Digital Factory [Digitale Fabrik]: Definition, Methoden und Herausforderungen

Digitale Fabrik (Digital Factory) – Definition

Die sogenannte Digitale Fabrik (im Englischen auch Digital Factory) ist ein einheitlicher Standard, der für die virtuelle Planung und Betriebsführung von Fabriken und Produktionsanlagen genutzt wird. Die VDI-Richtlinie 4499 Blatt 1:2008-02 definiert die Grundlagen der Digitalen Fabrik als ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen und Methoden, bei dem unter anderem Simulationen und 3D-Visualisierungen genutzt werden. Zweck dieses Netzwerkes ist die ganzheitliche Planung, Realisierung, Steuerung und laufende Verbesserung aller bedeutsamen Prozesse und Ressourcen in der Produktion, die in Verbindung mit dem eigentlichen Produkt stehen. Der Schwerpunkt der Digitalen Fabrik liegt also auf der Produktions- und Fabrikplanung mit dem Ziel, den Kundenauftragsprozess flexibel, schnell, effizient und nachhaltig zu gestalten.

Infomaterial

Digitale Fabrik als Grundlage für eine erfolgreiche Industrie 4.0

Die Digitale Fabrik ist eng mit den Begriffen Industrie 4.0 und Smart Factory verbunden. Denn das Ziel von Digitaler Fabrik und Industrie 4.0 ist eine smarte Produktion, in der sämtliche beteiligten Komponenten – also Maschinen, Menschen, Werkzeuge und Ressourcen – miteinander vernetzt sind und über das Internet (der Dinge) miteinander kommunizieren. Die Digitale Fabrik ist für die Umsetzung einer Industrie 4.0-Strategie deswegen so bedeutsam, weil sie die Daten liefert, auf denen alle planerischen und operativen Prozesse basieren. Allerdings reicht eine Digital Factory im Regelfall nicht aus, denn die digitalen Modelle müssen sowohl echtzeitfähig als auch lernfähig gestaltet und zudem in der Lage sein, sich selbst an verändernde Umweltbedingungen anzupassen.

Um eine Digitale Fabrik über den Zwischenschritt der Industrie 4.0 zu einer Smart Factory zu entwickeln, müssen vier Voraussetzungen erfüllt werden:

  1. Vernetzung aller Beteiligten in Echtzeit mit Datenaustausch: Hierfür ist eine kontinuierliche Auswertung sämtlicher Sensor- und lokaler Daten erforderlich, um dezentrale Workflows zu synchronisieren und abzugleichen.
  2. Maximale Transparenz bei allen beteiligten Unternehmen, um auf Basis von stetig aktualisierten Daten zuverlässige Prognosen zu Nachfrage, Beständen, Produktionskapazitäten usw. erstellen zu können.
  3. Proaktive Informations- und Überwachungsprozesse, um z.B. mit Sensoren oder auf Basis von Künstlicher Intelligenz Anomalien wie Ausfälle oder andere ungeplante Standzeiten möglichst früh zu erkennen – im Idealfall bereits vor Eintreten eines Schadens – und schnell reagieren zu können.
  4. Die gesamte Produktion muss agil gestaltet werden, um Veränderungen in Echtzeit zu kontrollieren und rechtzeitig darauf reagieren zu können.

Digital Factory – Praxisbeispiele bei Siemens und Daimler

Die Digitale Fabrik und ihre Methoden werden vor allem in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie im Schiffsbau eingesetzt. Denn Industrien mit besonders komplexen Produktionsprozessen profitieren in besonderem Maße von der Digitalen Fabrik. Die Daimler AG ist einer der Vorreiter im Bereich Digital Factory und setzt schon länger auf Digitalisierung und das Prinzip der Smart Factory. Das Unternehmen versucht, die komplette Wertschöpfungskette zu digitalisieren und sich mit seinen Kunden zu vernetzen. Mit der Digitalen Fabrik will Daimler die Flexibilität und Effizienz erhöhen, die Produktionszeiten verkürzen, ein attraktives Arbeitsumfeld schaffen und eine smarte Logistik erreichen.

Auch die Siemens AG setzt zunehmend auf die Methodiken der Digital Factory. Das Unternehmen hat für seine Digitale Fabrik eine Product Lifecycle Management-Software entwickelt, die zahlreiche Daten von komplexen Produkten in einem System speichern und verwalten kann. Diese Daten stehen allen Beteiligten im Konzern zur Verfügung und können nahezu beliebig miteinander interagieren, etwa um Simulationen aufzubauen, bei denen digitale Zwillinge von Produkten entwickelt und virtuell verändert werden können. Mit dieser Software kann Siemens smarte Produkte deutlich schneller und effizienter entwickeln und fertigen.

Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik

Eine der grundlegenden Methoden der Digitalen Fabrik ist das „Simultaneous Engineering“, bei dem die Entwicklung auf mehrere Mitarbeiter verteilt wird, die parallel arbeiten. Erforderlich hierfür sind digitale virtuelle Modelle des Produkts, die kontinuierlich aktualisiert werden und allen Beteiligten zugänglich sind.

Häufig kommen auch Anwendungen mit Künstlicher Intelligenz zum Einsatz. Sie unterstützen etwa Roboter oder selbststeuernde, fahrerlose Flurförderzeuge dabei, autark im Produktionsbetrieb zu agieren. Für die Sicherheit von Mensch und Maschine müssen Roboter mit 3D-Kamerasystemen und Sensortechnik ausgestattet sein, die permanent ihre Umgebung überwachen und so z.B. die Einhaltung von Sicherheitsabständen gewährleisten.

Wichtige Werkzeuge für den elektronischen Datenaustausch und die Weitergabe von Wissen und Informationen sind ein Projekt- und Wissensmanagement sowie das Computer Aided Office. Weitere Tools sind die Ablaufsimulation für Produktionsplanung und Produktionsbetrieb, virtuelle Inbetriebnahmen vor dem tatsächlichen Hochlauf industrieller Anlagen sowie ERP-Systeme zur Planung von Aufgaben und Ressourcen.

Oft kommen auch dreidimensionale CAD-Modelle des Fabriklayouts (als Virtual- und / oder Augmented Reality-Lösungen) zum Einsatz. Damit sind schon zu einem frühen Planungszeitpunkt realistische Visualisierungen von geplanten Maschinen, Anlagen oder Gebäuden möglich.

Digital Factory – Herausforderungen bei kleinen und mittleren Unternehmen

Auch wenn die Digitale Fabrik oft in der Automobilindustrie und anderen hochkomplexen Industriezweigen genutzt wird, bietet die Methodik grundsätzlich auch enorme Vorteile für kleine und mittlere Unternehmen. Bei diesen ist der Planungsprozess häufig fehleranfälliger, weil Aufgaben dezentral auf mehrere Personen verteilt werden. Die oft unzureichende Projektorganisation kann durch die Digitale Fabrik zumindest teilweise kompensiert werden, indem der Planungsprozess durch die Methoden und Werkzeuge der Digital Factory unterstützt wird.

Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass ausreichende Planungsgrundlagen vorhanden sind, etwa aktuelle Fabriklayouts oder geeignete Datenerfassungssysteme an den eingesetzten Maschinen. Auch fehlen bei KMU häufig 3D-Produktdaten und andere relevante Daten, beispielsweise zur Medienversorgung oder zu Pufferlagergrößen.

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Fragen und Antworten

Was ist eine Digitale Fabrik (Digital Factory)?

Digital Factory ist laut Definition des VDI ein Oberbegriff für ein „umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen“ (darunter auch die Simulation und 3D-Visualisierung), die durch ein konsistentes Datenmanagement integriert werden. Die Digitale Fabrik integriert und kombiniert innovative Werkzeuge und Methoden und nutzt diese im Planungs- und Fertigungsprozess.

Was sind die Aufgaben einer Digitalen Fabrik (Digital Factory)?

Die Aufgaben der Digitalen Fabrik sind unter anderen:

  • Übernahme von Produktplanungsdaten
  • Planung von Prozesszeiten
  • Planung von Produktionsprozessen
  • Planung der Betriebsmittel
  • Einsatzfaktorplanung
  • Layoutplanung des Werks und der einzelnen Arbeitsplätze im Werk
  • Bewertung der Kosten
  • Absicherung der Planungsergebnisse
  • Übergabe der Planungsdaten an den Betrieb

Was sind die Ziele einer Digitalen Fabrik (Digital Factory)?

Die Ziele einer Digitalen Fabrik sind unter anderem:

  • Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
  • Steigerung der Planungsqualität
  • Verkürzung der Produktentwicklungs- und -einführungszeit
  • Transparentere Kommunikation
  • Standardisierung von Planungsprozessen
  • Optimales, ganzheitliches Wissensmanagement.

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