Moderne Produktion: Zwilling digital, Vorteile real
Lange bevor eine Fertigungslinie aufgebaut ist, sorgt ein digitaler Zwilling davon für eine reibungslose Funktion später in der Werkhalle. Nicht der einzige Vorteil einer digitalisierten Produktion, wie ZF sie vorantreibt.
Wäre es nicht praktisch, eine neue Produktionslinie vollständig zu planen und sämtliche Abläufe bereits zu optimieren, lange bevor die oft tonnenschweren Bestandteile der Fertigungsanlage in der Werkhalle auf ihrem Betonfundament verankert sind? Ein digitaler Zwilling macht’s möglich. Er treibt nicht nur in der Entwicklung und Erprobung die Effizienz sowie das Umsetzungstempo voran, sondern auch in der Produktion. Hatten Ingenieure noch vor einem Jahrzehnt etwa zwei Jahre Zeit, bis ein Produkt in Serie ging, ist dieses Zeitfenster inzwischen auf wenige Monate geschrumpft. Entsprechend schnell und zuverlässig muss auch der gesamte Produktionsprozess stehen. Hinzu kommt ein enormer Kostendruck durch den Wettbewerb. Wer heute und in Zukunft nicht den Anschluss verlieren möchte, muss die eigene Produktion durch den Einsatz eines digitalen Zwillings auf maximale Effizienz trimmen.
Mehr Tempo durch virtuelle Planung
Viele Jahrzehnte lang entstanden Produktionslinien am Reißbrett, seit den 1980er Jahren ergänzt durch den großflächigen Einsatz von computergestütztem Design (CAD). So ist es nur folgerichtig, dass in unserem digitalen Zeitalter die Planung einer Produktionslinie mit deren Materialfluss und mit sämtlichen Maschinen, Arbeitsstationen sowie manuellen Bearbeitungsschritten vollständig virtuell erfolgt. Dieser digitale Zwilling der geplanten Anlage enthält nicht nur Abmessungen einzelner Komponenten, sondern auch deren Leistungsdaten, Verhalten, Schnittstellen und vieles mehr. So lässt sich zum einen der Platzbedarf perfekt ermitteln und optimieren; zum anderen können Fabrikplaner die Funktion der einzelnen Bestandteile und das Zusammenspiel mit anderen Anlagenteilen bereits am Computer ausprobieren und überprüfen.
„Ein weiteres dickes Plus des digitalen Zwillings in der Produktion besteht darin, die Auswirkungen von Veränderungen an einer Stelle des Systems auf die gesamte Produktionslinie zu simulieren. Das spart viel Zeit und erhöht die Sicherheit“, erklärt Rüdiger Ammann und ergänzt: „Wir sind hier nicht auf Echtzeit-Informationen angewiesen, wie sie reale Anlagen naturgemäß erst später liefern.“ Ammann verantwortet bei ZF die strategische Ausrichtung zum Einsatz digitaler Zwillinge in der Produktion. Gemeinsam mit Kollegen aus der IT arbeiten er und sein Team daran, konzernweit notwendige Standards und Lösungen für den Lebenszyklus von Produktionsabläufen zu definieren. Je früher ein digitaler Zwilling zur Verfügung steht, desto eher können Beschaffung und Aufbau der realen Produktion starten. Ammann schätzt die Zeitersparnis durch digitale Zwillinge in der Planungsphase auf bis zu 30 Prozent gegenüber älteren Planungsmethoden.
Digitale Zwillinge verkürzen jedoch nicht nur den Zeitraum bis zum Start einer neuen Produktionslinie und senken die Gefahr von Störungen, sie können auch die Planung komplexer Anlagenlayouts erheblich vereinfachen. Schließlich lassen sich am Computer viele Abhängigkeiten und unzählige Variationsmöglichkeiten durchspielen. Das reduziert später in der Realität die Gefahr von Ausfallzeiten und steigert die Anlageneffizienz.
In der Planungsphase liefert der digitale Zwilling die Daten für den optimalen Einsatz des realen Roboters.
Letzterer wiederum sendet später im laufenden Betrieb ständig Daten an seinen digitalen Zwilling zur weiteren Produktionsoptimierung.
Liegen sämtliche Abläufe einer Anlage virtuell vor, gestattet der digitale Zwilling eine genaue Vorhersage, wie sich eine Änderung an einer Stelle auf andere auswirkt. „Gerade bei komplizierten Produktionslinien wie der Fertigung unseres 8-Gang-Automatikgetriebes mit bis zu 90 Stationen ist die sogenannte Layout- und Designplanung inklusive der vorgesehenen Stationen für Mitarbeiter ohne digitalen Zwilling kaum zu überblicken“, sagt Ammann. „Beim virtuellen Abbild können wir mühelos Änderungen vornehmen und deren Auswirkungen beobachten, noch bevor wir an der realen Maschine auch nur an einer Schraube drehen.“ Das spart viel Zeit, beispielsweise, wenn es darum geht, den Produktausstoß einer Anlage zu erhöhen, um kurzfristig auf eine steigende Nachfrage zu reagieren.
Reale Maschinen liefern wichtige Daten
Ist eine Anlage erst einmal in Betrieb, liefern deren Komponenten dem virtuellen Zwilling eine Fülle an Daten. Diese lassen sich für Leistungsvorhersagen nutzen, sind aber auch die Basis für die vorausschauende Wartung der Maschinen. Selbst die Qualitätskontrolle am Ende des Herstellungsprozesses ist mit digitaler Unterstützung einfacher: Die entscheidenden Qualitätsmerkmale werden vergleichend zwischen digitalem und realem Modell durch die Mitarbeiter mit dem Handy geprüft. Dabei unterstützt eine Software beim Soll-Ist-Vergleich, sodass es leichter fällt, die Produktqualität anhand bestimmter Parameter zu überwachen.
Gerade, weil moderne Produktionsprozesse so komplex sind und im Konzern so weitverbreitet, dauert es noch, bis ZF sie vollständig virtualisiert hat. „All die Daten aus der Konstruktion, den Maschinen und den Produktionsprozessen sind wie viele Puzzleteile, die zusammengesteckt einen riesigen digitalen Zwilling ergeben. Abhängig vom Anwender zeigt der digitale Zwilling unterschiedliche Perspektiven auf das reale Objekt“, so Ammann. Die auf diese Weise erreichte vollständige Transparenz eröffnet eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten. So sind dann zuverlässige Prognosen zu Produkt, Prozess und Anlage ebenso möglich wie zu erreichbaren Stückzahlen.
Die Handy-Kamera und Augmented-Reality-Technologie helfen den Mitarbeitern, die Produktqualität zu überwachen.
Daraus lassen sich wertvolle Informationen für die eigene Produktionsplanung, für Kunden und für Lieferanten gewinnen. Um die Digitalisierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette lückenlos voranzubringen, arbeiten die ZF-Teams konsequent daran, über verschiedene auf Use-Cases basierende Digitalisierungsaktivitäten sukzessive die vielen Prozessen und Daten zu transformieren. Nur so kann das Unternehmen auch in der Produktion mit dem aktuellen Transformationstempo innerhalb der Automobilbranche mithalten sowie einen Mehrwert für Kunden und Partner schaffen.
