Digitale Fabrik – Fabrikplanung mit mordernen IT-Lösungen

Die Reallayoutplanung ist eine der arbeitsintensivsten Phasen der Fabrikplanung und wurde bis in die 1990er Jahre noch vorwiegend mit technischen Zeichnungen auf Papier umgesetzt. Heute gibt es sehr viel Software, die die Möglichkeit der Nutzung einer virtuellen Realität (VR) für die Fabrik- und Fertigungsplanung schafft. Virtuelle Realität ist in der Produktentwicklung als CAD und digital Mock-Up (digitales Versuchsmodell) bekannt, für die Fabrikplanung wird virtuelle Realität unter dem Konzept einer digitalen Fabrik eingesetzt. Eine digitale Fabrik ist eine virtuelle, zwei- oder drei-dimensionale Darstellung der Fabrik zur Durchführung einer Realplanung und testgetriebenen Simulation, insbesondere für Materialflussanalysen.

Nachfolgende Abbildungen entstammen der Software visTABLE (weitere Informationen zur Software unten im Artikel).

Ein virtuelles Modell ist statisch. Auch der Aufbau einer Fabrik ist überwiegend statisch, jedoch mit vielen dynamischen Prozessen verbunden, unter welchen sich der Aufbau einer Fabrik beweisen muss. Mit der Simulation einer Fabrik wird das Nachbilden eines Fabriksystems mit allen verbundenen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell verstanden. Ziel einer Simulation ist, der Wirklichkeit so nahe zu kommen, dass aus einer Simulation zu ziehende Schlüsse (Erkenntnisse) auf die Wirklichkeit, also auf die reale Fabrik, übertragbar sind.

Die digitale Fabrik ist (laut VDI-Richtlinie 4499) ein Oberbegriff für ein umfassendes Nutzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen (u. a. der Simulation und 3D-Visualisierung), die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Die digitale Fabrik ist eng angebunden an PDM-/EDM-Systemen bzw. PLM-Systemen. Ziel der digitalen Fabrik ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik.

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Die digitale Fabrik dient zwei Zielen:

  • Erstellung der Ideal- und vor allem der Realplanung unter Zuhilfenahme von elektronischen Helferprogrammen und dem Oberziel des modularen Aufbaues und dem Aspekt der Wiederverwendbarkeit. Die Möglichkeiten der digitalen Planung ermöglicht eine bessere Visualisierung und somit ein besseres Verständnis eines Fabriksystems. Die digitale Fabrik ermöglicht zudem ein tieferes Verständnis eines Fabrik-Reallayouts, ohne dass dieses real existieren muss.
  •  Simulation der dynamischen Prozesse der Fabrik. Die große Schwierigkeit der Fabrikplanung ist die Planungssicherheit, mit einer Simulation dynamischer Prozesse lässt sich der Nutzen einer (statischen) Planung bzw. eines Modells absichern (Verifizierung). Mit der Simulation sind die Quantifizierung von Einflussgrößen/-parametern und die Kennzahlenbildung zur Bewertung der Fehleranfälligkeit und Leistungsfähigkeit der simulierten Fabrik verbunden.

Damit die Ergebnisse der Simulationen zuverlässig sind, muss die digitale Fabrik (Modell) auf Übereinstimmung mit der Realität geprüft werden (Validierung). Ein experimentierbares Simulationsmodell muss realitätsnah, hinreichend genau, anwendbar (d. h. rechtlich, sozial und technisch umsetzbar sowie zu bestehenden Modulen kompatibel sein), flexibel (Parameter) und erweiterbar (modular aufgebaut) sein. Hohe Bedeutung kommt der Berücksichtigung von Szenarien über Einflüsse auf die Fabrik zu, deren Auswirkungen in Form von Sensivitätsanalysen (zu welchen Ergebnisänderungen führen veränderte Eingaben?) untersucht werden sollten.

Anwendungsgebiete der digitalen Fabrik:

  • 3D-Visualisierung: Die 3D-Darstellung kann auf einfachen Monitoren erfolgen. Es gibt jedoch immersive Visualisierungstechniken, welche eine echte 3D-Visualisierung ermöglichen, so dass sich der Betrachter in der digitalen Fabrik integriert wiederfindet und so eine noch realistischere Vorstellung von dieser erhält. Zu den Visualisierungstechniken zählen die PowerWall, das HoloBench, das Tiled Display und der Cave (mit einer 360°-Darstellung um die Achse des Betrachters).
  • Layoutplanung: Mit Berechnungsprogrammen und Standardisierung lässt sich eine noch kostengünstigere und schnellere Ideal- und Reallayoutplanung und Layoutoptimierung erreichen sowie die Fehleranfälligkeit der Planung und der Planungsergebnisse reduzieren. Die Fabrikplanung ist projektgetrieben und die Möglichkeiten der digitalen Fabrik erleichtert eine Kostenoptimierung durch frühe Optimierung von Kostentreibern.
  • Materialfluss-Simulation: Materialflussanalysen in abstrakter Form (Sankey-Diagramme) oder in Reallayout-Darstellungen zur Optimierung der Fertigungsmittelanordnung, Rüstzeiten, Pufferflächen, Bestände, Durchlaufzeiten und Transportwege.
  • Wertstromanalyse: Betrachtung und Optimierung der Material- und Informationsflüsse in einem Wertstromdesign.
  • Fertigungsplanung und -simulation: Zellenplanung und -simulation, Simulation von Fertigungs-/Montageprozessen.
  • Prozessplanung: Modellierung und Bewertung von Arbeitsabläufen in der Fertigung, Montage und internen Logistik.
  • Logistik-Planung: Szenarienbasierte Planung der externen Logistikanbindung (Vertriebs-, Beschaffungs- und Entsorgungslogistik).
  • Arbeits(platz)gestaltung: Eine bestmögliche Arbeitsgestaltung mit Fokus auf Ergonomie und kurzen Wegen (siehe MTM) erhöht die Mitarbeiterzufriedenheit und Produktivität. Die digitale Fabrik kann bei der bestmöglichen Gestaltung von Arbeitssystemen bereits vor Realisierung der Fabrik helfen.

Achtung: Die digitale Fabrik darf nicht mit der virtuellen Fabrik verwechselt werden!

Digitale Fabrik – Software für Fabrikplanung und -simulation

Die Abbildungen (Screenshots) in diesem Artikel stammen aus der äußerst leistungsfähigen Planungssoftware visTABLE der plavis GmbH in Chemnitz. Die Software ist für die Erstellung einer digitalen Fabrik zur ganzheitlichen Fabrikplanung und -simulation entwickelt worden und kann insbesondere folgende Aufgaben übernehmen:

  • Werks- und Layoutplanung
  • Materialflussanalyse
  • Montageplanung
  • Szenarienplanung
  • Laufwegeoptimierung
  • Rüstworkshops
  • Bereitstellplanung
  • Kommissionier-Planung
  • Umsetzung der Ergebnisse aus Wertstromanalysen