Digitale Fabrik Realisierungsstand und Chancen

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1 Digitale Fabrik Realisierungsstand und Chancen Institutsleiter, Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg Plenarvortrag zum Symposium des Innovationsforums Digitale Fabrik

2 Übersicht 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

3 1. Kurzvorstellung IFF 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

4 Fraunhofer IFF: ein Institut zwei Standorte Institutsgebäude Fraunhofer IFF Sandtorstraße 22 Grundstücksfläche 7389 m² Hauptnutzungsfläche 5009 m² davon Technikum 1300 m² Virtual Development and Training Centre Joseph-von-Fraunhofer-Straße 1 Grundstücksfläche 8975 m² Hauptnutzungsfläche 2755 m² Kernstück 360 -Laserrundprojektion Elbe Dom Kurzvorstellung IFF

5 Vernetzung des Fraunhofer IFF und der OvG-Universität Magdeburg Fraunhofer IFF Otto -von -Guericke-Universität Geschäftsfelder Kompetenzfelder Geschäftsstellen Kompetenzzentren ILM Robotersysteme Virtual ViVERA / Visualisierungs - Lehrstuhl für Engineering AVILUSplus techniken Logistische Mess- und Systeme Prüftechnik Materialfluss - VIDET Training und Virtuell Inter - technik und Technologie Logistikprozess- MIDAS (im Aufbau) -systeme steme analyse aktives Training Logistik - und Fabriksysteme Prozess- und Anlagentechnik Virtual Prototyping Biosystems Engineering VIERforES Virtual Engineering Simulationstechnik Maschinelles Sehen Energienetze u. Regenerative Energien Robotik u. einge - bettete Systeme RobotsLab Modellierung logistischer prozesse Kurzvorstellung IFF

6 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

7 Vision Digitale Fabrik Vollständige digitale Repräsentation von Produkt, Prozess und Ressource über den gesamten Fabriklebenszyklus Produkt, Prozesse, Ressourcen und Produktionsstätten sollen über den Fabriklebenszyklus digital geplant, simuliert und integriert Entwicklung Aufbau werden sowie mit Hilfe rechnergestützter Methoden Visualisierung Simulation geändert, korrigiert und in ihren Wechselwirkungen optimiert werden. Prozess Freigabe zur physischen Produktherstellung, wenn das Produkt digital abgesichert ist und die Digitale Fabrik erfolgreich durchlaufen wurde. Abbau Produkt Dokumentation Ressource Kommunikation Anlauf Dadurch Zeit- und Kostenersparnis bei gleichzeitig höherer Qualität und Reifegrade Betrieb Quelle: Schenk und Wirth Digitale Fabrik - Eine Einführung

8 Ansätze zur Definition der Digitalen Fabrik Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen (u.a. der Simulation und 3D/VR-Visualisierung), die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Prozesse und Ressourcen der Fabrik in Verbindung mit dem Produkt. VDI-Richtlinie 4499 "Die Digitale Fabrik ist eine neue Plattform für Engineering-Werkzeuge g g mit hohem Anspruch an die Integration" Studie CIM Aachen Management Consultants (2006) Digitale Fabrik - Eine Einführung

9 Techniken der Digitalen Fabrik im Produktentstehnungsprozess Produktentstehungsprozess Produktentwicklung Produktionsplanung Produktion Methoden Werkzeuge Benutzerschnittstellen Benutzerschnittstellen Simultaneous/Concurrent t Engineering i Geschäftsprozessmanagement Produkt-/Simulationsdatenmanagement Toleranzmanagement/-simulation CAP/PPR Computer Aided Office, Projekt-/Wissensmanagement, Groupware CAQ Ablaufsimulation VIBN FEM-Simulation CAD/Fabriklayoutgestaltung MKS/3D-Kinematiksimulation CAM/NC Virtual Reality PPS/ERP BDE/MES RFID Augmented Reality Telepräsenz BDE: Betriebsdatenerfassung FEM: Finite Elemente Methode NC: Numeric Control MES: Manufacturing Execution Systems MKS: Mehrkörpersimulation VIBN: virtuelle Inbetriebnahme Quelle: Schack Digitale Fabrik - Eine Einführung

10 Die Zukunftsvision ist vorhanden 100 Reifegrad Digitale Fabrik 50 2D-CAD 3D-CAD PPS 3D-CAD Digital Mock-Up PDM VR Simulation CAE Digitale Fabrik AR state of the art Digital integriertes Unternehmen Wissensintegration Prozess- und Organisationsanpassung Wissensorientierte Systeme PPR-Planung-Flächendeckender Einsatz 25 Zeichenbrett 0 2D-CAD NC/CNC CAM CIM Datenintegration PLM Zeit Ursprung Gegenwart Zukunft Digitale Zeichnung Digitales Bauteil Digitales Produkt Digitale Produkt-Prozess- Ressourcen-Planung Planung, Simulation und Fabriklayout Verknüpfung von Produktentstehungs- und Kundenauftragsprozess Quelle: in Anlehnung an: Bär (2004), Faber (2005), Spur und Krause (1997), Westkämper (2006), Wildemann (2005) und Zäh u.a. (2005) Digitale Fabrik - Eine Einführung

