Hintergrund

Die Automobilindustrie ist heute eine der fortschrittlichsten und produktivsten in Bezug auf Qualität und Kosteneffizienz. Viele verbesserte Methoden der Massenproduktion wie lean management, kanban und Vermeidung von Muda (Verschwendung) wurden erstmalig in dieser Industrie eingeführt. Das wohl bekannteste Beispiel ist das Toyota Produktionssystem, entwickelt und eingeführt von Taiichi Ohno und seinem Team. Dieses System ist nicht einfach nur ein Regelwerk, sondern eine lebendige Kultur – eine Kultur, die jeden
Mitarbeiter ermutigt und verpflichtet, jeder Zeit vorhandene Lösungen zu hinterfragen und zu verbessern.

Amerikanische und europäische Automobilhersteller haben auf diese japanischen Herausforderungen mit der Einführung vergleichbarer Produktionssysteme reagiert. Darum ist die Massenproduktion in der Automobilindustrie heute in einem sehr fortschrittlichen Zustand. Dies gilt jedoch nicht für die Produktionsanlagen, mit denen die Massenproduktion erst möglich gemacht wird. Diese Produktionsanlagen werden typischerweise
in ad-hoc Manier konstruiert. Dafür gibt es Gründe: Autos werden zu Hunderttausenden oder gar Millionen gebaut, Produktionsanlagen jedoch nur
wenige Male. Warum sollte man einen Produktionsprozess verbessern, wenn das Produkt nur wenige Male produziert wird? Diese Frage beantwortet sich natürlich, wenn man die hohen Investitionskosten senken
und die lange Erstellungszeit einer neuen Anlage verkürzen will.

Automobilhersteller erweitern ihr Produktportfolio und bringen in verkürzten Zyklen neue Modelle auf den Markt. Diese Strategie erfordert typflexible Produktionsanlagen mit kurzen Planungs-, Konstruktions und
Inbetriebnahmezeiten. Damit wächst der Druck auf die Anlagenhersteller, ihre Produktivität weiter zu erhöhen. Sie versuchen dies durch eine höhere Standardisierung von Anlagenkomponenten zu erreichen.

Dies ermöglicht ihnen bei neuen Anlagenprojekten auf einen Baukasten vorhandener Komponenten zurückzugreifen. Eine gute Standardisierung dieser Komponenten enthält klare Konstruktionsrichtlinien und eine
eindeutige Beschreibung ihrer Schnittstellen. Es ist die Vorraussetzung für eine weitere Automatisierung von Abläufen innerhalb des Anlagenerstellungsprozesses. Das Konzept der Digitalen Fabrik verspricht diese Prinzipien der Wiederverwendung und Automatisierung umzusetzen und stützt sich dabei auf umfangreiche Softwaretools.

Konzept der Digitalen Fabrik

Zunächst einmal steckt in dem Ausdruck Digitale Fabrik das Wort digital. Seine grundsätzliche Bedeutung ist, dass Informationen wertdiskret, also in Form von
Zahlen dargestellt werden. Im Zusammenhang mit Fabrik bedeutet es, dass alle Informationen einer Fabrik für einen Computer verarbeitbar abgelegt sind. Damit sind Daten gemeint, die während des gesamten Lebenszyklus eines in der Fabrik gefertigten Produktes anfallen. Es sind zum einen Informationen über die Produkteigenschaften, beispielsweise seine geometrische Form oder das Material, aus dem es gefertigt wird.

Zum anderen sind dies Informationen über die Fertigungsanlagen, beispielsweise ihr Layout oder ihr Steuerungsprogramm. Weiter sind es Informationen über die Kontrolle des Fertigungsablaufs, beispielsweise
die Anzahl der aktuell gefertigten Produkte auf einer bestimmten Produktionsanlage. Diese Informationen werden, wie bereits erwähnt, während des gesamten Lebenszyklus eines Produktes gesammelt, von der Entwicklung über die Konzipierung der Fertigung bis zur Produktion. Bisher fand der Informationsfluss zwischen diesen beteiligten Bereichen hauptsächlich in
eine Richtung statt: Die Produktentwicklung teilt dem Anlagenhersteller das Aussehen und die Fertigungsreihenfolge des Produktes mit. Auf Basis dieser Informationen konzipiert der Anlagenhersteller eine Produktionsanlage,
die er beim Betreiber installiert und ihn in der Bedienung schult. Es ist jedoch sinnvoll, Informationen in beide Richtungen zwischen den einzelnen
Bereichen auszutauschen. Der Anlagenbauer sollte die Möglichkeit haben, die Produktentwicklung dahingehend zu beeinflussen, dass sich die spätere
Anlage mit möglichst geringem Aufwand herstellen lässt. Ebenso sollte die Produktion und Instandhaltung eine Möglichkeit haben, ihr Fachwissen bei der Konzeption der Fertigungsanlage beim Anlagenhersteller einzubringen.

