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Zusammenfassung Kapitel 1...

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Kapitel 1 – Einführung in die IPP (Grundlagen, Geschichte und zeitliche Entwicklung) 1.1 Welt der Produktionstechnik Das magische Dreieck der Produktion besteht aus: - Zeit (kurze Durchlaufzeit in Produktion u. Auftragsabwicklung) - Kosten (niedrige Herstellkosten) - Qualität (hohe Produktqualität) In der Produktion ist es das übergreifende Ziel eine vom Markt vorgegebene Menge so schnell wie möglich (Zeit), so günstig wie möglich (Kosten) und so gut wie möglich zu produzieren (Qualität). Das bestmögliche Erreichen dieser sich teilweise entgegenstehenden Ziele ist die Hauptherausforderung der Produktion. Die Schwierigkeiten im Erreichen dieser Ziele leitet sich aus einer Reihe von Komplexitäten ab, die es in der Produktion zu bewältigen gilt.

M(a) R K Q V

Die oben aufgelisteten Komplexitäten treten je nach Produkt unterschiedlich stark in den Vordergrund. Sie erfordern eine gute Vorbereitung+ Planung der Produktion! 1.2 Historische Entwicklung in der Produktion 1.2.1 Die vier industriellen Revolutionen

Der Ausdruck 4.0 bezieht sich somit auf die vierte industrielle Revolution (integriert Internet) Industrielle Revolutionen bringen gesellschaftliche Umwälzungen mit sich mit…

(Transmissionen)

Nach dem Ende des 7-jährigen Krieges in den Jahren 1756 bis 1763 zwischen den europäischen Großmächten brach in Europa ein starkes Bevölkerungswachstum aus. Dies wiederum hatte einen Anstieg der Nachfrage nach Gütern zur Folge, die den Lebensalltag vereinfachen sollten. Diese wesentlichen Treiber führten schließlich zur ersten industriellen Revolution, welche in erster Linie durch die Ablösung der menschlichen und tierischen Muskelkraft durch mechanische Arbeitskraf geprägt war. Durch die Entwicklung der Dampfmaschine war die Produktion nicht mehr abhängig von der unsicheren Luf-und Wasserkraf. Eine Produktion konnte somit erstmal ohne Abhängigkeit von Wind und Wetter aufgebaut werden. Neue Erkenntnisse und Produktionsverfahren im Rahmen der Metallverarbeitung unterstützen diese Entwicklung zunehmend, was letztendlich in der Erfindung diverser technologischer Neuerungen mündete. Dazu gehören neben der ersten Dampfmaschine und Dampflokomotive auch die Erfindung der ersten vollständig aus Metall gefertigten Drehbank. Diese zur Herstellung von Schrauben verwendete Maschine verfügte über eine Zwangsführung des Drehstahls, einem Werkzeugschlitten sowie einem maschinell steuerbaren Werkzeugvorschub. Vor dem Hintergrund des heutigen Stellenwerts des Drehens für das verarbeitende Gewerbe stellte die Erfindung einen bedeutenden Meilenstein für die Produktionstechnik dar. Ab Ende des 19. Jahrhunderts zeichnete sich der nächste technologische Umbruch ab, welcher als zweite industrielle Revolution bezeichnet wird. Die elektrische Energie wurde nutzbar gemacht und brachte viele neue Anwendungsfelder in Form elektrischer Einzelantriebe, elektrischer Beleuchtung, aber auch der Kommunikation in Form des Telefons. Einen weiteren wesentlichen Schritt im Kontext der zweiten industriellen Revolution, stellt die durch den Amerikaner Frederick W. Taylor begründete Trennung von Kopf-und Handarbeit sowie die genaue Vorplanung aller Arbeitsschritte bis zu einzelnen Handgriffen dar (Taylorismus). Diese Arbeitsplatz-Optimierung wurde schließlich durch Henry Ford durch die Fließbandarbeit in der Automobilproduktion erstmals umgesetzt (Fordismus). In diesem Rahmen wurden auch erstmalig die Fertigungstoleranzen, als Abweichungen von der idealen Werkstückgeometrie, die bei der Produktion entstehen, definiert und verwendet. Das Ergebnis dessen war die Massenproduktion des Ford-Modells T, welches kostengünstig in sehr hohe Stückzahl produziert werden konnte. Toleranzen gibt es bis heute(!)

