Die Fraunhofer IWU E³-Forschungsfabrik - moderne Produktionstechnik im Spannungsfeld von Industrie 4.0

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1 Die Fraunhofer IWU E³-Forschungsfabrik - moderne Produktionstechnik im Spannungsfeld von Industrie 4.0 Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz Fraunhofer-Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz MSV, Brünn, Fraunhofer

2 Benchmark einst und heute von Industrie 1.0 zu 4.0 am Beispiel der Industrieregion Chemnitz um 1907 Produktion von einst seit 1880 intensive Mechanisierung Konzentration von Produktionsstätten, Fließfertigung sowie breiter Einsatz der Elektrizität erlauben Massenproduktion Sächsisches Industriemuseum Chemnitz, ab 1907 Gießereibetrieb der Firmen Schubert & Salzer sowie der Escher AG Seit 2014 und von heute energie- und IT-optimierte Abläufe kürzeste Prozessketten Mensch-Maschine-Kooperation, moderne HMI-Schnittstellen E3-Forschungsfabrik am Fraunhofer IWU Chemnitz (in Betrieb seit 2014) 2

3 Das FRAUNHOFER IWU Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Kurzprofil > 600 Mitarbeiter (inkl. Hilfswiss.) 33,5 Mio. Forschungsvolumen (2014), davon 46,7% direkt Industrie Produktionstechnische Versuchsfelder Institutsteile in Chemnitz, Dresden, Augsburg, Zittau, WOB, Macher und Initiator moderner Produktionsforschung F&E-Kompetenz Ressourceneffiziente Produktion Forschungsgebiete Werkzeugmaschinen Mechatronik Funktionsleichtbau Spanende Technologien Umformtechnologien Füge- und Montagetechnologien Produktionsmanagement IWU Versuchsfeld Umformtechnik IWU Campus

4 Das FRAUNHOFER IWU Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Forschungsschwerpunkt Werkzeugmaschinen I. Von der Technologie zur Maschine Erweiterte Funktionalität für spanende Werkzeugmaschinen, Umformmaschinen und Pressen II. Systemkompetenz Werkzeugmaschine Maschinen-, Baugruppen- und Antriebskonzepte Konstruktion und Simulation Inbetriebnahme, Funktionstest, Monitoring III. Effiziente Produktionstechnik/-systeme Mobile Bearbeitungsmaschinen Thermisch optimierte Werkzeugmaschinen Experimentelle Eigenschaftsanalysen Vorausschauende Instandhaltung 4

5 Das FRAUNHOFER IWU Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Forschungsschwerpunkt Zerspanungstechnik Entwicklung hybrider Bearbeitungsprozesse Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Honen mit zusätzlicher ( unterstützender ) Schwingungsüberlagerung Medienüberlagerung (kryogene und Hochdruckkühlung) Achsüberlagerung Laserunterstützung Ziel: - Erweiterung bestehender technologischer Verfahrensgrenzen - Transfer in die Anwendung (Machbarkeit Laborlösung Serie) 5

6 Das FRAUNHOFER IWU Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Roadmap 2020? Kernkompetenz - Prozessketten der Automobilproduktion Produkt Produkt Technologie Produktionssysteme Produkteigenschaften Umformung Maschinen Klappen mit FGL-Aktorik - Strömungswiderstand - Thermomanagement Anlagen Noise-Source-Ranking Leichtbau- Nockenwelle Fügen Fügen Spanen Werkzeugsysteme Schwingprüfung mit Multiaxialprüfstand 6

7 Globale Megatrends haben Wirkung auf die Produktion Herausforderungen verlangen Paradigmenwechsel! weg von: (HEUTE) Ziel der Produktion Neue Produkte!»maximaler Gewinn aus minimalem Kapitaleinsatz«hin zu: (ZUKUNFT)»maximale Wertschöpfung aus minimalem Ressourceneinsatz«Zeit Qualität Die Fabrik der Zukunft? Factories of the Future (FoF) Energie! Ressourcen! Kosten 7 Mit welchem neuen KONZEPT?

8 Das FRAUNHOFER IWU Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft Fraunhofer IWU E³-Konzept ( Ressourceneffiziente Produktion ) Produktion im Wandel Das E³-Konzept der Produktion E wie Energiesparende Technologie E wie Effiziente Fabrik und Logistik E wie Erfolgsgarant Mensch in der Produktion Kosten E³ konsequent mit den drei E Synergie suchen für neue Produkte in innovativen Geschäftsmodellen Zeit Qualität 8 E³ - ein Konzept aus Chemnitz!

