Werkzeuge der digitalen Fertigungsplanung fördern schnelles organisches Wachstum

Siemens Rail Systems Case Study

Alle Regional- und Hochgeschwindigkeitszüge, die Siemens Rail Systems in Deutschland produziert, passieren die Tore des Fertigungsstandortes Krefeld-Uerdingen, strategisch günstig zwischen Düsseldorf und Dortmund gelegen. Siemens hat diesen Vorteil genutzt und das Werk zu einem der wichtigsten Kompetenzzentren der Eisenbahnindustrie ausgebaut. Jährlich werden – mit circa 2.000 Mitarbeitern, die Schienenfahrzeuge, elektrische Systeme und Fahrzeugkomponenten entwickeln und produzieren – über 450 Schienenfahrzeuge ausgeliefert.

Im Werk werden die Aluminiumkomponenten zu den Waggonkarosserien zusammengefügt, verschweißt, lackiert und mit allen anderen Systemen komplettiert. Regionalzüge wie der Desiro oder der Hochgeschwindigkeitszug Velaro, beide beispielsweise in Großbritannien im Einsatz, werden in Krefeld produziert und vor der Auslieferung auf einer firmeneigenen Bahnanlage getestet. Der Hochgeschwindigkeitszug Velaro wird bereits in Spanien, China und Russland eingesetzt, demnächst auch in seinem Herstellungsland Deutschland.

Fertigungsplanung komplexer Produkte erfordert spezielle Software-Tools

Die heutigen großen wirtschaftlichen Herausforderungen beschreibt Ulrich Semsek, Leiter des Krefelder Werkes: „Wir stehen permanent unter Druck, unsere Züge termingerecht auszuliefern, denn bei ständig steigenden Auftragszahlen fordern unsere Kunden gleichzeitig kürzere Lieferzeiten und immer anspruchsvollere Produkte. Ein typischer Zug ist ein sehr komplexes Produkt mit circa 400.000 Einzelteilen. Dabei beträgt die Zahl gemeinsamer Komponenten eines Zugmodells, das für unterschiedliche Länder produziert wird, manchmal nur zehn Prozent, die Züge sind also sehr unterschiedlich. Um diese Komplexität zu beherrschen, brauchen wir die richtigen Werkzeuge und haben deshalb ein Projekt für die digitale Fertigungsplanung aufgesetzt. Es basiert auf der Lösung Manufacturing Process Planner aus dem Tecnomatix®-Portfolio und ist ein Schlüsselelement, um unsere Züge fristund qualitätsgerecht an unsere Kunden ausliefern zu können.“

Schließen der Lücke zwischen Produktentwicklung und Fertigungsprozessplanung

„Ein Vorteil von Manufacturing Process Planner ist, dass die Software uns hilft, die typischen Barrieren zwischen den Produktentwicklern und den Fertigungsingenieuren zu überwinden“, fährt Semsek fort. „Die Fertigungsplaner haben jetzt bereits während des Entwicklungsprozesses Zugriff auf die Produktdaten und können früh mit der Planung des Produktionsprozesses beginnen, wodurch die Produktentstehungszeit signifikant reduziert wird.“

Die Tools für die digitale Fertigungsplanung enthalten eine enge, bi-direktionale Schnittstelle zwischen dem verwendeten ERP-System von SAP® und der Datenmanagement- Software Teamcenter®. Die Entwicklungs-Stückliste (Engineering Bill of Materials – E-BOM) wird aus SAP in Teamcenter importiert und schließt die Struktur (hierarchische Informationen), relevante Attribute (wie Materialinformationen), Transformations-Matrizes sowie assoziierte geometrische Daten im JT™- Format ein. Die nahtlose Integration zwischen Teamcenter und SAP realisiert und ermöglicht die Aktualisierung der Stücklisten bei neuen Versionen.

