Digitale Fabrik. Virtuelle Fabrik

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1 Virtuelle Fabrik Begriffseinordnung und Merkmale Komponenten der Digitalen Fabrik als Integrationskonzept Werkzeuge für die Nutzenpotenziale und zukünftige Entwicklungen Anwendungsbeispiele Ablauf 1

2 2 Steigende Anzahl an Varianten Komplexere Produkte Steigende Individualisierung Kürzere Innovationszyklen Komplexere Produktionsprozesse Automobile Fahrräder Bildschirme Sportschuhe Kontaktlinsen Individualisierung der Produkte Quelle: Cox & Alm, Federal Reserve Bank of Dallas, USA Individualisierung, Innovationsgeschwindigkeit, Dezentralisierung: Häufigere Produktionsanläufe Nutzung von Potenzialen eines schnellen Anlaufs

3 3 Veränderte Rahmenbedingungen Steigende Variantenvielfalt Kürzere Lieferzeiten Sinkende Produktlebenszeiten Steigende Logistikkomplexität Anforderungen an Produktionsunternehmen Wirtschaftlichkeit Flexibilität und Wandlungsfähigkeit Schnelligkeit Mobilität Lösungsweg Digitale Fabrik Anforderungen an die Fabrikplanung Steigender Planungsumfang Höhere Planungsgeschwindigkeit Partizipative vernetzte Planung Neue Methoden und Werkzeuge für die Fabrikplanung Anforderungen an die Fabrikplanung (nach Dombrowski)

4 4 Institut für Fabrikanlagen und Logistik (Wiendahl) Die ist ein visualisiertes und betreibbares Modell einer konkreten Fabrik mit sämtlichen Fabrikelementen und Prozessen. Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (Reinhart) Als Zukunftsvision soll die und die darin entstehenden Produkte mit ihren Strukturen und Maschinen, mit ihren logistischen Abläufen und technologischen Prozessen im Rechner verfügbar sein. Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (Sihn) Alle Prozesse und Abläufe einer Fabrik werden vor ihrem realen Ablauf digital virtuell modelliert, getestet und simuliert. DaimlerChrysler (Schiller) Bis 2005 soll die vollständige digitale Absicherung der Produktion synchron zur digitalen Absicherung des Fahrzeugs erreicht werden. Aussagen zur Digitalen Fabrik

5 "Die 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." Quelle: VDI-Fachausschuss "" Begriffsdefinition (1) 5

6 "Die ist ein virtuelles dynamisches Modell eines vollständigen Produktionssystems, in dem alle Produkte, Ressourcen sowie die Prozesse und logistischen Abläufe abgebildet sind. Das Modell fungiert gleichzeitig als Werkzeug zur Prozessplanung und ermöglicht mit Hilfe von Simulationen und Analysen eine Optimierung von Produkten und Produktionsund Logistiksystemen über den gesamten Lifecycle." Quelle: Schenk/Wirth Begriffsdefinition (2) 6

7 7 Produkt Prozess Ressource 3D-CAD Virtuelles Produkt Simulation Animation 3D-CAD Visualisierung DMU Digitale Produktionsplanung Digitale Produktion 3D-Visualisierung und Animation Virtuelle Planung Digital Manufacturing Begriffseinordnung (nach Dombrowski)

8 8 Digitale Fabrik vollständige digitale Abbildung aller Produkte, Prozesse und Ressourcen in Form virtueller Modelle Animation der ablaufenden Prozesse durchgängiger Einsatz EDV-gestützter Methoden und Werkzeuge integrierte Datenbasis Merkmale der Digitalen Fabrik

9 9 CAP 3D- Visualisierung Dokumentation Integrations- Strukturierte Datenbasis (PDB) plattform Datenanalyse Dimensionierung Strukturierung CAD Layoutgestaltung Simulation Datenbank als Integrationskern (nach Westkämper) Komponenten der Digitalen Fabrik

