Am 14. Januar 1914 startete Henry Ford in seiner neu errichteten Fabrik ‚River Rouge‘ im amerikanischen Dearborn die erste vollständige Fließbandfertigung der Automobilgeschichte. Seitdem bildet dieses Prinzip das Rückgrat jeder Großserienproduktion. Im Audi-Werk Ingolstadt etwa, der zweitgrößten Automobilfabrik in Europa, laufen heute die Modelle Audi A3, A4, A5 und Q2 vom Band – alle 30 Sekunden wird auf einer der drei Linien ein Auto fertiggestellt.

Trotz der hohen Stückzahlen und der eingespielten Abläufe ist man in Ingolstadt davon überzeugt, dass das Fließband seine beste Zeit hinter sich hat. Denn: Je weiter die Variantenvielfalt wächst, umso aufwendiger werde es, in einem starren sequenziellen Prozess die Komplexität zu beherrschen und immer neue Abläufe zu integrieren. Die festen Taktzeiten führen an vielen Stellen zu Leerlauf – etwa beim Einbau von Sonderausstattungen wie Standheizungen, die nur ein Teil der Autos erhält. Je heterogener der Modellmix auf dem Band, desto mehr summieren sich derlei Verluste.

Noch schwieriger werde es, wenn stark abweichende Varianten auf die ­Linie kommen. Ein Beispiel dafür ist die Montage des Audi A3 Sportback e-tron. Das Plug-in-Hybridmodell, welches nur einen relativ kleinen Prozentsatz der A3-Gesamtproduktion ausmacht, durchläuft sieben separate Arbeitstakte, in denen es einen Großteil seiner Elektroumfänge erhält. Währenddessen schweben die Modelle mit konventionellem Antrieb in der Ge­hängebahn unter der Hallendecke entlang und drehen eine Leerschleife. Für sämtliche Autos auf dem Band ver­längert sich dadurch die Zeit bis zur Fertigstellung.

Die Antwort von Audi auf diese He­rausforderung soll ein völlig neues Konzept sein: die modulare Montage. Die Idee dahinter ist eine Fertigung ohne Fließband, aufgelöst in seine einzelnen Arbeitsschritte. Die neuen Fertigungsstationen sind mit einem oder zwei Werkern besetzt. Anders als heute arbeiten sie gleichmäßig in einem kontinuierlichen Rhythmus. Denn sie müssen ihre Tätigkeiten nicht mehr an die Bandgeschwindigkeit anpassen. Und sie bewegen sich nicht mehr mit dem Band, müssen also auch keine Wege mehr zurückgehen.

Den Transport der Karosserien und der Teile zwischen den Stationen übernehmen in der modularen Montage fahrerlose Transportsysteme – kurz FTS. Diese sind in der Automobilproduktion zwar seit Jahrzehnten Standard und befördern Teile, Behälter und in einigen Fällen sogar ganze Karosserien; allerdings folgen sie dabei Leitdrähten oder RFID-Chips im Hallenboden. Im Rahmen des Konzeptes der modularen Montage will Audi dem FTS nun ein völlig neues Level an Intelligenz verleihen.

Das neue FTS-Konzept

Konkret werden im Technikum Fertigungsassistenzsysteme in Ingolstadt gerade zwei innovative FTS-Konzepte konzipiert und aufgebaut: das ‚Audi Laser Tracking System‘ und ‚Audi AGV‘ (Automated Guided Vehicle).

Beim Laser-Tracking-System handelt es sich um eine Lösung, die eine Gruppe von FTS erkennen und steuern kann. Ein schneller Rechner ortet diese anhand ihrer Reflektorstäbe über ­einen hochauflösenden Laserscanner und erteilt ihnen über ein Funknetz Manövrierbefehle. Schrittmotoren treiben alle vier Räder des FTS einzeln an, das erlaubt eine präzise Steuerung – wichtig beim Umfahren von Hin­dernissen und beim Andocken an die großen Transportbehälter. Die Geschwindigkeit der Transportroboter erreicht in etwa Fußgängerniveau, sprich knapp sechs Kilometer pro Stunde. Auf dem heutigen Entwicklungsstand kann der Zentralrechner die FTS in einem Radius von zwölf Metern dirigieren – einzeln oder in Zügen. Um eine ganze Halle abzudecken, benötigt man entweder mehrere Laserscanner oder einen Rechner mit Laserscanner als mobile Einheit, die durch die Halle fährt.

