Durchgängige digitale Prozesskette Konstruktion und Produktion nahtlos verbunden

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Die Digitalisierung der industriellen Wertschöpfung erfordert durchgängige, modellbasierte Prozesse von der Konstruktion bis zur Fabrik. Der Beitrag beschreibt, wie Siemens mit Designcenter X NX, Tecnomatix und Industrial AI den Weg zur selbstoptimierenden Smart Factory ebnet.

Die Produktentwicklung mit der Engineering-Plattform Designcenter X NX ermöglicht ein präzises, effizientes Design, das direkt auf die Anforderungen der Fertigung abgestimmt ist. Durch die nahtlose Verbindung von Konstruktion und Produktion entsteht ein durchgängiger Prozess, der nicht nur die Herstellung einzelner Komponenten (modellbasiertes Design), sondern auch die gesamte Wertschöpfungskette berücksichtigt (Closed Loop Manufacturing). Für die Industrialisierung und Optimierung der Fertigung kommt die Softwareplattform Tecnomatix zum Einsatz, die digitale Planung, Simulation und Prozessoptimierung integriert. Von der digitalen Produktdefinition über die automatisierte NC-Programmierung bis hin zur optimierten Produktionslinie sorgt dieses Zusammenspiel für reduzierte Durchlaufzeiten, höhere Qualität und eine skalierbare Serienfertigung.

Warum Model Based Definition (MBD) heute entscheidend ist

Unternehmen müssen schneller liefern, präziser arbeiten und Kosten senken. Klassische 2D-Zeichnungen sind dabei zunehmend hinderlich. MBD mit Siemens NX bietet die Lösung: Alle produktrelevanten Informationen (Maße, Toleranzen, Oberflächen, Prüfmerkmale) werden direkt im 3D-Modell hinterlegt. Diese PMI (Product Manufacturing Information) bilden die Grundlage für eine durchgängige digitale Prozesskette – von Konstruktion über Fertigung bis Qualitätssicherung. Das 3D-Modell wird zur Single Source of Truth und Basis für den Digitalen Zwilling. Designcenter X NX ist somit auch der Startpunkt zur Erzeugung eines Digitalen Zwillings.

Was bedeutet MBD für den Anwender?

Statt vieler Dokumente nutzt der Anwender ein intelligentes 3D-Modell, maschinenlesbar und direkt nutzbar in CAM und CMM. Alle Systeme (CAD, CAM, CMM) arbeiten auf derselben Plattform und nutzen das gleiche Datenmodell. Austauschformate wie JT oder STEP-242 sind ebenfalls möglich. Vorteile:

• Weniger Fehler durch konsistente Daten
• Schnellere Prozesse durch Automatisierung
• Bessere Zusammenarbeit durch klare Spezifikation
• Höhere Qualität durch standardisierte Prüfmerkmale

Konstruktion mit Designcenter X NX

Maße, Toleranzen, Oberflächenangaben und Fertigungshinweise werden direkt am 3D-Modell platziert. Die PMI sind assoziativ mit Geometrieelementen verknüpft. Bei Modelländerungen werden die PMI automatisch angepasst, nachdem ein Updaten der Informationen angefordert wird. Dies lässt sich aber auch automatisieren.Mit dem NX-Logic Editor können MBD-Regeln definiert werden, die PMI automatisch erzeugen – z. B. bei Bohrungen, Gewinden oder Passungen. Das spart Zeit und erhöht die Konsistenz. Des Weiteren wird auch die Qualität und der Standard der Information verbessert, da die Regeln Wissen aus der Fertigung kapseln und jeder Konstrukteur die erstellen Regeln wieder verwendet kann. Somit lassen sich „Design-Guidlines“ als anwendbare Regel definieren. Der NX-PMI Advisor prüft die Vollständigkeit und Normkonformität der PMI. Anwender erhalten sofort Feedback, ob alle relevanten Informationen vorhanden sind – inklusive firmenspezifischer Prüfregeln.

