Produktion Das war der Smart Factory Day 2023 bei Audi in Ingolstadt

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Wann lohnt sich Digitalisierung? Was leistet KI in der Produktion? Wie entwickeln Zulieferer ihre Fabriken? Beim Smart Factory Day gaben Produktionsexperten ihre Erfahrung weiter.

Nachhaltig fertigen, sinnvoll digitalisieren: Beim Smart Factory Day 2023 in Ingolstadt tauschten sich rund 110 Produktionsexperten zur smarten Fabrik aus. Die Keynote hielt Jörg Spindler, Leiter Manufacturing Engineering bei Audi. Spindler ging auf die „360factory“ von Audi ein und beschrieb einzelne Funktionen in seiner Keynote. „Digitalisierung ist kein Selbstzweck“, sagte Spindler zu Beginn, „sondern Bestandteil der Wirtschaftlichkeit. Man kann vieles tun, aber es muss sinnvoll sein.“

Ein Beispiel war die virtuelle Planung. Physische Prototypen bilden nur bestimmte Produkte ab. „Fahrzeuge mit oder ohne Schiebedach, Links- oder Rechtslenker“, so Spindler. Diesen Prozess hat Audi virtualisiert. Jetzt bekommen die Beschäftigten eine 3D-Brille, Controller in die Hände, die Größe wird festgestellt. Die vollständige Montage lässt sich somit virtuell erproben, an allen denkbaren Modellvarianten.

Entwickelt hat das System Audi, basierend auf der Game Engine „Unity“. „Vor allem jüngere Beschäftigte, die in der Spiele-Szene unterwegs sind, waren begeistert“, sagte Spindler. Zum ersten Mal setzte Audi das System laut Spindler bei der Planung der Produktion für den Nachfolger des Q5 in Mexiko ein. Außerdem für den nächsten Q3, der im ungarischen Györ entstehen soll. „Hier haben wir es zu 100 Prozent umgesetzt“, sagte Spindler.

Ein anderes Beispiel war der sogenannte „balancing assist“, eine automatische Taktungsoptimierung – „die gesamte Verteilung der Aufgaben entlang der Fertigungslinie“, sagte Spindler. Bislang hätten Planer manuell festgelegt, was wann wo getan wird. „Es gibt aber extrem viele Einflüsse, die betrachtet werden müssen. Produktivität, Ergonomie, Bauraum, Fertigungszeitspreizung – das lässt sich mathematisch nivellieren und dann festlegen, wo was getan wird, um eine gleichmäßige Auslastung zu erreichen.“ Ein Mensch könne diese Planung in einem gewissen Grad auch durchführen, „mathematisch berechnet ist es aber genauer und wir können wesentlich mehr Varianten betrachten“.

Die Basis ist ein sogenannter Vorranggraph, der grafisch beschreibt, welche Vorgänge nacheinander oder zeitgleich starten dürfen. Darauf basierend kann das System Vorschläge unterbreiten. „Das ist ein komplett digitalisierter Planungsprozess“, sagte Spindler.

Ein weiteres Beispiel ist die Struktursimulation für Fluide, Stichwort Batteriewanne: Deren Boden ist aufgrund von Produktionseinflüssen leicht wellig. Die Kühlplatte unterhalb der Wanne muss aber flächig Kontakt zum Gehäuse haben. Ein sogenannter „gap filler“, ein Fluid, soll die Welligkeit ausgleichen. Lufteinschlüsse beim Verpressen von Kühlkörper und Wanne würden aber eine Isolierung wie bei einer Thermoskanne bedeuten – also einen schlechteren Wärmeübergang. In der Folge muss langsamer geladen werden und die Spitzenleistung sinkt.

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Um die Anlagen entsprechend auszulegen und die Veränderung des Fluids während des Prozesses zu simulieren, entwickelte Audi eine Simulation. „Weil es leider keine passenden Simulationstools zu kaufen gibt“, erklärte Spindler. Die wichtigsten Vorteile der selbstentwickelten Software: „Wir konnten so die Produkt- und Betriebsmittelauslegung optimieren, waren schneller beim Hochfahren der Fertigung und konnten den Raupenauftrag des Materials schneller definieren.“

Weil die Software eine Eigenentwicklung ist, lassen sich bei neuen Problemen zusätzliche Funktionen aufnehmen. „Wir haben hier einen absoluten Know-how-Vorsprung“, sagte Spindler und bezog sich dabei auf den VW-Konzern. Powerco, der Hersteller von Batteriesystemen für Volkswagen, frage die Software an, „weil es das Wissen dort noch nicht gibt“.

