Demonstration einer vernetzten Fertigung – Digitalisierung eines Schraubendrehers

Die Modellfabrik Vernetzung, als Teil des Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrums Ilmenau, bietet kleinen und mittleren Unternehmen Unterstützung zur Bewältigung der aktuellen Herausforderungen der Digitalisierung. Die Modellfabrik fokussiert insbesondere Themen wie die Vernetzung von Maschinen und Produktionsprozessen.

Der in der „Modellfabrik Vernetzung“ aufgebaute Demonstrator stellt vereinfacht und exemplarisch einen Produktionsprozess dar, welcher aus fünf Stationen (Auftragserstellung, Produktionsplanung, Wareneingang, Montage, Qualitätssicherung) besteht. Zusätzlich im virtuell abgebildeten Prozess eingebunden, jedoch aufgrund der Größe nicht als Station dargestellt, ist die Fertigung. An den Stationen werden verschiedene Applikationsmöglichkeiten von technisch machbaren Digitalisierungslösungen in ihrem Zusammenwirken aufgezeigt. Eine Übersicht der Stationen sowie eine schematische Darstellung der Informations- und Materialflüsse ist in Abbildung 2 gegeben. Im Folgenden werden einzelnen die Stationen hinsichtlich technologischer und prozesstechnischer Aspekte näher erläutert sowie deren Mehrwert und Potentiale für KMU aufgezeigt.

Station 1: Auftragsannahme

Die Demonstration der digitalen vernetzten Fertigung beginnt mit der Auftragsannahme. Das computergestützte Konfigurieren der individualisierbaren Erzeugnisse erfolgt durch Aktivitäten des Auftraggebers, welche unabhängig von Ort und Zeit von dem Nutzer selbst vorgenommen werden können. Hierbei kommen Konfiguratoren zum Einsatz, die an Station 1 lokal am Computer und online über einen Web-Konfigurator Verwendung finden.

Beispielhaft erlaubt die Station die Konfiguration eines gewöhnlichen Schraubendrehers in über 100.000 Varianten. Hierfür stehen Parameter wie Länge, Breite und Farbe des Griffs sowie Größe und Art der Klinge zur Auswahl. Der Nutzer bekommt in Echtzeit ein 2D-Vorschaubild angezeigt, welches aus den eingestellten Konfigurationsparametern errechnet wird. Der Konfigurator erlaubt darüber hinaus die Eingabe von personenbezogenen Bestelldaten wie Name, Adresse, etc.

Zusätzlich zeigt die Station, wie auch weitere, unbekannte Schraubenkopfformen unter Zuhilfenahme der Methoden der Bildverarbeitung detektiert werden können. Ausgehend von einer optoelektronischen digitalen Bildaufnahme erfolgen die Formerkennung sowie die Bemaßung. Da die Größe des Schraubenkopfes und die Größe der Klingenform reziprok sind, ist die Berechnung der Parameter für die passende Klinge mit den gewonnenen Informationen ebenfalls möglich.
Nach Abschluss eines Bestellvorgangs werden die konfigurierten Auftragsdaten sowie eine automatisch genierte eindeutige Identifikationsnummer (ID) an eine Datenbank sowie an die Produktionsplanung übermittelt.

abb2webAbbildung 2: Informations- und Materialflüsse des Demonstrators

Den Interessenten bietet die erste Station die Möglichkeit, den Umgang mit den Konfiguratoren auszuprobieren und zu erleben, wie eine, mit relativ einfachen Mitteln umgesetzte, Auftragsannahme individueller Produkte erfolgen kann.

Station 2: Produktionsplanung

Durch die Digitalisierung und die dadurch entstehenden neuen Technologien wird nicht nur die unternehmensinterne, sondern auch die unternehmensübergreifende Vernetzung ermöglicht und gefördert. Ein Zusammenschluss von Unternehmen in kooperative Netzwerke mit dem Ziel, von gegenseitigen Kompetenzen zu profitieren, stellt eine Form der Vernetzung dar und wird ebenfalls durch die neuen Technologien vereinfacht.

An der zweiten Station wird daher das Potential der Digitalisierung für die kooperative Wertschöpfung anhand eines Produktionsleitstandes demonstriert. Der Leitstand ermöglicht Unternehmen, die eigenen -bislang statischen- Maschinenkapazitäten durch dynamisch erweiterbare Kapazitäten aus dem Netzwerk zu optimieren und dadurch Aufträge anzunehmen, die die eigenen Kapazitätsreserven übersteigen. In Zeiten der Unterauslastung kann das Unternehmen die Kapazität seiner Maschinen dem Netzwerk zur Verfügung stellen und dadurch einen wirtschaftlichen Vorteil erlangen.

