Digitales Werkzeugmanagement: Einheitliche, kundenorientierte Lösungen für die moderne Fertigung

Der Fokus auf Digitalisierung in Design und Zerspanung hat die Bedeutung und Vorteile raffinierterer digitaler Werkzeugmanagement-Systeme (DTM) hervorgehoben. Während dies zu einem hohen Grad an Differenzierung und einiger Verwirrung bezüglich einer allgemein akzeptierten Systemdefinition geführt hat, resultierte es in der Entwicklung von Zielen und Fähigkeiten, die sowohl umfassender als auch kundenorientierter sind.

Während viele frühere Entwicklungen in der Fertigung, sowohl Hardware als auch Software betreffend, von Unternehmensrivalitäten unter Herstellern und Entwicklern geprägt waren, die den Prozess behinderten, waren Fortschritte bei Werkzeugmanagementsystemen weitaus kooperativer und damit schneller und effektiver.

Zu den Treibern der DTM-Entwicklung gehören: der Bedarf an Werkzeugmanagement in automatisierten Systemen und zunehmend in der kleinserigen, komplexen Teilefertigung auf Jobshop-Ebene; die Etablierung von Standards wie ISO 13399; Kooperationsprogramme wie MTConnect und mehrere Unterprogramme unter dem Dach von Industry 4.0; und Kundenbedarf nach Systemen, die größere Effizienz, mehr Flexibilität und, wenn nötig, Mehrlieferantenbeziehungen bieten.

Derzeit reichen Systemangebote von einzelnen Modulen mit begrenzten Funktionen bis hin zu Gesamtpaketen, die von der CAM-Station bis zum Shopfloor reichen. Corsin Buerer, Start-up Lead, Manufacturing Data Management bei Siemens PLM Software (Plano, TX), sagte: „Wir sehen DTM als Schlüsselkomponente des Gesamteinformationssystems, einschließlich Software zur Organisation der verschiedenen Aspekte der Werkzeuganforderungen, der Fähigkeit, die Bedürfnisse der Automatisierung zu erfüllen, und der Kapazität, Werkzeuge in die CAM-Funktion zu integrieren. Natürlich müssen wir aufgrund der Bandbreite der Kunden, die wir bedienen, eine breite Auswahl an Konfigurationen anbieten können, die sich an individuelle Herstellerbedürfnisse anpassen.“

Alexander Zoller, Präsident von Zoller Inc. (Ann Arbor, MI), visualisiert das DTM-System als „digitalen Zwilling“ für alle relevanten Fertigungsprozesse. „Unser System umfasst eine digitale Zwilling-Werkzeugbibliothek sowie vollständige Bearbeitungs-/Werkzeug-Funktionsinformationen, die die Maschine, den Werkzeughalter, die Werkzeugspezifikation, Geometrie und alle anderen Daten umfassen, die während des Prozesses benötigt werden. Informationen müssen für alle verfügbar sein, vom CAM-Programmierer bis zum Produktionsmanagement.“

Bei der Bewertung der Funktionen, die für neue DTM-Systeme entscheidend sein werden, nimmt Jeff Rizzie, Director, Digital Machining Sales, Americas, für Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ), eine breite Perspektive ein. „Während viele Hersteller typischerweise mit einem einfachen Min/Max-System zur Werkzeugnachbestellung beginnen, sehen wir die Entwicklung von Vollfunktionssystemen als essenziell für die Zukunft. Beim Aufbau dieser Systeme ist unser Hauptziel, bessere Wege anzubieten, Daten basierend darauf bereitzustellen, wie diese Informationen vom Kunden konsumiert werden.“

Kundensensibilität ist kritisch für den Prozess. „Unsere Angebote umfassen die vollständige Integration aller Informationen und Prozesse, die mit dem Fertigungsprozess verbunden sind“, sagte Gregg Bigleman, Director, North America, für TDM Systems (Schaumburg, IL). „Dies wird es Unternehmen ermöglichen, leichter zu intelligenter, digital vernetzter Produktion überzugehen. Das kritische Element ist, dass alles aus einer einzigen Quelldatenbank kommt.“

