Pictures of the Future    Herbst 2007

Auf der virtuellen Fertigungslinie

Winzige Komponenten bewegen sich auf automatisierten Fertigungsstraßen voran. Auf einer werden Leiterplatten montiert. Eine andere produziert Kontakt­geber, die Motoren ein- und ausschalten, eine dritte Drucktaster – typische Bauteile für Automatisierungssysteme. In drei Schichten rund um die Uhr werden im Werk von Siemens Automation and Drives (A&D) bei Amberg derartige Geräte gebaut. Weltweit produzieren 23 ähnliche Siemens-Anlagen Komponenten für den 121 Mrd. € schweren Markt für Automatisierungstechnik. Ein Markt, der stark expandiert – nicht zuletzt dank der Fähigkeit seiner Produkte, den Kunden viel Zeit, Geld, Energie und Ressourcen zu sparen.

Um die hohe Nachfrage auch in Zukunft befriedigen zu können, entwirft das Werk in Amberg gerade eine digitale Kopie seiner selbst. Projektleiter Holger Griesenauer und seine zehn Ingenieure nutzen dafür Werkzeuge zur Prozess- und Anlagensimulation von UGS. Dieses Unternehmen ist seit kurzem als Siemens PLM Software ein Geschäftsgebiet von A&D
(Product Lifecycle Management). Die Siemens-Experten wollen die Spezifikationen jedes Produkts, jeder in der Produktion eingesetzten Maschine und jeder Verbindung zwischen diesen Maschinen speichern. "Wenn wir diesen Prozess Ende 2007 abgeschlossen haben", sagt Griesenauer, "können wir die Fertigungs­prozesse in einer virtuellen Umgebung aufbauen, testen und sicherstellen, dass wir die Kundenanforderungen erfüllen – lange bevor wir ein reales Werk entsprechend umbauen. Das spart Zeit und Kosten." Außerdem würden auch die Ingenieure in allen Produktionsstätten weltweit Zugriff auf eine gemein­same Produkt- und Fertigungsdatenbank erhalten, erklärt Griesenauer. "Damit können sie dann selbst individuelle Lösungen für ihre Kunden entwickeln und testen.” ( Fabrik im Rechner und Schneller zum Produkt)

Ein integriertes System. Dank dieser Datenbanklösungen, die den Einsatz interaktiver, standortübergreifender 3D-Funktionsmodelle ermöglichen, werden sich Produktionsanlagen künftig von herkömmlichen Papier­diagrammen, Excel-Dokumenten und lokalen CAD-Lösungen (Computer Aided Design) verabschieden können. Die neue Technologie basiert auf dem Konzept des Product Lifecycle Managements (PLM) – also dem Management des gesamten Produktlebenszyklus. PLM integriert alle mit einem Produkt verknüpften Informationen – von den Rohmaterialien über die Konstruktion bis zur Entsorgung – in einer einzigen Datenbank. Mittlerweile hat dieser Prozess richtig an Fahrt gewonnen. Helmut Gierse, Bereichsvorstand von A&D, betont, dass "bisher isolierte Einzellösungen für Produktdesign, Fertigung und Service-Software künftig in einem integrierten System verschmelzen werden."

Um aber alle Aspekte zu umfassen, muss die PLM-Betrachtung durch das Supply Chain Management (SCM) ergänzt werden. SCM bietet den Überblick über die Finanz- und Logistikdaten des Produkts und die ganze Zulieferkette. Die Siemens-Vision für 2020 ist es, den PLM-SCM-Prozess so umfassend zu integrieren, dass jede Facette des Lebenszyklus eines Produkts simuliert werden kann. Das ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme und die auto­matische Generierung einer Fertigungslösung – eine nahtlose Einbindung der virtuellen in die reale Welt.

