Analyse eines Montageprozesses mit Methoden derDigitalen Fabrik

Christian DurreStudiengang: Computervisualistik

Seminar:”’Das virtuelle Labor”

15. Januar 2009

Abstract

Bedingt durch immer kurzer werdende Produktlebenszyklen und starkere Produktindivi-dualisierung werden neue Verfahren zur effizienten und wirtschaftlichen Produktentwick-lung und Produktionsplanung notwendig. Die Digitale Fabrik bietet hier den Ansatz durchganzheitliche Simulation und Visualisierung, aller ablaufenden Prozesse, diese Ziele zu er-reichen. Die folgende Arbeit gibt Einblicke in die Grundlagen und Grundvoraussetzungeneiner Digitalen Fabrik und zeigt anhand des Beispiels der Analyse der manuellen Montageeines Bremsseils, wie durch den Einsatz der Digitalen Fabrik hier Fehler fruhzeitig erkanntworden, und somit Kosten im Produktentwicklungsprozess eingespart werden konnten.

INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuhrung 21.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Grundlagen 32.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Ziele und Zielgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Anwendungen 73.1 SiSPro-VU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Montageprozessoptimierung fur die manuelle Montage eines Bremsseil an

der Bremsseilwaage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 Fazit und Ausblick 11

5 Quellen 125.1 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.2 Bildverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

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1 EINFUHRUNG

1 Einfuhrung

1.1 Motivation

Globalisierung, Produktindividualisierung sowie immer kurzer werdende Produktlebens-zyklen in vielen Bereichen der industriellen Fertigung verlangen nach neuen Produktent-stehungsprozessen. Um die immer komplexer werdenden Prozesse beherrschen zu konnen,sind neue Vorgehensweisen und Instrumente notwendig. Der Ansatz der Digitalen Fa-brik bietet hier die Moglichkeit den Produktentstehungsprozess fruhzeitig zu parallelisie-ren und Produktentwicklung und Produktionsplanung digital zu bearbeiten, bis hin zumvirtuellen Anlauf und Betrieb der Fabrik. Der Fokus der Digitalen Fabrik liegt auf derProduktionsplanung, nicht wie in vielen Unternehmen schon praktiziert auf der digitalenProduktentstehung. Die fruhzeitige Parallelisierung der Produktentstehungsprozesse fuhrtzu verkurzten Entwicklungszyklen und einer fertigungsgerechteren Produktgestaltung, sodass zu Produktionsbeginn ein hoherer Reifegrad des Produktes erreicht wird. [1,2]Die

”Digitale Fabrik soll eine Gesamtdarstellung und -simulation zukunftiger Produkte

und deren Produktion und somit fruhzeitig ein Erkennen von Fehlern ermoglichen.” [2]

2

2 GRUNDLAGEN

2 Grundlagen

2.1 Definition

Die Digitale Fabrik als Werkzeug zur Fabrikplanung ist folgendermaßen definiert:”Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff fur ein umfassendes Netzwerk von digitalenModellen, Methoden und Werkzeugen - u.a. der Simulation und der dreidimensionalenVisualisierung, die durch ein durchgangiges Datenmanagement integriert werden. IhrZiel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesent-lichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit demProdukt.”[1]Sie ist ein digitales Modell der realen Fabrik, welches Strukturen und Prozesse simuliertund visualisiert, um Fabrikkonzepte anschaulicher zu entwickeln und Fertigungsverfah-ren fruher zu beurteilen. Dadurch wird eine Transparenz aller ablaufenden Prozessegewahrleistet, wodurch die Planungssicherheit stark erhoht wird. [2]

Abbildung 1: Ebenen einer Digitalen Fabrik

Die Digitale Fabrik besteht aus 4 wesentlichen Ebenen (siehe Abb. 1).Den Kern einer jeden Digitalen Fabrik bildet eine integrierte Datenbasis, welche maß-geblich fur die effiziente Umsetzung einer Digitalen Fabrik verantwortlich ist. Im Laufeder Entstehung einer Digitalen Fabrik werden zahlreiche unterschiedliche Daten erzeugt,die in weiteren Planungsschritten analysiert und weiterverarbeitet werden mussen. Da

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2 GRUNDLAGEN

dies durch Mitarbeiter aus verschiedenen Bereichen der Planung, wie z.B. Materialfluss-,Logistikplanung und Architektur erfolgt, ist es notwendig die Ablage der Daten zentralund transparent zu gestalten. Dies wird uber die zweite Ebene, die Integrationsplattformrealisiert.

