Digitale Zwillinge finden heute in nahezu allen Phasen des industriellen Lebenszyklus und in einer Vielzahl von Branchen Anwendung. Sie sind digitale Abbildungen eines Produkts oder Systems und zeigen als dynamisches, virtuelles Modell dessen Zustand bzw. Verhalten in Simulationen oder in Echtzeit. In der Automobilindustrie werden sie z.B. genutzt, um Fahrzeuge virtuell zu entwickeln, in Luft- und Raumfahrt ermöglichen sie eine schnelle Fehlerdiagnostik und die Energiebranche setzt digitale Zwillinge zur Optimierung von Netzen und Anlagen ein. Der digitale Zwilling ist damit ein zentrales Werkzeug der digitalen Transformation in der Industrie. Ein Unternehmen aus Pleidelsheim nutzt sie für den Schaltschrankbau: Die UVP Schaltschrankbau fertigt Steuer- und Schaltschränke für Maschinen- und Sondermaschinenbauer.
Schaltschrankbau mit digitalen Prozessen
Traditionell spielen manuelle Prozesse im Schaltschrankbau, bei der Planung, Verdrahtung und Montage der elektrischen Komponenten im Gehäuse, eine große Rolle. Mit dem digitalen Zwilling verändert sich diese Herangehensweise: Bei UVP steht er über jedem Prozess – von der Planung bis zur finalen Prüfung – und führt als digitale Abbildung des Schaltschranks alle Daten zusammen. UVP digitalisiert dafür die Kundendokumente; der Kunde kann die Unterlagen in seinem Wunschformat, etwa PDF-Dateien, verschicken. Die Engineering-Abteilung erstellt daraus im ersten großen Arbeitsschritt den digitalen Zwilling. Alle Projekte werden in der Software von Eplan gezeichnet, von jedem Bauteil wird ein 3D-Abbild, das Makro, erstellt. Dabei kommt es auf die Details an: Wo liegt welcher Anschluss, welcher Kabelquerschnitt kann angeschlossen oder wie muss das Kabel dafür bearbeitet werden. Diese Meta-Informationen müssen hinterlegt werden, da nur so die Nachfolgeschritte in der Herstellung abgeleitet werden können. Jedes Bauteil benötigt ein solches Makro. Fehlt es an Details, resultieren daraus schnell Fehler. Der digitale Zwilling wird nun vom Kunden freigegeben. Das Bohrbild für die Gehäusebearbeitung und die Kabellisten für die Kabelkonfektion werden an die Gehäusebearbeitungsmaschine und den Kabelkonfektioniervollautomaten in der Fertigung exportiert. Erstere kann das Gehäuse und die Montageplatte vollautomatisch bearbeiten, letztere erstellt alle Litzen automatisch und längt sie richtig ab. Auch die Bearbeitung der Kabelenden gibt der digitale Zwilling vor. Etiketten und Beschriftungen können automatisch gedruckt werden. Das Team in der Fertigung scannt QR-Codes, um Informationen für die noch nötigen manuellen Arbeitsschritte zu erhalten: Im Smart-Mounting-Tool (Eplan) erfährt der Mitarbeiter zum Beispiel, wohin welche Komponente bestückt werden muss. Mit der Digitalisierung der Kundeninformationen liegen auch die Stücklisten für den Einkauf im digitalen Zwilling vor. Bauteile können direkt bestellt werden und sind zur richtigen Zeit am richtigen Ort verfügbar. Haben Teile eine längere Lieferzeit, etwa von einem Monat, werden die Schränke so weit wie möglich montiert; in der Regel stehen die für die Grundlage notwendigen mechanischen Teile zur Verfügung. Im Smart-Mounting-Tool wird dokumentiert, in welchem Schrank welches Teil fehlt; damit lassen sich Lücken schnell detektieren und die fehlenden Teile einfacher bestücken. „Wir wollten alles, was technologisch verfügbar ist, einsetzen,“ erklärt UVP-Geschäftsführer Hasan Uzun. Als Entwicklungsingenieur in der Motorenentwicklung eines großen deutschen Autobauers hat er Prozesse automatisiert und damit massive Zeiteinsparungen realisiert. Geschäftsführer Mustafa Vural bringt seinen großen Erfahrungsschatz in Serienfertigung, Taktzeitoptimierung und Qualitätssicherung ein. Daraus resultieren digitale, automatische Prozesse mit schnellen Durchlaufzeiten. Tools und auch das Team wurde mit Blick auf größtmögliche Effizienz ausgewählt.