Digitale Durchgängigkeit in den Fabriken

Matthias Eisenschmid und Stefan Steidle von Capgemini referierten zu durchgängigen Daten in der Fabrik der Zukunft. „Wir stecken in einer Revolution, die von vielen Veränderungen getrieben wird“, fasste Eisenschmid die Transformation der Automobilbranche zusammen. „Autonomes Fahren, Connected Vehicle und Connected Production, Nachhaltigkeit, Resilienz – jedes einzelne Thema ist schon eine große Herausforderung.“

Hinzu kommen laut Eisenschmid „neue Hersteller, ‚software born‘, die Fahrzeuge sehr stark aus der Software, also aus der Funktion heraus denken. Elon Musk denkt so lange wie möglich Software. Wenn die nicht mehr reicht, denkt er an Hardware.“ Eisenschmid zog den Vergleich zu klassischen Autoherstellern und fragte: „Wie ist es in der konventionellen Industrie, bei uns?“ Die Antwort überließ er den Teilnehmern.

Produktion

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Das Stichwort „keine Legacy“ nutzte Eisenschmid als Überleitung: „Das Nervensystem der Fabriken, der Wertschöpfung, ist sehr fragmentiert. Die Systeme definieren oft Prozessgrenzen beziehungsweise Denkgrenzen.“ Neue Wettbewerber hätten diese Grenzen nicht. Sie würden neue Modelle nutzen, in denen Daten gesichert seien: „Neue Anwendungsfälle lassen sich so schneller umsetzen.“

Die Fragmentierung verhindert laut Stefan Steidle Verbesserungen in der Effizienz und eine End-to-End-Transformation – in der Folge lassen sich nur kleine Verbesserungen erreichen. Das Verschmelzen der physischen Welt der Montage mit einem digitalen Zwilling ist laut Steidle einer der vier wichtigen Hebel für die smarte Fabrik der Zukunft. Die drei anderen sind „data continuity“, „virtualisation first“ und „closed-loop-operations & digital architecture“.

Die physische und die virtuelle Welt nähern sich an, um bestehende Fabriken agil zu verbessern, sagen Eisenschmid und Steidle. Mittels Simulation ließen sich zum Beispiel Veränderungen an Bauteilen für eine produktionsgerechte Produktgestaltung besser verargumentieren – basierend auf Daten und virtuellen Modellen.

Integrierte Daten in der Produktion

Um integrierte Daten in der Produktion drehte sich der Vortrag von Andreas Rzezacz. Er leitet den Geschäftsbereich IT bei Leadec Automation & Engineering. Am Beispiel von Fügeparametern im Bodyshop zeigte Rzecacz, wie sein Unternehmen ohne Medienbrüche die Verbindung zwischen der Rohbauplanung und dem Shopfloor schafft: „Aus vorgelagerten Systemen haben wir Daten, zum Beispiel zur Blechdickenkombination oder die Koordinaten der Schweißpunkte und die Schweißspannung. Das stammt aus einem in sich geschlossenen PLM-System.“

„Wie aber kommen diese Daten in die Produktion?“, fragte Rzecacz, „wer nimmt die Roboter in Betrieb und wer übernimmt die Qualitätsrückmeldung?“ Der Übergang erfolge aktuell oft mit vielen Medienbrüchen und unterschiedlichen Dienstleistern. „Wir nehmen die Daten und übersetzen sie mit unseren Systemen, erzeugen automatisch die Vorgaben für alle Schweißzangen und Roboter, parametrieren den Bodyshop neu, erzeugen Schweißprogramme – und verknüpfen auch wieder zurück. Das ist der wichtige Punkt“, erklärte Rzezacz.

Im zweiten Beispiel informierte er über ein von Leadec entwickeltes Analyseverfahren beim atmosphärischen Plasmaspritzen. Dabei wird mit einem Laser die Zylinderinnenlaufbahn aufgeraut. Anschließend bringt ein Plasmastrahl Material auf die Laufbahnen.

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Unterschiedliche Anlagenhersteller führten beim Anlauf eines solchen hochdynamischen Prozesses zu mehreren Datensilos und Systemen. Hier ist es laut Rzezacz wichtig, alle Daten auf einer digitalen Basis abzubilden. Die Basis bilden demnach digitale Bauakten für jedes Bauteil. Sie enthalten Betriebs-, Maschinen- und Produktdaten.

Zusätzlich müssten auch Daten nebenläufiger Prozesse betrachtet werden, zum Beispiel aus der Qualitätssicherung. So lässt sich laut Rzezacz vermeiden, dass fehlerhafte Komponenten weiter gefertigt werden, weil die Auswertung der Qualitätsparameter zu lange dauert.

Das vorgestellte KI-basierte System trackt die 50.000 Parameter der Zylinderblöcke und die genaue Position des jeweiligen Zylinderblocks. „Jedes Bauteil, das auf der Linie ist, erhält einen Score von uns und kann sofort entsprechend behandelt werden“, betonte Rzezacz.

