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European Regional Development Fund

INDUSTRIE 4.0 FÜR DIE SPANABHEBENDE INDUSTRIEInterreg NWE Projekt Machining 4.0

Prof. Dr.-Ing. Hans Wernher van de Venn vhns@zhaw.ch, 15. August 2019

Übersicht

• Das Interreg Projekt Machining 4.0 in Kürze

• Die Möglichkeiten – Wie wir Sie unterstützen können

• Das ZHAW Fieldlab und die Lernfabrik im Detail

• Welche Industrie 4.0 – Themen können wir im Fieldlab zeigen?

• Demo Fieldlab

• Workshop

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Institut für Mechatronische Systeme

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Fieldlab undDigitale Lernfabrik Industrie 4.0

Prof. Dr.-Ing. Hans Wernher van de Venn

Director of Institute of Mechatronic Systems IMS

Zurich University of Applied Sciences, ZHAW

IMS

Institute of Mechatronic SystemsApplied Science in Mechatronics

4.0

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Machining 4.0 – Die Projektidee in Kürze

KMUs in der Entwicklung hin zu Industrie 4.0 unterstützen

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Ein EU finanziertes Projekt*, zur Unterstützung der Innovationsfähigkeit in KMU der spanenden Industrie

*Schweizer Partnerinnen und Partner können keine EU-Kofinanzierung beantragen. In der Schweiz läuft die Kofinanzierung über ein eigenes nationales Budget im Rahmen der NRP. Machining 4.0 wird freundlicherweise mitfinanziert vom Bundesamt für Raumentwicklung ARE, dem Kanton Schaffhausen und dem Kanton Zürich.

• Erhöhung des Innovationsniveaus in der spanenden Industrie…

• Entwicklung hin zu wettbewerbsfähigeren Unternehmen…

… durch Industrie 4.0

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Ziele des Projektes

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• Erhöhung der Produktivität um 30%

• Reduzierung der Durchlaufzeit um 50%

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Konkrete Entwicklungsziele des Projektes

• Praktische Werkzeuge

• Anwendungen

• Workshops

für die spanende Industrie

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Schwerpunkte

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• Relevantes Wissen über Industrie 4.0

• Innovative Technologien im spanenden Bereich

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Webportal Machining 4.0

https://www.machining4.eu/

• Relevante Technologien

• Mögliche Anwendungen

• Praktische Beispiele

• Testimonials / Berichte von Anwendern

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Machining 4.0 liefert den Überblick

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• Anwendungen für die spanende Industrie

• für KMUs zugeschnittene Lösungen

• Standards

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Konkrete Anwendungen und Lösungen

• Zugang zu dem nötigem Know-how und entsprechenden Technologien

• Tech. Demonstrationen in Workshops

• Möglichkeit zum Testen von eigenen Ideen

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Fieldlabs

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• In den Fieldlabs werden insgesamt 12 konkrete Anwendungen gezeigt

• Alle Fieldlabs können im Rahmen von verschiedenen Veranstaltungen besucht werden

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12 Beispiele in den Fieldlabs

• Wissensaustausch

• Grosses Netzwerk

• Viele Anwendungen

• Hochschulen

• Industrie

• Europäischer / nationaler Support

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Vorteile

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• Machbarkeits-untersuchungen

• Experimente

• Industrie 4.0 ReadinessAnalysen

• I4.0 Roadmaps

• ….

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Voucher / finanzielle Unterstützung von KMUs

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Wo Sie Machining 4.0 finden…

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Industrie 4.0 für die spanabhebende Industrie

Wie wir Sie unterstützen können

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Ziel des heutigen Workshop Programms

• Möglichkeiten der Zusammenarbeit und des Fieldlabs aufzeigen

• Demonstration des Fieldlabs in seiner jetzigen Ausbaustufe

• Workshop zu drei ausgewählten Themen:Cloud Manufacturing, Augmented Reality, Digitaler Zwilling

o Fragen klären, Problemstellungen aus dem eigenen Betrieb einbringen

o Ideen sammeln wie wir diese Problemstellungen lösen können und

o falls gewünscht und möglich auf der Grundlage der gesammelten

Ideen: Voucher beantragen über ZHAW bzw. SWM

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• Industrie 4.0 Demonstrator

