Der digitale Zwilling als Ideenmaschine

Key Visual Referenz Neuenhauser Maschinenbau GmbH

Was als Projekt für die virtuelle Inbetriebnahme begann, bringt Vorteile in vielen Bereichen bei Entwicklung und Konstruktion: Gemeinsam mit Siemens entwickelte die Neuenhauser Maschinenbau GmbH einen digitalen Zwilling für mehrere Use Cases und profitiert jetzt von umfassenden Möglichkeiten für Simulation, Verifikation und Modellierung.

In der Fertigung der Neuenhauser Maschinenbau GmbH im Norden Deutschlands erlebte vor kurzem eine neue Methodik ihre Premiere: Eine neue Portalanlage wurde komplett virtuell getestet – mit einem digitalen Zwilling, den die Spezialisten des Unternehmens auf Basis einer integrierten Softwarelösung von Siemens entwickelt haben. „Die Anlage wird Holzbalken mit einer Länge von 13 m transportieren, das Portal ist 20 m lang“, erklärt Jörg Wolf, Leiter der Entwicklung und Konstruktionsabteilung bei Neuenhauser. „Normalerweise würden wir eine solche Anlage für den FAT – den Factory Acceptance Test – bei uns aufbauen, aber dafür fehlt uns schlicht der Platz.“ Die Dimensionen der Portalanlage werden daher nur in den Konstruktionszeichnungen sichtbar. „Wir haben stattdessen die komplette Anlage vor dem Transport und der Montage beim Kunden mit dem digitalen Zwilling simuliert und damit die Inbetriebnahme vorbereitet, die wir in ganz kurzer Zeit abschließen mussten“, so Wolf.

Neuenhauser Maschinenbau GmbH

Die 1955 gegründete Neuenhauser Gruppe ist ein Verbund unabhängiger Unternehmen, die im Maschinen- und Anlagenbau, in der Umwelttechnik, der Textilindustrie, der Stahl- und Buntmetallindustrie, der klassischen Lohnfertigung, des Kompressoren- und Behälterbaus, dem Geschäftsbereich Spannelemente und der Automation tätig sind. Die Neuenhauser Maschinenbau GmbH bildet das Dach für verschiedene Geschäftsbereiche aus dem Maschinen- und Anlagenbau. Am Hauptstandort in Neuenhaus stehen den Geschäftsbereichen zudem zentrale Abteilungen unterstützend zur Seite, darunter der technische Konstruktionspool und die elektrotechnische Abteilung.

Schritt für Schritt zum digitalen Zwilling

Diesem Pilotprojekt gingen mehrere Phasen voraus, in denen Neuenhauser die Möglichkeiten des digitalen Zwillings im Unternehmen evaluierte. „Treiber waren anfangs vor allem die Verkürzung der Inbetriebnahmezeiten vor Ort und eine höhere Standardisierung,“ erklärt Jens Elsner, Leiter der Elektroabteilung bei Neuenhauser. Aber auch die kontinuierliche Verbesserung der Unternehmensprozess in Neuenhaus war für das Team ein wichtiger Aspekt, ergänzt Jörg Wolf: „Keine Anlage ist wie die andere – und um neue Konzepte schnell zu testen und zu verifizieren, sind digitale Werkzeuge einfach unverzichtbar.“

Um zu bewerten, welche Lösung für dieses Vorhaben den meisten Nutzen hat, wandte sich Neuenhauser an Siemens. „Wir setzen hier in unseren Maschinen vorwiegend SIMATIC Steuerungen ein“, erklärt Elsner, „und daher war es naheliegend, auch beim digitalen Zwilling auf Siemens zu setzen. Hier bietet Siemens ein integriertes Konzept mit einem einheitlichen Engineering, einer breiten Palette an Automatisierungsoptionen und einem guten lokalen und globalen Support“, so Elsner weiter.

