Maschinenleistung durch Echtzeit-Monitoring steigern

Ein Plan zur Erhaltung und Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit jeder Maschine auf dem Shopfloor ist für Fertigungsabläufe unerlässlich. Zuverlässige Maschinen machen kurzfristige Produktionsläufe möglich. Und je flexibler Hersteller sind, desto mehr neue Kunden werden sie gewinnen.

Das Fundament der effektivsten Strategien für höhere Shopfloor-Produktivität beginnt mit Echtzeit-Monitoring. Ein kontextreicher, Echtzeit-Datenstrom von jeder Maschine auf dem Shopfloor ist unschätzbar wertvoll, um jeden Produktionslauf zu verbessern und Design-to-Manufacturing sein volles Potenzial zu entfalten. Dieser Artikel untersucht:

• die Rolle des Echtzeit-Monitorings bei der Definition der Baseline-Leistung einer Maschine,
• wie Echtzeit-Monitoring Design-to-Manufacturing (DTM)-Strategien zum Erfolg verhilft,
• die Vorteile der Nutzung von Echtzeit-Monitoring zur Feinabstimmung Ihres Maschinen-Fitnessplans,
• wie Sie bei der Vorbereitung eines Maschinen-Fitnessplans starten, und
• Strategien zur Ausrichtung der Maschinen auf einen agilen Design-to-Manufacturing-Prozess.

Baseline-Leistung definieren

Starke Fitnesspläne, die dauerhafte Veränderungen bewirken, beginnen mit einer echten Leistungsbasis – das gilt für jemanden, der mit Sport anfängt, genauso wie für Maschinen auf dem Shopfloor. Um Fitnesspläne für ihre Maschinen zu erstellen, die Ergebnisse liefern, verlassen sich Hersteller auf Echtzeit-Monitoring für die benötigten Basisdaten. Indem sie Echtzeit-Monitoring zu einem integralen Bestandteil jedes Produktionslaufs machen, etablieren sie dauerhafte Verbesserungen als neuen Normalzustand.

Zwei aktuelle Umfragen von Decision Analyst in Zusammenarbeit mit IQMS/Dassault Systèmes zeigen, wie Hersteller heute auf Echtzeit-Monitoring setzen, um die Shopfloor-Produktivität zu verbessern – einschließlich der Etablierung von Maschinenleistungs-Baselines als Grundlage für individuelle Maschinen-Fitnesspläne.

Besonders aufschlussreich: Decision Analysts Umfrage unter 150 nordamerikanischen Herstellern 2019 ergab, dass 82 % der befragten Fertigungsunternehmen oberste Priorität auf die Aufrüstung bestehender Maschinen oder den Kauf neuer Maschinen legen, um Einblicke aus Echtzeit-Monitoring zu gewinnen. Diese Unternehmen ersetzen voll abgeschriebene Produktionsmaschinen durch hochmoderne intelligente, vernetzte Maschinen, die ihren Zustand selbst diagnostizieren und Probleme melden können – und so die Echtzeitdaten im Kontext ihrer Betriebsbedingungen liefern, die für die Feinabstimmung von Fitnessplänen unschätzbar sind. Zudem investieren 38 % der befragten Hersteller in Manufacturing Execution System (MES) Software, um ihr Echtzeit-Monitoring zu optimieren, wie in Abbildung 1 direkt unten dargestellt.

In Decision Analysts Umfrage von Ende 2018 gaben 81 % aller Hersteller an, dass Echtzeit-Monitoring ihr Geschäft verbessert. In prozessintensiven Branchen, insbesondere der Kunststofffertigung, berichteten 87 % der Hersteller, dass Echtzeit-Monitoring für ihre Abläufe essenziell sei. Insgesamt erwarteten 63 % der Hersteller, durch Echtzeit-Monitoring die individuelle Fitness jeder Maschine besser verfolgen zu können, indem sie Auslastungsraten nach Art des Produktionslaufs, Ausschuss und Stillstandsberichte überprüfen, wie in Abbildung 2 direkt unten illustriert.

Design-to-Manufacturing zum Erfolg verhelfen

Echtzeit-Monitoring ist essenziell für die Synchronisation der vielfältigen Basis an Fertigungssystemen und -prozessen, die nötig sind, um eine einzige Design-to-Manufacturing-Umgebung zu schaffen, in der Designer, Ingenieure, Qualitätsmanagement und Produktionsteams zusammenarbeiten können. Design-to-Manufacturing basiert auf der Integration von Engineering, Qualität und Fertigungsteams am selben Produktdatenmodell. Echtzeit-Monitoring von Produktionsmaschinen trägt zu diesem Datenmodell bei, indem es jedem Team wichtiges Feedback zur Fertigbarkeit, Qualität und Skalierung jedes neu gefertigten Produkts liefert. Es ist ein essenzieller Feedback-Loop für alle im Design-to-Manufacturing-Prozess und trägt direkt zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Maschinen auf dem Shopfloor bei.

