Fluide Fahrzeugproduktion für die Mobilität der Zukunft - Digitale Schatten

Das Fraunhofer IAO sieht im Verbundprojekt »Fluide Fahrzeugproduktion« Handlungsbedarfe bei der digitalen Abbildung von Fertigungsprozessen in einem digitalen Schatten. Dieser digitale Schatten stellt die Grundlage für eine Optimierung und Planung von Veränderungen der Produktion dar. Hierbei besteht insbesondere Handlungsbedarf in Bezug auf Softwareschnittstellen für die Integration von Daten aus dem Feld zurück in das digitale Abbild der Fabrik, das in PLM-Systemen vorliegt.

Die Zielsetzung des Digitalen Schattens (DS) ist ein permanent aktuelles, automatisch generiertes Abbild (Modell) der Realität das Planung, Steuerung und Optimierung aller Fabrikprozesse ermöglicht und damit die Zukunft erfassbar und die Wandlungsfähigkeit wirtschaftlich beherrschbar macht. Hierfür wird ein aus Micro-Services bestehendes Informationssystem namens „Digitaler Schatten“ entwickelt. Jeder Service bildet verschiedene Aspekte des Digitalen Schattens ab: 3D-Geometriedaten, Netzwerkdatenfusion mittels z.B. AutomationML, Visualisierung inkl. Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality, sowie Datenbankservices für Produkt- und Produktionsdaten. Über standardisierte Schnittstellen wird der Digitale Schatten an weitere Systeme der Digitalen Fabrik angekoppelt, beispielsweise ERP-System, MES-System, als auch an die Industrie 4.0-Komponenten aus AP3.5. Der Digitale Schatten wird in ARENA2036 begleitend zu sämtlichen Aktivitäten aufgebaut und an das dynamische Umfeld angepasst. Wesentliche Arbeitsinhalte sind:

• Definition der Anforderung an den Digitalen Schatten in der Fluiden Produktion
• Definition und Umsetzung der Schnittstellen an die weiterführenden Systeme, insbesondere die Industrie 4.0-Komponenten aus AP3.5
• Datenfusion aus Sensoren und Netzwerkdaten in ein homogenes digitales Abbild
• Erarbeiten und Umsetzen eines Konzeptes für Datenmanagement und Sicherheit
• Abgleich einer realen mit einer virtuellen Anlage mittels 3D-Geometrie Service
• Visualisierung des Digitalen Schattens und Beteiligung des Menschen
• Intelligente Lernprozesse auf Basis der Historie des Digitalen Schattens
• Umsetzung von Anwendungsszenarien im Bereich automatisierte Fabrikplanung, virtuelle Inbetriebnahme, Logistik und Qualitätssicherung

Projektziel

Abbildung von Assetdaten im PLM-System

Ergebnisse

• Definition des Digitalen Schattens in der Fluiden Produktion sowie der Schnittstellen an die weiterführenden Systeme 
• Neue Algorithmen und Prozesse zur Fusionierung von 3D-Geometrie und Fabriknetzwerkdaten, sowie Soll-Ist Vergleich CAD vs. Realität
• Konkrete Umsetzung von Anwendungsszenarien im Bereich automatisierte Fabrikplanung, virtuelle Inbetriebnahme, Logistik, Visualisierung und Qualitätssicherung
• Aufbau eines Digitalen Schattens - Experimentalsystems in ARENA2036

Verbundprojekt Fluide Fahrzeugproduktion

Das Projekt Fluide Produktion zielt darauf ab, ein menschzentriertes, cyberphysisches Produktionskonzept zu entwickeln und zu implementieren. Hierfür werden alle Produktionsmittel in ortsflexible Module aufgebrochen, um so dynamisch Maschinen bilden und auflösen zu können und die heute übliche Trennung zwischen Wertschöpfung und Logistik aufzuheben. Die Gestaltung dieser Module erfolgt mit zentralem Augenmerk auf die Rolle des Menschen als aktivem Gestalter der Produktionsumgebung. Das Ergebnis ist ein neuartiges Produktionssystem, das mit minimalen Festlegungen auskommt und Entscheidungen bis kurz vor den eigentlichen Wertschöpfungsbedarf ermöglicht.

