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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Digitale Fabrik

99,99885 Prozent Qualität

Simatic produziert Simatic: Im Elektronikwerk Amberg steuern speicherprogrammierbare Steuerungen die Fertigung ihrer Artgenossen.

Seit Jahren diskutieren Wissenschaftler, wie sich die Fertigung verändern wird. Wesentliche Elemente der „intelligenten“ Fabrik von morgen lassen sich im Elektronikwerk Amberg von Siemens besichtigen. Bereits heute kommunizieren dort Produkte und Maschinen und sind sämtliche Prozesse IT-optimiert und -gesteuert – bei minimaler Fehlerquote.

Alles ist sauber und steril. Die Suche nach einem Staubkorn gleicht fast der nach der Nadel im Heuhaufen. Die Mitarbeiter in ihren blauen Arbeitskitteln bewegen sich geräuschlos über den blank geputzten, weiß-grau marmorierten PVC-Boden. Brusthohe, blaugraue Maschinenkästen stehen aneinandergereiht, dazwischen Monitore, auf denen Daten wie Wasserfälle hinunterrauschen. Kontrolllampen blinken rot und grün. Lange Reihen von Halogenröhren tauchen die Halle in ein helles, kühles Licht.

Durch die wenigen schmalen Fensterstreifen, die vom Boden bis zur Decke reichen, dringt ein wenig Tageslicht herein. Es lässt erahnen, dass draußen langsam der Frühling die Wintertage abgelöst hat. Fließbänder klackern, ein Gabelstapler brummt, Luftdruckventile zischen. Was auf den ersten Blick wie der Operationssaal eines Krankenhauses wirkt, ist die Fabrikhalle des Elektronikwerks Ambergs (EWA) von Siemens.

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Hier werden keine Patienten behandelt. Seit der Gründung 1989 produziert Siemens an diesem Standort speicherprogrammierbare Steuerungen vom Typ Simatic. Sie dienen dazu, Maschinen und Anlagen zu automatisieren und dadurch Zeit und Kosten zu sparen sowie die Produktqualität zu erhöhen. Sie steuern Bordsysteme von Kreuzfahrtschiffen ebenso wie industrielle Fertigungsprozesse, etwa in der Automobilindustrie, oder auch Skiliftanlagen.

Jede Sekunde verlässt ein Simatic-Produkt das Elektronikwerk Amberg.

Jährlich zwölf Millionen Simatic-Produkte

Siemens ist Weltmarktführer auf dem Gebiet elektronischer Steuerungen. Das EWA ist hierzu das Vorzeigewerk. Es produziert 99,99885 Prozent Qualität, die wenigen Fehler werden durch verschiedene Prüfstationen erkannt. „Ich kenne weltweit kein vergleichbares Werk, das an diese niedrige Fehlerquote herankommt“, erklärt Prof. Dr. Karl-Heinz Büttner, Leiter des EWA. Jährlich stellt die Fabrik zwölf Millionen Simatic-Produkte her. Bei 230 Arbeitstagen pro Jahr bedeutet das: Jede Sekunde verlässt ein Gerät das EWA.

Die Fertigung funktioniert weitgehend automatisiert. 75 Prozent der Wertschöpfungskette bewältigen Maschinen und Computer eigenständig, ein Viertel der Arbeit wird von Menschen erledigt. Nur zu Fertigungsbeginn wird das Ausgangsbauteil, eine unbestückte Leiterplatte, von menschlicher Hand berührt – ein Mitarbeiter legt es in die Produktionsstraße. Von nun an läuft alles maschinengesteuert. Der Clou: Simatic-Steuerungen selbst regeln die Herstellung von Simatic. Vom Produktionsbeginn bis zur Auslieferung sind rund tausend solcher Steuerungen im Einsatz.

60.000 Kunden in der ganzen Welt

Zu Beginn gelangt die leere Leiterplatte über Transportbänder in einen Drucker, der mittels Schablonendruckverfahren bleifreie Lötpaste aufträgt. Bestückungsköpfe setzen dann die einzelnen Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren oder Mikrochips auf. Die schnellste Produktionslinie schafft pro Stunde 250.000 Bauelemente. Simatic-Steuerungen kontrollieren diesen Prozess. Die bestückte Leiterplatte gelangt nach dem Lötprozess in ein optisches Prüfsystem: Eine Kamera untersucht die Position der aufgelöteten Bauteile, eine Röntgenanlage überwacht die Qualität der verlöteten Verbindungsstellen. Nach erfolgreicher Prüfung wird die Leiterplatte in ein Gehäuse montiert, erneut getestet und an das Lieferzentrum in Nürnberg verschickt. Von dort gelangen die Steuerungen an über 60.000 Kunden in der ganzen Welt: 20 Prozent nach China, der Rest wird vorwiegend in Deutschland, den USA und Italien verkauft.