Bauteile in der Warmumformung digital erfassen

Wie Bauteile nachverfolgt werden können, die im Prozess sehr hohen Temperaturen oder anspruchsvollen Prozessparametern unterliegen, erklärte Björn Erik Mai, Co-Founder und CEO des Start-ups Senodis. Beispiel: massivumgeformte oder pressgehärtete Bauteile, die bei Temperaturen von über 900 Grad Celsius bearbeitet werden. „Simples Problem“, sagte Mai, „alles was gekennzeichnet wurde, ist zerstört oder verzundert.“ Die bislang einzige Möglichkeit sind Schlagstempel. Mittels sogenannter Wochenstempel werden so laut Mai zwischen 6.000 und 10.000 Bauteile mit einer Nummer gekennzeichnet. Eine individuelle Bauteilerfassung ist aber nicht möglich.

Seit Herbst überführt Senodis laut Mai eine neue Option in die Serienreife: keramische, pigmentierte Tinte. Sie soll es ermöglichen, einen Data-Matrix-Code auf Bauteile aufzubringen – ohne Taktzeitverzögerung. Die Tinte hält Temperaturen bis über 1.200 Grad Celsius stand. Aufgebracht wird sie mittels Industriedrucker. Laut Mai ist das System von Senodis „innerhalb einer Wartungsschicht“ in bestehende Anlagen integrierbar.

Produktion

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Für die Massivumformung, in der „kein Quadratmillimeter der Oberfläche gleich bleibt“, nutzt Senodis ein optisches Verfahren, bei dem nicht die Codes gescannt werden, sondern eine Art Fingerabdruck, der auf das Bauteil gedruckt wird. Mittels Bilderfassung lässt es sich so in jedem Prozessschritt verfolgen. „Hier arbeiten wir aktuell mit einem Massivumformer daran, das Verfahren in die ersten Pilotprojekte zu bringen“, sagte Mai. Perspektivisch will sein Unternehmen die keramische Markierung auch auf anderen Materialien einsetzen, zum Beispiel auf Aluminium oder Glas.

Die Pläne von Schaeffler zur digitalen Fabrik

Roberto Henkel verantwortet als Vizepräsident den Geschäftsbereich Digitalization & Operations IT bei Schaeffler. Er beschrieb den Weg des Unternehmens zur semi-autonomen, nachhaltigen und digitalen Fabrik der Zukunft. Das Unternehmen betreibt derzeit 83 Werke, „das heißt 83-mal Brownfield-Produktion“, erklärte Henkel und ergänzte: „Wir bauen ungefähr ein Werk pro Jahr – aber der Großteil meiner Arbeit beschäftigt sich damit, wie wir bestehende Werke digitalisieren können.“

Schaeffler sieht dabei fünf Schwerpunktthemen:

• Innovation in der Fertigung und den Wertschöpfungsketten

• Agilität als Grundsatz für die Produktionskonzepte

• Effizienz bei Prozessen und Materialien

• Nachhaltigkeit mittels grüner Produktion und Materialien

• Resilienz und Zuverlässigkeit in den Lieferketten

Die Themen „smart“ und Digitalisierung“ werden dabei explizit nicht erwähnt, „weil Digitalisierung in allen Bereichen einen Beitrag leisten kann und muss“, so Henkel. „Es geht darum, wie ich mit Digitalisierung in den fünf Bereichen beitragen und an operativen KPIs messen kann.“ Alte Systeme werde es immer geben, aber „es wird immer ein spezifischer IT-Ansatz für ein spezielles Produkt notwendig sein – das aber auf Basis einer gemeinsamen IT-Infrastruktur und stets mit dem Fokus darauf, wie ich damit Werte generiere.“

Ein Beispiel war das Optimieren von Schleifmaschinen für Bauteile mit kleinen Durchmessern bis 80 Millimeter. „Wir haben das Domänenwissen unserer Schleiftechnologen genutzt. Dieses Wissen haben wir mittels eines KI-Ansatzes in ein Modell trainiert. Anschließend haben wir das Modell mit einem Edge Device in die Maschinen implementiert. Dieser alternative Ansatz spart uns auf der einzelnen Schleifmaschine zwischen 5 und 20 Prozent Taktzeit“, sagte Henkel.

Entstanden ist das System basierend auf einer Schaeffler-eigenen Architektur. „So konnten wir diesen Ansatz in eineinhalb Jahren auf alle 2.500 Maschinen ausrollen. Wir mussten dafür jede Anlage konnektieren; das Skalieren ist uns dann aber recht leicht von der Hand gegangen“, erklärte Henkel.

