Intelligente Maschinen optimieren Bearbeitungsprozesse Auf dem Weg zur „fühlenden“ Werkzeugmaschine - KEM

Intelligente Maschinen optimieren Bearbeitungsprozesse

Auf dem Weg zur „fühlenden“ Werkzeugmaschine

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Die Digitalisierung ist auch im Maschinenbau angekommen. Befeuert durch Industrie 4.0 zieht sie auch in die Werkzeugmaschine ein. Erste Maschinenkonzepte vernetzen bestehende Technik bereits mit neuen digitalisierten Komponenten. Die Vorteile sind enorm. Die Integration von virtueller und realer Welt ist in vollem Gange. Wir beleuchten die Chancen und die Herausforderungen die sich für die Branche auf dem Weg zur „Werkzeugmaschine 4.0“ ergeben.

Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

An der Digitalisierung kommt in der Fertigungsindustrie niemand vorbei. Auch die Hersteller von Werkzeugmaschinen müssen sich dieser Transformation stellen. Digitalisierte Systeme werden die Produktionsprozesse in Unternehmen revolutionieren. Erste Maschinenkonzepte der Hersteller vernetzen bestehende Technik mit neuen digitalisierten Komponenten und gehen damit einen konkreten Schritt in Richtung digitalisierte Produktion. So werden Forscher des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover Ergebnisse aus dem Sonderforschungsbereich „Gentelligente Fertigung“ präsentieren. Sie zeigen eine „fühlende“ Werkzeugmaschine und neue Ansätze in der Sensorik, etwa der modularen Mikrosensorik. Und Wissenschaftler aus München und Stuttgart stellen etwa das vom BMBF finanzierte Projekt „BaZMod“ vor. Das Motto „Bauteilgerechte Maschinenkonfiguration in der Fertigung durch Cyber-Physische Zusatzmodule“ steht unter anderem für die Erweiterung bisher bekannter Schnittstellen. Bislang werden Schnittstellen zwischen intelligentem Werkzeug und Maschinensteuerung herstellerindividuell ausgeführt.

Digitalisierung erfasst Werkzeugmaschinenbauer

„Der deutsche Maschinenbau ist traditionell in der Vergangenheit nicht auf den Hype Industrie 4.0 oder Digitalisierung aufgesprungen“, so Markus Frank, Abteilungsleiter Grob-Net4Industry bei Grob-Werke in Mindelheim. Jedoch zeige die Entwicklung der letzten 12 Monate eine deutliche Steigerung von Aktivitäten und Bemühungen in diesem Bereich. Derzeit bieten Frank zufolge einige wenige Firmen wirklich durchdachte Lösungen am Markt an. „Die zur Verfügung stehenden Technologien sehen wir nicht als größtes Hindernis. Es ist eher die Wandlungsfähigkeit der Geschäftsmodelle, die in den Unternehmen angegangen werden muss“, betont er. Es bestehe auch eine Gefahr, dass branchenfremde Unternehmen im Werkzeugmaschinenbau bei der Digitalisierung nach neuen Geschäftsfeldern suchen. Dem könne durch kooperative Zusammenarbeit zwischen einzelnen Werkzeugmaschinenbauern direkt oder im Verband des VDW (Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken) noch stärker entgegengewirkt werden. „In Summe sehen wir eine positive Entwicklung bei den technischen Lösungen und der Umsetzung der neuen Geschäftsmodelle in der Branche“, erklärt der Experte. Bestätigt wird diese Einschätzung auch von Dr. Heinz-Jürgen Prokop, Vorsitzender des VDW in Frankfurt am Main und CEO des Bereichs Werkzeugmaschinen bei Trumpf in Ditzingen: „Die digitale Vernetzung und damit Industrie 4.0 hat die ganze Branche erfasst. Nachdem der Begriff auf der HMI 2011 vorgestellt wurde, konnten die Werkzeugmaschinenhersteller zunächst wenig damit anfangen. Heute sieht man auf den Leitmessen der Branche, dass die Hersteller die Chancen erkannt haben. Auch International ist eine enorme Dynamik entstanden. Unsere Branche verändert sich nachhaltig, und wir müssen uns in allen unternehmerischen Feldern auf diesen Wandel einstellen.“ Die Digitalisierung sei eine der Kernherausforderungen für die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie. Sie biete große Chancen, neue Wettbewerbsvorteile zu generieren und das Angebotsportfolio auszubauen. „Ich sehe uns in Deutschland gut aufgestellt, denn mit unseren technologischen Voraussetzungen haben wir die beste Ausgangsbasis, die Entwicklung zu gestalten“, zeigt Prokop sich zuversichtlich. „Aber man muss es auch aktiv angehen: Bei Trumpf haben wir unsere gesamte Entwicklung im Werkzeugmaschinenbereich sehr konsequent auf Industrie-4.0-taugliche Maschinen, vom Sensor bis zum Ökosystem, ausgerichtet. Mit unserer Tochtergesellschaft Axoom haben wir zudem eine Geschäftsplattform entwickelt, mit der mittelständische Fertigungsbetriebe alle indirekten und direkten Prozesse digital vernetzt steuern und umsetzen können.“ Ein weiteres Beispiel dafür ist DMG Mori. Der Werkzeugmaschinenhersteller zeigte auf der Hannover Messe 2016 ganzheitliche Lösungen für Werkzeugmaschinen. Durch das App-basierte Celos-System können die Mitarbeiter unter einer einheitlichen Oberfläche in Shop Floor und Arbeitsvorbereitung sämtliche Auftrags-, Prozess- und Maschinendaten verwalten, dokumentieren und visualisieren. Im OWL-Spitzencluster erforscht DMG, wie sich in Zukunft über eine Cloud-Plattform die Arbeitsvorbereitung unterstützen lässt, wobei die virtuelle Werkzeugmaschine optimierte Fertigungsdaten liefert. Im Projekt „Werkzeugmaschine 4.0“ werden durch die Integration von Sensoren eine intelligente Zustandsüberwachung und eine vorausschauende Wartungsplanung ermöglicht.