Die dritte Ebene einer Digitalen Fabrik wird von den Softwarewerkzeugen gebil-det, hierzu zahlen neben Simulations- und Visualisierungstools auch CAD/CAM undDigital Mock-Up Anwendungen (

”rechnerinternes Modell fur die [...] Gestaltung und

Analyse des Aufbaus und der Struktur eines Produktes, seiner Baugruppe und Bautei-le”)[1].Der offensichtlichste Aspekt der Digitalen Fabrik ist die 3D-Visualisierung, hierdurchwird die Fabrik erlebbar gemacht bevor sie real umgesetzt wird.

”Entscheidend ist in

diesem Zusammenhang die Simulation von Materialflussen und kinematischen Ablaufen,die den Planer in die Moglichkeit versetzen, [...] Produktionsszenarien zu betrachten, zuanalysieren und diese abschließend zu optimieren.” [5] Dabei werden Schwachstellen,welche zum Teil schon beim Produktdesign verursacht wurden, wie z.B. die Montierbar-keit eines Bauteils, aufgedeckt, bevor die eigentliche Produktion begonnen wird.

Vierte Ebene der Digitalen Fabrik ist die Organisation und der Planungsworkflow.Planungsaufgaben sollen starker von Rechnern unterstutzt und voll- oder teilautomati-sierte Anfangskonzepte erstellt werden. Um eine Digitale Fabrik realisieren zu konnen,mussen bestehende Strukturen und damit verbundene Verantwortungsbereiche unterUmstanden angepasst oder erweitert werden. [1,5]

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2 GRUNDLAGEN

2.2 Anwendungsgebiete

Die Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik reichen von der Idee eines Produktes bis zudessen Lebensende (siehe Abb. 2).

Abbildung 2: Bsp. fur Anwendungsgebiete einer Digitalen Fabrik

Die Anwendungsgebiete lassen sich in verschiedene Lebenszyklusphasen unterteilen. Dazuzahlen Produktentwicklung, Produktionsplanung, Produktionsanlauf, Produktionsbetriebund Auftragsabwicklung. Außerdem werden verschiedene Planungsfalle, wie Neuplanung,Erweiterung oder Verlagerung einer Produktionsstatte unterschieden und verschiedenePlanungs- und Betrachtungsgegenstande, wie z.B. Maschinen und Anlagen, Logistik, Ne-benbetriebe und Infrastruktur, planerisch bearbeitet.[1]

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2 GRUNDLAGEN

2.3 Ziele und Zielgruppen

Durch Einfuhrung der Digitalen Fabrik sollen diverse wirtschaftliche-, organisatorischeund technische Ziele erreicht werden. Das Hauptziel ist dabei die Wirtschaftlichkeit, alsodie Effizienz der Fabrikplanung zu erhohen. Bisher lief der Planungsprozess zum Großteilseriell ab. Durch die Digitale Fabrik soll eine großtmogliche Parallelisierung der einzelnenEntstehungsprozesse und eine bessere Kommunikation aller an der Produktionsplanungund Produktion beteiligten Mitarbeiter und Unternehmen zu einer Verkurzung der Zeitbis zur Marktreife eines Produktes (time-to-market) fuhren (siehe Abb. 3).