Der Prozess funktioniert so: Der Fertigungsplaner erstellt die Fertigungsstückliste (Manufacturing Bill of Materials – M-BOM) aus der Entwicklungsstückliste (E-BOM). Spezielle Funktionen ermöglichen es ihm, die Hierarchie einfach zu ändern. Das ist nötig, weil die Fertigungsstückliste nach Fertigungsabläufen strukturiert ist, nicht nach Entwicklungsüberlegungen. Zusätzlich kann der Planer fertigungsspezifische Dinge oder Merkmale hinzufügen, wie beispielsweise Schmierstoffe, die nicht in der Entwicklungsstückliste enthalten sind. Teamcenter greift auch auf andere Informationen aus SAP zu, wie zum Beispiel auf mit Fremdsystemen konstruierten und verwalteten Werkzeugdaten. Anschließend wird die Fertigungsstückliste (M-BOM) zurück nach SAP exportiert, um die IT-Produktionssysteme mit den richtigen Daten zu versorgen. Martin Olbrich, verantwortlich für das Montage- Engineering, sagt dazu: „Wir sind von der Offenheit der Lösungen für die digitale Fertigungsplanung von Siemens PLM Software überaus beeindruckt. Sie ermöglichen uns die nahtlose Integration zwischen der Fertigungsplanung mit dem Manufacturing Process Planner und kommerziellen sowie sonstigen vorhandenen Lösungen unserer IT-Umgebung.“

Digitale Fertigungsplanung unterstützt die Verbesserung des Verkehrsnetzes

Das Verkehrsnetz in und um die Stadt Sotschi in Russland, in der Nähe des Schwarzen Meeres, steht vor umfangreichen Veränderungen. Um diese zu unterstützen hat Siemens vom russischen Bahnunternehmen Russian Railways (RZD) den Auftrag zur Lieferung von 54 Regionalzügen erhalten. Die ersten 38 Züge auf Basis des Modells Desiro werden komplett am Krefelder Standort von Siemens Rail Systems gefertigt. Sie fahren bis zu 160 km/h schnell und sollen im Herbst 2013 den Betrieb aufnehmen.

Dieses Projekt zeigte dem Krefelder Team die enormen Vorteile auf, die mit dem Einsatz von Manufacturing Process Planner zu erzielen sind. Im Einzelnen definieren die Fertigungsplaner sowohl die Montageals auch die Schweißprozesse, indem sie die Fertigungsoperationen vorgeben, die Einzelteile den Operationen zuordnen und die Werkzeuge für jede Operation bestimmen. Die Dauer jeder einzelnen Fertigungsoperation wird mithilfe einer Schnittstelle zwischen dem Manufacturing Process Planner und einem speziellen Zeitanalyseprogramm exakt berechnet. Da die Arbeitsabläufe bei Einsatz des Manufacturing Process Planners hoch automatisiert sind, wird signifikant weniger Planungszeit benötigt. Zusätzliche enthaltene Konsistenzprüfungen stellen darüber hinaus sicher, dass alle Einzelteile erfasst werden. Schließlich werden die kompletten Fertigungsinformationen an das SAP-System übertragen und konsequenterweise auch andere relevante ITSysteme auf den aktuellen Stand gebracht. „Einer der klaren Vorteile beim Einsatz der neuen Lösung, die wir in diesem Projekt erkannt haben, ist das einfache und schnelle Umsetzen von Änderungen“, betont Olbrich.

„Gerade Änderungen sind in unseren Planungsprozessen durch die komplexen Produkte und den hohen Grad der Anpassung an die Kundenwünsche sehr häufig nötig. Der Manufacturing Process Planner gibt uns eine klare Methode vor, um Produktänderungen schnell zu erfassen, deren Auswirkungen zu analysieren und in den Prozessplan zu übertragen.“

Strategische Nutzung zeigt Wertschöpfung über unterschiedliche Disziplinen auf

„Wir betrachten dieses Projekt für die digitale Fertigungsplanung als strategisches Projekt. Es geht nicht darum, Arbeitskräfte zu sparen“, sagt Semsek. „Unsere Kultur ist es vielmehr, in innovative Lösungen zu investieren, um damit Marktvorteile und Wachstum zu erzielen.“ Semsek bemerkt dazu weiter, es sei typisch neue Dinge, auch mit Risiken, zu testen und zu versuchen, daraus praktische Vorteile zu ziehen, die dann sogar oft die Erwartungen übertreffen.

