Industrie 4.0 Mit der Smart Factory auf dem Weg in die Produktion der Zukunft

Autor / Redakteur: Klaus Bauer / Stefanie Michel

In einer Smart Factory sollen Produkte auch in Losgröße eins flexibler und effizienter gefertigt werden können. Diesem Gedanken geht man gleichfalls in der Blech-bearbeitung nach. So werden sogenannte Social Machines entwickelt, die intelligent vernetzt sind; der Augmented Operator überwacht die komplette Fertigung.

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Bild 1: Der sogenannte Augmented Operator, also der Mensch, ist ein zentraler Bestandteil der Smart Factory und steuert und überwacht die Fertigung.
Bild 1: Der sogenannte Augmented Operator, also der Mensch, ist ein zentraler Bestandteil der Smart Factory und steuert und überwacht die Fertigung.
(Bild: Trumpf)

Die Fertigung wird effizienter, flexibler und produktiver – auch bei Losgröße eins. Das verspricht Industrie 4.0. Hinter diesem Begriff steckt eine Vision für die Fabrik der Zukunft: die Smart Factory. Die Umsetzung dieser Vision wird auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet. Trumpf sieht in dieser Entwicklung eine große Chance, die internationale Wettbewerbsfähigkeit seiner Kunden zu sichern. Daher investiert der Ditzinger Maschinenbauer schon frühzeitig in die notwendigen Technologien und unterstützt Forschungsprojekte rund um Industrie 4.0. Das Unternehmen kann bereits erste Bausteine einer Smart Factory präsentieren.

Die Smart Factory verbindet virtuelle und physische Produktionselemente

Kernelement der Vision Industrie 4.0 ist die Smart Factory, die aus sich selbst konfigurierenden Produktionsressourcen und den dazugehörigen Planungs- und Steuerungssystemen besteht.

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In einem Netzwerk verbindet sie sowohl virtuelle als auch physische Produktionselemente, indem sie das Internet der Dinge und Dienste in die Fertigung bringt. Ein solches Cyber-Physical System wird von fünf zum Teil widersprüchlichen Begriffen gekennzeichnet: Augmented Operator, Social Machine, Global Facility, Smart Product und Virtual Production.

Zentraler Bestand eines solchen Netzwerks ist der Mensch, der sogenannte Augmented Operator, der die Fertigung (dezentral) steuert und überwacht (Bild 1). Als Erfahrungsträger und Entscheider behält der Mensch ganz bewusst eine wichtige Rolle in allen relevanten Abläufen des Produktionsnetzwerks. Denn er kann Zielvorgaben situativ und kontextabhängig beeinflussen. IT-basierte Assistenzsysteme unterstützen den Augmented Operator dabei. Dazu zählen Planungssysteme, eine sogenannte Virtual Production, über die er Fertigungsabläufe optimal organisieren kann. Zudem kann er beispielsweise über mobile Geräte von jedem Ort der Welt in die Produktion eingreifen und Betriebs- und Produktzustände über Echtzeitabbilder überwachen.

Social Machines als eigenständige Teilnehmer im Internet der Dinge

In der Fertigung selbst stehen zukünftig Social Machines, die untereinander und mit Zuliefer- und Kundensystemen intelligent vernetzt sind. Äußerlich unterscheiden sie sich nicht von herkömmlichen Produktionssystemen, bei denen die technologisch hochwertigen Bearbeitungsverfahren im Vordergrund stehen. Mithilfe erweiterter Schnittstellen und Kommunikationverfahren werden die Maschinen als eigenständige Teilnehmer im Internet der Dinge und Dienste ihre Informationen austauschen und Wissen miteinander teilen.

Beispielsweise stellt Trumpf bereits seit zehn Jahren die Software Trutops Message zur Verfügung, mit der Maschinen beliebige Meldungen per SMS, Fax oder E-Mail verschicken können. So können die weitgehend autark arbeitenden Maschinen auf mögliche Abweichungen sofort eigenständig und situationsabhängig reagieren und Hilfe durch den Bediener anfordern. Ziel ist, ein Gesamtoptimum an Produktivität der Global Facility zu erreichen.

