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Digitale Fabrikplanung

Die dynamischen Märkte und die rasch fortschreitende Digitalisierung führen im globalen Wettbewerb dazu, dass Unternehmen anpassungs- und wandlungsfähiger sein müssen als je zuvor. Diese Entwicklung stellt auch den Fabrikplanungsprozess vor neue Herausforderungen. Um diesen zu begegnen, gilt es, Fabrikplanung gesamtheitlich neu zu denken und nachhaltig zu optimieren. Mit aktuellen Erkenntnisse aus der Forschung und Entwicklung im Kontext von Industrie 4.0 möchten wir Sie dabei unterstützen, einen optimalen Fabrikplanungsprozess für Ihr Unternehmen zu entwickeln.

Der Faktor Mensch kann im Fabrikplanungsprozess nicht komplett durch die Digitalisierung und automatisierte Prozesse ersetzt werden.

Dominik Fackler, Senior Berater

Wertschöpfungsprozesse optimieren mit digitaler Fabrikplanung

Der Fabrikplanungsprozess umfasst einzelne Schritte, von der Grundlagenermittlung, über die Konzeptplanung bis hin zur Realisierungs- und Hochlaufbetreuung. Dabei ist das Ziel, Strukturen und Prozesse zu schaffen, um Wertschöpfungsvorgänge zu optimieren. Im folgenden Artikel bringe ich Ihnen das Thema der digitalen Fabrikplanung näher und zeige Ihnen die Unterschiede zur klassischen Fabrikplanung. Zusätzlich erläutere ich den Nutzen der Planungsphase und wie der Einsatz von digitalen Methoden den Fabrikplanungsprozess für den Fabrikplaner erleichtern kann.

Der Artikel umfasst folgende Abschnitte:

  1. Das Konzept der digitalen Fabrikplanung: Was beschreibt die digitale Fabrikplanung?
  2. Optimierungspotentiale im Planungsprozess: Welche Potentiale ermöglicht digitale Fabrikplanung im Vergleich zur klassischen Fabrikplanung?
  3. 3D-Visualisierung und der Einsatz von VR: Softwarelösungen für die Visualisierung und Schnittstellen zu Virtual Reality
  4. BIM als Datengrundlage für eine digitale Fabrikplanung: Was beschreibt Building Information Modeling und welche Einsatzmöglichkeiten bietet es in der digitalen Fabrikplanung?
Die Planung einer Fabrik mit smarten, digitalen Tools.
Abbildung 1: Fabrikplanung in Zeiten von Industrie 4.0 – Datengetriebene Methoden weisen die Zukunft der Fabrikplanung

Der Artikel umfasst folgende Abschnitte:

  1. Das Konzept der digitalen Fabrikplanung: Was beschreibt die digitale Fabrikplanung?
  2. Optimierungspotentiale im Planungsprozess: Welche Potentiale ermöglicht digitale Fabrikplanung im Vergleich zur klassischen Fabrikplanung?
  3. 3D-Visualisierung und der Einsatz von VR: Softwarelösungen für die Visualisierung und Schnittstellen zu Virtual Reality
  4. BIM als Datengrundlage für eine digitale Fabrikplanung: Was beschreibt Building Information Modeling und welche Einsatzmöglichkeiten bietet es in der digitalen Fabrikplanung?

Das Konzept der digitalen Fabrikplanung

Die zu Beginn des Planungsprojektes vorliegende Datengrundlage bildet die Basis jedes Planungsprojekts. Jedoch wird der Wunsch eines jeden Planers nach vollständigen, strukturierten Daten in der Realität kaum erfüllt. Denn: die benötigten Informationen, die für eine Fabrikplanung relevant sind, existieren oft nicht vollständig oder sind unzureichend dokumentiert. Der technische Fortschritt ermöglicht es aber, immer mehr Wissen zu digitalisieren. Dadurch können Unternehmen die Potentiale der digitalen Fabrikplanung auch zunehmend nutzen. Um dies detailliert zu erörtern, gebe ich zunächst einen übergreifenden Überblick über digitale Fabrikplanung. Im Anschluss erläutere ich Ihnen, wie Sie eine möglichst optimale Datengrundlage schaffen können.

Die digitale Fabrikplanung stellt Werkzeuge, Methoden und Schnittstellen zur Verfügung. Unternehmen können diese je nach Aufgabenart und -komplexität zielführend einsetzen.