Abbildung 3: Verkurzung der Produktionszeit durch Parallelisierung der Entstehungspro-zesse

Planungsprozesse sollen durch das Nutzen einer Digitalen Fabrik standardisiert werden,so dass bereits erhaltenes Wissen in Form von Planungsergebnissen wieder verwendetwerden kann.Die bereitgestellten Planungsinformationen und -ergebnisse richten sich anunterschiedliche Zielgruppen, welche sich in unternehmensinterne und -externe sowie ver-schiedene Managementbereiche unterscheiden. Zulieferer, Lieferanten und Dienstleisterbilden die unternehmensexterne Zielgruppe, alle an der Planung beteiligten Bereiche bil-den die interne Zielgruppe. Die Personen, denen Sachverhalte und Planungsergebnisseprasentiert werden, anhand derer sie Entscheidungen fallen mussen, zahlen zu der Ziel-gruppe des Managements.[1]

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3 ANWENDUNGEN

3 Anwendungen

3.1 SiSPro-VU

SiSPro-VU ist ein SSystem zur interaktiven Simulation von Produktionssystemen ineiner Virtuellen Umgebung”, das 2003 an der TU Claustahl entwickelt wurde. Kernideedes Systems ist es alle Elemente einer Fabrik, die fur eine qualitative Analyse undBeurteilung relevant sind, in einer Virtuellen Umgebung als 3D-Modelle abzubildenund diese mit dem Simulationsmodell zu koppeln (siehe Abb. 4). Das System soll dieDigitale Fabrik nicht nur erlebbar machen, sondern dient gleichzeitig zur Manipulationdes hinterlegten Simulationsmodells. Die Virtuelle Umgebung kann somit als eine ArtBenutzeroberflache verstanden werden, die es dem Anwender ermoglicht mittels intuitiverInteraktion das Simulationsmodell zu verandern ohne sich dabei mit dem abstraktenhinterlegten Simulationsmodell auseinanderzusetzen.

Abbildung 4: Funktionsprinzip von SiSPro-VU

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3 ANWENDUNGEN

”Basierend auf der ganzheitlichen Abbildung kann das Produktionssystem nicht nur auf

seine logische Richtigkeit hin (Ablaufe) sondern auch bezuglich funktionaler Kriterien(Bewegungen, Raumkonzept, Kollision etc.) untersucht werden.” [3] Neben statistischenStorungen, wie z.B. Maschinenausfallen, werden so auch Storungen, welche durch mensch-liches Verhalten oder die eingeschrankte Bewegungsfreiheit des Menschen verursachtwerden, berucksichtigt.

Zur Ausgabe der Visualisierung konnen verschiedene Visualisierungssysteme einge-setzt werden, angefangen vom PC-Monitor mit Shutter-Brille bis hin zum vollimmersivenRaumsystem (dem sogenannten CAVE)(siehe Abb. 5). Die Art der Darstellung orientiertsich dabei stets an der Problemstellung, von dieser werden der Grad der Immersion, alsodes Eintauchens des Nutzers in die Virtuelle Welt, und der Nutzen einer maßstabsge-rechten Darstellung der Objekte bestimmt.An der TU Claustahl wird fur die Darstellung solcher Visualisierung ein modifizierbaresProjektionssystem genutzt. Bei diesem System kann je nach Anforderung zwischenGroßbild (Wall-System) oder einer raumlichen, vollimmersiven Mehrseitenprojektion(Room-System) gewahlt werden (siehe Abb. 6 7).

Abbildung 5: Prinzipskizze der Großprojektionsanlage

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3 ANWENDUNGEN

Abbildung 6: Vorder- und Ruckansicht der Großprojektion an der TU Claustahl

Abbildung 7: Walk-Thru in einer Virtuellen Umgebung

3.2 Montageprozessoptimierung fur die manuelle Montage einesBremsseil an der Bremsseilwaage

Aufgabe dieses Simulationsprojektes war es den Prozess der manuellen Montage desBremsseils an der Bremsseilwaage zu untersuchen, da bei dynamischen Einbauuntersu-chungen vorwiegend Bauteilkollisionen berucksichtig werden.

”Die Bremsseilwaage dient der Kraftverteilung der Feststellbremse auf die Hinterrader.

