Digitale Fabrik (eBook)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Bracht studierte Maschinenbau an der Universität Hannover. Nach der Promotion am dortigen Institut für Fabrikanlagen und Logistik wechselte er zur Daimler-Benz AG. Im Rahmen verschiedener leitender Funktionen in der Technischen Planung war er zusammen mit seinen Mitarbeitern am Aufbau des PKW-Montagewerks Bremen beteiligt. Prof. Bracht nahm 1996 einen Ruf auf die Professur für Anlagenprojektierung und Materialflusslogistik der TU Clausthal an. Er ist Leiter des Instituts für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit (IMAB), Gründungsmitglied des VDA-Arbeitskreises „Rechnergestützte Fabrikplanung“ und Mitglied im Fachbeirat „Fabrikplanung und –betrieb“ in der Gesellschaft für Produktion und Logistik des Vereins Deutscher Ingenieure. Seit der Gründung im Jahre 2002 steht er dem VDI-Fachausschuss 205 „Digitale Fabrik“ vor und hat bis heute weit über 200 Fachbeiträge zum Generalthema Verbesserung der Fabrikplanung und  -organisation veröffentlicht.Dr.-Ing. Dieter Geckler studierte Maschinenbau mit der Fachrichtung Fertigungstechnik in Hannover. Nach Abschluss des Studiums arbeitete er 5 Jahre für ein Softwarehaus, wo er die Grundlagen der rechnerbasierten Fertigungsplanung kennenlernte und CAD-Systeme, Stücklisten und Arbeitspläne sowie Schnittstellen zwischen den Anwendungen programmierte. 1991 wechselte er zur Produktionsplanung der Volkswagen AG in Wolfsburg und betreute dort Fabrik- und Produktionsplanungsprojekte. Mit der Initiierung eines EDV-Arbeitskreises legte er die Grundlagen für den Ausbau der IT-Landschaft in diesem Bereich. Diese Aufgaben wuchsen seit Ende der 1990er Jahre zum Konzept der Digitalen Fabrik zusammen. Seit 2006 arbeitet er als Fachreferent in der Konzernprojektleitung Digitale Fabrik der Volkswagen AG. In dieser Funktion vertritt er die VW AG in dem VDI-Fachausschuss 205 „Digitale Fabrik“.Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sigrid Wenzel studierte Informatik an der Universität Dortmund und war als leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin an der TU Dortmund sowie am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik, Dortmund, tätig. Zurzeit leitet sie als Professorin an der Universität Kassel das Fachgebiet Produktionsorganisation und Fabrikplanung und ist stellvertretende geschäftsführende Direktorin des Instituts für Produktionstechnik und Logistik. In der Arbeitsgemeinschaft Simulation (ASIM) ist sie stellvertretende Vorstandsvorsitzende sowie Sprecherin der Fachgruppe „Simulation in Produktion und Logistik“. Gleichzeitig ist sie in der Gesellschaft für Produktion und Logistik im Verein Deutscher Ingenieure Leiterin des Fachausschusses 204 „Modellierung und Simulation“, stellvertretende Leiterin des Fachausschusses 205 „Digitale Fabrik“ sowie Mitglied im Fachbeirat „Fabrikplanung und -betrieb“. Seit 2014 ist sie berufenes Mitglied im wissenschaftlichen Beirat des Simulationswissenschaftlichen Zentrums (SWZ) Clausthal-Göttingen und Vorsitzende des Beirats.

Geleitwort 2. Auflage 6
Vorwort 2. Auflage 8
Inhaltsverzeichnis 11
1 Einleitung, Definition und Stand der Umsetzung sowie der Bezug zu Industrie 4.0 16
1.1 Geschichtliche Entwicklung der Rechnerunterstützung 17
1.2 Definition der Digitalen Fabrik 24
1.2.1 Digitale Fabrik 24
1.2.2 Abgrenzung zu anderen Begriffen 27
1.3 Stand der branchenbezogenen Umsetzung 31
1.3.1 Automobilbau 31
1.3.2 Maschinen- und Anlagenbau 35
1.3.3 Schiffbau 37
1.3.4 KMU 39
1.4 Die Digitale Fabrik – eine grundlegende Basis für Industrie 4.0 39
2 Anwendungsfelder der Digitalen Fabrik im Überblick 41
2.1 Fabrik-, Gebäude- und Ausrüstungsplanung 42
