Auch Zulieferer müssen Lösungsansätze der Industrie 4.0 konsequent anwenden 05.06.2016, 00:00 Uhr

Digitalisierung unterstützt die Supply Chain der Luftfahrtindustrie

Die Flugzeughersteller Boeing in den USA und Airbus in Europa stehen mit ihren höchst komplexen Produkten aktuell vor großen Herausforderungen. Der Luftverkehr wird in den kommenden Jahren erheblich zunehmen. Politische Vorgaben und individuelle Kundenwünsche erfordern Innovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Airbus in der Luft

Airbus legt ein Rekordjahr 2019 hin.

Foto: Airbus

Vorgaben zur Reisezeit, zu Emissionskennwerten und die wachsenden Anforderungen der Kunden nach individuellen Flugzeugen sind Herausforderungen, denen sich die Luftfahrtindustrie stellen muss.

Chancen und Risiken für die Zulieferer

Die neuen Anforderungen betreffen in großem Maße auch die Zulieferindustrie: Die OEM‘s (Original Equipment Manufacturer) übertragen ihren Zulieferern deutlich mehr Verantwortung und fordern bereits vom Tier-2-Zulieferer vollständig montagefertige Baugruppen. Die Hersteller übertragen damit nicht nur Verantwortung, sondern auch einen Großteil der Risiken. Dieser Trend bedeutet einerseits für die Zulieferer, sich diesen Anforderungen stellen zu müssen. Andererseits bieten diese Entwicklungen für den deutschen Mittelstand ein enormes Potential zum Wachstum, das gezielt genutzt werden kann [1].

Die in der Luftfahrt üblichen Sicherheitsstandards, die schon der Tier-2-­Zulieferer in seiner Fertigung zu berücksichtigen hat, sind im Vergleich zu anderen Branchen sehr hoch. So muss beispielsweise im Schadensfall der Zulieferer glaubhaft und lückenlos nachweisen, alle Vorgaben in der Produk­tion erfüllt zu haben. Das bedeutet, dass er dafür Sorge trägt, dass die Nachverfolgung der Produktion oder die Herkunft der Rohteile vollständig nachgeprüft werden kann. Jedes Teil muss eindeutig identifizierbar und „gläsern“ für den OEM sein.

Diese neuen Anforderungen als Chancen zu nutzen und die Risiken auf ein Minimum zu reduzieren, wird eine der größten Herausforderungen für den deutschen Mittelstand in der Luftfahrtindustrie in den kommenden Jahren sein. Innovative Geschäfts- und Produktionsstrategien sind hierzu erfor­derlich. Die konsequente Anwendung von Lösungsansätzen der Digitalisierung und Vernetzung (Industrie 4.0) unter­stützen die Zulieferer bei diesem Strukturwandel. Die Grenzen zwischen der digitalen und der realen Welt verschmelzen, eine vollständige Abbildung der gesamten Wertschöpfungskette wird dadurch möglich.

Diese digitale Spiegelung der Fertigung kann dabei sowohl für die Nachverfolgbarkeit von Baugruppen genutzt werden, als auch die Planung und Durchführung von Prozessen unterstützen. Die Kosten für die Fertigung, die Ausschussraten und die Fertigungsdurchlaufzeiten lassen sich dadurch senken.

Bauteilinhärente Informationsspeicherung

Ein weiterer wesentlicher Aspekt einer Industrie-­4.0-fähigen Produktion ist neben der vollständigen Vernetzung von Fertigungsanlagen auch die Möglichkeit der Verschmelzung von Informationen mit dem Bauteil und der Maschine, Bild 1.

Bild 1. Die bauteilinhärente Informationsspeicherung mit innovativen Fertigungs­verfahren erlaubt die Nachverfolgung von Baugruppen. Bild: Dorota Sliwonik

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Beide müssen in die Lage versetzt werden Informationen zu erzeugen, zu speichern, weiterzuverarbeiten und zu kommunizieren. Eine Möglichkeit hierzu ist beispielsweise eine inhärente Datenspeicherung auf der Bauteiloberfläche, ähnlich den Daten auf einer CD.

