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Ingolstadt, 10.05.2012

Plan A

Fabrik aus der virtuellen Welt: Vom Werkstoffverhalten auf molekularer Ebene bis zu Bewegungsabläufen in der Montage, von der Grundlagenforschung bis zur kompletten Fabrik – die Produktions- und Werksplanung bei Audi verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz. Ihr vernetztes Wissen nutzen die Spezialisten zur Gestaltung des neuen Werks in Győr. So entsteht ein effizientes, ergonomisches und ressourcenschonendes Werk.

Ein neues Automobil wird gezeigt. Sein Abbild glänzt in der so genannten CAVE*, dem dreidimensionalen Projektionsraum für Illusionen aus der virtuellen Welt. Perfekte Spiegelungen der umgebenden Landschaft auf dem Autolack und die hochwertige Anmutung des Interieurs lassen das neue Modell real wirken. Man glaubt, das Auto berühren zu können – und doch ist es einstweilen nur Schein. Und der Weg zum täglich produzierten Serienmodell noch weit. „Wir ermöglichen den Übergang von der Idee zu einem realen Produkt für die Kunden“, erklärt Arne Lakeit, Leiter der Produktions- und Werksplanung bei Audi. Mit seinen rund 1.300 Mitarbeitern ist er für die Planung aller Werke und Produktionsprozesse von Audi weltweit verantwortlich. So auch für den Werksausbau in Ungarn.

Der Standort Győr zählt seit 1993 zum Produktionsnetzwerk von Audi und des gesamten Volkswagen-Konzerns. 2010 wurden hier 1,65 Millionen Motoren gefertigt, dazu 38.500 Automobile der Baureihen Audi TT und Audi A3. Künftig werden es noch deutlich mehr: Derzeit entsteht in Győr eine komplett neue, zusätzliche Werksanlage. Ab 2013 wird hier ein weiteres Modell der A3-Familie seinen Produktionsort haben.

„Bereits wenige Wochen nachdem die Kollegen vom Design ihre Idee für ein neues Fahrzeug vorgestellt haben, sind wir Planer mit an Bord“, sagt Lakeit. Sind dann die Details zur Produktstrategie und zum Vertrieb des künftigen Modells festgelegt, übernehmen seine Leute die Verantwortung. Experten unterschiedlichster Fachrichtungen und Altersklassen arbeiten in der Produktionsplanung zusammen.

Etwa 60 Prozent des Teams sind Akademiker, dazu gehören Ingenieure, Naturwissenschaftler, Informatiker, Betriebswirte, aber auch Architekten und Fachleute für Logistik, Landeskultur oder Umweltschutz. Für sie läuft der gesamte Planungsprozess weitgehend in der virtuellen Welt ab. Intelligente Software-Werkzeuge, digitale Modelle, Simulationen, 3D-Visualisierung und EDV-Systeme mit einem professionellen Datenmanagement bilden die Grundlage dafür.

„Wir haben nicht nur ein CAD-Modell des gesamten Győrer Werks, sondern ebenfalls Modelle aller einzelnen Anlagen und einzelnen Produktionsprozesse“, erklärt Lakeit. So kann das effiziente Zusammenwirken der Systeme bis ins kleinste Detail bereits vor dem ersten Spatenstich simuliert und abgebildet werden. Diese digitale Fabrik schließt nicht nur die Lücke zwischen Theorie und Praxis, sie ist auch einer der technologischen Schlüsselfaktoren für Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung. Die Planer müssen Umweltaspekte, ein weltweit verteiltes Standortnetzwerk und ein steigendes Produktportfolio unter einen Hut bringen. „Wir bewegen uns in einer Multiprojektlandschaft, deren Komplexität stetig steigt“, erläutert Lakeit.

Um diesen vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, hat Lakeit seine Organisationsstruktur wie ein neuronales Netzwerk aufgebaut: Die klassischen Bausteine, etwa die Lackier-, Elektrik- und Elektronik-Planung sowie die Fertigungsplanung einzelner Baureihen, werden je nach Fragestellung miteinander verknüpft. Sobald die Planungsprozesse abgeschlossen sind und das Werk in seinen Grundfesten steht, wandern die entsprechenden Mitarbeiter mit ihrem Know-how weiter und betreuen vor Ort den neuen Produktionsstandort. Aufwändige Übergaben von Person zu Person entfallen. Ähnlich sieht es in der Technologieentwicklung aus. Verlässt ein Projekt die Keimzelle der Forschung, begleiten es seine Experten bis in die Serie. „Die Menschen erleben so die Begeisterung von der ersten Idee bis zur praktischen Umsetzung. Das motiviert ungemein“, betont Lakeit.