Die Verfügbarkeit von Werkzeugdaten wird ebenfalls als essenziell angesehen von Tyler Martin, STEP Technician bei Seco Tools LLC (Troy, MI). „Die einfache Verfügbarkeit von Daten ist kritisch. Wir stellen unsere Werkzeuginformationen über Module bereit, die aus der Cloud heruntergeladen werden können. Unsere Konformität mit ISO 13399 versichert Kunden, dass die korrekten Informationen da sind, wenn sie sie brauchen, und leicht verständlich sind.“

Walter AG (Tübingen, Deutschland) war ein früher Verfechter von Werkzeugmanagementsystemen und bietet heute Full-Service-Fähigkeit für größere Kunden. Florian Böpple, Manager Digital Manufacturing, kommentierte: „Unsere frühen Bemühungen im Werkzeugmanagement umfassten Automaten. Heute ermöglichen uns unsere Logistiksysteme, mit einem Unternehmen zu partnerschaften, indem wir ein Gesamtpaket integrieren, das es ihnen ermöglicht, die Werkzeugmanagement-Funktion auszulagern. Im höchsten Ausbaustufe stellen wir Vollzeitpersonal beim Kunden und kaufen alle Werkzeuge – sogar einige von Wettbewerbern. Wir kümmern uns um Voreinstellung, technischen Betrieb und Optimierung an Maschinen. Dies ermöglicht dem Hersteller, sich auf sein Kerngeschäft zu konzentrieren und das Werkzeugmanagement in die Hände von Profis zu legen.“

Als Antwortvehikel wird sich DTM so entwickeln, dass es Fortschritte in der Fertigung und die Vision der beteiligten Werkzeugunternehmen kombiniert. Wie Alexander Zoller prägnant sagte: „Funktional wird es jedes Jahr ein neues System geben.“

TDM Systems' Bigleman betonte die Notwendigkeit, „mehrere Standorte weltweit zu verbinden“, was laufende Effizienzen bieten wird. Bei Siemens betonte Buerer, Senior Product Marketing Manager, die logische Weiterentwicklung von DTM von seinen Anfängen: „Wir sind von der Entwicklung einer digitalen Werkzeugbibliothek zu Systemen übergegangen, die dem physischen Werkzeugmanagement gewidmet sind. Dies würde sowohl den Standort jedes Werkzeugs im Fertigungsprozess als auch Werkzeuge im Lager umfassen, da dies kontinuierliche Herausforderungen in einer laufenden Produktionsumgebung darstellt.“

Rizzie von Sandvik Coromant zitierte auch den Pfad der Systementwicklung. „Historisch basierten Werkzeugmanagementsysteme auf statischen Berechnungen von Werkzeugbeständen und entsprechenden Updates. In der modernen Umgebung ist dies obsolet, und wir müssen zu dynamischem Trending aus Echtzeitdaten übergehen, einschließlich On-Machine-Status. Im Effekt bewegen wir uns von diskreten zu interaktiven Systemen.“

Walter arbeitet an einem Multi-Channel-Konzept durch den Einsatz von Werkzeugmanagement-„Cockpits“. Böpple erklärte: „Ein Cockpit wird einen Bericht für das Management über Ökonomien über Zeit erstellen, um definitive Einsparungen im Gesamtprozess zu definieren, indem eine Leistungsbasislinie etabliert wird. Klar, es liegt nicht am Kunden, die logistischen Werkzeugdaten zu kennen. Indem wir unsere Expertise einbringen, können wir bedeutungsvollere und effektivere Informationen liefern, besonders wenn es um den Bearbeitungsprozess geht. Ein weiteres Cockpit wird uns bei Walter die Leistungsdaten liefern, die es uns ermöglichen, die Werkzeugleistung zu verbessern.“

Kundeninputs und -forderungen

Signifikante Faktoren bei der Verbesserung digitaler Werkzeugmanagementsysteme sind Kundeninputs und -forderungen. Die Synthese aus Kundenbedürfnissen und Werkzeugherstellererfahrung erweist sich als vielleicht der bedeutendste Beitrag zur Erweiterung der standardmäßigeren Fähigkeiten von DTM-Systemen.

