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16.04.1999 - 

IT im Maschinen- und Anlagenbau/Aus Projekten von Fraunhofer-Instituten

Gefragt sind IT-Neuerungen mit spürbarem ökonomischem Effekt

Computer beschleunigen im Maschinen- und Anlagenbau die Produktentwicklung, verfeinern die Maschinensteuerung und perfektionieren die Qualitätssicherung. Über die neuesten DV-Entwicklungen in der Branche hat sich Johannes Kelch* bei Fraunhofer-Instituten erkundigt, die gerade in Leit- und Verbundprojekten den Stand der Technik neu definieren.

Nur etwa 80 Prozent der deutschen Maschinenbauunternehmen nutzen CAD-Programme. Und wiederum 80 Prozent davon begnügen sich in ihrer Produktentwicklung mit 2D-CAD-Software. Die Mehrzahl der genügsamen Firmen sieht darin auch gar kein Problem, etwa zwei von drei äußern sich zufrieden über ihre begrenzt tauglichen Werkzeuge, die keine dritte Dimension kennen. Das sind Zahlen aus der Untersuchung "Neue Wege zur Produktentwicklung", die vom Bundesforschungsministerium gefördert wurde.

Der Hochschullehrer Frank-Lothar Krause vom Berliner Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK beurteilt die 2D- Zufriedenheit der Firmen als gefährliche Arglosigkeit: "Eine Trendwende ist unbedingt notwendig."

Vor allem kleine und mittlere Unternehmen, die als Teilezulieferer ins Geschäft kommen wollen, müssen nach Krauses Meinung ihre Entwicklung mit 3D-Programmen auf eine neue Basis stellen. Denn größere Firmen, die als Abnehmer in Frage kommen, fordern heute die Koordination gemeinsamer Projekte in 3D.

Doch auch die dritte Dimension ist noch keine Garantie für reibungslose Entwicklungsarbeiten unter dem gnadenlosen Diktat des "Time to Market". Auf dem beschwerlichen Weg von der Idee bis zum Prototyp behindern zwei Dinge die Entwicklungsabteilungen der Unternehmen.

Da ist zum einen die Vielfalt der CAD-Programme, die nicht miteinander kompatibel sind und den Austausch von Daten erschweren. Zum anderen ist der Produktentstehungsprozeß noch durch Medienbrüche gekennzeichnet. Für Planung, Konstruktion und Fertigungserprobung gibt es jeweils eigene Software als Insellösung ohne brauchbare Schnittstellen untereinander.

Diesen lästigen Unvereinbarkeiten soll jetzt ein Ende bereitet werden. Das Leitprojekt "Integrierte virtuelle Produktentstehung" (Ivip) entwickelt mit 50 Millionen Mark von der Bundesregierung und noch einmal soviel Geld aus der Industrie neue Software-Tools als Ergänzung zu gebräuchlichen CAD-Programmen. Das IPK kümmert sich als Koordinator um die Integrität der Software-Entwicklung und arbeitet in den Teilprojekten mit. Die Markteinführung liegt in den Händen von Siemens Business Services (SBS).

Krause formuliert als Ziel des Leitprojekts den durchgängigen digitalen Informationsfluß bei der Produktentstehung. Weitere Ziele sind der Investitionsschutz für bereits vorhandene CAD-Software und ihre Integrationsfähigkeit. Eine "offene Softwareplattform" soll es möglich machen, CAD-Systeme über eine Benutzer-Schnittstelle anzusprechen.

Im Aufbau befinden sich zudem virtuelle Prüfstände. Tests mit Bauteilen, die bisher an mechanischen Prüfständen liefen, werden in den Rechner verlagert, so daß sich Konstruktionsfehler frühzeitig erkennen lassen. Hybride Prüfstände verbinden die Vorteile der virtuellen und der mechanischen Bauteiluntersuchung.

Das Leitprojekt geht sogar über Virtual Prototyping hinaus, es beschleunigt auch den Schritt vom Prototyp zur Produktion. Schon während die Entwickler an einem neuen Produkt feilen und tüfteln, lassen sich die Fertigungs- und Montagelinien am Rechner visualisieren und die Arbeitsabläufe am Bildschirm aufeinander abstimmen. Sobald die Erprobung eines Produkts abgeschlossen ist, kann deshalb die Serienproduktion anlaufen, und zwar ohne die bereits in der Simulation erkannten Kinderkrankheiten.

Neue Maschinen schnell auf den Markt bringen - das steigert die Wettbewerbsfähigkeit. Doch was sollten Maschinen- und Anlagenbauer an ihren Produkten erneuern? Welche Innovationen lohnen sich?