Dominik Fackler, Senior Berater

Werkzeuge und Methoden der digitalen Fabrikplanung

Zum Begriff der digitalen Fabrikplanung sind vielfältige Definitionen und Ansätze vorhanden. Die digitale Fabrikplanung fungiert dabei meist als eine Reihe von digitalen Werkzeugen, Methoden und Schnittstellen. Diese können Unternehmen situationsabhängig nach Art und Komplexität der Fabrikplanungsaufgabe einsetzen. Die Anwendungsfelder reichen von der Planung von Fabrik- und Materialflüssen über die Planung von Ausrüstungs-, Produktions-, und Logistikabläufen bis hin zur Planung von detaillierten Fertigungsprozessen. Hierbei sind Werkzeuge für spezielle Prozessschritte konzipiert, während sich Methoden über einen gesamten Fabrikplanungsprozess ziehen. Die Anwendung von Virtual Reality und Augmented Reality fungiert dabei als Bedienschnittstelle. Eine Vielzahl von Faktoren können ein Fabrikplanungsprojekt und den Einsatz von digitalen Werkzeugen und Methoden auslösen. Beispiele umfassen neue Produkte und Märkte, Veränderungen der rechtlichen Anforderungen, Standortanpassungen, Restrukturierungen von Prozess- oder Materialflüssen sowie neue Technologien und Verfahren.

Wie die digitale Fabrikplanung den Planungsprozess optimieren kann

Die Möglichkeiten für den Einsatz der digitalen Fabrikplanung sind vielfältig und können anhand von quantitativen, wie auch qualitativen Kriterien beschrieben werden. Vor allem in den ersten Planungsphasen wie der Grob- bzw. Layoutplanung können frühzeitig Methoden und Werkzeuge eingesetzt werden, um die Qualität zu steigern, die Kosten zu senken und die Fabrikplanungszeit zu minimieren. Folgende Potentiale können hierbei identifiziert werden:

Eine Aufzählung der Optimierungspotentiale durch den Einsatz der digitalen Fabrikplanung.
Abbildung 2: Optimierungspotentiale durch den Einsatz der digitalen Fabrikplanung

Im Vergleich zur klassischen Fabrikplanung ändert sich die Planungsmethodik und die Kommunikation zwischen den Beteiligten enorm. Durch den Einsatz von Software als auch Hardware können mit Hilfe von Simulationen und Visualisierungen vollständige Fabriklayouts und Materialflusssysteme generiert werden, die sowohl innerhalb der Greenfield- als auch Brownfieldplanung ergebnisorientiert eingesetzt werden können.

Datenbasierte Entscheidungsfindung

Insgesamt sichert der Einsatz der korrekten IT-Tools den Planer gegen Fehleinschätzungen ab und bietet in Kombination mit Simulationsergebnissen einen erweiterten Horizont zur Durchführung seiner Aufgaben. Zusätzlich dazu können wir Ihnen über alle Hierarchieebenen, ob auf Shopfloor-, Planungs- oder Managementebene schnell und anschaulich stets den aktuellen Planungsstand visualisieren, sodass Sie zu jeder Zeit ein konkretes Bild vor Augen haben. Auf dieser Grundlage können gemeinsam mit allen Stakeholdern unterschiedliche Lösungskonzepte und -szenarien erarbeitet und diskutiert werden, sodass ein ergebnis- sowie zielorientiertes Planungsprojekt durchgeführt werden kann. Daher sehen wir bei Rothbaum es als erforderlich an, sämtliche gebotenen Alternativen der digitalen Fabrikplanung zu erfassen, zu bewerten und gezielt nach Projektumfang und -komplexität einzusetzen.

Planungsfehler, die im zweidimensionalen gemacht werden, können mit Hilfe einer dreidimensionalen Ansicht vermieden werden.

Dominik Fackler, Senior Berater

3D-Visualisierung und der Einsatz von Virtual Reality

Für eine effiziente Layout- und Feinplanung bedarf es Hilfsmittel, um die Abläufe im Fertigungs-, Montage- und Logistikbereich im Detail zu gestalten und zu visualisieren. Mittlerweile existiert dafür eine Vielzahl an Methoden und Werkzeugen, um die digitale Fabrikplanung zu ermöglichen. Im Folgenden gebe ich Ihnen einen kurzen Einblick in ausgewählte Tools für die 3D-Visualisierung und der Schnittstelle zu Virtual Reality.

