27.10.2021 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Modularisierung in der Produktionstechnik: Was passt zu meinen Maschinen?

ModularisierungQuelle: Harting

Zunehmende Automatisierung und Modularisierung der Produktionssysteme bringen für die OEMs und die Endanwender technische und betriebswirtschaftliche Vorteile.

Schnittstellen bilden einen wichtigen Bestandteil dieser Modularisierung. Aber in welchen Disziplinen der Produktionstechnik müssen diese bestimmten Standards folgen und in welchen empfehlen sich andererseits individualisierte Schnittstellen?

Modularisierung vs. Individualität?

Eine der bedeutendsten Herausforderungen in der Produktionstechnik heute ist die Frage: Wie bediene ich die „ausgefallenen“ Wünsche der Endverbraucher? Eine schlüssige Antwort hat der Roboterhersteller KUKA formuliert: „Der Schlüssel [zur massenhaften Individualisierung] liegt in einem hohen Standardisierungs- und Automatisierungsgrad, der gleichzeitig Raum für Variationen von kundenrelevanten Produktmerkmalen lässt. Auch das Konzept der Modularisierung, das dem Kunden eine individuelle Produktkonfiguration … bietet, ist eine kosteneffiziente Möglichkeit, individuelle Kundenwünsche … zu erfüllen.“ [1]

Die Individualisierung, wie sie gegenwärtig angestrebt wird, ist nicht zuletzt einer der Kernaspekte von Industrie 4.0. Schnittstellen sind ein wichtiger Bestandteil der Modularisierung. Aber müssen diese auch immer gewissen Standards folgen? Die zunehmende Automatisierung und Modularisierung der Produktionssysteme bringen für OEMs und Endanwender technische und betriebswirtschaftliche Vorteile. Die Schnittstellen spielen eine immer entscheidendere Rolle.

Die Erfahrung der Kunden von Harting, eines Anbieters für industrielle Verbindungstechnik, zeigt deutlich: Es gilt zu differenzieren, denn an einigen Stellen sind eher standardisierte und an anderen „individualisierte“ Schnittstellen von Vorteil!

Die Bedeutung kundenspezifischer Produktdefinitionen für die OEMs lässt sich anhand der Systematik in der Grafik (linke Seite) gut veranschaulichen [2]. Der mögliche Individualisierungsgrad von Produkten wird dabei in Bezug gesetzt zum Lebenszyklus von Produktionssystemen. Um als OEM den richtigen Individualisierungsgrad für seine Maschinen zu bestimmen und mit den teils gegensätzlichen Anforderungen entlang des Lebenszyklus in Übereinstimmung zu bringen, hilft es, in unterschiedlichen „Clustern“ oder Funktionsgruppen zu denken.

Modularisierung
Grafik: Individualisierungskonzepte der OEMs nach Zeitpunkt der Kundenintegration ([2] linke Seite) und typische Auslegung für individualisierte Schnittstellen nach Funktionsgruppen (rechte Seite) Bild: Harting

Sensor- und Aktuator-Technologie

Die Entwicklung bei den elektronischen Bauelementen hat eine enorme Verdichtung von Funktionen ermöglicht. Das macht es einerseits leichter, die Maschinen zu modularisieren und zu skalieren. Andererseits wird ein Denken in immer kleineren und elementaren Funktionen erforderlich, und der Initialaufwand bei der Entwicklung der Systeme wächst. Dennoch überwiegen die Vorteile einer kundenorientierten Individualisierung. Denn die passende gesamtheitliche Anordnung von Sensoren, Aktuatoren und anderen Komponenten sowie die Verknüpfung der entsprechenden Funktionen sind die absolute Domäne der OEM.

Antriebstechnik

Hier gibt es ähnlich gravierende Veränderungen: Durch die enorme Leistungssteigerung der Technologien für elektronische Antriebsregelungen sind neue Konzepte für Produktionsanlagen entstanden. Auch diese Funktionsgruppe gehört zu den Kernkompetenzen der Maschinenhersteller.

Spezialisierte Technologie-Einheiten

Die Hersteller von Produktionssystemen konzentrieren sich in der Entwicklung immer stärker auf einige wenige Technologien. Die generalistische Perspektive verbleibt aber bei den Gesamtsystem-Lieferanten. Dabei ist die Frage nach den richtigen Schnittstellen gerade für die spezialisierten Technologie-Einheiten interessant.

Diese haben gemeinsam, dass sie als fertige Module mit fest umschriebenen Funktionen und Schnittstellen eingesetzt werden. Die Verknüpfung der Einheiten bildet das zentrale Know-how des OEM, nicht die eingesetzten Komponenten selbst.

