Ohne Band und Takt – Modulare Produktion in der Praxis

In der Elektromobilität werden Unternehmen mit sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Produktion konfrontiert. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und zugleich eine effiziente Großserienproduktion zu gewährleisten, setzt die MAN Truck & Bus SE in ihrer ersten Batteriefabrik daher auf ein modulares Produktionssystem. Grundlage für die dynamische Steuerung einer solchen modularen Produktion, ohne starres Fließband und einheitlichen Arbeitstakt [1], sind eine durchgängige Digitalisierung der Prozesse und ein intelligentes Fertigungs­steuerungssystem.

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Mit der Elektrifizierung hat auch für Nutzfahrzeughersteller ein neues Kapitel begonnen [2]. Eine Nutzfahrzeugbatterie besteht bei MAN aus zwei bis vier Ebenen, sogenannten Layern (Bild 1), in denen jeweils die Batteriemodule mit den darin enthaltenen Batteriezellen gruppiert werden, sowie einer Battery Junction Box (BJB), die seitlich als Schalteinheit montiert wird.

Die Batterien haben trotz der unterschiedlichen Bauform eine einheitliche Energiespeicherkapazität und ermöglichen ein modulares Nutzungskonzept, bei dem die Anzahl der Batteriesysteme flexibel an die individuellen Kundenbedürfnisse angepasst werden kann. In den Elektrobussen sind vier bis acht und in den neuen Elektrolastwagen drei bis sechs Hochvoltbatterien verbaut. Die kundenspezifische Batteriekonfiguration sowie die drei Batterievarianten mit teilweise unterschiedlichen Fertigungs­inhalten und Aufbaureihenfolgen erfordern allerdings ein hochflexibles Produktionssystem. Zudem setzt die hohe Dynamik in der Elektromobilität eine hohe Anpassungsfähigkeit des Produktionskonzepts voraus.

Als Organisationsform für die Großserienproduktion wurde daher das Konzept der „modularen (Matrix-)Produktion“ gewählt [3, 4]. Neben der Effizienz einer Großserienproduktion sollen dadurch die hohen Anforderungen an die Flexibilität und die Wandlungsfähigkeit gewährleistet werden. Diese ergeben sich einerseits durch das neue Produkt, die unterschiedlichen Produktvarianten, eine dynamische Produktentwicklung, neue Produktionsprozesse und einen variierenden Produktmix sowie durch eine effiziente Umsetzung von unterschiedlichen Betriebspunkten in der Produktion. Andererseits besteht die Notwendigkeit einer möglichst aufwandsarmen Rekonfiguration des Produktionssystems, um die schrittweise Steigerung der Fertigungskapazitäten, die Integration von weiteren Produktgenerationen sowie technologische Weiterentwicklungen zu realisieren.

Grundprinzipien eines modularen Produktionssystems

Die Organisationsform der modularen Produktion ist durch drei zentrale Grundprinzipien gekennzeichnet [3]: entkoppelte Stationen, ein selbstorganisiertes Produktionssystem und ein integriertes Gesamtsystem (Bild 2).

Die Gestaltung der frei verketteten Stationen verbindet die hohe Arbeitsteilung einer Großserienproduktion mit der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit einer Inselfertigung, indem durch Parallelstationen teilweise höhere Taktzeiten (beispielsweise für das Setzen aller Module in einer Station) sowie ein schrittweiser Auf- und Umbau von einzelnen Parallelstationen ermöglicht werden.

Das selbstorganisierte Produktionssystem zeichnet sich durch einen dynamischen Abgleich zwischen den Bedarfen und den vorhandenen Kapazitäten aus. Die laufenden Fertigungsaufträge mit ihren jeweiligen Arbeitsinhalten, Aufbaureihenfolgen und Bearbeitungszeiten werden kurzzyklisch anhand der Verfügbarkeit und Auslastung den vorhandenen Fertigungs- und Transportkapazitäten zugewiesen. So wird der Bedarf und Zustand im modularen Produktionssystem stetig abgeglichen und umgeplant. Das integrierte Gesamtsystem beschreibt die Einbindung der erforderlichen Logistik- und Qualitätsprozesse in die Planung und Steuerung der modularen Produktion. Ein unmittelbar angrenzendes Hochregallager für Bauteile und Fertigbatterien sowie eine automatisierte und weitgehend sortenreine Materialanstellung ermöglichen eine effiziente Gestaltung der Produktion und Logistik.

