Digitaler Zwilling

Andrea Gillhuber,

Der digitale Zwilling in der Fertigung

Für Produktion und Fertigung bedeutet der Einsatz von digitalen Zwillingen einen deutlichen Schub in Richtung Automatisierung. Dieser Artikel geht der Frage nach, was fertigungsnahe Unternehmen rund um das Arbeiten mit dem digitalen Zwilling beachten sollten und welche konkreten Vorteile sie sich davon erwarten können. 

Programmieren mit digitalen Zwillingen: hohe Sicherheit mit integrierter Kollisionsvermeidung und Simulationstechnologie. © Tebis

Das Konzept des digitalen Zwillings hat sich längst in zahlreichen Branchen und für zahlreiche Anwendungen etabliert. In der fertigungsnahen Welt der Werkzeug- und Formenbaumacher sowie des Maschinenbaus wird darunter die virtuelle Planung und Programmierung der realen Fertigungswelt verstanden. Damit wird es möglich, die reale Fertigungssituation und die berechneten Werkzeugwege am Schreibtisch zu simulieren; Einfahrprozesse entfallen. Im Marktumfeld des Werkzeug- und Formenbaus, das von einem zunehmenden Wettbewerbsdruck geprägt ist, steht das Arbeiten mit digitalen Zwillingen für eine schnellere und vor allem sichere Fertigung.

Der Einstieg in die Thematik ist leicht: Für fast alle Fräsmaschinen hält der Markt bereits Programme mit dem entsprechenden digitalen Pendant bereit. Wer allerdings sichergehen möchte, dass seine Software ihn dabei unterstützt, das Risiko einer teuren und gegebenenfalls gefährlichen Kollision tatsächlich und verbindlich auszuschließen, sollte sich nicht mit einer Standardlösung zufrieden geben. Denn: Unter den nicht offensichtlichen Abweichungen können selbst kleinste Unterschiede gravierende Folgen nach sich ziehen. Empfehlenswert ist daher, von Anfang an auf eine Lösung zu setzen, die herstellerseitig kontinuierlich auf dem neusten Stand gehalten wird.

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Detailgetreue Abbildung der Rüstsituation

Bei einem Fräsvorgang handelt es sich zudem um einen teils hochkomplexen Vorgang, bei dem zahlreiche Parameter wie die Materialauswahl, das Einlesen der Daten, das Rüsten und so weiter ineinandergreifen. Anders formuliert: Es geht darum, die vollständige Rüstsituation detailgetreu abzubilden. Dazu zählen neben der eigentlichen Fräsmaschine sämtliche damit verbundenen Fertigungsmittel. Vor diesem Hintergrund definiert Tebis den digitalen Zwilling als die Abbildung sämtlicher tatsächlich vorhandener Fertigungsmittel und -prozesse in der Software. Die reale Fertigungssituation wird 1:1 in der virtuellen Welt vorgeplant  – unabhängig davon, ob es um den digitalen Zwilling einer gängigen Fräsmaschine oder einer komplexen Rüstsituation geht.

Tebis stattete bereits die erste Vollversion seiner Software mit Postprozessoren aus und integrierte schnell die virtuelle Maschinenbibliothek. Im Lauf der Zeit wurden die digitalen Zwillinge vor dem Hintergrund der zunehmenden Verbreitung des Konzepts „digitaler Zwilling“ detaillierter. Im Bereich der Werkzeuge begann es mit der einfachen Frässchneide, es folgten die komponentenbasierten Fräs- und Bohrwerkzeuge sowie im Folgeschritt auch komponentenbasierte 3D-Drehwerkzeuge. Zusätzlich zu den digitalen Zwillingen für Werkzeuge werden in der Maschinenbibliothek mit über 1.400 virtuellen Modellen in 3.700 Varianten die marktüblichen Maschinentypen abgebildet. Die jeweiligen geometrischen und kinematischen Eigenschaften sind dort ebenfalls hinterlegt. In der eigenen Aggregatebibliothek für Zusatzeinrichtungen werden unter anderem Backenfutter, Lünetten und Spitzen sowie Maschinentische, Anbauten und Trennwände aufgeführt. Selbst virtuelle Spannmittel sind Teil dieses CAD/CAM-Systems.

