Datenintegration Virtuell abgebildete Prozesse verkürzen den Weg zum Produktionsstart

Autor / Redakteur: Christof Stadler und Rafael Haida / Dietmar Kuhn

Die Digitale Fabrik leistet einen wichtigen Beitrag bei der Realisierung eines ganzheitlichen Ansatzes für Produktionsplanung und Produktentwicklung. Alle Abläufe werden virtuell abgebildet und lassen sich einschließlich der virtuellen Inbetriebnahme darstellen und simulieren. Dadurch kann die Zeit bis zum Produktionsstart verkürzt werden. Delmia hat dafür eine Rohbau-Lösung entwickelt.

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Delmia hat eine innovative Rohbau-Lösung entwickelt, mit der sich Produktionsplanungs- und Produktentwicklungsprozesse virtuell abbilden und in Betrieb nehmen lassen. Bild: TKS
Delmia hat eine innovative Rohbau-Lösung entwickelt, mit der sich Produktionsplanungs- und Produktentwicklungsprozesse virtuell abbilden und in Betrieb nehmen lassen. Bild: TKS
( Archiv: Vogel Business Media )

Idealerweise lässt sich der gesamte Herstellungsprozess eines Automobils in der Digitalen Fabrik abbilden, also von der ersten Umformung der Karosseriebleche bis zur Montage und Qualitätsprüfung des gesamten Fahrzeugs. Eine Schlüsselfunktion bildet dabei der Rohbau, für den Delmia erstmals eine Lösung anbietet, mit der sich die Karosseriestruktur durchgängig planen und in den kompletten Fertigungsprozess integrieren lässt.

Um eine Rohbaulinie optimal zu gestalten und auszulasten, müssen zunächst die einzelnen Baugruppen, wie beispielsweise Seitenteile, Böden, Dächer und Türen, definiert werden. Während der Planungsphase liegen diese Baugruppen in der Regel in unterschiedlichen Detaillierungsgraden vor und sind laufend Änderungen unterworfen.

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Folglich benötigt man in der Prozessplanung eine Möglichkeit, die Baugruppen auf einfache Weise dahingehend zu überprüfen, ob sie in der aktuell geplanten Form überhaupt gebaut werden können.

Am Beispiel einer Autotür lässt sich die Vorgehensweise einfach darstellen. So werden beim Fahrzeugrohbau nicht nur einzelne Teile, sondern komplette Baugruppen zusammengefügt beziehungsweise montiert. Im vorliegenden Beispiel wird also eine Tür mit all ihren Einzelteilen gefertigt, zusammengesetzt und schließlich an der Karosserie angebracht.

Fertigungsprozess schon in der Rohbau-Planung strukturieren

In der Rohbau-Planung ist zu überlegen, wie das Fahrzeug strukturiert wird und welche Baugruppe wie und wo zusammengesetzt wird, damit sie perfekt in den Fertigungsprozess passt. Aus der Konstruktionsstückliste entsteht dabei eine fertigungsgerechte Reihenfolge, wie die Elemente zusammenzufügen sind, die Fertigungsstückliste (Bilder 1 und 2 – siehe Bildergalerie).

Erfolgt die Rohbau-Planung der Baugruppen klassisch auf Papier und ohne Software-Unterstützung, lassen sich eventuelle Fehler erst zu einem viel späteren Zeitpunkt erkennen. Mit Hilfe der Delmia-Rohbau-Lösung sind die Ingenieure jederzeit in der Lage, digital zu prüfen, ob sich Baugruppen und Karosserie wie geplant zusammenbauen lassen. Probleme, wie beispielsweise auftretende Kollisionen aufgrund der geometrischen Bedingungen bei der Konstruktion, werden direkt auf dem Bildschirm angezeigt.

Inzwischen erreicht der Automatisierungsgrad bei den im Rohbau anfallenden Arbeitsschritten bis zu 80%. Entsprechend müssen die einzelnen Fertigungsprozesse wie Pressen, Stanzen, Schweißen oder Montieren als Planungswerte in der digitalen Planung berücksichtigt werden (Bild 3).

