Leuchtturmprojekt Smart Factory Demonstrator Die intelligente Modellfabrik

Freut sich über den Erfolg des Smart Factory Demonstrators: Georg Pins, Geschäftsführer des Netzwerks Smart Production Foto: Stadt Mannheim

Der Smart Factory Demonstrator macht Industrie 4.0 erlebbar. Das Besondere an der intelligenten Modellfabrik: Sie zeigt konkrete Umsetzungsszenarien für eine digital vernetzte Losgröße 1-Fertigung vom Auftragseingang bis zum verkaufsfertigen Produkt auf, die für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mit wenig Aufwand realisierbar sind. Ein Ortsbesuch im Mannheimer MAFINEX-Technologiezentrum.

Wie sieht die Fabrik der Zukunft aus? Wer an hochautomatisierte, menschenleere Werkshallen voller futuristischer Technologie denkt, der wird im Showroom im Mannheimer MAFINEX-Technologiezentrum überrascht sein. Im positiven Sinne. Denn der Smart Factory Demonstrator kommt bodenständig daher: eine flexible Losgröße 1-Fertigung mit Mensch-Maschine-Interaktionen. „Wir haben bewusst keinen komplett automatisierten Highend-Demonstrator gebaut, denn wir wollen die KMU in ihrem Produktionsalltag abholen. Das Ziel ist es, Industrie 4.0 so zu veranschaulichen, dass die Firmen sich das Passende hier abschauen können“, sagt Georg Pins, Geschäftsführer des Netzwerks Smart Production.

Mit „wir“ sind knapp zwei Dutzend Partner aus dem derzeit insgesamt 46 Partner umfassenden Netzwerk Smart Production gemeint, das von der Mannheimer Wirtschaftsförderung initiiert wurde. Darunter finden sich industrielle Schwergewichte wie ABB, Pepperl+Fuchs und Roche, innovative Start-ups wie MM Automation und neogramm oder aus dem Wissenschaftsbereich die Universität Mannheim, die Hochschule Mannheim und die DHBW Mannheim. Alle Partner haben ihre Kompetenzen gebündelt und das Gemeinschaftsprojekt mit einem siebenstelligen Finanzvolumen in Eigenleistung gestemmt. Der Demonstrator ist kein statisches Konstrukt. Er lebt und wird ständig fortentwickelt. Eine erste Konfiguration wird noch im Winter 2018 zu bewundern sein.

„Mit einem Sensorwürfel als Informationslieferanten lassen sich zum Beispiel Daten für neue Services wie eine vorausschauende Wartung generieren. Dazu sendet der Würfel die Temperatur- oder Vibrationsdaten einer Maschine in die Cloud-Plattform des Maschinenherstellers oder eines Service-Partners. Mit Hilfe dieser Daten können Wartungsarbeiten abhängig vom Zustand der Maschine vorausschauend angesetzt und so ungeplante Stillstände vermieden werden.“ Benedikt Rauscher, Leiter Globale IoT/I4.0-Projekte bei Pepperl+Fuchs

Es werden Wertschöpfungsschritte an fünf Stationen gezeigt: von der Erzeugung eines individuellen Kundenauftrags bis zum Verpacken des verkaufsfertigen Produkts. Gefertigt wird ein Sensorwürfel in Losgröße 1. Warum ausgerechnet ein Sensorwürfel? „Weil Sensoren wichtige Informationslieferanten für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sind. Das heißt: Der Sensorwürfel selbst ist smart, denn er kann wireless Daten senden und trägt so dazu bei, eine Produktion smart zu machen“, erklärt Pins. Er nimmt einen Würfel in die Hand. In dem schwarzen Gehäuse stecken mehrere Platinen. Jede davon ist mit unterschiedlichen Sensoren bestückt. Diese können beispielsweise Temperatur, Helligkeit, Lautstärke oder Vibrationen messen und die Ergebnisse in Echtzeit über das Netzwerk weiterleiten. Einen solchen Sensorwürfel können sich die interessierten Firmen für die Live-Demo am Smart Factory Demonstrator individuell konfigurieren.
Dazu geht es an die erste Station: einen Webshop. Mit wenigen Klicks die gewünschten Platinen sowie die Gehäusegröße des Würfels auswählen, dann „Auftrag bestätigen“ betätigen – und schon geht die Bestellung zum zentralen IT-System in der Cloud. Dieses erzeugt einen Fertigungsauftrag und stößt eine verteilte Just-in-time-Produktion an. „Die digitale Vernetzung kann sogar so weit gehen, dass vor Versand des Fertigungsauftrages automatisiert die Auslastung bei mehreren Zulieferern abgefragt wird, um die schnellstmögliche Produktion sicherzustellen“, betont Pins. Beim Smart Factory Demonstrator stellt B&K Elektronik die Platinen her, das Gehäuse produziert die Hochschule Mannheim im 3D-Druck-Verfahren.

