Modulare Fertigung

Andreas Mühlbauer,

Wie granular darf es sein?

Maschinen- und Anlagenbauer, die einen modularen Ansatz verfolgen, sind oft besonders erfolgreich. Maschinenbau-Kunden von Harting wollen die Modularisierung ihrer Produkte möglichst effizient gestalten, wobei in diesen Konzepten die Schnittstellen eine zentrale Rolle spielen.

Werkzeugmaschine mit Key- und Add-On-Modulen als Teil einer Produktionslinie. © Harting

Das Prinzip der Modularität lässt sich am besten an Lego-Bausteinen erklären. Aus wenigen Grundbausteinen und definierten Verbindungselementen lassen sich zahllose Objekte erzeugen. Diese Herangehensweise hat sich in der Industrie auch für Produkte mit wesentlich höherem Komplexitäts- und Variabilitätsgrad etabliert: Typisch ist die Plattform-Strategie der Autoindustrie, nach der nicht nur Motoren, Getriebe und Fahrachsen, sondern ganze Chassis als skalierbare Module für Autos unterschiedlicher Modelle, Typen und sogar Marken Verwendung finden. Auch in der industriellen Steuerungs- und Antriebstechnik lassen sich Systeme wie SPS, IPC, HMI und Antriebskomponenten aus einzelnen „Scheiben“ oder mehreren Remote-I/O-Blöcken maßgeschneidert für die jeweils zu automatisierende Maschine oder Anlage anpassen. Sie lassen sich im weiteren Einsatz ohne großen Aufwand erweitern oder abändern.

Zwar lässt sich einwenden, dass die Modularisierung bei komplexen, industriell gefertigten Produkten sowohl technisch als auch wirtschaftlich oft nur deshalb erfolgreich sein kann, weil diese tausend- oder gar millionenfach gebaut werden. Doch kann Modularisierungsansatz auch dann erfolgreich sein, wenn bestenfalls ein paar Hundert Produkte eines Typs pro Jahr gebaut werden?

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Die Antwort muss „Ja“ lauten. Es gibt im Maschinenbau derzeit keine Alternative zur Modularisierung. Laut VDMA zielen Standardisierung und Modularisierung auf ein Portfolio mit geringerer Varianz und Komplexität sowie einem insgesamt niedrigeren Kostenniveau ab, ohne dabei Breite und Individualität des Angebots zu verringern. Um die Bedeutung dieser Aussage besser zu verstehen, sollen im Folgenden noch einige typische Anforderungen im Markt der Fertigungssysteme genannt werden.

Was der Markt von der Produktion fordert

Gefordert wird eine hohe Variabilität der Produktionssysteme, die es ermöglicht, eine größere Bandbreite von Produkten auch in kleinen bis mittleren Stückzahlen zu fertigen. Dazu müssen die Anlagen skalierbar sein und Optionen für die nachträgliche Erweiterung hinsichtlich Kapazität und Ausbringung bieten. Nicht „hochgezüchtete“ Anlagen für die Erzeugung von Komponenten in hoher Stückzahl sind gefragt, sondern solche, mit denen sich unterschiedliche Produkte in kleiner bis mittlerer Stückzahl flexibel herstellen lassen.

Im B2B-Markt reicht es nicht mehr, gute Produkte zu entwickeln, diese an die Betreiber zu verkaufen und dann auf Service- und Wartungsaufträge zu warten. Früher oft angewandte TCO-Modelle zur Wirtschaftlichkeit von Investitionen werden immer häufiger durch LCC-Modelle (Life Cycle Costs) erweitert. Damit lassen sich neue Businesskonzepte inklusive Wartungs-, Service- und Retrofit-Leistungen sehr transparent anbieten. Für die OEM ist es auch wirtschaftlich sinnvoll, sich nutzen- und serviceorientierten Modellen zuzuwenden.