Erforderliche Qualitäts- und Fertigstellungsprozesse lassen sich durch den dynamischen Bedarfskapazitätsabgleich unmittelbar in den Fertigungsablauf einplanen und vermeiden nachgelagerte Fertigstellungsbereiche.

Acht Merkmale eines modularen Produktionssystems

In der neuen Batterieproduktion finden alle acht ­Merkmale Anwendung, die ein modulares Produktionssystem charakterisieren:

1. Ohne Band: Flexible Verkettung der Stationen durch fahrerlose Transportfahrzeuge und somit ein individueller Fluss der einzelnen Aufträge auf Basis der jeweiligen Fertigungsbedarfe und Aufbaureihenfolge.
2. Ohne Takt: Berücksichtigung der variantenabhängigen Bearbeitungszeiten der unterschiedlichen Produktvarianten in den jeweiligen Stationen zwischen einer und fünfzehn Minuten.
3. Selbststeuerung der Aufträge: Variable Einplanung (Sequencing) und Zuweisung (Scheduling) der individuellen Fertigungsaufträge zu den Stationen durch ein intelligentes Fertigungssteuerungssystem.
4. Selbststeuerung der Ressourcen: Variable Belegung der manuellen Stationen mit je einem oder zwei Mitarbeitern und dadurch unterschiedliche Betriebspunkte in der jeweiligen Schicht.
5. Sortenreine Bereitstellung direkt am Montageplatz: Automatisierte und weitgehend sortenreine Materialanstellung und somit in der Regel einmalige Handhabung unmittelbar vor dem Verbau.
6. Integrierte Qualität und kurze Regelkreise: Möglichkeit zur unmittelbaren Reaktion auf Abweichungen direkt in der Station sowie durch das Aus- und Wiedereinschleusen in den regulären Prozess.
7. Anpassung an die Mitarbeiter: Mitarbeiterorientierte Gestaltung durch digitale Werkerführung sowie variable Vorgabezeit und Mitarbeiteranzahl während der Qualifizierung.
8. Anpassung an Veränderungen: Einfachere Erweiterbarkeit und Umbau im laufenden Betrieb bei Änderungen der Produktvarianten oder im Produktmix, bei neuen Produktgenerationen oder Produktionstechnologien.

MES mit KI-Komponente aufgrund hoher Anforderungen

Die Umsetzung einer modularen Produktion stellt Industrieunternehmen vorrangig im Bereich der IT-Systemarchitektur vor große Herausforderungen. Um die angestrebte Stückzahl-, Reihenfolge- und Routenflexibilität abzusichern, bedarf es einer durchgängigen horizontalen und vertikalen Vernetzung der IT-Systeme. In dieser Architektur nimmt das Manufacturing Execution System (MES) hinsichtlich der Steuerung und Überwachung der Produktionsprozesse eine entscheidende Rolle ein. Die bereits beschriebenen Anforderungen an Flexibilität und Skalierbarkeit auf der einen, Robustheit und Qualität auf der anderen Seite, stellen große Herausforderungen an die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) dar.

Insbesondere klassische Ansätze der PPS kommen hier an ihre Grenzen. Daher wird für diesen Anwendungsfall ein bereits etabliertes MES mit Hilfe von KI-basierten Optimierungskomponenten erweitert. Ziel ist es, hierdurch kontinuierlich auf Veränderungen in der Produktion zu reagieren, um effektive und effiziente Produktionsprozesse zu gewährleisten. Bild 3 stellt die IT-Architektur inklusive der über- und untergeordneten Systeme dar. 

Fertigungssoftware modularer Produktionsprozesse

Das MES übernimmt die Fertigungsaufträge für die HV-Batterien vom übergeordneten ERP-System (Bild 3; A) und bringt diese zunächst in aufeinander abgestimmte Reihenfolgen für die Layer-, BJB- und Pack-Montage (Sequencing). Die sequenzierten Aufträge werden dann in ihre einzelnen Arbeitsschritte zerlegt und den Arbeitsstationen zugewiesen (Scheduling). Ermöglicht wird dies durch die Verwaltung der einzelnen Arbeitsschritte sowie deren Abhängigkeiten, wie Vorgänger- und Nachfolgerbeziehungen, in Form eines Vorranggraph innerhalb des MES.