10 10 Funktionalität / Grad der Integration schließt Lücke zwischen PDMund ERP-Systemen CAD- und PDM-Systeme Digitale Fabrik MES- und ERP-Systeme Insellösungen Produktentstehung Produktionsentstehung Betrieb (nach Westkämper) als Brücke

11 Abgleich Abgleich Produktmodell Integration Produktionsmodell Virtuelle Produktion Produkt Produktionssystem Reale Produktion als Bindeglied zwischen realer und virtueller Produktion (nach iwb München) 11

12 12 Quelle: DaimlerChrysler Grundverständnis der Digitalen Fabrik

13 13 Wissens- und Projektmanagement... Plattform für die Fabrikplanung Produktentwicklung Partizipation Visualisierung Virtual Reality Integrierende Werkzeuge Methoden und Standards Datenmanagement Integrierte Datenbasis ERP/PPS-Systeme Prozessplanung Simulation und Animation CAD- Layoutplanung Architektur und Gebäudeplanung (nach Dombrowski) Bausteine und Integrationskonzept der Digitalen Fabrik

14 als Integrationsplattform für den Planungsprozess Quelle: BMW AG 14

15 Dreidimensionale Materialflusssimulation der Karosserie-Fertig- und Endmontage Quelle: Opel 15

16 16 Quelle: Opel Roboter-Simulation: Aufbau des Unterbodens

17 17 Quelle: Opel Roboter-Simulation: Transport eines Türgerippes

18 18 Quelle: Opel Ergonomie-Simulation: Anbau der Lenksäule

19 19 Quelle: DaimlerChrysler Digitale Planungsabsicherung

20 20 Quelle: VDI-Fachausschuss "" Leitbild der Digitalen Fabrik

21 Planungsinstrumente 21 Planungsfelder Arbeitsplatzstruktur Bereichsstruktur Gebäudestruktur Generalstruktur Standortstruktur Unternehmensnetze Verwertung Vorplanung Aufbau Betrieb Tuning Abbau Fabriklebenszyklus Konzeption Modelle Methoden Werkzeuge Permanente Planungsbereitschaft und -fähigkeit (strategische, taktische, operative Planungsebene) Betrachtungsraum der Digitalen Fabrik

22 Planungsphasen des Fabriklebenszyklus Entwicklung Aufbau Anlauf Betrieb Abbau Werkzeuge und Instrumentarien Datenbanken Tabellenkalkulation Textverarbeitung Projektmanagement Präsentationsgrafik Prozessmodellierung CAP Berechnungsprogramme Strukturierungswerkzeuge 2D- und 3D-CAD Simulation Virtual Reality Interaktiver Planungstisch Projektmanagement CAD-Elektroplanung Heizung, Lüftung, Klima Sanitäranlagenplanung SPS-Programmierung NC-Programmierung Änderungsmanagement SPS-Programmierung NC-Programmierung PPS Präsentationsgrafik Simulation MIS PPS-/ERP-System PDM SCM BDE MDE Leitstand Präsentationsgrafik Facility Management CAM CAQ Projektmanagement 2D-/3D-CAD Werkzeuge in den Phasen des Fabriklebenszyklus (Auswahl) 22

23 3 Kategorien: Standardsoftware selbstentwickelte/-angepasste Software spezielle Fabrikplanungssoftware Datenbanksystem - Datenspeicherung, Datenmanagement Tabellenkalkulation - Berechnungsalgorithmen Simulationssystem - dynamische Untersuchung von Produktionssystemen CAD-System - Layoutgestaltung Virtual Reality - Visualisierung Office-Programme - Dokumentation, Präsentation Facility Management - Gebäudemanagement Projektmanagement - Projektsteuerung Softwaresysteme und Anwendungsgebiete 23

24 24 Planungshilfsmittel Virtual Reality Simulation CAD Grafikprogramme Tabellenkalkulation Papier und Stift Planungsspezialisten Nichtplaner Datenbasis: 21 produzierende Unternehmen in Deutschland Anzahl Nennungen (Quelle: Menzel 2000) Einsatz von Planungswerkzeugen