Martin von Seco Tools zitierte die Anfrage nach verbesserten Werkzeugdatenbibliotheken, anwendbar auf CAM-Systeme. „CAM-Fähigkeit wird absolut notwendig sein, damit Werkzeugmanagementsysteme ihr volles Potenzial entfalten.“

Zoller sagte: „Kunden beginnen damit, das große Ganze zu betrachten, dann bitten sie uns, mit ihnen spezifische Lösungen zu entwickeln. Beispielsweise gibt es allgemein eine wahrgenommene Zeitverschwendung bei der Suche nach bestimmten Werkzeugen. Durch Einführung angemessener Kontrollen können wir dieses Problem lösen. Wir sehen auch andere Anfragen für 3D-Anwendungen sowie mobile Fähigkeiten, die per Handy und Tablet kommunizieren können.“

Der neue Kunde, der eine DTM-Installation in Betracht zieht, bringt mehrere Forderungen mit, die auf verschiedene Weise beantwortet werden können. Bigleman von TDM Systems sagte: „Kunden heute suchen immer danach, ihren Fertigungsprozess weiter in DTM-Systeme zu integrieren. Daher kann der potenzielle Neukunde die digitale Fertigungsumgebung an jedem Punkt im Prozess durch einfache ‚Bolt-on‘-Erweiterungen betreten. Einmal die ersten Schritte getan, ist es möglich, stromaufwärts oder stromabwärts zu erweitern, ohne Daten oder Effizienz zu verlieren.“

Rizzie stimmte zu. „Bei Sandvik Coromant schauen wir auf eine Starter-Plattform, die die Verbindung zusätzlicher Anwendungen ermöglicht. In diesem Kontext ist es jedoch notwendig, dass der Anbieter die Art und Weise nachweist, in der jede neue Anwendung zum Wertstrom beiträgt.“

Während die initiale Entwicklungsphase von DTM weitgehend das Gebiet großer OEMs und entsprechend großer Werkzeughersteller war, wird die Branche同样 von einer Vielzahl kleinerer Werkzeugunternehmen bevölkert, von denen viele sowohl Vertriebs- als auch Beratungsbeziehungen zu Endanwendern pflegen, besonders Jobshops und kleinere Hersteller. Der Trend zur Digitalisierung wirft unweigerlich die Frage auf, was mit diesen Ressourcen geschehen wird.

Walters Böpple sieht ein kommendes „Aussieben“ aufgrund von Standardisierung ebenso wie DTM. „Es gab einen anhaltenden Kampf zwischen Low-Level-Lieferanten und Premium-Lieferanten. Die am unteren Ende sind nicht wirklich motiviert, in Systeme in irgendeiner Kapazität einzusteigen. Ihre größte Bedrohung kommt davon, dass Werkzeuge, besonders auf Commodity-Ebene, immer ähnlicher werden.“

Zoller sieht einen Platz für kleinere Unternehmen, sofern sie Schlüsselforderungen erfüllen. „Die kleineren Unternehmen müssen effizienter werden. Wir sehen eine Chance für sie, die kleinere Kundenbasis in Partnerschaft mit Firmen wie uns abzudecken. Tatsächlich füllen sie unseren Katalog und unsere Datenbank.“

Eine Reihe von Dienstleistungsunternehmen, die die Lücke zwischen größeren DTM-Anbietern und kleinen Werkzeugherstellern füllen, wird wahrscheinlich ebenfalls zunehmen. Laut Buerer: „Unternehmen, die ernsthaft daran interessiert sind, ihre Position zu halten und sogar zu wachsen, werden in der Lage sein, Lieferanten zu nutzen, die ihre Daten erweitern können. Zusätzlich werden kleine Hersteller, die sich auf bestimmte Werkzeugdisziplinen spezialisieren, wie Gewindefräsen, auch eine Nische finden und den zusätzlichen Vorteil haben, mit größeren Unternehmen, die DTM anbieten, zu partnerschaften.“

Ein signifikanter Faktor für das Überleben und Wachstum kleinerer Hersteller wird von Martin zitiert. „Diese Unternehmen können nicht nur auf bestehende Systeme in Form von Partnerschaften aufsetzen, sondern dank der Cloud wird ihre Servicefähigkeit erweitert und effizienter.“

Weitere Unterstützung für kleinere Werkzeuglieferanten kommt in Form von Open-Plattform-Strategien, die von mehreren großen Spielern integriert wurden. „Wir sind ‚markenagnostisch‘“, sagte Rizzie. „Jedes Werkzeug kann sich in unser System einbinden. Ich denke, alle Majors werden schließlich feststellen, dass dies der Fall ist, dank solcher Gesamtprogramme wie ISO 13399 und MTConnect.“