Cloud-Umgebung ermöglicht einfachen Projekteinstieg

Zunächst wurden in einem Workshop gemeinsam mit Siemens in einer Cloud-Umgebung die Möglichkeiten des digitalen Zwillings in einem Software-in-the-Loop (SiL) Setup mit SIMATIC S7-PLCSIM Advanced, SIMIT und NX Mechatronics Concept Designer getestet. Dadurch entfiel für Neuenhauser zum einen der Aufwand für die Installation der Systeme in der eigenen Infrastruktur. Zum anderen konnte in der Cloud-Umgebung von Anfang an ein größerer Teilnehmerkreis in das Projekt einbezogen werden, auch an mobilen Arbeitsplätzen oder aus dem Home-Office, was das Projekt deutlich flexibler machte. Und nicht zuletzt steht dem Unternehmen in der Cloud auch zukünftig eine Testumgebung für neue Anwendungen zur Verfügung. 

Neuenhauser profitierte durch diese Art der Zusammenarbeit auch unmittelbar vom Know-how der Siemens-Experten aus dem regionalen Applikationszentrum, die den Workshop nicht nur vorbereiteten und durchführten, sondern Neuenhauser auch im weiteren Projekt begleiteten.

Im Anschluss an diese Projektphase wurden mehrere Use Cases für den Proof of Concept definiert. „Diese Use Cases haben wir so ausgewählt, dass sie einen breiten Bereich sowohl aus der mechanischen Konstruktion als auch aus der Elektrotechnik abdecken, ausreichend komplex und typisch für unsere Anlagen sind“, so Elsner. Mit Unterstützung von Siemens konnte das Team bei Neuenhauser diese Use Cases sehr schnell realisieren, wie Wolf bestätigt: „Schon nach wenigen Tagen konnten wir Maschinenfunktionen realitätsgetreu nachstellen. Und auch die Geschäftsführung war schnell von diesem Ansatz überzeugt: „Höchstens 15 Minuten, dann war allen klar, dass uns der digitale Zwilling in vielen Bereichen wirklich etwas bringt.“

"Unsere Anlagen werden in alle Welt geliefert, und die Kosten für die Inbetriebnahme vor Ort sind daher ein entscheidender Wettbewerbsfaktor."

Jens Elsner, Leiter Elektroabteilung, Neuenhauser Maschinenbau GmbH

Ideengeber für Entwicklung und Umsetzung

Diese Begeisterung rührt daher, dass der digitale Zwilling nicht nur für die virtuelle Inbetriebnahme große Vorteile bringt. Bei Neuenhauser sieht man zahlreiche Bereiche, bei denen Simulation einen echten Mehrwert bringt, so Wolf. „Mittlerweile gibt es hier schon erste Anwendungen, etwa bei der Evaluierung eines kontinuierlichen Förderers für Garnspulen – „hier haben wir am Modell geprüft, ob wir eine bestimmte Taktzeit erreichen und gesehen, dass das Konzept funktioniert. Ein anderer Fall hat sich noch während der Erprobungsphase ergeben, wo wir einfach mal eben eine Umbaumaßnahme geprüft haben. Man sieht, wie die neuen Möglichkeiten sofort zu ganz neuen Ideen führt – bis hin zu neuen Instrumenten für Vertrieb und Akquise.“

Parallel werden schrittweise weitere Mitarbeiter im Umgang mit der Software geschult – und das Interesse ist groß, so Wolf und Elsner übereinstimmend: „Als wir gefragt haben, wer noch dabei sein will, haben sich sofort mehrere Kollegen gemeldet.“ Die Motivation spürt man auch in der täglichen Zusammenarbeit, so Elsner: „Das Modell macht auch die Kommunikation zwischen den Abteilungen einfacher – man sieht nicht nur den Entwurf, sondern auch die Funktion und was man sich dabei gedacht hat.“

