Pictures of the Future   Herbst 2007

Virtuell auf Hochtouren

Für Hightech-Produkte braucht man auch eine Hightech-Entwicklungs­umgebung. Daher setzt Siemens in Krefeld auf eine rein virtuelle Produkt- und Produktionsentwicklung und gestaltet am Computer ganze Züge. Damit nicht genug: Selbst die Digitalisierung der kompletten Fertigung soll bis 2009 Realität werden.

Der Zugführer des Hochgeschwindigkeitszuges Velaro schaut starr gerade­aus, während er die Steuerelemente in seinem Cockpit bedient. Plötzlich öffnet sich eine Klappe im Boden, der Blick schwenkt unter den Zug, Bauteile lösen sich und fügen sich wieder zusammen.

Wir befinden uns im Virtual-Reality-Labor bei Siemens Transportation Systems (TS) in Krefeld am Niederrhein. Weder Zug noch Fahrer sind echt, sondern virtuell animiert. Statt Flipcharts gibt es in dem Konferenzraum eine Powerwall, auf der sich mit Hilfe von 3D-Brillen Entwicklungsmodelle maßstabsgetreu in einer vom Rechner erzeugten räumlichen Umgebung betrachten und diskutieren lassen. "Das hilft enorm, etwa bei Einbauplanungen, Wartbarkeits­analysen und Ergonomiestudien", erklärt Reinhard Belker, Leiter Engineering Process Management.

Das Virtual-Reality (VR)-System ist fest in den Entwicklungsprozess bei TS eingebunden. Regelmäßig treffen sich die Konstrukteure, um die Entwicklungs­stände im virtuellen Raum zu studieren und mit angeschlossenen Bereichen zu besprechen. Das geht auch in so genannten Collaboration-Sitzungen mit dem Schwesterwerk in Prag, wo das gleiche System zur Verfügung steht. Bisher ist dies weltweit einmalig.

Das VR-System ist aber nur eines der innovativen Werkzeuge, die die rein virtuelle Produkt- und Produktionsentwicklung bei TS unterstützen. Die komplette Zug-Konstruktion verläuft mittlerweile in einer durchgängigen 3D-CAD-Prozesskette: Von der Konzeption über die Entwicklung bis hin zu Produktionsvorbereitung, Fertigung, Montage und Dokumentation wird auf Basis von CAD-Systemen (Computer Aided Design) dreidimensional gearbeitet.

Alle Partner arbeiten virtuell zusammen. Weltweit lassen sich so die Entwicklungsstände neben dem Hauptwerk in Krefeld noch in Prag, Erlangen, Kassel, Graz, Wien und Ostrava in Tschechien zeitnah abgleichen. Außerdem sind Lieferanten und Dienstleister eingebunden, um Schienen-Fahrzeuge von der Metro bis zum Hochgeschwindigkeitszug zu entwickeln.

Hohe Marktanforderungen. Hightech-Werkzeuge sind in Krefeld ein Muss, denn die Marktansprüche wachsen ständig. So fordern die Kunden weltweit kürzere Entwicklungszeiten bei gleichbleibender beziehungsweise steigender Qualität und einer hohen technischen Komplexität. "Vor einigen Jahren haben wir einen Hochgeschwindigkeitszug innerhalb von drei Jahren entwickelt und gefertigt, heute wird das bereits innerhalb von zweieinhalb Jahren verlangt", sagt Martin Olbrich, Leiter der Arbeitsvorbereitungsmontage. Dazu kommt wegen des starken Wettbewerbs ein extremer Preisverfall auf dem Schienen­fahrzeugmarkt. "Mit herkömmlichen Methoden kann man diesen Anforderun­gen nicht mehr begegnen. Gefragt sind Innovationen nicht nur bei den Produkten, sondern auch in den Fertigungs- und Entwicklungsverfahren", erläutert Belker.

Schrittweise haben die TS-Ingenieure einen einzigartigen technischen Stand erreicht: Seit 1999 konstruieren die Entwickler durchgängig in 3D-Technologie. 2002 führten sie ein einheitliches 3D-Verwaltungssystem sowie das Virtual-Reality-System ein. 2003 war bereits die papierlose Fabrik Wirklichkeit, die auf virtuellen Mon- tageanleitungen beruht. Das heißt, bevor die Monteure in und an den Zügen zu arbeiten beginnen, lassen sie sich die einzelnen Arbeits­schritte virtuell animiert zeigen. 2004 wurde das SAP-Modul "Product Lifecycle Management" eingeführt, das den gesamten Produktentstehungsprozess steuert und dokumentiert.

