Einmalige Prozesse

Industrie 4.0

Losgröße eins ist in der realen Welt angekommen. Die individualisierte Produktion stellt aber die Kunststoffindustrie vor Herausforderungen.

Das Fotobuch ist einmalig. Das Rezept für eine individuelle Müslimischung auch. Das für eine Woche vorkonfektio­nierte Medikamentenset für Senioren ist eine enorme Hilfe. Als willkommener Nebeneffekt erspart es zusätzlich Verpackungsmaterial und Transportvolumen. Die Losgröße eins ist in der realen Welt angekommen. Wir beobachten den Trend von der Massen- zur Spezialfertigung und das individualisierte Produkt wird als Alleinstellungsmerkmal definiert und gilt als verkaufsfördernd. Aber: Losgröße eins stellt hohe Anforderungen an Produzenten und Fertigungsanlagen. Beispiele aus der Kunststoffindustrie zeigen das eindrucksvoll.

Bei der vierten industriellen Revolution handelt es sich um einen virtuellen Marktplatz, auf dem Maschinen ihre Dienste anbieten und Rohlinge ihren Bearbeitungsprozess selbst steuern. Zur Vision gehört zudem das Überschreiten alter Grenzen: Firmen bauen neue Wertschöpfungsketten auf, indem sie ihre Geschäftspartner, Zulieferer und Kunden in den Fertigungsprozess integrieren. Damit der Kunde seinen Auftrag jederzeit online kontrollieren und Wünsche anmelden kann; damit der Lieferant in Echtzeit erfährt, wie viel Material noch im Lager ist; damit die Spedition den Abholtermin schon zusagen kann, wenn die Fertigung noch läuft. [01]

In-mould Labeling – Verfahren, bei dem ein bedrucktes Etikett beispielsweise aus Polypropylen in die Form eingelegt und anschließend mit plastifiziertem Kunststoff umspritzt wird. Dieser verschmilzt noch während der Formgebung mit dem Etikett. Label und Verpackung bilden nun ein Ganzes mit einer Reihe neuer Eigenschaften.

Und weil die Informationstechnologie mit dem und durch das Internet keine Grenzen kennt, ist Industrie 4.0 auch ein globaler Prozess. Dazu kommen sich verändernde Märkte und alternative Lebensmodelle. Produkte werden nicht mehr gekauft, sondern gemietet oder sie sind individua­lisiert und einmalig wie Fotobuch oder Müsli­mischung. Ein normaler Serien-Pkw kann schon heute dank ausgeklügelter Fertigungs- und Logistikprozesse in Millionen Ausstattungsvarianten gefertigt werden. [02]

Individuelle Produkte intelligent hergestellt
Die Mapp-Technologie für Kunststoffmaschinen kann das Engineering verkürzen. Foto: B&R
Die Mapp-Technologie für Kunststoffmaschinen kann das Engineering verkürzen. Foto: B&R

Glaubt man dem Gabler Wirtschaftslexikon, dann „zeichnet sich die vierte industrielle Revolution durch Individualisierung (selbst in der Serienfertigung) beziehungsweise Hybridisierung der Produkte (Kopplung von Produktion und Dienstleistung) aus“ [03]. Das bedeutet nichts anderes als individuelle Serienprodukte zum Preis der Massenfertigung – eine Herkulesaufgabe.
Ein Beispiel ist das In-mould Labeling zur Herstellung von Verpackungen wie Joghurtbechern, Flaschen und vielen anderen Behältnissen. Label und Verpackung bilden am Ende ein Ganzes mit einer Reihe neuer Eigenschaften und Funktio­nalitäten. So sind zum Beispiel In-mould Labels feuchtigkeits- und temperaturbeständig und damit auch für Tiefkühlpodukte geeignet. Hinzu kommen verbesserte mechanische Eigenschaften wie Kratz-, Schrumpf- sowie Reißfestigkeit und anderes mehr. [04]

Im Hinblick auf Industrie 4.0 ist besonders der vorgelagerte Offsetdruck für das Label interessant. Mit ihm sind nicht nur hoch aufgelöste farbige Bilder möglich, die den Verpackungen ein völlig neuartiges Aussehen verleihen, sondern es lassen sich damit die Produkte und deren Verpackungen individualisieren. So wird zum Beispiel die spezielle Müslimischung in einer Box mit der Aufschrift „Muttis Sonderedition zum 50. Geburtstag von Lisa und Tim“, ergänzt mit einem Foto der Spender, zum Renner auf dem Gabentisch. Oder das Medikamentenset enthält neben dem Namen in großen Lettern auch noch Hinweise zur Einnahme. Wenn das ohne wesentliche Mehrkosten gelingt, ist geschäftlicher Erfolg garantiert.