Auch wenn in Amberg hochautomatisiert produziert wird – das Sagen hat am Ende immer noch der Mensch. So überwacht Facharbeiter Johannes Zenger die Prüfstation für bestückte Leiterplatten, ohne deren Bauteile und Schaltkreise selbst zu testen. „Mein Arbeitsplatz ist der Computer“, sagt der Elektroniker. Hier kann er, wie seine Kollegen auch, die gesamte Wertschöpfungskette überblicken. Möglich macht das ein individueller Barcode, den jede Leiterplatte trägt, um mit den Produktionsmaschinen zu kommunizieren. Mehr als tausend Scanner dokumentieren in Echtzeit sämtliche Schritte im Herstellungsprozess und sammeln Produktinformationen wie Löttemperatur, Bestückungsdaten oder Prüfergebnisse.

Hohe Automatisierung

„Der Lebenslauf eines jeden Produkts lässt sich bis ins kleinste Detail verfolgen“, erklärt Büttner. Täglich entstehen so rund 50 Millionen Prozessinformationen, die in das Manufacturing Execution System Simatic IT eingespeist werden. Die Software definiert sämtliche Fertigungsregeln und -prozesse. Damit wird die Produktion von Anfang bis Ende virtuell erfasst und gesteuert. Zudem ist sie eng mit der F&E-Abteilung vernetzt. Neueste Daten über die Weiterentwicklung von Simatic gelangen über die PLM-Software-Lösungen NX und Teamcenter unmittelbar in die Herstellungsprozesse. Da in Amberg insgesamt tausend verschiedene Produkte gefertigt werden, ist diese enge Anbindung an die Entwicklung von großer Bedeutung.

Jeden Tag entstehen 50 Millionen Prozessinformationen. Mit ihrer Hilfe lässt sich der Lebenslauf eines jeden Produkts bis ins Detail nachverfolgen.

Produkte kommunizieren direkt miteinander

Das Elektronikwerk Amberg ist das Idealbeispiel für die Anwendung der „Digital Enterprise Platform“ von Siemens. Hier wird produziert, wie es in zehn Jahren Standard sein könnte. Die Produkte steuern ihre Fertigung selbst. Sie teilen den Maschinen über den Produktcode mit, welche Anforderungen sie haben und welche Produktionsschritte als nächstes nötig sind. Ein erster Schritt auf dem Weg zur Industrie 4.0. Diese Vision der vierten industriellen Revolution geht davon aus, dass zukünftig die reale und die virtuelle Welt in der Produktion zusammenwachsen. Fabriken werden sich weitgehend selbst steuern und optimieren können, da Produkte miteinander und mit den Maschinen kommunizieren und ihre Fertigung aushandeln. Sie klären untereinander, welches Produkt in der Fertigungsstraße mit welcher Dringlichkeit ausgeliefert werden muss und Vorrang genießt. Software-Agenten, also eigenständig handelnde Computerprogramme, überwachen das Prozedere und sorgen dafür, dass Produktionsregeln eingehalten werden. Fabriken können dann individuelle Einzelprodukte fertigen, ohne unwirtschaftlich zu sein: in kurzer Zeit, zu niedrigen Kosten bei höchster Qualität.

Der Mensch bleibt unverzichtbar

Ganz ohne den Menschen, also nur mit Maschinen, stünde die Produktion im EWA aber dennoch still. Bei der Entwicklung von Produkten und ihrem Design, bei der Produktionsplanung oder auch bei unerwarteten Zwischenfällen ist der Mensch unverzichtbar. Das wird sich auch in Zukunft nicht ändern. „Ich bezweifle, dass es in absehbarer Zeit Maschinen gibt, die ohne den Menschen eigenständig denken und intelligent arbeiten“, erklärt Büttner. Sein Blick in die Halle des EWA bestätigt dies: Etwa 300 Menschen arbeiten in der aktuellen Schicht; insgesamt verfügt das EWA über rund 1.100 Mitarbeiter.

