Der Enthusiasmus auf Seiten der Anbieter in Sachen Product Lifecycle Management (PLM) und digitale Fertigung (DM: Digital Manufacturing) ist verständlich. Schließlich werden laut Schätzungen des ARC Advisory Boards mit PLM-Software und -Services weltweit etwa 9 Mrd. Euro Umsatz in 2009 erzielt. Für viele Endanwender bleiben die Vorteile von PLM aber nebulös - zu komplex sind die Herausforderungen bei der Implementierung. Ein Beispiel dafür ist die „Digitale Fertigung" mit ihren vier Bausteinen:

• virtuelle Inbetriebnahme,
• virtuelle Entwicklungs-, Erstellungsund Automatisierungsablauf,
• intelligente Montage
• sowie Abgleich zwischen dem Ist-Status (As-Built) einer Produktionsanlage und ihrem ursprünglichen Entwurf (As-Designed) als ein Teil des umfangreichen PLM-Pakets.

Die virtuelle Inbetriebnahme oder virtual Comissioning (VC) hat sich in Branchen wie der Automobilindustrie bewährt, hilft sie den Automobilherstellern und ihren Zulieferbetrieben einer ihrer größten Herausforderungen zu begegnen - der Bereitstellung der Produkte zum richtigen Zeitpunkt auf einen hoch selektiven Markt. Dazu müssen die Anbieter in der Lage sein, Nischen mit immer kleineren Stückzahlen und immer kürzeren Produktionslaufzeiten zu bedienen. Ohne flexible und schnell umzurüstende Fertigungslinien lässt sich das nicht realisieren. Digital-Manufacturing-Verfahren helfen, diese Aufgabe zu bewältigen. Mit ihnen können Ingenieure die mechanischen, elektrischen und steuerungstechnischen Komponenten einer Fertigungslinie virtuell planen. Typische Beispiele sind Fördersysteme und Roboterzellen. Mit Hilfe von Simulationen können diese Modelle auf Schwachstellen und Fehler geprüft werden. Dadurch fallen viele zeitaufwendige und ressourcenfressende Arbeitsschritte weg und der einstige „Trial &Error"-Prozess weicht einer vorab geplanten Anlagenerstellung. Dies verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung und der Break-Even - die kostendeckende Produktion - wird früher erreicht.

Neben der Automobilbranche setzen die Luftfahrt- und die Rüstungsindustrie auf eine digitale Fertigung. Hier sind die geringen Stückzahlen der kritische Punkt. Im Gegensatz zur Automobilproduktion muss die Produktion nach wenigen „Versuchen" optimiert sein. Umso wichtiger ist daher die virtuelle Inbetriebnahme. Die virtuelle Inbetriebnahme verlangt von den Ingenieuren ein breites interdisziplinäres Wissen, von der Elektronik und Steuerungstechnik über Mechanik bis hin zur Produktions-Organisation. Hinzu kommt die Bedienung der komplexen Simulationstools. Was früher Schritt für Schritt von Spezialisten implementiert wurde, geschieht nun parallel und oft in mehreren Optimierungsläufen. Das erfordert neben fachlichem Können die so genannten Soft-Skills. Zudem muss sich die Organisationsstruktur diesen Abläufen anpassen.

Die virtuelle Entwicklung

Die sequenzielle Produktentwicklung, die traditionell mit der Konzeption begann und mit dem Produktionsplan endete, ist ein Auslaufmodell.

PLM-Tools verknüpfen Design, Implementierung und Produktion untereinander und sorgen für die Rückkopplung aus der Fertigung.

Hersteller nutzen zunehmend einen ganzheitlichen, holistischen Ansatz und berücksichtigen bereits bei der Produktkonzeption und -entwicklung, die Definition und Implementierung der einzelnen Fertigungsschritte, die Konstruktion und Inbetriebnahme der Fertigungsanlagen und ihrer zugehörigen Automatisierungskomponenten. Die Konsequenz: Produkt- und Produktionsdesign finden gleichzeitig mit dem Design der Automatisierungs- und Steuerungssysteme der Fertigungslinien statt.

PLM-Anbieter entwickelten hierfür 3D-Simulationstools, mit denen Produzenten ihre gesamte Fabrik (Werkzeugmaschinen, Roboter und Arbeitszellen) detailliert simulieren können. Erfordert die virtuelle Inbetriebnahme die Zusammenarbeit von Spezialisten aus verschiedenen Disziplinen, setzt die Digitale Fabrik in einem noch früheren Stadium der Produktion an. Das impliziert die Abstimmung mit weiteren Abteilungen wie Marketing und Produktdesign. Häufig prallen dabei völlig unterschiedliche Mentalitäten aufeinander.

