Pilotfabrik Wien

High-Mix- und Low-Volume-Fertigung, digitale Assistenzsysteme

Siemens ist wichtiger Digitalisierungspartner der TU-Wien-Pilotfabrik Industrie 4.0.

TU-Wien-Pilotfabrik Industrie 4.0

Die TU-Wien-Pilotfabrik Industrie 4.0 ist eine Demonstrationsfabrik für Smart Production und Cyber-Physische Produktionssysteme mit mehreren Industrie- und Forschungspartnern. Inhaltlich liegt der Fokus auf der diskreten, variantenreichen Serienfertigung und der Fertigung in kleinsten Stückzahlen (Losgröße 1, „High-Mix and Low-Volume“).
Als Beispielprodukt werden in der Pilotfabrik individualisierte 3D-Drucker produziert.

Siemens engagiert sich in dieser Pilotfabrik bei der virtuellen Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine, bei der Mensch-Roboter-Zusammenarbeit, beim Edge Computing an der Werkzeugmaschine und am Product-Lifecycle-Management (PLM); zusätzlich an der Zusammenschaltung aller drei Pilotfabriken zu einer virtuellen gemeinsamen Fabrik via MindSphere.

Showcases

Hier finden Sie die einzelnen Showcases im Detail
Virtuelle Inbetriebnahme

Der digitale Zwilling ermöglicht eine „virtuelle Inbetriebnahme“ noch bevor die Maschine gebaut wird

Entscheidend für eine effiziente Produktion ist der sogenannte digitale Zwilling. Damit können Abläufe virtuell simuliert und getestet werden, noch bevor reale Komponenten zum Einsatz kommen. In der Pilotfabrik Wien demonstriert Siemens die Mehrwerte eines digitalen Zwillings am Beispiel einer Fräsmaschine. Hier kann man zwischen zwei sehr unterschiedlichen Sichtweisen auf den digitalen Zwilling unterscheiden:

 

Sicht eines Maschinenbauers

Hier steht das Testen der konstruierten Maschinenmechanik oder auch das Vorbereiten des NC- sowie PLC-Daten im Vordergrund. Weiters können auch maschinenspezifische Zyklen beispielweise für den Werkzeugwechsel optimiert werden, so dass später in der realen Maschine möglichst geringe Nebenzeiten entstehen. Viele der Inbetriebnahmearbeiten können mit dem digitalen Zwilling bereits erledigt werden, bevor oder während die reale Maschinenmechanik aufgebaut oder der Schaltschrank verdrahtet ist. Viele Optimierungsmaßnahmen können so noch in die reale Maschine einfließen, bevor teure Änderungen in der Realität notwendig sind.

 

Sicht eines Maschinenanwender

Ein Maschinenanwender interessiert sich hingegen meist eher für die Produktion seiner Bauteile und weniger dafür wie die Maschine im Detail konstruiert ist. Der Anwender stellt daher eher Fragen wie: Läuft mein NC-Programm unterbrechungs- und noch wichtiger kollisionsfrei? Wie lange wird die Bearbeitung dauern? Gibt es hier noch Optimierungsmöglichkeiten? Wann kann neues Bedienpersonal eingeschult werden, ohne die laufende Produktion zu stören?

Auch auf alle diese Fragen lassen sich mit Hilfe eines digitalen Zwillings Antworten finden. Die reale Maschine ist dazu nicht notwendig. Dies minimiert nötige Stillstandszeiten der Maschine auf ein Minimum. Die Maschine kann produzieren.

 

Der digitale Zwilling wird mit einer echten SINUMERIK in Betrieb genommen. Man nennt das Hardware-in-the-Loop. Die reale SINUMERIK regelt und steuert dabei den digitalen Zwilling der Fräsmaschine. Mit der neuen SINUMERIK ONE-Steuerung steht aber auch eine virtuelle SINUMERIK zur Verfügung. Mit der damit umsetzbaren Software-in-the-Loop-Lösung steht dem nächsten Schritt, am Weg zur immer weiter führenden Digitalisierung, nichts entgegen.

Mensch-Roboter-Kollaboration

Forschung zur Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)

Die Pilotfabrik verfolgt einen holistischen Ansatz und berücksichtigt auch den Menschen in die Digitalisierung. Der Mensch soll in der Produktion nicht ersetzt werden. Roboter sollen ihm zur Hand gehen und ihn entlasten. Digitale Assistenzsysteme zielen darauf ab, die Zusammenarbeit zwischen menschlichen Experten und künstlich intelligenten Maschinen zu perfektionieren und auf diese Weise neue Planungs- und Produktionsprozesse zu schaffen.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Managementwissenschaften der TU Wien wird in der Pilotfabrik ein praxisnaher Anwendungsfall für das Wiener Siemens-SIMEA-Werk umgesetzt. Im Zuge einer Mensch-Roboter-Interaktion werden Leistungstransistoren für die SITOP-Netzteilfertigung bestückt. Mensch und Roboter arbeiten dabei miteinander und teilen sich die Aufgaben. Ziel ist es, zu erforschen, wie der Kunde bestimmen kann, welche Aufgaben an den Roboter vergeben werden, welche der Mensch erledigt und welche je nach Auslastung und Verfügbarkeit entweder der Mensch oder der Roboter erledigen kann. Dabei wird auch erforscht, wie die Interaktion stattfinden soll.

