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Die Marktwirtschaft hat ein Luxusproblem. Einerseits werden für Massenmärkte, in denen niedrige Produktionskosten im Vordergrund stehen, günstige und in großen Stückzahlen benötigte Waren benötigt. Auf der anderen Seite gibt es vor allem in den westlichen Industrienationen, aber auch in einigen Schwellenländern eine immer größere Basis wohlhabender Kunden, die bereit sind, für hochwertige und individuell gestaltete Produkte einen hohen Preis zu zahlen. Diese Zielgruppe wollte Adidas bereits mit den sogenannten Speed ​​Factories ansprechen. Eine 2017 eröffnete Fabrik im mittelfränkischen Ansbach zur Produktion von bis zu 500.000 personalisierten Sportschuhen pro Jahr musste 2020 wieder geschlossen werden. Die Technologie kommt nun auch in Asien zum Einsatz.

Der Sportartikelhersteller hatte sich zum Ziel gesetzt, die bisher übliche Phase zwischen dem Erkennen eines neuen Konsumtrends und der anschließenden Produktion passender Ware von 18 Monaten auf nur noch 24 Stunden zu verkürzen. „Um das Leben der Menschen zu verändern, muss man direkte Beziehungen zu den Verbrauchern aufbauen“, sagte Michael Vögele, damals CIO von Adidas, 2018 auf der „Sapphire Now and ASUG Annual Conference“ des Softwareherstellers SAP in Orlando, Florida. 2019 wechselte Vögele zum Tabakriesen Philipp Morris, wo er Chief Technology Officer (CTO) wurde. Bei Adidas beschloss er dennoch, „die Verbraucher direkt in unsere Herstellungsprozesse einzubeziehen“. So könne man „ihre Kreativität nutzen und sofort das gewünschte Produkt für sie herstellen“. Das hätte auch den Vorteil gehabt, "die Produktivität entlang der gesamten Lieferkette zu steigern".

Ende 2019 endeten die Speed-Fabriken jedoch vorzeitig. Adidas stellte sowohl die Produktion in Ansbach als auch die des Modells in Atlanta ein. Unternehmenssprecher Jan Runau kündigte damals an, die eigens entwickelte Technologie werde auch in Asien weiter zum Einsatz kommen. Es sei "sinnvoller, die Produktion auf die Speed-Fabriken zu konzentrieren, in denen das Know-how und die Zulieferer angesiedelt sind", sagte Runau der Deutschen Presse-Agentur. Aber in Ansbach kann man viel lernen. Der Versuch, „die technologisch hochwertige Produktion von Sportartikeln zurück nach Deutschland zu bringen“, sei dennoch nicht gelungen. Die Speed ​​Factories haben jedoch gezeigt, dass es an der Zeit ist, die Produktion flexibler zu gestalten.

Was Adidas in Sachen Flexibilisierung zumindest hierzulande noch nicht geschafft hat, wird nun vom Karlsruher Institut für Technologie, kurz KIT, erreicht. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und unter der Leitung von Professor Jürgen Fleischer entwickeln Forscher des KIT derzeit ein neues Produktionsplanungssystem, das die hohe Produktivität und Genauigkeit von Sondermaschinen mit der Flexibilität und Vielseitigkeit von Industrierobotern vereinen soll und zudem sehr leicht zu bedienen. Sie trägt den etwas sperrigen Namen „Wertstromkinematik“. Ein Wertstrom umfasst alle Aktivitäten, die zur Herstellung eines bestimmten Produkts erforderlich sind. Kinematik nennt man spezielle Roboterarme, die besonders flexibel eingesetzt werden können.

„Wertstromkinematiken können die heutige Produktionslandschaft revolutionieren“, ist Jürgen Fleischer überzeugt. Er ist Leiter des am KIT angesiedelten WBK-Instituts für Produktionstechnik und Initiator des neuen Produktionsansatzes. Die Wertstromkinematik könnte große Hallen überflüssig machen und zudem lange Lieferketten oder Produktionsausfälle durch Engpässe verhindern. Es setzt auf flexible Roboterarme, die sich nicht nur mit geringem Aufwand neu positionieren, sondern auch umprogrammieren und einfach mit anderen Werkzeugen bestücken lassen. Fleischer ist sich daher sicher, dass Unternehmen, die auf eine steigende Nachfrage nach einer größeren Vielfalt ihrer Produkte angewiesen sind, am Ende einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz erlangen werden.

Fleischer und sein Team haben sich daher entschieden, hohe Flexibilität mit hoher Produktivität zu verbinden. „Geeignete Produktionssysteme, die sich durch eine hohe Flexibilität und einen hohen Automatisierungsgrad auszeichnen, gab es noch nicht oder nur in rudimentärer Form“, ergänzt Edgar Mühlbeier, der ebenfalls am WBK forscht. Diese Lücke wird mit der Wertstromkinematik geschlossen.