Designer, Ingenieure, Qualitätsmanagement und Produktionsteams gewinnen wertvolle Einblicke, wie Änderungen am Produktmodell die Effizienz und Zuverlässigkeit der Produktmaschinen beeinflussen – einschließlich der mittleren Zeit zwischen Ausfällen (MTBF). Design-to-Manufacturing-Teams verfolgen einen agileren, iterativen Ansatz bei der Entwicklung neuer Produkte, angetrieben durch die Erkenntnisse aus Echtzeit-Monitoring-Daten. Am wichtigsten ist der Beitrag des Echtzeit-Monitorings dazu, die diversen Mitglieder dieser Teams an einem gemeinsamen Produktmodell auszurichten. Ein kollaborativerer Ansatz bei der Produktentwicklung, basierend auf Design-to-Manufacturing, verbessert sowohl Produktqualität als auch Rentabilität, indem Produktionsfehler reduziert und Ausschussraten erhöht werden.

Maschinen-Fitnessplan feinjustieren

Es gibt drei Hauptgründe, warum ein auf Echtzeit-Monitoring basierender Fitnessplan ein hervorragender Ausgangspunkt ist, um eine Design-to-Manufacturing-Strategie zusammenzustellen, die das Fundament für solides Umsatzwachstum legt.

Prototypen schneller erstellen basierend auf initialen Modelldesigns, während ihre Qualität und Produktionsskalierbarkeit anhand von Echtzeit-Monitoring-Feedback bewertet werden. Beispielsweise nutzt ein Kunststoffhersteller, der auf Marineprodukte spezialisiert ist, Design-to-Manufacturing, um das initiale Produktmodell zu definieren und dann Prototypen in wenigen Stunden mit einem Hochgeschwindigkeits-3D-Drucker in Kombination mit einem stereolithografiebasierten Bildgebungsgerät herzustellen. Nach Freigabe der Produktmodell-Prototypen durch Kunden wird dasselbe Modell mit CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) verwendet, um die initiale Produktform zu erstellen. Von dort beginnt der Produktionsprozess. Das digitale Erstellen und Testen der Produktqualität und -haltbarkeit spart dem Kunden und dem Marineproduktehersteller jährlich Tausende von Stunden und Dollar. Es zeigt, wie ein Design-to-Manufacturing-Ansatz Probleme früher erkennt und neue Produkte schneller auf den Markt bringt.

Nachfrage für neue Produkte aufbauen, bevor sie versendet werden, indem ein Design-to-Manufacturing-Ansatz in der Produktion verfolgt wird, bei dem Echtzeitdaten jeder Maschine Produktionsplanern helfen, den optimalen Workflow für jedes neue Produkt zu definieren. Beispielsweise erstellt ein führender Anbieter von karbonfaserbasierten OEM-Produkten für die Automobil-, Verpackungsgüter- und Kunststoffprozessindustrie zunächst ein Modell der Kundenprototypen und liefert gerenderte Bilder neuer Produkte weit vor Versandterminen. Kunden nutzen die gerenderten Bilder, um Marketing- und Verkaufskampagnen zu planen, Vertriebsunterlagen zusammenzustellen und Verpackungen zu definieren. Hier ermöglicht Design-to-Manufacturing, OEM-Kunden mehr Wert zu liefern und ihnen beim Verkauf ihrer neuen Produkte zu helfen.

Kunden mehr Optionen bieten bei ihren Basismodellen durch verbesserte Configure-Price-Quote (CPQ) und Produktkonfigurationsstrategien. Hier liefert Echtzeit-Monitoring Feedback an die Design-to-Manufacturing-Teams darüber, welche konfigurierbaren Produkte am effizientesten, produzierbarsten und profitabelsten zu bauen sind. Ein Beispiel ist BMWs hocherfolgreicher Ansatz, maßgeschneiderte Mini Coopers über Online-Produktkonfiguratoren und in Autohäusern zu verkaufen, unterstützt durch einen modellbasierten Fertigungsansatz. CPQ und Produktkonfiguration glänzen, wenn alle diese Strategien unterstützenden Systeme synchronisiert sind und einen gemeinsamen Takt fahren. Design-to-Manufacturing macht das möglich. Und das ist großartige Nachrichten für Hersteller, die die Auslastungsraten ihrer Produktionszentren steigern können, indem sie mehr maßgeschneiderte – und höhermargige – Produkte für Kunden fertigen als zuvor.

Maschinen-Fitnessplan vorbereiten

Um eine erfolgreiche Wachstumsstrategie zusammenzustellen, müssen Hersteller diese an einen Fitnessplan für jedes Werkzeugmaschine zurückbinden. Dies verlängert nicht nur deren Nutzungsdauer, sondern die zusätzlichen Daten zur Maschinengesundheit verbessern auch die Produktionsplanung. Die Zuweisung der qualifiziertesten Techniker zur bestmöglichen Maschinenkombination für einen spezifischen Produktionslauf wird stark vereinfacht, wenn jede Maschine ein konsistent hohes Produktionsfitness-Niveau aufweist.