2.1.1 Fabrikplanung 43
2.1.2 Gebäudeplanung 47
2.1.3 Ausrüstungsplanung 48
2.2 Produktionsplanung 50
2.2.1 Planung von Fertigungsprozessen 52
2.2.2 Planung von Lackierprozessen 54
2.2.3 Planung von Montageprozessen 55
2.2.4 Produktionslayoutplanung 58
2.3 Logistikplanung 60
2.4 Produktions- und logistikgereche Produktgetaltung 63
2.5 Anlagenanlauf und -betrieb 65
2.6 Die Digitale Fabrik als Basis der Industrie 4.0 - Produktion 67
3 Nutzen der Digitalen Fabrik 69
3.1 Nutzen für das Gesamtunternehmen 70
3.1.1 Marktvorteile durch schnellere Produkteinführung 70
3.1.2 Verbesserung der Produktqualität 74
3.1.3 Senkung der Produktionskosten 75
3.1.4 Verbesserung der Produktionsstätte 76
3.2 Nutzen für die Planung 77
3.2.1 Ganzheitliche Planung und neue Planungsprozesse 77
3.2.2 Verbesserung von Planungsschritten 79
3.2.3 Teilautomatisierung durch Assistenzsysteme und Workflowmanagementsysteme 81
3.2.4 Reduktion des Informationstransferaufwandes 84
3.2.5 Stabilisierung der Projektqualität 85
3.2.6 Bereitstellung von Planungsinformationen und -wissen 86
3.3 Nutzen für Anfertigung und Inbetriebnahme der Ressourcen 89
3.4 Nutzen im Betrieb 92
3.5 Quantitative Aussagen zum Nutzen 95
4 Methoden und Modelle in der Digitalen Fabrik 98
4.1 Die Begriffe Modell, Methode und Werkzeug 98
4.1.1 Der Modellbegriff 98
4.1.2 Methoden und Werkzeuge 100
4.3 Methoden der Informations- und Datenerhebung 103
4.3.1 Primärerhebung – Methoden der Befragung 105
4.3.2 Primärerhebung – Manuelle Beobachtung 106
4.3.3 Primärerhebung – Automatische Beobachtung 107
4.3.4 Sekundärerhebung – Dokumentenanalyse 113
4.4 Darstellungs- und Gestaltungsmethoden 114
4.4.1 Methoden zur Ablauf- und Prozessmodellierung 116
4.4.2 Methoden zur Informations- und Datenmodellierung 117
4.4.3 Methoden zur Zustandsmodellierung 119
4.4.4 Methoden zur Strukturmodellierung 120
4.5 Mathematische Planungs- und Analysemethoden 121
4.5.1 Methoden der mathematischen Optimierung 121
4.5.2 Graphentheoretische Methoden 124
4.5.3 Methoden der Statistik und Stochastik 125
4.5.4 Vergleichende quantitative Bewertungsmethoden 130
4.6 Simulationsmethoden 132
4.6.1 Kontinuierliche Simulation 133
4.6.2 Zeitgesteuerte (zeitdiskrete) Simulation 142
4.6.3 Ereignisdiskrete (Ablauf-)Simulation 143
4.7 Methoden der künstlichen Intelligenz 147
4.7.1 Multiagentensysteme MAS 147
4.7.2 Neuronale Netze 148
4.8 Visualisierungsmethoden 149
4.8.1 Visualisierung statischer grafischer Modelle 152
4.8.2 Dynamische Visualisierung 155
4.8.3 Virtual Reality (VR) 160
4.8.4 Augmented Reality (AR) 161
4.9 Methoden der Kollaboration 165
4.9.1 Technische Kommunikationsmittel 167
4.9.2 Gemeinsame Informationsräume und Wissens-management 167
4.9.3 Workflowmanagement und Workgroup Computing 169
4.9.4 Projektmanagement 171
4.10 Aspekte der Modellbildung und Modellnutzung 172
4.11 Technische Einrichtungen für die Digitale Fabrik 176
4.11.1 Einzelarbeitsplätze 177
4.11.2 Arbeitsplätze zur Kollaboration 178
4.11.3 Projektionstechniken 180
4.11.4 Interaktionsmedien 182
5 Datenmanagement und Softwarewerkzeug-klassen 188
5.1.1 Begriffsdefinition und Abgrenzung 188
5.1.2 Anforderungen an das Datenmanagement aus Sicht der Digitalen Fabrik 192
5.2 Interoperabilität und Integrationsebenen 199
5.2.1 Begriffsdefinition 199
5.2.2 Festlegung eines allgemeinen Integrationsrahmens für die Digitale Fabrik 201
5.2.3 Beispiel eines Ordnungsrahmen zur Schaffung inter-operabler Modelle und Systeme 203
5.3 Softwarewerkzeugklassen im Unternehmen 207
5.3.1 Werkzeugklassen der Produkt- und Produktionsmittel-entwicklung 207
5.3.2 Werkzeugklassen in der Produktionsplanung 209
5.3.3 Werkzeugklassen zum Einsatz im Fabrikbetrieb 210
5.3.4 Steuerungssoftware zur Automatisierung von Produktionsanlagen 213