Um die Simulationen so exakt wie möglich durchzuführen, verfolgt Tebis einen ganz speziellen Ansatz. Der Simulator ist vollständig in die CAD/CAM-Umgebung integriert. Die Simulation und die Kollisionsprüfung werden schon während der NC-Programmierung durchgeführt. Die Verfahrensweise, die Werkzeugwege in der CAM-Umgebung noch vor der NC-Ausgabe auf Kollision zu prüfen und gegebenenfalls zu korrigieren, bedeutet ein spürbares Mehr an Sicherheit und kurze Änderungsschleifen bei erkannten Kollisionen. Vor allem stellt diese Verfahrensweise auch eine Grundlage für die mannarme Fertigung beziehungsweise die mannlose Fertigung am Wochenende dar. Speziell für letztere ist es unabdingbar, dass alle Maschinen ohne Unterbrechung durchlaufen.

Digitale Prozessabbildung per MES

In Tebis bilden Fertigungsbetriebe ihre Fertigungsumgebung, ihr Fertigungswissen und nun auch ihr Konstruktions-Know-how ab, nutzen alles zusammen in automatisierten Abläufen in CAD und CAM und managen ihre Fertigungsprozesse mit der angeschlossenen MES-Lösung ProLeiS. © Tebis

Nicht nur der Fräs-, Laserschneid- oder Drehvorgang lässt sich mittlerweile voll digital und hochautomatisiert realisieren, Gleiches gilt auch für die damit verbundenen Vorgänge der Planung, Abwicklung und Steuerung. Wer in diesem Zusammenhang eine tragfähige Grundlage für Industrie 4.0 schaffen möchte, kommt um eine integrierte MES-Lösung (Manufacturing Execution System) nicht herum. Wer sich auf die Suche nach einem passenden Werkzeug macht, sollte darauf achten, eine MES-Lösung zu wählen, die speziell für fertigungsnahe Unternehmen entwickelt wurde. In MES ProLeiS von Tebis sind Fertigungsumgebung und Fertigungswissen in Vorlagen sowie Erkenntnisse aus zurückliegenden Projekten hinterlegt. Darüber hinaus bildet die Software auch alle weiteren relevanten Daten wie Stücklisten, Verfügbarkeit von Ressourcen oder die Fertigungsdauer ab. Somit lassen sich sämtliche Auftragsabläufe verwalten. Diese beziehen sich auf Materiallogistik ebenso wie auf die jeweiligen unternehmensinternen Termine sowie auf die Termine von Lieferanten und Dienstleistern. In einem modernen MES lassen sich alle fertigungsrelevanten Abläufe digital abbilden. Vergleichbar einem „digitalen Zwilling der Fertigung“ erlaubt diese Software eine Auftragssteuerung.

Darüber hinaus ermöglicht die MES-Software auch eine vorausschauende Planung. Dazu verknüpft sie die Daten von Maschinen, Lagerorte und Erfahrungswerten. Auf Basis der Maschinendatenerfassung entsteht ein digitaler Schatten. ProLeiS zieht diesen dazu heran, um die Reststandzeiten von den Werkzeugen zu vergleichen. Sollte eine Versorgung mit einem Ersatzwerkzeug notwendig sein, erhält der Maschinenbediener rechtzeitig eine entsprechende Anzeige und kann den entsprechenden Auftrag automatisch per Klick erzeugen.

Damit fertigungsnahe Unternehmen das Potenzial von Industrie 4.0 für sich ausschöpfen und mit überschaubarem Zeitaufwand realisieren können, müssen unter anderem Abläufe sinnvoll digitalisiert und verknüpft werden. Dabei ist die grundlegende Wahl des Systems von maßgeblicher Bedeutung. Denn je zukunftsfähiger die Software, desto höher der Mehrwert.

Dietmar Streicher, Produktmanager bei Tebis / ag

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