Die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH liefert komplette Fertigungssysteme, doch durch die verketteten Anlagen steigt auch das unternehmerische Risiko. Deshalb setzt das Unternehmen auf Simulation: So lassen sich genauere Angebote erstellen und zugleich Zeit einsparen.
Branchen wie der Maschinenbau, die Automobilindustrie oder die Feinwerktechnik stehen im globalen Wettbewerb und müssen höchst produktiv sein, um sich zu behaupten. Mit den mehrspindligen Bearbeitungszentren der Schwäbischen Werkzeugmaschinen GmbH (SW) lassen sich präzise Komponenten hocheffizient fertigen. Verglichen mit vier Einspindlern überzeugen diese mit höherem Ausstoß bei geringerem Energieverbrauch und Platzbedarf. SW, die mit rund 1000 Mitarbeitern weltweit bereits 2018 einen Gruppenumsatz von 400 Mio. Euro erzielte, schlug einen konsequenten Weg vom Werkzeugmaschinenhersteller zum Lösungsanbieter für Fertigungssysteme ein: Durch das Zusammenspiel aller Produktionsschritte in einem mannarmen Betrieb mit maßgeschneiderter Automation erschließt das Unternehmen für seine Kunden weiteres Potenzial. Deshalb bestellen immer mehr Unternehmen komplette Fertigungssysteme. Solche Fertigungssysteme, in denen die Bearbeitungszentren von SW die spanenden Kernprozesse mit geringen Zykluszeiten ausführen, umfassen Prozessschritte wie Reinigen, Trocknen, Bearbeiten, Montieren und Dichtigkeitsprüfungen.
Die produktspezifischen Stationen werden kundenspezifisch ausgelegt und miteinander verkettet. Das richtige Zusammenspiel senkt den Personalaufwand beim Betreiber und reduziert die Fehlerkosten. Doch für SW steigt mit den anspruchsvollen Zielen der Kunden und der Größe der Projekte auch das unternehmerische Risiko.
Bereits in der Angebotsphase müssen Zykluszeiten und Ausbringungsmengen in Relation zum angebotenen Equipment zugesichert werden. Im Wettbewerb darf das Angebot nicht überdimensioniert werden, doch jede Einsparung kann sich auf die Zielerreichung und die Overall Equipment Effectiveness (OEE) auswirken. „Um treffsichere Angebote bei einem kalkulierbaren unternehmerischen Risiko abgeben zu können, haben wir erste Simulationsprojekte mit der TU München gestartet,“ berichtet Jochen Heinz, Director Industrial Data Services bei SW. „2017 folgte die Entscheidung, die Simulation im Hause aufzubauen.“
Von Anfang an wurde auf Tecnomatix Plant Simulation gesetzt, das zum Xcelerator-Portfolio, einem umfassenden und integrierten Angebot von Software und Services von Siemens Digital Industries Software gehört. „Tecnomatix war Nummer eins nach Marktverbreitung und wurde auch von unseren Kunden in der Automobilindustrie gefordert“, begründet Heinz die damalige Auswahl. „Wir haben eine perspektivische Entscheidung im Hinblick auf das gesamte Portfolio getroffen, das wir heute sehr erfolgreich einsetzen.“ Neben Plant Simulation gehören dazu der Line Designer zur Layoutplanung von Fabriken und Fertigungslinien, Process Simulate zu Überprüfung von Erreichbarkeiten und Kollisionsrisiken sowie zur virtuellen Inbetriebnahme.
„Uns war klar, dass wir für die eingesetzten Roboter ein herstellerunabhängiges Werkzeug benötigen, um die Layoutplanung auch in der Angebotsphase zu standardisieren“, erklärt Sven Makis, Geschäftsführer Vertrieb bei SW Automation. Bis 2017 fand die Layoutplanung ausschließlich in der 2D-Umgebung statt. Durch die Standardisierung der Automationsmodule und durch die neuen Möglichkeiten von Line Designer und Process Simulate wurde die Layoutplanung in der Angebotsphase aus der 2D Welt in die 3D Welt überführt. „Das bietet uns Durchgängigkeit, vom ersten Konzept im Line Designer bis zur Simulation der Erreichbarkeit und Taktzeit in Process Simulate“, sagt Sven Makis.
Daneben gibt es Installationen von Teamcenter für die Datenverwaltung und NX CAM zur Erstellung und Überprüfung von NC-Programmen. „Wir wollen die Digitalisierung des Unternehmens gemeinsam mit Siemens gestalten“, erklärt dazu Stefan Weber, Geschäftsführer Produktion und Technik bei SW.
