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E4TC-Forschungsbericht

Smarte Chance: Engineering 4.0

| Redakteur: Ines Stotz

Die intelligente Vernetzung in der Fertigung nimmt Kontur an. Wie aber steht es um die strategische Digitalisierung von Konstruktion und steuerungstechnischer Auslegung der Maschinen und Anlagen selbst?

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Wer sein Engineering teilautomatisiert, erzielt das optimale Verhältnis von Aufwand und Nutzen – zu diesem Ergebnis kommt die Studie „Engineering 4.0“.
Wer sein Engineering teilautomatisiert, erzielt das optimale Verhältnis von Aufwand und Nutzen – zu diesem Ergebnis kommt die Studie „Engineering 4.0“.
(Bild: Gorodenkoff Productions OU)

Digitalisierung, Integration und Prozessoptimierung – diese Themen treiben Unternehmen derzeit um. Aber wie viel initialen und laufenden Aufwand bedeutet die Umsetzung dieser Themen konkret in der Praxis? So viel ist klar: Der Markt verlangt heute nach effizienter Umsetzung individueller Kundenwünsche. Während Industrie 4.0 Zeit- und Kostenpotenziale in der Praxis schon hebt, erweist sich das Engineering als nach wie vor erheblicher Kostenfaktor. Wer also das Ziel verfolgt, komplexe Geräte, Produktionsmaschinen oder ganze Anlagen effizient zu projektieren, stößt auf eine „Black Box“ ungeklärter Fragen:

Wie sieht Engineering 4.0 in der Steuerungstechnik aus? Wo liegen Effizienzpotenziale im Engineering-Prozess? Mit welchen Maßnahmen kann die Effizienz erhöht werden? Lässt sich das Optimierungspotenzial in Korrelation zur Arbeitsweise quantifizieren? Die Herausforderung liegt auf der Hand: Da es sich um Denk- und Entwurfsprozesse handelt, haben Ausbildungs- und Erfahrungsstand des Ingenieurs und seine Rahmenbedingungen erheblichen Einfluss auf Aufwand, Zeit und Qualität. Eine direkte Messbarkeit fällt also aus. Stellt sich wiederum die Frage: Kann man mögliche Einsparpotenziale im Engineering überhaupt messbar machen?

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Studie Engineering 4.0

Die Antwort lautet: Ja. Die strategische Digitalisierung der Konstruktion und steuerungstechnischen Auslegung von Maschinen und Anlagen hat das European 4.0 Transformation Center (E4TC) am RWTH Aachen Campus untersucht. Der 38-seitige Forschungsbericht mit dem Titel „Engineering 4.0“ fußt auf einer achtmonatigen Felduntersuchung bei deutschen Maschinenbauern im Serien- und Sondermaschinenbau, bei Ingenieurbüros/ Hardwareplanern sowie Geräteherstellern. Die entwickelte Methodik zur Quantifizierung von Potenzialen und Maßnahmen im Engineering ermöglicht erstmals eine fundierte Reflexion gegenwärtiger Engineering-Workflows im Serien- und Sondermaschinenbau. Zentrale Erkenntnis: Wer sein Engineering teilautomatisiert, erzielt häufig das betriebswirtschaftlich optimale Verhältnis von Aufwand und Nutzen.

Workflow Modell – Efficiency Level – Use Level

Auf der Suche nach Effizienzpotenzial ist das European 4.0 Transformation Center zunächst in die Tiefe der Engineering-Prozesse vorgedrungen. Die Aachener Wissenschaftler führen im Rahmen der Studie ein Modell des Engineering-Workflows ein und erstellen eine Bewertungsmatrix mit fünf Effizienz-Stufen. Der „Efficiency Level“-Matrix mit detaillierten Aussagen zum „Methodik Workflow“ ist eine „Use Level“-Matrix beigestellt. Sie beschreibt und bewertet die Nutzung von CAE-Software zur Erstellung der steuerungstechnischen Dokumentation im Bereich Elektrotechnik, Pneumatik und Hydraulik für die Fertigung von Maschinen und Anlagen als Grundvoraussetzung für Engineering 4.0.

Digital Twin-Dokumente

Die Studie betrachtet konkret die steuerungstechnische Auslegung, Hardware-Konstruktion und das Engineering rund um die elektrische Auslegung und zugehörige Schaltschrankkonstruktion. Ziel aller Prozessschritte ist die Erstellung von „Digital Twin“-Dokumenten, speziell „Digital Twin“-Schaltschränken, um eine konsistente, digitale Grundlage für die papierlose, automatisierte Schaltschrank-Fertigung zu legen. Auf Basis der empirischen Erhebung identifiziert die Studie mehrere Handlungsfelder und Faktoren, die möglichen Effizienzgewinn im Engineering auch im Abgleich von Automatisierung und notwendigem Standardisierungsaufwand im teils hohen zweistelligen Prozentbereich verorten.

Engineering Workflow-Modell

Die Studie „Engineering 4.0“ lässt gleich zu Beginn auf den Forschungsgegenstand schließen: Untersucht wurden insgesamt zehn Prozessschritte, die das Engineering im Maschinenbau (Serien-/Sondermaschinenbau) prägen. Das erstellte Engineering Workflow-Modell umfasst die typischen Arbeitsschritte eines Auftragsdurchlaufs:

  • Spezifikation (Auftragsklärung),
  • Klärung der Rahmenbedingungen,
  • Funktionen/ Infrastruktur projektieren (Neu-Engineering),
  • Stromlaufpläne (Konstruktion/ CAE-Erstellung),
  • Prüfung (Änderungen),
  • Stückliste (Ausleiten),
  • Reports (Fertigungsdokumentation),
  • Schaltschrank (Konstruktion Schaltschrankdesign/ Aufbaupläne)
  • sowie zusätzlich die Punkte
  • Artikel (Standards anlegen) und
  • Makros und Vorlagen (Konstruktionsvorlagen) als Fundament für einen höheren Standardisierungs-/ Automatisierungsgrad.

