Adaptiv wird Wirklichkeit

Spezial SPS IPC Drives

Automatisierung – Individualisierte Produkte werden für die heutigen Digital Natives immer mehr zur Selbstverständlichkeit. Aber in der Produktion fehlen noch effiziente und wirtschaftliche Lösungen. Mit einem neuen mechatronischen System will B&R dem ein wenig näher kommen …

06. November 2017

Wirklich neue Komponenten zu entwickeln, ist heute nicht mehr so einfach. Irgendwie war ja alles schon einmal da und meist handelt sich um Abwandlungen einer bekannten Sache.

B&R hat das nicht gekümmert und nach eigenen Angaben ein revolutionäres mechatronisches System auf den Weg gebracht. Dieser Weg endet jetzt auf der SPS IPC Drives mit einer großen Präsentation; von der Produktneuheit selbst ist bis dato wenig durchgesickert …

Was aber nicht so geheim ist, ist die Motivation, die das Team von B&R auf die Idee gebracht hat. Es ist die individualisierte Massenfertigung, die als Schlagwort im Zuge von Industrie 4.0 schon eine geraume Zeit zitiert wird. Denn die Endkunden der Maschinen- und Anlagenbauer fordern heute immer mehr Rücksicht auf ihre Bedürfnisse: Sie möchten Produkte des täglichen Lebens nach ihren Wünschen definieren können.

Hier will B&R ansetzen und sieht gewaltige Perspektiven für neue Komponenten und Lösungen. »Die Individualisierung fängt gerade erst an«, ist sich Robert Kickinger sicher. Der Manager Mechatronic Technologies bei B&R ist maßgeblich in die Entwicklung des neuen Systems involviert gewesen.

Seiner Ansicht nach leben wir in einer interessanten Zeit, in der sich das Konsumentenverhalten entscheidend ändert und neue Technologien neue Möglichkeiten eröffnen. »Diese Konvergenz ist der Nährboden für neue innovative Genre. Maschinenbauer und Endkunden brauchen nur zuzugreifen, um vom Added Value der personalisierten Produkte ihren Anteil abzubekommen.« Das Ziel von B&R ist die adaptive Maschine, die sich flexibel an die kundenspezifischen Wünsche anpasst. »Wir wollen die individualisierte Massenfertigung so gestalten, dass sie für Consumer-Produkte in großen Stückzahlen funktioniert.« Das neue System eignet sich demnach vor allem für Massengüter des täglichen Lebens wie Getränke, Nahrung und kosmetische Produkte.

Laut Robert Kickinger ist die Produktion in Losgröße 1 eigentlich nichts Neues und im Handwerk weit verbreitet. »Neu ist jedoch die Massenfertigung individueller Produkte. Und die ist bislang wirtschaftlich nur schwer umsetzbar, weil sie sich für viele Anwender derzeit noch nicht rechnet.« Denn die Flexibilisierung der Anlagen geht zumeist einher mit einer sinkenden Gesamtanlageneffizienz, auch Overall Equipment Effectiveness (OEE) genannt. Diese Kennzahl bewertet, wie gut und schnell eine Maschine Produkte herstellt. Ziel einer individualisierten Massenproduktion muss demnach sein, dass die drei OEE-Komponenten – Verfügbarkeit, Performance und Qualität – im Vergleich zur reinen Serienproduktion nicht sinken.

Es sollte zudem ein attraktiver Return on Investment (ROI), also eine hohe Produktivität einer Maschine, und eine möglichst niedrige Time-to-Market (TTM) für neue Produkte oder Produktänderungen gewährleistet sein. Diese ist sehr wichtig, vor allem für kurzlebige, saisonale und individuelle Produkte. »Es geht uns darum, den Anwender in die Lage zu versetzen, seine Maschine adaptiv zu nutzen, und sich so neue Wertschöpfungspotenziale zu erschließen«, sagt Robert Kickinger. »Nur so lässt sich die Individualisierung von Massenprodukten auch wirtschaftlich umsetzen.«

Schneller entwickeln

Flexible Anlagen erfordern bisher einen langwierigen Entwicklungsprozess. »Häufig werden Probleme erst erkannt, wenn die Anlage tatsächlich läuft«, erklärt der Mechatronikspezialist. Werden dann grundsätzliche Änderungen am Maschinendesign nötig, verzögert sich die Time-to-Market um viele Monate. »Das geht richtig ins Geld.«

Kann die Anlage oder ein Teil davon vorab in einer Simulation getestet werden, lässt sich die Zeit bis zur Marktreife teils massiv verkürzen. »Unsere Lösung basiert darum auf einem Digital Twin, der auf Maschinenlaufzeitbasis kodiert ist. So landet die getestete Software mit ein, zwei Klicks auf der wirklichen Anlage und es kann losgehen. Durch vollständige 3D-Visualisierung können wir Engineering-Arbeit effizient validieren.«

Ist die Anlage erst einmal in Betrieb, wird die Verfügbarkeit zu einem entscheidenden Faktor. Dabei spielen Umrüstzeiten eine große Rolle. »Die kundenspezifische Massenproduktion von morgen wird durch die prompte Abarbeitung von Aufträgen, die online eingehen, gekennzeichnet sein«, erklärt Kickinger. Schon heute werden Kunden online und automatisiert in die Leistungsdefinition von Produkten einbezogen, zum Beispiel bei Autos oder in der Druckindustrie. »Dieses Vorgehen wird bald bei vielen Produkten Standard sein.«

Um eine wirtschaftliche Anlagenverfügbarkeit zu gewährleisten, wird es nötig sein, die Umrüstzeiten zu minimieren oder gar zu eliminieren. Zudem gilt es in der individualisierten Massenfertigung, Maschinenstillstände zu eliminieren, denn bei Losgröße 1 ist dies fatal und führt zu geringerer Rendite.