Ein am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickeltes piezoakto­risches Fräswerkzeug, Bild 2, ist in der Lage, durch eine gezielte Ansteuerung eine Beschriftung der Oberfläche zu erzeugen.

Bild 2. Piezoaktorisches Fräswerkzeug zur Oberflächenstrukturierung. Bild: Dorota Sliwonik

Die Beschriftung kann dabei als Text oder als binärer Code ausgeführt sein. Hierbei wird der Fräser rotationswinkelaufgelöst angesteuert und durch einen integrierten Piezoaktor zugestellt, wodurch eine Mikrostruktur in der Oberfläche erzeugt wird. Ein großer Vorteil dieser Methode ist die vollständige Integrierbarkeit in die übliche Fertigung eines Fräsbauteils. Eine Fläche des Bauteils, die nicht als Funktionsfläche genutzt wird, aber durch den Fräsprozess bearbeitet werden muss, kann in einem Schritt von demselben Werkzeug erzeugt und gleichzeitig beschriftet werden.

Einsatz entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Eine weitere Methode zur bauteilinhärenten Datenspeicherung ist es, die stochastischen Anteile eines jeden Fertigungsprozesses als „Fingerabdruck“ zu verwenden. So erzeugt ein Flachschleifprozess eine einzigartige charakteristische Oberfläche, die eindeutig identifizierbar ist. Diese Methode erlaubt es zwar nicht, beliebige Daten auf der Oberfläche zu speichern, aber jedes Bauteil kann ohne zusätzlichen Aufwand eindeutig nachverfolgt werden, Bild 3.

Bild 3. Durch eindeutige Zuordnung von geschliffenen Oberflächen ist ein wirkungsvoller Plagiatsschutz möglich. Bild: Dorota Sliwonik

Im Hinblick auf die Anforderungen der Luftfahrtindustrie bedeutet das eine enorme Erleichterung für den deutschen Mittelstand und reduziert das übertragene Risiko.

Digitalisierung der Industrie heißt auch die Digitalisierung der Maschinen. Am IFW wird darunter die Befähigung von Maschinen verstanden, ihren Zustand zu erfassen, zu verarbeiten und zu verändern. Eine Zustandserfassung kann beispielsweise durch fühlende Komponenten wie Spannmittel oder Spindelschlitten erreicht werden. Die „Fühlende Maschine“ des IFW, Bild 4, ist in der Lage, durch eine geschickte Positio­nierung von µDMS in kleinen Kerben auf dem Spindelschlitten, Bild 5, einer ansonsten handelsüblichen 5-Achs-Fräsmaschine „DMG HSC55“ die Bearbeitungskraft zu erfassen.

Bild 4. Die „fühlende Maschine“ – basierend auf einer handelsüblichen „DMG HSC55“ – hat einen sensorischen Spindelschlitten. Bild: Dorota Sliwonik

Bild 5. Die sensorische Frässpindel ist ein Kernelement der fühlenden Maschine.  Bild: Andreas Menzelmann

Vorteile einer fühlenden Maschine

Die Maschine kann die Prozesseinstellgrößen eigenständig so verändern, dass immer die maximale Produktivität erreicht wird, gleichzeitig aber keine Schäden am Maschinengestell auftreten. Dies – in Verbindung mit einer abgestimmten Prozessüberwachung – sorgt neben einer Steigerung der Prozesssicherheit auch für eine Reduk­tion der Ausschussraten.

In Kombi­nation mit aktorischen und sensorischen Spannmitteln kann die Maschine sogar auf Deformationen des Bauteils reagieren und den NC-Code anpassen. Bei dem sensorischen Spannsystem handelt es sich um einen mit den Firmen Römheld und ReiKam entwickelten Prototypen. Dieser besteht aus drei hydraulischen Schwenkspannern und einem hydraulischen Abstützer, die jeweils sensorisch ausgestattet sind. Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren werden über eine miniaturisierte Messelektronik ausgewertet. Eine CAN-Bus-Schnittstelle erlaubt eine flexible Erweiterung des Systems.