Obwohl die PLM-SCM-basierte Technik noch recht neu ist, verändert sie bereits nachhaltig die Arbeitsweise von Unternehmen. Laut dem Beratungs­unternehmen AMR Research erfolgen heute etwa 20 % aller Produkt- und Fertigungsänderungen virtuell
( Interview mit R. Martin). Studien des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung belegen, dass hoch entwickelte Simulationstechnologien, wie sie in Amberg und bei Siemens Transportation Systems in Krefeld ( Züge simulieren) eingerichtet sind, eine 15 % kürzere Produktionsanlaufphase, 10 % höhere Produktivität und um 20 % niedrigere Kosten für die Planung neuer Fertigungsanlagen bewirken. Die Simulation ist nicht nur aus finanzieller Sicht attraktiv, sie ist auch die einzige realistische Antwort auf die wichtigen Trends in der Industrie – wie zunehmend individuellere Produkte, stärker dezentralisierte Wert­schöpfungs­ketten, höhere Produktkomplexität und -funktionalität, oder auch der unerbittliche Druck, die Zeit bis zur Markteinführung immer weiter zu verkürzen.
( Fakten und Prognosen)

Simulation für die Einmaligkeit. Dr. Gerd Ulrich Spohr, Leiter Strategic Technology bei A&D, erläutert, wie sehr sich diese Welten voraussichtlich vermischen werden: "Die Maschinen und Prozesse sollen in den Fabriken Informationen generieren, über die sich ihre virtuellen Gegenstücke präzise abgleichen lassen. Werden dann in der realen Fabrik Änderungen notwendig, können wir eine Lösung so exakt simulieren, dass sie automatisch die Soft­ware erstellt, mit der das Verhalten der realen Maschine so verändert werden kann, dass sie den neuen Anforderungen genügt. Wir sind überzeugt, dass sich daraus ein einziger, integrierter Prozess entwickeln lässt, der nur wenige manuelle Eingriffe erfordert. Das ist unsere Vision, und wir erwarten, dass sie im Lauf der kommenden zehn Jahre realisiert werden kann."

Disziplinen vereinen. Bevor die Vision einer vollständig integrierten virtuell-realen Produktions- und Informationslandschaft Wirklichkeit werden kann, muss aber noch die so genannte "mechatronische Herausforderung" bewältigt werden: Es gilt, die mechanischen und physikalischen Daten von Objekten mit ihren elektrischen und ihren Software-Funktionen zu kombinieren – in dynamischen, in Echtzeit arbeitenden, virtuellen Prototypen. "Dazu muss es gelingen, Maschinenbau, Elektrotechnik und Software-Engineering, die sich als eigenständige Disziplinen, jede mit eigenen Werkzeugen, entwickelt haben, miteinander zu vereinen", betont Dr. Bernhard Nottbeck, Leiter der Abteilung Produktionsprozesse bei Corporate Technology (CT). "Wenn wir dies schaffen, wird es ein echter Durchbruch sein."

Neben der Herausforderung, Systeme in einem ganzheitlichen Prototyp zu integrieren, müssen die Entwickler in der virtuellen Welt auch die Echtzeit-Interaktionen vieler physikalischer Parameter wie Temperatur, Druck und Magnetfelder berücksichtigen. "Dies bedeutet ein explosionsartiges Anwachsen der Komplexität", sagt Dr. Albert Gilg, Leiter des Virtual Design Departments bei CT.

Kann Siemens diese Herausforderungen bewältigen? Das größte Teilstück des Puzzles für die Unternehmensvision, die Eingliederung von PLM Software in A&D, ist bereits erreicht. Darüber hinaus wird die breite Produktpalette des neuen Geschäftsgebiets bald durch den Simatic Automation Designer, eine facettenreiche Tool-Suite von A&D, ergänzt. "Damit können Maschinenbau-, Elektro- und Automatisierungstechniker gemeinsam an Planungs- und Entwicklungsprojekten arbeiten", sagt Projektleiter Dr. Wolfgang Schlögl.

Dank der Integration in Simulations-Tools von Siemens PLM Software könnte diese Technologie einen neuen Weg in der Produktentwicklung darstellen, bei dem die Fertigungsin- formationen automatisch aus den Produkt­spezifikatio­nen generiert würden. "Legt der Konstrukteur z.B. die Oberflächeneigen­schaften eines Produkts fest, wählt das System automatisch den richtigen Fertigungsprozess aus, um die Anforderungen zu erfüllen", erklärt Schlögl. "Packt man all dies zusammen, so erhält man letztlich eine Technologie, die auf Basis extrem genauer Produkt- und Fertigungssimulationen automatisch die korrekte Auslegung der Fabrik und die notwendigen Prozesse erstellt, um das Produkt exakt so wie in der Simulation herzustellen."