9 E³-Produktion Fraunhofer IWU E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion Forschung für die Automobilproduktion Ressourceneffiziente Technologien und Anlagen für Powertrain- und Karosseriekomponenten Forschung: Energie Produktion Energiemanagement Energiespeicherung/-rückführung Aktive Schnittstellen zur Gebäudeinfrastruktur und Gebäudeleittechnik Fraunhofer IWU Chemnitz - Campus Energie und Gebäudetechnik Energiesparende Bauweise, Nutzung regenerativer Energien Nutzung von Verlustenergie in Produktionsprozessen 9 Eine erste konkrete Umsetzung

10 E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion PRODUKTIONSSYSTEME DER ZUKUNFT FLEXIBLER UND INTELLIGENTER KAROSSERIEBAU Karosseriebau 4.0 modular, flexibel und vernetzt Variantenvielfalt im Produkt besser beherrschen Schneller Anlauf komplexer Systeme Mensch und Maschine kooperieren Anlage Golf 7 (2-Türer) 10

11 E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion NEUE TECHNOLOGIEN, NEUE PRODUKTE PROZESSKETTE POWERTRAIN Ultrakurze Prozessketten Umformung statt Zerspanung Material- und Energieeinsparung absichern Bessere Bauteileigenschaften erzeugen Reduzierung Materialeinsatz um 12,5 %, 11

12 E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion PRODUKTION IM WANDEL ENERGIE UND INFORMATIONEN (DATEN) SICHER BEREITSTELLEN BESSER MANAGEN EFFIZIENTER NUTZEN Energiemanagement 2.0 Industrie 4.0 (linked factory + mobile IT) Mensch in der Produktion ein Erfolgskonzept?

13 Industrie 4.0 Mehrwert generieren durch automatisierte Vernetzung und Transparenz Daten Informationen Wissen Wertschöpfung BigData SmartData Entscheidungen innovative Produktivität Smarte Sensoren in Produktionssystemen Aufgabenbezogene Mitarbeiter-Unterstützung konkrete Handlungsanweisungen Optimaler Ressourceneinsatz IT-Lösungen verwalten großer Datenmengen Orts- u. rollenbezogene Informationsbereitstellung Erfahrungssicherung Kostensenkung, Produktionsoptimierung Voraussetzung Geeignete Datenbasis Spezialisierte Softwarewerkzeuge Prozesskenntnis Voraussetzung Informationsfilterung/ -bereitstellung Assistenzsysteme Voraussetzung Eingriffsmöglichkeiten Mensch als kreativer Problemlöser 13

14 E³-Produktion wettbewerbsfähig und innovativ Daten als Kern und als Ressource intelligenter Produktion GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, innovativ WERKSTOFFE kennen ihre spezifischen Eigenschaften PROZESSE kennen ihre Parameter und passen sich an Energieangebot und Verbrauch synchronisiert ENERGIE kennen ihre Historie PRODUKTE VERNETZTE DATEN kennen ihre Fähigkeiten und fertigen autonom MASCHINEN MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden FABRIKBETRIEB verfügbare Ressourcen optimal eingesetzt PROZESSKETTEN bilden sich ad-hoc und sind ressourcenadaptiv kennen ihre Parameter und Daten intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTIONEN simulativ und prognosebasiert abgesichert DIGITALE FABRIK operieren und adaptieren sich selbstständig PRODUKTIONSSYSTEME Bildquellen: Fraunhofer IWU 14

15 kennen die Parameter und Daten SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems BMBF-Programm Virtuelle Techniken für die Fabrik der Zukunft - Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie 4.0»Daten als Wert für die Produktionstechnik«Kernfragen Gesamtsystem Wie können alle Maschinen Daten liefern? SmARPro - SmartDevices befähigt Maschinen zu CPPS Wie werden notwendige Daten verwaltet? SmARPro - Platform datentechnisches Bindeglied Wie werden Informationen bereitgestellt? SmARPro - Wearables mobile Informationen Wearables und Smart Devices Standardisierte Kommunikation, kontextsensitive Darstellung Maschinendaten unternehmensweit Schnelle und zielgerichtete Entscheidungen in komplexen Szenarien Dezentrale Steuerung und Vernetzung Befähigung beliebiger Anlagen und Maschinen zu Cyber Physical Production Systems (CPPS) Der Mensch im Mittelpunkt Mitarbeiter als steuernde/ regulierende Entscheider in vernetzten/dezentralen Produktions-/Logistiksystemen 15