Fertigung mit NX CAM

Die PMI-Daten steuern die Auswahl von Werkzeugen, Bearbeitungsstrategien und Schnittparametern. So wird z. B. bei engen Toleranzen automatisch eine Feinschlichtstrategie gewählt. Da alle Fertigungsinformationen bereits im Modell enthalten sind, entfällt die manuelle Übertragung aus Zeichnungen. Das spart Zeit und reduziert Fehler. Mit dem Machining Knowledge Editor können Regeln definiert werden, die auf PMI reagieren. So entsteht eine intelligente Fertigungsstrategie, die sich an den Anforderungen des Bauteils orientiert. Die NC-Programme können direkt simuliert und auf Kollisionen geprüft werden – basierend auf den PMI-Daten. Das erhöht die Sicherheit und minimiert Ausschuss.

Qualitätssicherung mit NX CMM und Inspector: Prüfmerkmale direkt aus dem Modell

PMI-Daten werden direkt in Prüfmerkmale überführt. NX Inspector erkennt z. B. eine Bohrung mit Toleranz und erstellt automatisch die zugehörige Messstrategie. Die CMM-Programmierung berücksichtigt Geometrie und PMI – inklusive Bezugssysteme und Prüfsequenzen. Das reduziert manuelle Anpassungen und erhöht die Messgenauigkeit. Klare, normgerechte Spezifikation ohne Interpretationsspielraum.

ISO GPS als Fundament: Für den Anwender transparent

Die ISO GPS-Normen sorgen im Hintergrund für technische Eindeutigkeit. Siemens NX unterstützt diese Normen nativ, sodass Anwender sich nicht mit komplexen Regelwerken beschäftigen müssen. Der NX-PMI Advisor und die integrierten Symbolbibliotheken stellen sicher, dass alle Angaben normgerecht und maschinenlesbar sind. Für den Anwender bedeutet das, dass die Spezifikation der Modelle/Bauteile/Baugruppen Rechtssicher ist. Des Weiteren erlaubt diese Standardisierung eine globale Verständlichkeit der Produktdaten. Zusätzlich bedeutet dies, dass Automatisierbarkeit durch standardisierte PMI ermöglichet wird, da es eine Eindeutigkeit zwischen den PMI und den Messprinzipien gibt.

MBD mit Siemens Designcenter X NX

Die Einführung von Model-Based Definition (MBD) mit Siemens Designcenter X NX ist nicht nur ein Effizienztreiber in Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung, sondern bildet auch das Rückgrat eines durchgängigen Digital Threads. Das MBD dient als zentrale, eindeutige Datenquelle, die von allen Abteilungen genutzt und weiterverarbeitet wird – von der Beschaffung über den Werkzeugbau bis hin zur technischen Dokumentation und Qualitätssicherung. Dadurch werden Medienbrüche vermieden, Fehler reduziert und die Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette verbessert. Die maschinenlesbaren PMI im MBD ermöglichen es, Prozesse zu automatisieren und Standards wie ISO GPS nahtlos einzuhalten. Unternehmen profitieren so von einer höheren Produktqualität, schnelleren Durchlaufzeiten und einer zukunftssicheren, digitalen Prozesskette. Der in der Designphase entstehende digitales Zwilling angereichert mit den MBD-Informationen ist kein theoretisches Konzept, sondern ein praktisches Werkzeug für alle, die mit Produktdaten arbeiten

Geschlossener Fertigungskreislauf auf Fabrikebene

Moderne Fertigung erfordert Agilität und Resilienz. Echtzeit-adaptierbare Produktionsprozesse sind entscheidend. "Closed Loop Manufacturing", also die digitale Verbindung von Produkt- und Produktionsentwicklung, ist hierfür unerlässlich.

WHY? – Technologische Imperative für adaptive Produktion

Die Vision eines stets verfügbaren, kalibrierten Digitalen Zwillings der Fabrik, der kontinuierlich mit Echtzeitdaten aus der physischen Welt gespeist wird, ist der Kern dieser Transformation. Dieser "Closed Loop Digital Factory Twin" ermöglicht nicht nur präzise prädiktive Analysen und datengesteuerte Szenarioplanung, sondern auch eine proaktive Steuerung und Optimierung komplexer Produktionssysteme. Er transformiert die Fabrik von einem reaktiven zu einem proaktiven, selbstoptimierenden System. Dieses technologische Konzept ist die Blaupause für eine echte Smart Factory und positioniert die Fabriksimulation als kritischen Enabler für Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft. Siemens agiert hier als Innovationsführer, der die notwendigen technologischen Stacks bereitstellt.