11 Businessanforderungen beeinflussen maßgeblich die Weiterentwicklung der Digitalen Fabrik im Bereich Automotiv Busin ness Neue Fertigungstechnologien Verkürzung Entwicklungszeit Steigende Variantenzahl/ Steigende Produktkomplexität Flexibles und wandlungsfähiges Produktionsnetzwerk Produktentwicklung Produktentwicklung Produktentwicklung Produktionsplanung Produktionsplanung Produktionsplanung IT Produktion Produktion Produktion Qualifizierung und Einführung Einzelwerkzeuge Erhöhung Durchdringung und Vernetzung Werkzeuge Stärkere übergreifende Vernetzung der Systeme Quelle: Henkel und Reiter 2008, BMW Group Digitale Fabrik - Eine Einführung

12 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

13 Product Lifecycle Management (PLM) als Backbone der Digitalen Fabrik PLM ist ein aktueller Abschnitt in der Evolution der Digitalen Fabrik, der eine logische Weiterentwicklung von CA-,PDM-,PPR-, und PPS/ERP-Systemen darstellt PLM beschreibt den kombinierten Einsatz von Rechnerwerkzeugen entlang des gesamten Produktlebenszyklus Ziel ist die Vereinheitlichung aller Informationen, die ein Produkt beschreiben und betreffen, z.b.: Datenverwaltung Dokumenten-/Objektmanagement Versions- und Änderungsmanagement Produktstrukturmanagement Techniken der Digitalen it Fabrik sind i.d.s. technologische h Basis für PLM-Systeme Grundlage ist effiziente Gestaltung der Zusammenarbeit und Kommunikation zwischen Mitarbeitern, Partnern, d.h. sowohl unternehmensintern als auch unternehmensextern Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik

14 IT-Infrastruktur unternehmensspezifischer Digital-Engineering- und Produkt-Lifecycle-Management-Konzepte PLM IT-Architektur Digital Engineering IT-Werkzeuge IT-Verifikationswerkzeuge FEM MKS Simulation Erzeugende IT-Werkzeuge M-CAD E-CAD CAM PDM-Werkzeuge IT-Hilfswerkzeuge DMU-Anwendungen Dig. Assistenten Publishing Schnittstellen ERP SCM Virtuelle Prototypen FEM-Modelle MKS-Modelle Simulations- Modelle Logisch vernetzte Datenmodelle (DM) Referenzmodelle Projekt-DM Prozess-DM Produkt-DM Abgeleitete Hilfsmodelle DMU VR-Modelle Technische Dokumentation CRM MES PLM IT-Infrastruktur Quelle: in Anlehnung an Abramovici Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik

15 Digitale Fabrik im Einsatz Beispiel einer durchgängigen Lösung für die Maschinenbearbeitung Siemens Quelle: Brandt Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik

16 Situation bei Entwicklungsumgebungen und PLM-Anbindung - Austauschformate bleiben Arbeitsfeld. Vielzahl von CAD-Werkzeugen Etablierte Standards für Geometrie, Konvertierbarkeit prinzipiell gegeben, jedoch z.t. sehr viel manuelle Nacharbeit (bis 60%) Fehlende Standards für funktionale Beschreibungen (syntaktisch und semantisch) Konkurrenz der Marktführer Siemens und Delmia führt zu weiterer Divergenz der Systeme selbst gemeinsame Standardisierungsbemühungen durch Automobil-OEM s (bisher) ohne Erfolg Die Übernahme von Geometrie- und Strukturdaten (Stücklisten, Teilenummern, Rohmaterial ) aus vorgelagerten CAD-Systemen über genormte Schnittstellen (JT, STEP, etc.) stellen eine wesentliche Voraussetzung dar, um im PLM eine Prozessintegrationen gewährleisten zu können Die Konvertierung über programmeigene Schnittstellen und neutrale Formate ist heute häufig fehleranfällig und zeitintensiv Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik

17 Mögliches Zukunftsszenario PLM PLM wird sich immer mehr vom ingenieurfokussierten Ansatz hin zu einer Geschäftsstrategie entwickeln, die sämtliche Bereiche eines Unternehmens integriert. typische PLM-Umgebung beinhaltet zwischen 20 und 40 Anwendungen, die von der Dokumentenerstellung über die Produktsimulation bis hin zu Geschäftsanwendungen (wie ERP) reicht. Die heutige Produktentwicklung erfordert eine Verknüpfung von Mechanik, Elektronik und Software zu einem mechatronischen System. Dieses erstreckt sich über die gesamte Lieferkette, die Hunderte von Partnern und Zulieferern einbinden kann. Basis ist hierfür eine serviceorientierte Architektur (SOA) oder eine gemeinsame Plattform für den einfachen und schnellen Informationsaustausch. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik

18 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

19 Intuitive Mensch-Maschine-Interaktion Schematische und beispielhafte Darstellung der zur Verfügung g stehenden Interaktionsmittel Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