Moderne Kommunikation erforderlich

Um das leisten zu können, bedarf es einer engen Verflechtung aller beteiligten Prozessschritte. So muss die Spritzgieß- mit der Druckmaschine, mit Robotern, Hilfsaggregaten, Förderbändern und anderen Zuführeinrichtungen sowohl untereinander als auch mit einem MES-System echtzeitfähig vernetzt werden. Aber: „Die Kommunikation im Shopfloor ist vielfach noch auf dem Stand der 80er-Jahre“, weiß Prof. Michael Koch, Leiter des kunststofftechnischen Instituts an der TU Ilmenau. „Der Kommunikationsstandard Euromap ist viel zu langsam und Peripheriekomponenten werden heute noch mittels einzelner Signale verbunden. Eine Methode, die dem technischen Stand moderner Produktionstechnik und erst recht den Anforderungen aus Industrie 4.0 in keiner Weise gerecht wird.“

Patrick Bruder, Global Technology Manager Plastics Industry beim österreichischen System­anbieter B&R, nennt dazu das Beispiel eines Entnahmeroboters in einer Spritzgießmaschine. Für eine Taktverkürzung müssen die Bewegungen des Roboters eng mit denen der Maschine synchronisiert werden. „Schon wenige Millisekunden Zeiteinsparung pro Takt kann die Effizienz der durch Massenfertigung geprägten Produktion spürbar erhöhen“, betont Bruder und nennt zugleich die vielfältigen Aktivitäten rund um das Thema Vernetzung und Kommunikation in der Kunststoffverarbeitung. So engagiert sich B&R in den entsprechenden Gremien aktiv für eine Neufassung der Euromap-Norm und das Thema OPC-UA/TSN. Patrick Bruder ist für B&R in der Euromap Arbeitsgruppe vertreten und nennt als Schwerpunkt derzeit zwei Schnittstellen. „Die Euromap 77 behandelt die Kommunikation zwischen Spritzgießmaschinen und MES-Systemen. Zum anderen arbeiten wir an der Euromap 79, die als Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschinen und Handlingmaschinen sowie Robotern fungiert.“ Als Basis soll der Standard OPC-UA dienen, welcher mit der Erweiterung TSN die echtzeitfähige Kommunikation zwischen Roboter und Spritzgießmaschine ermöglichen soll.

„Wenn die Individualisierung ohne wesentliche Mehrkosten gelingt, ist geschäftlicher Erfolg garantiert“, Thomas Schmertosch

Aber für Prof. Koch ist das noch zu wenig. „Wenn branchenfremde Systeme wie zum Beispiel für Druck, Verpackung und Kunststoffverarbeitung miteinander kommunizieren sollen, dann prallen verschiedene Kommunikationsstandards zusammen. Die Grafikbranche verwendet das Job Definition Format (JDF), die Kunststoffbranche nutzt Euromap und die Verpackungsbranche Pack ML. Die Folge ist ein Hard- und Software-Wirrwarr, was bei zunehmender Prozessintegration von Verarbeitungstechniken unübersichtlicher wird.“ Dazu nennt Koch das Beispiel der Fertigung von Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren. Dabei wird ein Piezo-Element in eine Düse montiert, anschließend mit einem Kabel konfektioniert und am Ende mit Kunststoff umspritzt. „Das ist ein sehr aufwendiger Prozess, denn die Fertigungsparameter und -toleranzen unterscheiden sich in den einzelnen Verarbeitungsschritten und Materialien erheblich.“ Um die geforderte Qualität zu erzielen, muss die Prozessregelung nicht nur adaptiv, sondern auch proaktiv mittels integrierter Simulation arbeiten. „Ohne den Austausch der erforderlichen Daten ist das nicht zu machen“, betont Koch.

Individuelle Maschinen für Losgröße eins

Wird die Losgröße kleiner, muss öfter eingerichtet und umgerüstet werden, was Zeit kostet und die Produktivität schmälert. Infolgedessen erhöht sich der Preis des Endprodukts. Ziel ist es daher, alle die Produktion unterbrechenden Prozesse so effektiv und kurz wie möglich zu gestalten. Dazu bedarf es intelligenter Konzepte zum Einrichten, einer optimalen Bedienerführung und flexibler Maschinenkonzepte. So entwickelt sich auch die Herstellung von Maschinen zur Produktion mit Losgröße eins und es gilt das gleiche Prinzip wie beim Endprodukt: Die individuelle Maschine darf nicht mehr kosten als die aus der Serie.