Nachvollziehbare KI in der Produktionsplanung

Frank Weber, Projektmanager bei PSI FLS Fuzzy Logic & Neuro Systeme, beschrieb die Möglichkeiten der Software „Qualicision“ anhand des Beispiels „einer qualitativen Auslastungs-KPI basierend auf der Planzeit für eine Arbeitsstation als Grundlage für die Sequenzoptimierung“.

Anhand der Reihenfolgeplanung in der Produktion erklärte Weber die Funktionen der Software. Im sogenannten „Werkerdreieck“ aus zu fertigenden Fahrzeugen und Arbeitsstationen zeigte er den Zusammenhang zwischen der Fahrzeugvariante und der benötigten Fertigungszeit: „In der Steuerung muss ich darauf achten, die Fahrzeugvarianten so zu verteilen, dass die Werker bei unterschiedlichen Montageumfängen mit der Taktzeit zurechtkommen.“ Die klassische Planung erfolgt laut Weber anhand der Restriktionen und Eigenschaften.

In der Software ließen sich Fahrzeugvarianten kennzeichnen und erkennen, wie groß der Aufwand für ihre Montage jeweils ist. Anhand dieser Daten könne der Planer entscheiden: Möchte er im Ablauf so ein Fahrzeug haben oder es aktuell verbieten?

Automatisierung

„Das Thema ‚smarte Fabrik‘ ist sehr vielschichtig“

In der Software gibt es laut Weber für Wahrheitswerte „nicht nur null bis eins im Sinne von ‚Ja‘ und ‚Nein‘, sondern ich kann sehen, ob die Variante unterstützt oder behindert“. Das ist laut Weber für alle Restriktionen möglich.

„Connected Worker“ – ein Ansatz

Um das virtuelle Befähigen von Beschäftigten in der Produktion ging es im Vortrag von Jan Berner von der EDAG-Ausgründung Feynsinn und Philipp Hummel von EDAG Production Solutions. Mittels 3D-Visualisierungen lassen sich komplexe Inhalte einer smarten Fabrik verständlich darstellen. In der virtuellen Umgebung können die Beschäftigten trainieren, Fehler machen und daraus lernen. Kosten entstehen dabei keine. Der Vorteil: Es sind Situationen trainierbar, die im realen Leben schwer oder nicht nachstellbar sind.

Die Daten für die virtuellen Trainingsumgebungen stammen im besten Fall aus einer frühen Planungsphase. CAD-Daten oder Prozessinformationen bilden die Trainingsgrundlagen – wenn sie entsprechend für die Trainingsumgebung ausgeleitet werden. Am Beispiel der Software „ema WD“ erklärten Berner und Hummel die umfassende Prozessplanung und Arbeitsplatzgestaltung. Die Software ermöglicht die Prozessabsicherung, Ergonomiebewertung und Zeitanalysen. Die Prozesse lassen sich virtuell darstellen – und ausleiten in ein virtuelles Training.

Paneldiskussion

In der Paneldiskussion ging es nochmals im Detail um die Transformation der Branche und was das für die Werke bedeutet. Karsten Heuser, Vizepräsident Additive Manufacturing Siemens Digital Industries, sah dabei vor allem im additiven Fertigen von Betriebsmitteln eine naheliegende Möglichkeit für eine nachhaltige Fabrik. „Wir haben das beispielhaft gerechnet“, sagte Heuser. „Ein gedruckter Greifer für große Chassis am Roboter kann 60 bis 70 Prozent leichter sein. Der Roboter braucht damit weniger Strom und weniger Platz. Das führte in unserer Rechnung mit 100 Robotern zu bis zu 300 Tonnen CO₂, die pro Jahr weniger emittiert werden.“

Recycling

Sekundärrohstoffe im kommerziellen Maßstab recyceln

Am Beispiel China verdeutlichte Heuser den Vorsprung der dortigen Industrie: „Dort stehen in Fabriken zum Beispiel 250 Drucker und drucken 100.000 Bauteile für die Autoindustrie, Serienbauteile. Die Entwickler konstruieren für eine bessere Performance und sparen so am Ende Material und optimieren das Bauteil.“

„Wir müssen uns sputen, damit wir in Deutschland den Anschluss nicht verpassen. Die Entwicklung in China und den USA ist rasant und greift den Spritzguss an – weil ich Performance-Vorteile zu gleichen Kosten habe“, warnte Heuser. Sein Ansatz: „Wer sind die Zulieferer, die heute Fräszentren und Komponenten herstellen? Wie machen wir die Unternehmen fit, damit sie abwägen, wann ein Teil substraktiv oder additiv hergestellt wird? Diese Industrie müssen wir miteinander aufbauen.“

Der anschließende Rundgang im Werk von Audi in Ingolstadt gab Gelegenheit für den persönlichen Austausch und praktische Einblicke in die Fertigung des Autoherstellers.

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