Und seit 2006 gibt es eine durchgängige und standortübergreifende 3D-Prozesskette, bei der bereits während der Konzepterstellung auf Basis von 3D-CAD-Daten Animationen erstellt und erste Simulationen durchgeführt werden. Die Entwickler modellieren die einzelnen Baugruppen bis zur letzten Schraube in 3D und stellen sie über ein einheitliches Produktdaten-Managementsystem den anderen Partnern weltweit zur Verfügung – noch bevor in der realen Welt an einer einzigen Schraube gedreht wird. Diese Prozesse verlaufen teilweise parallel, die ersten Entwicklungsfortschritte werden sofort in die Planungen der anderen Bereiche einbezogen.

Treffpunkt virtuelle Realität. Da die 3D-CAD-Daten viel Speicherplatz benötigen, nutzt man sie nicht in allen Prozessbereichen. Einige arbeiten mit so genannten Viewing-Daten, die weniger speicher- und kostenintensiv und einfacher in der Benutzung sind. Alle Daten werden automatisch in das Viewing-Format konvertiert. Nur so sind die weltweiten Sitzungen möglich, in denen sich die Entwickler über die aktuellen Entwicklungsstände aus­tauschen. Damit ist nicht nur die zeitintensive Reiserei passé, sondern die komplette Entwicklung verläuft weniger fehleranfällig und schneller. Schließlich weiß jeder Entwickler stets ganz genau, was der andere macht. Zwar sind noch die Daten der Zulieferer und externen Konstruktionspartner zu prüfen, zu konvertieren und zu integrieren, da sie teilweise auf unterschiedlichen Systemen basieren. Aber auch hier arbeiten die Spezialisten bereits an einer Lösung.

Auf Basis der 3D-Daten aus der Entwicklung können die Experten der Produktionsvorbereitung die Fertigung und Montage planen und steuern, indem sie beispielsweise Montagereihenfolgen festlegen und simulieren sowie Arbeitspläne erstellen und visualisieren. Die Fertigung benutzt die 3D-Daten wiederum als Grundlage für verschiedene eigene Arbeiten.

Trotz durchgängiger Nutzung der 3D-Daten in allen Bereichen kann man aber in der Fertigung und Montage noch nicht vollständig auf die zweidimensionalen Zeichnungen verzichten, da sie teilweise derart komplexe Informationen enthalten, die sich nur recht aufwändig in die 3D-Modelle einfügen lassen. Dazu Belker: "Im Prinzip kann man auf die 2D-Zeichnungen verzichten, das haben wir bewiesen. Ein IT-Werkzeug, das diesen Vorgang effektiv unterstützt, gibt es aber noch nicht. Wir arbeiten nun daran, den Aufwand für die Erstellung der 3D-Modelle zu reduzieren."

Die animierten Baugruppen erleichtern den Monteuren ihre Arbeit, "da man sich viel schneller in sie hineindenken kann als in die 2D-Zeichnungen mit ihren unzähligen Positionsnummern", beschreibt Olbrich. Die 3D-Daten dienen als virtuelle Montageanleitungen. Die Monteure haben sowohl einen schnellen Überblick über die Gesamtsituation als auch genauere Informationen über die Integration der zu montierenden Komponenten. Die Einarbeitungszeit ist kürzer, es gibt weniger Rückfragen und weniger Fehler.

Auch für Produktbeschreibungen und Wartungsunterlagen am Ende der Prozesskette sind die 3D-Daten sehr wertvoll. Doch auch hier gibt es nach wie vor 2D-Zeichnungen, da erstens zweidimensionale Fahrzeugdokumentationen üblich sind, und es zweitens bislang kein anerkanntes Format für 3D-Daten gibt, das eine Langzeitarchivierung ermöglicht. Bei TS steht aber ganz klar auf dem Plan, alle Beteiligten von den Vorteilen der dreidimensionalen Fahr­zeug­dokumentation zu überzeugen.