Taylor= Trennung Ford= Fließband

Die dritte industrielle Revolution war vor allem durch wesentliche Fortschritte der Elektrotechnik und deren steigenden Einsatz in der Produktionstechnik geprägt. Der erste kommerziell nutzbare Computer revolutionierte zum einen administrative Bereiche wie das Supply-Chain-Management und die Materialwirtschaft, zum anderen jedoch auch Planungs-und Steuerungstätigkeiten in der Produktion selbst. Schnelle Fortschritte in der Mikroelektronik und Sensortechnik brachten im Maschinenbau neue Möglichkeiten hinsichtlich der Prozessautomatisierung, erste SPS-Steuerungen kamen in der industriellen Produktion zum Einsatz. Am MIT wurde um 1950 die Numerische Steuerung (NC-Control) entwickelt, welche eine Voraussetzung für die rechnergestützte Bearbeitung komplexer Bauteilgeometrien darstellt. Auf dieser Basis kamen schließlich die ersten CNCWerkzeugmaschinen (ComputerizedNumercialControl) auf dem Markt, welche für die automatisierte Komplettbearbeitung in der industriellen Produktion heute unabdingbar sind. Die stetig steigende Rechnerleistung ermöglichte die immer weiter fortschreitende Digitalisierung von Prozessen im Engineering-und Planungsbereich. Das Computer Integrated Manufacturing (CIM) beschreibt den „integrierten EDVEinsatz in allen mit der Produktion zusammenhängenden Betriebsbereichen. Es umfasst das informationstechnische Zusammenwirken zwischen CAD (Computer-AidedDesign), CAP (Computer-AidedPlaning), CAM (ComputerAidedManufacturing), CAQ (Computer-AidedQuality) und der PPS (Produktionsplanung und –steuerung). Die angeführten Begriffe beschreiben rechnergestützte Prozesse im Rahmen der Konstruktion, der Arbeitsplanung, der Fertigung und Montage, der Qualitätssicherung sowie im Allgemeinen bei der Produktionsplanung. Probleme der CIMWelle warendamals, neben der eingeschränkten Rechenleistung, vor allem die hohe Komplexität bei der Einführung und Wartung aufgrund der wenig standardisierten IT-Lösungen und aufgrund der Notwendigkeit eine IT-seitige Umsetzung unternehmensspezifisch zu programmieren. Integrierte Komplettlösungen existierten damals nicht. Die Visionen der dritten Revolutionen entsprechen teils auch noch diesen der vierten, da Rechner und co. damals noch nicht so leistungsfähig waren, wie oft erwünscht.

Die zuvor im Rahmen der dritten industriellen Revolution erläuterte NC-Technik, SPS-Steuerung und das Computer Integrated Manufacturing (CIM) stellten die wesentlichen Meilensteine für den Maschinenbau und die industrielle Produktion dar und ebneten den Weg für die vierte industrielle Revolution, die heute weitestgehend unter dem weiten gefassten, paradigmatischen Begriff „Industrie 4.0“ bekannt ist. Unter dem Begriff wird die durch das Internet getriebene vierte industrielle Revolution verstanden. Diese beinhaltet vor allem die Vernetzung aller an einer Wertschöpfung beteiligten Bereiche sowie die Fähigkeit, aus den vorhandenen Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Den Kern der Industrie 4.0 stellen die technische Integration von Cyber-Physical-Systems (CPS) sowie die Anwendung des Internets der Dinge und Dienste innerhalb industrieller Prozesse dar. Durch das Internet der Dinge können physische Objekte über das Internet miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Als CPS werden intelligente Objekte bezeichnet, die über eine eigene dezentrale Steuerung (engl. embeddedsystems) verfügen, sich selbstständig steuern und über das Internet miteinander vernetzt sind (Acatech2016). Somit kommt es zu einer Verschmelzung der Informationsverarbeitung mit dem physikalischen Prozess. Es entstehen intelligente technische Systeme, die sich adaptiv an ihre Umwelt anpassen können, die Fähigkeiten der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration und Selbstdiagnose besitzen und mit anderen Systemen über das Internet interagieren. Somit wird es möglich, unterschiedliche, kundenindividuelle Aufträge hintereinander auf den gleichen Maschinen zu fertigen, ohne, dass die Produktionskosten, die einer Massenproduktion übersteigen.

