Wie Sie mit digitalen Zwillingen Projektkosten sparen und die Qualität verbessern

Jul 24, 2023

Die virtuelle Inbetriebnahme kundenspezifischer Maschinen hat den größten Hebel hinsichtlich der Verbesserung von Produktqualität, Kosten und Durchlaufzeit. Bisher war die Modellerstellung mangels mechatronischer Baukastensysteme aufwendig und unwirtschaftlich. Werfen wir einen Blick auf die Auswirkungen digitaler Zwillinge für die virtuelle Inbetriebnahme.

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Für diesen Artikel wurde der Einsatz digitaler Zwillinge in mehreren Gutachten hinsichtlich: wirtschaftlicher Anwendbarkeit, Art der Simulationszeitbasis, Modellierungssprachen bzw. Werkzeugen und Methodik analysiert. Im Folgenden werden die Einsatzmöglichkeiten und Vorteile ihres Einsatzes für die Projektabwicklung von Agile Manufacturing Systems aufgezeigt. Die Maschinen für die Anlagen werden aus einem modularen Baukasten zusammengestellt und nach den vorgegebenen Kundenspezifikationen ausgestattet.

Der Einsatzbereich während der Projektabwicklung, beginnend beim Verkaufsprozess bis hin zum Produktionsstart (SOP), erfordert unterschiedliche Spezifikationen für solche digitalen Modelle. Im Verkaufsprozess wird die Kundenanfrage hinsichtlich des Teilefertigungsprozesses, der erforderlichen Kapazität und des gewünschten Layouts berücksichtigt. Für die Spezifikation wird ein Preis festgelegt, aber die Modelle für den Vorschlagsprozess verwenden das Standard-Baukastensystem der einzelnen Maschinen. Die für die Simulation verwendeten Modelle sollten mit der erforderlichen Geschwindigkeit der Anwendungsentwicklungsphase übereinstimmen und relativ einfach und genau genug sein, um die richtigen Informationen über Zykluszeit, Maschinenanzahl, korrekte Layoutkonfiguration und die Gesamtleistung der Linie zu liefern. Mit der Bestellung und dem Engineering der mechatronischen Designinformationen wird der Digital Product Twin entsprechend der Kundenspezifikation entwickelt. Während der Projektabwicklung gibt es unterschiedliche Meilensteine ​​zur Verifizierung der Simulation sowie der Optimierung bis zur Erreichung der Endabnahme (FAC). Mit Abschluss des Projekts sollten alle Digital Twins aktualisiert sein und die virtuelle Kopie des realen Lieferumfangs darstellen.

Der digitale Prozesszwilling ist ein Arbeitsbereichsmodell und simuliert die Achsbewegungen, die prozessrelevanten Nebenzeiten, die Spannvorrichtung, das zu bearbeitende Werkstück und die benötigten Zerspanungswerkzeuge. Im Vergleich zu einer SPS-Inbetriebnahme ist die NC-Inbetriebnahme sehr kurz, bietet aber deutliche Qualitäts- und Zeitvorteile.

Der Digital Product Twin ist ein cyberphysisches Modell mit nahezu 100 % Funktionalität in Kombination mit einer emulierten (Software in the Loop) oder realen Steuerung (Hardware in the Loop). Neben dem realen Controller können auch andere reale Produkte wie Ventilblöcke, Aktoren usw Schnittstellen können z. B. über Ethernet oder Profibus/Profinet angeschlossen werden. Im Vergleich wurde die auf Hardware in the Loop basierende Anwendung aufgrund ihrer genauesten Abbildung der Realität als Best-Practice-Lösung bewertet. Die Maschinensteuerung (z. B. Siemens 840 Dsl) wird dies tun direkt mit dem realen Feldbus an den PC (z. B. Windows mit Twin CAT 3.1) angeschlossen werden, auf dem das Simulationsmodell der Maschine installiert ist. Die Simulation läuft in Echtzeit ab.

