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Modularisierung Welche Rolle Schnittstellen bei der Modularisierung spielen

| Autor / Redakteur: Jakob Dück* / Sariana Kunze

Die Modularisierung von Produktionen liegt im Maschinen- und Anlagenbau im Trend. Denn das Baukastenprinzip führt zu einem geringeren Kosten- und Zeitaufwand. Doch wie lassen sich diese Konzepte umsetzen und welche Rolle spielen Schnittstellen? Erfahren Sie, welche Vorgehensweise bei einer Modularisierung zu empfehlen ist.

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Die Modularisierung kann den Unternehmenserfolg anschieben. Im Bild: Eine Werkzeugmaschine mit Key- und Add-On-Modulen als Teil einer Produktionslinie.
Die Modularisierung kann den Unternehmenserfolg anschieben. Im Bild: Eine Werkzeugmaschine mit Key- und Add-On-Modulen als Teil einer Produktionslinie.
(Bild: Harting)

Das Prinzip der Modularität lässt sich mit Lego-Bausteinen erklären. Aus wenigen Grundbausteinen und definierten Verbindungselementen lassen sich zahllose Objekte erzeugen. Diese Herangehensweise hat sich in der Industrie auch für Produkte mit höherem Komplexitäts- und Variabilitätsgrad etabliert: So können beispielsweise in der industriellen Steuerungs- und Antriebstechnik Systeme wie SPS, IPC, HMI und Antriebskomponenten aus einzelnen „Scheiben“ oder mehreren Remote-I/O-Blöcken maßgeschneidert für die jeweils zu automatisierende Maschine oder Anlage angepasst werden und im weiteren Einsatz ohne großen Aufwand erweitert oder abgeändert werden. Im Zusammenhang mit der Modularisierung kommt häufig die Frage nach der Sinnhaftigkeit auf, wenn bestenfalls ein paar Hundert Maschinen eines Typs pro Jahr gebaut werden. Die Antwort muss ja lauten. Der VDMA kommentiert hierzu (1): „Standardisierung und Modularisierung zielen ab auf ein Portfolio mit geringerer Varianz und Komplexität sowie einem insgesamt niedrigeren Kostenniveau, ohne dabei Breite und Individualität des Angebots zu verringern.“

Die Aussage wird durch typische Anforderungen an Fertigungssysteme belegt:

  • Gefordert wird eine hohe Variabilität der Produktionssysteme, die es ermöglicht, eine größere Bandbreite von Produkten auch in kleinen bis mittleren Stückzahlen zu fertigen. Dazu müssen die Anlagen skalierbar sein und Optionen für die nachträgliche Erweiterung hinsichtlich Kapazität und Ausbringung bieten (2).
  • Der Wettbewerb im Maschinenbau zwingt die OEM von Produktionssystemen, ihre Business-Modelle zu erweitern. Es reicht nicht mehr, gute Produkte zu entwickeln, diese an die Betreiber zu verkaufen und dann auf Service- und Wartungsaufträge zu warten. Früher oft angewandte TCO-Modelle zur Wirtschaftlichkeit von Investitionen werden immer häufiger durch LCC-Modelle (LCC = Life Cycle Costs/Lebenszykluskosten) erweitert. Damit lassen sich neue Konzepte inklusive Wartungs-, Service, Retrofit-Leistungen transparent anbieten (3) .
  • Die wachsende Nachfrage nach Subskriptionsmodellen bestätigt den Trend. Für die OEM ist es sinnvoll, sich nutzen- und service-orientierten Modellen zuzuwenden. Lag im Jahr 2018 die durchschnittliche Marge beim Neumaschinengeschäft bei 5,4 %, war diese Marge mit über 40 % im Service-Geschäft um ein Vielfaches höher (4).
  • In einigen Abnehmerbranchen des Maschinenbaus hat sich die Erwartung verbreitet, dass Maschinen-Module und Sub-Systeme unterschiedlicher Anbieter sich ohne zusätzlichen Aufwand zu einer zusammenhängenden Produktionslinie verbinden lassen – ohne dass Nachteile entstehen. Dies gelingt, wenn die Produktionssysteme modularisiert und vernetzt als smarte Systeme in unterschiedlichen Ausbaustufen angeboten werden (5).