Software erfasst Zusammenhänge zwischen Bauteilen und Fügepunkten

Früher wurden zum Beispiel Bauteile und Fügepunkte einzeln in Tabellen erfasst. Es gab also keinen Datenzusammenhang. Vielmehr existierten unterschiedliche Systeme, die nur mit viel Aufwand zusammengeführt werden konnten. Bei der Rohbau-Lösung von Delmia verlaufen jetzt Planung und Programmierung der Fertigungsabläufe parallel und können schließlich als digitale Simulation am Bildschirm angesehen werden.

Planung, Simulation und Inbetriebnahme lassen sich jetzt simultan betrachten. Darüber hinaus lassen sich verschiedene Rohbauvarianten parallel erstellen und simulieren, um unterschiedliche Szenarien zu vergleichen und die Planung abzusichern.

Erfolgt die Produktentwicklung mit Catia V5, können sämtliche Produktänderungen sofort in die Rohbau-Lösung übertragen werden. Sie unterliegen somit einem intelligenten Änderungsmanagement. Dabei kann der Planer selbst entscheiden, zu welchem Zeitpunkt die Änderungen in die Rohbau-Planung einfließen. Die gesamte Planung verläuft ohne Schnittstellen. Die Übertragung erfolgt über eine Datenbank, dem Manufacturing-Hub, dadurch stehen immer die aktuellen Daten zur Verfügung.

Informationen zwischen Layout und Ressourcen in der Fertigung durch Software

Bei Layout-Planungen mit anderen Systemen fehlt meist der Informationsfluss zwischen Layout und Ressourcen in der Fertigung, der etwa für die detaillierte Beschreibung von Robotern und Werkzeugen in der Linienfertigung nötig ist. Das heißt, man kann solche Daten dann nicht als Input für eine Simulation verwenden. Eine weitere Funktion der Delmia-Rohbau-Lösung umfasst die Kapazitätsplanung.

Dabei lässt sich bereits in der virtuellen Anlagenplanung genau berechnen, wie viele Ressourcen, Werkzeuge und Vorrichtungen für die Produktion benötigt werden. Darüber hinaus wird eine möglichst gute Auslastung der Anlage gewährleistet, indem die verschiedenen Aufgaben auf die unterschiedlichen Linien und Roboter-Zellen verteilt werden (Bild 4).

Vergleiche mit alternativen Fertigungstechniken

Gleichzeitig erlaubt die Software die Untersuchung von Alternativen, um verschiedene Fertigungstechnologien zu vergleichen. Klassischerweise werden verschiedene Zuordnungen von Robotern zu Schweißpunkten auf ihren Einfluss auf die Taktzeit hin untersucht. Der digitale Vergleich der Alternativen beantwortet dann alle kritischen Fragen und zeigt die optimale Lösung auf.

Herkömmlich wurde die ganze Kapazitätsplanung konventionell erstellt. Dabei verliert man die Verbindung sowohl zur Layout-Planung als auch zur Simulation. Im Klartext heißt das: Was ich konventionell plane, kann ich nicht digital am Bildschirm überprüfen. Bei der digitalen Kapazitätsplanung zeigt sich jetzt, wie viele Baugruppen mit einer Rohbaulinie letztendlich produziert werden können.

Die Delmia-Rohbau-Lösung schafft durch verbessertes Änderungsmanagement noch weitere Effizienzsteigerungen in der Produktion. Üblicherweise fängt die Rohbau-Planung nicht erst dann an, wenn die Konstruktion fertig ist. In der Regel bedeutet dies, dass die Produktionsanlage 18 Monate vor dem eigentlichen Produktionsbeginn geplant werden muss.

Dabei unterstützt das Änderungsmanagement die Kommunikation zwischen parallel verlaufender Produktentwicklung und Produktionsplanung. Beim Rohbau besteht immer ein sehr hoher Änderungsbedarf mit oft großem Volumen bei immer kürzeren zeitlichen Zyklen. Vorrichtungen werden beispielsweise fünf- bis sechsmal geändert, bis die endgültige Freigabe erfolgt.