Die Maschinenauslastungen der kooperierenden Unternehmen sind im Produktionsleitstand in Form eines dynamisch aktualisierten Balkendiagramms am Bildschirm dargestellt. Der an Station 1 generierte Auftrag wird nach Abschluss des Bestellvorgangs automatisch in den Leitstand geladen. Für die Herstellung des in dem Demonstrator vorgestellten Produktes kommen zwei unterschiedliche Verfahren der Zerspanung und der additiven Fertigung, zum Einsatz. Aus diesem Grund wird der generierte Auftrag in zwei Unteraufträge aufgeteilt. Diese werden mit der Auftrags-ID angezeigt und können technologisch getrennt auf den Maschinen eingelastet werden. Fertigungstechnisch werden beispielsweise Fräszentren benötigt, um die Klinge herzustellen und weiterhin 3D-Drucker, um die Griffschalen additiv herzustellen. Zur visuellen Unterstützung und Überwachung ist neben dem Produktionsleitstand auch ein Prozessleitstand vorhanden, welcher die Live-Überwachung der Maschinen über Webcams ermöglicht. Produktions- und Prozessleitstand werden im Demonstrator auf zwei Monitoren abgebildet.

Fertigung

Die Fertigung der Bauteile ist aus Platzgründen in der Fabrik nicht physisch abgebildet. Es handelt sich hierbei um ein additives Lasersintern der Griffschalen und das Fräsen einer Klinge (Abbildung 3). In Bezug auf den Demonstrator gelangen die gefertigten Bauteile anschließend zu Station 3, dem Wareneingang. Die in der Fertigung generierten Daten, wie z. B. Lieferzeiten, werden in einer Datenbank hinterlegt und geben dem Koordinator Rückmeldung über den Stand der Fertigung.

Zusammengefasst, bietet die Station den Interessenten zahlreiche Ansatzpunkte, wie die Zusammenarbeit in kooperativen Wertschöpfungsnetzwerken gestaltet werden kann.

Station 3: Wareneingang

An der dritten Station wird gezeigt, wie eventuelle Fehler im Produktionsprozess frühzeitig erkannt werden können. Realisiert wird dies mittels einer Prüfung der angelieferten Produkte, mit der auch bei ausgelagerten Fertigungsprozessen eine zuverlässige Produktqualität sichergestellt werden kann.

Die gefertigten Bauteile gelangen mit dem Werkstückträger an die Station, an der der Data Matrix Code (ECC 200) des Werkstückträgers mithilfe einer Kamera ausgelesen wird und die Bauteilinformationen in das System geladen werden. Der Code wird in Abstimmung mit der Datenbank nach erfolgreichen Abschluss der Fertigung erstellt und als Etikett am Werkstückträger mit den Bauteilen zusammengeführt. Mithilfe der Kamera kann anschließend die reale Griffschale vermessen und ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt werden, der direkt über Annahme und Weitergabe an die Montage oder Rückweisung entscheidet.

Die Station 3 demonstriert den Interessenten, wie fehlerhaft hergestellte, individualisierte Teile bei der Warenannahme erkannt und aussortiert werden können. Dabei kann die Verwendung dieses Ansatzes nicht nur für die im Netzwerk hergestellten Teile erfolgen. Auch für eigens hergestellte Teile kann der Ansatz angewandt werden, indem bereits bestehende Produktionsprozesse mit der Technik erweitern werden.

Station 4: Montage

An der Montagestation werden Unterstützungsmöglichkeiten aufgezeigt, die dem Menschen helfen, den neuen Anforderungen, die durch die individualisierte Massenproduktion bis hin zu Losgröße 1 entstehen, gerecht werden zu können.

An dieser Station wird zunächst der Data Matrix Code (ECC 200) des Werkstückträgers ausgelesen, welcher unmittelbar ein Pick-by-Light-System aktiviert sowie eine digitale Video-Bauanleitung öffnet. Das Pick-by-Light-System signalisiert dem Werker mit der Aktivierung von grünen LEDs, aus welchen Boxen Bauteile zur Kommissionierung entnommen werden müssen. Ist die Kommissionierung abgeschlossen, wird das Endprodukt montiert.