Gerade bei hochpreisigen Investitionsgütern ist es zudem für den Anwender oft wesentlich wirtschaftlicher, bestehende Maschinen zu erweitern oder einzelne Aggregate oder Subsysteme zu erneuern, als in eine komplette Neuanschaffung zu investieren. Alle diese Anforderungen lassen sich sowohl technisch als auch betriebswirtschaftlich effizient nur dann unter einen Hut bringen, wenn die Produktionssysteme konsequent modularisiert und vernetzt als smarte Systeme in unterschiedlichen Ausbaustufen angeboten werden.

Aus den Erfahrungen mit Harting-Kunden sollten OEM bei der Entscheidungsfindung im Für und Wider des modularen Ansatzes folgende Punkte erst positiv beantworten:

  • Die gesamten geschätzten Aufwände für eine neue durchgängig modulare Produktgruppe oder -familie werden maximal so hoch sein, dass sie im üblichen Zeitrahmen und unter Annahme der Worst-Case-Marktentwicklung plausibel eingespielt werden
  • Die technischen Herausforderungen der angedachten Aufteilung der Maschine oder Anlage auf einzelne Module mit Übergängen und Schnittstellen sollten von allen Beteiligten als generell machbar bewertet werden
  • Alle am künftigen Leistungserbringungsprozess beteiligten betrieblichen Funktionen sollten bereit sein, ihre Arbeitsweise am modularen Konzept der Maschinen auszurichten

Wie weit sollte man eine Maschine oder Anlage in Module aufteilen und welche generelle Vorgehensweise ist zu empfehlen? Die Genialität bei den Lego-Bausteinen liegt in den Verbindungen zwischen ihnen. Diese bestimmen die mögliche Granularität der Aufteilung, sind aber auch der einschränkende Faktor für die Verbindung von Bauteilen. Vergleichbar verhält sich es bei den Schnittstellen einzelner Module einer Maschine oder Anlage. Die Interfaces gewährleisten das stimmige Zusammenfügen und zugleich das einwandfreie Funktionieren eines Systems – einer einzelnen Maschine ebenso wie einer ganzen Produktionslinie. Somit ist die Kernfrage der Modularisierung: Wie grenzt man die Bausteine eines Gesamtsystems voneinander ab?

Harting empfiehlt für die Festlegung der Grenzen zwischen den elektrischen und elektromechanischen Power-, Signal-, Daten- und Kommunikation-Interfaces folgendes Vorgehen. Zuerst sollte das Ausgangssystem nach Funktionen geordnet betrachtet werden: Key-Funktionen, die die Kernkompetenz des OEM widerspiegeln; Grundfunktionen, die sich über das gesamte System erstrecken, und Add-on- oder Hilfs-Funktionen. Ein gewisses Over-Engineering bei den Maschinen-Modulen, in denen sich die eigenen Kernkompetenzen bündeln, ist immer von Vorteil und daher auch empfehlenswert. Danach sollten die Funktionen in Module zusammengefasst werden – aber nur so granular wie nötig.

Die Teile des Ganzen

Im nächsten Schritt sollten für alle nicht weiter teilbaren Elemente der Maschine wie Sensoren, Aktoren, HMI, Antriebe, die elektrische Leistungs-, Signal- oder Daten-Anbindung benötigen, die funktionelle Relevanz für das jeweilige neu definierte Maschinenmodul beurteilt und am besten grafisch dargestellt sowie im Sinne der Automatisierungspyramide einem entsprechenden Layer zugeordnet werden. In diesem Zuge müssen alle erforderlichen Interfaces für die Anbindung von Einzelelementen den jeweiligen Maschinenmodulen zugeordnet aufgelistet werden. Ergebnis ist eine Matrix mit allen angedachten Modulen des künftigen Systems. Sichtbar wird auch die hierarchische Anordnung der Elemente mit zugehörigen Schnittstellen inklusive Relevanz für die Maschinen-Module.