Änderungen von Konstruktions-Stücklisten mit der Planungssoftware verfolgen

Mit Hilfe von Delmia kann der Rohbau-Planer jetzt vergleichen: Was ist der Unterschied zwischen der alten und neuen Konstruktions-Stückliste, welche Auswirkungen hat dies auf die Rohbau-Planung? Dabei erfolgt die Überprüfung anhand neuer Konstruktionsstücklisten. Wenn ein Update der Konstruktionsstückliste kommt, wird jede Veränderung direkt angezeigt. Die Software weist den Anwender sofort darauf hin, was verändert wurde und wo er nun seinerseits Änderungen in der Planung vornehmen muss.

Der Planer kann auch bestehende Ressourcen für ein neues Produkt wiederverwenden. Das so genannte Re-Tooling spielt allein aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der eingesetzten Ressourcen eine wichtige Rolle.

Soll zum Beispiel ein Nachfolgemodell auf einer vorhandenen Fertigungslinie gebaut werden, können in der digitalen Rohbau-Planung bestehende Werkzeuge wieder verwendet und ihr Einsatz jederzeit simuliert werden. Somit stehen also Übernahmedaten (Ressourcenstruktur und Prozesse) auch für nachfolgende Modelle zur Verfügung.

Vorteile ergeben sich auch bei der Wiederverwendung von Planungsergebnissen. Einmal ermittelte Planungsergebnisse können für das nächste Projekt wieder verwendet werden. Natürlich ist es dazu notwendig, eine neue Rohbau-Planung durchzuführen, wenn ein komplett neues Fahrzeug entwickelt wurde. Trotzdem bietet die Software erhebliche Einsparpotenziale, wenn sich beispielsweise der OEM entscheidet, das neue Fahrzeug mit der gleichen Fertigungslinie zu bauen beziehungsweise das neue Fahrzeug zusätzlich mit anderen Fahrzeugmodellen auf einer bestehenden Fertigungslinie zu produzieren.

Änderungen während der laufenden Produktion planen udn simulieren

Die vom Automobilhersteller gewünschten Änderungen lassen sich auch während der laufenden Produktion planen und simulieren und unmittelbar in der Fabrikhalle jederzeit physisch realisieren. Dank der Delmia-Softwarelösung erhalten die Nutzer jederzeit alle Simulationsdaten der laufenden Prozesse. Die damit einhergehenden Kosteneinsparungen beim Werkzeugbau und die Verringerung von Umplanungen oder anderen Veränderungen können erheblich sein. Die digitale Planung beschleunigt den Umbau und reduziert die Fehlerquellen.

Beispielsweise müssen bei bereits existierenden Robotern nur deren Arbeitsinhalte angepasst werden. Viele Automobilhersteller nutzen inzwischen für unterschiedliche Fahrzeuge dieselben Rohbaulinien und sind somit sehr flexibel. Dazu genügt es in der Regel, die Roboter umzuprogrammieren und ihre Bewegungsabläufe dem neuen Produkt anzupassen. Mussten die Anlagen früher für längere Zeit ausgeschaltet werden, ist dies jetzt im laufenden Betrieb durch Offline-Programmierungen möglich (Bild 5).

Kurze Kommunikationswege für Hersteller und Lieferanten

Auch die große Anzahl an Modellvarianten, also die Abwandlung von Basistypen als Zweitürer, Viertürer, Kombi oder Cabrio, stellt große Anforderungen an die Produktionsplanung. In der Vergangenheit bedeutete dies für die Hersteller, dass sie mit ihrer Produktionsprozessplanung für jede Fahrzeugvariante jedes Mal wieder neu anfangen mussten. Die Delmia-Software vereinfacht diese Variantenbildung, weil sich die Planer jetzt nur noch auf die Unterschiede zum Basismodell konzentrieren müssen.

Die Vorteile sind offensichtlich: Der OEM kann jetzt jederzeit die gesamte Rohbaulinie auf allen Ebenen in den verschiedenen Planungsphasen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad simulieren und bewerten. Somit lassen sich notwendige Änderungen einfach erkennen und davon lässt sich sofort ableiten, welche Auswirkungen diese Änderungen etwa auf die Fertigungslinie haben und welche Zulieferer davon betroffen sind.