Harting hat basierend auf eigenen Kundenerfahrungen Fragestellungen für einen modularen Ansatz zusammengetragen, die im Vorfeld positiv beantwortet werden sollten:

  • Die geschätzten Aufwände für eine neue durchgängig modulare Produktgruppe oder -familie werden maximal so hoch sein, dass sie im für die Branche üblichen Zeitrahmen und unter Annahme der Worstcase-Marktentwicklung plausibel eingespielt werden.
  • Die technischen Herausforderungen der angedachten Aufteilung der Maschine oder Anlage auf einzelne Module mit Übergängen und Schnittstellen sollten von allen beteiligten Fraktionen (Mechanik, Elektrik, Sicherheitstechnik) als generell machbar bewertet werden.
  • Alle am künftigen Prozess beteiligten Funktionen sollten bereit sein ihre Arbeitsweise an dem modularen Konzept der Maschinen auszurichten und diese sowohl innerbetrieblich, als auch beim Kunden zu leben.

Welche Vorgehensweise ist bei der Modularisierung zu empfehlen?

Wie die Modularisierung funktionieren kann, demonstriert Harting mit der Smart Factory „HAII4YOU“, einer Pilot- und Demonstrationsanlage.
Wie die Modularisierung funktionieren kann, demonstriert Harting mit der Smart Factory „HAII4YOU“, einer Pilot- und Demonstrationsanlage.
(Bild: Harting)

Wie weit sollte man eine Maschine oder Anlage in Module aufteilen und welche generelle Vorgehensweise ist zu empfehlen? Die eigentliche Genialität bei den Lego-Bausteinen liegt nicht in den Bausteinen selbst, sondern in den Verbindungen zwischen ihnen. Diese bestimmen die mögliche Granularität der Aufteilung, sind aber auch der einschränkende Faktor für die Verbindung von Bauteilen. Vergleichbar verhält sich es bei den Schnittstellen einzelner Module einer Maschine oder Anlage: Interfaces gewährleisten das Zusammenfügen. Sie gewährleisten zugleich das einwandfreie zweckmäßige Funktionieren eines Produktionssystems, einer einzelnen kompakten Maschine ebenso wie einer ganzen Produktionslinie. Somit ist die Kernfrage der Modularisierung: Wie grenzt man die die Bausteine eines Gesamtsystems voneinander ab?

Wie werden Bausteine eines Gesamtsystems abgegrenzt?

Das Unternehmen Harting empfiehlt für die Festlegung der Grenzen zwischen den elektrischen und elektromechanischen Power-, Signal-, Daten- und Kommunikation-Interfaces folgendes Vorgehen: Zuerst sollte das Ausgangssystem nach Funktionen geordnet betrachtet werden: Key-Funktionen, die die Kernkompetenz des OEM widerspiegeln; Grundfunktionen, die sich über das gesamte System erstrecken, und Add-On- oder Hilfs-Funktionen, die eher dem allgemeinen Stand der Technik entsprechen und für den OEM zweitrangig sind.

Over-Engineering bei Maschinen-Modulen von Vorteil

Ein gewisses Over-Engineering bei den Maschinen-Modulen, in denen sich die eigenen Kernkompetenzen bündeln, ist von Vorteil. Danach sollten die Funktionen in Module zusammengefasst werden – aber nur so granular wie nötig; hier sollten möglichst alle Aspekte der Optimierungseffekte und der notwendigen Ausrüstungsvarianz berücksichtigt werden. Auch gilt es, möglichst viele Stufen der Leistungserbringung entlang des Maschinenlebenszyklus und/oder Länderspezifika der Kundenanforderungen einzubeziehen. Dann sollten für alle nicht weiter teilbaren Elemente der Maschine – Sensoren, Aktoren, HMI, Antriebe etc. –, die elektrische / elektronische Leistungs-, Signal- oder Daten-Anbindung benötigen, die funktionelle Relevanz für das jeweilige neu definierte Maschinenmodul beurteilt und diese am besten graphisch dargestellt werden. Es folgt die Zuordnung der Elemente zu einem passenden Layer, entsprechend der Automatisierungspyramide. Zuletzt sind alle erforderlichen Interfaces für die Anbindung von Einzelelementen den Maschinenmodulen zugeordnet aufzulisten

Matrix für Module des künftigen Systems

Ergebnis ist eine Matrix-Sicht mit allen angedachten Modulen des künftigen Systems. Sichtbar wird auch die hierarchische Anordnung der Elemente mit zugehörigen Schnittstellen inkl. Relevanz für eines oder mehrere Maschinen-Module. Der Vorteil ist, dass man eine Grundlage für die Bewertung der Machbarkeit, der technischen Risiken und der erforderlichen Auslegung von Schnittstellen erhält. Darüber hinaus schafft man Transparenz durch Gewichtung der Bedeutung der Module für das künftige System. Aus der Aufstellung können alle beteiligten Fraktionen sowie weitere Festlegungen und Schritte für die Entwicklung der Module und Prozesse abgeleitet werden. Die Matrixbetrachtung hilft auch bei der Entscheidung, wie weit die Steuerung einer modularen Maschine oder Anlage zentral oder dezentral ausgelegt werden sollte.