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Mit über 300 großen Fertigungsstätten, von denen jede mehr als 50 Mio. € Umsatz erzielt, ist Siemens einer der größten Hersteller weltweit. Im Unter­nehmen arbeiten weltweit über 150 000 Menschen in der Produktion und fertigen eine Vielzahl von Produkten – vom Brandmelder über die Gasturbine bis zum Computertomographen. Deshalb startete Siemens kürzlich eine "Innovation and Manufacturing Joint Initiative" für alle Unternehmensbereiche. "Durch die Zusammenarbeit mit den Bereichen können wir die wichtigsten Trends ebenso identifizieren wie die besten Lösungen und einen optimalen Erfahrungsaustausch realisieren", sagt Reinhold Achatz, Leiter Corporate Research and Technologies und verantwortlich für die Initiative (Bild oben). "Unser Ziel ist es, Technologie- und Prozess-bezogene Innovationen in der Fertigung voranzutreiben." Da laut Dr. Robert Neuhauser, der mit Achatz in der Initiative eng zusammenarbeitet, durch Verbesserungen in der Ferti­gungs­produktivität bei Siemens pro Jahr etwa 1 Mrd. € eingespart werden können, ist das ein lohnendes Ziel. "Die Fertigung hat sich in den ver­gan­genen Jahren grundlegend gewandelt", erklärt Neuhauser. "Vor zehn Jahren ging es vor allem um eine langfristige Planung. Heute ist das Geheim­nis des Erfolgs die Flexibilität. Deshalb schulen wir auch eine neue Generation von Fabrik-Managern, die mit Forschung und Entwicklung, Supply Chain Management und natürlich den Details der Fertigung bestens vertraut sind.

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Mit dem Ziel offener und schnittstellenfreier Informationsumgebungen, in denen Simulationen und reale Maschinen miteinander interagieren, testen SCR und A&D eine Software-Plattform auf Basis eines gemeinsamen semantischen Modells. "Nehmen wir an, jeder in einem Raum soll ein Haus zeichnen. Dabei werden so viele unterschiedliche Modelle entstehen, wie Menschen anwesend sind. Dieses Problem haben wir bei der in unseren Geschäftsgebieten eingesetzten Software. Können wir aber die Semantik standardisieren, so wird die Kommunikation viel effizienter", erklärt Lo.

Wohin werden uns all diese Entwicklungen in den nächsten zwanzig Jahren führen? "Wir sind auf dem direkten Weg zu einer virtuellen Darstellung der gesamten Wertschöpfungskette – also alles von den Materialien über das Produkt- und Prozess-Design bis hin zur Fernwartung – in einer ganzheit­lichen, schnittstellenlosen PLM-SCM-Umgebung", beantwortet SCR-Chef Paul Camuti die Frage. "In 20 Jahren werden die reale und die virtuelle Welt nahtlos integriert sein. Unsere Simulationen werden ein genaues Abbild der Realität erzeugen – bis ins kleinste Detail. Und das Ergebnis wird eine praktisch unbegrenzte Flexibilität der Fertigung sein," fügt der Forscher hinzu.

Das Resultat könnte eine Revolution für Einzelhandel und Verbraucher sein. Schon jetzt bieten einige Bekleidungsgeschäfte personalisierte "mass customized" Kleidung an. Mit der Weiterentwicklung der Simulationstechnik würden Hightech-Kioske und "Walk-in Websites" möglich werden: Sie ver­binden dann den Kunden mit Herstellern und Lieferanten, um möglichst realistisch die Optik und die Eigenschaften jeder beliebigen Ware individuell gestalten, testen und sogar fühlen zu können: ob Telefone, Kleidung oder ganze Häuser. Vielleicht wird es sogar so weit gehen, dass der Kunde sich selbst in die virtuellen Welten begibt, um dort die Produkte zu erleben.

                                                                                                                Arthur F. Pease