Die intelligente Montage

Nicht nur im Automobil- und Flugzeugbau übernehmen Menschen den größten Teil der Montageprozesse. Speziell in den Vormontage- und Endmontage-Prozessen sehen viele Hersteller noch ein großes Potenzial für weitere Kostensenkungen. Zudem verkürzt ein höherer Automatisierungsgrad die Produktionszeiten. Die Automatisierung der Montagesysteme stellt die Ingenieure vor große Herausforderungen, die sie mit Technologien, wie sichere Roboter, intelligente Fertigungssysteme und virtuelle Simulationstools bewältigen können. Das übergeordnete Ziel ist, das Gleichgewicht zwischen den automatisierten und manuellen Montageprozessen zu finden.

Die meisten PLM-Konzepte beschränken sich darauf, die Prozesse von der Produkt- Idee bis zur Planung des Fertigungsprozesses abzubilden. Dabei entsteht ein Abbild des idealen Produkts und der perfekten Produktion. Außen vor bleiben die reale Fertigungsanlage und die Produkte.

Der Soll-ist-Abgleich

Ohne die Rückkopplung der Ist-Zustände von End- und Zwischenprodukten fehlt die Möglichkeit für Soll-Ist-Vergleiche (asbuild versus as-designed) - die Voraussetzung für Fehleranalysen und weitere Optimierungen. Ein umfassendes PLM-System muss daher auch die Qualitätskontrolle bis hin zum Reklamations- und Servicemanagement integrieren. Erst dann ermöglicht PLM innerhalb einer gemeinsamen Entwicklungsumgebung ein effektives Änderungs-, Konfigurations- und Qualitätsmanagement. Nur so werden Hersteller feststellen können, ob sie tatsächlich das Produkt fertigen, das sie entwickelt haben.

Damit ist der Wandel von zeitlich getrennten und nicht interagierenden Entwicklungs- und Fertigungsprozessen (Entwicklungs- und Prozess-Paradigma) hin zu einem simultanen Entwicklungs-, Simulierungs-, Validierungs-, Automatisierungsund Fertigungsablauf vollzogen. Gerade die Zeit- und Kosteneinsparungen bei parallelen Qualitätssteigerungen entlang einer flachen Wertschöpfungskette schließt viele kleine Zulieferer mit ein, was oft problematisch ist. Denn die Einführung eines PLM-Arbeitsplatzes kostet je nach Funktionsumfang bis zu 70 000 Euro und bindet Kapazitäten, die gerade in kleinen Unternehmen häufig fehlen. Die Leistungsfähigkeit von PLM-Systemen ist enorm. Das trifft nicht nur unter Idealbedingungen wie einem Großprojekt zu, das auf der „grünen Wiese" gebaut wird: Beispielsweise startete VW im Mai 2008 mit der Implementierung eines PLM-Systems. Der Projektabschluss ist für 2011 geplant und soll einen vierfachen Return on Invest (ROI) erreichen.

Allerdings behindern einige Faktoren den Siegeszug der digitalen Fertigung: Dass PLM nicht bereits in allen Produktionsstätten eingesetzt wird, liegt an den hohen Kosten für die Software und den notwendigen Veränderungen in den Unternehmen. PLM führt zwangsläufig zu tief greifenden Veränderungen von Kultur, Arbeitsweise und Organisationsstruktur eines Unternehmens. Dieser Anpassungsprozess braucht viel Zeit und Energie und erstreckt sich über alle Abteilungen und Hierarchie-Ebenen. Zudem setzt eine erfolgreiche Digital- Manufacturing-Implementierung voraus, dass Ingenieure mit allen technischen Aspekten vertraut sind. Neben den klassischen Ingenieur-Tätigkeiten sind das zum Beispiel Datenmanagement, IT-Kompetenz und die Beherrschung der Simulationstools. Solche Mitarbeiter sind rar und müssen daher von den Unternehmen selbst aufgebaut werden.

Noch nutzen nur wenige große Hersteller die Vorteile einer digitalen Fertigung. Vielen kleinen und mittleren Unternehmen fehlen dafür die Ressourcen. Mit skalierbaren, auf spezifische Anforderungen abgestimmten Lösungen wird sich das ändern, vergleichbar mit der Entwicklung bei ERP-Software Anfang der 1990er Jahre.

Autor:
Florian Güldner ist Analyst bei der ARC Advisory Group Europe in Düsseldorf.