Fabrik 4.0: Die digitale Transformation der Fertigung

Bei der thyssenkrupp Materials Schweiz AG ermittelt und analysiert die IIoT-Plattform toii^® Basisdaten von 40 Fertigungsaggregaten – Grundlage für die Optimierung der Produktion.

Die Herausforderung für thyssenkrupp Materials IoT

Die thyssenkrupp Materials Schweiz AG beliefert Kund:innen im B2B-Bereich mit hochwertigen Metallen, darunter Werkzeugstahl, pulvermetallurgischer Stahl, Edelstahl rostfrei, Baustahl und zahlreiche Nichteisenmetalle. Neben dem reinen Vertrieb verfügt das Unternehmen über einen umfangreichen Maschinenpark mit vielfältigen Bearbeitungsmöglichkeiten. Die Kernkompetenz liegt in der spanenden Fertigung: Sägen, Fräsen, Schleifen, Tieflochbohren und 5-Achs-Bearbeitung. Produziert werden metallische Halbzeuge mit höchsten Qualitätsansprüchen, die in den Bereichen Additive Fertigung, Aerospace, Kunststoff-Spritzguss-Anwendungen, der Uhrenindustrie und der Medizintechnik eingesetzt werden.

Das hohe Qualitätsversprechen des Werkes erfordert eine durchgehende Maschinenüberwachung und eine schnelle Reaktion auf Zustandsänderungen. Eine Langzeitanalyse über die Produktivität einzelner Maschinen wurde bisher durch zeitintensive Aufzeichnungen und Auswertungen erstellt.

Um das Unternehmen fit für den Sprung in das Zeitalter der Industrie 4.0 zu machen, sollten die Prozesse digitalisiert werden. Auf diese Weise sollten Laufzeiten und Verfügbarkeiten aller Maschinen automatisch erfasst, transparent gemacht und die Fertigungsprozesse optimiert werden.

Bisher gab es innerhalb der thyssenkrupp Materials Schweiz diverse Insellösungen, welche zum Teil vom Maschinenhersteller abhängig waren. Mit toii können wir nun endlich sämtliche Aggregate online in Echtzeit vergleichen und auswerten.
Andreas Sutter
Betriebsleiter, thyssenkrupp Materials Schweiz AG

Das Lösungsdesign

Die Lösung erarbeiteten Spezialist:innen der thyssenkrupp Materials IoT gemeinsam mit Kolleg:innen der thyssenkrupp Materials Schweiz. Für die Erhebung und Zusammenführung der Maschinendaten wählten sie die von thyssenkrupp Materials IoT entwickelte IIoT-Plattform toii^®.

Der gesamte Maschinenpark wurde mit Hilfe von ebenfalls im Unternehmen entwickelten Modulen an die Industrial Internet of Things Plattform (IIoT) angeschlossen. Dabei ermitteln die Module den Zustand der jeweiligen Maschine und geben den Bericht in Form von digitalen Daten an toii^® weiter. Die IIoT-Plattform bereitet diese Basisdaten auf, analysiert sie und präsentiert die Ergebnisse übersichtlich auf einem Dashboard. Mögliche Zustandsänderungen werden frühzeitig erkannt, Stillstandszeiten verkürzt und die Produktivität der Maschinen gesteigert.

Die beiden hierfür notwendigen Module, toii^®.Lights und toii^®.Fusion, wurden in der ersten Ausbaustufe an die 40 Maschinen der thyssenkrupp Materials Schweiz angeschlossen. Die Produktionsanlagen stammen von verschiedenen Hersteller:innen und aus unterschiedlichen Baujahren. Manche werden manuell bedient, andere arbeiten vollautomatisch. Das Spektrum reicht von Sägen, Fräsen, Flachschleif- und Tieflochbohrmaschinen bis hin zu CNC-Bearbeitungszentren.

toii^®.Lights ist eine einfache und intelligente Nachrüstlösung für heterogene Maschinen ohne direkte Datenanbindung. Das System besteht aus einer Box mit Tasten und einer darüber angebrachten Signalampel. Nach dem elektrischen und netzwerkseitigen Anschluss des Moduls meldet es sich automatisch an der toii^®-Plattform an, sodass nach einer einfachen Konfiguration und Zuordnung zur Maschine das System sofort einsetzbar ist. Die Montage und Einrichtung einer Einheit dauert im Durchschnitt zwei Stunden und kann von einer Person vorgenommen werden.

