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European Regional Development Fund
INDUSTRIE 4.0 FÜR DIE SPANABHEBENDE INDUSTRIEInterreg NWE Projekt Machining 4.0
Prof. Dr.-Ing. Hans Wernher van de Venn [email protected], 15. August 2019
Übersicht
• Das Interreg Projekt Machining 4.0 in Kürze
• Die Möglichkeiten – Wie wir Sie unterstützen können
• Das ZHAW Fieldlab und die Lernfabrik im Detail
• Welche Industrie 4.0 – Themen können wir im Fieldlab zeigen?
• Demo Fieldlab
• Workshop
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Institut für Mechatronische Systeme
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Fieldlab undDigitale Lernfabrik Industrie 4.0
Prof. Dr.-Ing. Hans Wernher van de Venn
Director of Institute of Mechatronic Systems IMS
Zurich University of Applied Sciences, ZHAW
IMS
Institute of Mechatronic SystemsApplied Science in Mechatronics
4.0
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Machining 4.0 – Die Projektidee in Kürze
KMUs in der Entwicklung hin zu Industrie 4.0 unterstützen
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Ein EU finanziertes Projekt*, zur Unterstützung der Innovationsfähigkeit in KMU der spanenden Industrie
*Schweizer Partnerinnen und Partner können keine EU-Kofinanzierung beantragen. In der Schweiz läuft die Kofinanzierung über ein eigenes nationales Budget im Rahmen der NRP. Machining 4.0 wird freundlicherweise mitfinanziert vom Bundesamt für Raumentwicklung ARE, dem Kanton Schaffhausen und dem Kanton Zürich.
• Erhöhung des Innovationsniveaus in der spanenden Industrie…
• Entwicklung hin zu wettbewerbsfähigeren Unternehmen…
… durch Industrie 4.0
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Ziele des Projektes
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• Erhöhung der Produktivität um 30%
• Reduzierung der Durchlaufzeit um 50%
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Konkrete Entwicklungsziele des Projektes
• Praktische Werkzeuge
• Anwendungen
• Workshops
für die spanende Industrie
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Schwerpunkte
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• Relevantes Wissen über Industrie 4.0
• Innovative Technologien im spanenden Bereich
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Webportal Machining 4.0
https://www.machining4.eu/
• Relevante Technologien
• Mögliche Anwendungen
• Praktische Beispiele
• Testimonials / Berichte von Anwendern
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Machining 4.0 liefert den Überblick
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• Anwendungen für die spanende Industrie
• für KMUs zugeschnittene Lösungen
• Standards
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Konkrete Anwendungen und Lösungen
• Zugang zu dem nötigem Know-how und entsprechenden Technologien
• Tech. Demonstrationen in Workshops
• Möglichkeit zum Testen von eigenen Ideen
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Fieldlabs
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• In den Fieldlabs werden insgesamt 12 konkrete Anwendungen gezeigt
• Alle Fieldlabs können im Rahmen von verschiedenen Veranstaltungen besucht werden
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12 Beispiele in den Fieldlabs
• Wissensaustausch
• Grosses Netzwerk
• Viele Anwendungen
• Hochschulen
• Industrie
• Europäischer / nationaler Support
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Vorteile
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• Machbarkeits-untersuchungen
• Experimente
• Industrie 4.0 ReadinessAnalysen
• I4.0 Roadmaps
• ….
