Entwicklung, Aufbau und Demonstration einer wandlungsfähigen (Fahrzeug-) Forschungsproduktion

ARENA2036 ist Teil der Forschungscampusinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und als solcher Teil der Erprobung einer neuartigen, strategischen Forschungsstruktur in Deutschland.

Das nachfolgende Kapitel beschreibt die Herausforderungen an eine moderne Automobilproduktion aus der Sicht der Konsortialpartner im Jahre 2013. Die Verarbeitung von neuen Materialien und die Integration des funktionalen Leichtbaus in die Großserie, die Beherrschung der Komplexität in der Produktion, sowie die Zunahme der Produktvarianten unter Berücksichtigung unsicherer Antriebskonzepte standen bei den Vorüberlegungen im Mittelpunkt. Die propagierte Lösung ist ein neuartiges Produktionskonzept für die Automobilproduktion ohne Band und Takt, welches im Zeitraum von 2013–2018 in der ARENA2036 prototypisch realisiert wurde.

Die quantitative Bewertung der Wandlungsfähigkeit für die verschiedenen Ebenen der Produktion – Montagesystem, Montagelinie und Fabrik – steht im Mittelpunkt der Betrachtungen für ein gemeinsames Verständnis der Problemstellung und der Herausforderungen in der automobilen Produktionstechnik. Am Beispiel der Bewertung eines Montagesystems soll das Vorgehen und der theoretische Hintergrund zu Erhebung des ermittelten Wandlungsfähigkeitsindex (WiFit) erläutert werden. Dazu wird im Detail auf mögliche Ziele der Wandlungsfähigkeit, zugehörige Treiber und Befähiger sowie das schematische Vorgehen eingegangen.

Neue Antriebstechnologien, Share Economy und der Trend der Individualisierung stellen die Automobilindustrie vor große Herausforderungen. Diese wirken unmittelbar auf die Fabrikgestaltung und ihren Betrieb. Insbesondere wird eine höhere Wandlungsfähigkeit der Produktionssysteme gefordert. Dieser Beitrag beleuchtet die Veränderungen in der Gestaltung, sowie der Planung- und Steuerung der Produktionssysteme. Es wird herausgearbeitet, welche Rahmenbedingungen und Anforderungen sich für ein wandlungsfähiges, modulares Produktionssystem ohne Band und Takt ergeben. Zudem stellt der Beitrag Methodenansätze für die Gestaltung und die Planung und Steuerung eines solchen Matrix-Produktionssystems vor. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungscampus ARENA 2036 mit Partnern aus Industrie und Forschung entwickelt und getestet.

Eine wandlungsfähige Produktion erfordert eine ebenso wandlungsfähige steuerungstechnische- und zugehörige informationstechnische Architektur. Bisher vorzufindende physisch und logisch hart verdrahtete Architekturen erlauben keine schnelle und effiziente Umorganisation der Produktion. Ebenso die feste Zuordnung in hart voneinander getrennte Ebenen stellen ein Hindernis für die Wandlungsfähigkeit der Produktion dar. Erst durch neuartige serviceorientierte Architekturen und Informationsmodelle können Produktionsabläufe flexibel vernetzt und gesteuert werden. Dazu zählen sowohl die Kommunikation selbst, als auch darauf basierende Protokolle und Selbstbeschreibungen von den zur Verfügung gestellten fertigungstechnischen oder logistischen Fähigkeiten. Durch die Anpassungsfähigkeit an neue Herausforderungen bei einer Wandlung der Produktion, steigt die Komplexität in den einzelnen Maschinen und der damit verbundene Softwareanteil. In diesem Kapitel werden die Paradigmenwechsel mit Sicht auf die Steuerung und IT von wandlungsfähigen Produktionen dargestellt.

Die Wandlungsfähigkeit von Montagesystemen steht im Mittelpunkt der Betrachtungen der ARENA2036. Automatische Systeme weisen dabei klassischerweise schlechtere Voraussetzungen zur Wandlung auf, da sich diese Systeme nicht in der selben Geschwindigkeit und im selben Umfang (re-)konfigurieren lassen, wie dies beispielsweise bei manuellen Montagesystemen möglich ist. Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) verspricht eine technische Lösung zur Implementierung wandlungsfähiger Montagesysteme. Im Idealfall können die Stärken einer menschlichen Arbeitskraft mit den Stärken eines Industrieroboters gepaart werden. Es gilt MRK zielführend zu planen und technisch passende sowie betriebswirtschaftlich sinnvolle Anwendungs- und Einsatzszenarien zu definieren, bei denen sich Mensch und Roboter ideal ergänzen. Weiterhin soll durch den Einsatz geeigneter Programmier- und Werkzeugsysteme der Aufwand in die Inbetriebnahme und Adaption der Systeme gering gehalten werden. Dies wird anhand von zwei Beispielen aus intuitiver Roboterprogrammierung und wandlungsfähiger Roboterperipherie erklärt.

Das Aufbrechen von starren Verkettungsstrukturen im Automobilbereich erfordert insbesondere beim Transport des Materials und der Werkstücke durch die einzelnen Arbeitsschritte neue Konzepte in der Fördertechnik, um die Wandlungsfähigkeit durch Modularisierung und Entkopplung zu gewährleisten. Unter Anwendung des in Verbundprojekt entwickelten Wandlungsfähigkeitstool wurde die bestehenden bekannten Fördermittel auf Ihre Wandlungsfähigkeit hin untersucht. Am Beispiel heute schon flexibler Fördermittel, wie fahrerlosen Transportsystemen wurde gezeigt, wie man diese weiterentwickeln kann, um den individuellen Grad der Wandlungsfähigkeit zu erhöhen. Dabei ist ein Demonstrator entstanden, welcher ein wandelbares Produktionsfördersystem darstellt.

