Produktionslinien neu bauen oder optimieren Fabriken digital planen mit 3D-Simulation

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Um die Wirtschaftlichkeit zu sichern, sollte die Produktion kontinuierlich auf Optimierungspotenziale überprüft und bei Bedarf angepasst werden. Umstrukturierungen und Erweiterungen sind dabei keine Seltenheit. Eine digitale Fabrikplanung mit 3D-Simulationen kann Fabrikplaner dabei unterstützen.

Das Fabriklayout stellt die Fertigungsstrategie eines Unternehmens dar. Dazu verbindet es einzelne Arbeitsschritte sowie den Materialfluss und die Materiallagerung zu einem Gesamtprozess. Ausschlaggebend für die Gestaltung des Layouts ist das Fertigungsziel. Das kann beispielsweise die reine Auftragsfertigung, das One-Piece-Flow-Prinzip, die Zellen- oder die Serienfertigung sein. Die Fabrikplaner müssen entscheiden, welche Maschinen eingesetzt werden, wie sie angeordnet sind und wie viel Platz sie für den Materialtransport, den Zugang der Arbeiter und die Wartung benötigen. 

Greenfield- vs. Brownfield-Szenario

Bei der Fabrikplanung sind grundsätzlich zwei Szenarien denkbar: das Greenfield- und das Brownfield-Szenario: 

Bei dem Greenfield-Szenario wird eine neue Fabrik gebaut. Die Planer beginnen hier im wahrsten Sinne des Wortes mit einem weißen Blatt Papier, was ihnen die Möglichkeit gibt, das Layout mit wenigen Einschränkungen vollständig zu optimieren. Die Layoutplanung beginnt in der Regel bevor die Bauarbeiten am Gebäude abgeschlossen sind. So können beispielsweise notwendige Komponenten, wie Luftfilter, an den richtigen Stellen berücksichtigt werden. In einigen Fällen ist ein Konzeptlayout sogar noch während der Bauplanung erforderlich, da es wichtige Informationen für die Fabrik enthält, wie zum Beispiel die benötigte Fläche, die Anzahl der Verladedocks und die Größe des Materiallagers.

Unter dem Brownfield-Szenario versteht man die Umgestaltung eines bestehenden Fabriklayouts. Die Gründe dafür sind vielfältig: So können sich die hergestellten Produkte oder die Mengen ändern oder die Effizienz soll gesteigert werden. Die Herausforderung besteht vor allem darin, die Arbeitsabläufe innerhalb der bestehenden Einschränkungen zu verbessern. Denn oft sind die Zufahrtswege festgelegt, das Gebäude selbst hat eine bestimmte Fläche und Konfiguration, Versorgungsleitungen sind nur in bestimmten Bereichen verfügbar oder es gibt Hindernisse wie Säulen, die umgangen werden müssen.  

3D-Simulation: Die Stufen im Planungsprozess

Eine erfolgreiche Fabrikplanung beginnt mit einem umfassenden Verständnis des Produktionsprozesses und endet mit einem 3D-Modell, das zur Bewertung verschiedener Produktionsszenarien und für die Lösung spezifischer Herausforderungen geeignet ist. Viele Hersteller wollen darüber hinaus einen digitalen Zwilling generieren, der unter anderem für die virtuelle Inbetriebnahme und für Tests genutzt werden kann. Die Implementierung erfolgt in der Regel in drei Stufen:

1. Projektdefinition und -start: Für die Planung eines Fabriklayouts sollten formale Ziele und ein Umfang definiert werden. Mögliche Einschränkungen, Zeitrahmen und Interessengruppen sollten man ebenfalls vorab identifizieren. Die Ermittlung des Umfangs und der Einschränkungen ist besonders in Brownfield-Szenarien eine Herausforderung: Die verfügbare Gesamtfläche ist begrenzt und kann so konfiguriert sein, dass Änderungen komplex und teuer werden. Darüber hinaus muss die Produktion häufig aufrechterhalten werden, während andere Bereiche renoviert und Anlagen neu positioniert werden. Daher sollte für diese Stufe ausreichend Zeit eingeplant werden.

2. Planungsbeginn: Nach Festlegung der Rahmenbedingungen kann die Planung des Layouts in Angriff genommen werden. Diese beginnt in der Regel mit einem Grobkonzept. Daraus wird ersichtlich, wie die Funktionen zueinander angeordnet werden, zum Beispiel ob die Bearbeitung neben der Reinigung und diese wiederum neben der Montage liegen soll.In modernen Fabriken verläuft der Fertigungsprozess in den seltensten Fällen durchgängig geradlinig. Produktvarianten und Anpassungswünsche haben zur Folge, dass Materialien und Komponenten an verschiedenen Stellen eingebracht, Arbeitsschritte umgangen und unterschiedliche Endpunkte erreicht werden. Planer müssen alle diese Variationen im Blick haben. Dabei kann es hilfreich sein, eine vollständige Abbildung aller notwendigen Prozesse zu entwickeln. Auf dieser Grundlage können die Planer Abhängigkeiten ermitteln und leichter erkennen, welche Prozesse in räumlicher Nähe zueinander angesiedelt sein sollten und welche möglicherweise getrennt werden müssen. So wird zum Beispiel allgemein empfohlen, Schweiß- und Lackierarbeiten zu trennen.

3. Präzisionsarbeit: Wenn das Grobkonzept steht, kann mit der Präzisionsarbeit begonnen werden. Diese erstreckt sich bis auf die Ebene einzelner Komponenten von Automatisierungslösungen wie Roboter und Werkbänke. Da die Präzisionsarbeit arbeitsintensiv ist, müssen die Planer einen Kompromiss zwischen Detaillierung und Geschwindigkeit finden. Eine spezielle 3D-Fertigungssimulationssoftware wie Visual Components kann diesen Prozess unterstützen. Die Lösung stellt Standardmodule für verschiedene Produktionsszenarien zur Verfügung, die sich per Drag and Drop zusammenstellen lassen. So können digitale Layouts und Modelle schnell erstellt, bewertet und überarbeitet werden.

Simulation

Fabriksimulation: Mit dieser Software effizient in 3D simulieren

Eine 3D-Simulationssoftware unterstützt die Layoutplanung außerdem bei

• der Maximierung der Raumnutzung: Die genaue Modellierung der Arbeitsbereiche ermöglicht kürzere Abstände zwischen Robotern und anderen Maschinen.

• der Optimierung der Lagerung: Mit Hilfe von Modellen kann die erforderliche Größe der Lager besser geplant werden, sodass unnötig große Räume vermieden werden können.

• der Optimierung des Transports: Planer können kürzere Wege und einen geringeren Aufwand erreichen.

• der Behebung von Engpässen: Planer können Fertigungsengpässe leichter erkennen und beheben.

Fazit: CAD allein reicht nicht

Ein Fabriklayout lässt sich nicht allein mit CAD entwerfen, denn es geht nicht nur darum, wie die Maschinen physisch angeordnet sind. Das Layout muss auch tatsächlich funktionieren. Und diese Funktionalität kann nur durch eine 3D-Simulation in Echtzeit überprüft werden. Durch den Einsatz von Werkzeugen wie Visual Components wird diese Aufgabe nicht nur handhabbar, sondern auch effizient und effektiv gelöst.