Die Führungsrolle im DTM, die von großen Werkzeugherstellern und ihren Kunden sowie ihren unterschiedlichen Betriebsphilosophien und Features gezeigt wird, wirft die Frage der Skalierbarkeit auf. Der Umfang, in dem umfassendere Systeme auf kompaktere Konfigurationen bearbeitet oder modularisiert werden können, hängt weitgehend von ihren inhärenten Zielen und der ursprünglichen Entwicklung ab.

Böpple merkte den hohen Grad der Differenzierung an. „Die effektivsten DTM-Systeme sind per Definition umfassend und als solche für kleinere Unternehmen weniger verfügbar. Dies wird so lange der Fall bleiben, wie große Unternehmen Systeme wollen, die sofortige Implementierung ermöglichen und nicht nur einen umfangreichen Blueprint, sondern möglicherweise auch wesentliche Modifikationen erfordern. Kleinere Unternehmen können Module stückweise implementieren, aber ehrlich gesagt ist das kein ganzheitliches System.“

Martin prognostiziert, dass „mit zunehmender Standardisierung von Protokollen mehr Aspekte von DTM für kleinere Betriebe verfügbar werden.“ Die Tatsache, dass Seco Tools' System als Kombination mehrerer Komponenten aus einer umfangreichen und diversifizierten Werkzeugbibliothek entstand, macht die Systeme, in Buerers Worten, „sehr skalierbar.“

Bedarf an einem langfristigen Plan

Bigleman zitierte die Wichtigkeit eines langfristigen Plans bei der Entwicklung jedes Systems. „Jeder unserer Vorschläge wird spezifisch für den individuellen Kunden basierend auf deren Bedürfnissen entwickelt. Er kann einfach beginnen und einen phasenweisen Implementierungsplan haben oder einen Gesamtansatz von Anfang an beinhalten.“

Rizzie verfolgt einen anderen Ansatz und sieht einen flexiblen, mehrstufigen Pfad, wobei kleine bis mittlere DTM-Pakete mit standardisierten Komponenten verfügbar sein werden, um die Bedürfnisse kleinerer Betriebe zu erfüllen.

Eine wachsende Vielfalt an Systemen, Modulen und Ansätzen wirft ebenfalls die Frage der Implementierung auf, die ein entscheidender Faktor bei der Kaufentscheidung eines Kunden sein kann. Böpple zitierte die Wichtigkeit umfassender Planung für DTM-Erfolg. „Wir raten unseren Kunden, sich vorzustellen, wo sie hinwollen – und das geht weit über Werkzeugmanagement hinaus. Vom Gesamtplan leiten wir eine Strategie ab, wählen dann die besten Partner aus und implementieren die Lösung. Wir warnen unsere Kunden davor, Angst vor Veränderungen zu haben oder von übermäßigen Daten überwältigt zu werden. Ergebnisse sind unendlich vorzuziehen vor Verwirrung.“

Martin empfiehlt, das gesamte System auf einmal zu integrieren: „Das macht nicht nur aus operativer, sondern auch aus finanzieller Sicht Sinn. Durch die Wahl einer einmaligen Kosten vermeidet der Kunde unvorhergesehene Zusätze und Extras.“

„Ein vorsichtiger Ansatz bezüglich starker interner Beteiligung seitens des Kunden ist zwingend“, sagte Zoller. „Es ist am wichtigsten, ein Team aufzustellen. Das spart nicht nur Zeit, sondern ermöglicht den Personen, die mit den Prozessen am vertrautesten sind, einen internen Blick. Dann Schlüsselbereiche priorisieren und in Stufen implementieren.“

Buerer plädiert für einen Paradigmenwechsel für große Unternehmen und eine „Start und dann erweitern“-Strategie für kleinere. „Der Erfolg eines großen Systems hängt stark von Vorbereitung und Training ab, und Menschen finden es viel logischer, das gesamte Konzept auf einmal zu erfassen. Wo dies finanziell oder operativ nicht möglich ist, empfehlen wir, mit einer bestimmten Abteilung oder einem Satz von Maschinen zu beginnen, das System kennenzulernen und das gewünschte Endergebnis zu definieren, und dann von dort aus zu expandieren.“

Einfluss von Industry 4.0

Es ist klar, dass Industry 4.0-Initiativen eine primäre treibende Kraft hinter der Einführung von DTM sind. Die Geschwindigkeit und der Umfang, mit der es implementiert wird, variieren je nach Dringlichkeit des Nutzers, den Protokollen zu entsprechen.