Beobachtungen zeigen, dass Systeme mit hoher Variabilität der Ausrüstungen in den Key-Funktionen bei großer räumlicher Ausdehnung eher konsequent mit dezentralen I/O-Systemen ausgestattet werden; bei kleineren hoch-variablen Systemen kombinierte Strukturen gewählt werden: bei diesen Anlagen ist die Steuerung der Key- und Grund-Funktionen zentral angelegt. Zusatz-Funktionen werden je nach Komplexität entweder zentral (einfache Funktionen), oder dezentral (mit komplexen Schnittstellen) gesteuert. Bei kleineren Systemen und/oder einfachen Systemen mit geringer Variabilität ist eine rein zentrale Steuerung technisch einfacher und wirtschaftlich sinnvoller.

Buchtipp

Das Praxishandbuch Steckverbinder ist ein Nachschlagewerk für die Geräteentwicklung und für den Einsatz von Steckverbindern. Entwickler und Anwender erhalten Antworten auf Fragen zur Ausführung, Materialien, physikalische Grundlagen, Kontaktoberflächen, Abschirmmaßnahmen, Gehäusemechanik und Verriegelungssysteme.

Mit Interfaces zur Modularisierung

Bei der Entscheidung für eine Struktur ist zu beachten, dass bei zentralen Systemen zwar in der Regel geringere Kosten für Komponenten bzw. Materialien anfallen. Dafür erhöht sich allerdings der Kosten- und Ressourcen-Aufwand sowohl für die Fertigung als auch für den Aufbau beim Endkunden. Erweiterungen und Nachrüstungen können zudem zeit- und kostenintensiver werden, das gleiche gilt für Service und Instandhaltung. Positiv ist aus OEM- und Endanwendersicht, dass alle modernen Steuerungs-, Antriebs- und HMI-Systeme es ermöglichen, die physikalische Ebene vollständig von den logischen Ebenen zu trennen. Die (fast) absolute Freiheit durch Modularisierung der Produktionssysteme wird entscheidend durch die Schnittstellen geprägt. Dazu bietet Harting Lösungen und Produkte für alle Arten von Power-, Signal- oder Daten-Schnittstellen bereit, die…

  • auf die benötigten Anforderungen (elektrische, EMV-Eigenschaften) der Übertragungsstrecke kostenoptimiert auslegbar sind;
  • sowohl in den technischen Parametern als auch hinsichtlich Größe und Anzahl an jedem Maschinen-Modul stufenweise skalierbar sind;
  • unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Kontaktierung, Montage- und Schutzart sowie Material erfüllen und alternative Übertragungsmedien wie Lichtwellenleiter und Druckluft integrieren können.

Eine konsequente Modularisierung auf Grundlage der gezielten Optimierung aller Kosten und Leistungserbringungsprozesse im gesamten LCC-Modell ermöglicht den OEMs die Fertigung von Maschinen nach Baukastenprinzip. Zugleich erhöht die Strategie den Spielraum für kundenspezifische Konfigurationen. Auch die Anwender profitieren von der Modularisierung, denn sie erhalten eine kosten- und anforderungsoptimierte und transparent ausgelegte Maschine.

Quellennachweis:

1. VDMA, McKinsey; „Zukunftsperspektive deutscher Maschinenbau“, 2014, https://www.vdma.org/zukunftsperspektive

2. Roland Berger, „Production Systems 2020”, 2011, https://files.vogel.de/vogelonline/vogelonline/files/3614.pdf

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, „Rechenbuch der Lebenszykluskosten“, VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank Branchenbericht „Maschinenbau in Deutschland“, 2019, https://www.firmenkunden.commerzbank.de/portal/media/corporatebanking/neu-hauptportal-rebrush/aktuelles/branchen-und-maerkte/branchenberichte-1/Maschinenbau_Kurzversion.pdf

5. ID-Consult, „Modularisierungsstrategie 2018 / 2019: Der Einfluss von modularen Produktarchitekturen auf den Unternehmenserfolg“, https://www.id-consult.com/fileadmin/Inhalt/02_Themen/024_Whitepaper/024_Fachartikel/Modularisierungsstudie_2018-2019.pdf

* Jakob Dück, Global Industrie Segment Manager, Harting Technologiegruppe

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