16 kennen die Parameter und Daten Ultrakurze umformbasierte Prozesskette Prozessschrittübergreifende Datennutzung»Getriebewellenherstellung neu denken«prozessparameter - SINUMERIK - Geometrie - Maschinendaten ANBINDUNG MASCHINE Energiedaten - SENTRON PAC Energieverlauf als f (Prozessparameter) (1) Datenerfassung & Experimentverwaltung (2) Korrelation von Prozessparametern und Energieverbrauchsdaten pro Bauteil (3) Mobiler Zugriff auf cloudbasiert gespeicherte Daten (4) Optimale Energiewerte durch Variation Umformprozessparameter System-Knowhow Korrelation von Prozessparametern und Energieverbrauchsdaten je Bauteil (5) Umsetzung auf Gesamtprozesskette Wirkleistungsaufnahme Verzahnungswalzen Hydraulischer Antrieb (PWZ) Elektromechan. Antrieb (Rollex) 16

17 kennen die Parameter und Daten Intelligente vorausschauende Instandhaltung Instandhaltung 4.0 Erhöhte Datenqualität durch virtuelle Sensoren»Virtuelle Sensoren zur Erweiterung der Datenbasis«Aus vorhandenen Sensordaten zusätzliche Belastungsinformationen an Maschinen und Anlagen ableiten Virtuelle Sensoren als Repräsentant realer Messwerte Reduzierte Sensoranzahl! Cloud-basiertes Informationssystem zur ortsunabhängigen Daten-/Dienstbereitstellung Kontextbezogene Informationsbereitstellung durch webbasierte Dashboards Intelligente Algorithmen zur Restlebensdauer-Abschätzung Dehnmessstreifen Virtuelle Sensoren Temperatur Führungen S S V V V S S Pneumatik Hydraulik Lagesensoren Vibrationssensoren T S S S S T T S S S S T T T S S S S Energiemessung A R R R R O O O E E 17

18 E³-Produktion wettbewerbsfähig und innovativ Daten als Kern und als Ressource intelligenter Produktion GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, innovativ WERKSTOFFE kennen ihre spezifischen Eigenschaften PROZESSE kennen ihre Parameter und passen sich an Energieangebot und Verbrauch synchronisiert ENERGIE MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden kennen ihre Historie PRODUKTE VERNETZTE DATEN FABRIKBETRIEB verfügbare Ressourcen optimal eingesetzt kennen ihre Fähigkeiten und fertigen autonom MASCHINEN PROZESSKETTEN bilden sich ad-hoc und sind ressourcenadaptiv kontextbezogen flexibel synchronisiert intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTIONEN simulativ und prognosebasiert abgesichert DIGITALE FABRIK operieren und adaptieren sich selbstständig PRODUKTIONSSYSTEME 18

19 Erfassung Komponenten kontextbezogen, flexibel, synchronisiert Datenmanagement als Teil des Energie- und E³-Konzeptes BHKW Absorber Gaswarnanlage Pumpen Hybridkühler PV-Anlage Druckluftzähler Kältemaschine Wärme Druckluft Kälte Energie Modbus M-Bus Profinet 160 Messstellen 1500 Datenpunkte 1 HV 1-6 UV Energiezähler Gebäudeleittechnik» Verknüpfung von Daten unterschiedlicher Bereiche«Entscheidungsunterstützung durch kompakte und übersichtliche Informationsdarstellung Gesamtüberblick und anlagenspezifische Information kontextbezogene Aufbereitung und mobile Visualisierung 19 Elektromagnetumformung Karosseriebau Powertrain Laser/Mikrostrukturierung/PEM

20 kontextbezogen, flexibel, synchronisiert Der Mensch in der Produktion unterstützt durch mobile-it»die richtigen Informationen, zur richtigen Zeit, am richtigen Ort«Anlagenspezifische Informationen und KPIs Rollex Montagedemonstrator Gebäudeleittechnik KPI-to-Go : individualisierbare Dashboards Ortsbezogene Dashboards Integration von Gebäudeleittechnik, Energiemess- und Prozesswerten Rollenspezifische Auswahl benötigter Informationen Anzeige auf mobilen Endgeräten via Web- Anwendung 20

21 kontextbezogen, flexibel, synchronisiert Multivalente Datennutzung Trace 4 OEE - Produktivitätsermittlung mittels erweiterter Produktdaten»Vorhandene Daten nutzen neue Informationen ableiten«transparenzerhöhung durch Multivalente Datennutzung Nutzung der Kennzahl OEE (Overall Equipment Effectiveness) als Maß für die Produktivität verketteter Gesamtsysteme Nutzung sogenannter Traceability-Daten als wichtigen Teil einer neuen Datenbasis zur Bestimmung der OEE erweiterte Produktdaten von BigData zu SmartData Neues Vorgehen zur produktdatenbasierten OEE-Ermittlung, Taktzeitanalyse zur Datenaufbereitung Integration und Nutzung bereits vorhandener Daten, um Erfassungsmehraufwand zu minimieren bzw. zu vermeiden 21