Die Montage der Bremsseilwaage an den Unterboden erfolgt bei der Hochzeit gemeinsammit dem Antriebsstrang. Nach der Verschraubung der Bremsseilwaage muss das aus demInneren des Fahrzeugs kommende Bremsseil, das zuvor in der Endmontage verlegt wurde,durch eine Offnung gefuhrt und die Kugel am Ende des Bowdenzugs arretiert werden. Pro-blematisch war der Abstand der Bremsseilwaage zum Unterboden, so dass der Freiraumzum Greifen und Befestigen des Seils stark eingeschrankt war”[2]. Bisher wurde die Mon-tierbarkeit von Bauteilen vorwiegend durch Expertenwissen abgesichert. Der Nachweisderselben wurde so nur selten vor Beginn des Produktionstests erbracht, dadurch tratenimmer wieder Probleme auf, die dazu fuhrten, dass Werkzeuge oder gar Produktionsanla-gen geandert werden mussten. Zu diesem Zweck wurde die Werker-Simulation eingesetzt,die die Montierbarkeit des Bauteils im Detail nachweist. Dabei wurde festgestellt, dass dergegebene Freiraum zu gering war, um das Bremsseil an der Bremsseilwaage zu befestigen.Das Problem wurde jedoch durch eine geringe konstruktive Verschiebung der Bremsseil-

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3 ANWENDUNGEN

waage im zur Verfugung stehenden Bauraum behoben. (siehe Abb. 8). An diesem Beispielist gut zu erkennen, dass die digitale Produktionsplanung ein mittlerweile unverzichtba-res Werkzeug zur wirtschaftlichen und effizienten Produktionsplanung geworden ist.

”Die

digitale Prozessabsicherung ermoglicht eine produktionsgerechtere Konstruktion des Pro-dukts, da Informationsschleifen verkurzt werden und schon zu einem fruhen ZeitpunktEinfluss auf die Konstruktion genommen werden kann” [2].

Abbildung 8: Optimierung der Einbausituation. Ausgangssituation (links) und Optimie-rung (rechts)

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4 FAZIT UND AUSBLICK

4 Fazit und Ausblick

Die Digitale Fabrik zur virtuellen Produktionsplanung und -simulation ist mittlerweileein unverzichtbares Werkzeug fur produzierende Unternehmen. Durch den Einsatz einerDigitalen Fabrik lasst sich neben verringerten Herstellungskosten und einer verkurztenZeit bis zur Marktreife eines Produktes auch eine erhohte Planungsqualitat verzeichnen.Bisher wird die Digitale Fabrik hauptsachlich von Großunternehmen aus der Automobil-industrie oder aus Luft- und Raumfahrt eingesetzt, bei denen der Nutzen des Einsatzesunumstritten ist. Fur kleine und mittelstandische Unternehmen allerdings bleibt dieWirtschaftlichkeit abzuwagen. Um diesen den Einsatz einer Digitalen Fabrik vor allemfinanziell zu ermoglichen, wird z.B. vom Fraunhofer Institut fur Produktionstechnikund Automatisierung das System Pl@Net entwickelt. Letzteres ist von Umfang undKomplexitat her geringer gehalten als z.B. das System DELMIA, welches u.a. vonoben genannten Großunternehmen eingesetzt wird, deshalb allerdings auch wenigerkostenintensiv in Anschaffung und Unterhaltung. [5]

Bisher bewegt sich der Nutzer meist intuitiv, also basierend auf seinen bisherigenErfahrungen, durch die Fabrik. Sein Verhalten wird durch zufallige Entscheidungenbeeinflusst und ist somit meist unstrukturiert und ineffizient. Weiterhin ist die Wahrneh-mung des Anwenders stark durch das begrenzte Sichtfeld eingeschrankt. Geschieht etwasWichtiges in einem anderen Teil der Fabrik, ist es faktisch unmoglich fur den Anwenderdies wahrzunehmen. Es ist also denkbar, die Digitale Fabrik dahingehend zu erweitern,dass der Anwender von einer Art Navigationssystem durch die Fabrik gefuhrt wird, umsolch bedeutsame Events, wie z.B. den Ausfall einer Maschine, nicht unbeachtet zu lassen.In diesem Kontext kann die grafische Ausgabe ebenfalls angepasst werden. Wenigerwichtige Objekte konnten z.B. weniger detailgetreu oder gar transparent dargestelltwerden. Dadurch ist es dem Anwender moglich, wichtige von unwichtigen Elementen zuunterscheiden und reduziert zum anderen den Rechenaufwand zur grafischen Darstellung.[4]