Software verdrängt Hardware

Auch Pressenhersteller Schuler gehört zu den Vorreitern in Sachen Digitalisierung der Fertigung. Schon heute simuliert das Unternehmen zum Beispiel Pressenlinien einschließlich aller Pressenstufen und Automationskomponenten komplett am Computer. Bevor die Werkzeugsätze eingespannt werden, produziert das virtuelle Abbild der Anlage bereits ein Teil nach dem anderen. Dadurch lässt sich die Zeit für den Teile-Transport minimieren, die Ausbringungsleistung optimieren, und die Inbetriebnahme-Dauer verkürzen. „Maschinen- und Anlagenbauer denken klassischerweise in Stahl und Eisen und haben ihre Produkte über Jahrzehnte hinweg perfektioniert“, erklärt Michael Werbs, Leiter Technologiemanagement bei Schuler und ergänzt: „Doch die Hardware wird zunehmend von der Software verdrängt, weil sie noch viel mehr Spielraum zur Optimierung und damit zur Produktivitätssteigerung bietet.“ Viele Unternehmen hätten das bereits erkannt und die nötigen Schritte unter anderem in der Rekrutierung von Fachkräften eingeleitet. „Wie sich die Daten sinnvoll vernetzen lassen, ist allerdings eine ganz andere Frage, an der wir in den nächsten Jahren intensiv weiter arbeiten müssen“, warnt er.

Bedingt durch die Digitalisierung spielen für den Maschinenbau der Zukunft Daten eine immer wichtigere Rolle. Doch welche Voraussetzungen benötigen die datenbasierten Anwendungen von morgen? Das bloße Sammeln von Daten reicht hier nicht mehr aus, das Stichwort in diesem Zusammenhang ist intelligente Nutzung von Daten. Um die riesigen Datenmengen richtig auswerten zu können, muss man sie verstehen. Das heißt, man muss über das Wissen verfügen, wie Geräte und Anlagen funktionieren, und mit welcher Sensorik und Messtechnik man an die wirklich nützlichen Informationen herankommt. Entscheidend ist also nicht die Masse an Daten, sondern vor allem intelligente Daten. Dass die Analyse der Daten eine wichtige Rolle spielt, meint auch Hansjörg Sannwald, Leiter Markt- und Produktmanagement CNC-Systeme bei Bosch Rexroth: „Ein Thema im Kontext von Industrie 4.0 ist die Auswertung von Datenströmen zur Optimierung der Fertigung und Logistik – Big Data. Der Data Analytics Server von Rexroth ist eine Lösung zur Speicherung und Analyse von Maschinendaten. Die Datenbanklösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Signale von Sensoren, Steuerung und Antrieben in Echtzeit aufgezeichnet und verarbeitet werden“, erläutert er. Damit seien wirtschaftliche Lösungen für Prozess- und Condition Monitoring von der Einzelmaschine bis hin zur Fertigungszelle möglich. Das integrierte Diagnoselogbuch erlaube zudem eine Top-10-Fehleranalyse zur Optimierung der Maschinenverfügbarkeit.