1.2.2 Das Zeitalter Industrie 4.0 mit den vier Paradigmen Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und der Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmenden individualisierten Kundenwünschen. Sprich, jeder Kunde kann sein eigenes Produkt herstellen, mit denselben Durchlauf- und Lieferzeiten wie das in der Massenproduktion der Fall ist. Industrie 4.0 entsteht, wenn ein Mehrwert für den Anwender vorhanden ist. Dies verdeutlicht auch das folgende Reifegradmodell bzw. der „Industrie 4.0 Maturity Index“. Die Gesamtorganisation ist anhand 6 aufeinander aufbauender Stufen dargestellt, wobei die ersten beiden eine Grundlage für die Industrie 4.0 darstellen. (siehe Kap.3) Die vier Paradigmen: CKSTPA

Der Begriff „Industrie 4.0“ wird oft mit dem Einsatz neuartiger Technologien assoziiert. Vieler dieser Technologien sind von essentieller Bedeutung für die Realisierung von Industrie 4.0, aber existieren schon seit Jahren auf dem Markt. Das wirkliche Neue an Industrie 4.0 besteht in der Zusammenführung dieser, für sich in ihrer Funktionalität individuell entwickelten, Technologien im industriellen Umfeld zu einer einheitlichen gemeinsam agierenden Lösung. Dieser Verbund standardisierter Kommunikations-und Steuerungstechnik führt im Ergebnis zu der Verwirklichung der Idee hinter Industrie 4.0 und wird durch die vier zentralen Paradigmen beschrieben (Roth 2015).

CPS (Cyber-physisches System): Damit werden intelligente Objekte bezeichnet, die über eine eigene dezentrale Steuerung (s.o.) verfügen, sich selbstständig steuern und über das Internet miteinander vernetzt sind. CPS sind physische Artefakte, die von einem eingebetteten Computersystem kontrolliert, überwacht, koordiniert und in Netzwerke integriert werden. Ihre Interaktion zwischen der physischen und der digitalen Welt ist von elementarer Bedeutung. CPS sind als Weiterentwicklung mechatronischer Systeme (Fusion aus Elementen der Mechanik, Elektronik und Informatik) zu verstehen. Das ursprüngliche mechatronische System (z.B. Generator) wird mittels CPS in eine visuelle Umgebung mit Kommunikation etc. eingebettet. CPS sind unter dem Einsatz von Sensoren in der Lage, Daten zu erfassen und diese über Aktoren in mechanische Bewegungen umzuwandeln, um so direkt auf den Produktionsprozess einzuwirken. Die von Sensoren generierten Daten werden durch das CPS ausgewertet, wobei dieses sowohl reaktiv als auch aktiv über die ausgewerteten Daten und Information mit der digitalen Welt interagieren kann. CPS sind über das LocalArea Network (LAN), aber auch über das WLAN miteinander verbunden und können lokale und weltweit verfügbare Dienste und Daten nutzen. CPS können so auch auf das in der Produktion gesammelte „visuelle Wissen der Fabrik“ zurückgreifen, welches u.a. mit Methoden des maschinellen Lernens und der Mustererkennung generiert wird. 5 CPS-Eigenschaften: - CPS verschmelzen die physische und die virtuelle/ digitale Welt miteinander. Ein CPS ist ein eingebettetes System (u. dez. Steuerung), welches über Sensoren verfügt, um Kenngrößen der Umwelt wahrzunehmen (Temperatur, Geschwindigkeit, Hindernisse, Lokalisation) und über Aktoren, um mit der Umwelt zu interagieren, welches mit dem Internet verbunden ist. - Ein CPS passt sich an seine Umwelt an. Durch seine Sensorik kann ein CPS ein Modell der Umwelt erstellen, und so sein Verhalten an die Umwelt anpassen. - Ein CPS ist autonom und kooperativ. Es kann über lange Zeit ohne externe Kontrolle agieren. Sein Verhalten ist nicht stereotyp, sondern kann sich langfristig ändern. Ein CPS kann mit anderen CPS kommunizieren, und dadurch komplexes, kooperatives Verhalten entwickeln. - Ein CPS kooperiert mit dem Menschen. - Ein CPS ist ein Gesamtsystem, welches aus verschiedenen Untersystemen besteht, die getrennt entwickelt wurden und voneinander unabhängig interagieren können. CPPS (Cyber-physisches Produktionssystem): - Produkt, Produktionsmittel und- Systeme sind miteinander verknüpf - Einbindung des Menschen durch geeignete Mensch-Maschinen-Schnittstellen (MMS) - Dezentrale selbstorganisierende Fabrik Die Übertragung und Integration Cyber-physischer Systeme (CPS) in die Produktionswelt führt zum Entstehen von Cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS). Sie bestehen aus flexiblen, autonomen und sich selbstkonfigurierenden Produktionsressourcen, die untereinander und mit Produkten (sogenannten smart products, also Produkten mit CPS-Architektur) kommunizieren und situationsspezifische Entscheidungen treffen können. Ein CPPS beschreibt die Gesamtheit einer Produktionsanlage im Industrie 4.0-Ansatz,eine dezentrale selbstorganisierende Fabrik. Ein CPPS beinhaltet intelligente Produktionsmittel. Produktionsmittel leiten über Sensoren und Aktoren Daten an Steuerungssysteme weiter, die diese wiederum auswerten und an die Produktion zurückspielen. Die Einbindung des Menschen in den Steuerungsprozess wird durch eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle (beispielsweise Virtual Reality oder Augmented Reality) ermöglicht.