Siemens' jüngste Projekte mit global agierenden Fertigungsunternehmen unterstreichen diesen Trend. Beide Kunden, darunter ein Pionier im Bereich des industriellen Metaverse-Technologie-Stacks, erkennen die fundamentale Bedeutung eines simulationsgestützten Digitalen Zwillings. Er ist die einzige skalierbare Methode, um die inhärente Komplexität moderner Produktionsumgebungen zu beherrschen und gleichzeitig maximale Effizienz und Flexibilität zu gewährleisten.

HOW? – Technologischer Pfad zur Closed Loop Digital Factory Twin Simulation

Die Implementierung erfordert einen strukturierten, technologiegetriebenen Ansatz:

• 1. Digitales Zwillingsmodell erstellen mit Tecnomatix Plant Simulation: Die Basis bildet die hochpräzise, diskrete Ereignissimulation (DES) der Fertigungsprozesse. Mit Tecnomatix Plant Simulation werden detaillierte 3D-Modelle von Anlagenlayouts, Materialflüssen, Ressourcenallokationen und Logistiksystemen erstellt. Dies umfasst die Modellierung von Maschinenverhalten, Taktzeiten, Puffergrößen, Transportwegen und Steuerungsparametern. Ergänzend ermöglicht Process Simulate die kinematische Validierung von Roboterzellen und die Offline-Programmierung, um die physische Inbetriebnahme zu beschleunigen und zu sichern. Das Ergebnis ist ein hochauflösender, deterministischer oder stochastischer Digitaler Zwilling der Produktionsabläufe..
• 2. Digitales Zwillingsmodell demokratisieren mit Optimize My Plant (OMP): Um den Digitalen Zwilling über die Expertendomäne hinaus nutzbar zu machen, ist eine kollaborative Plattform erforderlich. Optimize My Plant (OMP) ermöglicht den Zugriff auf Simulationsmodelle und deren Ausführung über eine intuitive Weboberfläche. Es bietet Funktionen für Szenarienmanagement und individuelle Visualisierung von Simulationsergebnissen. Durch standardisierte Schnittstellen und eine vereinfachte Benutzeroberfläche können auch Nicht-Experten komplexe "What-if"-Analysen durchführen und Optimierungspotenziale identifizieren, was die Akzeptanz und den ROI der Simulationstechnologie erheblich steigert.
• 3. Digitales Zwillingsmodell mit Echtzeitdaten verbinden (IIoT): Die "Closed Loop"-Funktionalität wird durch die bidirektionale Integration von Echtzeitdaten aus der physischen Fabrik realisiert. Über Insights Hub (Siemens Industrial IoT-Plattform) werden Sensordaten (z.B. Maschinenzustände, Temperatur, Druck), Produktionsauftragsdaten, Materialverbräuche und Qualitätskennzahlen aggregiert und verarbeitet. Standardprotokolle wie OPC UA, MQTT oder REST-APIs ermöglichen die nahtlose Datenintegration. Diese Echtzeitdaten dienen der kontinuierlichen Kalibrierung und Validierung des Digitalen Zwillings, um dessen Repräsentationsgüte sicherzustellen und prädiktive Modelle für Wartung, Qualität und Durchsatz zu speisen.
• 4. Digitales Zwillingsmodell mit KI und VR optimieren: Die nächste Evolutionsstufe integriert fortschrittliche KI- und VR-Technologien. In Plant Simulation sind bereits KI-Funktionalitäten wie z.B. neuronale Netze für die Mustererkennung und der Bottleneck Optimizer für die Engpassanalyse integriert. Darüber hinaus können externe KI-Frameworks für Reinforcement Learning zur dynamischen Produktionsplanung oder für genetische Algorithmen zur Layout-Optimierung angebunden werden. Virtual Reality (VR) bietet immersive Schnittstellen für die interaktive Fabrikplanung, die ergonomische Bewertung von Arbeitsplätzen und das realitätsnahe Training von Bedienpersonal, wodurch Planungsfehler minimiert und die Einarbeitungszeiten verkürzt werden.
• 5. Digitaler Zwilling -> Industrielles Metaverse: Die konsequente Weiterentwicklung führt zum industriellen Metaverse – einem persistenten, interoperablen 3D-Raum, in dem verschiedene Digitale Zwillinge (Produkt, Produktion, Performance) konvergieren. Hier können Ingenieure, Betreiber und Manager in einer immersiven Umgebung kollaborieren, Simulationen ausführen, Daten analysieren und Entscheidungen treffen, die direkt auf die physische Welt zurückwirken. Es ist die ultimative Plattform für ganzheitliche Optimierung und Innovation im gesamten Produktlebenszyklus.