Digitalisierung bringt neue Geschäftsmodelle

Doch nicht nur die sinnvolle Nutzung der anfallenden Datenflut gehört zu den Herausforderungen, denen sich die Werkzeugmaschinenbranche im Zeitalter von Industrie 4.0 gegenübersieht. „Mit Digitalisierung entsteht ein neues Arbeitsfeld, das weit über die Maschine hinausgeht. Das resultierende Geschäft mit Software und Services unterscheidet sich sehr deutlich vom klassischen Verkauf der Maschine“, nennt Michael Brückner, Vice President Sales im Bereich Machine Tool Systems bei Siemens eine dieser Herausforderungen. Zudem drehe es sich nicht nur um Anwendungen mit neuen Maschinen. „Vielfach suchen Kunden Lösungen, die den bestehenden Maschinenbestand (Brownfield) mit einbinden“, so Brückner. Dass mit den Chancen der Digitalisierung auch Risiken einhergehen sieht auch VDW-Chef Prokop: „Es werden neue Geschäftsmodelle entstehen, die erst durch Vernetzungstechnologien möglich werden und für den Kunden neue Dienstleistungsangebote erschließen. All das wird die Märkte, wie wir sie bisher kannten, verändern. Auch unser Verständnis von Arbeit und schließlich auch der Unternehmenskulturen wird sich einem Wandel unterziehen.“ Um den Anforderungen der Kunden in der vernetzten Welt von morgen gerecht werden zu können, müssen Mitarbeiter Prokop zufolge zunehmend in der Lage sein, schnell und flexibel die richtigen Entscheidungen dort zu treffen, wo sie benötigt werden. Es bedürfe daher einer Veränderung des Rollenverständnisses der Führungskräfte. Weiterhin müssten Fachbereiche gemeinsam an Lösungen arbeiten. „All dem steht das in den vergangenen 100 Jahren geprägte Denken in hierarchischen Organisationsstrukturen entgegen. Es benötigt daher einen kulturellen Wandel für dessen Zielzustand der Begriff „Agile“ geprägt wurde“, ist er überzeugt. Für Grob-Experte Frank besteht eine weitere Herausforderung in der „Schaffung einheitlicher Standards, um eine herstellerübergreifende Konnektivität und die Bildung einer gemeinsamen Plattformtechnologie zu erreichen“.

Kommen wir zu den Chancen der Digitalisierung: Stichworte sind hier der digitale Zwilling oder die Integration der virtuellen in die reale Welt. Doch welchen Mehrwert bieten diese Ansätze den Werkzeugmaschinenbauern und -betreibern? „Die Arbeit mit Modellen und Simulationen ist unser tägliches Geschäft. Spannend wird es, wenn man diese Daten mit den in Echtzeit erhobenen Daten vergleicht“, nennt Schuler-Mann Werbs den Vorteil digitaler Zwillinge. Eine Abweichung zwischen Soll- und Ist-Zustand – beispielsweise bei der Temperatur oder dem Motorstrom – könne schon in einem frühen Stadium auf Fehler hinweisen. Dem kann Markus Frank vom Maschinenbauer Grob-Werke nur beipflichten: „Die Echtzeitdaten liefern ein direktes Feedback und unterstützen die Entwicklung zur selbstlernenden Maschine. Der digitale Zwilling erlaubt es, Verfahren zu testen und Abläufe durchzuspielen ohne dabei die laufende Produktion zu belasten. Weiter bildet sich hier ein enormer Kostenvorteil, da physikalische Anlagen nicht beeinflusst werden.“ Auch die Automatisierer sehen die Vorteile dieser Technologie darin, dass sich Abläufe risikofrei testen lassen. „Mit einem digitalen Zwilling können Konstrukteure ihre Anlagen vorab simulieren und testen. Maschinenhersteller werden die Steuerung zeitsparend vor oder parallel zur Maschinenmontage virtuell in Betrieb nehmen. Das spart Programmieraufwand und verkürzt die Time-to-Market“, betont Hansjörg Sannwald von Bosch Rexroth. Und für seinen Kollegen Brückner von Siemens macht der digitale Zwilling die Digitalisierung sichtbar. „Der digitale Zwilling der Maschine kann in mehreren Anwendungsfällen zum Einsatz kommen: zu Beginn beim Erstellen eines Maschinenkonzeptes, bei der virtuellen Inbetriebnahme, zur Vorführung beim Verkauf der Maschine, beim Einfahren von Teilen in der Produktion bis hin zum Umbau und Service. Damit ergeben sich deutliche Zeiteinsparungen, Verbesserungen im Konzept sowie der Qualität und der Ausbringung in der Produktion“, wird er konkret.

