Neue Lösungen für gewachsene Produktionsanlagen

Mit Struktur in den Retrofit

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Wer als produzierendes Unternehmen die Herausforderung Industrie 4.0 angehen will, der muss investieren. Der muss Prozesse überdenken, die seit Jahrzehnten eingespielt sind und Technologien ausprobieren, die zunächst nur schwer kalkulierbaren Nutzen versprechen. Besonders kleine und mittlere Unternehmen müssen einige Hürden überwinden: Die Fertigung besteht etwa oft aus historisch gewachsenen, zweckoptimierten, aber auch alten Maschinen- und Anlagenparks. Ein kompletter Austausch der Produktionsanlagen ist oft nicht zweckmäßig und für die meisten Unternehmen finanziell nicht ohne weiteres zu stemmen. Die Lösung bietet die bedarfsorientierte Nachrüstung – im englischen als Retrofit bezeichnet.

Kirsten Harting, Kommunikation Produktentstehung, Fraunhofer IEM

Das Gütersloher Traditionsunternehmen Westaflex stand vor eben diesen Entscheidungen: Sollte die in über 30 Jahren gewachsene Produktionsanlage für Wickelrohre modernisiert werden? Und wenn ja, an welcher Stelle? „Den Bedarf, unsere Produktion schrittweise mit neuen Technologien wettbewerbsfähig zu halten, hatten wir erkannt. Nur wo ansetzen? Einfaches Digitalisieren um der Digitalisierung Willen?“, so schildert Dr. Olaf Knospe, Technischer Leiter bei Westaflex, die Ausgangssituation des Unternehmens. Westaflex ist einer der wenigen Anbieter von Wickelrohren, die unzählige Einsatzgebiete haben und zum Beispiel aus der Lüftungstechnik nicht wegzudenken sind. Mit einem starken Fokus auf kundenindividuelle Lösungen müssen Produkte und Produktion stetig auf sich verändernde Anforderungen, wie etwa neue Materialkombinationen, angepasst werden. „Unsere übergeordneten Ziele waren eine Erhöhung der Produktqualität sowie die Entlastung unserer Mitarbeiter“, erklärt Dr. Olaf Knospe.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM ist Westaflex die Nachrüstung strukturiert angegangen: Dominik Hupach, Projektleiter vom Fraunhofer IEM, beschäftigt sich im Spitzencluster it’s OWL mit dem Thema Nachrüstung und begleitet viele kleine und mittlere Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus bei der Umstellung. „Diese muss vor allem am jeweiligen Bedarf ausgerichtet werden“, so der Wissenschaftler. Um sinnvolle Retrofit-Maßnahmen zu identifizieren, sollten sich Unternehmen demnach folgende Fragen stellen: Warum soll ein Retrofit überhaupt durchgeführt werden? Welche Anlage oder Komponente ist davon konkret betroffen? Was sind die prozessualen, infrastrukturellen und informationstechnischen Rahmenbedingungen und welche kritischen Parameter sind dabei zu berücksichtigen? Basierend auf den Erfahrungen aus den Projekten hat das Fraunhofer IEM ein einheitliches und strukturiertes Vorgehen zur Identifikation und Bewertung der notwendigen Retrofit-Maßnahmen erstellt. Ein Leitfaden bietet künftig Orientierung und Hilfestellung.

Schritt für Schritt zum Retrofit

Auch ein Retrofit kann im klassischen Sinne im V-Modell verortet werden. Bei der Auswahl konkreter Modernisierungsmaßnahmen spielen die Rahmenbedingungen der jeweiligen Anlage eine besondere Rolle. Dementsprechend sollte besondere Sorgfalt auf der Phase des Anforderungsmanagements liegen. Die Anforderungserhebung beginnt mit einer Prozessaufnahme sowohl der betroffenen Anlage als auch der vor- und nachgelagerten Prozesse. Mit Hilfe der Prozessmodellierung OMEGA können die einzelnen Prozessschritte, die beteiligten Komponenten und Personen, sowie die angebundenen Systeme strukturiert visualisiert werden. Rahmenbedingungen – seien es Bauräume und Funktionen der bestehenden Anlage, die vorhandene Infrastruktur, vorgegebene IT-Schnittstellen oder etablierte Fertigungsprozesse – müssen bei Entwurf und Integration von Retrofit-Maßnahmen unbedingt berücksichtigt werden. Deshalb werden die Prozesse immer in ihrem Umfeld betrachtet.

Das Veranschaulichen relevanter Rahmenbedingungen und verschiedener Anwendungsfälle der geplanten Retrofit-Maßnahme wird durch CONSENS, einer Methode des Model-Based Systems Engineering, ermöglicht. Ein umfangreiches Systemmodell bildet sowohl die Struktur, das Umfeld, aber auch das Verhalten der einzelnen Anlagen-Komponenten disziplinübergreifend ab. „Besonderer Vorteil hier ist, dass das Projektteam die Anlage aus unterschiedlichen relevanten Perspektiven, etwa der Konstruktion, der Elektrotechnik oder des Vertriebs betrachtet und möglichst alle Eventualitäten in die Nachrüstungsplanung einbeziehen kann“, erläutert Dominik Hupach. Anschließend werden kritische Parameter innerhalb der Prozesse und damit mögliche Ansätze für Retrofit-Maßnahmen analysiert. Dazu ist die FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) mit ihren Rückschlüssen auf die jeweiligen Fehlerursachen sehr gut geeignet. Zur Überwachung der kritischen Parameter sind Methoden der Datenanalyse sinnvoll. Unternehmen hinterfragen dafür, welche Daten im Produktionsprozess bereits erfasst und ob diese schon nutzbar gemacht werden. Im nächsten Schritt folgt die Planung zusätzlicher Sensorik sowie der entsprechenden Datenverarbeitung und -analyse.

