schweißtechnik und schneidtechnik - ready for industrie 4 ... · industrie 4.0 – definition...

Schweißtechnik und Schneidtechnik - Ready for Industrie 4.0! (Strategien und Geschäftsmodelle für eine vernetzte Fertigung) Dr. – Ing. Klaus Middeldorf [email protected]

Vortrag: 9. November 2018 Stand: 5. November 2018

www.conversio-changepartner.com

TÜV Nord Systems

Gliederung des Vortrags

Definitionen Industrie 4.0 / Digitale Transformation der Wertschöpfung

Digitalisierungsstrategien / Industrie 4.0 – Strategien für Unternehmen

Basiselement Industrie 4.0: Internet der Dinge / Cloud Computing

Kernelemente Industrie 4.0: Cyber Physische Systeme / Vertikale und Horizontale Vernetzung / Data Analytics / Digital Engineering / Steuerungsfunktionen der Mitarbeiter

Vernetzte schweißtechnische Fertigung / Arbeitsgestaltung / Aus- und Weiterbildung

Industrie 4.0 – Strategie für Unternehmen

Zusammenfassung / Ausblick

13.11.2018 www.conversio-changepartner.com 2

Industrie 4.0 – Definition

„Industrie 4.0 ist die strategische Initiative für die Digitalisierung in der produzierenden Industrie.“

(1.100.000 Google Eintragungen Industrie 4.0 und produzierende Industrie)


(conversio; 2017)

Industrie 4.0 - Begriff

13.11.2018

Marketing Begriff Industrie 4.0 Hannover Messe 2011 …

Google Abfragen Juni 2018 / November 2018

Industrie 4.0 37.110.000 / 53.000.000 Ergebnisse

Industrie 4.0 und Maschinenbau 1.280.000 / 1.520.000 Ergebnisse

Industrie 4.0 und Anlagenbau 399.000 / 409.000 Ergebnisse

Industrie 4.0 und Schweißtechnik 62.000 / 64.300 Ergebnisse

… tausende / hunderte YouTube – Videos …

www.conversio-changepartner.com 4

Industrie 4.0 – Ansatz für die Schweißtechnik

Industrie 4.0 ist kein Produkt, kein Prozess, kein Projekt … sondern ein Impuls an die produzierende (schweißtechnische) Industrie durch die Integration moderner Informations- und Kommunikationstechniken neuartige, intelligente Produktionsanlagen und Produktionssysteme zu entwickeln (Hersteller), mit der Anwender (teilweise / kontinuierlich / …) mit einer digitalen Transformation ihrer Wertschöpfung beginnen können …

13.11.2018 5

(Reinhard, G.; 2017 / conversio; 2017)

Digitale Transformation der Wertschöpfung

Digitale Transformation (der Wertschöpfung) ist die Nutzung der Informations- und Kommunikationstechnik zur Optimierung der Wertschöpfung (nicht nur in der realen Welt) …

(was unter anderem bedeuten kann, mit digitalen Werkzeugen Werte für die Unternehmen und für deren Kunden zu schaffen)


(conversio; 2017)


(nach Jodlbauer, H.; 2018 / FIR; 2015)

Prozess der Wertschöpfung (1)

Führung und Strategie

Mitarbeiter, Ressourcen und Kompetenzen

Umsatzleistung

Operational Excellence


(Jodlbauer, H.; 2018 / FIR; 2015)

Digitale Transformation der Wertschöpfung (2)



Plus Umsatzleistung

Plus


Digitale Transformation der Wertschöpfung

Ein Produkt (Stromquelle, Brenner, Roboter …) bleibt ein Produkt …

Der Käufer eines Produktes (Stromquelle, Brenner, Roboter … ) erwartet aber mehr als nur ein Produkt, sondern die Erfüllung einer Aufgabe …

Zusätzlich erwartet der Käufer (Anwender) eines Produktes, dass er mit den Daten, die er aus dem Einsatz des Produktes (in der realen Welt) gewinnen kann, einen Mehrwert (in der digitalen Welt) generieren und (gegebenenfalls) neue Geschäftsmodelle (sowohl in der realen, als auch in der digitalen Welt) entwickeln kann …

(Jodlbauer, H.; 2018 / conversio; 2017 / Drenth, R.; 2017)

13.11.2018 9


(ROI; 2018)

Konnektivität: Erfassung, Nutzung von Daten durch Vernetzung von Produkten,

Maschinen, Mitarbeitern, Kunden (Schnittstellen, Architekturen, Datensicherheit!)

Information: Generierung von Information auf Basis der gesammelten Daten (zum

Beispiel in smart cockpits mit digitalen Echtzeit-Informationen, in der Beziehung zu

KPIs, zur Nutzung im digital shop floor management)

Wissen: Analysiertes, kontextualisiertes Wissen aufbauen und teilen (zum Beispiel

zur Unterstützung der Werker, Operatoren, Meister, Aufsichtspersonen)

Prognose: Auf Basis vorrausschauender Mustererkennung (bekanntes Beispiel

predictive maintenance)

Autonomie: Selbstständige Abstimmung der Elemente der Fertigungssysteme /

autonome Systementscheidungen …

Digitale Transformation der Wertschöpfung Systematik (it´s all about data)

Digitale Transformation der Wertschöpfung Daten – Information - Wissen


(Brecher, C., Königs, M.; 2017 / Jodlbauer, H.; 2018 / Steinhaus, I.; 2016 / WGP; 2016)

Daten Information Wissen

Big Data, Advanced Analytics, Applikationswissen und Zielvorgaben

Vergangenheit verstehen, Ursachen erkennen, Entwicklungen vorhersagen und handeln

Kontext Erfahrung

• Entscheidung

• Anwendung

• Handeln

• Analysieren

• Kategorisieren

• Strukturieren

• Sinngebende Verknüpfung

Digitale Transformation der Wertschöpfung Prognose und Autonomie in der Fertigung

Etappen des Industrie 4.0-Entwicklungspfades


(Reinhart; 2017)

Glauben wir an Disruption ? The reason why it is so difficult for existing companies to capitalize on disruptiv innovations is that their

processes and their business model that makes them good at the existing business actually make them bad at

competing for disruption. (Clayton Christensen, Boston Consulting / Harvard Business School)

13.11.2018

(conversio; 2017)


Perf

orm

ance

Zeit

Digitalisierungsstrategien

Industrie 4.0 - Strategie

… sind voneinander abhängig!