Der Digital Production/System Twin stellt die vollständige Installation eines Fertigungs-/Produktionssystems als Modell dar. Der Hauptzweck dieser Anwendung besteht in der Analyse und Optimierung des Materialflusses und der Berechnung der erreichbaren Produktivität oder OEE (Overall Equipment Efficiency) für das Gesamtsystem. Beide Parameter – Systemdurchsatz und Systemleistung – sind vertragliche Verpflichtungen und erfordern ein Simulationsmodell zur Bestätigung der Spezifikation. Mit mehr Sensibilität für Energie und Umwelt sowie die Investitions- und Betriebskosten für diese Themen werden Simulationsmodelle zur Ermittlung von Stromverbrauch, benötigten Anschlussleistungen, Medienverbrauch (Kühlmittel, Druckluft, Anlagenwasser) sowie Abluft- und Filterleistung eingesetzt.

Die meisten Kunden mit Großserienproduktion geben detaillierte Projektspezifikationen heraus, um bei ihren Anfragen auf bereits geschultes Personal und den vorhandenen Ersatzteilbestand zurückgreifen zu können. Für den Systemlieferanten erfordert eine solche Spezifikation einen durchaus erheblichen Engineering-Aufwand für seine standardisierten modularen Maschinenkomponenten sowie für den Fertigungsprozess. Für jedes Projekt ist eine intensive Inbetriebnahmephase einzuplanen, um die geforderte Qualität zu liefern und die Sicherheitsvorgaben zu erfüllen. Um eine möglichst durchlaufzeitabhängige Inbetriebnahme zu vermeiden, bot die Entwicklung der virtuellen Inbetriebnahme und der Inbetriebnahme als Mischung aus realer Ausrüstung und virtueller Ausrüstung erhebliche Vorteile, die sowohl für den Lieferanten als auch für die Kunden von größtem Nutzen sind. Je genauer ein Modell die Realität widerspiegelt, desto höher ist seine Qualität. Dies ist ein Leitfaden für digitale Produktzwillinge, um die Realität simulieren zu können.

Zukünftig wird der Digitale Zwilling Bestandteil der Lieferung bzw. Leistung und ist somit vom Kunden zu bestellen und zu bezahlen. Dies erfordert eine Definition der Simulationsqualität eines Digitalen Zwillings, eine Spezifikation und Maßnahmen zur Validierung dieser Qualität.

Um eine effiziente Modellkonstruktion zu ermöglichen, ist eine mechatronische Gestaltung von Bauteilen und Maschinen erforderlich. Die resultierenden 3D-Entwürfe der mechanischen Maschinen mit den entsprechenden Schaltungs-, Strömungs- und Pneumatikplänen können zur Modellerstellung in die Software eingelesen werden. Den einzelnen Baugruppen werden dann im Modell die Freiheitsgrade und die Funktionsparameter (z. B. maximale Fahrgeschwindigkeit, Beschleunigung und Ruckwerte) zugeordnet. Auf diese Weise erhält jedes Element der Maschine die bekannten Funktionsparameter zur Simulation des realen Bauteils. Im ersten Schritt wird das ebenfalls bereitgestellte SPS-Programm mit dem Modell verglichen und auf Plausibilität überprüft. Hier können bereits erste Fehler erkannt und behoben werden. Wenn Geräte vom Programm nicht angesprochen werden oder wenn das Programm Geräte anspricht, die nicht vorhanden sind, dann liegen offensichtliche Konstruktionsfehler vor, die in der Vergangenheit erst bei der tatsächlichen Inbetriebnahme entdeckt wurden und höchstwahrscheinlich in alle gebauten Maschinen kopiert wurden. Da das Modell während der Entwurfsphase als additive Aktivität erstellt wird, muss das Risiko einer fehlenden Rekursion gemanagt werden, d. h. spätere Änderungen in der Konstruktionsabteilung werden in früheren Modellen entwickelt und nicht beibehalten.

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Die virtuelle Inbetriebnahme ist eine Vorwegnahme des SPS-Programmtests, der abschließend an der realen Maschine durchgeführt wird. Ziel der Inbetriebnahme am Modell ist es, möglichst viel Zeit vom durchlaufzeitrelevanten Bereich der realen Inbetriebnahme in die Parallelisierung mit dem Engineering, der Beschaffung und der Produktion der Baugruppen zu verlagern. Bei erfolgreicher Überführung kann die Durchlaufzeit eines Projekts (im Systemgeschäft ca. zwölf Monate bis zum Auslieferungszustand) deutlich verkürzt werden (Fertigungsanlagen mit CNC-Maschinen nur ca. vier Wochen ca. zwölf Wochen).

