Losgröße-1-Fertigung

Die Unikate-Macher

Losgröße-1-Produktion ist in vielen Branchen bereits Standard. Wir zeigen, wie neue Technologien diese Entwicklung befeuern.

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Der Türenhersteller Dana arbeitet mit Joanneum Research an einer Lösung zur Qualitätskontrolle bei Losgröße-1-Fertigung.

Große Flasche mit blauer Verschlusskappe und Etikett Nummer 3, kleine Flasche mit grüner Verschlusskappe und Etikett Nummer 7, große Flasche mit roter Verschlusskappe und Etikett Nummer 4. Und in jeder Flasche ein individueller, vom Kunden mithilfe einer App zusammengestellter Smoothie. Einmal Mango-Erdbeer-Banane, einmal nur Spinat, ein anderes Mal Orange-Apfel. Die Maschine füllt die Getränke fehlerfrei ab, wechselt ohne zu stocken zwischen den einzelnen Etiketten, Flaschen und Verschlussarten und entwickelt dabei eine schwindelerregende Geschwindigkeit. Noch sind Anlagen wie diese Prototypen Fallstudien. Doch sie zeigen bereits deutlich, wie die Losgröße-1-Produktion der Zukunft aussehen könnte. Nicht nur in der Lebensmittelbranche.

Intelligente Transportsysteme

Denn das Transportsystem, das dahinter steckt, ist nahezu universell einsetzbar. Und es löst eines der schwierigsten Probleme der Losgröße-1-Fertigung: den Materialfluss so zu gestalten, dass immer jene Komponenten zur Stelle sind, die man gerade braucht, und dass die Maschine dabei durchlaufen kann, ohne umgerüstet werden zu müssen.

Mit dem Transportsystem Acopostrak hat der Automatisierungsspezialist B&R eine Lösung gefunden, die eine solche, völlig frei konfigurierbare Zusammenführung und Trennung von Materialflüssen erlaubt. Was das System auszeichnet, ist einerseits die Hochgeschwindigkeitsweiche, andererseits die Möglichkeit, die einzelnen Shuttles, die die Materialien transportieren, in einem sehr kleinen Abstand fahren zu lassen und dement- sprechend hohe Durchsatzraten zu erreichen.

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Dass Acopostrak gerade jetzt auf den Markt kommt, ist kein Zufall. „Bis vor Kurzem waren sich viele Unternehmen noch nicht bewusst, wie sehr die Fähigkeit, effizient in Losgröße-1 zu produzieren, ihr Geschäft bestimmen wird. Das Konsumentenverhalten hat es ihnen inzwischen aber sehr deutlich vor Augen geführt. Denn der Konsument erwartet heute in vielen Bereichen individualisierte, auf ihn zugeschnittene Produkte“, sagt Robert Kickinger, Manager Mechatronic Technologies bei B&R. Das sei der eine Grund. Der andere bestehe darin, dass man erst seit relativ kurzer Zeit problemlos eine Rechenkapazität von Computern zur Verfügung haben kann, die das Steuern von derart komplexen Anlagen wie Acopostrak möglich macht.

Mit dem System wird der Traum von der adaptiven Maschine, die sich an wechselnde Produktionsverhältnisse anpasst, zumindest teilweise wahr. Denn kommen weitere Produktvarianten hinzu, lässt sich die Software einfach umkonfigurieren oder die dafür nötigen neuen Komponenten durch den Einbau von zusätzlichen Schienenmodulen in das Transportsystem integrieren. Früher half in solchen Fällen oft nur die Anschaffung einer neuen Maschine.

Herausforderung Qualitätskontrolle

Während Robert Kickinger sich Gedanken darüber macht, wie die Losgröße-1-Produktion an ihrem Anfang zu managen ist, dort wo die nötigen Komponenten zusammengestellt werden, betrachtet Alfred Rinnhofer ihr Ende – die Qualitätskontrolle. Die ist ebenfalls ein kritischer Punkt. Denn bei Serienprodukten funktioniert automatisierte Qualitätskontrolle relativ einfach: Einmal eingestellt erkennen automatische Inspektionssysteme Mängel sehr zuverlässig. Ändert sich das Produkt aber ständig, wird es schwierig.

Vor einem solchen Problem stand der oberösterreichische Premiumhersteller von Türen Dana. Und hat gemeinsam mit Rinnhofer, der sich bei Joanneum Research mit Messsystemen und Bildanalyse beschäftigt, nach einer Lösung gesucht. Zur Jeld-Wen-Gruppe gehörig produziert das Unternehmen Türen in Losgröße 1. Die unterschiedlichen Abmessungen, Dicken, Falzformen, Farben, Oberflächenmaterialien und Zusatzeigenschaften wie Einbruch- oder Feuersicherheit erlauben dabei ein nahezu unendliches Repertoire an Varianten.