Digitalisierungskonzept für Unternehmen


Trendsetter Digitale Experimentierer

Vorreiter Digitale Leader

Anfänger Analoge Skeptiker

Konservative Analoge Visionäre

Dig

ita

le F

äh

igk

eit

en

Transformationsfähigkeiten gering

hoch

hoch

Digitale Fähigkeiten

Digitale Kundenereignisse

Digitale Produkte und

Dienstleistungen

Geschäftsmodelle

Digitale Prozesse und

Organisation

Nutzung von Daten

Transformationsfähigkeiten

Vision, Ziele, Strategien

Kultur, Leadership, Führung

Governance

Arbeitswelt 4.0

Kernkompetenzen,

Fähigkeiten,

IT – Fähigkeiten

(conversio; 2017 / Universität St. Gallen; 2016 / Schircks, A. D.; 2017)

Digitalisierungsstrategie für die Schweißtechnik

Für die Schweißtechnik wird eine Doppelstrategie vorgeschlagen:

Top – Down (Vision / strategische Ziele)

Bottom – Up

(technische Anwendungen zum Beispiel die Echtzeitkontrolle von Produktion und Qualität, predictive maintenance für Geräte der Schweißtechnik, der Einsatz von Assistenzsystemen, …)

Umsetzung von Industrie 4.0 ermöglicht Kostensenkung und Umsatzsteigerung … und ist kundengetrieben …

(conversio; 2017) 13.11.2018 16

Basis- / Kernelemente – Industrie 4.0 Industrie 4.0 als Impuls …


Internet of Things, Services, Persons, Everything (Kommunikation)

Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische

(Produktions-) Systeme

(Daten / Funktionen)

Mensch-Maschine

Interaktionen

Vertikale Integration Data Analytics

Digital Engineering

Horizontale Integration

Cloud Computing / Edge Computing / Fog Computing

Ressourcen und Services zur Speicherung, Verarbeitung, Nutzung von Daten

Industrie 4.0 / Basiselemente / Kernelemente / Zusammenarbeit mit dem

Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik ISF Reisgen et al / RWTH Aachen

Internet der Dinge, Dienstleistungen, Menschen, Everything …

Vernetzungsmöglichkeit von Dingen (und Dienstleistungen, …) ist faktisch unbegrenzt …

Ein Internet der Dinge (und Dienstleistungen, …) ist realisierbar …

Bereits heute kommunizieren mehr „Dinge“ miteinander als Menschen …

(Internet der Dinge eröffnet schnell neue Möglichkeiten für „Dinge der Schweißtechnik“ …)

(Zäh, M.; 2017 / Zumker, L.; 2018)


Internet der Dinge, Dienstleistungen, Menschen, Everything …


(conversio; 2017)

Objekte / Dinge

Maschinen CPS

Bauteile smart products

Zahnbürsten

Kaffeemaschinen

Fahrzeuge

…

Technologien / IT -

Infrastruktur

Kunden

Unternehmen

Internet

IP

Internet der Dinge

und Dienste

Dienste

Daten

Internet der Dinge

Cloud Computing

Cloud Computing / cloud basierte Plattformen

Verfügbarkeit und Akzeptanz …

Verteilung von Rechnerleistungen und Rechnerprozessen

Verteilung von Speicherungen von Daten

• Infrastructure as a Service IaaS

• Platform as a service PaaS

• Software as a Service SaaS

• Data as a Service, Analytics as a Service XaaS

13.11.2018 21 www.conversio-changepartner.com

(Krüger, J. u. a.; 2017 / Lechler, A., Schlechtendahl, J.; 2017 / Jodlbauer, H.; 2018 / WGP; 2016 / Drenth, R. u.a.; 2017)

Cloud Computing / cloud basierte Plattformen

„Jede Cloud eines deutschen, zertifizierten Anbieters ist sicherer als die lokale IT eines deutschen Mittelständlers …“ (Dirk Schäfer, DigitalThinx GmbH, Köln; 2018)

Geringer Investitionsbedarf in IT – Infrastruktur (und gute Umsetzung) für einen schnellen Einstieg …

Unbegrenzte Skalierbarkeit bei zunehmendem / abnehmendem Bedarf an IT – Leistungen …

(conversio; 2017)

13.11.2018 22



Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Pragmatische Umsetzung von Industrie 4.0 in eine vernetzte schweißtechnischen Fertigung

Basiselemente, Kernelemente

Industrie 4.0 – Schweißtechnik (Schweißen und Schneiden 17 / EuroBLECH 18)

Ausgangspunkte sind unter anderem die veröffentlichten Strategien zu Industrie 4.0 in der Schweißtechnik von Unternehmen sowie deren Produkte und Dienstleistungen, zum Beispiel digitalisierte Stromquellen, integrierte Datenmanagementsysteme und Roboteranwendungen in einer vernetzten schweißtechnischen Fertigung …

CLOOS, FRONIUS, EWM, LORCH, KEMPPI, ESAB, VOESTALPINE, LINDE …

FANUC, KUKA, …

(conversio; 2017 / Middeldorf, K.; 2018)


Industrie 4.0 – Schweißtechnik (Schweißen und Schneiden 17 / EuroBLECH 18)

13.11.2018

Elemente des Arbeitsschutzes als smarte Komponenten in einer schweißtechnischen Fertigung / „connected safety“

3M, KEMPER, RoboVent, TEKA, …

Vernetzter Arbeitsschutz beim Schweißen: Industrie 4.0 – B2B – Portal; Kemper 2017