20 Verteilte Kooperation-Mensch-Computer-Mensch Interaktion Schematische und beispielhafte Darstellung eines kooperativen Multi-User Szenarios Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

21 Mixed Reality Schematische und beispielhafte Darstellung eines Mixed Reality Szenarios Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

22 Automated Mixed Reality Schematische und beispielhafte Darstellung eines Automated Mixed Reality Szenarios Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

23 Virtuelle Inbetriebnahme im Maschinenbau Interoperabilität von virtuellen Modellen mit realer Steuerungshardware ermöglicht: virtuelle Inbetriebnahme von maschinenspezifischen NC-Zyklen Test von NC-Programmen hinsichtlich Fehlern und Kollisionen zur Schulung von Bedienern NC-Programmierern von Kunden Servicepersonal von Kunden Industrielle Anwendungsbeispiele

24 Virtuelle Verfahrensoptimierung im Anlagenbau 3-D-CAD Verfahrenstechnische Prozesssimulation Interoperabilität von CAD-Modell und verfahrenstechnischer Simulation VR-Szenario Industrielle Anwendungsbeispiele

25 Einsatz von AR-Technologien in der Produktion Interoperabilität von PPS-Systemen und 3-D-Ortung ermöglicht: Beschreibung von Arbeitsschritten Hinweise i auf räumliche Positionen von Bauteilen oder Montageorten t Situationsgerechte Anzeige von sofort erkennbaren und korrekt interpretierbaren Warnhinweisen Head Mounted Display mobiles Informationssystem Industrielle Anwendungsbeispiele

26 Einsatz von AR-Technologien in der Produktion Interoperabilität von 2-D-Bildverarbeitung, CAD-Modell, 3-D-Ortung ermöglicht: Werkerassistenz Qualitätssicherung bereits im Arbeitsschritt Industrielle Anwendungsbeispiele

27 Exkurs: Zielfokussierung zur Durchführung einer Prozessanalyse unter dem Fokus des Einsatzes der VR-Technologie in der Chemiebranche Phasen Zielfokussierung IST-Analyse und Diagnose Konzeption Umsetzung Inhalte Ergebnis, Nutzen Definition Ziele und Analyse der ausgewählten Bereiche Diagnoseergebnisse Umsetzung der Detaillierung der Ausführung und Zielgrößen Ausrichtung der mittels Experteninterviews (z.b. Erarbeitung von Ideen Umsetzungsplanung Diagnosephase, Festlegung des Planung/Betrieb) und Konzepten zur Begleitung und g Prozessverbesserung Projektmanagement der Analyseumfangs (z.b. Dokumentation der Arbeiten Schnittstelle Prozessabläufe Erarbeitung von Planung/Betrieb) Entscheidungsvorlagen/ Erfassung der laufenden Aktivitäten Identifikation der Randbedingungen und Restriktionen Analyse von Schnittstellen Erfassung von Parametern, wie z.b. Prozesszeiten, Hilfsmitteln, IT Bewertung von Varianten Planung von Umsetzungsmaßnahmen Ggf. Definition von Projektstrukturierung Identifikation des VR- Sofortmaßnahmen Einsatzpotenzials Konzeption und Klare, abgestimmte Analyse der Umsetzungsplanung zur Projektausrichtung Betrachtungsbereiche Einführung von Prozessverbesserungen Dokumentation der Ergebnisse Umgesetzte Maßnahmen und Dokumentation Industrielle Anwendungsbeispiele

28 Identifizierte Handlungsstränge bei Projekten der Digitalen Fabrik Grundsätzlich müssen zwei parallele Handlungsstränge zur Einführung von VR verfolgt werden Prozessbetrachtung mit Fokus auf die Ziele des Gesamtprojektes Digital Plant Erstellung des SOLL-Konzeptes für das Gesamtprojekt Digital Plant Definition des Pilotbereiches Definition Digital Plant Analyse des Pilotbereiches und Ableitung des SOLL-Konzeptes für das Aufbereitung der Analyseergebnisse, Gesamtprojekt Digital Plant parallel zur Erarbeitung des SOLL-Konzeptes für den Aufbereitung der Ergebnisse der Analyse des Pilotbereich Pilotbereiches und durch die Verallgemeinerung der SOLL-Konzeption des Pilotbereiches Industrielle Anwendungsbeispiele

29 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen 1. Kurzvorstellung IFF 2. Digitale Fabrik - Eine Einführung 3. Product Lifecycle Management in der Evolution der Digitalen Fabrik 4. Industrielle Anwendungsbeispiele 5. Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

30 Technologiegetriebene Veränderungen der Arbeitswelt Prozessrevolution in der Entwicklung durch frühzeitiges Testen in der virtuellen Welt Virtuelle und Erweiterte Realität als integraler Bestandteil bei Entwicklung und Einsatz von Mensch-Maschine- Interaktion Interoperabilität technischer h Systeme und der Engineeringprozesse erforderlich Interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieurwissenschaften und der Informatik

31 Entwicklungstrends der Digitalen Fabrik Quelle: Grüßner, EADG Entwicklungstendenzen und Herausforderungen

32 Digitale Fabrik Realisierungsstand und Chancen Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

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