Speziell vom Automated-Guided-Vehicle-Konzept verspricht sich Audi großes Potenzial: Indem man die Navigationsdaten mehrerer Einzelfahrzeuge mit einem übergreifenden Flottenmanager vernetzt, entsteht ein intelligentes Gesamtsystem.

© Audi

Noch weiter geht die zweite FTS-Technologie: Die Audi AGVs nutzen eine selbst entwickelte, intelligente Navigationssoftware auf Basis von Automotive Software und Automotive-Software-Entwicklungsprozessen. Dadurch können sie völlig frei Waren vom Lager an die Montagelinie liefern. Sie erkennen komplizierte Verkehrs­situationen und reagieren auf sie fle­xibel. Das Navigationssystem ermöglicht dem AGV autonomes Fahren auf einer definierten Strecke, die im Vorfeld am Rechner konzipiert und simuliert worden ist. Alternativ kann das AGV einen Fahrweg auf einer manuell geführten Fahrt lernen und abspeichern. Auf Basis dieser Karte bewegt es sich daraufhin innerhalb seines Radius frei – nach den Prinzipien des Machine Learning sucht es sich dabei stets den günstigsten Pfad.

Das Audi AGV, intern auch ‚Paula‘ genannt, verfügt über drei Onboard-Laserscanner – zwei an der Front und einen am Heck. Sie ermöglichen ihm Orientierung und sorgen zudem dafür, dass es nicht mit Personen zusammenstoßen kann. Einer der Frontscanner ist nach oben geneigt, so dass er von der Decke hängende Objekte erkennen kann. Die Sensoren dienen auch zur Aufnahme von Messdaten – der Rechner des AGV gleicht diese daraufhin mit den hinterlegten Kartendaten ab. Zusätzlich gleicht die Navigationssoftware die Messdaten der Laserscanner mit den Umdrehungen der Räder ab, das macht eine genaue Lokalisierung möglich.

Die Fahrstrategie des Audi AGV ist defensiv. Es erkennt einen Mitarbeiter und auch eine Elektro-Zugmaschine, die den gleichen Weg kreuzen. Sie erhalten immer Vorrang. Das Tempo ist auf 4,2 km/h beschränkt. Alle Verzögerungen erfolgen weich und energieeffizient – bei ihrer Berechnung nutzten die Entwickler ähnliche Algorithmen, wie man sie auch zur Steuerung der ‚Adaptive Cruise Control‘ (ACC) im Auto einsetzt.

Mit seinen Laserscannern erkennt das AGV den Werkstück-Trailer anhand seiner Konturen. Es fährt ihn millime­tergenau an, selbst wenn er nicht exakt auf seiner vorgesehenen Position steht. Das Einparken über der Ladeplatte geschieht mit der gleichen Präzision. Ein Touchdisplay an der Front, ein umfangreiches optisches Signalkonzept und eine Sprachausgabe ermöglichen die Kommunikation und Interaktion mit der Umwelt. Derzeit absolviert das Audi AGV ausgedehnte Erprobungsfahrten in der A3-/Q2-Montage im Werk Ingolstadt.

Erwartete Einsparung: 20 % plus x

Ein zentraler Rechner steuert die FTS punktgenau – er erkennt den Bedarf jeder einzelnen Station und sorgt so für einen reibungslosen Arbeitsfluss. Kleinere FTS beliefern die Stationen auf diese Weise immer wieder ‚just in time‘ mit den Komponenten, die sie brauchen – von der Schraube bis zum Schiebedach. Die sogenannten Supermärkte, die heute zum Kommissionieren der Teile dienen und sich in manchen Fällen auf ausgelagerten Logistikflächen befinden, sind in dieser Form dadurch nicht mehr nötig – sie werden teilweise aufgelöst beziehungsweise in die Montagehalle verlegt.

Anders als am Fertigungsband sind die Abläufe in der modularen Montage zeitlich und räumlich hochflexibel. Der Einbau der Türdichtungen dauert Audi zufolge bei einem Coupé beispielsweise halb so lange wie bei einer viertürigen Limousine. Wenn der Zentralrechner einen Stau an der Station erkennt, die ein fahrerloses Transportsystem anstrebt, lotst er es in vielen Fällen an eine andere, freie Station. Denn für das Auto ist es egal, ob es zuerst seine Gepäckraumverkleidung oder die Türdichtungen erhalten hat. Auch die Integration eines e-tron-Derivats oder einer anderen Variante stellt mit der modularen Montage kein Problem mehr dar.