Bringing Air Quality Controls into Industry 4.0; RoboVent 2018

(conversio; 2017 / Middeldorf, K.; 2018)


Industrie 4.0 – Schweißtechnik (Fachmesse Schweißen und Schneiden 2017)

13.11.2018

Mensch-Maschine-Interaktion / Schweißtrainersysteme

FRONIUS, WELDPLUS, SLV Halle …

Übergang von der Nutzung der VWTS in der Ausbildung zur Nutzung der VWTS in der schweißtechnischen Fertigung: EWM Award „Physics of Welding“ 2017 für Augmented Reality Assistenzsystem beim Schweißen – Bewegungs- und Prozessparameter beim Schweißen können über eine augmented reality Umgebung zwischen Anwendern weltweit in Echtzeit ausgetauscht werden …

(Alexander Atzberger, Universität der Bundeswehr München)

(conversio; 2017 / welding and cutting today, 26. September 2017 / Middeldorf, K.; 2018)

(conversio; 2017)


Industrie 4.0 – Schweißtechnik / Literatur

13.11.2018

Veröffentlichungen (Auswahl) …

Jüttner, S. und andere; 2016 (WGF – Studie: Industrie 4.0 – Bedeutung für die Fügetechnik)

Schnick, M., Bergmann, J. P.; 2016 (KJELLBERG Finsterwalde, TU Ilmenau … zur Forschungsroadmap Industrie 4.0)

Göppert, J.; 2016 / 2017 (LORCH Schweißtechnik)

Löffler, K., Hengesbach, S.; 2016 (TRUMPF Lasertechnik)

(Purrio, M.; 2016; Promotionsvortrag ISF RWTH Aachen; Digitalisierung in der Schweißtechnik – Ist das schon Industrie 4.0?)


Industrie 4.0 – Schweißtechnik / Literatur

13.11.2018

Veröffentlichungen (Auswahl) …

Posch, G. und andere; 2017 (FRONIUS International White Paper: Industrie 4.0 in der Schweißtechnik)

Pitzer, J. P.; 2017 (CARL CLOOS Schweißtechnik)…

Middeldorf, K.; 2018 (conversio …)

Reisgen, U., Middeldorf, K. und andere; 2018 (ISF RWTH Aachen …)

Ivanov, B.; 2018 (EWM)

… … …



Kontaktrohr

Schmelzbad

Schutzgasdüse

U

I

Schutzgasversorgung

Energiequelle

(volldigitalisiert)

Werkstück

Lichtbogen

Multisensor

Kühlung

Drahtvorschubeinheit

Absaugungsanlage

Connected Safety

Smart CPS

Smart CPS

Smart CPS

Schweißbrenner

Smart CPS

Smart CPS

Dezentrale, smarte Prozesselemente / CPS (beim MSG – Schweißprozess)

Schweißdaten-

erfassungssyteme:

Cloos Qineo Data

Manager

Fronius Weldcube

EWM X Net

Lorch Q-Sys / Data

Kemppi WeldEye

ESAB Weldcloud /

Flowcloud / cloud

services

Linde Avanto

… …

Zusammenarbeit mit dem Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik ISF

Reisgen et al / RWTH Aachen

CPS Cyber Physische Systeme

Automatisierte schweißtechnische Fertigung / vernetzte schweißtechnische Fertigung

Der bisherige Regelkreis einer automatisierten schweißtechnischen Fertigung ist bekannt … (unter anderem Reisgen, U., Stein, L.; 2016)

Eine vernetzte (autonome) schweißtechnische Fertigung ist nicht einfach die Fortführung der Automatisierung …

Änderungen ergeben sich dadurch, dass im Schweißprozess smarte Bauteile, smarte Schweißbrenner, … smarte Laserstrahl - Bearbeitungsköpfe …, smarte Stromquellen, … smarte Roboter, smarte Messeinrichtungen (smarte Sensoren, smarte Aktoren) wirken (und zwar dezentral!) …

… solche dezentralen, smarten Prozesselemente wirken als CPS / cyber physische Systeme …

(Conversio, 2017)

13.11.2018 31

Automatisierung / Vernetzung (KPMG; 2016)


Ko

mp

lexitä

t

Technologien

Mechanische Baugruppen Mechanische Baugruppen Mechanische Baugruppen Mechanische Baugruppen

Elektronik Elektronik

Steuerungen

Elektronik

Informationstechnik

Kommunikationstechnik

Informationstechnik

interagiert mit physischen

Prozessen

Mechanisierung Elektronisierung Automatisierung

Cyber-physische

Systeme (CPS)

Mechanische

Systeme Mechatronische

Systeme Automatisierte

Systeme

Cyber-physische

Systeme CPS

Dezentrale, smarte Prozesselemente / CPS Aufbau von Cyber Physischen Systemen


Grafik © Platform Industrie 4.0 und ZVEI, Modell Verwaltungsschale ©ZVEI SG Modelle und Standards,

Piktogramm © Anna Salari, designed by freepik

Verwaltungs- Schale

Gegenstand

z.B. Maschine

I4.0 Kommunkation

Geschäftsprozesse

Funktionen

Daten

Kommunikation

Digitalisierung

RAMI 4.0

Dig

itale

Welt

Physische Dinge

Real

Verwaltungsschale ist der digitale

Anteil

Verwaltungsschale gibt jedem

Gegenstand:

eigene Identität

Selbstbeschreibung

Intelligenz

Kommunikationsmöglichkeit

Industrie 4.0 beim Metallschutzgasschweißen | DVS Congress | 17.09.2018

S. Mann | K. Middeldorf | R. Sharma | K. Willms | G. Buchholz

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen | Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik

Fußzeile anpassen

(maximal 3 Zeile!!!):

Zum Anpassen der

Fußzeile unter Karteireiter

Ansicht > auf

Folienmaster klicken.