Neben der Basisdatenerfassung (Maschine läuft/läuft nicht) wurden die Maschinen überdies mit einem Interface ausgestattet, über das der Produktionsmitarbeitende zusätzliche Daten direkt in die Datenbank der toii^®-Plattform eingeben kann. Dies sind insbesondere Stör- und Zustandsmeldungen. Die Maschinenzustände werden für eine bessere Übersichtlichkeit in der Produktion auch direkt über toii^®.Lights mithilfe einer Stapellampe an der Maschine angezeigt, so dass die Maschinenbedieer:innen mögliche Abweichungen sofort erkennen kann. Eine automatische Eskalation kann ebenfalls ermöglicht werden.

Die Erhebung und zentrale Speicherung von Maschinendaten bietet alleine noch keinen Mehrwert; es kommt darauf an, die Daten zu strukturieren, grafisch darzustellen und mit Hilfe von Big-Data-Analytics nach individuellen Anforderungen auszuwerten. Zu diesem Zweck werden sämtliche von den Maschinen erhobenen Datensätze im Modul toii^®.Fusion aufbereitet und auf kundenindividuellen Anzeigen dargestellt.

Neben der Echtzeitdarstellung der Maschinenzustände ist eine mögliche Variante ein Vergleich von Maschinenlaufzeiten. Sie dient heute bei der thyssenkrupp Materials Schweiz für die Produktionsteams als Grundlage zur Nachbesprechung der Produktionsschichten und zur Identifikation von Optimierungsmöglichkeiten im Rahmen der unternehmenseigenen Operational Excellence Initiative.

Der Kundennutzen

Der gesamte Maschinenpark der thyssenkrupp Materials Schweiz konnte an die digitale IIoT-Plattform toii^® angeschlossen werden. Allein durch die Automatisierung von Prozessen wurden Stillstandzeiten um mehr als 10 Prozent gesenkt. Die Bedienoberflächen von toii^® ermöglichen den Mitarbeiter:innen eine effiziente und ergonomische Bedienung. Handschriftliche Vorgänge auf Papier wurden aus den Prozessen eliminiert und durch digitale Daten ersetzt. Medienbrüche wurden vermieden und damit auch Fehler, wie sie beim Übertragen von handschriftlichen Notizen in digitale Dokumente auftreten können.

Seit der Inbetriebnahme fließen alle Informationen, die toii^® liefert, im Rahmen des Produktionsmanagements in die kontinuierliche Verbesserung der Produktionsabläufe ein. Technische Fehlerquellen werden erkannt und können effektiv beseitigt werden.

Durch die Aufzeichnungen, Auswertungen und die strukturierte Analyse der Maschinenzustände sind folgende Optimierungspotenziale entstanden:

Die Darstellung der Zustände auf einem Dashboard ermöglicht schnelle Reaktionen bei Ausfällen oder Störungen, um die Produktivität wiederherzustellen. So werden Produktionsstörungen, etwa durch fehlendes Material oder elektrische/mechanische Fehler an den Maschinen, direkt erkennbar. Das entsprechende Personal kann sofort benachrichtigt werden.

Mit Langzeitaufzeichnungen, also die Akkumulation von Maschinendaten, können einzelne Maschinen miteinander verglichen und darüber hinaus eine smarte Datenanalyse wiederkehrender Störungen dargestellt werden. Mit diesen Ergebnissen können Verbesserungsmaßnahmen geplant, umgesetzt und deren Erfolg bewertet und beziffert werden.

Der Auslastungsgrad der Maschinen wird sichtbar. Durch eine Optimierung der Auftrags- und Maschinenplanung kann hier eine Verbesserung der Effizienz erreicht werden – in Abhängigkeit von der Losgröße und dem Automatisierungsgrad der Maschine.

Mit dem steigenden Automatisierungsgrad und den resultierenden Optimierungen werden die Mitarbeiter:innen gezielter eingesetzt, sodass sie verstärkt für zusätzliche Produktivleistungen bereitstehen. Wiederkehrende Arbeitsunterbrechungen durch Störzeiten verringern sich signifikant.