Der Gedanke, die Qualitätskontrolle zu automatisieren, indem man Kameras und Bilderkennungssoftware verwendet, erwies sich zunächst als mühsam. Wohl konnte man der Software alle Parameter einprogrammieren, damit sie erkennt, ob eine Tür einen Fehler hat oder nicht, doch das System war viel zu sensibel: „Wenn wir das System so gelassen hätten, hätten wir die Fabrik innerhalb von wenigen Tagen niedergefahren. Denn unsere Kameras erkennen selbst kleinste Fehler. Niemand hätte gedacht, dass auf den Türen so viele Abweichungen vom Idealzustand sind und kaum eine Tür hätte den Prozess ohne Beanstandung bestanden“, erzählt Rinnhofer.

Der Hintergrund dafür ist relativ simpel: Wenn in der Software eine Delle einer bestimmten Größe als Fehler definiert wird, erkennt der Computer ausnahmslos jede Delle dieses Ausmaßes. Anders das menschliche Auge, das zum Beispiel Fehler, die in der Mitte einer Fläche liegen, viel eher als störend wahrnimmt als Fehler im Randbereich. Auch das Material beeinflusst die menschliche Fehlertoleranz: Auf glatten, hellen Flächen fallen sie naturgemäß stärker auf als auf gemusterten.

Riesige Datenmengen als Basis

„Die große Herausforderung war nun, das System so zu programmieren, dass es nur bei jenen Fehlern anschlägt, die den Kunden stören, und die auch ein menschlicher Kontrolleur merken würde“, erklärt Rinnhofer. Inzwischen sei es gelungen, die Algorithmen so zu programmieren, dass sie nicht eine abstrakte Norm abbilden, sondern gewissermaßen den Alltag. Seitdem funktioniert die automatisierte Kontrolle bei Dana. In Zukunft, sagt Rinnhofer, seien Systeme vorstellbar, die anhand von Mustern ohne menschliches Zutun erkennen, auf welche Parameter sie achten müssen, um richtige Entscheidungen zu treffen. „Dazu sind aber riesige Datenmengen als Grundlage nötig. In manchen Bereichen wird es diese Form von Machine Learning sicher geben, in anderen komplexeren nicht so schnell.“

Vernetzte Organisation

Dass Maschinen lernen könnten, bei Spezialanfertigungen jenen Erfahrungsschatz abzubilden, den langjährige Mitarbeiter aufgebaut haben, bezweifelt auch Markus Fuchsbichler, Geschäftsführer bei der zur Christof-Group gehörenden ACE Apparatebau: "Das ist wohl noch Zukunftsmusik."

ACE hat sich auf Sonderanfertigungen im Apparatebau spezialisiert. Man entwickelt und produziert Druckbehälter, Kolonnen, Wärmetauscher und Reaktoren, die unter anderem in der Papierindustrie, bei Raffinerien oder EPC-Kontraktoren verwendet werden. Fast alle ACE-Produkte sind Spezialanfertigungen: "Wenn wir einmal fünf oder sechs gleiche Stücke bauen, dann ist das schon viel", sagt Fuchsbichler.

Zwischen 150 und 200 Projekte pro Jahr wickelt ACE Apparatebau ab. Manche haben eine Durchlaufzeit von mehreren Monaten, manche von wenigen Wochen. Die größte Herausforderung dabei ist es, den Ablauf so zu organisieren, dass die Auslastung dennoch einigermaßen konstant bleibt. Zumal manchmal auch Schwierigkeiten bei Zulieferern für Verzögerungen sorgen.

„Das ist ein ständiges Jonglieren mit mehreren Bällen“, erzählt Fuchsbichler. Um sich dieses zu erleichtern, versuche man derzeit die Organisation zu vernetzen und die Produktionsprozesse im ERP-System abzubilden. Eine weitere Möglichkeit, wie man schwierige Losgröße-1-Fertigungsbedingungen entschärfen kann, sieht Fuchsbichler darin, den Ressourcenbedarf zu visualisieren und diese Visualisierung möglichst aktuell zu halten. Sonst könne es leicht vorkommen, dass man manchmal zu viele und manchmal zu wenige Leute vor Ort hat, um eine gerade anstehende Aufgabe zu bewältigen. Ein gewisses Maß an Flexibilität und Ad-hoc-Adjustierung werde es aber immer geben, sagt er.

Ein Befund, für den Erich Markl, Leiter des Instituts für Advanced Engineering Technologies an der FH Technikum Wien, durchaus eine Erklärung hat. "Theoretisch wäre es ja möglich, extrem komplexe Maschinen zu bauen, die sich selbst umrüsten, optimieren und auch noch den Ressourcenbedarf berechnen. Ab einem gewissen Grad wird eine solche Maschine aber ökonomisch nicht darstellbar. Wer die bauen will, jagt in Wirklichkeit einer eierlegenden Wollmilchsau nach."

Wo Markl aber gerade für Kleinstserien und Sonderanfertigungen noch sehr viel Potenzial sieht, ist der 3D-Druck. "Der kommt jetzt in eine Phase, wo vieles, was früher unmöglich oder nur mit extremen Kosten schaffbar war, auf einmal günstiger ist als mit konventionellen Verfahren. Vor allem neue Herstellungsverfahren und weiterentwickelte Materialeigenschaften begünstigen diese Entwicklung."

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