Während in der Vergangenheit die Herstellungskosten durch die Massenproduktion getrieben wurden, d. h. durch die Herstellung derselben hochwertigen Produkte in großen Mengen und mit hoher Geschwindigkeit, werden die Kosten heute durch die kundenspezifische Massenproduktion getrieben, d. h. durch die Fähigkeit, eine Vielzahl von Produkten in großen Mengen und mit hoher Geschwindigkeit herzustellen, um der wachsenden Marktnachfrage gerecht zu werden. Die Mass Customization ist der heilige Gral der modernen Fertigung, da sie von den Unternehmen ein höheres Maß an Automatisierung und Maschinenintelligenz verlangt, was ebenfalls die Kosten erhöht und den Produktionsprozess oft verlangsamt. Flexible Fertigungssysteme (FMS), die Maschinenprozesse automatisieren, wurden entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinieren die Unternehmen zunehmend FFS mit der Industrie 4.0-Technologie.
Flexible Fertigungssysteme als Teil von Industrie 4.0
FFS konzentrieren sich auf die Automatisierung von Maschinenzellen, die als System arbeiten und aus Bearbeitungsstationen, automatisiertem Materialtransport und Materiallagerung bestehen. FFS nutzen Computersteuerungen, um die Maschinen in die Lage zu versetzen, verschiedene Arten von zu bearbeitenden Teilen zu erkennen und zu unterscheiden, Betriebsanweisungen schnell zu ändern und die physische Einrichtung der Maschine durchzuführen. FFS lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Maschinenflexibilität und Leitwegflexibilität. Bei der Maschinenflexibilität werden verschiedene Arten von computergesteuerten Maschinen (CNC-Maschinen) eingesetzt, um die automatische Steuerung von Dutzenden von Bearbeitungswerkzeugen wie Bohrern, Ausbohrern und Drehmaschinen zu ermöglichen. Eine CNC-Maschine bearbeitet ein Stück Material (Metall, Kunststoff, Holz, Keramik oder Verbundwerkstoff), um die Spezifikationen zu erfüllen, indem sie einer kodierten, programmierten Anweisung folgt, ohne dass ein Bediener benötigt wird. Die Flexibilität des Fräsens bezieht sich auf die Bewegung von Materialien, Teilen und in Bearbeitung befindlichen Gütern von einer Maschine zur nächsten für jede Produktionsstufe.
In den letzten Jahren wurden die CNC-Maschinen durch zusätzliche Automatisierungsstufen weiter optimiert, z. B. durch den Einsatz von Robotern und Cobots für Bearbeitungsschritte und Fräsarbeiten. Fortschritte in der computergestützten Konstruktion (CAD) spielen ebenfalls eine Rolle bei der Verbesserung der FFS-Fähigkeiten. Das zu bearbeitende Teil hat beispielsweise mechanische Abmessungen, die mithilfe von CAD-Software definiert und dann in Fertigungsrichtlinien umgesetzt werden. Darüber hinaus kann die Anwendung künstlicher Intelligenz in der Konstruktionsphase durch Techniken wie generatives Design die Herstellbarkeit des Endprodukts und der Teile verbessern, so dass eine Optimierung des Produktionsprozesses möglich wird.
Nächste Schritte für den FMS
FFS sind nur der Anfang des Weges zur Massenanpassung. Bei FFS kann jede Maschine durch die Auswahl der Werkzeuge und anpassungsfähige Computersteuerungen so flexibel wie möglich gestaltet werden, aber wenn sie erst einmal installiert ist, gibt es immer noch eine begrenzte Anzahl von Funktionen, die sie ausführen kann. Letztendlich sind FFS komplizierte Systeme, die hohe anfängliche Einrichtungskosten erfordern und eine Kombination aus Facharbeitern und teuren Robotern einsetzen, um sie auf einen bestimmten Satz von Prozessparametern abzustimmen. Einmal eingerichtet, sind die Hersteller nicht bereit, zusätzliche Kosten für größere Änderungen auf sich zu nehmen. Dies führt zu größerer Flexibilität, schränkt die Produktion aber immer noch auf eine bestimmte Anzahl von Parametern ein. Die digitale Transformation kann dieses Bild verbessern. So kann beispielsweise künstliche Intelligenz eingesetzt werden, um maschinelle Entscheidungsmodelle zu verbessern.
Ein gutes Beispiel für das Zusammenwirken von FMS und digitalen Technologien ist das Siemens-Elektronikwerk in Amberg, Deutschland. Das 108.000 ft2 große Werk umfasst computergesteuerte Maschinen, die mit 1.100 Mitarbeitern zusammenarbeiten und die Simatic-Steuergeräte des Unternehmens herstellen, die jährlich mehr als 50.000 Produktvarianten von 950 verschiedenen Produkten umfassen. Qualitätskontrollmaßnahmen haben gezeigt, dass das Werk nur 15 Fehler pro Million Teile verzeichnet und eine Zuverlässigkeitsrate von 99 % aufrechterhält. Um dies zu erreichen, hat Siemens ein digitales Produktlebenszyklus-Management-System, das den Änderungsprozess über die Produktlinien hinweg überwacht und optimiert, über CNC-Industriemaschinen gelegt, die über eine IIoT-Plattform kommunizieren , die mit Manufacturing Execution Systems verbunden ist. Siemens hat die in Amberg gewonnenen Erkenntnisse auch auf sein Elektronikwerk in Chengdu, China, übertragen.
Trotz aller Automatisierung bieten diese Anlagen jedoch immer noch ein gewisses Maß an Individualisierung innerhalb einer einzigen Produktlinie. Um die Produktion weiter zu verändern, sind möglicherweise neue Materialkonzepte erforderlich. Der 3D-Druck ist ein Beispiel für einen solchen Wandel. Durch die Kombination von digitalem Design und Produktion der Teile und des Endprodukts zeigt der 3D-Druck in vielen Fällen echte Flexibilität. Allerdings ist die Technologie pro Stück etwa zehnmal teurer als herkömmliche Verfahren, weshalb sie eher für Kleinserien als für Großserien eingesetzt wird.
Angesichts dieser Herausforderungen sollten Fertigungsunternehmen nicht bei der FMS stehen bleiben. Hersteller sollten FMS mit Technologien der digitalen Transformation wie KI, generativem Design und 3D-Druck (wo anwendbar) erweitern. Zu den Lektionen von Vorreitern gehört die Erhöhung der Automatisierung durch Hinzufügen einer digitalen Verwaltungsebene (z. B. Produktlebenszyklusmanagement) zu bestehenden FMS oder die Einführung neuer Techniken zur Umsetzung von Konstruktionsparametern in Fertigungsanweisungen. Kunden sollten die Lehren aus diesen neuen Bereichen ziehen, um die Reise in Richtung Mass Customization fortzusetzen.