Edge Computing

Edge Computing zur Überwachung der Alterung

Mit der Siemens Industrial-Edge-App Analyze My Machine Condition (AMMC) kann im gesunden Zustand der Werkzeugmaschine ein typischer Bewegungsablauf mit alle seinen Daten (z.B. Stromaufnahme) gespeichert werden und dann beim selben Bewegungsablauf von Zeit zu Zeit überprüft werden, ob sich die Maschine noch so verhält wie im gesunden Zustand.

Für eine genaue Diagnose sind dazu die hochdynamischen Daten der Maschine erforderlich. Zu dem Zweck werden die Daten 500 Mal pro Sekunde erfasst.

Condition-based Scheduling

Produktion läuft durch

Wenn in einer Fabrik viele unterschiedliche Aufträge abzuarbeiten sind, dann ist die Reihenfolgeplanung ein wichtiger Produktivitätsfaktor. ​


Fraunhofer Austria zeigt in diesem Showcase, wie der Maschinenzustand bei der Reihenfolgeplanung berücksichtigt werden kann. Die Maschine wird kontinuierlich über Siemens MindSphere überwacht und Besucher können künstlich Veränderungen an ihr herbeiführen: über die Betätigung einer Bremse oder durch Zuschalten eines Vibrationsmotors wird Verschleiß simuliert und die Maschinendaten ändern sich. Die Veränderung der Daten zeigt, dass auf der entsprechenden Maschine bald ein Wartungsintervall oder Werkzeugwechsel erforderlich sein wird. Das wird in der Reihenfolgeplanung beachtet und größere oder besonders wichtige Aufträge auf anderen Maschinen eingeplant.​

Hybridzelle

Programmiert, wie eine einzige Maschine

Eine Hybridzelle besteht aus drei Maschinen:

 

1) Einem Schweißroboter, der die grobe Produktstruktur mit Auftragsschweißen (Wire Arc Additive Manufacturing WAAM) erstellt.

 

2) Einem Roboter, der das Werkstück von der Schweißzelle zum Abkühlen ablegt und dann in die CNC-Fräse einlegt.

 

3) Die CNC-Fräse, die das überschüssige Material wegfräst und so das hochpräzise Werkstück fertigstellt. ​

 

Alle diese Maschinen müssen programmiert werden, damit das Werkstück richtig produziert wird. Die Programmierung erfolgt einheitlich in Siemens NX CAM und wird von Postprozessoren in die jeweilige Maschinensprache übersetzt. Nur so ist es mit vernünftigem Aufwand möglich, dass die drei Maschinen effizient zusammenarbeiten und sich gemeinsam wie eine einzige Maschine verhalten.​ Dazu wird von den Maschinen und auch vom Werkstück ein Digitaler Zwilling erstellt. Nur so kann man wissen, wo das überschüssige Material vom Auftragsschweißen weggefräst werden muss.

Wartungsmanagement

Weltweit verteilte Maschinen warten und Fehlerursachen erkennen

Wenn in einer Fertigungslinie Fehler auftreten, ist es wichtig, dass sie systematisch dokumentiert werden. Von ebenso großer Bedeutung ist es aber auch, festzuhalten, wie sie behoben wurden. Sofern der Fehler nicht gleich mit der Expertise vor Ort beseitigt werden kann, wird die zentrale Service-Hotline kontaktiert. Werden alle Fehlerbehebungen der weltweit verteilten Maschinen über die Siemens MindSphere App Asset Operations Analytics dokumentiert, kann die zentrale Service-Hotline von den bisherigen Erfahrungen bei der Behebung von Fehlern profitieren. Immer wiederkehrende Fehler werden erkannt und können an die Entwicklungsabteilung rückgemeldet werden. Auf diese Weise hat der Maschinenbauer die Möglichkeit, seine Maschinen kontinuierlich zu verbessern.​ 

Closed-Loop Manufacturing

Produktionsdaten automatisch zur Verbesserung der CAM-Maschinenprogrammierung verwenden