Auf der Suche nach Effizienzpotenzialen konzentrierten sich die Forscher auf die Arbeitsfelder Engineering, Design, Stücklisten, Reports, Schaltschrankaufbau sowie Artikel und Vorlagen – der Grund ist einfach: „Die Abhängigkeiten von Kunden bzw. Partnern sind in diesen Prozessschritten teils relativ gering bis gar nicht ausgeprägt“, erläutert Dr.-Ing. Thomas Gartzen, E4TC Geschäftsführer, „die Unternehmen haben es demnach buchstäblich selbst in der Hand, genau hier über Standardisierungs- bzw. Automatisierungsprojekte Zeit- und Kostenpotenziale zu erschließen.“

Efficiency Level Methodik Workflow

Der Weg zu höherer Effizienz in der Wertschöpfungskette ist von klassischer Methodik über Standardisierung bis Automatisierung vorgezeichnet. Um die Effizienz je Arbeitsschritt bewerten zu können, erfolgt in der Studie eine Skalierung des Methodik Workflows in fünf Stufen, innerhalb derer die Effizienz-Level (eLevel) des Engineerings zu verorten sind:

  • klassisch (grafisch orientierte Arbeitsweise, Symbole, manuelle Erstellung von Stromlaufplänen, typischer Entwurf neuer Schaltungen),
  • teilweise standardisiert (grafisch orientierte Arbeitsweise, Verwendung von Produktmakros, Aufbau von Artikeldatenbanken, Geräteauswahl),
  • komplett standardisiert (grafische und geräteorientierte Arbeitsweise, zentrale Makroprojekte, Modularisierung, konsequente Wiederverwendung, Erzeugung vollautomatischer Reports, Einführung von Arbeitsteilung im Engineering in Auftragsbearbeitung und Produktmanagement),
  • teilweise automatisiert (Nutzung von Konstruktionsmethoden wie Optionen, Varianten, Import von Daten, offline Integration ERP/PDM) sowie
  • komplett automatisiert (Nutzung von Generierungs- und Konfigurationsfunktionen, Integration in den Gesamtprozess ERP/PDM, Sales-Konfiguration).

Die ersten Erkenntnisse aus der Studie

Aus den erhobenen Daten leiten die Wissenschaftler ab, dass Unternehmen von eLevel zu eLevel 20 % effizienter werden können und sich der Zeitaufwand für die Stromlaufplanerstellung von Stufe zu Stufe jeweils halbiert. Die Stufe der Teilautomatisierung ergibt das betriebswirtschaftlich beste Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen.

Aufwand muss für Artikeldatenanlage und die Erstellung von Konstruktionsvorlagen betrieben werden, für deren initiale Anlage (Artikeldaten) ein Unternehmen durchschnittlich sechs Monate benötigt; der Nutzen materialisiert sich in Zeitgewinn. 10 % Aufwand für eine Standardisierung ermöglicht beispielsweise eine um 50 % schnellere Stromlaufplanerstellung. 25 % Zeitersparnis bei der Stromlaufplanerstellung bringt die geräteorientierte Arbeitsweise. 50 % Zeitersparnis bei der Stromlaufplanerstellung bringt die Nutzung einer Schaltungsbibliothek für Produktfunktionen. Durch Nutzung einer umfassenden Schaltungsbibliothek können 75 % der Zeit in der Prüfung der Schaltpläne eingespart werden. Der Punkt „Erstellung aller Reports“ entfällt komplett durch Standardisierung.

Uwe Harder, Head of Professional Services DACH bei Eplan Software & Service, kommentiert die Forschungsergebnisse:

Uwe Harder, Head of Professional Services DACH bei Eplan
Uwe Harder, Head of Professional Services DACH bei Eplan
(Bild: Eplan)

„Der Schlüssel zu höherer Effizienz im Engineering liegt demnach in der umfassenden Produktstrukturierung und Standardisierung. Die Studie zeigt mehrere konkrete Stellhebel auf, mit denen Unternehmen Win-Situationen schaffen können und sich der Return on Investment in weniger als einem Jahr einstellt. Natürlich erfordert eine teil- bis vollautomatische Konfiguration nahezu eine Verdopplung des Standardisierungsaufwands; speziell unter Effizienzgesichtspunkten ist allerdings gerade eine Teilautomatisierung die sicherlich effektivste Abkürzung, die Maschinenbauer derzeit im Engineering nutzen können.“

Schritt für Schritt zum effizienten Prozess

Eplan ist nicht nur Softwarehersteller, sondern Lösungsanbieter mit einem zielorientierten Trainings- und Consultingangebot, das aktiv die Veränderungsprozesse von Kunden fördert und begleitet. Das geschieht zumeist schrittweise und angepasst auf die Bedürfnisse und Prioritäten des Kunden. Vielfach ist die Digitalisierung der Fertigung ein treibendes Thema. Für einen solch papierlosen Fertigungsprozess stehen ein Digital Twin und virtuelle Prototypen im Zentrum des Engineerings.

Interessierte können die Studie kostenlos anfordern unter: eplan.de/engineering4.0 .

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