Bewährungsprobe beim Umschluss vor Ort

Wie gut der digitale Zwilling die Inbetriebnahme vor Ort unterstützt, zeigte sich dann bei dem Betreiber der neuen Portalanlage: Der Fertighaushersteller Gussek-Haus automatisiert mit ihr den Transport von Kanthölzern zu einer Abbundanlage für den CNC-gesteuerten Holzzuschnitt und einer ebenfalls neuen Zuschnittmaschine. Über die Jahre war die bestehende Abbundanlage immer mehr an ihre Kapazitätsgrenzen gekommen, weswegen sich Gussek-Haus entschied, in eine Erweiterung des Holzzuschnittes zu investieren, erklärt Marc Siepker, Produktionsleiter bei Gussek-Haus in Nordhorn: „Wir fertigen unsere Häuser in Holztafelbauweise und versuchen, den Vorfertigungsgrad so hoch wie möglich zu halten. Der Holzzuschnitt hat dabei eine Schlüsselrolle: Wenn hier der Prozess stockt, dann dauert es nur wenige Tage, dann steht unsere Produktion.“ Deswegen standen Aufbau und Inbetriebnahme der neuen Portalanlage unter großen Zeitdruck – „sozusagen eine Operation am offenen Herzen“, erinnert sich Siepker. Die neue Portalanlage wurde parallel zum bestehenden Transportsystem aufgebaut. Dann stand der Umschluss an, bei dem die alte Portalanlage abgebaut und das neue Portal in den Prozess eingebunden und in Betrieb genommen wurde. Hier zeigte sich, wie gut die Anlage auf den Einsatz vorbereitet war – „bis auf ein paar Kleinigkeiten ging das fast schon überraschend glatt über die Bühne“, so Siepker. Auch die eigentliche Produktion konnte ohne größere Schwierigkeiten wieder aufgenommen werden: „Natürlich wurde die neue Anlage noch eingefahren, aber es waren durch den digitalen Zwilling ganz viele Parameter vorgerüstet.“

Für seinen Kollegen Matthias Kwade, der bei Gussek-Haus die Abteilung Konstruktion/Elementierung leitet, war das Modell während des Projektes auch ein gutes Instrument, um den Projektfortschritt zu begleiten: „So konnten wir auch ohne die physische Maschine sehen, was von unseren Anforderungen bereits umgesetzt wurde, wie die Handhabung der neuen Maschine aussehen würde.“ Auch Marc Siepker zieht ein durchweg positives Fazit: „Dieses Projekt war in vieler Hinsicht neu – zum einen, weil wir die nicht alltägliche Anforderung hatten, dass wir mit einer Portalanlage zwei Zuschnittanlagen bedienen wollten, zum anderen, weil die Anlage anhand eines digitalen Modells getestet und optimiert wurde. Und am Ende muss man sagen, das hat ganz wunderbar funktioniert.“ Seitdem hat sich die neue Portalanlage im Alltag bewährt. Zusammen mit der neuen Zuschnittanlage konnte Gussek-Haus die Kapazität im Holzzuschnitt mehr als verdoppeln. Damit ist das Unternehmen jetzt noch besser aufgestellt, um seinen Kunden zu ihrem Traumhaus zu verhelfen und seinen Wachstumskurs fortzusetzen.

Neue Basis für den gesamten Prozess

Auch bei Neuenhauser zieht Jörg Wolf ein durch und durch positives Fazit: „Was für mich besonders überzeugend ist, ist der gesamtheitliche Nutzen – es geht hier nicht nur um ein Instrument für die virtuelle Inbetriebnahme, sondern um einen digitalen Zwilling, mit dem wir an vielen Punkten Prozesse verbessern können.“ Und nicht zuletzt ist da noch die Portalanlage als Pilotprojekt, ergänzt Wolf: „Zwar haben unsere Konstrukteure zu Beginn mehr Arbeit – denn das Modell muss ja gepflegt werden. Daher werden wir beim ersten Projekt vielleicht noch nicht den vollen Nutzen haben. Aber wir können schon jetzt ganz anders arbeiten und mit Herausforderungen in Projekten umgehen, weil wir über alle Prozesse effizienter werden. Diese Effekte werden wir in weiteren Projekten ausbauen.“

"Anstatt ein physikalisches Modell zu bauen, was manchmal Wochen dauert, testet man eine neue Komponente oder Funktion am Bildschirm und hat dann schon nach wenigen Tagen ein Ergebnis."

Jörg Wolf, Leiter Entwicklung und Konstruktion, Neuenhauser Maschinenbau GmbH