Hierbei wird der Monteur anhand der Videoanleitung sukzessiv durch den Montageprozess geleitet, sodass er selbst komplexe Vorgänge reproduzierbar durchführen kann. Ein wesentliches Bauelement, welches an dieser Station montiert wird, ist ein Transponder“ (per Funk kommunizierender Datenträger; auch RFID-Chip). Dieser Transponder ist kontaktlos per Funk über eine Entfernung von einigen Zentimetern beschrieb- und lesbar. Er wird dauerhaft in den Griff des Schraubendrehers eingebaut, sodass der Schraubendreher seine Informationen stets bei sich trägt und mit der Umgebung kommunizieren kann. Beschrieben wird der Tag am Ende des Montageprozesses.

Die vierte Station bietet den interessierten Unternehmen die Gelegenheit, eigenhändig die Montage von individualisierten Produkten samt den Unterstützungsmöglichkeiten auszuprobieren und Ideen zu gewinnen, wie die eigenen Montageprozesse unterstützt werden können.

Station 5: Qualitätssicherung

An der fünften und letzten Station wird gezeigt, wie produktbegleitende Bauteilinformationen genutzt werden können, um eine Qualitätssicherung bei individualisierten Produkten effizient durchzuführen.

Zunächst werden die Produktinformationen mit einem Lese-/Schreibgerät für Transponder aus dem Griff des Schraubendrehers ausgelesen. Anschließend wird der Schraubendreher von Hand auf einem Messtisch positioniert und optoelektronisch gemessen. Voraussetzung hierfür ist ein vorhergehendes Referenzieren der Kamera anhand der Aufnahme eines Schachbrettmusters, wodurch die notwendigen Bildkorrekturfaktoren und Referenzparameter ermittelt werden.

Anhand der Messdaten und der Daten des Schraubendrehers wird ein Soll-/Ist Abgleich durchgeführt und das Ergebnis über eine benutzerfreundliche binäre Farbdarstellung visualisiert. Die Darstellung erlaubt eine eindeutige Zuordnung der Toleranzgrenzen überschreitender Abweichungen für das Produkt. Dadurch können Fehler erkannt und protokolliert sowie die Auslieferung eines fehlerhaften Produktes vermieden werden.

Die letzte Station macht den Begriff „Smart Product“ faktisch greifbar. Die Station zeigt den Interessenten einerseits, wie die Produkte mit ihrer Umgebung kommunizieren können. Andererseits werden den Unternehmen Ansatzpunkte präsentiert, wie die Prozesse aufgerüstet werden können, um die Qualität bei der Herstellung von individualisierten Produkten sicherzustellen.
Zusammengefasst wird der Prozess der vernetzten Fertigung stationsübergreifend beispielhaft anhand eines Schraubendrehers dargestellt. Mithilfe der einzelnen Stationen können Szenarien, die durch die Digitalisierung entstehen, greifbar und erlebbar gemacht werden, um KMU zur Lösungsfindung zu inspirieren.

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Abbildung 3: Kunststoffgriffschalen und Metallklingen

Titelbild: Die Mitarbeiter der „Modellfabrik Vernetzung“ sind mit dem Demonstrator öffentlichkeitswirksam aktiv und können flexibel an wechselnden Veranstaltungsorten mitwirken, wie hier beim 3. Thüringer Maschinenbautag in Erfurt.

 

Autoren:
Fabian Stark, M.Sc., ist seit 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter der Technischen Universität Ilmenau. Er beschäftigt sich im Rahmen des Projektes Mittelstand 4.0 mit Problemstellungen im Bereich der industriellen Bildverarbeitung und Qualitätssicherung.

Maxim Reimche, M.Sc., ist seit 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter der Technischen Universität Ilmenau. Der Fokus seiner Tätigkeit liegt im Rahmen des Projektes Mittelstand 4.0 im Bereich der kooperativen Wertschöpfung.

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Das Kompetenzzentrum Ilmenau wird im Rahmen von Mittelstand-Digital vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Mittelstand-Digital informiert kleine und mittlere Unternehmen über die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung. Regionale Kompetenzzentren helfen vor Ort dem kleinen Einzelhändler genauso wie dem größeren Produktionsbetrieb mit Expertenwissen, Demonstrationszentren, Netzwerken zum Erfahrungsaustausch und praktischen Beispielen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie ermöglicht die kostenlose Nutzung aller Angebote von Mittelstand-Digital. Weitere Informationen finden Sie unter www.mittelstand-digital.de

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Weitere Informationen finden Sie unter www.kompetenzzentrum-ilmenau.digital