Abhängig von der Kundenspezifikation und der CE-Herstellererklärung, die nicht die neueste Simulationstechnologie berücksichtigt, können nicht alle Funktionen auf die virtuelle Inbetriebnahme übertragen werden. Um Wiederholungen für die tatsächliche Inbetriebnahme zu vermeiden, muss das Modell so genau wie möglich der realen Maschine entsprechen. Zur Unterstützung dieser Anforderung bieten die Hardware-in-the-Loop-Testgeräte (HiL) die beste Abdeckung. Neben der schadensfreien Prüfung der Funktionen am Modell bietet die Simulation eine automatische Funktionswiederholung an der unbemannten Station. Im manuellen Testmodus wird eine Funktion nach wenigen fehlerfreien Wiederholungen freigegeben. Im Automatikbetrieb kommt es nach der Auslieferung vereinzelt zu Stillständen aufgrund eines ungeplanten Stopps oder Absturzes des SPS-Programms. Das Erkennen jedes dieser sporadischen Fehler im Voraus führt zu spürbaren Auswirkungen auf die Kosten (Zeitfaktor der Fehlerkorrektur am Simulator vs. Werk des Herstellers vs. Werk des Kunden: 1:8:40) und die Softwarequalität. Der Simulator kann zwischen der Lieferung und dem Beginn der Inbetriebnahme im Werk des Kunden eingesetzt werden, um offene Fragen aus der Vorabnahme zu schließen oder mit der weiteren Programmoptimierung fortzufahren.

Die Kombination eines realen Roboters mit einem virtuellen Greifer und die Darstellung des gemeinsamen Funktionssystems mittels virtueller Realität ist seit Jahren Stand der Technik und hat ein neues Anwendungsfeld für Simulationsmodelle eröffnet. In schlüsselfertigen Anlagen wie Agile Manufacturing Systems sind immer mehrere Lieferanten beteiligt (Abb. links: Agile Manufacturing Cell mit Portalautomation und CNC-Maschinen). Für die Inbetriebnahme und Vorabnahme mussten die beiden an räumlich getrennten Standorten errichteten Anlagenkomponenten für die Inbetriebnahme räumlich zusammengeführt werden. Sofern nicht sehr konservative Endkunden auf dieses kosten- und zeitaufwändige Vorgehen bestehen, könnten durch die Anbindung einer realen Anlagenkomponente an ein Simulationsmodell (Hardware in the Loop) z. B. über die Profibus-Schnittstelle nur Vorteile erzielt werden. Tatsächlich war dies bei der Inbetriebnahme nach der Installation im Werk des Betreibers sofort messbar. Neben der Qualitätsverbesserung des SPS-Programms konnten Kosten und Zeit eingespart werden, da die beiden Systemkomponenten nicht zusammengeführt werden mussten.

Sobald das installierte System im Werk des Kunden für den Produktionsstart bereit war, musste das Produktionssystem in das Produktionsmanagement-Computersystem des Kunden integriert werden. Neben dem Standardproduktionsprozess muss auch das Hoch- und Herunterfahren pro Teiletyp und Variante nachgewiesen werden, um das Produktionsmanagementsystem an die installierte neue Produktionslinie anzupassen. Der Einsatz eines produktionsreifen Produktionssystems über einen längeren Zeitraum (Wochen) zur Integration in ein betriebliches Produktionssystem kann nun durch die Verfügbarkeit virtueller Modelle vermieden werden und unterstützt einen früheren Produktionsstart (SOP).

Die Reduzierung der Durchlaufzeit ist ein erster messbarer Effekt, der als Maßstab für die traditionelle Projektabwicklung dienen wird. Qualitätsverbesserungen werden definitiv in verschiedenen Bereichen erreicht und werden in einer Produktkostensenkung quantifiziert.

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