Die durch die Covid-19-Pandemie im Jahr 2020 ausgelöste weltweite Krise hat laut Professor Fleischer „zeigt, wie schnell die Produktionslinien zum Erliegen kommen können, wenn die Lieferungen für die Produktion aus dem Ausland nicht rechtzeitig zur Verfügung stehen“. „Wenn unsere flexiblen Systeme im Einsatz wären, könnten regionale Firmen in der Nähe einspringen und die fehlenden Teile fertigen“, erklärt er. Auch die mit der Wertstromkinematik mögliche Reduzierung der Transportwege schont Ressourcen und Umwelt.

Bisher werden in der Industrie hauptsächlich Spezialmaschinen eingesetzt, die meist nur für bestimmte Produktionsprozesse und -schritte ausgelegt sind. Das Deutsche Institut für Normung (DIN) beispielsweise hat in der DIN 8580 sechs grundlegende Fertigungsverfahren festgelegt: „Urformen“, „Umformen“, „Trennen“, „Fügen“, „Beschichten“ und „Werkstoffeigenschaften ändern“. Diese Verfahren werden hauptsächlich von metallverarbeitenden Betrieben eingesetzt. Die Begriffe stehen für Verfahren, bei denen beispielsweise aus einem noch formlosen Rohmaterial ein neues Werkstück hergestellt wird.

Dies hat den Nachteil, dass bei neuen Prozessen meist komplett neue Maschinen angeschafft werden müssen. Universalmaschinen, die eine Vielzahl von Prozessen abdecken, gibt es noch nicht. Es ist nicht so, dass schon lange nicht mehr versucht wurde, die Flexibilität zu erhöhen. Allerdings, so Jürgen Fleischer, sei das Potenzial moderner Fertigungssysteme bereits weitgehend ausgeschöpft. Auch die frei programmierbaren Bearbeitungszentren, die heute beispielsweise in der Fertigung von Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, sind nur bedingt flexibel einsetzbar, da sie nur Varianten ein und desselben Produkts herstellen können. Niemand könne heute genau sagen, was er in vier oder fünf Jahren produzieren werde, sagt Professor Fleischer.

Das Ziel der Wertstromkinematik hingegen ist eine individualisierte und dennoch hochproduktive Produktion. Dies ist nur mit modularen und rekonfigurierbaren Fertigungssystemen zu erreichen. Dafür reicht die bisherige Systemtechnik nicht aus. Den Boden einer auf Basis von Wertstromkinematiken erstellten Anlage muss man sich wie eine Art Lego-Platine vorstellen, auf der sich sogenannte Nullpunktspannvorrichtungen befinden, die nicht nur genau vermessen, sondern auch zur Energieübertragung genutzt werden können und Signale. An diesen Punkten können dann standardisierte Roboterarme, die Kinematik, angebracht werden, die sich mit unterschiedlichen Werkzeugen wie Schweißzangen, Fräsern oder auch Messwerkzeugen ausstatten können.

Letztlich soll dies eine Flexibilität ermöglichen, die heute eigentlich nur 3D-Drucker bieten. Eines ist noch gemeinsam: Auch beim 3D-Druck ist grundsätzlich alles digital. Eine Datei aus dem Internet reicht aus, um auf Knopfdruck ein ganz anderes Teil zu produzieren. Dennoch sind die Möglichkeiten des 3D-Drucks im Vergleich zur realen industriellen Produktion eingeschränkt.

Für Wertstromkinematiken werden keine klassischen Roboter benötigt, da diese noch nicht flexibel genug sind. Laut Professor Fleischer ist das System eher mit der Zusammenarbeit mehrerer Personen zu vergleichen. Bestimmte Aufgaben können von einer Person alleine ausgeführt werden. Für andere Aufgaben oder wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, müssten mehrere Personen zusammenarbeiten. Wenn beispielsweise zwei Personen gemeinsam etwas Schweres heben, kann der Stärkere dem Schwächeren helfen und die Last ausgleichen. Fleischer kündigte an, dass man so etwas auch mit Kinematik erreichen kann.

Durch die Kopplung mehrerer Roboterarme kann eine höhere Genauigkeit oder einfach mehr Leistung erreicht werden. Die durch die Wertstromkinematik ermöglichten neuartigen Produktionssysteme sollen zudem in der Lage sein, die verschiedenen benötigten Ausgabeteile selbstständig zu positionieren und weiterzugeben oder sogar ihre Werkzeuge selbst auszutauschen.