Damit ist die gesamte Prozesskette virtuell abgebildet. "Unsere Kunden sind beeindruckt, wie wir diese innovativen Technologien in unsere Entwicklungs­prozesse integriert haben", sagt Belker. Andy Neuschulz von der trans regio Deutsche Regionalbahn GmbH bestätigt: "Mit der virtuellen Produktentwicklung ist der Produktionsprozess leichter nachvollziehbar und besser zu über­wachen. So konnten wir bei einer ersten Fahrzeugvorstellung vor Vertretern aus der Politik bereits in einem sehr frühen Produktionsstadium ein ziemlich realistisches und beeindruckendes Bild unserer Züge bieten."

trans regio betreibt derzeit mit 20 Fahrzeugen drei Strecken in Rheinland-Pfalz und wird demnächst den Betrieb auf der so genannten Mittelrheinbahn von Köln über Koblenz nach Mainz aufnehmen und dazu insgesamt 16 Fahrzeuge des Typs Desiro ML von Siemens einsetzen.

In Krefeld läuft Reinhard Belker nun durch die Fertigungshalle, in der sich Wagen an Wagen reiht. In ihnen hängen die Kabel noch kreuz und quer. In der Halle herrscht peinliche Ordnung. "Die virtuelle Produkt- und Fertigungs­entwicklung beherrschen wir bereits bestens", erklärt der 41-Jährige. "Nun ist der nächste Meilenstein ins Rollen gekommen: Seit April dieses Jahres läuft die Einführung der Digitalen Fabrik." Bis Ende 2009 soll sie abgeschlossen sein.

Effektivere Zusammenarbeit. Die Digitale Fabrik ist das Abbild eines Produktions­standortes, in dem die Prozesse am Computer visualisiert und simuliert werden. Letztlich umfasst die Digitale Fabrik den gesamten Lebens­zyklus eines Produkts: von der Planung über die Entwicklung und Fertigung bis hin zu Vertrieb, Service und Wartung.

Die Ziele bei TS sind, dass Entwicklung und Fertigung noch enger zusammen­wachsen, dass die Zusammenarbeit noch effektiver gestaltet wird und dass die Produkt- und Prozessentwicklung noch stärker parallel verlaufen. Prozess­planungen, Layoutplanungen und Kapazitätsanalysen lassen sich in der Digitalen Fabrik bestens aufeinander abgestimmt ausführen. Alle Planer greifen auf eine gemeinsame Datenbank als Basis zu. Damit kann man unter anderem die Fehlleistungs- und Fertigungsanlaufkosten sowie die Abstimmungsaufwände erheblich reduzieren.

Im Gegensatz zur Automobilbranche hatten sich Anlagenbauer bislang noch nicht so recht an das Thema Digitale Fabrik herangetraut, da sie wegen ihrer geringen Stückzahlen den Aufwand scheuten. Aber gerade hier ist die durch­gängige Simulation des Produktlebenszyklus entscheidend.

Das beschreibt anschaulich Dr. Robert Neuhauser, der bei Corporate Supply Chain and Procurement ein Siemens-weites Programm zur Zukunft der Fertigung leitet: "Während man bei Produkten, die in großer Zahl über Jahre produziert werden, die Prozesse über lange Zeit beständig verbessern und optimieren kann, sind das Projekt- und das Kleinseriengeschäft geprägt durch kurze Anlaufzeiten und eine kurze Fertigungsdauer. Daher muss bereits beim ersten Start alles optimiert hochlaufen, sonst ist die Fertigungsphase vorbei, bevor eine signifikante Optimierung stattfinden kann. Die Simulation erlaubt, in der digitalen Welt vorab alle Optimierungsmöglichkeiten durchzuspielen, die man sonst zu spät in der realen Welt erkennen würde."

Das weiß man auch im Werk in Krefeld, in dem im Jahr durchschnittlich 450 Wagen gefertigt werden. Eine Voruntersuchung und Wirtschaftlichkeitsanalyse, die die Abteilungen bei TS gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) erstellten, zeigen die Vorteile der Digitalen Fabrik. Die Potenziale liegen in der schnelleren, qualitativ hoch­wertigeren Planung. Integrierte Werkzeuge befreien die Fachleute von Routine­tätigkeiten und bieten zeitlichen Freiraum zur Planung von günstigeren, qualitativ ausgereifteren Produkten und deren kostenoptimaler Herstellung von Anfang an.

Reinhard Belker freut sich auf die Digitale Fabrik. Er ist mittlerweile in der Halle angelangt, in der die fertigen Züge stehen – bereit, die Fabrik zu verlassen. "In Zukunft werden wir den Kunden unsere Züge noch schneller liefern können", prophezeit er.
                                                                                                                    Gitta Rohling