Die Produktvielfalt infolge Erschließung neuer Marktsegmente, einhergehend mit der Zunahme an Ausstattungs- und Individualisierungsoptionen, haben dazu geführt, dass in der automobilen Großserienproduktion Losgröße 1 längst nicht mehr ein perspektivisches Szenario darstellt, sondern vielmehr bereits die Realität abbildet. Insofern haben sich die Produkte genau jener Branche fundamental geändert, aus der die Prinzipien der Fließbandfertigung hervorgegangen sind. Darüber hinaus wird angesichts des fortschreitenden Transformationsprozesses hin zu einem größeren Anteil an Hybrid- und Elektrofahrzeugen der Komplexitätsgrad der Austaktung der Montagelinien weiter verschärft. In Anbetracht volatiler Märkte sind Flexibilität und Wandelbarkeit Schlüsselmerkmale effizienter Fertigungsprozesse, auf die es die intralogistischen Prozesse auszurichten gilt. Die Produktionslogistik darf daher nicht Schranke sondern muss Wegbereiter für effiziente Fertigungsprozesse sein. Um die Endmontage variantenreicher Produkte mit großer Spreizung an Montage- und Bauteilumfängen künftig effizienter zu gestalten, bedarf es daher eines Paradigmenwechsels in der Produktionslogistik.

Die Zunahme der Produktvielfalt stellt die Hersteller zunehmend vor die Herausforderung der wirtschaftlichen Produktion. Dieser Beitrag adressiert die automatisierte Montage und analysiert dazu zunächst existierende Anlagenkonzepte, indem das Konzept der Sondermaschine mit flexiblen, am Markt verfügbaren Konzepten, sowie Beispielen aus dem akademischen Umfeld verglichen wird. Daraus werden Entwicklungspotenziale hinsichtlich wandlungsfähiger Anlagenkonzepte abgeleitet.

Diese Entwicklungspotenziale adressiert das vorgestellte Plug-and-Produce-System, welches aus austauschbaren Prozessträgern mit standardisierten Prozesseinheiten besteht. Diese „Mechatronischen Objekte“ (MO) stellen ihre Fähigkeiten über eine integrierte Steuerung digital zur Verfügung und sind um eine sub-mm genaue Positionsbestimmung ergänzt. Die Kombination der Fähigkeiten mehrerer MO erlaubt so die Automatisierung von Montageaufgaben, wobei das Engineering durch kurze Inbetriebnahmezeiten und die Möglichkeit der einfachen, nachträglichen Änderung geprägt ist. Die Funktionsweise des Konzepts wird anhand eines Demonstrators gezeigt und legt die Grundlage für die weitere Zusammenarbeit im Konsortium.

Die Veränderung der Automobilproduktion macht sich insbesondere im Bereich der Montagetechnik und Betriebsmittel der automobilen Endmontage bemerkbar. Es gilt eine grundlegende Wandlungsfähigkeit in den Produktionsstrukturen zu schaffen und daraus Zielsysteme und Anforderungen für zukünftige Betriebsmittel abzuleiten. Ausgehend von diesen theoretischen Überlegungen soll im nachfolgenden Kapitel ein Leitbild zukünftiger Automobilproduktionen, sowie dessen zugehörige Gestaltungsmethoden entwickelt und präsentiert werden. Die Gestaltungsmethoden adressieren dabei insbesondere die Betriebsmittel der Füge-, Logistik- und Montageprozesse und deren soziotechnische Systeme in einer Automobilendmontage.

Die Forschungsarbeiten der ARENA2036 wurden an realitätsnahen Anwendungsbeispielen aus dem Kontext der Automobilproduktion validiert. Hierzu diente ein Anwendungsfall aus der Türenmontage An diesem lassen sich die Herausforderungen einer volatilen Nachfrage, hohen Variantenvielfalt, wie aber auch Komplexität der Bauteilgeomtrien und Fügeprozesse gut abbilden. Die Untersuchungen betreffen alle bereits eingeführten Einzeltechnologien und -entwicklungen der vorhergehenden Kapitel. Die eingangs erwähnten Kriterien zur Überprüfung der Vorteile eines neuartigen Produktionskonzeptes wurden als Bewertungsmaßstab herangezogen.

Das folgende Kapitel befasst sich mit den erreichten Zielen der ersten Phase der wandlungsfähigen Forschungsproduktion der ARENA2036. Ebenso wird ein Fokus auf weiterführende Arbeiten in der zweiten Förderphase gelegt. Hierbei geht es insbesondere um identifizierte Herausforderungen, zu erreichende Ziele und deren zugehörige Technologien, die die Arbeiten der kommenden Jahre maßgeblich prägen werden. Der Mensch als zentrales Organ einer rekonfigurierbaren, mitunter komplexen Produktion steht dabei im Mittelpunkt der Betrachtungen. Ein menschzentriertes Produktionssystem aus cyber-physischen Modulen soll entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden, mit dem Ziel die Komplexität in der Produktion beherrschbar zu machen und die Zeitaufwände der Inbetriebnahme und Planung von Produktionssystemen weiter zu reduzieren.