Eines der Herzstücke des Demonstrators ist der Arbeitsplatz des Werkers. Von hier greift er auf ein smartes Regal zu. Es blendet auf einem Bildschirm und zukünftig per Datenbrille ein, welche Teile er für einen Montageauftrag picken muss. Zusätzlich sind die Fächer selbst mit Signallampen ausgestattet. Diese zeigen durch Aufleuchten an, in welche Fächer der Werker greifen muss, um die benötigten Teile zu kommissionieren. Jeder Griff in ein Fach wird über Lichtschranken erfasst und dadurch jeder Fehler sofort erkannt. „Die Grundlage für dieses Pick-to-Light-System bilden RFID-Tags. Die Funkchips enthalten Informationen zur eindeutigen Identifizierung der Bauteile: Das Werkstück identifiziert sich also selbst“, erklärt Benedikt Rauscher, Leiter Globale IoT/I4.0-Projekte bei Pepperl+Fuchs. Weniger Fehlgriffe, eine höhere Pick-Geschwindigkeit und Echtzeitbestände der Lagerplätze sind die Vorteile.

Der Werker montiert den Würfel vor und übergibt an einen ganz besonderen Kollegen: einen zweiarmigen, kollaborierenden Roboter namens YuMi aus dem Hause ABB. Dieser greift die Teile, steckt sie fest zusammen und verklebt mit Spritzpumpentechnik von Hilger+Kern das Gehäuse. „Mit seinen flexiblen Greifhänden, Teile-Zuführsystemen und der kamerabasierten Teileerkennung ist YuMi der ideale Roboter für die Kleinteilmontage. Er kann ohne weitere Schutzmaßnahmen direkt neben dem Menschen eingesetzt werden und mit ihm Hand in Hand arbeiten“, sagt Jörg Reger, Local Business Unit Manager Robotics, ABB Deutschland. Zum „Anlernen“ der neuen Tätigkeit braucht ihn der Bediener nur im Programmiermodus physisch am Arm durch die gewünschten Bewegungen zu führen. Während der Montage kontrolliert ein optisches Prüfsystem, ob alle Teile richtig verbaut sind. Der fertige Sensorwürfel wird dann zur Verpackungsstation transportiert und auf dem Weg dorthin zur Abschlusskontrolle durch ein weiteres Inspektionssystem geführt.

„Es ist ein verbreiteter Irrglauben, dass man zur Umstellung auf Industrie 4.0 den gesamten Maschinenpark erneuern muss. Bestands-
maschinen lassen sich meist nachrüsten. Es braucht daher nur einen geringen Aufwand, um digital gesteuerte Abläufe für mehr Effizienz in der Produktion einzuführen.“ Kai Blümchen, Geschäftsführer neogramm

Für das Modul eines „intelligenten Lagers“ zur korrekten Positionierung der Sensoren kam der Mannheimer Hightech-Campus von Roche ins Spiel. Hier wurden Spezialteile erforderlich, die von der Hochschule Mannheim entwickelt wurden und im 3D-Druck-Verfahren hergestellt werden mussten. Aufgrund bestimmter Materialanforderungen konnte die Hochschule Mannheim diese Teile jedoch nicht drucken. Hier sprang das Gesundheitsunternehmen ein. Seine Experten fertigten die notwendigen Konstruktionszeichnungen an und kümmerten sich auch gleich um den Druck in 3D.