Modularisierung und Digitalisierung

Der auf Produktionstechnik spezialisierte Maschinenbau gestaltet die Technologien der Datenübertragung in Form von Indus­trie-Bussysteme oder als Industrial Ethernet seit langem mit. Technisch revolutionär sind aber die Möglichkeiten kostengünstiger Datenanbindung bis in die Cloud. Diese Technologien erlauben es, den gesamten Business-Ansatz der OEMs neu zu gestalten. Sie gehören nicht zu deren Kern-Kompetenz, bergen aber das größte Veränderungspotenzial für Produktionssysteme. Aus der Harting-Analyse der Kundenapplikationen ergeben sich folgende Ratschläge für die individualisierten Schnittstellen (siehe hierzu Grafik, rechte Seite):

  1. Generell ist es sinnvoll, individualisierte Schnittstellen für solche Funktionsgruppen zu verwenden, die in hohem Maße die Kernkompetenz des OEM darstellen.
  2. Kundenspezifische Interfaces werden am häufigsten für solche Module verwendet, die direkt vom jeweiligen Hersteller entwickelt oder hergestellt werden.
  3. Bei Sensoren und Aktuatoren werden meist standardisierte Schnittstellen einsetzt. Innovatoren aber versuchen durchaus, sich vom Marktumfeld abzusetzen, indem sie gezielt maßgeschneiderte Schnittstellen einsetzen.
  4. Bei den Datenschnittstellen verlassen sich die Maschinenbau-Hersteller voll und ganz auf standardisierte Lösungen. Da die Technologien der Datenübertragung einem enormen Wandel unterworfen sind, werden diese maßgeblich von den Zulieferern der Steuerungskomponenten bestimmt. Die Empfehlung an die OEM lautet hier:
  • Sie sollten den jeweils neuesten Standards der eingesetzten Steuerungstechnologie folgen und so die angestrebte Modularität und Skalierbarkeit sichern;
  • Jenseits des Maschinen-Edge sollten die Interfaces stets dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Dann hat man als OEM ein optimal ausgelegtes System. Außerdem ist man für den künftigen Ausbau von Service-Leistungen auf der Basis von digitalen Diensten bestens gerüstet.
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Harting har-motion Steckverbinder: entwickelt nach kundenspezifischen Vorgaben. Bild: Harting

Bei anderen Funktionsgruppen sollte man systematisch die Vor- und Nachteile individualisierter Schnittstellen abwägen. Die wichtigsten Gründe für nicht-standardisierte Schnittstellen:

  1. Es liegen Anforderungen von Endanwendern vor, die sich bewusst von einzelnen Zulieferern abgrenzen oder auf diese fokussieren wollen;
  2. Abgrenzung gegenüber Wettbewerbern durch datenbasierte Business-Modelle wie After-Sales-, Service- und ähnliche Dienste;
  3. bewusste Ausstattung der Module mit spezifischen Schnittstellen, um sich vom Wettbewerb abzusetzen. Insbesondere OEMs, die sich als Technologieführer verstehen, nutzen diese Möglichkeiten;
  4. Nutzung von Sensoren/Aktuatoren oder deren Kombination, die nach OEM Vorgaben entwickelt wurden: Auch hier ist der Schutz des eigenen Know-hows das stärkste Motiv, individualisierte Schnittstellen zu nutzen.

Welche Möglichkeiten der Individualisierung bietet Harting, um kundenspezifische Schnittstellen zu realisieren? Nach Individualisierungsgrad geordnet (steigend) sind es:

  • Die Kontakteinsätze können nach dem Baukasten-Prinzip mit unterschiedlichen Gehäusetypen kombiniert werden. Somit ergibt sich einfache Skalierbarkeit für die IP-Schutzart, den EMV-Schutz oder auch die Einbausituation;
  • Kabeleingänge und Bedruckungen an Gehäusen können mittels Online-Konfiguratoren frei konfiguriert und kundenspezifisch bestellt werden;
  • Bestückung mit Kontakten mit unterschiedlichen Eigenschaften: so lassen sich Kontakteinsätze kundenspezifisch auslegen;
  • Viele Kontakteinsätze können an individuellen Stellen mit Kodier-Pins statt mit Kontakten versehen werden;
  • Zur Kodierung können Stift-und-Buchsen-Kombinationen anstelle von Befestigungsschrauben eingesetzt werden;
  • Für die Datenübertragung können exakt auf die Endanwender-Umgebung zugeschnittene Teilstrecken gestaltet werden; dazu werden mittels standardisierter preLink-Kontaktblöcke passende Steckverbinder-Typen für verschiedene Enden der Datenleitungen in jeweils erforderlichen Schutzarten realisiert;
  • Bei modularen Steckverbinder-Systemen können elektrische Kontakteinsätze mit anderen Medien wie Pneumatik oder LWL kombiniert werden. Aus der Vielzahl vorhandener Module lassen sich de facto Interface-Unikate erzeugen;
  • Kundenseitig spezifizierte und von Harting werkseitig zusammengebaute und getestete Produkte – vom Steckverbinder-Set bis zur individuellen Kabelkonfektion;
  • In der höchsten Stufe werden etwa Interfaces auf Kundenanforderung hin entwickelt, um auch „ausgefallene“ Wünsche im Maschinenbau zu bedienen.

Von Jakob Dück.

Fußnoten:
[1] https://www.kuka.com/de-de/future-production/sfpl/megatrends/individualisierung (DE); https://www.kuka.com/en-se/future-production/sfpl/
megatrends/customization
(EN))

[2] Piller, F. T.; Stotko, C. M. (HRSG.): Mass Customization und Kundenintegration. Düsseldorf: Symposion
2003.

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