Wenn es um Expansion geht, sieht Buerer die Notwendigkeit für Systeme, die über das reine Werkzeugmanagement hinausgehen. „Wenn Unternehmen ihre Automatisierungsfähigkeit erhöhen wollen, müssen sie die Notwendigkeit von DTM abonnieren. Weiterhin dürfen die digitalen Systeme nicht bei Werkzeugen aufhören, sondern müssen auch Vorrichtungs- und Lehrenmanagement umfassen.“

Zoller sieht DTM als „exakt passend in 4.0-Initiativen. Der einzige effektive Weg, alle Ressourcen zu nutzen, ist durch ein gemeinsames System. Dies fördert die Effizienz, die sich positiv auf die Bilanz auswirkt – Ausgaben treiben den Werkzeugraum von heute an, und wir bewegen uns in Richtung eines vollständig automatisierten robotischen Werkzeugraums.“

Laut Martin: „Das voll digitalisierte Fertigungssystem muss zwangsläufig ganzheitlich sein. DTM ist ein kritischer Teil des Mixes. Abonnenten sind ernsthaft über Industry 4.0.“

Rizzie bemerkte: „Im Herzen von Industry 4.0 steht das Konzept der Konnektivität. Werkzeugmanagement muss vernetzt sein, um die dynamischen Daten bereitzustellen, die alles von optimierten Zyklen bis zur Werkzeugstandzeit aufzeichnen und letztlich beeinflussen werden.“

Obwohl es allgemeine Einigkeit über die Notwendigkeit von DTM gibt, führen die unterschiedlichen Interpretationen, wie solche Systeme konstruiert und implementiert werden sollten und was sie umfassen sollten, natürlich zu einer Visualisierung, wo solche Protokolle in der nahen bis mittelfristigen Zukunft stehen werden. Ein weiterer Faktor betrifft die Art und Weise, wie das System neue und nicht-traditionelle Methoden, Materialien und Technologien umfassen oder sich anpassen wird.

Bigleman sieht eine Revolution in der Kommunikation voraus: „Kurzfristig kann es keine ‚Silos‘ mehr geben. Kommunikation muss klar sein, und die Industrie muss die Idee transparenter Kommunikation in allen Prozessen, Systemen und Abteilungen umarmen. Wenn neue Technologien entstehen, werden Anbieter die Software und Hardware entwickeln, die sie alle verbindet.“

Zoller sieht „eine fortgesetzte Entwicklung von DTM-Systemen, die neue Materialien und Technologien natürlich umarmen werden, besonders im Zusammenhang mit der Fähigkeit von Kunden, ihre eigenen Werkzeuge herzustellen.“

Böpple glaubt, dass kurzfristige Führung in Industry 4.0 in der Metallbearbeitungsindustrie von größeren OEMs und Werkzeugunternehmen kommen und auf Werkzeugoptimierung als primärem Ziel abzielen wird. „Der Werkzeughersteller muss im Prozessfluss unterstützen, von CAM, Planung, Beschaffung und Anwendung. Dies wird es einfacher machen, das beste Werkzeug effizienter zu finden – selbst wenn dies eine globale Produktsuche erfordert, wie wir sie durch GPS bereitstellen.“

Was neue Technologien betrifft, sieht er mehr Druck von Werkstücken, besonders in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, mit Schwerpunkt auf geringerem Gewicht und verbesserter Metallstruktur. Konventionelle Werkzeuge werden jedoch weiterhin benötigt.