„Unser Projekt für die digitale Fertigungsplanung bringt uns echten Mehrwert. Die strukturierten Methoden und Arbeitsabläufe schaffen messbare Vorteile, durch die bessere Zusammenarbeit nicht nur in der Fertigung, sondern auch bereits im Entwicklungsprozess. Interessant ist auch, dass wir dort Vorteile erzielen, wo wir sie gar nicht erwartet haben. So unterstützen die Tools der digitalen Fertigungsplanung perfekt unsere laufende Initiative für schlankere Montageprozesse.“

Bernd Niesel, verantwortlich für die gesamten Schweißprozesse im Krefelder Werk, beschreibt einen weiteren Vorteil: „Als wir die Software implementierten, wollten wir sie hauptsächlich für die Montageprozesse nutzen. Als wir jedoch die Vorteile der Lösung dort erkannten, wurde uns schnell klar, dass sie auch für die Schweißprozesse sinnvoll einzusetzen war. Die Fahrgestelle bestehen aus 1.000 bis zu 2.000 Teilen, die überwiegend manuell verschweißt werden. Mit dem Manufacturing Process Planner erzielten wir schnell große Vorteile, indem wir die optimale Schweißfolge, unter Berücksichtigung der physikalischen Materialbedingungen, vorab analysieren und festlegen können.“

Weniger Fehler durch den Manufacturing Process Planner

Exakte, visuelle und möglichst selbsterklärende Arbeitsanweisungen sind einer der Schlüssel, um kostspielige und zeitaufwendige Fehler in der Montage zu vermeiden. Die Fertigungsplaner im Krefelder Werk hatten die Erfahrung gemacht, dass viele Probleme in der Werkstatt durch nicht ausreichend klare Arbeitsanweisungen verursacht wurden.

Diese waren oft schwer zu verstehen und boten wenig visuelle Unterstützung. Auch war nicht immer eindeutig zu erkennen, ob die Anweisungen noch aktuell waren. Letztendlich erfolgte der Gebrauch der Arbeitsanweisungen durch die Mitarbeiter in der Fertigung nicht konsistent und alles andere als optimal.

Um dieses Problem anzugehen, prüfte man den Einsatz einer Anwendung zur Erzeugung von 3D-PDF-Arbeitsanweisungen basierend auf Manufacturing Process Planner. Olbrich erklärt dazu: „Weil wir nach einer Lösung suchten, um die Nacharbeit und den Ausschuss in der Werkstatt zu reduzieren, waren wir sofort von dieser Lösung für die Erstellung visueller Arbeitsanweisungen begeistert. Wir definierten eine PDF-Vorlage, mit der wir die Arbeitsanweisungen in einem Format erzeugen können, das an jedem Grafikbildschirm den Mitarbeitern in der Produktion zur Verfügung steht. Jede dieser Arbeitsanweisungen im PDF-Format enthält eine Liste der aufeinander folgenden Fertigungs- oder Montageschritte. Diese enthalten die dafür nötigen Werkzeuge und Parameter, beispielsweise für das richtige Drehmoment bei Verschraubungen, Sicherheitswarnungen, Informationen zur nötigen Qualifikation der Arbeiter und vor allem den einzelnen Schritten zugeordnete Abbildungen. Mit solch eindeutigen Inhalten der Arbeitsanweisungen, besonders durch die visualisierten Prozesse, haben wir gleichzeitig beschlossen, die Kommunikation mit der Installation von 23-Zoll-Bildschirmen in der Produktion zu verbessern. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass wir mit dieser Methode die Arbeitsanweisungen bei Änderungen sofort aktualisieren können. Wird ein Teil geändert, sorgt Teamcenter dafür, dass alle relevanten Arbeitsanweisungen ebenfalls auf den neuesten Stand gebracht werden. Haben wir früher viel Zeit und Mühe dafür verwendet, 2D-Montagezeichnungen für die Werkstatt zu erzeugen, so ist das jetzt mit der effektiven neuen Methode und darüber hinaus dem Erhalt von wesentlich eindeutigeren Arbeitsanweisungen nicht mehr nötig.“