All dies funktioniert nur mit einer vollständig digitalisierten Prozesskette, die mit einem im CAD erstellten Produkt beginnt. Diese wird zunächst analysiert, dann wird eine spezielle Hallenplanung umgesetzt. Unter anderem wird festgelegt, welche Kinematik in welcher Position sein muss und welche Werkzeuge und Bewegungsprogramme sie benötigen. Die Planungs- und Inbetriebnahmezeit für eine komplett neue Produktionsanlage soll dank der Wertstromkinematik deutlich verkürzt werden können.

Die dafür notwendigen Planungstools existieren noch nicht oder nur in rudimentärer Form. Bisher existieren nur Prototypen und Entwürfe. Wenn es diese nur einmal gibt, ist Jürgen Fleischer überzeugt, dann könne man „die Produktion komplett auf ein höheres Maß an Flexibilität und Wandelbarkeit heben“. Dazu sind jedoch noch einige Schritte erforderlich und es wird Jahre dauern, bis dieser Punkt erreicht ist.

Die WBK erforscht nicht nur das Thema Wertstromkinematik. Professor Fleischer und seine Mitarbeiter konnten den Siemens-Konzern und den Werkzeugmaschinenhersteller Grob-Werke aus Mindelheim an Bord holen. Grob produziert seit Ende der 1960er Jahre sogenannte Transferstraßen. In einer solchen Fertigungsstraße durchlaufen die Werkstücke in einer festen Reihenfolge mehrere starre Maschinen.

Dieser Anlagentyp wird hauptsächlich in der vollautomatisierten Massenproduktion eingesetzt. Seit einiger Zeit registriert das Unternehmen jedoch steigende Kundenanforderungen an die Flexibilität seiner Produktionsanlagen. Dazu wurden unter anderem modulare CNC-Bearbeitungszentren entwickelt, die mit fünf Achsen ausgestattet sind. Traditionelle Produktionslinien erreichen hohe Stückzahlen. Die damit mögliche Variantenvielfalt ist jedoch gering. In den letzten Jahren wurden daher immer mehr Prozesse an spezialisierte Hersteller oder Zulieferer ausgelagert. Das eigentliche Problem der mangelnden Flexibilität wurde nur verschoben. Die Wertstromkinematik kann diese Lücke schließen. Aber auch kleine und mittelständische Unternehmen können von der Wertstromkinematik profitieren, indem sie den Ansatz als vielseitiges universelles Fertigungssystem nutzen.

Die Wertstromkinematik hat die Chance, Fertigungsprozesse zu revolutionieren und deutlich flexibler als bisher zu machen. Es gibt auch andere Verwendungsmöglichkeiten. Professor Fleischer denkt bereits an Remanufacturing, also die Wiederaufbereitung gebrauchter Produkte. Dies reduziert nicht nur den Rohstoffverbrauch und die Kosten, sondern verbessert auch die Qualität bereits verwendeter Produkte. Hier sind jedoch die kognitiven Eigenschaften der Kinematik wichtiger, da beispielsweise ein Elektromotor, der nach 100.000 Kilometern ins Werk zurückkehrt, nicht mehr so ​​genau definiert ist wie das Originalprodukt. Gleiches gilt für ein verrostetes Tretlager, das ausgebaut und überholt werden muss. Bei dieser Art von Verfahren steigt die Komplexität der erforderlichen Arbeitsgänge noch einmal deutlich an. Grundsätzlich eignet sich auch die Wertstromkinematik für solche Anwendungen. Lediglich der Planungsaufwand ist höher.

Die Potenziale und Anwendungsmöglichkeiten der Wertstromkinematik sind enorm. Sie gehen weit über die traditionelle Industrie hinaus. Denkbar ist der Einsatz nicht nur in großen Industriebetrieben, sondern auch in kleineren Handwerksbetrieben wie Schlossern oder Schreinern. Darüber hinaus eignet sich das Prinzip für Tests neuer Technologien, die bisher sehr aufwändig waren und für die spezielle Nullserien oder Prototypen benötigt werden. Auch hier sieht Professor Fleischer große Chancen für die Wertstromkinematik. Es bietet sogar Vorteile hinsichtlich der Skalierbarkeit der Produktion, da bestehende Produktionssysteme dank der Redundanz ohne großen Aufwand erweitert werden können.

Aber bis es wirklich so weit ist, wird es noch einige Zeit dauern. Aktuell suchen WBK, Grob-Werke und Siemens Partner aus der Industrie, die konkrete Anwendungen vorstellen wollen, die dann gemeinsam in der Praxis umgesetzt und im Detail getestet werden können.

* Andreas Th. Fischer ist freiberuflicher Journalist im Münchner Süden. Er verfügt über langjährige Erfahrung als Redakteur in verschiedenen IT-Fachmedien, darunter NetworkWorld Deutschland, com! professionell und ChannelPartner. Seine beruflichen Schwerpunkte liegen in den Bereichen IT-Sicherheit, Netzwerke und Virtualisierung.

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