25 25 Integrationsgrad 2D-CAD 3D-CAD Virtual Reality in der Fabrikplanung 3D-Simulation Papier etc Sequential Digital Engineering Concurrent Process Engineering Knowledge based Engineering Zeit (Quelle: Adam Opel AG) Entwicklungsstufen in der rechnergestützten Fabrikplanung

26 Einsatz Simulation 26 Motivation: Simulationspotenzial Definition und Abstraktion des Planungsprozesses aktuell Lebenszyklus Produktionssystem Lösungsansatz: Planungswerkzeuge Integration von Planungswerkzeugen, -wissen und -methoden in einem dynamischen Prozessmodell Reduzierung des Zeitaufwands für die Modellierung durch systematische, kontinuierliche Detaillierung Planungsdaten Planungswissen (nach iwb München) Integrierter Lösungsansatz für die

27 27 Digitale Absicherung von Produkt und Produktion Sicherung der Herstellbarkeit der Produkte Vollständige digitale Abbildung der im Produktionssystem ablaufenden Prozesse Verringerung der Anlaufprobleme realer Prozesse Verbesserung des Datenmanagements durch komplett digital vorliegende Daten Vermeidung der mehrfachen Datenaufnahme Erhöhung der Datenqualität und der Konsistenz Vermeidung redundanter Datenhaltung Verkürzung des Planungsprozesses durch Integration und Standardisierung Anwendung eines einheitlichen Planungsvorgehens reduziert Planungsaufwand Durchgängige Planungsmethodik und Einsetzbarkeit der Planungswerkzeuge Erzielung eines durchgängigen Datenflusses Einbeziehung von Ergonomieuntersuchungen in den Planungsprozess Gewährleistung humaner Arbeitsbedingungen Nutzenpotenziale der Digitalen Fabrik

28 28 Die ist die Fortführung des Digitalen Produktes. Die stützt sich auf die Durchgängigkeit von Produkt - Prozess - Produktionssystem. Die dabei eingesetzten Softwarewerkzeuge zur Produktentwicklung, Prozesssimulation und Produktionssystemgestaltung sind datentechnisch miteinander zu verbinden (Datenmanagement). Die erfordert entsprechende methodische Ansätze in der Fabrikplanung (partizipative und verteilte Planung, interaktive Bedienkonzepte und Benutzerschnittstellen, Visualisierung, ). Die unterstützt die Umsetzung der Methoden und Werkzeuge im gesamten Produktionslebenszyklus. Die verlangt die Definition organisat. Randbedingungen zur Unterstützung eines umfassenden Datenmanagements. Die erfordert die Integration der Teilbereiche und Anwendungsgebiete zu ganzheitlichen Referenzmodellen. Charakteristik und Anforderungen der Digitalen Fabrik

29 29 Software Werkzeuge Fehlende Software-Funktionalität ausbauen Datenintegration zur Verbesserung der Datenqualität Standardisierung (keine projektspezifischen Lösungen) Prozesse Methoden Automatisierung von Planungen (Planungsbereitschaft) Definition von standardisierten Arbeitsabläufen Workflow-Management der Digitalen Fabrik Mitarbeiter Akzeptanz für neue Software-Lösungen Akzeptanz für organisatorische Veränderungen Qualifikation und Partizipation Forschungs- und Entwicklungsbedarf für die

30 30 Weiterentwicklung der IT-Welt Begriffsdefinition (VDI-Richtlinie) Wissens- und Datenmanagement in der Digitalen Fabrik Qualifikationskonzepte für die Mitarbeiter (Akzeptanz) Nutzung der Digitalen Fabrik zum Betreiben der realen Fabrik Einbeziehung der kompletten Auftragsabwicklung Einbeziehung der KMU, Betreibermodelle für KMU Ausweitung des Konzeptes der Dig. Fabrik auf andere Branchen Zukünftige Entwicklungen der Digitalen Fabrik (nach Dombrowski)