Computer sind heute bereits in allen beteiligten Bereichen ein wichtiges Werkzeug zur Steigerung von Qualität und Produktivität. Informationen werden digital und computerverarbeitbar abgelegt, jedoch arbeitet jeder
beteiligte Bereich mit einem eigenen Computersystem, dessen Daten inkompatibel sind zu dem Computersystem des vorgelagerten bzw. nachgelagerten Bereichs. Ein fundamentaler Bestandteil der Digitalen Fabrik ist
darum eine zentrale Datenbasis, in der Informationen aller beteiligten Bereiche verwaltet werden, kompatibel zu dem jeweilig eingesetzten Computersystem.
Doch neben diesen technischen Methoden sieht das Konzept der Digitalen Fabrik auch organisatorische Methoden vor, um einen bidirektionalen Informationsaustausch zwischen den beteiligten Bereichen
umzusetzen. Ihre Schnittstellen müssen auch organisatorisch genau definiert werden, um einen geregelten Informationsaustausch zu ermöglichen. Diese schließt die genaue Festlegung von Arbeitsabläufen ein, beispielsweise
ein genaues Vorgehen beim Einbringen von Änderungen am Produkt oder an der Produktionsanlage.

Anlagenerstellungsprozess von Karosseriebauanlagen

In unserem Forschungsprojekt setzen wir den Schwerpunkt auf Karosseriebauanlagen, weil sie von zentraler Bedeutung für die Automobilproduktion sind. Innerhalb des Karosseriebaus werden komplette Karosserien aus vielen Einzelteilen zusammengebaut. Dies geschieht durch die Positionierung und Orientierung der Einzelteile, um sie beispielsweise durch Schweißen, Nieten oder Kleben miteinander zu verbinden. Die genaue Planung dieser Fügefolge gehört ebenso zur Karosseriebautechnologie.

In den letzten Jahren haben sich Karosseriebauanlagen zu komplexen mechatronischen Systemen entwickelt, die zehntausende mechanischer, elektrischer und steuerungstechnischer Komponenten enthalten. Zusätzlich spielen Industrieroboter eine zentrale Rolle in Karosseriebauprozessen.

Während die Digitale Fabrik schon seit einigen Jahren von großen Automobilherstellern als „gelebte Praxis“ bezeichnet wird, gilt dies nicht in vollem Umfang für den Karosserieanlagenbau. Dessen Produkt ist im
Gegensatz zu dem der Automobilhersteller kein Massenprodukt, sondern das Lehrbuchbeispiel eines Einzelprodukts, denn bisher werden Karosseriebauanlagen nach den individuellen Erfordernissen jedes neuen Fahrzeugmodells neu konstruiert. Zwar ist der Anlagenerstellungsprozess in die Prozesse der Digitalen Fabrik der Automobilhersteller eingebettet, aber innerhalb des Anlagenerstellungsprozesses haben diese Methoden noch keinen durchgängigen Einzug gefunden.