WHAT? – Technisches Konzept: Ein Weg zur echten Smart Factory

• Fabriksimulation & Prozessvalidierung: Tecnomatix Plant Simulation (für DES und Materialfluss) und Process Simulate (für Robotik und 3D-Kinematik) bilden die präzise Modellierungsgrundlage. Sie bieten eine umfassende Bibliothek von Objekten, statistische Auswertungstools und leistungsstarke Optimierungsalgorithmen.
• Demokratisierung & Kollaboration: Optimize My Plant (OMP) als Web-Oberfläche mit RESTful APIs und einer modernen Web-UI ermöglicht den unternehmensweiten Zugriff und die kollaborative Nutzung der Simulationsmodelle.
• Echtzeit-Konnektivität & Datenmanagement: Insights Hub stellt die IIoT-Infrastruktur bereit, einschließlich Edge-Konnektivität, Time-Series-Datenbanken, Daten-Pipelines und Analyse-Services zur Aggregation, Kontextualisierung und Analyse von Betriebsdaten.
• Intelligenz & Optimierung: Industrielle KI-Funktionen sind tief in die Software integriert. Dies umfasst Machine Learning-Algorithmen für prädiktive Analysen, Anomalieerkennung und prescriptive Analytics.

Industrial AI: Der intelligente Copilot

Die Effektivität von Industrial AI hängt von der Verfügbarkeit hochwertiger, kontextualisierter Daten ab, die in diesem Fall durch die Simulationsmodelle von Tecnomatix Plant Simulation und die Echtzeitdaten des Insights Hub generiert werden. Durch integrierte KI-Funktionalitäten in Plant Simulation, wie neuronale Netze zur Durchsatzvorhersage oder der Bottleneck Optimizer zur Engpassbeseitigung, können komplexe Zielkonflikte effizient gelöst werden.

Ein integrierter Generative AI Driven Copilot revolutioniert die Interaktion mit der Simulationsumgebung. Dieser Copilot ist nicht nur auf die spezifische Software-Sprache trainiert, sondern hat auch sicheren Zugriff auf die gesamte Software-Dokumentation und Best Practices. Der Copilot agiert als intelligenter Assistent, der bei der Modellerstellung, der Fehlerbehebung, der Optimierung von Parametern und der Generierung von Szenarien unterstützt. Im Gegensatz zu generischen Web-KIs ist dieser Copilot IP-sicher und operiert innerhalb der geschützten Siemens Xcelerator Umgebung.

Zukünftig wird dieser Copilot über seine aktuellen Fähigkeiten hinausgehen und proaktiv Empfehlungen aussprechen, indem er mit anderen KI-Agenten im Unternehmen kommuniziert. Er wird in der Lage sein, komplexe Probleme vorauszusehen, potenzielle Engpässe zu identifizieren und präskriptive Lösungsvorschläge zu unterbreiten, die auf einer ganzheitlichen Sicht der Fabrik basieren. Um dieses Niveau der autonomen, intelligenten Fabriksteuerung zu erreichen, ist der Aufbau eines robusten, datengetriebenen Digitalen Zwillings der erste und entscheidende Schritt. Die Zukunft der Fertigung beginnt jetzt – mit einer intelligenten, simulationsgestützten digitalen Fabrik.

Dipl. Ing., MBA Bernd Mussmann ist Portfolio Development Executive, Designcenter, Siemens Digital Industries Software.

Ing. DI (FH) Roland Laucher ist Portfolio Development Executive, Digital Manufacturing, Siemens Digital Industries Software.