Wie verändert KI die Technologie der mechanischen Fertigung?

Automatisierung in der Fertigung

Das Zusammenspiel von Mikroelektronik, Computern und Automatisierung hat die Automatisierung der Fertigung in drei Hauptbereichen vorangetrieben: Fertigungstechnik, einzelne Prozesse und komplette Fertigungssysteme.

Automatisierung der Fertigungstechnik

Computer- und Netzwerktechnologien unterstützen die computergestützte Konstruktion (CAD), die computergestützte Prozessplanung (CAPP), das computergestützte Engineering (CAE), die computergestützte Fertigung (CAM), das Produktdatenmanagement (PDM), Management-Informationssysteme (MIS) und die Unternehmensressourcenplanung (ERP). Zusammen ermöglichen diese Systeme eine schnellere und effizientere Erstellung und Verarbeitung von Fertigungsinformationen.

Automatisierung von Fertigungsprozessen

Integrierte Schaltkreise, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Computer automatisieren einzelne Maschinen, Fertigungslinien und komplette Systeme. Neue Sensoren, zerstörungsfreie Prüfverfahren, physikalische und chemische Untersuchungen, Datenverarbeitung und Mikroelektronik messen und überwachen Temperatur, Druck, Weg, Spannung, Dehnung, Schwingungen und andere Prozessvariablen in Echtzeit. Ihre Integration ermöglicht elektronische und digitale In-Prozess-Messungen, computergestützte Prüfverfahren, eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis sowie adaptive Regelung.

Automatisierung von Fertigungssystemen

Die CNC-Technologie, Roboter, automatisierte Handhabungs- und Lagersysteme sowie automatisierte Zellen haben die Fertigung von Einzelmaschinen hin zu kompletten Systemen, von starrer zu flexibler Automatisierung und von einfachen zu komplexen Architekturen weiterentwickelt. Die daraus resultierende Hierarchie umfasst CNC-Maschinen, Bearbeitungszentren (MCs), flexible Fertigungszellen (FMCs), flexible Fertigungssysteme (FMS) und flexible Fertigungslinien (FML), die schließlich in computergestützten Fertigungssystemen (CIMS) und intelligenten Fertigungssystemen (IMS) zusammenlaufen.

Diese Technologien steigern die Produktivität, Qualität, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Produktvielfalt. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung wird die Fertigung intelligenter, vernetzter und integrierter.

Computertechnik und flexible Fertigung

Die Fertigung orientiert sich an der Marktnachfrage. Da Kunden immer vielfältigere und individuellere Produkte wünschen, ist die traditionelle Massenproduktion zunehmend ungeeignet. Die flexible Fertigung wurde entwickelt, um die hochwertige und effiziente Produktion verschiedener Produkte in kleinen und mittleren Losgrößen zu angemessenen Kosten zu automatisieren.

Produktion verschiedener Produkte in kleinen und mittleren Losgrößen

Ein flexibles System lässt sich schnell an verschiedene Produkte anpassen, wodurch unterschiedliche Anforderungen erfüllt und gleichzeitig der bei der Ein-Produkt-Fertigung entstehende Abfall reduziert werden.

Höhere Maschinenauslastung und geringere Kosten

Durch Automatisierung werden Maschinen und andere Anlagen effizient genutzt und unproduktive Nebenzeiten verkürzt, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden.

Kürzere Vorlaufzeiten und geringere Lagerbestände

Automatisierte und optimierte Prozesse verkürzen die Produktionszyklen. Eine flexible Planung reduziert die Lagerbestände, setzt Betriebskapital frei und verbessert die Reaktionsfähigkeit auf Marktveränderungen.

Mehr Automatisierung und ein besseres Arbeitsumfeld

Die Automatisierung verringert den Arbeitsaufwand, sorgt durch präzise und wiederholbare Arbeitsabläufe für eine gleichbleibende Qualität, reduziert manuelle Eingriffe und senkt die Risiken am Arbeitsplatz.

Integration von Konstruktion und Fertigung

CAD/CAM, flexible Fertigung, computergestützte Fertigung, Concurrent Engineering (CE) und Rapid Prototyping (RP) lassen die traditionellen Grenzen zwischen Konstruktion und Produktion verschwinden.

1. CAD/CAM

CAD/CAM verbindet die Konstruktion direkt mit der Fertigung. Ingenieure entwickeln und überarbeiten Produkte in einer virtuellen Umgebung, und die daraus resultierenden Daten dienen als Grundlage für die Produktion. Dies verkürzt den Weg von der Konstruktion zur Fertigung und reduziert Fehler und Nacharbeiten.

2. FMS und CIMS

Flexible und computerintegrierte Systeme verbinden Bearbeitung, Prüfung, Logistik und Montage durch Automatisierung und Informationstechnologie. Ein FMS nutzt Roboter, CNC-Maschinen und zugehörige Anlagen, um eine flexible Produktion zu ermöglichen. Ein CIMS ergänzt dies durch Informations- und Managementtechnologien, um das gesamte Unternehmen zu integrieren.

3. Concurrent Engineering

Beim Concurrent Engineering werden Konstruktion, Fertigung und Prüfung so organisiert, dass die Arbeiten parallel statt streng nacheinander ablaufen, wodurch die Produktentwicklungszeit verkürzt und die Markteinführung beschleunigt wird.