• Lernfabrik auf Bachelor- und Masterstufe(Projektarbeiten, Bachelorarbeiten)

• Lernfabrik in der Weiterbildung, CAS, MAS

• Forschungsplattform / Fieldlab für Hochschule und Industrieo Smart Factory

Cyberphysikalische Systeme Digital Twin KI in der Produktion Cloud Manufacturing Predictive Maintenance Augmented Reality Mensch-Roboter Kollaboration …

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Möglichkeiten der Zusammenarbeit: ZHAW

• Besuch der Fieldlabs• Aufbau der Technologiedatenbank

(Bedürfnisse der KMUs)• Evaluation der ersten Version der

Technologiedatenbank• Use-Cases bereitstellen• Herausforderungen für KMU

einbringen• An den Workshops und

Projektveranstaltungen teilnehmen (Bitte hinterlassen Sie uns ihre Koordinaten falls Sie an weiteren Events interessiert sind)

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Möglichkeiten der Zusammenarbeit: Interreg Projekt

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Im Rahmen des Interreg Projektes: Voucher Prozess

STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 STEP 5

Unterzeichneter Vertrag

Start project

Bewertung durch lokalen Partner

Sind Sie förderberechtigt?*

Antragsformular ausfüllen

Bewertung durch TOC

STEP 6

*Als KMU (SME) gelten nach Definition der Europäischen Kommission

Unternehmen mit weniger als 250 Beschäftigten. Sie sollen einen

Jahresumsatz von bis zu 50 Mio. Euro oder eine Bilanzsumme von höchstens

43 Mio. Euro haben.

TOC=

Transnational

Operational

Committee

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Kriterien für die Vergabe des Vouchers

1. Das Unternehmen muss ein KMU nach der europäischen KMU-Definition sein

2. Das Thema muss innerhalb der Themen des Projektes „Machining 4.0“ liegen. Dies kann Themen zu

Geschäftsstrategie, Organisation, Ausbildung und technischen Aspekten umfassen

Der erwartete Nutzen muss für das Unternehmen klar erkennbar sein:

Zum Beispiel: Kostensenkung, Lieferungsverbesserung, Qualitätsverbesserung

3. Das Unternehmen muss bereit sein, seine Erkenntnisse durch Präsentationen, Veröffentlichungen,

Unternehmensbesuche, Workshops usw. mit anderen Unternehmen zu teilen. Hinweis: Das

Unternehmen muss für eine langfristige Nachverfolgbarkeit des Projekts offen sein

4. Das Projekt, muss sich mit der Anwendung verfügbaren Wissens befassen.

Forschungsprojekte sind ausgeschlossen. Ein oder mehrere Partner müssen bereit und in der Lage sein,

das Unternehmen zu unterstützen

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Das ZHAW Fieldlab und die Lernfabrik im Detail

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Technologien in Fieldlab und Digital Learning Factory

Robotics

Digital Twin

Cyber-Physical Systems

Internet of Things

CybersecurityCloud Computing

3D Printing

Augmented Reality

Big Data

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Unsere Partner im Fieldlab der ZHAW

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Prozess:Montage, Beschriftenund Prüfen einesKugelschreibers

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Fieldlab Produkt und Prozess

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Fieldlab Module

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Feder und

KnopfMontage und

Übergabe

SMCSMCSMC

REA JETJenny Science

Wittich

StäubliIMS

Asyril

Bosch Rexroth

Bo

sch

Rex

roth

Steuerungen: SiemensPanels: Sigmatek

Du

rch

lau

fric

htu

ng

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Fieldlab Bestellvorgang

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Configure and produce

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Fieldlab Cloud Manufacturing

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Cloud Manufacturing

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Welche Industrie 4.0 – Themen können wir im Fieldlab zeigen?