Links in der Übersicht auf

die oberste Folie scrollen

und dort in die Fußzeile

klicken. So wird der Text

automatisch auf allen

Seiten angepasst.

34

Eigenschaften

• Prozesse durch Aktorik beeinflussen

• Daten durch Sensorik erfassen

• Verbunden durch digitale Netzwerk und Mensch-

Maschine Schnittstellen

Dezentrale, smart Prozesselemente / CPS / Aufbau von cyber physischen Systemen

CPS Schalenmodell

Software

Elektronik

Embedded System

Sensorik

Digitale

Netzwerk Schnittstelle

Mensch-

Maschine Schnittstelle

Aktorik

Dezentrale, smarte Prozesselemente / CPS Aufbau von cyber physischen Systemen

CPS sind existierende mechatronische Systeme (Stromquellen, Schweißbrenner, Sensoren, Aktoren, …) die ergänzt werden durch

• „dezentrale Intelligenz“

und durch

• „globale Kommunikationsmöglichkeit“.

Das heißt: diese CPS sind beliebig verkoppelbar und jederzeit wieder entkoppelbar … (und entfalten ihre Wirkung im Zusammenwirken mit anderen CPS … in Form von CPPS / cyber physischen Produktionssystemen)



Kontaktrohr

Schmelzbad

Schutzgasdüse

U

I

Schutzgasversorgung

Energiequelle

(volldigitalisiert)

Werkstück

Lichtbogen

Multisensor

Kühlung


Absaugungsanlage

Connected Safety

Smart CPS

Smart CPS

Smart CPS

Schweißbrenner

Smart CPS

Smart CPS


Schweißdaten-

erfassungssyteme:

Cloos Qineo Data

Manager

Fronius Weldcube

EWM X Net

Lorch Q-Sys / Data

Kemppi WeldEye

ESAB Weldcloud /

Flowcloud / cloud

services

Linde Avanto

… …






Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Vertikale und horizontale Integration (conversio; 2017)

13.11.2018 38

Vertikale

Integration

(Technologie)

Horizontale Integration (Geschäftsmodell)

Vernetzte Fertigung: optimale Verteilung der Funktionalitäten

Bauteile, Sensoren und Aktoren, Maschinen, Systeme, Roboter …

werden smart, sie besitzen eine dezentrale Intelligenz, werden dezentral gesteuert und können untereinander und mit der Umwelt und mit dem Menschen kommunizieren (agieren somit als cyber physische Systeme) …

… die dadurch generierten Daten ermöglichen neue Erkenntnisse (Data Analytics) und die Rückführung der Daten auf die verschiedenen Handlungsebenen der Fertigung ermöglicht eine neue Verteilung von Funktionalitäten (vertikale Integration).

(Bauernhansl, T.; 2017 / WGP; 2016 / conversio; 2016 / Drenth, R.; 2017)


Vernetzte Fertigung: optimale Verteilung der Wertschöpfungsbeiträge

Bauteile, Sensoren und Aktoren, Maschinen, Systeme, Roboter …

werden smart, sie besitzen eine dezentrale Intelligenz, werden dezentral gesteuert und können untereinander und mit der Umwelt und mit dem Menschen kommunizieren (agieren somit als cyber physische Systeme) …

… die dadurch generierten Daten ermöglichen durch eine horizontale Integration neue Geschäftsmodelle mit einer neuen Verteilung von Wertschöpfungsbeiträgen.

(Conversio; 2017 / Wildemann, H.; 2017 / Gausemeier, J., Wiesecke, J.; 2017 / Kaufmann, T., Forstner, L.; 2017 / FIR; 2015)

13.11.2018 40

Vertikale und horizontale Integration: Einsparpotentiale und Entwicklungspotentiale 1

13.11.2018 41

Kosten Effekte Potenziale

Bestandskosten Reduzierung Sicherheitsbestände

Ausgleich unterschiedlicher Bestellperioden

Optimierung der supply chain

30 bis 40%

Fertigungskosten Verbesserung Gesamtanlageneffektivität

Prozessregelkreise

Verbesserung Personalflexibilität

10 bis 30%

Logistikkosten Erhöhung Automatisierungsgrad 10 bis 30%

(Fraunhofer IPA ergänzt durch Fraunhofer IPT, in WGP; 2016) / (Schneider, R.; 2017)

Vertikale und horizontale Integration: Einsparpotentiale und Entwicklungspotentiale 2

13.11.2018 42

Kosten Effekte Potenziale

Komplexitätskosten Erweiterung Leistungsspannen

Reduktion trouble shooting

Prosumer Model

60 bis 70%

“Qualitätskosten” Everything as a Service (XaaS)

Echtzeitnahe Qualitätsregelkreise

10 bis 20%

Instandhaltungskosten Optimierung Lagerbestände Ersatzteile

Zustandsorientierte Wartung

Dynamische Priorisierungen

20 bis 30%

(Fraunhofer IPA ergänzt durch Fraunhofer IPT, in WGP; 2016) / (Schneider, R.; 2017)


13.11.2018 43

Vertikale

Integration

(Technologie)


Vertikale Integration klassische Automatisierungspyramide

13.11.2018 44

Schematischer Aufbau der Automatisierungspyramide mit Systemkomponenten

(oberhalb des eigentlichen Produktionsprozesses, das zu fertigende Bauteil spielt eine passive Rolle)

(Gorecky, D. und andere; 2017)

Vertikale Integration dezentrale, smarte Prozesselemente / CPS

13.11.2018 45

Digitales Produktgedächtnis

Das zu fertigende Bauteil wird zu einem smarten Bauteil, welches mittels eines digitalen Produktgedächtnisses seinen Produktionsprozess aktiv beeinflussen und bestenfalls vollkommen autonom steuern kann

(Gorecky, D. und andere; 2017)

Vertikale Integration Auflösung der Automatisierungspyramide


(Gorecky, D. u.a.; 2017) / (Kleinemeier, M.; 2017) / (Berger, C. u.a.; 2016)

Automatisierungspyramide

im Kontext von Industrie 4.0

/ Wirkung von dezentralen,

smarten Prozesselementen /

CPS / Übertragung von

Funktionen in eine Cloud




Fußzeile anpassen


Zum Anpassen der


Ansicht > auf







Seiten angepasst.