Autonome und dezentrale Steuerung (siehe Kapitel 8)  okay Vertikale Integration: Mittels einheitlicher Schnittstellen und Standards zur Maschine-zu-Maschine Kommunikation werden Sensoren, Aktoren, eingebettete Systeme, ganze Produktionsanlagen herstellerunabhängig miteinander vernetzt, um eine Kommunikation in Echtzeit zu ermöglichen. Vertikale Integration bedeutet, dass alle unternehmensinternen Systeme in Hierarchieebenen aufgebaut sind. Dadurch entsteht ein einheitliches und durchgängiges System, in welche sich die Richtung von Datenflüssen an der Hierarchieordnung orientiert. Eine erfolgreiche vertikale Integration kann nur durch den Einsatz einheitlicher Schnittstellen und Standards zur Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M-Kommunikation) erreicht werden. Dafür müssen Sensoren, Aktoren, eingebettete Systeme, ganze Produktionsanlagen sowie Planungs-und Steuerungssysteme herstellerunabhängig miteinander zu verbinden sein. Die Möglichkeit einer Kommunikation sowie Interaktion zwischen eben diesen Komponenten in Echtzeit wird damit gewährleistet. Im nächsten Schritt wird damit eine automatisierte Erhebung und Sammlung produktionsrelevanter Daten, wie Betriebsdauern oder Zustände ermöglicht. Diese Daten werden über entsprechende Dienste verdichtet, bereinigt und ausgewertet. Auf Basis von Steuerungs-und Planungssystemen wird die Produktion und Ressourcenverwaltung optimiert und die dazu nötigen Anweisungen an die Produktionsprozesse der Fertigung weitergegeben. Durch das Zusammenspiel der vertikalen und horizontalen Integration im Kontext von Industrie 4.0 ergeben sich enorme Vorteile in der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. So kann beispielsweise durch geringere Rüstzeiten und -kosten flexibel auf Kundenwünsche im Sinne der Mass-Customization eingegangen werden. Cyber-physische Systeme (CPS) sind selbständig in der Lage, Produktionsvorgänge auch in kurzen Zeitabständen anforderungsgerecht anzupassen und Leerlaufzeiten sowie Produktionsausfälle zu vermeiden. Die vertikale Integration wird explizit durch das Modell der Automatisierungspyramide beschrieben. Die Automatisierungspyramide gliedert die Aufgaben eines Fertigungsprozesses in fünf Hierarchieebenen, ohne das klar zwischen physischer Welt und Informationswelt unterschieden wird. Jeder Hierarchiestufe sind starr bestimmte Funktionen zugewiesen. Das Ziel dieses Modells liegt darin, eine leicht verständliche, visuelle Darstellung der industriellen Fertigung, deren Techniken sowie der fließenden Grenzen innerhalb der Produktion zu schaffen. Die Automatisierungspyramide und ihre Ebenen werden in Kapitel 8.3 näher erläutert. Die unterste Ebene, die Feldebene, bildet die physikalische Ebene der Aktoren und Sensoren. Diese nehmen Daten aus dem Fertigungsund Produktionsprozess auf (Sensor) oder beeinflussen der Prozess aktiv (Aktor). Die Steuerungsebene übernimmt die Steuerung der Aktoren und verarbeitet die Signale der Sensoren. Die nächsthöhere Ebene wird als (Prozess)Leitebene bezeichnet. Diese Ebene bildet die Schnittstelle zum Menschen (HMI: Human MachineInterface). SCADASysteme sind häufig direkt an den Maschinen und geben dem Benutzer Informationen über die Einstellungen der Maschine und den Prozess. Die Feldebene, Steuerungsebene und Leitebene zählen zu den Shopfloorebenen. Die Betriebsebene wird von MES-Systemen geprägt.

