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Theoretische Ansätze und Modellfabriken rechtzeitig in reale Produktionsstätten zu verlagern, ist das Ziel von Smart Electronic Factory, die der EMS Limtronik in Zusammenarbeit mit dem MES-Anbieter Itac Software erfolgreich umgesetzt hat.
In der Smart Electronic Factory optimieren sich Maschinen künftig selbst, lernen aus Fehlern und produzieren autark.
Aufgrund der zunehmenden Komplexität brauchen Mitarbeiter eine unterstützende Infrastruktur in Form von MES. Daraus resultiert eine hohe Fertigungsqualität und eine lückenlose Traceability.

Der Vision, dass Maschinen sich künftig selbst optimieren, eigenverantwortlich aus Fehlern lernen und mittels ausgeklügelter Algorithmen autark produzieren, kann nur dann der Sprung in die Realität gelingen, wenn man sie rechtzeitig aus der Modellfabrik in echte Produktionsstätten holt. In Limburg an der Lahn wird für das Branchensegment Elektronik gerade eine solche Vision in die Wirklichkeit gebracht. Der Elektronikfertigungs-Dienstleister Limtronik gründete gemeinsam mit Itac Software ein Industrie-4.0-Konsortium. Dieses besteht neben mittelständischen deutschen Softwarehäusern und internationalen Unternehmen auch aus universitären Forschungseinrichtungen wie der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM).

Auf Basis der Soft- und Hardwareprodukte der Konsortiumsmitglieder entsteht nun in den nächsten Monaten eine marktweit einzigartige Industrie-4.0-Evaluierungsumgebung – die Smart Electronic Factory. Mit der Etablierung dieses Projekts gehen die einzelnen Unternehmen weit über bisherige Demonstrations- und Forschungsplattformen der vierten industriellen Revolution hinaus. Die Software und die Smart Devices von Itac wurden bereits in primäre Fertigungsprozesse von Limtronik integriert. Mittels der stetigen Analyse von Maschinen- und Prozessdaten soll es künftig möglich sein, eine automatische Fehlerursachenerkennung durchzuführen. Über hiermit verknüpfte Mechanismen der Prozessverriegelung soll ein intelligenter Regelkreis entstehen, der die Fehlleistungskosten bis auf null minimiert.

Der heutige Stand der SMT-Fertigung

Heutzutage werden elektronische Baugruppen über mehrere autarke Anlagenmodule voll automatisiert produziert. Die vorbereitenden Maßnahmen der entsprechenden Fertigungszelle auf das aktuell zu erzeugende Produkt erfolgen hierbei manuell oder teilautomatisiert. Wenig flexibel ist dabei die Reihenfolge der einzelnen Fertigungszellen, denn während der Fabrikplanung werden diese fest miteinander verkettet. Aufgrund dessen passieren die Produkte die Stationen in einer unbeweglichen Folge. Durch ein- oder zweispurige Transportbänder werden die Anlagenmodule hierfür miteinander verknüpft. Ein grundlegender Nachteil ist demnach, dass bei der Störung eines einzelnen Anlagenmoduls der vollständige Produktionsfluss ausnahmslos einen Stillstand erleidet.

Bei Limtronik werden schon heute für jeden primären Fertigungsschritt Maschinen-, Prozess- und Qualitätsdaten autark erfasst und analysiert. Auf den Gesamtprozess lässt dies allerdings nur eingeschränkte Rückschlüsse zu, denn Korrelationen zwischen den erfassten Datenbeständen der einzelnen Fertigungsprozesse lassen sich derzeit noch nicht feststellen. Die Chance der „Smart Electronic Factory“ besteht nun vor allem darin, dass mittels leistungsfähiger Korrelationsanalysen ein automatischer Rückschluss auf die prozessbezogene Fehlerursache erfolgen kann. Durch die erstmalige Verknüpfung strukturierter und unstrukturierter Daten zum Thema Fehlleistungskosten ergeben sich für die Non-Conformance-Prognose neuartige Analysemöglichkeiten, die ein erhebliches Potenzial erkennen lassen. Die über Jahrzehnte gepflegten Fehlerursachenkataloge werden mit einem modernen Data-Mining-Tool anhand von Qualitäts-, Produkt- und Prozessdaten aus der Itac.MES.Suite überprüft, um so eine gute Basis für entsprechende Maßnahmen zu schaffen.

Damit sich eine durchgehende und nachhaltige Qualitätssicherung sicherstellen lässt, sucht die Software nach allen Fehlern, sowohl innerhalb der vorgegebenen Toleranzen als auch außerhalb. Somit können künftige Industrie-4.0-taugliche IT-Systeme Fehler nicht nur erfassen und über Qualitätsberichte dokumentieren, sondern bereits im Keim ersticken. Dadurch wiederum ist es zum einen möglich, die Fehlleistungskosten erheblich zu minimieren, zum anderen profitieren die Unternehmen von einer beachtlichen Arbeitszeitersparnis.

Automatische Fehlerursachenanalyse

Ein Ziel des Evaluierungsprojekts ist es, dass eine automatische Fehlerursachenanalyse die ineffizienten Prozesse lokalisiert, um effektive Lösungsvorschläge zu ermitteln. Diese werden mit den jahrzehntelangen Erfahrungen der Prozessingenieure abgeglichen, um sich nicht auf Hypothesen einer Software zu verlassen. Mensch und Maschine arbeiten somit Hand in Hand an der Optimierung der Produktqualität zur „Zero PPM Factory“. Im Endausbau zur Verwirklichung von Industrie 4.0 steht die selbstlernende Maschine, die unter dedizierten Bedingungen Fehlerursachen identifiziert und geeignete Maßnahmen zur Fehlervermeidung definiert beziehungsweise Meldungen an den zuständigen Operator verschickt.