Ein wesentlicher Ansatzpunkt ist die durchgängige Modularisierung, denn mit steigender Komplexität steigt auch der Engineering-Aufwand einer Einzelmaschine. Wird ein modulares Konzept realisiert, ist zwar der Initialaufwand höher, aber es wird recht schnell die Rentabilitätsgrenze erreicht. [07] Erfolgt die Entwicklung eines modularen Aufbaus auf der Basis von technologischen Funktionen, entstehen mechatronische Einheiten mit fix definierten Schnittstellen und eigenständigem Produktlebenszyklus. Die Kombination dieser Einheiten führt zur individuellen Gesamtmaschine. Erst so ist es den Maschinenlieferanten und Betreibern möglich, auf veränderte Marktsituationen flexibel zu reagieren.

Software und Informationstechnik werden zukünftig die Mechatronik prägen. [06]
Software und Informationstechnik werden zukünftig die Mechatronik prägen. [06]
Software entscheidet über Funktionalität

Hinzu kommt, dass sich Funktionalität immer stärker ausschließlich über Software definiert, denn mit industriellen Softwarelösungen lassen sich Funktionen verwirklichen, die früher nur mit großem mechanischem Aufwand oder überhaupt nicht möglich waren. [05] Und Industrie 4.0 wird diesen Trend noch verstärken.

B&R stellt dazu eine breite Palette an durchgehend kompatiblen Hardwareprodukten mit ergänzenden technologischen Standardfunktionen zur Verfügung. Diese sogenannten Mapp-Komponenten erlauben es dem Maschinenhersteller, aus vorgefertigten und aufeinander abgestimmten Software­modulen seine spezielle Maschinensoftware zu entwickeln. „Damit nehmen wir unserem Kunden die Programmierung von Basisfunktionen ab, damit er sich auf sein Kern-Know-how konzentrieren kann“, sagt Christoph Trappl, der die Produktentwicklung von Mapp Technology bei B&R leitet.

„Allein die Programmierung der Bewegung des Einspritzzylinders einer Spritzgießmaschine über Soll-Profile kann sehr komplex sein“, sagt Trappl. „Mithilfe von Mapp-Bausteinen lässt sich eine solche Aufgabe mit geringem Aufwand automatisieren.“ So übernehmen Mapp-Komponenten die Eingangs­skalierung, erzeugen die Soll-Profile für Druck und Geschwindigkeit und geben die Soll-Werte an ein Hydraulik- oder ein Servopumpensystem weiter. In der Entwicklung können die einzelnen Komponenten einfach gegeneinander ausgetauscht werden, zum Beispiel wenn eine Maschinenvariante mit einem anderen Hydrauliksystem arbeitet. Weitere Standardfunktionen wie zum Beispiel die Kommunikation via Euromap oder die Erstellung einfacher Arbeitsabläufe durch den Betreiber lassen sich nach dem gleichen Prinzip realisieren oder selbst ändern. Mit Mapp lässt sich so die Entwicklung beschleunigen und der Betrieb flexibilisieren.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch

Literatur
[1] Schröder, D. (07/2015). Was nicht passt, wird passend gemacht. brandeins, Heft 07. brand eins Medien AG (Herausgeber)
[2] Kranz, U. (2014). BMW AG: i3/i8 – Anforderungen an die Innovationsfähigkeit der Lieferindustrie, Tagungsband ACOD 2014. Leipzig: ACOD
[3] Bendel, O. (2015). Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexi­kon, Stichwort: Industrie 4.0, online im Internet: http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Archiv/-2080945382/industrie-4-0-v1.html (abgerufen am 15.08.2015)
[4] Verstraete (2016): In Mould Labels, www.verstraete-iml.com/de/was-ist-iml (abgerufen am 11.07.2016)
[5] Reimann, G. (2014). VDMA- Trendstudie: IT und Automation in den Produkten des Maschinenbau bis 2015, VDMA, ForumIT@Automation, http://itatautomation.vdma.org/
[6] Kausler, B. (2015). ITQ GmbH Garching, Tagungsband VVD 2015. Dresden: TU Dresden
[7] Stetter (2011): diverse Studien, ITQ GmbH