Das Ergebnis ist eine Liste mit technischen Lösungen, die nach Kosten-Nutzen-Aspekten und Dringlichkeit priorisiert wird. Das finale Retrofit-Paket beinhaltet auch eine zeitliche Umsetzungs-Roadmap, damit aufeinander aufbauende Maßnahmen in einem korrekten Zusammenhang stehen und die betrieblichen Rahmenbedingungen berücksichtigt werden.

Anwendung in der Praxis

Die Anlagen von Westaflex sind speziell für die Wickelrohrfertigung entwickelt worden, wurden immer weiter optimiert und teilweise digitalisiert. Im Kern sind sie jedoch über 30 Jahre alt und erfüllen mechanisch gesehen weiterhin zuverlässig ihren Dienst. Die Aufnahme des Fertigungsprozesses erzeugte eine erste Transparenz über die kritischen Fertigungs- und Qualitätsparameter. Allerdings wurde auch deutlich, dass die Anlage selbst nur geringen Einfluss auf diese Parameter hat. Das Projektteam erkannte, dass die Fertigungsparameter in hohem Maße davon abhängen, wie die Werkzeuge eingebaut, die Materialzufuhr ausgerichtet und die Prozessparameter eingestellt werden. Die Einstellung der dieser Fertigungsparameter erfolgt manuell und ist stark vom Erfahrungswissen einzelner Mitarbeiter abhängig. In einem ersten Schritt installierte Westflex daher Sensorik, um so einerseits die Einstellparameter während der Anlageneinrichtung zu erheben. Andererseits wurden Daten zur Produktqualität erfasst. Der so entstandene Erfahrungspool unterstützt die Mitarbeiter künftig bei der Einrichtung der Anlage.

Westaflex ist gemeinsam mit dem Fraunhofer IEM einen ersten Schritt in Richtung Digitalisierung gegangen, auf den es nun aufbauen wird. „Unsere Vision ist eine sinnvolle Automatisierung der Produktion. Die Retrofit-Strukturierung hat uns aber gezeigt, dass wir unsere Anlagen nicht sofort umfänglich aufrüsten müssen. Dadurch können wir unsere Investitionsmittel besser steuern und für andere Investitionen bereitstellen“, erklärt Dr. Olaf Knospe. In einer zweiten Retrofit-Phase könnte die Sensorik durch entsprechende Aktorik ergänzt werden, die zusammen mit einer SPS zu einer Automatisierung der gesamten Wickelrohranlage führt. Maßnahmen und technische Lösungen, welche im Rahmen des Retrofit kurz- und mittelfristig zu aufwändig und zu teuer wären, werden trotzdem genutzt. Im Falle einer Neukonstruktion von Anlagen – die trotz Retrofit irgendwann notwendig sein wird – können zielgerichtete Anforderungen definiert und Entwicklungskosten reduziert werden.

Durch seine Mitarbeit bei „Digital in NRW – Das Kompetenzzentrum für den Mittelstand“, hat das Fraunhofer IEM die Möglichkeit, kleine und mittlere Unternehmen zu unterstützen, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen. „Mit der Förderung durch das Bundeswirtschaftsministerium können wir kostenfreie kleine Bausteine anbieten. Mit einer initialen Unternehmenssprechstunde oder einem eintägigen Potenzial-Workshop gelingt es gut, eine erste Einschätzung über die eigenen ersten Schritte in Richtung Industrie 4.0 zu erhalten“, erläutert Dr. Ing. Arno Kühn, Abteilungsleiter am Fraunhofer IEM und „Digital in NRW“-Geschäftsstellenleiter. ik

www.its-owl.de


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Die zunehmende Komplexität von Maschinen und Anlagen stellt Unternehmen vor große Herausforderungen. Für die Produktentwicklung werden ein ganzheitliches Systemverständnis und die Betrachtung des gesamten Lebenszyklus erforderlich. Im Rahmen des Spitzenclusters it‘s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe – wurde 2014 die Fachgruppe Systems Engineering gegründet. Ziel ist es, disziplinübergreifende Methoden für die Entwicklung von intelligenten Maschinen und Anlagen in die Praxis zu bringen. Partner sind

  • das Fraunhofer IEM,
  • Dassault Systèmes,
  • die Netzwerke OWL Maschinenbau,
  • OWL ViProSim,
  • Digital in NRW – Das Kompetenzzentrum für den Mittelstand sowie
  • die Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE).

Systems Engineering ist ein wichtiges Forschungsgebiet im Technologie-Netzwerk it‘s OWL. Entwurfstechniken unterschiedlicher Disziplinen werden zu einer übergreifenden Entwurfssystematik zusammengeführt, die in Modellierungs- und Simulationsmethoden verfügbar gemacht wird. Dadurch können Unternehmen die Effektivität und Effizienz ihrer Produktentwicklung steigern. Entwicklungszeiten werden verkürzt, Abstimmungsbedarfe und nachträgliche Änderungen entfallen und die Produktqualität steigt.

Hinweis: Veröffentlichungen der Fachgruppe SE in der KEM Konstruktion Systems Engineering finden Sie auch auf der Website der Fachgruppe SE. Zusätzlich besteht für Teilnehmer die Möglichkeit, ein Printabonnement zum ermäßigten Preis zu beziehen. Interessenten wenden sich dazu bitte mit dem Stichwort ‚Abo FG SE‘ an die Redaktion:

kem.redaktion@konradin.de

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