Acatech-Expertise zur Matrixproduktion 08. Jul 2022 Von Martin Ciupek

Flexible Produktion dank Matrix-Struktur: Vorreiter zeigen viel Eigeninitiative

Flexibilität in Produktionsprozessen ist heute wichtiger denn je. Welchen Beitrag dazu cyberphysische Produktionssysteme in Matrix-Strukturen leisten können ohne die Produktivität einzuschränken, zeigt ein Expertengutachten.

Flexible Fertigungszellen helfen wenig, wenn die Prozesse über starre Transportbänder verbunden sind. Eine aktuelle Acatech-Expertise beschäftigt sich deshalb mit den Möglichkeiten von cyberphysischen Matrixproduktionssystemen.
Foto: pantermedia.net / chesky_w

Fest installierte Maschinen und Anlagen erweisen sich als unflexibel, wenn die Produktion öfter angepasst oder gar komplett umgestellt werden soll. Zudem ist jede Umstellung mit entsprechend hohen Kosten verbunden. Ideal wäre es, stattdessen einzelne Funktionsmodule flexibel miteinander kombinieren zu können. Im Auftrag der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) haben Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher nun untersucht, inwieweit cyberphysische Matrixproduktionssysteme Unternehmen hier eine Hilfe sein könnten.

Unter einer Matrix verstehen die Forschenden vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart sowie vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz eine schachbrettförmige Anordnung von Fertigungsmodulen. Das können beispielsweise Warenlager, Fertigungsmaschinen und Transportsysteme sein, die prinzipiell unabhängig voneinander arbeiten und gleichzeitig cyberphysisch vernetzt sind.

Cyberphysisch bedeutet: Im virtuellen Raum gibt es einen Digitalen Zwilling, der die Prozesse sowie die Logistik- und Fertigungsmodule abbildet. Mit einem solchen Abbild werden dann Stoffströme und Maschinenauslastungen optimiert und schließlich wieder reale – physische – Module gesteuert. Unter Experten gelten cyberphysische Matrixproduktionssysteme als Schlüssel zu einer sowohl flexiblen als auch produktiven Fertigung – mit der Unternehmen eine höhere Resilienz gegenüber unerwarteten Veränderungen erlangen.

Bisher gelten Flexibilität und Produktivität in der Produktion als Gegenpole

Dass sich das Team vor allem der Flexibilität und der Produktivität gewidmet hat, liegt daran, dass die beiden Größen bisher in der Produktion als Gegenpole gelten. In der klassischen Werkstattfertigung werden Bauteile wie Bleche beispielsweise in verschiedenen Schritten und einem hohen manuellen Aufwand hergestellt. Das ist zwar sehr flexibel, aber wird mit wachsenden Stückzahlen zunehmend ineffizient. Bei der hochautomatisierten Linienproduktion verhält es sich umgekehrt. Hinzu kommt: Wenn beispielsweise ein Bauteil fehlt, gerät der gesamte Prozess ins Stocken.

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Zur Bewertung von Matrixsystemen in der Produktion, schauten sich die Fraunhofer-Teams vor allem Großunternehmen und größere Mittelständler an, die bereits solche Lösungen in ihrer Fertigung nutzen. Vorreiter bei der Einführung der neuen Systeme sind Unternehmen in der Halbleiterindustrie, aber auch Hersteller von Automobilen oder Elektrogeräten. „Erfreut waren wir, dass die Technologien in vielen der Unternehmen, die Matrixproduktionssysteme einsetzen, bereits einen hohen Reifegrad besitzen“, berichtet Arvid Hellmich, der die Studie am Fraunhofer IWU leitete.

Anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse erarbeiteten die Ingenieurinnen und Ingenieure einen Kriterienkatalog. Darin bewerten sie beispielsweise den modularen Aufbau der Produktionseinheiten, den Umsetzungsgrad eines Digitalen Zwillings, den Einsatz automatisierter Transportsysteme sowie die Rekonfigurierbarkeit von Abläufen.

Matrixproduktion ist teilweise schon Realität: Jetzt sind Komplettlösungen gefragt

Insgesamt fällt die Bilanz positiv aus: „Das Ergebnis der Expertise zeigt, dass Matrixproduktionssysteme eine wirtschaftliche Produktion bei herausfordernden Marktanforderungen ermöglichen und dass Unternehmen mit verschiedenen Produktionsprozessen aus unterschiedlichen Branchen diese bereits teilweise oder auch schon vollständig umsetzen“, fasst Hellmich zusammen.

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Das Gutachten des Fraunhoferteams deckt aber auch Verbesserungsbedarf auf. Petra Foith-Förster, die Leiterin der Studie am Fraunhofer IPA, erklärt dazu: „Überraschend war für uns,dass zwar Einzellösungen für Matrixproduktionssysteme angeboten werden, jedoch keine Gesamtpakete inklusive Anlagentechnik und Prozessautomatisierung.“ Die Unternehmen, die bereits mit modularen Systemen arbeiteten, hätten diese selbst entwickelt. Somit hätten kleine und mittlere Unternehmen, die sich eine eigene Technologieentwicklung nicht leisten können, das Nachsehen. Hier sei eine bessere Vernetzung zwischen den Anbietern und den Nutzern nötig.

Die Acatech-Expertise „Umsetzung von cyberphysischen Matrixproduktionssystemen“ steht zum kostenlosen Download zur Verfügung, unter:

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