Dies folgt dem Gedanken der cyber-physischen Systeme (CPS): Die Kombination von geeigneten Softwaremodellen und physischen Maschinenelementen erlaubt in gewissen Grenzen eine autarke Aktion der Produktionsmaschinen, mit dem Ziel der Prozessoptimierung und Fehlervermeidung. Moderne Techniken der Datenanalyse, die als Basis auf bereits erfasste Informationen über Produkt-, Prozess-, Qualitäts- und Umgebungsdaten anknüpfen können, ermöglichen dies. Mit der bidirektionalen Kopplung des vorhandenen ERP-Systems sowie dem Fertigungsequipment wird eine durchgängige vertikale Integration realisiert, die zudem die vollständige Wertschöpfungskette abdeckt.

Die transparente Produktion

Ein weiteres Kernelement der „Smart Electronic Factory“ ist die Traceability – ebenfalls ein Eckpfeiler einer jeden Smart-Factory. Viele Bereiche der Elektronikfertigung lassen sich durch folgende Regel charakterisieren: Es gilt, Produkte innerhalb kürzester Zeit auf hohem Qualitätsniveau unter optimaler Auslastung der Betriebsmittel zu fertigen. Demgemäß wurden bereits ausgedehnte Traceability-Funktionen für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit des Produkts integriert, oftmals in Form von laserbeschrifteten Data-Matrix-Codes oder Barcode-Etiketten. Somit ist man bereits heute in der Lage, jedes Einzelprodukt, Rohmaterialgebinde, Betriebsmittel und ähnliches, durch die gesamte Prozesskette zurückzuverfolgen, einschließlich der Prozess- und Maschinenparameter, die bei der Verarbeitung zur Anwendung kamen. Auch Limtronik wird den Kunden in Zukunft die Option einer horizontalen Integration bieten können. Dadurch lässt sich bei Feldausfällen oder im Servicefall anhand der Seriennummer eines Produkts feststellen, welcher Fehler, bedingt durch welche Ursache, wo in der Fertigung aufgetreten ist. Dem Kunden kann somit eine lückenlose Traceability gewährleistet werden. Zur Realisierung eines cyber-physischen Elektronikproduktionssystems ist Traceability folglich eine unabkömmliche Rahmenvoraussetzung.

Evaluierung in der realen Fabrik

Anders als bei vielen herstellergebundenen Probeszenarien der intelligenten Fabrik, die derzeit vornehmlich als Modell entstehen, schafft das Industrie-4.0-Konsortium um Itac und Limtronik ein Umfeld mit standardisierter Industrie-4.0-tauglicher Hard- und Software als Grundlage. Die verschiedenen Anlagenmodule, Scanner, Sensoren und so weiter von Limtronik werden über Itacs Smart.MESDevices und Standard-Anlagenschnittstellen angekoppelt. Dies löst unter anderem das Schnittstellenproblem, mit dem die Elektronikindustrie in der täglichen Praxis zu kämpfen hat.

Die Prozess- und Maschinendaten der einzelnen Anlagenmodule werden über Messwerte von prozessbezogenen Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und so weiter, ergänzt. Die Sensordaten werden über die Smart.MESDevices erfasst und den Mechanismen der Fehlerursachenanalyse zugeführt. Gemäß Schichtkalender und den einsatzfähigen Betriebsmitteln übernimmt ein APS-Modul die Feinplanung von Aufträgen unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, beispielsweise Maschinen- und Materialverfügbarkeit oder produktive Zeiten. Die Planungsfunktion arbeitet direkt auf den vom MES zur Verfügung gestellten Daten und kann damit in nahezu Echtzeit auf Veränderungen in der Fertigung reagieren. Die Organisation autonomer ad-hoc-Vernetzungen zwischen einzelnen Anlagen bedarf jedoch herstellerunabhängiger Kommunikationsstandards und stellt Itac und Limtronik hierbei vor eine besondere Herausforderung, die sich nur mit Unterstützung der einzelnen Anlagenhersteller lösen lässt. OPC UA gilt in diesem Nexus als ein M2M-Kommunikationsprotokoll der vierten industriellen Revolution. Allerdings gilt es nun zu analysieren, ob und in welchem Umfang sich dieser respektive weitere Standards in die Elektronikfertigung einflechten lassen.

Der Weg zur smarten Elektronikfertigung

Das Konsortium von mittelständischen Unternehmen und universitären Forschungseinrichtungen kann die Zielsetzungen der Industrie 4.0 mittelfristig im Branchensegment Elektronik umsetzen. Denn insbesondere im Mittelstand ist die Elektronikproduktion durch eine hohe Variantenanzahl mit vielen Produktwechseln gekennzeichnet. Smart Electronic Factory steht für Qualitätssicherung, denn sie stellt eine ständige Behebung aller Fehlerursachen und Prozessfehler sicher, bevor diese Auswirkungen auf die Produktion haben können.

SMT Hybrid Packaging 2015: Halle 7, Stand 417