Werkstatt. Da die Planungsabläufe nicht standardisiert waren, hing die Effizienz vom jeweiligen Planer ab. Auf Grund der „privaten“ Archive bisheriger Projekte ist der „Fingerabdruck“ des jeweiligen Planers auf den Methoden- und Arbeitsplänen klar erkennbar - die technologische Kompetenz des Un-ternehmens dagegen nicht. „Können wir das besser?“, lautete die berechtigte Frage der Geschäftsleitung.
Die zu erfüllenden Voraussetzungen für einen effizienten Planungsprozess wurden in einem Lastenheft dokumentiert. Priorität hatten demnach folgende Aspekte

  • die Informationsbereitstellung und konsistente Datenhaltung, d. h. das Wissenmanagement,
  • die Unterstützung der Aktualisierung von Fertigungsdokumenten bei Änderungen,
  • die möglichst verlustfreie Kommunikation mit Lieferanten sowie
  • die Einrichtung einer Rückkopplungschleife aus den Werken in die Planung.

Für die aktive Gestaltung von Planungsaufgaben wurde zunächst die Unterstützung des Projektmanagements (Meilensteinplanung, Work Flow) und dann geeignete Simulationsverfahren genannt, mit denen es möglich war, schnell Planungsvarianten zu erzeugen.
Aus der kritischen Bewertung der bestehenden IT-Landschaft ergab sich dabei auch die Forderung, bestehende Konzernsysteme einzubinden (Bild 3). Wesentlich war es, Stammdaten und angrenzende Prozesse (Produktentwicklung, Stücklistenverwaltung, Beschaffung, Zeichnungsverwaltung, ..) beizubehalten und „nicht alles neu zu erfinden“.

Software-Auswahl

Die Anforderungen des Lastenhefts wurden am Softwaremarkt und an der Leistungsfähigkeit der bereits vorhandenen, teilweise proprietären Systeme im Unternehmen gespiegelt.

Im Sofwaremarkt ergibt sich folgendes Bild. Es gibt einerseits eine Vielzahl von Anwendungssystemen, die aber jeweils nur Teilaspekte abdecken. Andererseits gibt es wenige integrierte Systeme, die unter dem „Label“ Digitale Fabrik angeboten werden. Diese integrierten Systeme unterscheiden sich im Wesentlichen durch „historische“ Stärken. So sind einige Systeme als Fortentwicklung von PDM-Systemen zu sehen, mit klaren Stärken in der Datenintegration und der aktiven Workflow-Unterstützung.

Demgegenüber stehen Anwendungssysteme, die auf einer gemeinsamen Plattform zusammengeführt sind. Neben klaren Anwendungsschwerpunkten entscheidet in dieser Kategorie, inwieweit die Integration tatsächlich über die Verkaufsbroschüren fortgeschritten ist.
Die Datenintegration ist also das bindende Element. Konkret ergab sich damit die Frage nach der Umsetzungsphilosophie. Integriert man ausgehend von einem Datenkern die entsprechenden Anwendungssysteme, oder setzt man entsprechende Applikationen auf einen bestehenden Datenkern?
Die ehrliche Antwort im Projekt war: Es gibt den Datenkern nicht. Der logische Zusammenhang zwischen den relevanten Informationen muss zunächst modelliert und softwaretechnisch abgebildet werden.

Die Entscheidung fiel auf CS-Enterprise von CIMSOURCE Software (Bild 4). Ausschlaggebend war es, dass bei alternativen Anbietern für die zerspanende Fertigung keine Erfahrungswerte vorlagen und das bestehende PDM-System für diese Aufgabe nicht geeignet war.
Für CS-Enterprise sprachen folgende Aspekte:

  • die föderale Softwarearchitektur (Datenhoheit und Verfügbarkeit gemäß frei definierbarer Rollen),
  • die offenen Schnittstellen,
  • die Möglichkeiten zur Lieferantenintegration sowie die
  • vorbesetzte Technologiedatenbank.

Ein interessantes Detail der Softwareauswahl war, dass alle drei Kandidaten der engeren Auswahl letztendlich vom Softwarekern her alles Oracle-Applikation Server sind.

Einführung

Arbeitsinhalt der ersten Einführungsphase war die Informationsgestal-tung. Dazu gehört neben der Gestaltung der Planungsabläufe die konsistente Modellierung von Produkt, Prozess und Ressourcen in hierarchischen Objektbäumen.
Randbedingung dabei war die möglichst einfache Datenbefüllung durch vorhandener Werkzeug-Bibliotheken und Schnittstellen.
Erste Anwendergruppen bildeten die Anlaufplanung und die Serienbetreuung. Im Kern ging es um das Änderungsmanagement bzw. das Nachführen von Änderungen in den Fertigungsdokumenten, um Vorgaben für standardisierte Arbeitsergebnisse und deren systematischer Verwaltung.
Damit wurde ein Planungsprozess mit reduzierten Such- und Dokumentationsaufwänden umgesetzt, zunächst zur Einplanung neuer Varianten auf bestehende Linien und dann zur Planung neuer Linien.

Im nächsten Schritt erfolgte einerseits die Einführung des Projekt- und Workflow-Managements. Andererseits ist die Online-Anbindung von CS-Enterprise an das MES (Manufacturing Execution System) der Werke zur Ist-Datenerfassung angestrebt, um die Wissensdatenbank zu aktualisieren und damit die Planer dichter an das reale Geschehen zu bringen [6].
Die Unterstützung der frühen Phasen der Planung wird erst in Phase III angegangen, nachdem Erfolge nachgewiesen sind.