Kostenvorteile durch virtuelle Werkzeugmaschine

Die Integration von virtueller und realer Welt ist also in vollem Gange. Der VDW-Vorsitzende Prokop sieht die sich daraus ergebenden Vorteile darin, dass man „mit der virtuellen Werkzeugmaschine in der Arbeitsvorbereitung frühzeitig das reale Maschinenverhalten berücksichtigen und sogar hauptzeitparallel NC-Programme einfahren kann“. So ließen beispielsweise Kollisionsprüfungen durchführen und damit erheblich Zeit und Kosten einsparen sowie Maschinenstillstände und Ausschuss vermeiden. Auch helfe die Simulation, die optimale Fertigungsmaschine aus dem verfügbaren Maschinenpool zu finden. „In Verbindung mit der Vorabkenntnis der Bearbeitungsdauer kann so eine optimale Feinplanung aller Bearbeitungsschritte erfolgen und damit die Produktionskosten gesenkt und die Liefertreue gesteigert werden“, verdeutlicht der Werkzeugmaschinen-Experte. Die Hauptanwendungsgebiete der virtuellen Werkzeugmaschine sind für Hansjörg Sannwald von Bosch Rexroth die Vorabinbetriebnahme von Steuerungen und Regelungen sowie die CNC-Simulation im Rahmen der CAD/CAM-Prozesskette. Dass Praxisbeispiel dazu liefert der Leiter des Schuler-Technologiemanagements Werbs: „Der Automobilzulieferer Läpple Automotive setzt an seiner neuen Transferpresse am Standort Heilbronn den sogenannten Optimizer von Schuler ein, der in der Pressensteuerung Bestandteil der Visualisierung ist. Die intelligente Software sorgt dafür, dass Pressenstößel und Transfer optimal zusammenspielen, und berechnet optimale Bewegungskurven.“ Dadurch habe sich die Ausbringungsleistung um bis zu 20 Prozent erhöht. Die meisten Transferpressen von Schuler verfügen laut Werbs mittlerweile über diesen smarten Kurvengenerator. Anhand vorgegebener Werkzeugdaten in Millimetern – ohne die Eingabe abstrakter Kurbelwinkel – könne der Bauteiltransport von einer Werkzeugstufe in die nächste optimiert werden. „Auf dieser Grundlage lässt sich die Leistungsfähigkeit der gesamten Anlage ausreizen“, betont er.

Die Maschinenhersteller arbeiten also bereits an smarten Werkzeugmaschinen oder haben erste Modelle im Portfolio. In Sachen Werkzeugmaschine 4.0 spielt allerdings die Automatisierungstechnik eine wesentliche Rolle. Aber welche Anforderungen müssen die Automatisierer konkret erfüllen, um den Maschinenbau dabei zu unterstützen Werkzeugmaschinen Industrie-4.0-tauglich zu machen? Die Position des VDW ist hier klar. Prokop: „Wesentliche Potenziale der Industrie 4.0 liegen in der Automatisierung des gesamten Auftragsdurchlaufs und der Behebung von Prozessstörungen. Dazu müssen die digitale und die physische Welt automatisiert und synchronisiert werden.“ Der Automatisierungstechnik komme mit der durchgängigen Regelung des Materialflusses dabei eine wichtige Aufgabe zu. „Eine wesentliche Anforderung sehe ich in der Beschreibung und einheitlichen Ausgestaltung der Schnittstellen. Die Komplexität von automatisierten Systemen werden wir nur dann beherrschen und wirtschaftliche Lösungen darstellen können, wenn wir eng mit den Lieferanten der Automatisierungstechnik zusammenarbeiten“, fügt er hinzu. Ziel sei es modulare Lösungen zu schaffen, die sich flexibel und ohne großen Entwicklungsaufwand an individuelle Kundenlösungen anpassen lassen. Auf diesem Weg könne ein enormer Nutzen generiert werden. „Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass in vielen Fällen Produktivitätssteigerungen von bis zu 50% kein Hexenwerk sind“, so Prokop.