Vorteile ergeben sich auch in der Zusammenarbeit der Automobilhersteller mit externen Zulieferern. Im Rohbau werden sowohl die Planung als auch der Aufbau der Fertigungslinien häufig an Zulieferer vergeben. Bei unterschiedlichen Datenformaten können Zulieferer und Hersteller die entsprechenden Daten nicht nahtlos austauschen und es besteht ein manueller Anpassungsaufwand, unter dem die Planungsqualität leidet.

Der Austausch der Planungsdaten ist notwendig, um die laufenden Planungen abzustimmen und zu überprüfen. Somit fügen sich die einzelnen Planungsaktivitäten der beteiligten Zulieferer zu einem Gesamtbild.

Damit besteht die Möglichkeit, den gesamten Rohbau-Prozess und seine Schnittstellen zu den Zulieferern sowie den anderen Fertigungslinien bereits zu einem frühen Planungszeitpunkt digital zu betrachten. Diese Simulation lässt viel früher Probleme erkennen.

Auf diese Weise ist der Hersteller in der Lage, die sonst üblichen Anlaufschwierigkeiten bei der späteren Produktion der Fahrzeuge auszuschließen oder zumindest erkennbar zu reduzieren. Die damit verbundene Kostenersparnis macht den Betrieb deutlich rentabler und frühere Markteinführungen erhöhen die Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller.

Den OEM unterstützt Delmia auch bei Ausschreibungen. So bewertet das System die Angebote der Zulieferer nach den jeweils möglichen Einsparungen bei den späteren Durchlaufzeiten und den laufenden Kosten. In der Angebotsphase kann der OEM somit eine Grobplanung mit Angaben zu Anlagen, Mengen und Abläufen erstellen. Er definiert dabei Arbeitsinhalte, welche Baugruppen auf welcher Fertigungslinie laufen und teilt oder fügt sie in unterschiedlichen Szenarien zusammen, um schließlich die Kosten verschiedener Anbieter vergleichen zu können. Der vom OEM grob definierte Planungsinhalt wird dann vom Zulieferer mit Hilfe der Software weiter detailliert.

Die digitale Fabrikplanung verkürzt Planungszyklen

Ein weiterer Vorteil der Delmia-Software ist die kinematische Beschreibung der Werkzeuge. Nicht nur bei der Geometrie, sondern auch bei der Kinematik, also der Beschreibung von Bewegungen, können diese Daten erfasst und simuliert werden. Die Software ist in der Lage, die Kinematik der Werkzeuge an den vermeintlichen Schnittstellen zu übernehmen, ohne sie wieder neu zu beschreiben.

Ein kinematisches Element, wie beispielsweise ein Spanner, wird nur einmal beschrieben, im Gegensatz zu früher, wo diese Beschreibungen in unterschiedlichen Systemen und damit mehrfach erstellt wurden. Gerade die genaue Beschreibung, wie sich die einzelnen Werkzeuge bewegen, ist besonders wichtig. Der Signalaustausch, zum Beispiel zwischen Robotern, den verschiedenen Vorrichtungen, Scannern, Schutzzäunen, Schutztüren, Fördertechnik, Logistik (Container), Materialfluss, zwischen Steuerelementen und Ventilen und nicht zuletzt die unterschiedlichen Funktionalitäten der Roboter müssen beschrieben werden, um sie schließlich auch bei der virtuellen Inbetriebnahme zu simulieren.

Durch den Einsatz der digitalen Fabrikplanung lassen sich wesenstlich schnellere Planungszyklen mit einer geringeren Anzahl an Personen abwickeln als mit konventionellen Lösungen. Die schnelle, schnittstellenlose Übertragung von Daten aus den unterschiedlichen Prozessabläufen sowie die gleichzeitige Simulation des gesam-ten Prozessablaufs dienen der Absicherung von Konstruktion, Planung und Funktion der Anlagen.

Christof Stadler ist R&D Domain Leader der Delmia GmbH in Fellbach, Rafael Haida ist Consultant im selben Unternehmen.

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