Das abschließende Prüfsystem steuert neogramm bei. Der auf digitale Fertigungssysteme spezialisierte Software-Dienstleister ist auch für die Integration der Stationen verantwortlich. Er sorgt dafür, dass alle an der Produktion beteiligten Komponenten und Systeme direkt und in Echtzeit Daten austauschen können – die Grundlage für digital gesteuerte Abläufe. Dazu bindet neogramm einen von soffico bereitgestellten Manufacturing Service Bus passgenau ein. Diese Zwischenschicht (Middleware) verknüpft über standardisierte Software-Schnittstellen die Maschinen und Prozesse mit dem übergelagerten Produktionsplanungs- und Steuerungssystem. „Starre und hierarchische Verbindungen werden in eine offene Software-Architektur transformiert, in der alles mit allem verknüpft werden kann und die eine modulare Vernetzung per Plug&Play ermöglicht. Ein KMU braucht nur zu überlegen, was miteinander verbunden werden soll und nicht mehr wie“, erklärt Kai Blümchen, Geschäftsführer von neogramm, die sich ergebenden Möglichkeiten durch eine Middleware.
Die flexible Architektur eröffnet Firmen neue Möglichkeiten: Sie können an beliebiger Stelle in der Wertschöpfungskette einzelne Schritte automatisieren oder auf einzelne Inseln verstreute Automatisierungslösungen miteinander vernetzen. Denkbar ist auch, das Pick-to-Light-System auf die Montage zu übertragen. Ein weiterer Mehrwert: Durch die Vernetzung sind mehr Daten zugänglich, die Firmen beispielsweise für Smart Services nutzen können. Denn alle Maschinen und Komponenten melden ständig Zustände wie Auslastung, Materialfluss, Fehlermeldungen und Freigaben an das zentrale IT-System zurück.
Smart Production ist ein Netzwerk aus der Praxis für die Praxis. Dies ist gewollt und stellt die wichtige Nähe zu den produzierenden KMU her. Für jedes Thema aus der Welt der Industrie 4.0 gibt es im Projekt Ansprechpartner aus der Region, die bei der Umsetzung beraten und unterstützen. Ein solcher Kompetenzpartner ist MM Automation. Das Start-up ist auf virtuelle Inbetriebnahmen von Fertigungslinien mit Robotern spezialisiert. Ziel ist die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit geplanter Änderungen, indem beispielsweise die Automatisierung eines Arbeitsschrittes durch einen Roboter geprüft wird – bereits während der Planung. „Die virtuelle Inbetriebnahme ist als Investitionsschutz sinnvoll. Denn wir testen, ob der geplante Roboter sich für die vorhergesehene Aufgabe überhaupt eignet“, berichtet Mario Hermann, Geschäftsführer von MM Automation. Beim Smart Factory Demonstrator stellte sich beispielsweise heraus, dass YuMi für die Montage des Sensorwürfels größere Greifer braucht. „Änderungen in der Produktion im Vorfeld virtuell durchzuspielen, beschleunigt die reale Inbetriebnahme, vermeidet Ausfallzeiten und Kosten und unterstützt Firmen, die gewünschten Effizienzgewinne tatsächlich zu erzielen“, sagt Hermann. Grundlage für die Simulation ist ein digitaler Zwilling der realen Produktionsumgebung mit allen Betriebsdaten – eine wichtige Quelle, um Produktionsprozesse ständig weiter zu verbessern.

Die Strahlkraft des Leuchtturmprojekts Smart Factory Demonstrator ist enorm. „Wir erhalten aus ganz Deutschland Anfragen von interessierten Firmen, Partnernetzwerken und Verbänden“, berichtet Pins. Spannend für sie sei die Kombination aus praxisnahen 4.0-Anwendungsszenarien und Kompetenzteams von Firmen, die für jeden der gezeigten Produktionsschritte auch Projekterfahrung mitbringen. Hinzu kommen Prozessberater, die nicht nur bei der technischen Umstellung unterstützen, sondern auch beim Wandel der Unternehmenskultur und Organisation. „KMU können sicher sein, für all ihre Fragestellungen im Digitalisierungsprozess einen Ansprechpartner zu finden. Damit nehmen wir deutschlandweit eine Vorreiterrolle ein“, bringt es Pins auf den Punkt.