Wenn jedes Produkt kundenspezifisch ist, also nur ein Stück von jeder Art produziert werden soll (Lotsize One), dann ist es unwirtschaftlich, wenn die geforderte Produktqualität erst nach 5 Stück Ausschuss stimmt. „First time right“ ist der Anspruch. Bei der Erreichung dieses Ziels hilft Closed-Loop Manufacturing: Dabei werden   Produktionsdaten gesammelt, um Erkenntnisse daraus zum CAM-Programm zurückzuführen. Dort wird die Produktion im Detail geplant und es entstehen die Steuerungsprogramme für die CNC-Maschinen. Dieses kontinuierliche Lernen aus den gewonnenen Daten nennt man das Schließen der Schleife von der Planung zur Produktion und wieder zurück zu einer verbesserten Vorbereitung.  In Englisch: „closed-loop“.​

 

In einem aktuellen Forschungsprojekt zu Closed-Loop Manufacturing wird mit den Siemens-Technologien SINUMERIK, SINUMERIK Edge, SINUMERIK Integrate, NX Open, NX CAM, aber auch mit dem von der TU Wien für die Firma Schunk entwickelten intelligenten Werkzeughalter erforscht, wie die gemessenen  Produktionsdaten zu einer automatischen Anpassung der CAM-Programmierung genutzt werden können.​ Prof. Friedrich Bleicher, Vorstand des Instituts für Fertigungstechnik und Photonische Technologien: „In Zukunft programmieren wir nur noch Rauheiten und keine Vorschübe.“​

Genau spezifizieren, automatisch programmieren

Wenn das gewünschte Ergebnis in einem 3D-CAD-Modell vorgegeben ist, läuft die Programmierung der Maschinen automatisch.

In einer guten 3D-Konstruktionszeichnung kann ein Werkstück in Siemens NC CAM genau spezifiziert werden. Man nennt das Model-Based-Definition (MBD): Das ist ein 3D-CAD-Modell mit allen erforderlichen Produkt- und Fertigungsinformationen (PMI) wie beispielsweise Toleranzen und Oberflächenangaben. Im NX CAM-Tool, wo die Maschine programmiert wird, kann dann eine automatische Feature Recognition (AFR) erfolgen. Im Siemens NX Machining Knowledge Editor (MKE) wird festgehalten, wie jedes dieser Features mit der CNC-Maschine umgesetzt werden kann. Darauf fußt die automatische Programmierung.​

 

Ein Beispiel: Zeigt die Konstruktionszeichnung eine Bohrung mit einem Normgewinde, dann ist im Machining Knowledge Editor definiert, mit welchem Bohrer vorgebohrt und mit welchem Gewindeschneider das Gewinde geschnitten werden muss. Der Ort und die Richtung, mit der die CNC-Maschine diese Bearbeitungsschritte durchführt, ergibt sich aus der Konstruktionszeichnung.​

 

Der Showcase der TU Wien geht noch einen Schritt weiter: da das gewünschte Ergebnis in der Konstruktionszeichnung genau definiert ist, kann auch gleich die Koordinatenmessmaschine in NX CMM automatisch programmiert werden, die genau diese spezifizierten Werkstückeigenschaften für die Qualitätssicherung kontrolliert und dokumentiert. ​Das geht aber nur mit kompletter Datendurchgängigkeit. Wenn man also eine einheitliche Tool-Landschaft aufbaut, in der die einzelnen Komponenten so miteinander kommunizieren, dass keine wichtigen Konstruktionsdetails verloren gehen.​ Schafft man das, wird man mit einer Produktivitätssteigerung belohnt.

Multi-Factory

Drei Fabriken agieren gemeinsam als eine Großfabrik

Bei Großkonzernen mit Fabriken rund um den Globus ist eine Zusammenschaltung der Fabriken wünschenswert, so dass die Fertigung eines Produktes auch auf unterschiedliche Standorte verteilt werden kann. Mit Siemens Teamcenter sind solche Lösungen schon heute bei Kunden im Einsatz. Herausfordernder wird es, wenn sich unterschiedliche Unternehmen zu einer gemeinsamen Fabrik zusammenschalten wollen. Dort sind dann meist verschiedene Datenhaltungssysteme im Einsatz.
 

Am Beispiel der drei österreichischen Pilotfabriken in Wien, Graz und Linz wird gezeigt, wie drei Fabriken unterschiedlicher Unternehmen via MindSphere zu einer gemeinsamen Fabrik zusammengeschaltet werden. Das Szenario: ein Getriebe soll gefertigt werden. Die Fähigkeiten aller drei Fabriken sind bekannt. Nun wird die Anfrage gestellt, welche Fabriken man benötigt, um dieses Getriebe überhaupt produzieren zu können, bzw. wie der CO2-Fußabdruck minimiert werden kann. Der sogenannte Knowledge-Graph der drei Pilotfabriken, der das Wissen über die Fähigkeiten jeder einzelnen Fabrik enthält, wird kombiniert und ein Optimierungsalgorithmus ermittelt unter der Berücksichtigung von Transportkosten/Zeiten/CO2 jene Kombination der drei Fabriken, die am besten für die Produktion geeignet ist.