Dank der außergewöhnlichen Netzwerkstruktur können die Planer zahlreiche Synergien nutzen. Sie transferieren beispielsweise die Königsdisziplin der dreidimensionalen Visualisierung von der Fahrzeugentwicklung auf die Werksplanung in Győr. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Gewerke – vom Presswerk, Karosseriebau über die Lackiererei bis zur Montage – wird dank der 3D-Animationen plastisch vor Augen geführt. Eventuelle Problemfelder können frühzeitig behoben werden, und zwar bevor die ersten Gebäudeteile aus Beton stehen. Auch bei bautechnischen Fragestellungen liefern die Planer dem Management zeitsparende Entscheidungsgrundlagen. In lupenreiner 3D-Qualität können sie etwa Gestaltungsvarianten der Gebäudefassaden auf die große Leinwand projizieren.

„Für uns Planer ist der Neubau in Győr natürlich eine große Herausforderung – auch im Hinblick auf eine ressourcenschonende Logistik“, freut sich Lakeit. Die Werkstruktur ist so angelegt, dass die Bauteile überwiegend per Bahn eintreffen. Knapp 400.000 Lkw-Kilometer werden so vermieden. Von der Anlieferung über den Transport zwischen den Gewerken bis zur Fertigstellung gestalten die Planer alle internen Materialbewegungen, um spätere Engpässe zu vermeiden. In dieser Frühphase kann ein eventuell benötigtes weiteres Werkstor eingeplant werden, ohne teure Umbaumaßnahmen durchführen zu müssen.

In einer virtuellen Führung lässt sich das erst 2013 fertige Werk bereits heute erleben. Herz des Produktionsstandorts wird ein zentrales Gebäude zur Qualitätsbewertung sein – mehr als ein Symbol für die klare Qualitätsorientierung der Marke Audi. Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei und Montage sind in unmittelbarer Nähe sternförmig zu diesem Zentrum angeordnet. Alle Fahrzeugteile gelangen auf kurzem Weg von einer Station zur nächsten. Energie wird in jedem Gewerk – wo immer es möglich ist – von vornherein eingespart oder zumindest zurückgewonnen. Systeme zur Wärmerückgewinnung aus der Hallenluft werden in den Produktionshallen genauso selbstverständlich sein wie ein Blockheizkraftwerk, Abgaswärmetauscher und Aufbereitungsanlagen für Kühlmittel. Die Versorgungsleitungen für Strom, Gase, Wasser, Luft beziehungsweise Druckluft sind dank der Planung in der digitalen Fabrik so angeordnet, dass die Versorgung bei geringsten Energieverlusten gewährleistet ist.

Nach der Grobplanung arbeiten sich die Planer Ebene für Ebene in den Mikrobereich vor und analysieren die Vorgänge innerhalb der einzelnen Gewerke. Ein Beispiel ist die Simulation des Tiefziehprozesses einer Fahrzeugtür im Presswerk. Mit Hilfe ihrer Berechnungen ermitteln sie die optimale Materialausnutzung. Mehrfachfertigung heißt das Schlagwort. So werden in Győr künftig in ein und demselben Prozessschritt die Autotür und im Bereich des bislang ungenutzten Fensterausschnitts zwei Tankdeckel geformt. Das spart Zeit, Energie und viele hundert Tonnen Stahl, die sonst recycelt werden müssten. Die Materialausnutzung verbessert sich aufgrund des geringeren Verschnitts um ganze 13 Prozent. In der Gießerei tragen virtuelle Untersuchungen des Aluminium-Druckgussverfahrens zur Optimierung des späteren Prozesses bei: Sitzt der Hauptanguss beim Formfüllen bereits an der richtigen Stelle? Wie verhält sich das Temperaturfeld während der Erstarrung des Bauteils? Verzieht sich das Material nach der Abkühlung? „Das alles sind essentielle Fragen, die meine Mitarbeiter weit vor Produktionsanlauf beantwortet haben“, erklärt Lakeit.

Im Karosseriebau nehmen die Einzelteile und Halbzeuge aus dem Presswerk die Gestalt des Autos an. Energiesparende Laser und Roboter arbeiten hier mit modernsten Fügetechnologien. Denn nach der Audi-Leichtbau-Philosophie – das richtige Material am richtigen Ort – müssen faserverstärkte Kunststoffe*, Stahlbleche oder Aluminium geschweißt, genietet oder geklebt werden. Eine technologische und energetische Herausforderung. Lakeit gibt einen Einblick: „Wir bekommen die Konstruktionsdaten von unseren Kollegen aus der Entwicklung. Unsere Spezialisten ermitteln mit Hilfe der digitalen Fabrik die passenden Fügemethoden und die effizienteste Reihenfolge der einzelnen Prozessschritte. Anhand dieser Ergebnisse können wir die Anlagen optimal zueinander positionieren.“

Schweißpunkte werden außerdem nur dort gesetzt, wo sie wirklich notwendig sind, und Klebstoff muss nicht durchgängig aufgetragen werden – bei garantierter Qualität. „Wir sparen durch die gesteppten Nähte ungefähr einen Joghurtbecher voll Klebstoff pro Fahrzeug“, verdeutlicht Lakeit. Ein weiteres Beispiel für Effizienz sind die Diodenlaser. Ihr Wirkungsgrad liegt gegenüber Festkörperlasern um 30 bis 40 Prozent höher – das wird allein im neuen ungarischen Werk 3.000 Tonnen Kohlendioxid vermeiden.