5.3.5 Softwarewerkzeugklassen für übergreifende Querschnittsaufgaben 213
5.4 Datenaustauschformate 215
5.4.1 Proprietäre herstellerspezifische Formate 217
5.4.2 De-facto-Standards 218
5.4.4 Neutrale standardisierte Datenaustauschformate 220
5.4.5 Branchenspezifische Entwicklungen 221
5.5 Metasprachen zum Datenaustausch 222
5.5.1 Die Metasprache XML 223
5.5.2 Standardisierungen auf XML-Basis 223
5.6 Technische Systemarchitekturen 224
5.6.2 Hub& Spoke-Architektur
5.6.3 Bus-Architektur 227
5.7 IT-Lösungen zur technischen Werkzeugintegration 227
5.7.1 Filetransfer 228
5.7.2 Netzwerkprotokolle 228
5.7.3 Enterprise Application Integration 229
5.7.4 Service-orientierte Architektur 229
5.7.5 High Level Architecture 233
5.8 Integrative Lösungskonzepte 233
5.8.1 Produktpalette Dassault Systèmes 234
5.8.2 Digital Enterprise Suite von Siemens 237
5.8.3 Integrationsplattform der XPLM Solution GmbH 240
5.8.4 Virtuelle Inbetriebnahme 241
6 Organisation der Einführung und Nutzung 244
6.1 Allgemeine organisatorische Hinweise 244
6.1.1 Managemententscheidung 245
6.1.3 Ablauf- und Aufbaustruktur 246
6.1.4 Hardwareinfrastruktur 247
6.2 Einführung der Digitalen Fabrik 247
6.2.1 Einführungsphasen 248
6.2.2 Einführung der Digitalen Fabrik bei KMU 250
6.2.3 Einführung der Digitalen Fabrik in einen Konzern 251
6.3 Ein neuer organisatorischer Ansatz zur DF 261
6.3.1 Anforderungen an die neue Organisationsstruktur 261
6.3.2 Alternierendes Mehrstufiges Projektteam (AMP) 262
6.3.3 Referenzmodell des Produktentstehungsprozesses 263
6.3.4 Grundmodell der neuen Organisationsstruktur 265
6.3.5 Embedded Planning 266
6.3.6 Anwendungsbeispiel des neuen Konzeptes 268
6.4 Neue Mitarbeiterrollen und -aufgaben 270
7 Anwendungen der Digitalen Fabrik 274
7.1 Industriebau 275
7.1.1 Building Information Modeling (BIM) 277
7.1.2 Die Modellierung der Fabrik 278
7.1.3 Ist-Aufnahme eines bestehenden Gebäudes 279
7.2 Planung der Gesamtfabrik 283
7.2.1 Fabriklayout 284
7.2.2 Fabrik-DMU 285
7.3 Planung der Logistik 289
7.3.1 Einsatz der Ablaufsimulation in der Logistikplanung 292
7.3.2 Auslegung der Betriebsmittel der Logistik 294
7.4 Ganzheitlicher Einsatz in der Automobilindustrie 296
7.4.1 Planung eines Presswerks 298
7.4.2 Planung eines Karosseriebaus 301
7.4.3 Planung der Lackiererei 305
7.4.4 Planung der Aggregatefertigung 310
7.4.5 Planung der Fahrzeugendmontage 312
7.4.6 Übergreifende Nutzung von Daten 317
7.4.7 Prozessoptimierungen und Änderungsmanagement 325
7.4.8 Einsatz von Projekt- und Wissensmanagement 328
7.4.9 Planung einer energieeffizienten Produktion 331
7.5 Einsatz der Digitalen Fabrik im Anlagenbau 339
7.6 Ganzheitliche Planung neuer Fertigungstechnologien 344
7.6.1 Einführung 344
7.6.2 Planung und Bewertung neuer Prozessketten beim Walzprofilieren 348
7.6.3 Ansatz und Vorgehensweise 350
7.6.4 Ergebnisse 354
7.7 Digitale Fabrik in KMU 355
7.7.1 Projektmanagement bei KMU 356
7.7.2 Einführung von 3D-CAD und Einsatz von VR in der Fabrikplanung 357
7.7.3 Erweiterte virtuelle Fabrikmodelle 366
7.8 Die Digitale Fabrik im Schiffbau 368
7.9 Digitale Fabrik in der Getränkeindustrie 369
7.10 Einsatz mobiler Endgeräte für die Fabrikplanung 373
7.10.1 Grundlagen 374
7.10.2 Mobile Anwendungen für die Digitale Fabrik 375
7.10.3 App-Entwicklungen zur Projektinformation, Datenaufnahme und Layoutabsicherung 376
7.10.4 Apps und Drohnen zur Kombination von Realität und Virtualität 380
7.11 Digital Lean Factory – eine Vision? 384
7.11.1 Grundlagen 384
7.11.2 Ist die Zukunft digital, lean und smart? 385
7.11.3 Fazit der Digital Lean Factory 4.0 388
8 Fazit und Ausblick 389
Literaturverzeichnis 392
Glossar 430
Abkürzungsverzeichnis 449
Sachverzeichnis 454