22 kontextbezogen, flexibel, synchronisiert Total Energy Management im Produktionssystem Nutzung von Energiespeichern in der Produktion / in Werkzeugmaschinen» Produktion und Energiesystem im volatilen Umfeld optimal vernetzen «Ziel: Ein neuer industrieller Wachstumskern Auslegungswerkzeuge Geschäftsmodelle Einsatzfelder Betriebsführung Systemintegration Speichertechnologien 22

23 kontextbezogen, flexibel, synchronisiert Datendrehscheibe in der Fabrik der Zukunft LINKED FACTORY ein Konzept des Fraunhofer IWU» Bindeglied zwischen Device/Geräte-Ebene und Auftragsebene schaffen «Firmeninterne Cloud-Lösungen basierend auf Linked-Data-Technologien Verwaltung: Daten von SmartDevices, Wearables, Dritt-Systemen Aufbereitung: Verlinkung unterschiedlicher Daten zu bedeutungsvollen Informationen Bereitstellung: Kontextbasierte Informationen für Wearables/ SmartDevices Fertigungsleiter, Planer, Maschinenbediener Kapazitäten, Prozesskette Maschineneigenschaften, WZ Transportmittel, Puffer, Ladungsträger Selbstbeschreibung Registrierung Daten- und Diensteplattform (Linked Data basiert) Datenverknüpfung zur Wissensextraktion Optimierte Rüstfolge, kurze DLZ, max. Kapazitätsauslastung, min. Energieeinsatz Zugewiesene Energiekapazität pro Schicht Plan- und Betriebsdaten aus AutoCAD, ERP, MES, Simulation, EMS, GLS Kontextbezogene Bereitstellung Daten und Diensten Komponenteninformationen Welche Maschinen werden benötigt? Wann werden diese benötigt? Dezentrale IT-Lösungen zur Entscheidungsunterstützung Steuerungsinformationen Welches Produkt soll wann gefertigt werden? Wie viel Energie wird durch Abschaltung eingespart? 23

24 E³-Produktion wettbewerbsfähig und innovativ Industrie 4.0 für die intelligente Produktion genutzt! GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, innovativ Quo vadis WERKSTOFFE kennen ihre spezifischen Eigenschaften PROZESSE kennen ihre Parameter und passen sich an Industrie kennen ihre Historie 4.0 PRODUKTE Energieangebot und Verbrauch synchronisiert kennen ihre Fähigkeiten und fertigen autonom ENERGIE VERNETZTE und DATEN MASCHINEN MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden E³ FABRIKBETRIEB verfügbare Ressourcen optimal eingesetzt PROZESSKETTEN bilden sich ad-hoc und sind ressourcenadaptiv intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTIONEN? simulativ und prognosebasiert abgesichert DIGITALE FABRIK operieren und adaptieren sich selbstständig PRODUKTIONSSYSTEME Bildquellen: Fraunhofer IWU 24

25 Vernetzte Produktion / Industrie 4.0 Symbiose von Produktions-, Informations- und Kommunikationstechnik Trend Dynamisch zunehmende Durchdringung der Produktionstechnik mit modernen Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik Wachsende wirtschaftliche Bedeutung der Ressource Daten IT Produktion IT Produktion Industrie = IT + Produktion Aber ist es noch Industrie 4.0 oder schon d!conomy? 25

26 D!CONOMY Was ist das? d!conomy = digital und economy das! verdeutlicht den auffordernden Charakter von digital Eine allgegenwärtige Digitalisierung in allen Wirtschaftszweigen das berufliche und gesellschaftliche Umfeld wird immer stärker geprägt Die enabler IT und Digitalisierung: verändern bestehende Geschäftsmodelle lassen neue Geschäftsmodelle entstehen sorgen dafür, dass ganze Branchen umgewälzt werden Das ist richtungsgleich mit unserem E³-Konzept! 26

27 Wettbewerbsvorsprung durch effiziente Wertschöpfung Fraunhofer IWU Prof. Matthias Putz Fraunhofer IWU Chemnitz Reichenhainer Str Chemnitz Deutschland 27

28 E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion Forschung für die Produktion der Zukunft Produktionstechnik der Zukunft? Wie sichern wir Innovation und Forschungstransfer? Wie entwickelt sich die gesellschaftliche Bedeutung der Produktion? Konzept E³-Produktion gezielt Synergien nutzen Neue Energie- und ressourceneffiziente Technologien und Produktionsanlagen Neue Produktionsstätten, Fabriken und Logistik - Emissionsneutral und Energieautark Neue Konzepte zur Einbindung des Menschen in Produktionskonzepte Forschungsfokus Produktion: Karosseriebau Powertrain Komponenten Energie 2.0 und Industrie