Die fertiggestellten Karosserien bekommen in der Lackiererei die Wunschfarbe der Kunden. Aus ästhetischen Gründen sowie in Bezug auf Haltbarkeit, Farbbeständigkeit oder Kratzfestigkeit ist die Oberflächenqualität des Lacks von besonderer Bedeutung. Dafür tauchen die Planer in die Welt der kleinsten Teilchen, der Atome und Moleküle. In Kooperation mit Hochschulen befassen sie sich mit der molekularen Beschaffenheit und der Schichtbildung von Lacken. Auf dieser Basis können sie über das virtuelle CFD-Verfahren der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) verbindliche Aussagen zum optimalen Lackauftrag treffen. Unerwünschte Tröpfchenbildung am Zerstäuber eines Sprühroboters oder verschleppte Flüssigkeit im Tauchbad sind Vergangenheit. Die Lackierroboter werden schneller und präziser auf ihre Aufgaben eingestellt, so dass sie weniger Lackmaterial und Energie benötigen. Auch bei der anschließenden Lacktrocknung sparen die Produktionsplaner aufwändige Versuche. Die CFD-Modellierung zeigt Luftströmungen, Temperaturverteilungen und den Wärmetransport im Trockner an.

In der Montage legen die Mitarbeiter im wahrsten Sinne des Wortes Hand an. Die vielen aufeinander abzustimmenden Prozesse stehen jedoch im Spannungsfeld verschiedener Zielgrößen: Zeit, Auslastung, Materialbereitstellung, Sicherheit und Ergonomie. Dafür haben die Planer das Werkzeug der virtuellen Taktung entwickelt. Mit dieser ausgeklügelten Methode werden Informationen zum Fertigungsprozess mit dreidimensionalen Produktdaten und den benötigten Betriebsmitteln intelligent verknüpft. Auf dieser Basis kann jeder einzelne Arbeitsschritt virtuell dargestellt werden.

„Wir brauchen qualifizierte, erfahrene und motivierte Mitarbeiter, die ihr Fachwissen einbringen und die Prozesse aktiv mitgestalten“, erklärt der Planungsleiter. „Wir sehen den Menschen als unsere wertvollste Ressource.“ Um etwa die Gelenke der Mitarbeiter zu schonen, haben ergonomische Aspekte oberste Priorität bei den Werksplanern. In einer sehr frühen Projektphase identifizieren sie mittels virtueller Methoden belastende, anstrengende oder ungünstige Einbaupositionen. In Zusammenarbeit mit den betroffenen Mitarbeitern werden konkrete Maßnahmen zur Verbesserung abgeleitet: Ein höhenverstellbarer Montagesitz oder ein Scherenhubtisch an der richtigen Stelle kann Entlastung für den Rücken, die Hüftgelenke oder die Knie schaffen. „In Spezialfällen erhalten unsere Planer bei diesem Thema Unterstützung von Kollegen der Arbeitssicherheit, Physiotherapeuten und dem Werksarzt“, betont Lakeit.

„Mit Hilfe der digitalen Fabrik schaffen wir eine gemeinsame Verständnisbasis und erreichen sehr früh einen hohen Reifegrad. Trotzdem kennen wir die Grenzen der virtuellen Planung“, weiß Lakeit. Am Beispiel der Alterssimulation erläutert er die Problematik: Ein speziell entwickelter Altersanzug verdeutlicht die Bedürfnisse älterer Mitarbeiter. Er macht das Älterwerden durch Bewegungseinschränkungen und vermindertes Sehen, Hören und Fühlen erlebbar. Vor dem Hintergrund des demografischen Wandels liefert der Simulationsanzug also wertvolle Hinweise für die Arbeitsplatzgestalter. „Allerdings altert der Mensch nicht plötzlich, sondern lernt im Lauf seines Lebens mit Veränderungen umzugehen“, sagt der Planungschef. Die virtuelle Welt müsse immer durch Erfahrungswissen bestätigt werden. Auch bei sicherheitsrelevanten Themen wie Crashtests steht nach den virtuellen Versuchen immer noch der echte Test mit realen Fahrzeugen an.

Die Produktions- und Werksplaner bei Audi sind sich dieser Grenzen bewusst. „Wir sind Experten und Koordinatoren zugleich, durch unsere Steuerungsfunktion behalten wir den Überblick und eine gesunde Erdung“, ist Lakeit überzeugt. „Daher stellen wir auch unsere Zukunftsstrategie jedes Jahr auf den Prüfstand.“ Denn technologische Entwicklungen sind dynamisch und die damit verbundenen Prozesse wandelbar. „Die Achtung der Ressource Mensch ist aber in jedem Fall die Voraussetzung für eine umweltgerechte Produktion mit modernsten Technologien.“

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