Der Vorteil eines solchen Vorgehens ist, dass man eine Grundlage für die Bewertung der Machbarkeit, der technischen Risiken und der erforderlichen Auslegung von Schnittstellen erhält. Darüber hinaus schafft man für sich selbst Transparenz durch Gewichtung der Bedeutung der Module für das künftige System. Aus der Aufstellung lassen sich alle beteiligten Fraktionen sowie weitere Festlegungen und Schritte für die Entwicklung der Module und Prozesse ableiten. Die Matrixbetrachtung hilft auch bei der Entscheidung, wie weit die Steuerung einer modularen Maschine oder Anlage zentral oder dezentral ausgelegt werden sollte.

Die Pilot- und Demonstrationsanlage „HAII4YOU“. © Harting

Beobachtungen von Harting zeigen, dass Systeme mit hoher Variabilität der Ausrüstungen in den Key-Funktionen bei großer räumlicher Ausdehnung eher mit dezentralen I/O-Systemen ausgestattet werden. Bei kleineren hochvariablen Systemen werden kombinierte Strukturen gewählt. Bei diesen Anlagen ist die Steuerung der Key- und Grund-Funktionen zentral angelegt, Zusatzfunktionen werden je nach Komplexität entweder zentral oder dezentral gesteuert. Bei kleineren oder einfachen Systemen mit geringer Variabilität eine rein zentrale Steuerung technisch einfacher und wirtschaftlich sinnvoller. Bei der Entscheidung für eine Struktur ist zu beachten, dass bei zentralen Systemen zwar in der Regel geringere Kosten für Komponenten und Materialien anfallen. Dafür erhöht sich der Kosten- und Ressourcen-Aufwand sowohl für die Fertigung als auch für den Aufbau beim Endkunden. Erweiterungen und Nachrüstungen können zudem zeit- und kostenintensiver werden, das Gleiche gilt für Service und Instandhaltung.

Positiv aus OEM und Endanwendersicht ist, dass alle modernen Steuerungs-, Antriebs- und HMI-Systeme es ermöglichen, die physikalische Ebene von den logischen Ebenen zu trennen. Das gilt sowohl für besonders schnelle und präzise Abläufe als auch für hochsensible sicherheitsrelevante oder auch verkettete Systeme. Die Freiheit durch Modularisierung der Produktionssysteme wird entscheidend durch die Schnittstellen geprägt. Dazu hält Harting Lösungen und Produkte für alle Arten von Power-, Signal- oder Daten-Schnittstellen bereit. Diese sind auf die benötigten Anforderungen der Übertragungsstrecke kostenoptimiert auslegbar. Sie sind sowohl in den technischen Parametern als auch hinsichtlich Größe und Anzahl an jedem Maschinen-Modul stufenweise skalierbar. Die Schnittstellen erfüllen unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Kontaktierung, Montage- und Schutzart sowie Material, und es lassen sich alternative Übertragungsmedien wie Lichtwellenleiter und Druckluft integrieren.

Zeit und Kosten sparen

Eine konsequente Modularisierung auf Grundlage der gezielten Optimierung aller Kosten und Leistungserbringungs-Prozesse im gesamten Lebenszyklus ermöglicht den OEMs die Fertigung von Maschinen nach Baukastenprinzip mit erheblich geringerem Kosten- und Zeitaufwand. Zugleich erhöht die Strategie den Spielraum für kundenspezifische Konfigurationen. Auch die Anwender profitieren von der Modularisierung, denn sie erhalten eine kosten- und anforderungsoptimierte und zugleich transparent ausgelegte Maschine.

Harting stellt Lösungen für alle Interfaces bereit, die in der modernen Steuerungs-, Antriebs-, HMI- und Kommunikationstechnik für Produktionssysteme notwendig sind. Dieses demonstriert das Unternehmen sowohl in den Anlagen der eigenen Maschinenbau-Tochter Harting Applied Technologies als auch in der Smart-Factory-Pilot- und Demonstrationsanlage „HAII4YOU“.

Jakob Dück, Global Industrie Segment Manager

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