In der Betrachtung des Gesamtsystems inklusive der Logistik versprechen sich die Ingolstädter von der modularen Montage einen Produktivitätsvorteil von etwa 20 % plus x. Das ‚x‘ falle umso größer aus, je mehr die Variantenvielfalt zunimmt. Und die intelligenten FTS, für die sich Audi zufolge längst auch andere Unternehmen interessieren, würden mit steigender Stückzahl preiswerter.

Für die Entwicklung des neuen Montagekonzeptes hat sich bereits im Frühjahr 2016 ein Start-up-Unternehmen namens ‚arculus‘ in einer leer stehenden alten Fabrikhalle nahe dem Ingolstädter Werksgelände etabliert, an dem Audi beteiligt ist. Die Entscheidung, die Umsetzung der modularen Montage in ein Start-up auszulagern, ist unter anderem darin begründet, dass sich Audi zufolge am Markt kein Anbieter fand, der die Anlagen und ihre zentrale Steuerung gleichzeitig beherrscht hätte. Bis zur Umsetzung der neuen Ideen in der Serienproduktion werde es nicht mehr lange dauern. Zunächst setzt Audi das neue Prinzip zu Testzwecken in der Motorenproduktion im ungarischen Györ ein. Außerdem ist der Einsatz bei zwei weiteren Projekten geplant.

Durch die Luft geliefert

Die Fluggeschwindigkeit der Drohne bei Audi orientiert sich zunächst am Tempo konventioneller Flurförderfahrzeuge: 2,2 Meter pro Sekunde.

© Audi

Als fliegende Kamerastative sind sie nicht mehr wegzudenken: Multirotor-Drohnen. Audi testet derzeit einen weiteren interessanten Einsatzzweck – den automatisierten Teiletransport in den Werkhallen.

Die Verkehrsinfrastruktur in einem gewachsenen Automobilwerk befindet sich nicht selten nah an der Belastungsgrenze, für zusätzliche Verkehrswege fehlt in den meisten Fällen schlichtweg der Platz. Bei Audi in Ingolstadt wird der Großteil des Warentransports in der Serienproduktion über flurgebundene Förderfahrzeuge abgewickelt; diese bringen die Bauteile zu vorgegebenen Zeiten an den jeweils gewünschten Ort. Doch das etablierte System hat Grenzen: Im Fall einer Nachbestellung, dem sogenannten Eilabruf, kann es unter Umständen zu längeren Wiederbeschaffungszeiten kommen. Der direkte Weg durch die Luft wäre in diesem Fall eine schnelle Alternative.

Bisher hat Audi den Luftraum in den Produktionshallen noch nicht für Transportzwecke genutzt – das könnte sich allerdings bald ändern. Anfang September 2016 war erstmals eine Drohne für den Transport von Bauteilen in der Audi-Fertigung unterwegs – auf Testflügen an einem produktionsfreien Tag. Die definierte Versuchsstrecke der elektrisch angetriebenen UAV (unmanned aerial vehicles) führte dabei größtenteils geradeaus durch die Halle der A3-/Q2-Produktion. Sie enthielt aber auch eine Richtungsänderung nach rechts und zwei nach links. Die eingesetzten Drohnen – mit vier aus Sicherheitsgründen eingehausten Rotoren – führten die zuvor programmierten Flugmanöver ohne Probleme durch.

Unter normalen Voraussetzungen und unter freiem Himmel mit einem stabilen GPS-Signal wären die kurzen Flüge keine große technische Herausforderung. In der Halle eines Automobilwerks sieht das etwas anders aus – hier herrschen strenge Sicherheitsregeln. Darüber hinaus stellen die beteiligten Fachbereiche (Logistik, Montage, Arbeitssicherheit) unterschiedliche Anforderungen an die Lieferungen aus der Luft.

Die ersten Tests und alle Flugmanöver haben speziell geschulte Piloten per Fernsteuerung durchgeführt. Bei der Orientierung half eine neue intelligente Sensorik, die gerade speziell für die Bedürfnisse der Automobilindustrie entwickelt wird.

Weitere Testreihen im laufenden Produktions­betrieb sollen schon bald neue Erkenntnisse über die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Drohnen bringen. Neben dem Transport eilig benötigter Bauteile, dem Einsatz bei kamerabasierten Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten oder einer ‚Follow me‘-Funktion für Lkw auf dem Werksgelände wäre als weiteres Szenario der Hochgeschwindigkeitstransport von eilig benötigten Utensilien denkbar, beispielsweise eines Defibrillators bei Erste-Hilfe-Einsätzen.