47

Stromquelle

Drahtkoffer Steuereinheit

Schweiß-

brenner

Roboter/

Schweißer Werkstück

Vertikale Integration / schweißtechnische Fertigung

… … …

Field Level

Control Level

Planning Level

Management Level

Production Processes

PLC

MES

ERP

… … …

ERP MES

PLC

Auflösung der Automatisierungspyramide

Stromquelle

Drahtkoffer Steuereinheit

Schweiß-

brenner

Roboter/

Schweißer Werkstück

Bild zuschneiden

unter:

- Format

- Zuschneiden

- Zuschneidewerkze

ug horizontal bis

zur ersten oder

zweiten Linie

ziehen

Vernetzte, digitalisierte, schweißtechnische Fertigung – Industrie 4.0 beim Metallschutzgasschweißen

U. Reisgen*, K. Middeldorf**, R. Sharma*, K. Willms*, G. Buchholz*** und S. Mann* *Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF), RWTH Aachen

**conversio change management ug

***FEF Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik GmbH




Fußzeile anpassen


Zum Anpassen der


Ansicht > auf







Seiten angepasst.

49

Anwendung von Industrie 4.0 – Autonomiefähiges Schweißfertigungssystem

Applikationsanforderung

Aktueller

Prozesszustand Schweißparameter

Pro

du

ktq

ua

litä

t

Prozessrand-

bedingungen

Prozessraum

Variation der

Prozessrandbedingungen

Sensoren Roboter/ Stromquelle

Schweißprozess

Schweißexpertenwissen

Industrie 4.0 | Maritime Technik | 26. April 2018

Klaus Middeldorf | Konrad Willms


Fußzeile anpassen


Zum Anpassen der


Ansicht > auf







Seiten angepasst.

50

Anwendung von Industrie 4.0 – Vertikale Integration des Schweißfertigungssystems

vorgelagerter

Prozess

Prozessebene

Planungsebene

Prozess-

informationen

Produktions-

qualität/-stabilität Produktions-

optimierung

Subsequent

Process nachgelagerter

Prozess

Prozess-

optimierung

Informationsverarbeitung

Analyse und Auswertung von Prozessinformationen zur Generierung von Bewertungskriterien (Schweißnahtqualität, Prozessstabilität)

Fernwartung/-diagnose

Anlagenbediener

Prozess-

Status

Störungs-

behebung

MES

ERP




Fußzeile anpassen


Zum Anpassen der


Ansicht > auf







Seiten angepasst.

51

Anwendung von Industrie 4.0 – Vernetzte Produktgüte in der schweißtechnischen Fertigung

Produktgüte

Prozesszustand Historie | Prädiktion

Modellbildung - Statistik - Empirie

Komponenten Prozessdaten Randbedingungen

Teilfunktion

Funktionsfähigkeit

Prozessgrößen

Wirtschaftlichkeit

Prozessklassifikation

Transient

Stationär

Drahtrolle Stahldraht, 1,2mm

X Betriebsstunden

Schweißspannung X Kurzschlüsse,

X Lichtbogenzeit,

Impulslichtbogen

Werkstück Werkstoff

Schweißposition

Qu

ell

e

Eig

en

sc

ha

ft

Beis

pie

l


Kontaktrohr

Schmelzbad

Schutzgasdüse

U

I

Schutzgasversorgung

Energiequelle

(volldigitalisiert)

Werkstück

Lichtbogen

Multisensor

Kühlung


Absaugungsanlage

Connected Safety

Smart CPS

Smart CPS

Smart CPS

Schweißbrenner

Smart CPS

Smart CPS


Schweißdaten-

erfassungssyteme:

Cloos Qineo Data

Manager

Fronius Weldcube

EWM X Net

Lorch Q-Sys / Data

Kemppi WeldEye

ESAB Weldcloud /

Flowcloud / cloud

services

Linde Avanto

… …





13.11.2018 53

Vertikale

Integration

(Technologie)


Horizontale Integration / Vernetzung entlang der Wertschöpfungskette

13.11.2018 54

(Schuh, G. und andere; 2017 / Kaufmann, Th., Forstner, L.; 2016)

Horizontale Integration / Vernetzung entlang der Wertschöpfungskette im Anlagenbau / Beispiel


Beschaffung Anlagenbau

Rohstoffe

Werkstoffe

Bauteile

….

Konstruktion

…

Vorfertigung

smarte Fabrik

Bauplanung

…

Betrieb

smarte

Dienstleistungen

Smarte Logistikketten

Horizontale Integration / Vernetzung / Wertschöpfungskette / Geschäftsmodelle

Grundelemente und Kernelemente Industrie 4.0 / vernetzte Fertigung / Geschäftsmodelle

Montage

smarte

Baustelle

Anlagenbetrieb

Horizontale Integration / Beschaffung

Neue Verteilung der Wertschöpfungsbeiträge / Beschaffung

• Nutzung von Einkaufsplattformen

• Optimierung von Fertigungs- und Lieferfenster

• Übergreifende Qualitätssicherung

• …

(Vergleiche unter anderem Kemppi Future Welding System: a holistic approach to the entire welding ecosystem; 2017)



Horizontale Integration / Anlagenbetrieb

Neue Verteilung der Wertschöpfungsbeiträge / Anlagenbetrieb

• Betreibermodelle

• Zustandsüberwachung / Betriebsdatenüberwachung / …

• Prozessanalytik …

• Instandhaltung / Wartung (predictive) / …

• Bauliche Veränderungen (Anweisungen, Dokumentationen, …)

• …




Horizontale Integration / weitere Partner (1)

• Technisch – Wissenschaftliche Einrichtungen (FDBR, DVS, …)