- Eine Auswahl -

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1. Intelligente Systeme (CPS)

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• Selbststeuerung und Vernetzung über die Cloud• Plug-and-Produce• Selbstauskunft der CPS statt Datenbasis• Wandelbarer Funktionsumfang der Systemelemente

Einer der wesentlichen neuen Ansätze von Industrie 4.0 ist die Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Cyber-Physikalischen Systemen (Arbeitsstationen undProdukt). Vor allem darin liegt der Schlüssel zu den neuen Möglichkeiten

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CPS 1CPS 3

CPS 2

CPS Transport

CPS Produkt

Gib mir die rote Kappe

Ich habe Minen

Ich habe Federn

Ich transportiere Dich

Wie zeigen wir das im Fieldlab?Intelligentes Produkt

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Intelligenz:• Skills und Services, Modelle

in der Cloud• Systemplanung,

Teileidentifikation• Nutzung v. Cloud-Ress.• Produkt (bzw. Carrier) hat

RFID und kennt seinen Zustand / Montageverlauf

Wie zeigen wir das im Fieldlab?Intelligente Arbeitsstation

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Workstation assistance

system

Line Operator

Transport-system

Produkt und RFID

Roboter Assembly Station

Skills, Services

Produktdaten

Sensoren

Aktoren

PositionsdatenInstruktionen Produkt ID Steuerdaten

MES Produkt CAD

Portal

Systemplanung

Teileidentifikation

Montageoperation

Objektlokalisierung

Task / Path Planung

ERP

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2. Skalierbare Prozesse und Strukturen

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• Skalierbare Automation• Mensch Roboter Kooperation• Skalierung an tagesaktuelles Produktionsprogramm• Systemanpassung an Ressourcenverfügbarkeit

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Heute hat man vielfach noch die starre Kopplung von Produktionsaufgabe und Ressource. Die Gesamtanlage ist optimiert auf einen Betriebspunkt, wenn ich den nicht treffe, produziere ich zu wenig oder zu viel für den Markt, beides ist sehr kostenintensiv.

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• Die Produktion der Kugelschreiber erfolgt

auf direkte Kundenanfrage (Losgrösse 1)

• Die Produktion ist individualisierbar

(Farben, Aufdruck) und skalierbar (Buffer-

Linie)

• Die Robotermontagestation ist eine

Mensch-Roboter Kollaboration

• Standardisierte Schnittstellen:

Alle Komponenten haben einen Digitalen

Zwilling und kommunizieren über die

Verwaltungsschale (RAMI4.0)

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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Variable Produktion und standardisierte Schnittstellen

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3. Nutzung von Cloud Manufacturing und externen IT Ressourcen

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• Outsourcing von IT-Ressourcen und IT-Dienstleistungen• Auf die benötigte Kapazität skalierbare IT Infrastrukturen• Intelligente Datenstrukturen• KI basierte Auswertung grosser Datenvolumina (Big Data)• Nutzung von Apps zum standortunabhängigen und mobilen Datenzugriff

Konventionelle Lösungen sehen heute alle Regelungs- und Steuerungsfunktionen weitestgehend an der Anlage bzw. jeweiligen Komponente vor. Industrie 4.0 ermöglicht über die intelligente Vernetzung eine Auslagerung von Funktionen an entfernte IT-Komponenten (Clouds) und darüber hinaus die Nutzung zusätzlicher Funktionalitäten

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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Cloudbasierte Steuerungsstruktur

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Lokale Ressource

Konventionell

Lokale Ressource

Steuerung+

Realtime control

Prozess Prozess

Cloud Ressource

Steuerung

Industrie 4.0

Realtime control

Storage Services

Artificial Intelligence Services

Monitoring Services

Virtual machine

Cyber-PhysicalSystem

Anlagensteuerung

ERPMES

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MES

ERP

Connected factory:Die Cloud bringt alle Ebenen zusammen

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Integrationsebenen

1. Shop floor zu ManagementVertikale Integration

2. Machine to MachineCyber-Physical Systems

3. Integration der KundenOnline Konfig. und Bestellung

4. Integration der ZuliefererProduktionszusammenarbeit

5. Machine to CloudPredictive Maintenance, Predictive Quality

Cloud Services

Storage Services

Monitoring Services

MachineData

Fabrik 2Fabrik 1 Fabrik 3

Quality Manager

Service Provider

Zulieferer

Kunde

E-Portal

Collaboration Tool

②

①① ①

②②

③

③

③

④

④

④

⑤

⑤

⑤③

④④

⑤

⑤

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4. Materialfluss (weitgehend) durch Informationsfluss ersetzen

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Heute ist der Informationsfluss starr mit dem Materialfluss verbunden. Die Produktion muss aber möglichst vorausschauend reagieren können.Die Folgen sind oft: hohes Puffer-Bestandsniveau zur Aufrechterhaltung der Lieferfähigkeit und zum Ausgleich von Fehlern.