Neben dem Scheduling erfolgt gleichzeitig die Generierung und Übermittlung der Auslagerungs- und Transportaufträge an das Lagerverwaltungssystem beziehungsweise die AGV-Flottensteuerung. Der gesamte Scheduling-Prozess erfolgt zyklisch und im Bedarfsfall ereignisbasiert auf Grundlage der Zustands- und Fertigstellungsmeldungen aller Arbeitsstationen. Die Fortschrittsrückmeldungen zu den jeweiligen Arbeitsschritten erhält das MES dabei von dem Werkerinformationssystem (WIS), das in allen Arbeitsstationen eingesetzt wird (Bild 3; B).

Das WIS verantwortet in allen Arbeitsstationen unter anderem die Verbau-Prüfung, die Überwachung von Schraubfällen sowie die kontinuierliche Übermittlung des Bearbeitungsstatus und der verbleibenden Fertigstellungszeit an das MES. Zudem ist das WIS in den manuellen Stationen für die Visualisierung der Montageschritte zuständig. Auf Basis dieser Rückmeldungen kann in der Folge ein bereits durchgeführtes Scheduling im Falle von Produktionsabweichungen, wie einer verzögerten Bearbeitung, erneut durchgeführt und umgeplant werden (Bild 3; C).

Besonderheiten in der Produktion von Batteriesystemen

Bei der dynamischen Zuweisung des nächsten zu planenden Arbeitsschritts zur Arbeitsstation sind neben vorhandenen Rahmenbedingungen eine Vielzahl unterschiedlicher, daraus resultierender Kriterien und Ziele zu berücksichtigen: 

a) Rahmenbedingungen

• Produktionssystem bestehend aus Automatikstationen und manuellen Stationen
• variable Taktzeiten an den Arbeitsstationen mit Bearbeitungszeiten zwischen 1 und 15 Minuten
• bis zu fünf Parallelstationen je Stationsgruppe
• vorausschauende Planung und Übergabe der Transportaufträge an die AGV-Flottensteuerung zur Optimierung der Ressourcen erforderlich
• Scheduling von bis zu 4.500 Arbeitsgängen je Schicht

b) Kriterien und Ziele

• hohe Liefertermintreue
• Minimierung der Durchlaufzeit eines Auftrags
• Minimierung der Umlaufbestände
• hohe und gleichmäßige Auslastung der Arbeitsstationen
• Priorisierung von Arbeitsstationen je Vorgangstyp
• Minimierung der Transport- und Wartezeiten

Zur Lösung dieser multikriteriellen Entscheidungs­aufgabe wird im MES Qualicision AI eingesetzt. Die Modellierung der Entscheidungsaufgabe in Qualicision AI ist intuitiv und flexibel aufgebaut, wodurch der Produktionsleitstand die Wirkung von Kriterien in Bezug auf die Zielgrößen nachvollziehen kann. Durch spezifische Schulungen werden die Mitarbeiter im Umgang mit der KI-Komponente qualifiziert, sodass eine Feinjustierung der Ziele jederzeit möglich ist. Weiter können zusätzliche Arbeitsschritte oder Arbeitsstationen sowie weitere Kriterien beim Sequencing und Scheduling ohne ein aufwendiges Umprogrammieren der Algorithmen integriert werden. Dies ist in Bezug auf die hohen Anforderungen an die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Batterie­produktion ausschlaggebend.

Effizienz und Effektivität dank modularer Produktion

Die modulare Produktion kann eine Antwort darstellen, um trotz Produktvielfalt und kurzer Entwicklungszyklen die HV-Batterien in einer Volumenproduktion effektiv und effizient zu fertigen. Dadurch ergeben sich wesentliche Vorteile, wie ein flexiblerer Umgang mit Produktänderungen und Produktionsanpassungen. Gleichzeitig bedingt die modulare Produktion einen reibungslosen Informationsfluss über sämtliche IT-Systeme hinweg sowie eine entsprechende Mitarbeiterqualifizierung. Die Planung und Steuerung dieser Montageorganisation ohne die Nutzung der Potenziale von KI erscheint durch die Komplexität kaum realisierbar. Hier bedarf es eines intelligenten MES in einer ganzheitlich abgestimmten IT-Architektur.

Zusammenfassend stellen Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Produktion im Bereich der HV-Batterien zentrale Anforderungen dar, die trotz der bestehenden Herausforderungen durch das Konzept der modularen Produktion erfüllt werden können.

DOI: 10.30844/FID.24.4.WK

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