• Prüforganisationen (TÜV, …)

• Zertifizierungsorganisationen (TÜV, …)

• …

• Bildungseinrichtungen (SLV, …)

• …




Horizontale Integration / weitere Partner (2)

Durchgängige Verfügbarkeit von Regelwerken und Normen …

• Werkstoffinformationen …

• Fertigungsinformationen …

• Prüfinformationen …

• Abnahmeinformationen…

• Bauteilinformationen …

• Betriebsinformationen …






Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Digital Engineering

Durchgängiges digital Engineering bedeutet die digitale Abbildung eines kompletten physischen Produktes oder eines kompletten Fertigungsprozesses – in Form eines digitalen Schattens oder eines digitalen Zwillings

(Dombrowski, U. u.a.; 2017 / Schuh, G. u.a.; 2017 / WGP; 2016 / Siepmann, D.; 2016)

13.11.2018 61

Digital Engineering

Der digitale Schatten ist die Sammlung von Daten entlang aller wertschöpfenden Prozesse, er ist das hinreichend genaue Abbild des Fertigungsprozesses mit dem Zweck, eine echtzeitfähige Auswertungsbasis der relevanten Daten zu schaffen („Flugschreiber / Fertigungsschreiber“).

Der digitale Zwilling überführt den realen Fertigungsprozess in die virtuelle Welt und liefert darauf aufbauend durch ein Prozessmodell und durch Simulation ein möglichst identisches Abbild der Realität.

(Dombrowski, U. u.a.; 2017 / Schuh, G. u.a.; 2017 / WGP; 2016 / Siepmann, D.; 2016)

13.11.2018 62




Fußzeile anpassen


Zum Anpassen der


Ansicht > auf







Seiten angepasst.

63

Digital Engineering – Digitaler Schatten / Zwilling Hybrid

CAD-Data

Weld Quality

Design

Process Simulation

SimWeld®

Model

Berechnungszeit

Draht-Tropfen-Lichtbogen- Modell

Wärmefluss

Modell ~10%

F(t)

~75%

~15%

Schmelzbad-Schweißnaht

Modell



Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Data Analytics: Daten – Information - Wissen


(Brecher, C., Königs, M.; 2017 / Jodlbauer, H.; 2018 / Steinhaus, I.; 2016 / WGP; 2016)

Daten Information Wissen

Big Data, Advanced Analytics, Applikationswissen und Zielvorgaben

Vergangenheit verstehen, Ursachen erkennen, Entwicklungen vorhersagen und handeln

Kontext Erfahrung

• Entscheidung

• Anwendung

• Handeln

• Analysieren

• Kategorisieren

• Strukturieren

• Sinngebende Verknüpfung

Data Analytics / Digital Engineering

… Data Analytics: das Erkennen von Mustern, Zusammenhängen und Abhängigkeiten aus den gewonnenen Daten (unter Nutzung geeigneter Auswertealgorithmen) …

… Digital Engineering: der Aufbau eines digitalen Modells der Realität auf der Basis der gewonnenen Daten und die kontinuierliche Anreicherung des Modells durch Echtzeit – Informationen …

(Brecher, C., Königs, M.; 2017 / Jodlbauer, H.; 2018 / Steinhaus, I.; 2016 / WGP; 2016 / conversio; 2018)


Data Analytics / Digital Engineering aus „data lakes“ Erkenntnisse gewinnen, Daten sind schön, wichtig ist, was man daraus macht ...


(Graef, N.; 2016 / WGP; 2016 / Siepmann, D.; 2016 / Conversio, 2017)

Realer Prozess in Funktion Datenmanagement Systeme

Virtueller Prozess

Virtuelle Fabrik

Retrofit / Retooling

Ecosystem …

Simulationssysteme

Digitale Schatten

Digitale Zwillinge

CPS Funktionen

Intelligenz / Kommunikation

Unstrukturierte Daten …

Präsentation der Daten

……

mobile devices …

Handling der Daten

……

Beschreibung,

Bewertung, Nutzung

Mustererkennung …

Auswahl der geeigneten Datenquellen für vernetzte Fertigung …

Auswahl der geeigneten Auswertungstools …

Nutzung der Ergebnisse …

Data Analytics / Digital Engineering


(Manyika, J. C. et al.; 2011 in Jodlbauer, H.; 2018 / Schneider, R.; 2017 / Steinhaus, I.; 2016)

Bereich Einsparung Verbesserung

Forschung und Entwicklung 20-50% weniger

Entwicklungskosten

20-50% kürzere

Entwicklungszeit

Supply Chain Management 3-7 % weniger Working

Capital

bis zu 3 % höhere

Gewinnmarge, Verbesserung

Lieferservice

Produktion 10-50 % geringere

Fertigungs- und

Montagekosten

bis zu 10 % höhere

Ausbringung

After Sales-Service 10-40 % geringere

Servicekosten

bis zu 7 % höhere Umsätze

Potentiale in der produzierenden Industrie



Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Steuerung und Gestaltung durch Mitarbeiter

Aufgaben und Verantwortung der Mitarbeiter in einer vernetzten Fertigung – Steuerung und Gestaltung durch Mitarbeiter sind Kernelemente von Industrie 4.0!




Industrie 4.0 muss aktiv gestaltet werden! Entscheidungen sind nötig!