• Echtzeit Informationsverfügbarkeit bis in den Shopfloor• Anforderungsgerechte Informationsbereitstellung• Intelligente Integration von Information• Simulation basierend auf Echtzeitdaten

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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Systeme

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Quelle: IMS ZHAW

Quelle: Bosch Rexroth

AugmentedReality Infos mit Hololens

Shopfloor Information System

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Quelle: IMS ZHAW

Worker / Workstation Assistance System

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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Infozugriff über Cloud

Assembly station 1

Assembly station 3

Assembly station 2

Manufacturing cloud

Cloud Gateway

RFI

D R

ead

er

CPS 1 CPS 2 CPS 3

Real-time shop-floor Planungs- und

Monitoring System

SCADA SCADA SCADA

RFI

D R

ead

er

RFI

D R

ead

er

Workstation assistanceSystem (Smartphone, Tablet, Hololens, …)

…

Send order to cloud

Provide serial #

SCADA =

Supervisory Control And Data Acquisition

ERPMES

Speicher Services

Monitoring Services

Produkt/Maschinen

Daten

E-Portal

Collaboration Tool

5. Alle Komponenten haben einen digitalen Zwilling

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• Selbständige automatisierte Pflege von Stamm- und Bewegungsdaten• Erfassung, Überwachung, Lernen und Vorausschau mit Live-Daten• Produktionssteuerung mit tagesaktueller Auftragslage• Verbesserte Prognosefähigkeit

Heute ist der Informationsfluss von der Planungs- zur operativen Ebene ein sequentieller Prozess. Die Daten kommen im Produktionsfortschritt.Häufig inkonsistente und inkorrekte Daten, da Simulation mit Vergangenheitsdaten durchgeführt wird. Hoher Planungsaufwand in verschiedenen Planungsphasen.

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Wie zeigen wir das im Fieldlab?

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Digital Twin für die gesamte Industrie 4.0 Anlage.Durchgehende physikalische Simulation der Anlage mit Siemens NX12 Simcenter 3D

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6. Optimierung der Produktion durch Big Data und KI

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Heute versucht man sich mit Lean Optimierung (Six Sigma) an komplizierten Systemen, d.h. man sucht nach Ursachen (Kausalität) von Störungen oder Problemen.Expertenwissen zur LösungsfindungHauptfrage: WARUM?

• Auswertung mit Big Data Algorithmen• Automatisierte Mustererkennung und Klassifizierung (KI)• Suche nach Rezepten (Korrelation)• Hauptfrage: WAS?

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PredictiveMaintenance

RemoteMaintenance

ServiceVerbesserung

•Mehrwert für den Kunden•Erhöhte Serviceerlöse und reduzierte Lieferkosten für Unternehmen

Echtzeit-Maschinen- und Produktivitäts-daten von

Cyber-Physischen-Systemen

Sammlung, Speicherung und

Analyse von Daten in der Cloud-

Infrastruktur

EchtzeitShopfloor Daten

Wie zeigen wir das im Fieldlab?

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Was können wir mit Industrie 4.0 erreichen?

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Kostenart Effekte Potenzial

Lagerkosten• Reduzierung der Sicherheitsbestände• Vermeiden von Peitscheneffekt (Aufschaukeln von Problemen i.d. Lieferkette)

-30 bis -40 %

Herstellungskosten

• Verbesserung der Gesamteffektivität des Maschinen und Anlagen• Prozessregelkreise• Verbesserung der vertikalen und horizontalen Personalflexibilität• Verwendung intelligenter Systeme

-10 bis -30%

Logistikkosten• Höherer Automatisierungsgrad (Milkruns, Kommissionierung usw.)• Smart Wearables

-10 bis -30%

Komplexitätskosten

• Grössere Überwachungsspanne• Reduzierte Fehlersuche• Prosumer-Modell• Everything as a service (Xaas)

-60 bis -70%

Qualitätskosten • Real-time Qualitätskontrolle -10 bis -20%

Wartungskosten• Optimierung der Lagerbestände für Ersatzteile• Zustandsbasierte Instandhaltung (Prozessdaten, Messdaten)• Dynamische Priorisierung / Predictive Maintenance

-20 bis -30%

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