Fedi steuert Prozesse beim Unternehmen

Diese Systeme schließen die Lücke zwischen den Shopfloorebenen und der Unternehmensebene. MESSysteme bestehen aus Funktionsbausteinen und können modular an das Unternehmen angepasst werden. Zum einen aggregieren und visualisieren sie Daten aus der Shopfloorebene, zum anderen leiten sie Daten aus dem übergeordneten System, dem ERP, an den Shopfloor weiter. Die letzte Ebene bildet die Unternehmensebene. Hier findet sich das ERP-System, das, auf die Produktion bezogen, langfristig im Voraus plant. Aus dem ERP-System werden die Produktionsaufträge weitergeben. Diese können sich aus Plan-und Kundenaufträgen zusammensetzen.

Horizontale Integration: Die horizontale Integration beschreibt die Einbindung von System von Kunden, Lieferanten, verteilten Unternehmensstandorten sowie externen Dienstleistern und Produzenten in die eigene vertikale Systemlandschaft. Material-, Energie- und Informationsflüsse verlaufen zwischen den verschiedenen Parteien. Die horizontale Integration ermöglicht einen in Echtzeit synchronisierbaren Austausch von unternehmensinternen und -externen Daten, um so ein durchgängiges und dynamisches Wertschöpfungsnetzwerk über die Unternehmensgrenze hinweg zu schaffen. Ein ganzheitlich über die horizontale Integration aufgebautes Wertschöpfungsnetzwerk ermöglicht wiederum jederzeit neue, für den eigenen Geschäfts-und Wertschöpfungsprozess relevante, Komponenten hinzuzufügen. Darüber hinaus ermöglichen die aus den horizontal integrierten Systemen stammenden Daten dem Steuerungs-und Planungssystem die eigenen Produktionsprozesse zeitoptimiert, in Echtzeit und speziell auf die Anforderung angepasst durchzuführen. Durchgängiges Digitales Engineering (siehe Kapitel 2)…  Digital Product/ Plant/ Process 111-134 nicht in Zusammenfassung!!! (wbk-Visionen) 1.3 Globale Megatrends und ihre Wirkung auf die Produktion Megatrends sind Umweltbedingungen, auf welche sich die Produktion anpassen muss, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Megatrends umfassen technologische, wirtschaftliche, ökologische und soziale Komponente. Wichtigste Megatrends: -Digitalisierung -Individualisierung -Globalisiering -Urbanisierung

-Alterung der Gesellschaf -Nachhaltigkeit -Veränderte Mobilität („alter Mann im nachhaltigen Rollstuhl“)

Durch die Entwicklungen in der Informations-und Kommunikationstechnik (IKT) können Informationen jeglicher Art in kürzester Zeit an nahezu jeden beliebigen Ort der Welt transferiert werden. Gleichzeitig steigt auch das Wissen aus der Forschung und Anwendung explosionsartig. Die Menge an verfügbarem Daten und Wissen sowie die schnelle Verbreitung in der Welt haben gravierende Wirkungen auch auf die Produktion. Wissen wirkt sich auf die gesamte Produktentstehung sowie die für die Herstellung notwendige Prozesstechnik aus und wird die zeitlichen Wettbewerbsvorsprünge durch eigenes Know-how massiv verkürzen. Informations-und Kommunikationstechnologie ist Träger der Vernetzungen zwischen den Produzenten und aller Akteure in ihrem Umfeld und zugleich das Transfersystem für Wissen aus und in alle Elemente des Systems Produktion. Angesichts des überdimensionalen Wachstums analysierbarer Daten werden kognitive Systeme unsere Handlungen proaktiv beeinflussen. Durch Technologien wie maschinelles Lernen, natürliche Sprachverarbeitung und künstliche Intelligenz besteht die Möglichkeit, dass die Häufigkeit, die Flexibilität und die Bedeutung von Datenanalysen drastisch zunehmen werden. Bislang begegnen wir kognitiven Systemen bereits in Form von fahrerlosen Autos, Gesichtserkennung und virtuellen Kundenberatern –und das Potenzial für weitere Einsatzgebiete ist nahezu unbegrenzt. Da Menge, Vielfalt und Bedeutung der erstellten Daten explosionsartig zunehmen, werden Unternehmen vor neue Herausforderungen gestellt. Nicht alle Daten sind gleichermaßen wichtig; und ohne Kontext sind sie nicht zu gebrauchen. Erfolgreich werden vor allem die Unternehmen sein, die sich auf die entscheidenden Teilmengen der Date...