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Voucher / finanzielle Unterstützung von KMUs
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Wo Sie Machining 4.0 finden…
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Industrie 4.0 für die spanabhebende Industrie
Wie wir Sie unterstützen können
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Ziel des heutigen Workshop Programms
• Möglichkeiten der Zusammenarbeit und des Fieldlabs aufzeigen
• Demonstration des Fieldlabs in seiner jetzigen Ausbaustufe
• Workshop zu drei ausgewählten Themen:Cloud Manufacturing, Augmented Reality, Digitaler Zwilling
o Fragen klären, Problemstellungen aus dem eigenen Betrieb einbringen
o Ideen sammeln wie wir diese Problemstellungen lösen können und
o falls gewünscht und möglich auf der Grundlage der gesammelten
Ideen: Voucher beantragen über ZHAW bzw. SWM
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• Industrie 4.0 Demonstrator
• Lernfabrik auf Bachelor- und Masterstufe(Projektarbeiten, Bachelorarbeiten)
• Lernfabrik in der Weiterbildung, CAS, MAS
• Forschungsplattform / Fieldlab für Hochschule und Industrieo Smart Factory
Cyberphysikalische Systeme Digital Twin KI in der Produktion Cloud Manufacturing Predictive Maintenance Augmented Reality Mensch-Roboter Kollaboration …
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Möglichkeiten der Zusammenarbeit: ZHAW
• Besuch der Fieldlabs• Aufbau der Technologiedatenbank
(Bedürfnisse der KMUs)• Evaluation der ersten Version der
Technologiedatenbank• Use-Cases bereitstellen• Herausforderungen für KMU
einbringen• An den Workshops und
Projektveranstaltungen teilnehmen (Bitte hinterlassen Sie uns ihre Koordinaten falls Sie an weiteren Events interessiert sind)
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Möglichkeiten der Zusammenarbeit: Interreg Projekt
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Im Rahmen des Interreg Projektes: Voucher Prozess
STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 STEP 5
Unterzeichneter Vertrag
Start project
Bewertung durch lokalen Partner
Sind Sie förderberechtigt?*
Antragsformular ausfüllen
Bewertung durch TOC
STEP 6
*Als KMU (SME) gelten nach Definition der Europäischen Kommission
Unternehmen mit weniger als 250 Beschäftigten. Sie sollen einen
Jahresumsatz von bis zu 50 Mio. Euro oder eine Bilanzsumme von höchstens
43 Mio. Euro haben.
TOC=
Transnational
Operational
Committee
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Kriterien für die Vergabe des Vouchers
1. Das Unternehmen muss ein KMU nach der europäischen KMU-Definition sein
2. Das Thema muss innerhalb der Themen des Projektes „Machining 4.0“ liegen. Dies kann Themen zu
Geschäftsstrategie, Organisation, Ausbildung und technischen Aspekten umfassen
Der erwartete Nutzen muss für das Unternehmen klar erkennbar sein:
Zum Beispiel: Kostensenkung, Lieferungsverbesserung, Qualitätsverbesserung
3. Das Unternehmen muss bereit sein, seine Erkenntnisse durch Präsentationen, Veröffentlichungen,
Unternehmensbesuche, Workshops usw. mit anderen Unternehmen zu teilen. Hinweis: Das
Unternehmen muss für eine langfristige Nachverfolgbarkeit des Projekts offen sein
4. Das Projekt, muss sich mit der Anwendung verfügbaren Wissens befassen.
Forschungsprojekte sind ausgeschlossen. Ein oder mehrere Partner müssen bereit und in der Lage sein,
das Unternehmen zu unterstützen
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Das ZHAW Fieldlab und die Lernfabrik im Detail
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Technologien in Fieldlab und Digital Learning Factory
Robotics
Digital Twin
Cyber-Physical Systems
Internet of Things
CybersecurityCloud Computing
3D Printing
Augmented Reality
Big Data
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Unsere Partner im Fieldlab der ZHAW
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Prozess:Montage, Beschriftenund Prüfen einesKugelschreibers
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Fieldlab Produkt und Prozess
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Fieldlab Module
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Feder und
KnopfMontage und
Übergabe
SMCSMCSMC
REA JETJenny Science
Wittich
StäubliIMS
Asyril
Bosch Rexroth
Bo
sch
Rex
roth
Steuerungen: SiemensPanels: Sigmatek
Du
rch
lau
fric
htu
ng
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Fieldlab Bestellvorgang
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Configure and produce
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Fieldlab Cloud Manufacturing
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Cloud Manufacturing
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Welche Industrie 4.0 – Themen können wir im Fieldlab zeigen?