Um die Bedeutung einer engen Zusammenarbeit wissen auch Automatisierungsunternehmen wie Bosch Rexroth. „ Die Vernetzung der Produktion kann nur gelingen, wenn Endanwender, Maschinenhersteller, Wissenschaft und Automatisierungshersteller dies gemeinsam angehen. Wir benötigen zum einen mehr Intelligenz auf der Feldebene. Daran arbeiten wir kontinuierlich, zum Beispiel indem wir unsere Hydraulik rundum fit für den Einsatz in vernetzten Umgebungen machen“, betont Sannwald. Zum anderen erfordere Vernetzung zwingend Hersteller-übergreifende Standards für eine reibungslose Kommunikation und eine schnelle Programmierung. Industrie 4.0 mache proprietäre Systeme definitiv zum Auslaufmodell. Rexroth, so der Manager, unterstützt seit jeher internationale Standards. Für den Siemens-Experten Brückner liegen die Anforderungen diesbezüglich darin, „dass in Zukunft für eine Systementscheidung nicht nur eine effiziente Automatisierung der Anlage ausreicht. Auch die zusätzlichen Anforderungen des Managements der Endkunden, die mit den automatisierten Anlagen produzieren, nach belastbaren Daten gilt es möglichst einfach zu erfüllen“, sagt er. Dabei stehe auch die Sicherheit der Daten und Verfahren, wie sie zum Beispiel durch eine IT beim Kunden gefordert sind im Mittelpunkt. In dieser Verknüpfung der verschiedenen Kommunikationsnetze, auf Maschinen, Produktionslinien und Fertigungsebene sieht Siemens die großen Herausforderungen. Brückner: „Nehmen Sie als Beispiel die Anbindung einer Maschine aus einem Fertigungsnetz an die Mindsphere, unser offenes cloudbasiertes IoT-Betriebssystem: Alle vorgenannten Aspekte werden berücksichtigt und doch erfolgt die Anbindung einer Anlage innerhalb von Minuten. Und das schließt auch ältere Maschinen im Bestand des Kunden mit ein.“ Markus Frank vom Maschinenbauer Grob-Werke bekräftigt ebenfalls, dass es Thema „Werkzeugmaschine 4.0“ nicht nur um neue Maschinen geht. „Es sind Lösungen notwendig, um alte Maschinen einfach an bestehende Systeme anzuknüpfen, also modulare Bauweise schon im Standard bereitzustellen“, verdeutlicht er. In Zukunft werden sich alle Beteiligten laut Frank auf gemeinsame Schnittstellen einigen müssen, um die Komplexität noch beherrschen zu können.

Effizientere Prozesse durch Digitalisierung

Die digitale Transformation der Produktion schreitet voran. Denn durch die Digitalisierung werden die Prozesse in der Werkzeugmaschinenbranche schneller, effizienter und besser. Im Zeitalter der Industrie 4.0 sind smarte Sensoren, autonome Transportsysteme oder selbstlernende mit dem Menschen interagierende Roboter längst Realität – warum also nicht auch die „fühlende“ Werkzeugmaschine? Eines ist auf jeden Fall sicher: es bleibt spannend.

www.boschrexroth.com

www.grobgroup.com

www.schulergroup.com

www.siemens.com

www.trumpf.com

www.vdw.de


„Die Vernetzung erfordert zwingend Hersteller-übergreifende Standards für eine reibungslose Kommunikation und eine schnelle Programmierung.“

Hansjörg Sannwald, Leiter Markt- und Produktmanagement CNC-Systeme, Bosch Rexroth
Bild: Bosch Rexroth

„Die Hardware wird im Maschinenbau zunehmend von der Software verdrängt, weil diese noch mehr Spielraum zur Optimierung und zur Produktivitätssteigerung bietet.“

Michael Werbs, Leiter Technologiemanagement, Schuler
Bild: Schuler

„Mit der Digitalisierung entsteht ein neues Arbeitsfeld, das weit über die Maschine hinausgeht. “

Michael Brückner, Vice President Sales Machine Tool Systems, Siemens
Bild: Siemens

„Wesentliche Potenziale der Industrie 4.0 liegen in der Automatisierung des gesamten Auftragsdurchlaufs
und der Behebung von Prozessstörungen.“

Dr. Heinz-Jürgen Prokop, Vorsitzender des VDW in Frankfurt am Main und CEO des Geschäftsbereichs Werkzeugmaschinen bei Trumpf in Ditzingen
Bild: Trumpf

„Es sind Lösungen nötig, um alte Maschinen einfach an bestehende Systeme anzuknüpfen, also modulare Bauweise schon im Standard bereitzustellen.“

Markus Frank, Abteilungsleiter Grob-Net 4 Industry, Grob-Werke
Bild: Grob-Werke
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