Software-Tools und Qualitätssicherung
Gibt es auf dem Markt keine Lösungen für die notwendigen Prozesse, erarbeiten die eigenen Programmierer eine solche. UVP setzt diese z.B. in der Qualitätssicherung ein. Nach der Erstellung des digitalen Zwillings werden die Etiketten, Betriebsmittelkennzeichen und Bauteile mit den Kundendokumenten verglichen. Eine Software erlaubt es hier, Fehler schnell zu erkennen und zu eliminieren. Für die Funktionalität des digitalen Zwillings sind Makros essenziell: Sie sichern den Prozess ab und gewährleisten seine Fehlerfreiheit. Ein Programm überprüft deshalb, ob alle Bauteile ein freigegebenes Makro haben, bevor der digitale Zwilling erstellt wird. Ist das nicht der Fall, wird der zuständige Mitarbeitende informiert, das Makro nachzupflegen. Erst danach kann der Arbeitsprozess fortgesetzt werden. So wird sichergestellt, dass nur mit vollständigen Makros gearbeitet wird. In diesen wird auch der Etikettentyp für das Bauteil hinterlegt. Hier stellt eine Software sicher, dass jedes Etikett im richtigen Format für das passende Bauteil gedruckt wird und dass das Betriebsmittelkennzeichen stimmt. Mit diesen Programmen ist es gelungen, die Fehlerquote massiv zu senken. Eine solche Prozessoptimierung mit integrierten Programmen wird durch den digitalen Zwilling aber überhaupt erst möglich.
Die Vorteile des digitalen Zwillings
Die Fertigung erfolgt vollständig papierlos: Da der gesamte Prozess digital abgebildet wird, ist der Automatisierungsgrad hoch, manuelle, fehleranfällige Arbeiten entfallen. Nach der Fertigstellung des digitalen Zwillings kann sofort mit dem Einkauf begonnen werden, gleichzeitig laufen die Kabel- und Gehäusebearbeitung an und die Etiketten werden gedruckt. Das beschleunigt den Fertigungsprozess. Der digitale Zwilling erlaubt es entsprechend durch diese Effizienzgewinne, Schaltschränke schnell, preisbewusst und dennoch in hoher Qualität zu fertigen. Hinzu kommt die niedrigere Fehlerquote: Nicht nur Tipp- und sowie manuelle Fehler können ausgeschlossen werden. Durch den digitalen Zwilling werden bereits vor dem Herstellungsbeginn Probleme im Schaltplan deutlich – etwa die falsche Dimensionierung von Bauteilen oder der unpassende Durchmesser von Kabeln, die dann nicht ins Bauteil passen. So wird bereits früh im Prozess klar, ob der Platz für die Teile ausreicht oder ob es zu Kollisionen kommen wird. Im Standardprozess werden solche Fehler erst bei der Montage erkennbar, wenn die Klimaanlage gegen den Umrichter stößt und der Schaltschrank bereits zu 70 Prozent fertiggestellt ist. Je später Fehler im Prozess auftauchen, desto teurer wird ihre Behebung. Dem wird mit dem digitalen Zwilling vorgebeugt. Nicht zuletzt leistet er einen Beitrag in Zeiten des Fachkräftemangels: Er erlaubt es, die Ressourcen effizienter einzusetzen und mehr Output zu erzeugen.
Schaltschrankbau in wenigen Wochen
Mit diesem Ansatz gelingt es UVP einen Schaltschrank in wenigen Wochen zu bauen: In den ersten 1,5 Wochen werden der Schaltplan und der digitale Zwilling erstellt, bis zum Ende der zweiten Woche erfolgt die Freigabe durch den Kunden, danach können knapp 40 Schränke innerhalb von weiteren zwei bis drei Wochen gefertigt werden – Zeitverzögerungen entstehen maximal, weil ein Zulieferer Teile verzögert ausliefert. Im Sommer wurden innerhalb von sechs Wochen mit acht Mitarbeitern in der Produktion und einem Engineering-Team, das den Prozess digital begleitet, 70 laufende Meter Schrank produziert. UVP setzt den digitalen Zwilling für alle Projekte schon ab einer Losgröße Eins ein. „Technologisch gehören wir zu den besten sechs Prozent der Schaltschrankbauer in Deutschland, insgesamt zu den 50 besten,“ sagt Hasan Uzun. In Deutschland arbeiten knapp 15 Mitarbeitende für die Firma, ein weiteres 15-köpfiges Team sitzt in der Türkei. Die Schaltschränke werden in Deutschland bestückt, verdrahtet und zusammengebaut.