… ein ausschließliches Automatisierungsszenario ist möglich (Autonomie der Fertigung, …)

… ein aktives Expertenszenario ist möglich (Mitarbeiter einbeziehen, Schnittstellen Mensch - Maschinen öffnen, Assistenzsysteme installieren, Arbeitswelt 4.0 aufbauen, …)

Digital Leadership (der Schweißfachingenieure) stellt die Frage, welche Anteile Automatisierung / Experteneinsatz in einer schweißtechnischen, vernetzten Fertigung haben sollen … (und welche Erfahrungen aus einer vernetzten Fertigung auf die manuelle schweißtechnische Fertigung übertragen werden soll) …

(Petry, T.; 2016 / Jäger, W., Körner, P.; 2016 / Schomburg, F. u.a.; 2016 / Kühmayers, F.; 2015 / Niederhaus, E., Fuchs, H.; 2016 /

Schircks, A.D.; 2017 / conversio; 2017)


Automatisierungsszenario …

Expertenszenario …


(Vernim, S., Reinhart, G., Bengler, K.; 2017)

Automatisierungsszenario

Kontrolle und Steuerung der Fertigung durch Technik …

Cyber physikalische Systeme lenken den Mitarbeiter (Mitarbeiter vornehmlich ausführend tätig) …

Hochqualifizierte Fachkräfte für Installation, Modifikation und Wartung von cyber physikalischen Systemen …

…

(Bauer, W. u.a.; Fraunhofer IAO; 2017)


Expertenszenario

Mitarbeiter lenken die cyber physischen Systeme …

Cyber physikalische Systeme unterstützen Entscheidungen …

Weiterhin dominante Rolle der Werker (verstärkt informatorische, organisatorische und mechatronische Inhalte)

…

(Bauer, W. u.a.; Fraunhofer IAO; 2017)


Veränderungen in der Fertigung

Die Datenfülle und die Informationsdichte nehmen auf allen Funktions- und Qualifikationsstufen zu …

Daten können in Echtzeit als handlungsgenerierende Information an Mitarbeiter und Maschinen geschickt werden …

(conversio; 2017)


Veränderungen in der schweißtechnische Fertigung

Wie verändern sich in einer vernetzten schweißtechnischen Fertigung die Aufgaben und die Arbeit der Fachkräfte auf den verschiedenen Funktions- und Qualifikationsstufen?

Werker / Schweißer

Meister

Produktionsnahe Führungskräfte / Schweißaufsichtspersonen

(conversio; 2017)

13.11.2018 76

Veränderungen in der schweißtechnischen Fertigung

Konstrukteure

Produktionsplaner

Schweißaufsichtspersonal

On the shopfloor:

Schweißer

Maschinenbediener

Roboterführer

Interaktionen mit Automatisierungselementen / Robotern / Assistenzsystemen

13.11.2018 77

In der Instandhaltung und Wartung

Schweißgüteprüfpersonal

Werkstoffprüfer

Im Qualitätsmanagement

Leiter WPK …

Auditoren …

(conversio; 2017)

Aus- und Weiterbildung der Mitarbeiter

Vernetzt arbeiten, vernetzt lernen!

Weiterbildung muss da anknüpfen, wo die wirklichen Herausforderungen liegen … und muss die Grundlagen dafür legen, dass die Lernenden ihr (neues) Wissen auch in neuen Situationen, in anderen Kulturen und in veränderten Kontexten anwenden können …

Lebensbegleitendes Lernen ist keine Drohung, lebensbegleitendes Lernen ist eine positive Vision!


(conversio, 2016)

Digitalisierungsstrategien

Industrie 4.0 - Strategie

… sind voneinander abhängig!

Digitalisierungskonzept für Unternehmen


Trendsetter Digitale Experimentierer

Vorreiter Digitale Leader

Anfänger Analoge Skeptiker

Konservative Analoge Visionäre

Dig

ita

le F

äh

igk

eit

en

Transformationsfähigkeiten gering

hoch

hoch


Digitale Kundenereignisse

Digitale Produkte und

Dienstleistungen

Geschäftsmodelle

Digitale Prozesse und

Organisation

Nutzung von Daten

Transformationsfähigkeiten

Vision, Ziele, Strategien

Kultur, Leadership, Führung

Governance

Arbeitswelt 4.0

Kernkompetenzen,

Fähigkeiten,

IT – Fähigkeiten

(conversio; 2017 / Universität St. Gallen; 2016 / Schircks, A. D.; 2017)



Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Strategie Industrie 4.0 „Vertikale Integration“


Prozess- /

Produktoptimierung

Nutzung / Ausbau

Potentiale

Aufbruch zu neuen

Ufern Business as usual

Dig

itale

Fä

hig

ke

iten

/ I

nd

us

trie

4.0

Transformationsfähigkeiten / Industrie 4.0 gering

hoch

hoch


Vertikale Integration

Data Analytics

Digitale Engineering

Cyber physische Systeme

Cyber physische

Produktionssysteme

Neue Geschäftsmodelle …

Transformationsfähigkeiten /

Technik

Wettbewerbssituation

Kundensituation

Unternehmenssituation

Geschäftsmodell

Arbeitswelt 4.0

(conversio, 2017); (capgemini, 2013); (Kühmayer, 2016); (Crummenerl, 2016); (Merz, 2016); (Bauer, 2017)

Strategie Industrie 4.0 „Horizontale Integration“


Prozess- /

Produktoptimierung

Nutzung / Ausbau

Potentiale

Aufbruch zu neuen

Ufern Business as usual

Dig

itale

Fä

hig

ke

iten

/ I

nd

us

trie

4.0

Transformationsfähigkeiten / Industrie 4.0 gering

hoch

hoch



Nutzung von Plattformen

Einbindung von internen und

externen Partnern in die

Wertschöpfungskette

Hybride Produkte / zusätzliche

Produkte

Neue Geschäftsmodelle …

Transformationsfähigkeiten /

Geschäftsmodell

Wettbewerbssituation

Kundensituation

Unternehmenssituation

Geschäftsmodell

Arbeitswelt 4.0

(conversio, 2017); (capgemini, 2013); (Kühmayer, 2016); (Crummenerl, 2016); (Merz, 2016); (Bauer, 2017)

Zusammenfassung

Ein Blick voraus …



(nach Jodlbauer, H.; 2018 / FIR; 2015)

Prozess der Wertschöpfung (1)



Umsatzleistung



(Jodlbauer, H.; 2018 / FIR; 2015)

Digitale Transformation der Wertschöpfung (2)