Nicht nur die Produkte, sondern auch die Zusammenstellung von Produkten in einer Verpackung werden individueller. Eine flexible Maschine muss so ausgelegt sein, dass sich zum Beispiel aus drei Produkten alle denkbaren Kombinationen in einer Endverpackung mit sechs Produkten zusammenstellen lassen. »Mit herkömmlichen Produktionsprozessen ist so etwas unmöglich«, sagt Robert Kickinger. Es wären ständige Umrüstungen nötig, wodurch die Produktivität sinken würde. »Wir müssen also eine Lösung schaffen, mit der unterschiedliche Produkte flexibel und in Echtzeit bei voller Produktionsgeschwindigkeit individuell zusammengestellt werden können. Dazu werden wir Produktströme gezielt zusammenführen und auch trennen - in Echtzeit und voller Produktionsgeschwindigkeit. Zeitintensive Umrüstungen lassen sich dadurch eliminieren.«

Darum ist die Parallelverarbeitung ein wichtiges Merkmal der adaptiven Maschine. Dadurch lässt sich eine starre Taktung umgehen. »Wir können langsame Stationen multiplizieren und somit parallelisieren«, sagt Kickinger. »Damit haben wir die Produktivität der Maschine sehr einfach stark erhöht. Der Platzbedarf der Maschine steigt zwar, aber nur stark unterlinear verglichen mit der gestiegenen Performance.«

Schnell reagieren

Um die Qualität hoch zu halten, ist es erforderlich, auf Probleme oder schlechte Produkte in Echtzeit reagieren zu können – ohne den Produktionsprozess zu beeinträchtigen. »Mangelhafte Produkte müssen sich zum Beispiel bei voller Produktionsgeschwindigkeit an Ort und Stelle aussortieren lassen«, sagt Kickinger. Wird also bei einer Qualitätskontrolle ein Fehler bemerkt, muss das Produkt sofort aus dem Produktionsprozess genommen werden können. Denn, durchläuft das mangelhafte Produkt den ganzen Prozess und wird sogar noch verpackt, muss am Ende die ganze Verpackung mit allen Produkten aussortiert werden.

Es können jedoch nicht nur Produkte fehlerhaft sein. Fällt zum Beispiel bei einer Abfüllanlage eines von mehreren Füllventilen aus, sollte die Automatisierung so intelligent darauf reagieren, dass die defekte Station nicht mehr angefahren wird – der Prozess an sich aber weiterläuft. Bisher gab es in so einem Fall zwei Möglichkeiten: »Entweder ich lasse den Prozess weiterlaufen und alle Produkte, die das fehlerhafte Ventil befüllt, sind Ausschuss, oder ich stoppe die Produktion«, erklärt Kickinger. Beide Optionen sind aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll. Die adaptive Maschine hingegen ist fehlertolerant, sie kann defekte Stationen in einer Anlage gezielt nicht mehr anfahren und auf die funktionierenden zurückgreifen.

Schnell erweitern

Herkömmliche Anlagen lassen sich in den meisten Fällen nicht erweitern. Um die Stückzahl zu erhöhen, muss entweder eine neue Linie dazu gestellt oder die bisherige Linie durch eine größere ersetzt werden. »Das ist mit hohen Investitionen und nicht zuletzt einem hohen Platzverbrauch verbunden und das wollten wir verhindern«, nennt Robert Kickinger einen wichtigen Motivationsfaktor.

Bei einem fest getakteten Prozess bestimmt die langsamste Bearbeitungsstation die maximale Stückzahl pro Minute. Um diese zu erhöhen, wird eine Automatisierung benötigt, die diese Taktung auflöst. Durch die Parallelisierung von langsameren Prozessen auf mehreren Stationen lässt sich die Produktivität vervielfachen, ohne dass die Maschinenstellfläche proportional steigt. Dazu ist ein System notwendig, das einen laufenden Produktstrom auf mehrere Bearbeitungsstationen verteilt und anschließend wieder zusammen führt.

Noch mehr Möglichkeiten ergeben sich, wenn dieses System vor Ort um weitere Stationen ergänzt werden kann. »Unsere Lösung lässt sich zudem sehr gut skalieren. Angefangen mit einer kleinen Variante kann sie der Anwender gezielt erweitern und an seinen Bedarf anpassen. Das bringt absolute Investitionssicherheit dank Maschinentechnik, die sich adaptiv an die Produktionserfordernisse anpassen lässt.«

Herausforderung meistern

ROI, OEE und TTM sind die wirtschaftliche Basis jeder Produktion. In diesem Kontext müssen Maschinenbauer ebenso wie Maschinen- und Anlagenbetreiber die Herausforderung der Produktionsflexibilisierung angehen. »Wer nicht darauf achtet, wird Wettbewerbsnachteile erfahren«, ist sich Kickinger sicher. Es habe sich gezeigt, dass individualisierte Massenprodukte höhere Margen ermöglichen als klassische Serienprodukte. Die Individualisierung lässt sich jedoch nur mit einer fortschrittlichen Produktionsinfrastruktur umsetzen.

Und die hat B&R in der Hinterhand. »Wir verfolgen die Produktionstechnologie für das Zeitalter der Digitalisierung«, freut sich Robert Kickinger. »In unserem Produkt stecken viele tolle und absolut neue Ideen unserer Entwicklungsmannschaft. Das sind zentrale Innovationen und kein neuer Mix von bekannten Dingen. Damit werden wir die mechatronische Technologie auf ein neues Level heben und ein Performance-Niveau adressieren, das heute am Markt noch nicht verfügbar ist.«

Erschienen in Ausgabe: 08/2017