Die Entwicklung eines Cyber-Physischen Produktionssystems (CPPS) für die Massenproduktion bei Losgröße 1 mit Schwerpunkt auf einer zellenbasierten Fertigung war das Ziel des gemeinsamen Projektes »R2D – Road to Digital Production« des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS mit seiner Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Supply Chain Services SCS, der Siemens AG, Simplifier AG und KINEXON Industries GmbH. Bei der dreitägigen Ergebnispräsentation zum Projektabschluss im Februar wurde das CPPS im Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. des Fraunhofer IIS in Nürnberg live präsentiert – und mit dem 1.500 m² großen Proof-of-Concept Demonstrator der Fertigungsablauf der Zukunft am Beispiel großer Elektromotoren unter industrienahen Bedingungen vorgestellt:

Zum R2D (Road to Digital Production) Trailer

Digitalisierung der industriellen Produktion

Im interdisziplinären Forschungsprojekt »R2D – Road to Digital Production« arbeiteten die Siemens AG und die weiteren Projektpartner Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS mit seiner Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Supply Chain Services SCS, Simplifier AG und KINEXON Industries GmbH seit September 2016 an der Digitalisierung individualisierter industrieller Produktionsprozesse.

Das Ziel: Im Sinne einer ganzheitlichen Produktion die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Technik zu verbessern und die bisher übliche zentrale Planung der Fertigung und Materialbereitstellung mittels Digitalisierung zu flexibilisieren, zu beschleunigen sowie Effizienzsteigerungen und eine optimale Qualitätssicherung zu ermöglichen.

Intelligente Objekte steuern die Produktion: Implementierung eines Smart Production Tags

Um die Wertschöpfungskette innerhalb der Produktion vertikal bis auf die Werkstattebene herunter digital zu integrieren, begleitet ein Smart Production Tag mit Kommunikations- und Ortungsfunktionalität das zu fertigende Produkt – in dem Fall den Elektromotor – durch den gesamten Produktionsprozess. Anhand der mitgeführten Produktdaten und der gewonnenen Kontextinformationen kann das Smart Production Tag eigenständig Prozessschritte erkennen, protokollieren und steuern.

Die klassische Montagelinie weicht auf diese Weise modularen Fertigungszellen: Das Montageobjekt wird mit fahrerlosen Transportfahrzeugen automatisiert an die entsprechende Fertigungszelle geleitet, in der es dezentral den nächsten Prozessschritt kommuniziert und einleitet.

Referenzarchitektur für eine individualisierte, industrielle Produktion

Im Fokus: Die Entwicklung neuer Technologien und Produkte, Schnittstellen und Infrastrukturen für Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) sowie insbesondere auch die Definition von Grundsätzen und Methoden, die zukünftig für die Automatisierung von Produktionsprozessen bei der Fertigung und Montage eines Produktes mit der Losgröße 1 genutzt werden können. Dafür muss vorab nicht nur der Produktionsprozess klar definiert und die passenden Technologien ausgewählt, sondern auch Software entwickelt werden, die die zu kommunizierenden Daten in die vorhandene Infrastruktur integriert. Die dezentrale Steuerung des CPPS wird dabei von einem Echtzeitlokalisierungssystem unterstützt, das beispielsweise dafür sorgt, dass fahrerlose Transportfahrzeuge lokalisiert werden und sich zur nächsten Fertigungszelle navigieren können. Elemente für den vernetzten Werker, wie beispielsweise intelligente Apps für Tablets, Smartwatches und Eye-Tracking, nutzen die generierten Daten und runden das Projektergebnis an der Mensch-Maschine-Schnittstelle funktional ab.

Die Geburtsstunde eines Cyber-Physischen Produktionssystems (CPPS)

Bei der dreitägigen Abschlussveranstaltung des Förderprojekts »R2D – Road to Digital Production« wurde den Teilnehmern in Live-Demonstrationen ein CPPS vorgestellt: Am Beispiel einer Elektromotorenmontage wurde mit der zellenbasierten Fertigung für die Losgröße 1 der Montageablauf der Zukunft vorgestellt.

Das Feedback der Gäste war höchst positiv: Sie bescheinigten dem 1.500 m² großen Proof-of-Concept Demonstrator, dass das cyperphysische Produktionssystem absolut greifbar ist und bescheinigten den Inhalten der umfangreichen Präsentation hohe Praxisrelevanz.

Leuchtturm der Digitalisierung

Für Dr. Michael Fraas, Wirtschaftsreferent der Stadt Nürnberg, präsentiert das Projekt eine weitere wichtige Kompetenz eines leistungsfähigen Digital-Standorts: »Mit über 15 Prozent der Beschäftigten im produzierenden Gewerbe gehört Nürnberg im Großstadtvergleich zu den wichtigsten Industriestandorten in Deutschland. Die industrielle Kompetenz entwickeln wir mit der im Frühjahr 2018 ins Leben gerufenen Strategie Industriestandort Nürnberg gezielt weiter. Nürnberg sieht die digitale Transformation dabei als große Chance, vor allem auch für die Industriebetriebe – Stichwort Industrie 4.0. Deshalb sind erfolgreiche Leuchttürme wie das Innovationsprojekt »R2D – Road to Digital Production« des Werks der Siemens AG, Division Process Industries and Drives, Business Unit Large Drives, in der Vogelweiherstraße, von besonderer Bedeutung. Die Projektergebnisse zeigen, dass mit Industrie 4.0-Anwendungen klassische Fertigungsprozesse effizienter und zukunftsfähig sind und alteingesessene Industriestandorte erfolgreich den Wandel von klassischer Fertigung hin zu digitaler Produktion gehen können. Besonders hervorzuheben ist, dass das Werk auch die Rolle einer Lead Factory übernimmt und damit Muster und Vorreiter Digitaler Produktion im Siemenskonzern für die Produktion Losgröße 1 wird.«

Nach Projektabschluss möchte die Siemens AG ein CPPS für die Montage von Elektromotoren mit der Losgröße 1 in seinem Nürnberger Maschinen-Apparate-Werk.

Doch über Nürnberg hinaus sendet der Leuchtturm der Digitalisierung schon jetzt starke Signale. Das zeigt u. a. die Befragung der Teilnehmer im Anschluss an die Live-Demonstration: Die nationalen und internationalen Gäste gaben in großer Zahl an, entweder ausgewählte Technologien für ihre jeweiligen Unternehmensbereiche oder aber das technologische Gesamtsystem CPPS in ihrer Organisation nutzen zu wollen. Vor diesem Hintergrund sondieren die Siemens AG, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS mit seiner Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Supply Chain Services SCS, Simplifier AG und KINEXON Industries GmbH derzeit mögliche Folgeprojekte.

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