Forschungsprojekt Wertstromkinematik Revolution in der Produktion?

Flexibles Produktionssystem: Höhere Kraft und Genauigkeit, etwa bei der Montage eines Fahrradrahmens.
Flexibles Produktionssystem: Höhere Kraft und Genauigkeit, etwa bei der Montage eines Fahrradrahmens.

Wissenschaftler des KIT entwickeln gemeinsam mit Industriepartnern ein Produktionsplanungssystem, das die Präzision von Spezialmaschinen mit der Flexibilität von Industrierobotern verbindet.

Vom Sportschuh bis zur Autoausstattung: Immer mehr Menschen wünschen sich individuell gestaltete Produkte. Unternehmen, die auf die steigende Nachfrage nach größerer Variantenvielfalt ihrer Produkte reagieren, haben einen Wettbewerbsvorteil, aber ihre Preise müssen sich häufig mit denen von Konkurrenzprodukten aus hocheffizienter, automatisierter und starrer Produktion messen.

Sie stehen dann vor der Wahl zwischen starren Produktionslinien bei hoher Produktivität oder flexibler Fertigung mit niedriger Effizienz. Diesen Zielkonflikt aufzubrechen und hohe Flexibilität mit hoher Produktivität zu verbinden, ist das Ziel des Forschungsprojekts Wertstromkinematik.

Dabei handelt es sich um einen vollkommen neuen Produktionsansatz. »Geeignete Produktionssysteme, die sich durch hohe Flexibilität und hohen Automatisierungsgrad gleichermaßen auszeichnen, existierten bisher nicht oder nur in Ansätzen. Unser Ansatz schließt diese Lücke«, sagt Edgar Mühlbeier vom wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Dort koordiniert der Maschinenbauer mit dem Schwerpunkt Steuerungstechnik die Entwicklung dieses innovativen Produktionssystems. Es kombiniert die hohe Produktivität und Präzision von Spezialmaschinen mit der Flexibilität von Industrierobotern.

»Die Wertstromkinematik könnte die heutige Produktionslandschaft revolutionieren«, sagt Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk und Initiator des neuartigen Produktionsansatzes. Sie könne große Hallen überflüssig machen und lange Lieferketten oder Produktionsausfälle aufgrund von Lieferengpässen verhindern. Die aktuelle Krise durch die Pandemie habe vor Augen geführt, wie schnell die Bänder stillstehen können, wenn Nachschub für die Produktion aus dem Ausland nicht rechtzeitig zur Verfügung stehe. »Wären unsere flexiblen Systeme im Einsatz, könnten regionale Betriebe im näheren Umkreis einspringen und die fehlenden Teile fertigen. Die Reduzierung von Transportwegen wäre zudem umwelt- und ressourcenschonend«, betont Fleischer.

Aufbau macht häufige und flexible Neuanordnung möglich

Das System ist aus mehreren einheitlichen und frei konfigurierbaren Einzeleinheiten (Kinematiken) aufgebaut. Sie führen die in der Robotik üblichen Handhabungsaufgaben aus und sind darüber hinaus in der Lage, diverse Fertigungswerkzeuge anzudocken, um Prozesse wie Montage, additive Fertigung, Trenn- und Fügeverfahren sowie Zerspanungsaufgaben und Qualitätssicherung vollautomatisch und innerhalb eines vielschichtigen Produktionsflusses selbst auszuführen. »Dieser Aufbau ermöglicht eine häufige und flexible Neuanordnung des Produktionssystems, ohne dass kostspielige zusätzliche Anlagen hinzugekauft werden müssen«, betont Mühlbeier.

Um diese anspruchsvollen Aufgaben zu lösen, gilt es, das neue System auf verschiedene Weisen gegenüber herkömmlichen Vertikalknickarmrobotern zu optimieren, insbesondere hinsichtlich ihrer Steifigkeit.

Die Forscherinnen und Forscher wollen mithilfe innovativer Getriebetechnologien und Software-Unterstützung zum Beispiel eine auf wenige hundertstel Millimeter genaue Bahnführung beim Fräsen erreichen. Dabei müssen die einzelnen Arbeitsschritte wie die Schnittgeschwindigkeiten und der Krafteinsatz genauestens geplant werden. »Die Besonderheit unseres Produktionssystems ist: Die einzelnen Einheiten lassen sich koppeln, um zu kooperieren und so die heutigen Spezialmaschinen für bestimmte Aufgaben und Prozesse zu ersetzen«, erläutert Mühlbeier. Nach Erledigung der Aufgabe lassen sie sich wieder entkoppeln und getrennt einsetzen. Auf diese Weise könnten Unternehmen die Zahl der – oft sehr kostspieligen – Produktionsmaschinen senken.

Schneller Aufbau, kürzere Planungs- und Inbetriebnahmezeiten

Die schnelle, einfache und exakte Positionierung der flexiblen Wertstromkinematiken im Raum ermögliche ein Raster, das sich über die gesamte Produktionsfläche erstrecke, »vergleichbar einer Legoplatte, auf der sich die Bausteine beliebig feststecken lassen«, so Mühlbeier. Der Aufbau des Produktionssystems kann so erheblich beschleunigt werden. Um die Planungs- und Inbetriebnahmezeit deutlich zu verkürzen, soll zudem eine intuitiv und einfach zu bedienende Engineering-Plattform die Ingenieure auch in mittelständischen Unternehmen webbasiert und damit plattformunabhängig unterstützen: vom Entwerfen eines Produkts im CAD über die Planung von Anzahl, Anordnung und Koppelung der Kinematiken bis zur Simulation und Feinjustierung des Produktionssystems.

Ihre Entwicklung treiben die Wissenschaftler des KIT gemeinsam mit den Industriepartnern Siemens im Bereich Steuerungstechnik und dem Werkzeugmaschinenhersteller Grob als Hardwareentwickler und Integrator voran. »Produktionstechnologien müssen den sich ändernden Bedingungen des Marktes und den stetig steigenden technologischen Anforderungen gerecht werden. Unser Ziel ist, für neue Prozesse und Anforderungen innovative Lösungen zu identifizieren und zu entwickeln«, sagt Fleischer.