Eine Bildcollage zu digitaler Fabrik.
Abbildung 3: Virtual Reality ermöglicht es, Ihr Unternehmen aus einer ganz neuen Perspektive zu entdecken

Ausgewählte Softwarelösungen

In der Vergangenheit wurden bereits viele Tools für die Fabrikplanung von renommierten Unternehmen entwickelt, um den Einstieg in die 3D-Fabrikplanung zu gewährleisten. Einige davon umfassen komplexe Simulationsaufgaben, andere hingegen fokussieren sich auf die Visualisierung von Layouts. Besonders zu erwähnen sind hier die folgenden Softwarelösungen für die Visualisierung und Darstellung von Fabriklayouts:

  1. Siemens Plant Simulation: Eine umfassende Software, die zur Modellierung, Simulation und Animation von Produktion- und Logistiksystemen sowie Geschäftsprozessen verwendet wird.
  2. Visual Components: Diese Software überzeugt mit einer anwenderfreundlichen, leistungsstarken und optimierten visuellen Animation von Fabrikplanungsgegenständen. Vor allem die Schnittstelle zu VR kann hierbei überzeugen.
  3. visTable – Vom Wertstrom zur 3D Fabrik: Mit Hilfe dieser Software können umfassende Layoutplanungen und Materialflusssysteme konzipiert werden. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Bezug auf die Planung und Visualisierung von komplexen Lager-, Logistik- und Fabrikkonzepten ermöglichen eine Planung in differenzierten Detaillierungsgraden. Die Simulation und Bewertung von Szenarien schafft eine schnelle und zuverlässige Entscheidungsfindung während der gesamten Projektphase.

Durch den Einsatz von 3D Visualisierungen ermöglichen wir eine effiziente Zusammenarbeit während des gesamten Projektes mit dem Kunden.

Dominik Fackler, Senior Berater

Datenmodellierung in 3 Dimensionen

Um die genannten Softwarelösungen einsetzen zu können, ist eine hohe Datenqualität eines Planungsprojekts zwingend erforderlich. Die Datengrundlage für eine vollständige Visualisierung von Fabriklayouts ist zumeist jedoch nicht vorhanden. Oftmals stehen 2D-Layouts zur Verfügung, die zu Beginn der Planung konkretisiert werden müssen. Ziel einer jeden digitalen Fabrikplanung sollte es sein, von dem 2D- zu einem 3D-Layout zu kommen, um am Ende ein oder mehrere dynamische Modelle generieren zu können. Ausgehend von diesen Modellen können Simulationen für den Materialfluss, oder Ergonomie-Betrachtungen erzeugt werden. Der Vorteil von Simulationen liegt klar auf der Hand: Logistische Zusammenhänge können schnell und anschaulich präsentiert werden. Schon eine einfache grafische Darstellung kann dabei helfen, Logistikkonzepte besser zu bewerten. Die grafische Darstellung von Arbeitsplätzen ermöglicht das problemlose Durchführen von Ergonomie-Betrachtungen. Falls Sie sich detailliert über nachhaltige Simulationen informieren möchten, empfehle ich Ihnen diesen Artikel meines Kollegen Mark Smoliar, der den Einsatz des Digital Twin thematisiert.

Augmented Reality in der Fabrikplanung

Um die Potentiale der digitalen Fabrikplanung vollständig zu nutzen, ist der Einsatz von Virtual Reality bzw. Augmented Reality sinnvoll. Ziel ist es, die Schnittstelle zwischen Mensch und Technik weiter zu vernetzen, um Potentiale noch besser nutzen zu können. Hierbei wird mit Hilfe angepasster Softwarelösungen in Echtzeit eine realitätsnahe Visualisierung des aktuellen Planungsstandes gewährleistet. Sowohl der Planer als auch der Kunde kann interaktive und virtuelle Rundgänge durch die Produktion vornehmen oder neu geplante Maschinen in real existierenden Hallenstrukturen besichtigen. Insgesamt steigert der Einsatz von VR den Immersionsgrad des Planungsmodells im Gegensatz zu zwei- bzw. dreidimensionalen Layouts signifikant. Dies schafft neue Möglichkeiten für die Gestaltung und Planung von Fabriklayouts, über Fördertechniken bis hin zu Lagersystemen und einzelnen Arbeitsplätzen.

Mit Hilfe der Zusammenführung von VR und BIM können Planungsprojekte nachhaltig geplant, koordiniert und mit allen Projektbeteiligten abgestimmt werden.