Eine schematische Darstellung der Arbeitsabläufe innerhalb des Anlagenerstellungsprozesses ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Verzahnung des Anlagenerstellungsprozesses mit dem Automobilhersteller geschieht durch die Simultaneous Engineering Arbeit (SE-Arbeit) und durch die Produktionsplanung des Automobilherstellers. Im Rahmen der SE-Arbeit besteht die Möglichkeit für den Anlagenbauer, Einfluss auf die Karosseriegestaltung zu nehmen, um die erforderlichen Karosseriebauanlagen bestmöglich nach seinen Prämissen gestalten zu können. Die übrigen Prozessschritte werden von der Produktionsplanung des Automobilherstellers beeinflusst. Dies geschieht in Form von Lastenheften und Konstruktionsrichtlinien. Anhand der darin enthaltenen Anforderungen nimmt der Automobilhersteller kurz vor dem Start Of Production (SOP) eine Karosseriebauanlage vom Anlagenbauer ab. Wie bereits erwähnt, ist es das Ziel der Digitalen Fabrik, Informationen in allen am Produktentstehungs und Fertigungsprozess beteiligten Bereichen computergestützt zu nutzen und zu ergänzen. Damit richten sich die Methoden der Digitalen Fabrik gegen inselhaft gewachsene Computersysteme ohne Möglichkeit zum bidirektionalen Datenaustausch. Innerhalb des Anlagenerstellungsprozesses finden wir jedoch noch eine solche gewachsene, inselhafte IT-Landschaft vor, die lediglich einen eingeschränkten und unidirektionalen Informationsaustausch ermöglicht. Damit stellt sich die Frage, ob sich die Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik zur Steigerung der Produktivität in den Karosserieanlagenbau übertragen lassen. Dabei gilt
es in besonderem Maße zu berücksichtigen, dass es sich bei der Erstellung von Karosseriebauanlagen um eine Einzelfertigung handelt und nicht wie im Automobilbau um eine Massenfertigung.

Unser Ziel ist es Wege aufzuzeigen, wie sich die Produktivität des Anlagenerstellungsprozesses erhöhen lässt und wie es möglich ist, die Qualität zukünftiger Karosseriebauanlagen zu verbessern, deren Kosten zu senken und den Produktionsanlauf zu beschleunigen. Im Mittelpunkt unserer Untersuchungen stehen dabei die Methoden der Digitalen Fabrik, die nach unseren Vermutungen noch nicht gänzlich Einzug in den Erstellungsprozess
von Karosseriebauanlagen gefunden haben.
Dies hat aus unserer Sicht folgende Gründe:

• Eine Verbesserung der Produktivität durch die Methoden der Digitalen Fabrik wurde bisher nur an Fertigungssystemen nachgewiesen, mit wenigen Komponenten und einfachen Subsystemen. Produktionssysteme
  in der industriellen Realität (z. B. Karosseriebauanlagen) sind jedoch deutlich komplexer und bestehen aus wesentlich mehr Komponenten.
• Die Geschäftsprozesse innerhalb der Planung, Konstruktion und Inbetriebnahme von Karosseriebauanlagen sind nach Fachdisziplinen organisiert. Zur Schaffung eines Baukastens mit wiederverwendbaren,
  standardisierten Karosseriebaukomponenten ist es vermutlich von Vorteil die Geschäftsprozesse interdisziplinär zu organisieren.
  Das bedeutet z. B. die Bildung mechatronischer Teams, die fachdisziplinübergreifend für eine Komponente oder ein Teilsystem verantwortlich sind.

Um unsere Vorgehensweise zu überprüfen untersuchen wir derzeit bereits bestehende Ansätze zur Implementierung der Digitalen Fabrik. Von zentralem
Interesse sind dabei die Schlüsselfaktoren für eine effektive Implementierung ihrer Methoden in laufende Industrieprozesse.


Darüber hinaus untersuchen wir den Aufbau moderner Automobilkarosserien und identifizieren Trends zukünftiger Entwicklungen in diesem Bereich. Daraus
können wir Rückschlüsse ziehen auf die sich daraus ergebenden Anforderungen an zukünftige Karosseriebauanlagen. Parallel dazu untersuchen wir den Erstellungsprozess von Karosseriebauanlagen, um zu bewerten, inwieweit
die Methoden der Digitalen Fabrik bereits im industriellen Alltag umgesetzt werden. Dabei arbeiten wir den Beitrag dieser Methoden zur Steigerung von Produktivität und Qualität heraus.


Mit diesen Erkenntnissen können wir ein Konzept entwickeln, wie sich die Methoden der Digitalen Fabrik aus der Massenproduktion auf die Einzelfertigung
übertragen lassen. In dieses Konzept fließen Überlegungen mit ein, inwieweit sich aber auch der Fokus des Anlagenbaus von der Einzelfertigung zur Serienfertigung wandeln lässt, indem Karosseriebauanlagen auf Basis eines Baukastens mit standardisierten mechatronischen Komponenten konstruiert werden. Den tatsächlichen Beitrag unseres Konzeptes zur Steigerung der Produktivität und der Qualität im Erstellungsprozess von Karosseriebauanlagen werden wir anhand einer prototypischen Umsetzung in der industriellen
Realität nachweisen.