Der Begriff Fluide Produktion entspringt der Vision, dass sich cyberphysische Systeme permanent bedarfsgerecht neu zu Betriebsmitteln zusammenschließen; hierdurch passt sich die Produktion – ähnlich einem Fluid, das seine äußere Form gemäß den auf es wirkenden Drücken anpasst – stets optimal an den aktuellen Bedarf an. Adressiert werden folgende Kernherausforderungen:

die steigende Unsicherheit und strukturelle Varianz des Automobilbaus und die schlechte Beherrschbarkeit der Produktionstechnik durch den Menschen. Diesen Herausforderungen wird durch die fünf Hauptelemente der fluiden Produktion begegnet:

1. der Einbindung des Menschen in die Gestaltung der Produktion,
2. der Auflösung von bisher bestehenden Gegensätzen,
3. der Trennung von Produkt und Betriebsmittel,
4. der dynamischen Bildung von Maschinen und
5. der Intelligenz der Betriebsmittelmodule.

Das Resultat ist ein anthropozentrisches Produktionssystem, das es erlaubt Entscheidungen erst unmittelbar vor dem eigentlichen Zeitpunkt der Wertschöpfung zu treffen.

Das Gesamtziel des Verbunds ist die Realisierung eines menschzentrierten, fluiden Produktionssystems. In diesem fluiden Produktionssystem sind sämtliche Betriebsmittel als cyberphysische Systeme ausgeführt und verfügen über die Fähigkeit zur Selbstbeschreibung, sie kapseln Ihre Komplexität und sind soweit möglich ortsflexibel. Der Mensch kann diese „Fluidpartikel“ der Produktion nutzen, um sein Produktionsumfeld täglich umzugestalten und an den aktuellen Bedarf – sowohl aus Unternehmenssicht als auch aus Sicht des Menschen – anzupassen. Die Ziele des Projekts werden nachfolgend aus beiden Perspektiven konkretisiert.

Eine sich ständig verändernde Fabrik führt auch zu sich ständig ändernden Arbeitsplätzen und Arbeitsinhalten. Dies ist jedoch nur realisierbar, wenn die Gestaltung der sich ständig verändernden Arbeitsinhalte unter Einbeziehung der Qualifikationen der Produktionsmitarbeitenden zu einem Teil der Produktionsplanung wird.

Aus Sicht des Fraunhofer IAO bestehen daher Handlungsbedarfe bei der Gestaltung der Arbeit in produzierenden Unternehmen unter dem Gesichtspunkt der Wandlungsfähigkeit. Die heutigen Methoden und Prozesse zur Planung von Arbeit und zur Einbindung des Menschen sind nicht für sich ständig ändernde Produktionsszenarien geeignet. Hierfür sind Ansätze zu entwickeln, welche die Akzeptanz der Produktionsumgebung durch die Mitarbeiter trotz ständiger Änderungen verbessern, dabei auf persönliche Bedarfe der Mitarbeiter Rücksicht nehmen und es erlauben, die notwendigen Qualifikationen soweit möglich während der Arbeit anzueignen.

• Das Ziel des Verbunds in Bezug auf die Einbeziehung des Menschen ist die optimale Gestaltung von Handlungsspielräumen für die Produktionsmitarbeiter im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Produktionssystems; d.h. im Sinne einer Langzeitbetrachtung, unter Einbeziehung von Änderungen der Randbedingungen und der Berücksichtigung des Einflusses von Mitarbeitermotivation und -leistungsfähigkeit). 
• Ziel des Verbundvorhabens aus technischer Sicht ist die Gestaltung, Entwicklung, Realisierung und Evaluation der Fluiden Produktion in der Automobilfertigung anhand eines repräsentativen Beispielumfangs.

Das Fraunhofer IAO entwickelt im Rahmen des Projekts Methoden zur Arbeitsgestaltung im wandlungsfähigen Unternehmen und in wandlungsfähigen Produktionen. Die wissenschaftlichen und technischen Erfolgsaussichten sind dabei insbesondere auf Grund der Möglichkeit zu großangelegten Nutzerstudien im Rahmen der Fluiden Produktion exzellent. Somit können Akzeptanz der entsprechenden Arbeitsorganisationsmethoden direkt erprobt werden.

Das IAT der Universität Stuttgart wird im Rahmen des Projekts die Gestaltung der Arbeit in wandlungsfähigen Produktionen erforschen. Hierbei sollen insbesondere die zentralen Akzeptanzfaktoren für digitale Technologien und neue Formen der Arbeit auf Basis von Feldstudien in der Fluiden Produktion ermittelt werden. Eben die Kenntnis dieser Akzeptanzfaktoren und darauf aufbauend entwickelte Methoden zur Arbeitsgestaltung lassen exzellente technische und wissenschaftliche Erfolgsaussichten zu erwarten