Dominik Fackler, Senior Berater
Portrait von Dominik Fackler, Senior Berater bei Rothbaum
Dominik Fackler

Senior Berater

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    Building Information Modeling als Datengrundlage (BIM)

    Die Frage, die sich am Anfang jeder Planungsphase für die 3D-Visualisierung stellt, ist die Verfügbarkeit von Informationen bzw. Daten über das zugrunde liegende Planungsobjekt. Um eine ausreichende Datengrundlage zu generieren, können hochtechnologische Verfahren wie beispielsweise Laserscanning oder Photogrammetrie eingesetzt werden. Ein weiteres Konzept, das einen detaillierten Planungsprozess ermöglicht, ist das Building Information Modeling (Abk.: BIM). Doch was ist BIM? Hier eine kurze Zusammenfassung:

    Eine digitale Darstellung einer Fabrik mit zugehörigem Blueprint.
    Abbildung 4: Building Information Modeling als Planungsgrundlage

    Der klassische Weg Informationen während der Planungsphase auszutauschen, besteht in der Kommunikation in Papierform oder über unterschiedlichste Softwarelösungen. Dies bietet Raum für eine Vielzahl an Interpretationsmöglichkeiten und Missverständnissen, die zumeist hohe Kosten verursachen. Das Resultat ist eine Überschreitung von Zeitrahmen und Budget. Um diesen Konsequenzen entgegenzuwirken und eine effiziente und fehlerfreie Arbeit zu gewährleisten, ist die Nutzung über ein einziges Format, auf das alle Beteiligten zugreifen können, sinnvoll.

    Genau das bildet die BIM Methode digital ab. Dabei wird ein Zentralmodell erstellt, das mit Hilfe von separaten Modellen durch die jeweiligen Fachplanern gespeist wird. Diese Modelle betreffen beispielsweise die Architektur, die Statik, oder die technische Gebäudeausstattung eines Projekts. Ziel ist es, dass in dem Zentralmodell schlussendlich alle relevanten Informationen bezüglich aller Teileigenschaften des Gebäudes gespeichert sind.

    Der Einsatz der digitalen Fabrikplanung ist für viele Planer nicht wegzudenken und bietet im Zusammenhang mit der steigenden Digitalisierung erhebliche Potentiale gegenüber der klassischen Fabrikplanung.

    Dominik Fackler, Senior Berater

    BIM in der digitalen Fabrikplanung

    Die digitale Fabrikplanung kann diese Vorteile nutzen und um die Planungsfelder Produktionssysteme, Betriebsmittel und IT erweitern. Somit kann ein gesamtheitlicher Prozess dargestellt werden. Um die Informationen mit Hilfe von BIM zu digitalisieren, existieren bereits einige Schnittstellen zu CAD-Systemen. Die derzeitige Technik zeigt jedoch einige Potentiale auf, da bei komplexeren Planungen diese CAD-Schnittstelle an ihre Grenzen gerät. Ziel der Methodik BIM ist es, Informationen zu sammeln, bereitzustellen und zu nutzen, um beispielsweise Fabriklayouts 3-dimensional zu visualisieren. Hierfür ist die aktuelle Entwicklung einer Schnittstelle zwischen BIM und immersiven Visualisierungssystemen zwingend erforderlich. Auch die Rückführung in der virtuellen Welt getätigter Änderungen in die BIM-Software soll dabei möglich sein, sodass Besprechungsergebnisse direkt in die Planung mit einfließen können.

    Teaser zum White-Paper Digital Twin.

    White Paper

    11 Anwendungsfälle des Digital Twin in der Supply Chain

    Die Vorteile der Technologie sind für viele Unternehmen wettbewerbsentscheidend. In diesem White Paper zeigen wir anhand von 11 Anwendungsfällen, wie vielfältig Einsatz und Nutzen des Digital Twins in der Supply Chain sind.

    Zusammenfassung

    Die digitale Fabrikplanung bietet im Vergleich zum klassischen Fabrikplanungsprozess viele Potentiale. Dabei können innovative Werkzeuge, Simulationen und Schnittstellen eingesetzt werden, um flexible und anpassungsfähige Fabriksysteme zu generieren. Ziel ist es, vernetzte Modelle im Kontext der digitalen Fabrikplanung zu erzeugen und mit Simulationen die Durchführbarkeit einer Investition zu überprüfen. Im Zeitalter der Digitalisierung ist die Verwendung von Software und Hardware für die Layoutplanung und Materialflussanalyse unabdingbar. Eine verlässliche Datengrundlage in Kombination mit Erfahrungswerten der Planer und Beschäftigten im Unternehmen ermöglicht es, fundierte Ergebnisse zu generieren.

    Portrait von Dominik Fackler, Senior Berater bei Rothbaum

    Dominik Fackler

    Manager, München

    Als Manager leitet Dominik diverse Projekte, insbesondere in den Bereichen Fabrikplanung, Geschäftsprozessoptimierung in der Produktion und Supply Chain sowie Digital Operations.

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