Die Rolle der Lieferanten

Im Kontext der mechanischen Fertigung spielen die Lieferanten eine entscheidende Rolle für die Umsetzung der Digitalen Fabrik. Es geht darum, planungsrelevante Daten zu liefern bzw. zu empfangen, zu verarbeiten und wieder zurückzusenden [7].
Dabei handelt es sich im ersten Schritt einerseits um Maschinenmodelle für die Layout- und Materialfluss- bzw. Logistikplanung. Anderseits sind die Ergebnisse der Methodenplanung, meistens in Form von Werkzeugeinstellplänen, zu übermitteln. Beides soll so erfolgen, dass die Informationen weiter verarbeitet werden können.

Hierfür favorisiert CIMAachen die Trennung von Datenhaltung und -darstellung über Sachmerkmalsysteme und entsprechende generische Modelle (z.B Templates im Fall von Dokumenten, Makros bzw. parametrische Modelle für Geometriedarstellungen). Wenn man bedenkt, dass für eine Maschine im Extremfall über 100 Werkzeugmodelle notwendig sind, wird deutlich, dass hier ein neuralgischer Punkt liegt. Damit die Datenbereitstellung seitens der Lieferanten nicht zum „Show Stopper“ wird, besteht in diesem Bereich noch Handlungsbedarf.
Da der Trend zur Digitalen Fabrik anhalten wird, sind hier proaktive Maßnahmen gefordert, damit sich der einzelne Lieferant nicht mit einer Vielzahl von Forderungen konfrontiert sieht.
Vor diesem Hintergrund ist die Initiative GTDE (Graphical Tool Data Exchange) des VDMA zu sehen. Die Mitglieder des Fachverbandes Präzisionswerkzeuge haben sich zusammengeschlossen, um ihren Kunden einen besonderen Service zu bieten (Bild 5) [8]. Die Werkzeugdaten werden zunächst als 2D Dokumentation, später auch als 3D Modelle, nach einem standardisierten Verfahren und in einem standardisierten Format bereitsgestellt. Die dazu eingesetzten Softwaretechniken erlauben die Weiterverarbeitung im Rahmen der oben geschilderten Anwendungen.

Zusammenfassung

Vordergründig handelt es sich bei der „Digitalen Fabrik“ um die Absicherung von Produktions- und Logistikprozessen im Vorfeld der realen Produktion. Ein durchaus erstrebenswertes Ziel.
In der Praxis bedeutet die Einführung der Digitalen Fabrik zunächst, Transparenz in den Planungsprozessen herzustellen und das Planungswissen effizient zu managen [4]
Die Einführungsreihenfolge beginnt deswegen nach Möglichkeit in der Anlauf- bzw. Serienbetreuung (wenn die Altdaten in geeigneter Form vorliegen!), um von sicherem Grund zu starten. Planungsunterstützung sollte sich im ersten Schritt auf das automatisierte Dokumenten- und Änderungsmanagement konzentrieren, wozu die Lieferantenintegration ein wichtiger Baustein ist. Zum ersten Schritt der Planungsunterstützung gehört auch das aktive Projekt- bzw. Workflow Management.
Da die Qualität der Datenbasis die Qualität des Wissensmanagements bestimmt, gehört die Ist-Daten-Erfassung (Kopplung an MES) in jedes Konzept zur Digitalen Fabrik [7].
Erst wenn dieses Fundament steht, sollte die Einbindung der Module zur aktiven Absicherung (z.B. Simuation) erfolgen. Schließlich sind die Möglichkeiten zur automatisierten Methodenplanung vor dem Hintergrund „Nutzen/Aufwand“ zu prüfen. Denn damit das dazu notwendige Wechselspiel von unscharfen Daten und Planungsergebnissen wirklich die Planer entlastet, ist nach Erfahrungen der CIMAachen sehr viel Vorarbeit zu leisten.
Betrachten Sie die Digitale Fabrik also sachlich. Braucht ihr Unternehmen die aktive Unterstützung zur Automatisierung von Planungsaufgaben bzw. zur digitalen Planungsabsicherung? Oder ist Transparenz und Datenbereitstellung, das „Wissensmanagement“ heute das Entscheidende?

Literatur:

  • Es rechnet sich, Interview mit Dr. J. Heizmann, Dr. J. Chacko (AUDI AG) zum Thema Digitale Fabrik, Automobil-Entwicklung, MI Verlag, Juli 2004
  • Die Digitale Fabrik wird internetfähig, B. Rose, A. Hämmerling, CYBiz 07/2000.
  • Dosiert Einführen, Interview mit R. Menges (Delmia), Automobil-Produktion, MI Verlag, April 2002
  • Moderne Zeiten: Opel verwirklicht Digitale Fabrik, A. Dowidat, H. Zeeb, Carl Hanser Verlag, IT 8-9/2002
  • Audi: Digitale Fabrik ist erst in zweiter Linie ein IT-Thema, G. Grabmei-er, Produktion Nr. 14, April 2003
  • Bausteine für die IT-gestützte Erlangen), Industrie Management Produktion, D. Siersdorfer (Siemens 19, 2003
  • Tipps für Lieferanten, E. Cluss, Automobil-Produktion, MI Verlag, April 2002
  • Der Kostenfalle entrinnen – GTDE Verein gegründet, D. Kühn, Maschi-nenmarkt, Januar 2004

Der Autor dieses Beitrags

Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Götz Marczinski, geb. 1961, studierte Maschinenbau und Betriebswirtschaft in Hannover und Aachen. Er promovierte 1992 zum Dr.-Ing. bei Prof. W. Eversheim und war bis Mitte 1994 als Berater bei einer amerikani-schen Managementberatung tätig. Seit 1994 arbeitet er als Geschäfts-führer der CIM GmbH in Aachen.

erschienen in ZWF, November 2004

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