Plus Umsatzleistung

Plus




Dezentrale, smarte

Prozesselemente

Cyber physische



Mensch-Maschine

Interaktionen


Digital Engineering






Zusammenfassung / Ein Blick voraus (1)

Industrie 4.0 bedeutet vernetzte schweißtechnische und schneidtechnische Fertigung unter Nutzung des Internet der Dinge und von Cloud computing und cloudbasierten Plattformen (Basiselemente) …

Zur Umsetzung von Industrie 4.0 benötigen Anwender der Schweißtechnik / Schneidtechnik eine überzeugende Digitalisierungsstrategie, parallel besteht die Möglichkeit, Kernelemente von Industrie 4.0 schnell und nutzbringend einzusetzen …

Smarte digitalisierte Stromquellen, smarte Elemente des Arbeitsschutzes und smarte Datenmanagementsysteme sind in der Anwendung (diese bilden den Kern für die weitere Umsetzung von Industrie 4.0 auf dem Weg zu einer vernetzten Fertigung) (Fachmesse Schweißen und Schneiden 2017 / Fachmesse Cutting World 2018 / Middeldorf, K.; 2018)



Zur pragmatischen Umsetzung einer vernetzten Fertigung im Sinne von Industrie 4.0 können die folgenden fünf Kernelemente verwendet werden:

Cyber physische Systeme / cyber physische Produktionssysteme

Vertikale und Horizontale Integration

Data Analytics

Digital Engineering

Steuerungsfunktion der Mitarbeiter

… unter Berücksichtigung von geeigneten Schnittstellen und von überzeugenden Maßnahmen der Datensicherheit und von Cyber Security …



Wer entwickelt digitalisierte Stromquellen zu cyber physischen Stromquellen weiter?

Wer entwickelt Schweißbrenner / Schneidbrenner zu cyber physischen Brennern?

Wer entwickelt Bauteile zu cyber physischen Bauteilen, und wer nutzt die Kommunikation zwischen cyber physischen Bauteilen und cyber physischen Schweißbrennern / Schneidbrennern, um eine vernetzte (autonome) schweißtechnische / schneidtechnische Fertigung aufzubauen?

Autonomiefähige, CPS - gestützte MSG – Schweißprozesse sind in der Entwicklung …

…



Auch die schweißtechnische / schneidtechnische Fertigung wird stärker durch Integration geprägt sein: durch eine vertikale und eine horizontale Integration können sowohl Funktionalitäten als auch Wertschöpfungsbeiträge anders als bisher gestaltet werden …

… condition monitoring und predictive maintenance sind gute Beispiele für neue Funktionalitäten …

… möglicherweise ist die in Zukunft entscheidende Fähigkeit eines Schweißbetriebes / Schneidbetriebes, horizontale Wertschöpfungsnetzwerke zu managen, bei denen (alle) Wertschöpfungspartner der Unternehmen (auch Bildungs-, Prüfungs- und Zertifizierungseinrichtungen) aktiv einbezogen werden …



Wer erweitert Datenmanagementsysteme um die Verarbeitung von nicht strukturierten Daten aus dem Ecosystem?

Wer verknüpft Data Analytics mit Digital Engineering?

…

…



Auch in einer vernetzten Fertigung bleiben die Mitarbeiter auf den verschiedenen Funktions- und Qualifikationsstufen handlungsbestimmend …

Unterschiedliche Assistenzsysteme kommen dabei zum Einsatz …

Erkenntnisse, Anwendungen und Erfahrungen in einer automatisierten / vernetzten Fertigung müssen kontinuierlich auf manuelle (Fertigungs-) Prozesse übertragen werden – dies gilt besonders für die Schweißtechnik …

…

…



Aus dem Einsatz der Basiselemente und der Kernelemente von Industrie 4.0 lassen sich in einer vernetzten Fertigung wirtschaftliche Effekte erreichen: sowohl was die Einsparung von Ressourcen als auch was die Entwicklung von Ressourcen und von neuen Geschäftsmodellen angeht …

…

…


Kontaktdaten

Strategieentwicklung, Digitalisierungsstrategien, Geschäftsmodellinnovationen

Umsetzung von Industrie 4.0 in Unternehmen

Dr. – Ing. Klaus Middeldorf

conversio change management ug

[email protected]

+ 49 171 71 00 325


mailto:[email protected]



Exkurs: Sicherheitsrisiken

… abstrahiert die wichtigsten Bedrohungen und Angriffs-möglichkeiten in Industrie 4.0 –Systemen … die Bedeutung von Datenqualität und Datensicherheit nimmt mit zunehmender Automatisierung und Vernetzung zu … aber: mehr Automatisierung und mehr Vernetzung kann mehr Datensicherheit bedeuten, wenn elaborierte und redundante Systeme verwendet werden …

(Eckert, R.; 2017 / Friederichs, N.; 2018)

13.11.2018 96


Exkurs: Sicherheitsrisiken

IT-System

Hacktivisten

Hacking inspiriert durch Ideologie

Motivation:

neue Loyalitäten – dynamisch,

unvorhersehbar

Auswirkungen:

öffentliche Wirkung, Reputationsverluste

Insider

Absichtlich oder unabsichtlich?

Motivation:

Unzufriedenheit, Neid, finanzieller Vorteil

Auswirkungen:

Betriebsstörungen,

Informationsdiebstahl,

Reputationsverluste

Organisiertes Verbrechen

Global, schwierig aufzuspüren und zu

belangen

Motivation:

finanzieller Vorteil

Auswirkungen:

Informationsdiebstahl

Nachrichtendienste

Spionage oder Sabotage?

Motivation:

politischer Vorteil, wirtschaftlicher

Vorteil, militärischer Vorteil

Auswirkungen:

Betriebsstörungen, Zerstörungen,

Informationsdiebstahl,

Reputationsverluste

Quelle: KPMG; 2016

schweißtechnik und schneidtechnik - ready for industrie 4 ... · industrie 4.0 – definition...

Documents