Die vorgestellten Maßnahmen sind nur ein Teil des Beitrags des IFW zur Umsetzung von Industrie 4.0. Bauteil und Maschine können durch die Entwicklungen Informationen aufnehmen, weitergeben oder speichern. Der wesentliche Vorteil des Konzepts liegt aber vor allem in den Planungs- und Nachverfolgungsprozessen in der Ferti­gung. Die Informationen aus der aktuellen Fertigung werden aufgenommen, verarbeitet und in die Planung neuer Prozesse wieder eingearbeitet.

Adaptive Prozessplanung

Ein Beispiel hierfür ist die adaptive Prozessplanung. Auf Basis der Erfahrungen aus früheren Prozessabfolgen werden für die Fertigungsplanung eines Bauteils unterschiedliche Routen durch die Prozesskette geplant. Dabei können besonders wirtschaftliche oder früher erfolgreiche Routen bevorzugt behandelt werden. Da die exakte Position eines Bauteils in den Fertigungsrouten bekannt ist und sämtliche Informationen über die vorherigen Bearbeitungsschritte vorliegen, kann dies in der adaptiven Prozessplanung online mitberücksichtigt werden. Im Störungsfall wird dann sofort auf Basis der vorhandenen Informationen und der möglichen alternativen Bearbeitungsrouten die optimale neue Bearbeitungskette ausgewählt. Hierbei werden selbstverständlich immer auch die Informationen über weitere gleichzeitig bearbeitete Bauteile berücksichtigt, Bild 6.

Bild 6. Adaptive Prozessplanung am mobilen Endgerät: Erfahrungen aus früheren Prozess­abfolgen lassen sich für die Fertigungsplanung sinnvoll nutzen.   Bild: Dorota Sliwonik

Mittelstand bei der Umsetzung von Industrie 4.0 unterstützen

Die Digitalisierung und Vernetzung der Industrie kann, wie an den drei kurzen Beispielen gezeigt, den Mittelstand in der Luftfahrt-Supply-Chain dabei unterstützen, die kommenden Herausforderungen zu meistern. Jedoch ist Industrie 4.0 ein Schlagwort, unter dem sich ein Großteil der Anwender noch wenig vorstellen kann. Durch die Arbeiten im DFG-Sonderforschungsbereich 653 „Gentelligente Bauteile im Lebens­zyklus“ beschäftigt sich das IFW bereits seit mehr als zehn Jahren mit der Industrie 4.0. Nun ist es an der Zeit, die Erkennt­nisse und die Erfahrungen in die indus­trielle Anwendung zu überführen.

Dazu gibt es seit einem Jahr das Produc­tion Innovations Network (PIN). Das Netzwerk wurde aus dem SFB heraus gegründet und hat sich das Ziel gesetzt, Partner aus Industrie sowie Wissenschaft zusammen­zu­brin­gen und in bilateralen Projekten die Umsetzung von Industrie 4.0 voranzutreiben. Als nächster Schritt wird ein Kompetenzzentrum für den Mittelstand eingerichtet. Das Zentrum ist Teil der Förder­initia­tive „Mittelstand 4.0 – Digitale Produktions- und Arbeitsprozesse“, die im Förderschwerpunkt „Mittelstand-Digital – Strategien zur digitalen Transformation der Unter­nehmensprozesse“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt wird. Durch den Aufbau von stationären und mobilen Lernfabriken sollen damit praktische Szenarien demonstriert werden, die zeigen, wie sich Industrie 4.0 nutzen lässt.

Von Berend Denkena und Oliver Maiß, HannoverLiteratur[1] Aviation-Studie 2015 – Globale Wertschöpfungsketten managen. Studie der Staufen AG, Köngen, und des Bundesverbands der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie, Berlin, 2015 .

Autoren Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Jahrgang 1959, leitet das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover und ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“. Dipl.-Ing. Oliver Maiß, Jahrgang 1986, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter sowie Schwerpunktkoordinator Luftfahrt am IFW.

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