Dynamische 3D-Simulation komplexer Montage-Szenarien

Process Simulate aus dem Tecnomatix- Portfolio, integriert mit dem Manufacturing Process Planner, wird für die Simulation aller Montageprozesse genutzt, die eine virtuelle Validierung erfordern. Die Simulation wird komplett in einer 3D-Umgebung durchgeführt. Sie umfasst typischerweise die gesamte Produktmontage, einschließlich der verwendeten Werkzeuge und Vorrichtungen sowie deren Logistik.

Olbrich erklärt: „Wenn uns alle diese Daten im Zusammenhang einer Baugruppe zur Verfügung stehen, können wir im Voraus sicherstellen, dass der geplante Prozess in der Produktion ausgeführt werden kann. Als Beispiel können wir die Montage der Kupplungs- und der Crashbox-Module am Anfang eines Zuges nehmen. Dies ist ein kompliziertes Szenario, denn egal welches Modul zuerst montiert wird, es macht die Montage des anderen Moduls schwierig. Wurde früher die Montagereihenfolge solcher Module von der Entwicklungsabteilung festgelegt, können jetzt die Fertigungsplaner mit Process Simulate die optimale Reihenfolge der Montagesequenzen analysieren. Unter Einbeziehung der Werkzeuge und Vorrichtungen, fanden wir für dieses Beispiel heraus, dass wenn zuerst die Crashbox montiert wird, zusätzliche und kompliziertere Montageschritte entfallen.“

„Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass wir die Ergebnisse der Simulationen einschließlich der bildlichen Darstellungen und aufgezeichneter Animationen sehr gut für die Schulung unserer Werkstattmitarbeiter einsetzen können.“

Zukünftiger Nutzen: Kapazitätsplanung und Demontage

Da Siemens Rail Systems signifikanten Nutzen aus dem Einsatz der Software- Lösungen für die digitale Fertigungsplanung erzielt hat, werden jetzt weitere Lösungen aus dem Tecnomatix-Portfolio evaluiert. Dazu zählt unter anderem Plant Simulation.

„Wir haben ein Modell für die ereignisorientierte Simulation einer unserer Vormontage-Linien erstellt, um damit unsere Ressourcen-Kapazitätsplanung zu unterstützen. Fertigungsprozess und -ressourcen werden mit Teamcenter definiert und an Plant Simulation übertragen. Die ersten Ergebnisse zeigen Potential für beachtliche Produktivitätsvorteile, so dass wir Plant Simulation wohl einführen werden.“

Ein anderer vielversprechender Bereich ist die Demontage-Analyse für Wartungsund Service-Arbeiten. „Wartung und Service zählen zur Gesamtlösung, die wir unseren Kunden bieten“, so Olbrich. „Mit Process Simulate können wir natürlich genauso wie die Montage auch die Demontage simulieren, dafür die jeweils beste Methode herausfinden und zusätzlich unser Wartungspersonal effektiv ausbilden.“

Semsek resümiert: „Unserem Unternehmen geht es sehr gut. Wir haben kürzlich von der Deutschen Bahn den Auftrag für die Lieferung von ICx-Zügen erhalten – den größten Einzelauftrag in unserer Geschichte. Um für dieses Wachstum gerüstet zu sein, müssen wir technologisch führend sein. Dazu zählt auch der Einsatz fortschrittlicher Lösungen für die digitale Fertigung. Andere Werke unserer Division lernen bereits von uns und übernehmen ebenfalls diese Tools und Methoden, die wir mit den Lösungen von Siemens PLM Software entwickelt haben.“