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5 QUELLEN

5 Quellen

5.1 Literaturverzeichnis

[1] VDI: Digitale Fabrik - Grundlagen. VDI-Richtlinie 4499, Blatt 1, VDI-GesellschaftFordertechnik Materialfluss Logistik, 2008

[2] U. Bracht: Ansatze und Methoden der Digitalen Fabrik. In: Proc.”Simulation

und Visualisierung 2002”, 13. Marztagung, Magdeburg, 2002, S.1 - 11

[3] U. Bracht, J. Bergbauer: Digitale Fabrikplanung in einer Virtuellen Umgebung.In: Proc.

”Simulation und Visualisierung 2003”, 14. Marztagung, Magdeburg, 2003, S.3-8

[4] B. Mueck, W. Dangelmaier, C. Laroque, M Fischer M Kortenjan: Guidance ofUseres in Interactive 3D-Visualisations of Material Flow Simulations. In: Proc.

”Simula-

tion und Visualisierung 2004”, 15. Marztagung, Magdeburg, 2003, S.73 - 83

[5] E. Westkamper, S. Bierschenk, T. Kuhlmann: Digitale Fabrik - nur was fur dieGroßen?. In: wt Werkstattstechnik (online), 2003, No.1/2, S.22 - 26

5.2 Bildverzeichnis

Abb. 1.”

Ebenen der Digitalen Fabrik”. Fraunhofer IPA, Stuttgart

Abb. 2.”

Beispiele fur Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik”. VDI: Digitale Fa-brik - Grundlagen. VDI-Richtlinie 4499, Blatt 1, VDI-Gesellschaft FordertechnikMaterialfluss Logistik, 2008, S.5

Abb. 3.”

Verkurzen und Parallelisieren der Zeiten fur Produktentwicklung und Pro-duktionsplanung”. VDI: Digitale Fabrik - Grundlagen. VDI-Richtlinie 4499, Blatt 1,VDI-Gesellschaft Fordertechnik Materialfluss Logistik, 2008, S.10

Abb. 4.”

Funktionsprinzip von SiSPro-VU”. U. Bracht, J. Bergbauer: Digitale Fa-brikplanung in einer Virtuellen Umgebung. In: Proc.

”Simulation und Visualisierung

2003”, 14. Marztagung, Magdeburg, 2003, S.5

Abb. 5.”

Prinzipskizze der variablen Großprojektionsanlage am IMAB”. U. Bracht:Ansatze und Methoden der Digitalen Fabrik. In: Proc.

”Simulation und Visualisierung

2002”, 13. Marztagung, Magdeburg, 2002, S.7

Abb. 6.”

Großprojektion am IMAB, Ruck- und Vorderansicht”. U. Bracht, J. Bergbauer:Digitale Fabrikplanung in einer Virtuellen Umgebung. In: Proc.

”Simulation und Visuali-

sierung 2003”, 14. Marztagung, Magdeburg, 2003, S.6

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5 QUELLEN

Abb. 7.”

Walk-thru in der Virtuellen Umgebung durch Modelle des IMAB”. U.Bracht, J. Bergbauer: Digitale Fabrikplanung in einer Virtuellen Umgebung. In: Proc.

”Simulation und Visualisierung 2003”, 14. Marztagung, Magdeburg, 2003, S.7

Abb. 8.”

Fruhzeitiges Absichern der Manuellen Bremsseilmontage durch eine VR-Simulation”. U. Bracht: Ansatze und Methoden der Digitalen Fabrik. In: Proc.

”Simulation und Visualisierung 2002”, 13. Marztagung, Magdeburg, 2002, S.7

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