Neue Assistenzsysteme werden helfen, die Funktionalität der Systeme zu erweitern und deren Produktivität weiter zu steigern. Ein Teil der notwendigen technologischen Grundlagen dafür existiert bereits heute. Die konkrete Adaption und die zugehörigen Standards für die Fabrik der Zukunft müssen allerdings noch entwickelt werden.

Schon der Rohling kennt seinen Status und seine Bestimmung

Durch die Fertigung laufen Smart Products, die beispielsweise über einen integrierten Chip mit ihrem Umfeld kommunizieren. Schon der Rohling des Produkts kennt seinen Status, seine Historie und seine Bestimmung. Er kann damit den Maschinen selbstständig mitteilen, wie er bearbeitet werden muss. Auf diese Weise sollen Produkte mit der Losgröße eins so wirtschaftlich produziert werden können wie in der Massenproduktion.

In einem so vernetzten Produktionssystem bleiben keine Kapazitätsengpässe und keine freien Ressourcen unerkannt. Es ist transparent und kann flexibel auf Abweichungen reagieren. Bei Bedarf schaltet es den Menschen als intelligenten Entscheider ein. Die Smart Factory ist noch Vision. Um sie im großen Stil umsetzen zu können, fehlen Standards für Infrastruktur, Schnittstellen und Informationsträger. Auch IT-Sicherheit ist in einem so vernetzten System eine Herausforderung. Um Lösungen zu finden, müssen unterschiedliche Fachbereiche interdisziplinär zusammenarbeiten und voneinander lernen.

Die Smart Factory über Projekte Schritt für Schritt realisieren

Der Begriff Industrie 4.0 ist zwar neu, die Idee dahinter gibt es bei Trumpf allerdings schon seit mehreren Jahren. So befasst sich das Unternehmen bereits mit Produkten und Entwicklungsprojekten, die die Vision der Smart Factory Schritt für Schritt realisieren wird. Ein besonderes Augenmerk des Maschinenbauers liegt dabei auf der Entwicklung der Social Machine.

Bereits seit 1996 setzt Trumpf standardmäßig eine Ferndiagnose an inzwischen über 30.000 Serienmaschinen ein. Zunächst nutzte das Unternehmen dazu vorwiegend die Analogmodem-Technologie. Im Jahr 2010 startete dann der Serienbetrieb des cloudbasierten Telepresence-Portals. Über diese sichere Plattform erhalten Experten von Trumpf direkten Zugriff auf die Maschine und können den Kunden aus der Ferne unterstützen. So kann darüber beispielsweise eine Maschine in China mit einem Experten in Deutschland Kontakt aufnehmen. Dieser kann den Status der Maschine einsehen und sogar in den Produktionsprozess eingreifen. Mehrere tausend Maschinen sind heute über diese neue Plattform mit Trumpf intelligent vernetzt.

Mobile Endgeräte werden Einzug in die Produktion finden

Ein weiterer Schritt hin zur dezentralen Steuerung vernetzter Produktionssysteme erfolgt über den Einsatz intelligenter Fertigungssteuerungssysteme und die Einführung mobiler Endgeräte. Mit Trutops-Fab bietet Trumpf eine Software an, mit der Kunden die verschiedenen Produktionsressourcen in ihren Fertigungen überwachen können. Zudem können Sie damit Kundenaufträge einlasten und den Produktionsablauf planen. Einen Teil dieser Funktionen können Trumpf Kunden auch über das I-Pad von überall auf der Welt nutzen – solange dort ein Zugang zum Internet verfügbar ist (Bild 2). Der Trend hin zu mobilen Endgeräten in der Fertigung geht weiter: Mobile Endgeräte werden im Rahmen von Industrie 4.0 immer mehr Einzug in moderne Produktionen finden. Trumpf arbeitet bereits an weiteren konkreten Produkten. Zukünftig soll es möglich sein, Werkzeugmaschinen von Trumpf über ein I-Pad zu bedienen.