Smarter Handschuh in der Logistik

Der Einsatz des ProGlove ist der erste Schritt zum flächendeckenden Einsatz sogenannter Wearables bei Audi.

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‚Smarte‘ Handschuhe erleichtern den Logistik-Mitarbeitern im Audi-Werk Ingolstadt künftig die Arbeit: Für den weltweiten Teileversand nutzen sie einen Handschuh mit eingearbeitetem Barcode-Scanner.

Im sogenannten ‚ProGlove‘, der an ausgewählten Arbeitsplätzen der internationalen Logistik im Verpackungsbetrieb anstelle herkömmlicher Barcode-Scanner zum Einsatz kommt, ist der Scanner bereits im Handschuh integriert. Letzterer verfügt zudem über einen ergonomisch optimierten Triggerknopf am Zeigefinger, der per Daumendruck die Scanfunktion auslöst. Durch optische (LED-Licht), akustische (Buzzer) und haptische (Vibration) Signale weiß der Kommissionierer, dass der Artikel eingescannt wurde.

Der Mitarbeiter kann die Scanfunktion somit durch einfaches Zusammendrücken des Daumens und Zeigefingers auslösen und hat dadurch einerseits beide Hände frei für seine Arbeit und spart sich andererseits zusätzliche Handgriffe – etwa das Aufnehmen oder Ablegen des Scanners. Auch die Laufwege minimieren sich und der Arbeitsablauf im Verpackungsbetrieb wird ergonomischer. „Für unsere Mitarbeiter ist der Scanner-Handschuh eine echte Erleichterung. Sie sind damit flexibler, können sich gut bewegen und die Kartonagen einfacher scannen und verpacken,“ so Hartmut Bartsch, Leiter des CKD-Verpackungsbetriebs (Completely Knocked Down).

Über Funk kommuniziert der Scanner mit der Empfangseinheit. Dieser Access Point ist über USB oder einen gängigen seriellen Anschluss verbunden, die Installation zusätzlicher Software ist nicht notwendig. Der Akku ist für die Dauer einer Schicht ausgelegt und danach innerhalb von zwei Stunden wieder vollständig aufgeladen.

Parallel zum CKD-Verpackungsbetrieb in Ingolstadt durchläuft der Handschuh aktuell auch Pilotphasen in anderen Bereichen der Produktion.

Flexibel verschrauben – mit Leichtbau-Robotern

Montagewagen der Zukunft bei Audi: Statt starren Schraubern kommen flexible Leichtbauroboter zum Einsatz.

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Am Montageband des Ingolstädter Audi-Werks verlangt ein Modell ganz besondere Aufmerksamkeit: der Audi A3 Sportback e-tron. Der kompakte Plug-in-Hybrid weicht in einigen Punkten von seinen Schwestermodellen ab, zum Beispiel bei den Anschraubpunkten der Unterbodenverkleidung.

Aktuell setzt Audi dafür beim Audi A3 mit konventionellem Antrieb einen Montagewagen ein, der aus einem starren Rahmen mit 14 Schraubern besteht. Mit dem sogenannten LBRinline – einem Leichtbau-Roboter in der Linie – haben die Ingenieure im Technikum den Montagewagen nun so weiterentwickelt, dass er die Herausforderung einer gestiegenen Komplexität auf eine neuartige flexible Weise löst. Es handelt sich dabei um einen Montagewagen aus Aluminiumprofilen mit vier Leichtbau-Robotern von Kuka auf einer mobilen Plattform. Ein Mitarbeiter koppelt den Wagen über Zapfen an die Gehängebahn an, dieser fährt dann gut 20 Sekunden lang unter dem Auto mit. Die Leichtbau-Roboter verschrauben die sogenannte cw-Unterbodenverkleidung sowohl beim e-tron-Modell als auch bei den konventionellen Modellen vollkommen selbsttätig. Ein Sicherheitssystem mit drei Laserscannern gewährleistet, dass die Roboter, von denen jeder nur 18,4 kg wiegt, nicht in direkten Kontakt mit dem Mitarbeiter kommen.

Wenn sich der Roboter im täglichen Einsatz bewährt, lässt sich sein Prinzip auf ähnliche Arbeitsschritte übertragen. So sind beispielsweise ergonomisch ungünstige Überkopf­arbeiten in der Produktion auf lange Sicht vermeidbar.