Dr. Ayman Al Khateeb treibt seit Beginn die Anwendung von Tecnomatix Plant Simulation im Unternehmen voran. Zunächst wurden Szenarien in 2D entwickelt und simuliert. Die hocheffiziente Serienfertigung von Zylinderköpfen aus Aluminium, Stahl oder Titan, Getriebegehäusen, Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge, Impellerrädern für Turbolader oder Kompressoren für Klimaanlagen wird meist auf Kosten des Herstellers im Vorfeld validiert, um die Vorgaben der Kunden tatsächlich zu erreichen. „Hier gewinnen wir mit der Simulation die Sicherheit, dass wir hohe Anforderungen der Kunden so kosteneffizient wie möglich erfüllen können“, berichtet Dr. Al Khateeb. „Wenn unsere Automatisierungsexperten von einem Anlagenkonzept eines Kunden nicht überzeugt sind, können wir die Schwachstellen bei Zykluszeiten, Bottlenecks oder Be- und Entladestrategien überzeugend darstellen und unsere Entwicklungsstrategie vorstellen.“
Wenn vorhandene Anlagen auf neue Produktvarianten oder Modellreihen umgerüstet werden sollen, beauftragen die Kunden Machbarkeitsstudien und die Konzeptentwicklung als Dienstleistung. Dies gilt ebenso, wenn höhere Ausbringungsmengen als ursprünglich geplant, gefordert werden. Mit kleinsten Änderungen kann man große Wirkungen erreichen – eine Sekunde weniger Zykluszeit kann Tausend Teile mehr im Jahr bedeuten. „Mit einem gut aufgebauten Simulationsmodell erreichen wir zwischen fünf und zehn Prozent Produktivitätsgewinn“, erklärt Dr. Al Khateeb.
Um die Ergebnisse weiter zu verbessern und die wachsende Komplexität bewältigen zu können, entschied man sich 2019 zum Umstieg auf die 3D-Technologie. Mit Franciscus de Vries arbeitet seitdem ein weiterer Consultant an Projektierungen mit Plant Simulation und Line Designer. Dazu mussten zunächst umfangreiche Bibliotheken mit Standardkomponenten angelegt, CAD-Daten der eigenen Konstruktion und von Lieferanten wie Roboter-Anbietern übernommen werden.
Für einen Automobilzulieferer wurde eine Anlage mit zehn Bearbeitungszentren konzipiert: Roboter transportieren die Teile in eine Reinigungs- und Dichtprüfanlage, entnehmen sie und legen sie dann auf Paletten ab. Vier Varianten sollten auf einer oder allen Maschinen bearbeitet werden, die Steuerung erfolgt auf Bestellung nach dem Push-Prinzip. „Die Verteilung der Aufträge zur Aufrechterhaltung der Auslastung, die Auslegung von Puffern und die Programmierung der Portalroboter mit Einfach- oder Zweifachgreifern waren so komplex, dass man die Aufgabe ohne 3D-Simulationsmodell nicht mehr optimal lösen konnte“, so de Vries. „Am digitalen Zwilling erkennen wir genauer, mit welchen Parametern wir zu den gewünschten Ergebnissen kommen.“ So können Kollisionen der Roboter auf den Portalen ausgeschlossen werden. Aufgrund der Vorarbeiten hat das Pilotprojekt bei der Einführung rund zehn Monate gedauert. „Heute umfasst unsere Anwenderbibliothek ca. 60 bis 80 Prozent der standardisierten Anlagenteile“ erklärt Jochen Heinz. „Deshalb veranschlagen wir jetzt in der Regel für Projekte nur noch einen Monat.“
Der investierte Aufwand hat sich bereits durch die Einsparungen bei der Inbetriebnahme gerechnet. Früher wurde jede Anlage zunächst im eigenen Werk aufgebaut – bei großen Anlagen zumindest in Modulen.
„Die virtuelle Inbetriebnahme erlaubt es uns nicht nur, Risiken frühzeitiger zu identifizieren und die Zeit zur Inbetriebnahme bei Kunden vor Ort zu reduzieren, sondern sie ist auch der Schlüssel, um in einem Markt mit stetig schneller werdenden Projektdurchlaufzeiten und wachsenden Anforderungen an die Verfügbarkeit unserer Systeme, erfolgreich und kosteneffizient zu sein“, erklärt dazu Arne Graap, Geschäftsführer Produktion und Technik bei SW Automation.
Die Simulation hilft, Kollisionen bereits frühzeitig in der Engineeringphase zu erkennen und bildet gemeinsam mit der Offlinevorbereitung das Grundgerüst für die nachfolgende virtuelle Inbetriebnahme der Anlagen, ohne diese bereits in Stahl und Eisen aufgebaut zu haben. „Durch die virtuelle Inbetriebnahme der Anlagen sparen wir uns Tage bis Wochen an Zeit und Kosten im fünfstelligen Bereich“, berichtet Jochen Heinz. „Insgesamt konnten wir mit der Technologie von Siemens unsere Zeiten für Inbetriebnahmen um 30 Prozent senken, die Anforderungen unserer Kunden besser und schneller erfüllen und unser Risiko als Anlagenbauer verringern.“
* Matthias Heinicke, Siemens Digital Industries Software
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