Ingenieure einiger Institute der Fraunhofer-Gesellschaft schlagen seit Jahren vor, Maschinen und Anlagen generell mit mehr künstlicher Intelligenz auszustatten. Intelligente, autonome Subsysteme - so ihre Vision - könnten dezentral wichtige Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnoseaufgaben übernehmen. Vorbild dafür ist ein kleines unscheinbares Mikrosystem im Auto, das innerhalb von Sekundenbruchteilen die Meßdaten aus einem Aufprallsensor verarbeitet und das Aufblasen des lebensrettenden Luftsacks auslöst.

Mikrosysteme vereinigen meist mehrere Elemente auf kleinstem Raum in einer stabilen Verbindung: Controller, Speicher, Sensor, Aktor und Interface. Viele Einsatzbereiche für die intelligenten Winzlinge bieten sich im Maschinen- und Anlagenbau an:

-für die schnelle und exakt berechnete Reaktion auf zu hohen Druck oder zu hohe Temperaturen in Anlagen der chemischen Industrie,

-für die sparsame Dosierung von Schmiermitteln oder

-für das Erkennen der ersten Anzeichen von Schäden an einzelnen Bauelementen, bevor der Stillstand einer Maschine unerwartet hohe Kosten verursacht.

Modulsystem spart Zeit und Geld

Bisher scheiterte die Entwicklung anwendungsspezifischer Mikrosysteme für den Maschinenbau an der langen Entwicklungsdauer und den hohen Produktkosten. Seit wenigen Monaten können Unternehmen jedoch auf Baukastensysteme zurückgreifen, die es gestatten, Mikrosysteme nach Bedarf modular zusammenzusetzen.

Die Baukästen wurden vom Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Zusammenarbeit mit dem Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelt. Als Demonstrationsbeispiel hat das IZM ein Drucksensorsystem gebaut, das Informationen verarbeitet und über ein Bus-Interface weiterleitet.

Spezialisten erhoffen sich generell große Vorteile durch den Einsatz der Minisysteme. So heißt es in dem Bericht "Modulare Mikrosystemtechnik", den IZM und IPA verfaßt haben, intelligente Mikrosysteme besäßen "das Potential, die Funktionalität und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen". Durch die bauliche Einheit der Mikrosysteme könne der "Aufwand für Aufbau- und Verbindungstechnik, Gehäusung und Montage erheblich reduziert werden".

Während die Karriere der Mikrosystemtechnik im Maschinen- und Anlagenbau erst beginnt, hat sich der Computer in der Qualitätssicherung bereits zum zuverlässigen und ausdauernden Inspekteur entwickelt. Die industrielle Bildverarbeitung erobert Zug um Zug die Fabrikhallen und übertrifft in vieler Hinsicht die Leistung eines Menschen. Denn das menschliche Auge nimmt zu ungenau wahr, kann nicht ins Innere von Bauteilen sehen und ermüdet schnell - insbesondere dann, wenn die Produktion zuverlässig läuft und kaum Fehler auftreten.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen haben einem Rechner beigebracht, Produkte durch den Vergleich mit einem Muster als falsch oder richtig zu klassifizieren. Ein Beispiel ist die Überprüfung von Bohrlöchern in Brems- und Kupplungszylindern, die nicht verkratzt sein dürfen. Um Fehler ausfindig zu machen, führen die Forscher in die Bohrlöcher Endoskope mit einem Fischauge und nehmen ein Bild von einem Rundumblick (360 Grad) auf. Eine Software erkennt sodann vorhandene Abweichungen von bis zu 0,2 Millimetern vom Muster.

Qualitätssicherung beginnt heute nicht erst bei der nachträglichen Begutachtung, sondern schon während des Herstellungsprozesses. Dadurch läßt sich die Produktion von Ausschuß auf ein Minimum begrenzen.

Was DV-Technik auf diesem Gebiet leisten kann, zeigt ein Verbundprojekt, an dem das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung zusammen mit zwei weiteren Instituten und zwölf Industriepartnern arbeitet. Das Projekt unter der fachlichen Leitung von Ingenieur Ernst Schmidberger konzentriert sich auf die Regelung von Kunststoff-Spritzgießmaschinen.

Obwohl sich heute an solchen Maschinen Einzelparameter wie Maschinendruck und Temperatur exakt regeln lassen, ist damit eine fehlerfreie Produktion noch nicht gewährleistet. Zu stark wirken sich Schwankungen in den Werkstoffeigenschaften und Umweltbedingungen auf die Produktqualität aus. Auch für einen erfahrenen Werker ist es schwierig, einzelne Parameter mit viel Gefühl und Erfahrung so nachzuführen, daß ein nur geringer Ausschuß entsteht.