4. Rapid Prototyping

Beim Rapid Prototyping werden physische Modelle durch Materialauftrag hergestellt, wodurch Designer ein Konzept schnell bewerten und testen können. Fortschrittliche, unkonventionelle Verfahren wie Laserschneiden und elektrochemische Bearbeitung lassen zudem die Grenze zwischen herkömmlicher Kalt- und Warmbearbeitung verschwimmen. Prüfung, Logistik und Montage werden zunehmend in ein einziges automatisiertes Informationssystem integriert.

Ultrapräzisions- und Ultrahochgeschwindigkeitsbearbeitung

Die ultrapräzise Bearbeitung hat mittlerweile den Nanometerbereich erreicht und ermöglicht so die Herstellung hochpräziser Optiken, mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) und Halbleiterbauelemente.

1. Die Präzisionsbearbeitung entwickelt sich hin zu Energiequellen mit kürzeren Wellenlängen – vom Infrarot über das sichtbare Licht bis hin zu Ultraviolett und Röntgenstrahlen. Kürzere Wellenlängen ermöglichen eine höhere Energie und eine feinere Bearbeitung. Außerdem werden Ultrapräzisionsmaschinen zunehmend multifunktional und modular aufgebaut.
2. Die Materialpalette hat sich von Metallen auf Keramik, Kunststoffe und Glas ausgeweitet. Keramik zeichnet sich durch Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit aus, während Kunststoffe und Glas in vielen optischen und elektronischen Anwendungen zum Einsatz kommen.
3. Das Ultrahochgeschwindigkeits-Zerspanen verbessert Effizienz und Qualität durch eine erhebliche Steigerung der Schnittgeschwindigkeit. Beim Zerspanen von Aluminiumlegierungen wurden bereits über 1.600 m/min erreicht, bei Gusseisen liegen die Werte bei etwa 1.500 m/min. Dieses Verfahren ermöglicht die Bearbeitung schwer zerspanbarer Legierungen und Verbundwerkstoffe, reduziert thermische Schäden und Werkzeugverschleiß und verbessert die Oberflächenqualität.

Fortgeschrittene Produktionsmodelle

Die fortschrittliche Fertigung verbindet Technologie, Menschen und Organisation miteinander. Ihr voller Nutzen hängt davon ab, dass alle drei Komponenten aufeinander abgestimmt werden und Fertigungsprozesse mit Informationstechnologie und modernem Management kombiniert werden.

1. Flexible, Just-in-Time- und schlanke Produktion. Flexible Systeme ermöglichen einen schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Produkten. Die Just-in-Time-Produktion (JIT) reduziert Überbestände und Verschwendung, während die schlanke Produktion (LP) durch kontinuierliche Verbesserung und Prozessoptimierung Verschwendung beseitigt.
2. Agile Fertigung und paralleles Engineering. Bei der agilen Fertigung stehen schnelle Reaktionszeiten und Innovation im Vordergrund. Durch Concurrent Engineering können Konstruktion, Analyse, Fertigung und Prüfung parallel ablaufen, wodurch sich die Zeit vom Konzept bis zur Markteinführung verkürzt.
3. Dezentrale vernetzte Fertigung (DNM). Das Internet und die Informationstechnologien vernetzen Produktionsressourcen an verschiedenen Standorten, um den Austausch und die Zusammenarbeit zu ermöglichen und so die Effizienz und Flexibilität zu steigern.

Angesichts des Fortschritts in der Informationstechnologie und der Globalisierung tragen diese Produktionsmodelle dazu bei, dass Hersteller durch einen höheren Grad an Automatisierung, Intelligenz und Vernetzung wettbewerbsfähig bleiben.

Wie KI die mechanische Fertigung verändert

Künstliche Intelligenz erweitert die menschlichen Wahrnehmungs- und Entscheidungsfähigkeiten und ist ein wesentlicher Faktor für die intelligente Fertigung. Bei der intelligenten Fertigung kommen fortschrittliche Informationstechnologien und intelligente Systeme zum Einsatz, um die Produktion zu automatisieren, zu optimieren und zu verbessern.

1. Expertensysteme. Prozessplanungssysteme können anhand von Konstruktionsanforderungen und verfügbaren Ressourcen Bearbeitungsabläufe erstellen. Konstruktionssysteme unterstützen Ingenieure mit Empfehlungen und Lösungen. Prüf-, Steuerungs- und Diagnosesysteme überwachen die Anlagen, erkennen sich abzeichnende Probleme und sichern die Prozessstabilität sowie die Produktqualität.
2. Intelligente CAD/CAM-Systeme und Robotik. Das integrierte CAD/CAM-System sorgt für einen nahtlosen Übergang von der Konstruktion zur Produktion. Intelligente Roboter führen komplexe Montagearbeiten durch und ersetzen den Menschen in gefährlichen oder rauen Umgebungen.

Deep Learning, natürliche Sprachverarbeitung und Bilderkennung kommen mittlerweile in allen Bereichen zum Einsatz – vom Produktdesign über die Produktionsplanung bis hin zur Qualitätskontrolle und vorausschauenden Instandhaltung. KI kann die Produktivität und Qualität steigern, Kosten und Personalbedarf senken und die Produktion besser an individuelle Nachfrage anpassen. Durch die weitere Entwicklung werden intelligente Fabriken und intelligente Fertigung immer mehr zur Selbstverständlichkeit werden.