- Eine Auswahl -
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1. Intelligente Systeme (CPS)
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• Selbststeuerung und Vernetzung über die Cloud• Plug-and-Produce• Selbstauskunft der CPS statt Datenbasis• Wandelbarer Funktionsumfang der Systemelemente
Einer der wesentlichen neuen Ansätze von Industrie 4.0 ist die Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Cyber-Physikalischen Systemen (Arbeitsstationen undProdukt). Vor allem darin liegt der Schlüssel zu den neuen Möglichkeiten
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CPS 1CPS 3
CPS 2
CPS Transport
CPS Produkt
Gib mir die rote Kappe
Ich habe Minen
Ich habe Federn
Ich transportiere Dich
Wie zeigen wir das im Fieldlab?Intelligentes Produkt
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Intelligenz:• Skills und Services, Modelle
in der Cloud• Systemplanung,
Teileidentifikation• Nutzung v. Cloud-Ress.• Produkt (bzw. Carrier) hat
RFID und kennt seinen Zustand / Montageverlauf
Wie zeigen wir das im Fieldlab?Intelligente Arbeitsstation
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Workstation assistance
system
Line Operator
Transport-system
Produkt und RFID
Roboter Assembly Station
Skills, Services
Produktdaten
Sensoren
Aktoren
PositionsdatenInstruktionen Produkt ID Steuerdaten
MES Produkt CAD
Portal
Systemplanung
Teileidentifikation
Montageoperation
Objektlokalisierung
Task / Path Planung
ERP
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2. Skalierbare Prozesse und Strukturen
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• Skalierbare Automation• Mensch Roboter Kooperation• Skalierung an tagesaktuelles Produktionsprogramm• Systemanpassung an Ressourcenverfügbarkeit
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Heute hat man vielfach noch die starre Kopplung von Produktionsaufgabe und Ressource. Die Gesamtanlage ist optimiert auf einen Betriebspunkt, wenn ich den nicht treffe, produziere ich zu wenig oder zu viel für den Markt, beides ist sehr kostenintensiv.
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• Die Produktion der Kugelschreiber erfolgt
auf direkte Kundenanfrage (Losgrösse 1)
• Die Produktion ist individualisierbar
(Farben, Aufdruck) und skalierbar (Buffer-
Linie)
• Die Robotermontagestation ist eine
Mensch-Roboter Kollaboration
• Standardisierte Schnittstellen:
Alle Komponenten haben einen Digitalen
Zwilling und kommunizieren über die
Verwaltungsschale (RAMI4.0)
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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Variable Produktion und standardisierte Schnittstellen
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3. Nutzung von Cloud Manufacturing und externen IT Ressourcen
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• Outsourcing von IT-Ressourcen und IT-Dienstleistungen• Auf die benötigte Kapazität skalierbare IT Infrastrukturen• Intelligente Datenstrukturen• KI basierte Auswertung grosser Datenvolumina (Big Data)• Nutzung von Apps zum standortunabhängigen und mobilen Datenzugriff
Konventionelle Lösungen sehen heute alle Regelungs- und Steuerungsfunktionen weitestgehend an der Anlage bzw. jeweiligen Komponente vor. Industrie 4.0 ermöglicht über die intelligente Vernetzung eine Auslagerung von Funktionen an entfernte IT-Komponenten (Clouds) und darüber hinaus die Nutzung zusätzlicher Funktionalitäten
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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Cloudbasierte Steuerungsstruktur
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Lokale Ressource
Konventionell
Lokale Ressource
Steuerung+
Realtime control
Prozess Prozess
Cloud Ressource
Steuerung
Industrie 4.0
Realtime control
Storage Services
Artificial Intelligence Services
Monitoring Services
Virtual machine
Cyber-PhysicalSystem
Anlagensteuerung
ERPMES
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MES
ERP
Connected factory:Die Cloud bringt alle Ebenen zusammen
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Integrationsebenen
1. Shop floor zu ManagementVertikale Integration
2. Machine to MachineCyber-Physical Systems
3. Integration der KundenOnline Konfig. und Bestellung
4. Integration der ZuliefererProduktionszusammenarbeit
5. Machine to CloudPredictive Maintenance, Predictive Quality
Cloud Services
Storage Services
Monitoring Services
MachineData
Fabrik 2Fabrik 1 Fabrik 3
Quality Manager
Service Provider
Zulieferer
Kunde
E-Portal
Collaboration Tool
②
①① ①
②②
③
③
③
④
④
④
⑤
⑤
⑤③
④④
⑤
⑤
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4. Materialfluss (weitgehend) durch Informationsfluss ersetzen
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Heute ist der Informationsfluss starr mit dem Materialfluss verbunden. Die Produktion muss aber möglichst vorausschauend reagieren können.Die Folgen sind oft: hohes Puffer-Bestandsniveau zur Aufrechterhaltung der Lieferfähigkeit und zum Ausgleich von Fehlern.