Die Stuttgarter Forscher automatisieren und perfektionieren daher die Nachführung der Prozesse. Ihre Idee: Qualitätsschwankungen werden prozeßintegriert überwacht, eine Regelung der Prozeßparameter schafft Produktionsbedingungen, die auch bei leichten Unterschieden der Werkstoffe und bei Veränderungen in der Umwelt die Herstellung fehlerhafter Teile ausschließen. Inzwischen sind die ersten Pilotsysteme bei Industriefirmen installiert.

Die neuartige Regelung für Kunststoff-Spritzgießmaschinen wird von einer Meßdatenerfassungssoftware auf Windows 95 gesteuert. Dafür wurden Funktionsblöcke geschaffen, die sich schnell an spezifische Aufgabenstellungen anpassen lassen. Eine Konfigurationsdatei und ein Datensatz für Versuche bilden die Grundlage für selbstkonfigurierbare neuronale Netze.

Eine steile Karriere hat der Computer als Umweltschützer im Maschinen- und Anlagenbau vor sich. Unternehmen, die konsequent die Vorgaben des Kreislaufwirtschaftsgesetzes umsetzen wollen, werden ihre betrieblichen DV-Systeme um Öko-Module ergänzen. Einen Vorgeschmack liefert das Projekt "Organisa- tionsmodelle und Informationssysteme für einen produktions- integrierten Umweltschutz" (Opus).

Für den Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf in Ditzingen entwickelt das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) eine Software, mit der sich der Material- und Energieverbrauch für Prozesse, Fertigungsbereiche und Produkte ermitteln läßt. Wo bislang nur Erfahrungswerte vorlagen, kann Trumpf mit der neuen Software schon in der Produktionsplanung vorausberechnen, wieviel Energie bei der Herstellung von Stanz- und Laserschneidmaschinen verbraucht wird und welche Abfälle in welcher Menge anfallen.

Die neue Software ist an das R/3-System von Trumpf gekoppelt. Diese Anbindung ermöglicht regelmäßige Berichte über die tatsächlich während der Produktion angefallenen Mengenströme. Trumpf ist in der Lage, die selbstgesteckten Umweltziele zu verfolgen - von der Identifizierung der Schwachstellen bis zur regelmäßigen Zielkontrolle.

Für die Öko-Bilanzierung hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen das DV-Programm "Computer-aided Lifecycle Analysis" (Cala) entwickelt. Dies ist, so Maschinenbauingenieur Thorsten Albrecht, "ein Hilfsmittel zur transparenten Darstellung der Energie- und Materialeinsätze sowie der Abfälle im Unternehmen". Das Programm zeige, was alles an Energie und Material, und damit an Kosten, in ein Produkt eingeht. Schwachstellen in der Produktion lassen sich dadurch besser ausfindig machen.

Wenn sich der Fachmann wundern muß

Die Erkenntnisse sind oft selbst für Fachleute überraschend. Im Visteon-Chassis-System-Werk der Ford Werke AG in Düren fand Albrecht mit Cala heraus, daß ein sehr großer Anteil der Kosten für Kühlschmiermittel nicht - wie vermutet - auf die Entsorgung als Sondermüll zurückgeht. Als erheblicher Kostentreiber entpuppte sich die Stromversorgung der Pumpen, die mit Hochdruck die Schmiermittel an die Zerspanstelle transportieren. Der effektivste Umweltschutz kümmert sich daher nicht nur um die Verringerung der Sonderabfälle, sondern auch um eine Reduzierung des Energieverbrauchs.

Vom Rapid Prototyping zum rechnergestützten Umwelt-Management - in diesem Spektrum erschöpft sich der künftige Computereinsatz im Anlagen- und Maschinenbau noch längst nicht. Eine Revolution bahnt sich bei den After-Sales-Dienstleistungen Wartung, Fehlerdiagnose, Ersatzteilbeschaffung und Reparatur an. Der Rechner wird zum weltweit einsetzbaren Dienstleister der Branche. Teleservice via Internet hält die Maschinen am Laufen, verkürzt Stillstandzeiten und verschafft den Unternehmen dadurch Wettbewerbsvorteile (siehe CW 16/98, Seite 58).

Angeklickt

Ein Blick in die Werkhallen läßt schon am Äußeren vieler Maschinen erahnen, welche Bedeutung DV im Maschinen- und Anlagenbau hat. Allerdings könnte man auch einen Trugschluß ziehen: So modern ist die Technik, gerade in mittelständischen Unternehmen, üblicherweise nun doch nicht. Was nichts über das Interesse der Firmen an fortschrittlicher Technik aussagt. Wohin die Reise geht, zeigen Beispiele aus verschiedenen Fraunhofer-Instituten, die mit der Industrie an neuen Verfahren arbeiten.

*Johannes Kelch ist freier Journalist in München.