Innovation dank der Mitarbeiter

„Es ist nicht unser Ziel, eines Tages eine menschenleere Fabrik zu haben“, konstatiert Büttner. Kein Wunder. Denn auf die zündenden Ideen, wie sich das System weiter optimieren lässt, kommen die effizienten Maschinen nicht von selbst. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor im Werk Amberg ist das Vorschlagswesen. Die Verbesserungsideen der Mitarbeiter sind für 40 Prozent der jährlichen Produktivitätssteigerung verantwortlich, erklärt der Werksleiter. Die anderen 60 Prozent werden durch Investitionen in die Infrastruktur abgedeckt, beispielsweise den Kauf neuer Montagelinien oder die Innovation des Logistikequipments. Die Grundidee: „Viel besser als das Management kann der Mitarbeiter an der Maschine beurteilen, was im Alltag gut und was nicht gut läuft und wie die Prozesse optimiert werden können“, erklärt Büttner. 2013 berücksichtigte das EWA 13.000 dieser Ideen, die mit insgesamt rund einer Million Euro honoriert wurden.

Die Produktivitätssteigerung beruht zu 40 Prozent auf den Ideen der Mitarbeiter, zu 60 Prozent aus Infrastrukturinvestitionen.

Vorbild für China

Anderer Kontinent, gleiches Bild: Seit Februar 2013 sind in der chinesischen Großstadt Chengdu die Siemens Electronic Works Chengdu (SEWC) in Betrieb. Das Werk ist weitgehend eine Kopie des EWA. Auch hier werden Simatic-­Steuerungen produziert. „Wir wollen da sein, wo der Kunde ist“, erklärt Jochen Berger, Projektkoordinator im EWA. Deshalb geriet China in den Fokus. Das Reich der Mitte ist der weltweit größte Markt für Automatisierungstechnik und hinter dem europäischen Markt der zweitgrößte für programmierbare Steuerungen. Die Software-­Tools sind in Chengdu die gleichen wie in Amberg, die Produktionsabläufe auch. Selbst die Optik in Chengdu erinnert an das EWA.

Noch befindet sich das SEWC allerdings im Aufbau. Und der Grad der Automatisierung liegt noch unter Ambergs 75 Prozent. Auch die Bandbreite der Produkte ist noch nicht vergleichbar. In Sachen Energieeffizienz steht das SEWC dem Elektronikwerk Amberg aber in nichts nach. Jüngst erhielt das Werk die LEED­-Zertifizierung in Gold (Leadership in Energy & Environmental Design). Verglichen mit ähnlichen Gebäuden spart die Siemens­-Fabrik jährlich rund 2.500 Tonnen Wasser, 820 Tonnen CO2 und geschätzte 116.000 Euro an Energie­ kosten – dank intelligenter Gebäudetechnik. Damit ist das Siemens­-Werk die erste Firma in Chengdu, die diese Auszeichnung bekommen hat.

Das SEWC beschäftigt etwa 350 Mitarbeiter, davon die Hälfte in der Produktion, die andere Hälfte in dazu notwendigen Supportfunktionen. „Wir befinden uns noch mitten im Aufbau“, sagt Andreas Bukenberger, der technische Leiter des SEWC. „Wir bauen hier weiter Kompetenzen auf und schulen unsere neuen Mitarbeiter. Der Plan ist, neue Produkte in den Markt einzuführen, unser Marketing zu intensivieren und Kontakte zu Lieferanten, Behörden und Kunden auf­ und auszubauen.“

Extremer Qualitätsanstieg seit 1989

Das Werk in Chengdu will von den Qualitätsstandards in Amberg lernen. So hochautomatisiert das EWA arbeitet, so wenig hat es sich seit 1989 optisch verändert. Auf den ersten Blick. „Heute sind mehr Maschinen zu sehen, die zudem größer sind als noch vor 25 Jahren“, erklärt Norbert Eckl, Leiter der Werksplanung des EWA. Doch bei genauerem Hinsehen zeigt sich, dass sich auch die Arbeitsabläufe und -ergebnisse deutlich verändert haben. Bei gleichbleibender Produktionsfläche und kaum angewachsener Mitarbeiterzahl hat das Werk sein Produktionsvolumen versiebenfacht. Wichtiger noch: Die Qualität stieg ebenfalls erheblich. 1989 wies die Produktion eine Mängelquote von 500 defects per million (dpm) aus – pro einer Million Fehlermöglichkeiten wurden 500 Fehler gezählt. Heute sind es nur noch 12 dpm. „Eine beeindruckende Zahl“, sagt Büttner stolz. Im Hintergrund klackern die Fließbänder, ein Gabelstapler brummt und Luftdruckventile zischen. Das EWA ist zwar kein Krankenhaus. Aber doch so etwas wie eine Geburtsstätte – für modernste Automatisierungstechnik.

Ulrich Kreutzer