Intelligente Linse meldet, wann sie gereinigt werden muss

Auch zum Thema Smart Product präsentiert der Ditzinger Maschinenbauer bereits erste Ansätze. In Laserschneidmaschinen fokussieren Linsen den Laserstrahl auf dem Blech. Die im April 2013 vorgestellten Linsen mit integriertem RFID-Chip (Bild 5) speichern spezifische technische Daten. Damit kann die nun intelligente Linse auf Anfrage der Zustandsüberwachungssensorik Lensline melden, wann sie gereinigt werden muss. Der Maschinenbediener erfährt so einfach, sicher und schnell, ob er die Linse reinigen oder austauschen muss, und kann den Linsenreinigungszyklus nachverfolgen. Unnötige Reinigungen entfallen, Kosten sinken und die Verfügbarkeit der Maschine steigt.

Um eine komplett vernetzte Fertigung zu realisieren, entwickelt Trumpf Lösungen für die gesamte Prozesskette Blech und liefert seinen Kunden komplette Produktionssysteme, die höchste Prozesssicherheit bieten (Bild 3). Das beinhaltet auch Automatisierungskomponenten und Lagersysteme sowie die für Produktionsplanung und -steuerung nötige Software. Denn schon heute übersteigt der Anteil des Softwareaufwands den der Elektromechanik bei der Entwicklung neuer Maschinen. Intelligent eingesetzte Software- und Sensorikmodule werden daher ein wichtiger Bestandteil aller zukünftigen Maschinen sein.

Der Beginn einer intelligent vernetzten Produktion

In der Vision von Industrie 4.0 werden die Systeme auch herstellerübergreifend miteinander kommunizieren und damit neue Wertschöpfungsketten ermöglichen. Dafür müssen unterschiedliche Disziplinen zusammenarbeiten, was keine Organisation im Alleingang erreichen kann. Deshalb beteiligt sich Trumpf am von der Bundesregierung initiierten und von der Acatech organisierten Arbeitskreis Industrie 4.0. Dort wurden die Grundelemente der Fabrik der Zukunft von Industrie 4.0 beschrieben und die zugehörigen Maßnahmen mit den Umsetzungsempfehlungen erarbeitet. Seit April 2013 ist Trumpf zudem im Lenkungs- und Vorstandskreis der neugegründeten Plattform Industrie 4.0 der Verbände VDMA, Bitkom und ZVEI vertreten und arbeitet in interdisziplinären Forschungsteams zusammen. Im Forschungsprojekt Cypros (cyper physische Produktionssysteme) beispielsweise wird zusammen mit Partnern aus unterschiedlichsten Branchen eine Referenzarchitektur für die Smart Factory erarbeitet.

Von unterwegs über mobile Geräte die Fertigung überwachen

Schon mit den ersten Elementen von Industrie 4.0 lässt sich ein Szenario einer Integrated Industry darstellen: Der Geschäftsführer überwacht seine Fertigung von unterwegs über sein I-Pad mit der Trutops-Fab-App (Bild 4). Wenn er beispielsweise einen Kapazitätsengpass erkennt, kann er sich mit seinem Produktionsleiter vor Ort in Verbindung setzen. Fehlt diesem das Fachwissen, schaltet er einen Experten von Trumpf ein, der über das Telepresence-Portal einen genauen Blick auf die Maschine erhält und so kompetent weiterhelfen kann. Die App kann auch dabei helfen, die immer komplexer werdenden Produktionssysteme beherrschbarer zu machen.

Ziel der Entwicklung von Industrie 4.0 und von Trumpf sind flexiblere, effizientere und transparentere Fertigungsprozesse, eine gesteigerte Gesamtproduktivität und verbesserte Nutzung von Ressourcen. Das soll den Kunden helfen, international wettbewerbsfähig zu bleiben. MM

* Klaus Bauer ist Leiter Systementwicklung Basistechnologie bei der Trumpf GmbH + Co. KG in 71254 Ditzingen, Tel. (0 71 56) 3 03-0, info(@trumpf.com

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