• Echtzeit Informationsverfügbarkeit bis in den Shopfloor• Anforderungsgerechte Informationsbereitstellung• Intelligente Integration von Information• Simulation basierend auf Echtzeitdaten
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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Systeme
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Quelle: IMS ZHAW
Quelle: Bosch Rexroth
AugmentedReality Infos mit Hololens
Shopfloor Information System
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Quelle: IMS ZHAW
Worker / Workstation Assistance System
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Wie zeigen wir das im Fieldlab?Infozugriff über Cloud
Assembly station 1
Assembly station 3
Assembly station 2
Manufacturing cloud
Cloud Gateway
RFI
D R
ead
er
CPS 1 CPS 2 CPS 3
Real-time shop-floor Planungs- und
Monitoring System
SCADA SCADA SCADA
RFI
D R
ead
er
RFI
D R
ead
er
Workstation assistanceSystem (Smartphone, Tablet, Hololens, …)
…
Send order to cloud
Provide serial #
SCADA =
Supervisory Control And Data Acquisition
ERPMES
Speicher Services
Monitoring Services
Produkt/Maschinen
Daten
E-Portal
Collaboration Tool
5. Alle Komponenten haben einen digitalen Zwilling
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• Selbständige automatisierte Pflege von Stamm- und Bewegungsdaten• Erfassung, Überwachung, Lernen und Vorausschau mit Live-Daten• Produktionssteuerung mit tagesaktueller Auftragslage• Verbesserte Prognosefähigkeit
Heute ist der Informationsfluss von der Planungs- zur operativen Ebene ein sequentieller Prozess. Die Daten kommen im Produktionsfortschritt.Häufig inkonsistente und inkorrekte Daten, da Simulation mit Vergangenheitsdaten durchgeführt wird. Hoher Planungsaufwand in verschiedenen Planungsphasen.
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Wie zeigen wir das im Fieldlab?
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Digital Twin für die gesamte Industrie 4.0 Anlage.Durchgehende physikalische Simulation der Anlage mit Siemens NX12 Simcenter 3D
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6. Optimierung der Produktion durch Big Data und KI
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Heute versucht man sich mit Lean Optimierung (Six Sigma) an komplizierten Systemen, d.h. man sucht nach Ursachen (Kausalität) von Störungen oder Problemen.Expertenwissen zur LösungsfindungHauptfrage: WARUM?
• Auswertung mit Big Data Algorithmen• Automatisierte Mustererkennung und Klassifizierung (KI)• Suche nach Rezepten (Korrelation)• Hauptfrage: WAS?
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PredictiveMaintenance
RemoteMaintenance
ServiceVerbesserung
•Mehrwert für den Kunden•Erhöhte Serviceerlöse und reduzierte Lieferkosten für Unternehmen
Echtzeit-Maschinen- und Produktivitäts-daten von
Cyber-Physischen-Systemen
Sammlung, Speicherung und
Analyse von Daten in der Cloud-
Infrastruktur
EchtzeitShopfloor Daten
Wie zeigen wir das im Fieldlab?
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Was können wir mit Industrie 4.0 erreichen?
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Kostenart Effekte Potenzial
Lagerkosten• Reduzierung der Sicherheitsbestände• Vermeiden von Peitscheneffekt (Aufschaukeln von Problemen i.d. Lieferkette)
-30 bis -40 %
Herstellungskosten
• Verbesserung der Gesamteffektivität des Maschinen und Anlagen• Prozessregelkreise• Verbesserung der vertikalen und horizontalen Personalflexibilität• Verwendung intelligenter Systeme
-10 bis -30%
Logistikkosten• Höherer Automatisierungsgrad (Milkruns, Kommissionierung usw.)• Smart Wearables
-10 bis -30%
Komplexitätskosten
• Grössere Überwachungsspanne• Reduzierte Fehlersuche• Prosumer-Modell• Everything as a service (Xaas)
-60 bis -70%
Qualitätskosten • Real-time Qualitätskontrolle -10 bis -20%
Wartungskosten• Optimierung der Lagerbestände für Ersatzteile• Zustandsbasierte Instandhaltung (Prozessdaten, Messdaten)• Dynamische Priorisierung / Predictive Maintenance
-20 bis -30%
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