„Da einige Kunden die Fähigkeit entwickeln, ihre eigenen Halbfertigwerkstücke herzustellen, müssen sie gleichzeitig bestimmen, welche Methoden und Werkzeuge im Finishing-Prozess verwendet werden“, sagte Böpple. „Für die meisten Kunden wird das auch für den Schrupprozess gelten, besonders da die Komplexität der Bearbeitung aufgrund neuer Materialien und Legierungen weiter zunimmt. Eine solche Aufgabe erfordert umfangreiche Erfahrung und Wissen, und da viele Experten das Rentenalter erreichen, wird es entscheidend sein, neue Leute auszubilden.“

Laut Buerer: „Kurzfristig werden DTM-Systeme aufgerufen sein, mehr 3D-Daten sowie Simulationsfähigkeiten bereitzustellen. Ein Großteil der 3D-Daten muss von Werkzeugherstellern kommen, die mit Kunden zusammenarbeiten, um Vorschübe und Drehzahlen zu optimieren, Bestände zu minimieren und die Tür für besseres Feedback von Werkzeugen und Bearbeitungsprozessen zu öffnen.“

Eine verstärkte Betonung auf schnelle Datenerstellung und/oder -abfrage ist entscheidend, laut Martin. Was neue Technologien betrifft, glaubt er, dass „da der Einstiegspreis sehr hoch ist, die Integration fortschrittlicher additiver Fertigung für die meisten Kunden nicht wirtschaftlich machbar sein wird. Angesichts der erforderlichen Inputs in Hardware, Software und Personal wäre die Entwicklung hochspezialisierter Werkzeuge am besten in Partnerschaft mit Werkzeugherstellern aufgehoben.“

Rizzie beobachtete, dass Konnektivität auf allen Ebenen der Hauptantrieb von DTM in der nahen bis mittelfristigen Zukunft sein wird. „Beschleunigte Konnektivität wird in einer Reihe von Fällen den Bedarf an spezialisierten Werkzeugen definieren, die in einigen Fällen Druck erfordern. Der entscheidende Faktor hier betrifft die Entwicklung von Materialien, die die besten Ergebnisse liefern können.“

Die vielen divergierenden Richtungen im DTM zeigen, dass starre Protokolle unangemessen sind. In einer dynamischen Fertigungsumgebung, die durch revolutionäre Designs, neue und in einigen Fällen maßgeschneiderte Materialien sowie Methoden und Maschinen gekennzeichnet ist, die vor kurzer Zeit noch unvorstellbar waren, hat sich die traditionelle Definition von „Werkzeug“ erweitert. Ebenso erfordert die optimierte Nutzung aller Inputs und Assets in der Fertigung Systeme, die sowohl interaktive als auch diskrete Funktionen aufnehmen können. Wie Rizzie beobachtete: „Mit Digitalisierung bewegen wir uns von Stammeswissen zu Systemwissen.“

Obwohl ein wachsendes Segment der Fertigungsgemeinschaft die Notwendigkeit und Unvermeidlichkeit von DTM-Systemen anerkennt, variiert das Verständnis stark, wie diese Protokolle definiert, implementiert und letztlich genutzt werden. Während Standards einschließlich ISO 13399, Industry 4.0 und MTConnect zu einem gewissen Grad Struktur beigetragen haben, wird weiterhin viel darüber diskutiert, was das System umfassen sollte (nur Werkzeuge oder Werkzeuge, Vorrichtungen und Hilfsausrüstung), wer für das laufende Management des Systems verantwortlich sein sollte (Betriebspersonal vs. Werkzeughersteller/Lieferanten), wie weit DTM funktional reichen und welche Abteilungen einbezogen werden sollten (Fertigungsbetrieb, Finanzen, Management), und wie sich das System von der Implementierung in die Zukunft entwickeln sollte.

Was einst als raffiniertere Version des Werkzeugraums vorgestellt werden konnte, wird durch die rasante Beschleunigung in der Entwicklung von Fertigungstechnologien und die Herausforderung völlig neuer Alternativen, einschließlich additiver Fertigung und Nanotechnologie, die die Definition dessen, was ein Werkzeug ausmacht, verwischen, weiter verkompliziert.

Aus den vielen Strängen dieser disruptiven Technologie scheint es, als würden DTM-Systeme notwendigerweise hochgradig angepasst und kontinuierlich weiterentwickelt sein, basierend auf Faktoren einschließlich der Art von Teilen und Materialien, dem Grad der Automatisierung und den gewünschten Ergebnissen. Klar ist, dass Modularisierung weiterhin eine große Rolle spielen wird.