Genau wie jemand, der einem Fitnessstudio beitritt, um in Form zu kommen, haben heute Millionen von Herstellern die Anfänge starker Fitnesspläne für ihre Maschinen. Die Herausforderung besteht darin, sie in die Tat umzusetzen und Ergebnisse zu erzielen. Die folgenden vier Schritte sind ein hervorragender Start:

Basisdaten erfassen für jede Maschine über mehrere Schichten, um auffällige, leicht definierbare Variations in der Ausgabe zu prüfen. Die Erstellung eines Datensatzes der Leistung jeder Maschine über den Shopfloor ist der Ausgangspunkt für jeden individuellen Maschinen-Fitnessplan.

Einen initialen Metriksatz wählen, den jede Maschine heute berichten kann, um den Baseline-Vergleich zu vervollständigen. Jede Maschine kann anhand von vier Metriken analysiert werden: Zykluszeiten, Rüstzeiten, Ausschuss/Nacharbeitsraten und Ausbeuten. Unterschiede zwischen Maschinen zeigen sich sofort. Zu wissen, wie gut jede Maschine gegen diese vier Kriterien abschneidet, liefert unschätzbare Einblicke, wie ihre Nutzungsdauer verlängert werden kann.

Die fittesten und am wenigsten fitten Maschinen identifizieren durch Analyse der Basisdaten und Indizierung der vorherigen Maschinenaktivität auf Kundenreklamationen und Qualitätsprobleme. Die Maschinen, die für den höchsten Prozentsatz an Kundenreklamationen und Qualitätsproblemen verantwortlich sind, sind oft dieselben, die abnormal hohe Verschleißraten aufweisen. Sicherzustellen, dass ihre Mean Time To Repair (MTTR) und MTBF-Schätzungen korrekt sind, ist eine Voraussetzung, um die Lebensdauer der Maschine zu verlängern und Produktqualität und Ausbeuteraten zu steigern.

Echtzeit-Monitoring mit Maschinen-Upgrades kombinieren, um aufzudecken, wie Produktionssequenzierung die Maschinenzuverlässigkeit und -leistung im Zeitverlauf beeinflusst. Zu wissen, warum bestimmte Maschinen anfangen zu versagen, hat möglicherweise mehr mit ihrer relativen Position in einem Produktionsworkflow zu tun, als zunächst offensichtlich ist. Deshalb machen Echtzeit-Monitoring in Kombination mit den neuesten Upgrades auf intelligente, vernetzte Maschinen Sinn. Zusammen entfernen diese Schritte zwei potenziell große Variationsquellen beim Verständnis, wie man die Nutzungsdauer einer Maschine verlängert.

Maschinen an DTM ausrichten

Wenn Teams die höhere Leistung und Skalierbarkeit von Maschinen nutzen, die nach einem rigoroseren, gründlicheren Fitnessplan gemanagt werden, sind sie positioniert, ehrgeizigere Design-to-Manufacturing-Projekte anzugehen. Die Kenntnis von Skalierbarkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit jeder an der Herstellung eines neuen Produkts beteiligten Maschine bringt noch größere Agilität in die gleichzeitigen Design-, Entwicklungs-, Engineering-, Qualitäts- und Produktionsprozesse, die zusammen ein Design-to-Manufacturing-Framework schaffen.

Wo Hersteller den größten Nutzen aus der Verpflichtung zu einem rigorosen, laufenden Maschinen-Fitnessplan ziehen, ist die Beschleunigung von Neuproduktentwicklungszeitplänen bei gleichzeitiger Kostensenkung. Zu wissen, wie jede Maschine auf neue Produktionsanforderungen reagieren wird, ist unschätzbar wertvoll, um Fehler in allem von initialen Designkonzepten bis hin zu Arbeitsanweisungen zu reduzieren.

Ein weiterer Hauptvorteil der Kombination von Fitnessplänen mit Design-to-Manufacturing ist, dass kollaborative Teams wissen, um wie viel sich Maschinenausbeuteraten verbessert haben und was das für zukünftige Produktionsläufe bedeutet.

Schließlich schaffen Fitnesspläne für Maschinen das stärkste Fundament, das es Herstellern gibt, um ihren CAM-, CAD-, Simulations/FEA-, Elektro-, Prüf- und Fertigungsteams die Sicherheit zu geben, dass sie schnellere Entwicklungs-, Test- und Produktfreigabezyklen als je zuvor verfolgen können. Wenn jedes System im Fertigungsprozess mit einem anderen Takt oder Taktrate läuft, ist das Erreichen von Gleichzeitigkeit ein Muss, und Design-to-Manufacturing in Kombination mit laufenden Maschinen-Fitnessplänen sind essenziell. (Hinweis der Redaktion: Dieser Artikel ist eine erweiterte Version einer Viewpoints-Kolumne, die in der September-2019-Ausgabe von Manufacturing Engineering erscheint)

Über die Autoren

Louis Columbus ist Principal bei dem Fertigungs-ERP-Unternehmen IQMS (jetzt DELMIAWORKS, Teil der Dassault Systèmes-Familie). Michael Buchli ist Senior SolidWorks Produkt- und Portfoliomanager bei Dassault Systèmes.