Wie sich Zukunftstechnologien von der Pilotfertigung zur industriellen Produktion skalieren lassen

Zukunftstechnologien beginnen häufig mit einem Prototyp, Demonstrator oder einer kleinen Anzahl von Produkten, die von Ingenieuren und Spezialisten montiert werden. In dieser Phase geht es in erster Linie darum, die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Technologie nachzuweisen.

Eine erfolgreiche Industrialisierung erfordert jedoch eine andere Perspektive. Ein Produkt, das sich unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen einmal herstellen lässt, ist nicht automatisch für eine reproduzierbare Serienproduktion geeignet. Komponenten müssen in gleichbleibender Qualität verfügbar sein, Prozesse benötigen klar definierte Parameter, Prüfmethoden müssen zuverlässige Ergebnisse liefern und der vollständige Fertigungsablauf muss die erforderlichen Stückzahlen unterstützen.

Der Übergang von der Pilotfertigung zur industriellen Produktion bedeutet deshalb nicht einfach, schnellere Anlagen zu installieren. Produktdesign, Prozessentwicklung, Automatisierung, Qualitätssicherung, Materialfluss und Produktionsdaten müssen gemeinsam weiterentwickelt werden.

Eine schrittweise Produktionsstrategie ermöglicht es Herstellern, ihre Kapazitäten zu erhöhen, während sich Produktanforderungen und Marktnachfrage weiter verändern. Ziel ist es, in jeder Phase stabile Fertigungsprozesse aufzubauen, ohne eine unflexible Produktionsanlage zu schaffen, die nicht mehr zur nächsten Produktgeneration passt.

Warum die Skalierung von Zukunftstechnologien anspruchsvoll ist

Zukunftstechnologien sind häufig mit einem hohen Maß an Unsicherheit verbunden. Produktdesigns können sich noch verändern, Lieferanten entwickeln möglicherweise parallel ihre eigenen Prozesse und die zukünftigen Produktionsvolumen lassen sich nur schwer vorhersagen.

Gleichzeitig stehen Hersteller unter dem Druck, ihre Time-to-Market zu verkürzen und sich auf ein schnelles Wachstum vorzubereiten, sobald die Nachfrage steigt.

Zu den typischen Herausforderungen bei der Skalierung gehören:

• Produktdesigns, die noch nicht für die automatisierte Montage optimiert sind
• Prozesse, die im Labor funktionieren, aber noch nicht stabil genug für die Serienproduktion sind
• Wechselnde Komponenten, Materialien oder Lieferanten
• Unsichere Produktionsvolumen
• Steigende Variantenvielfalt
• Begrenzte Prozess- und Qualitätsdaten
• Manuelle Tätigkeiten, die stark von Spezialwissen abhängen
• Unvollständige Prüfkonzepte
• Lange Taktzeiten
• Engpässe im Materialfluss
• Fehlende Produktionsschnittstellen
• Anlagen, die nur für eine einzelne Entwicklungsphase ausgelegt sind

Diese Herausforderungen treten unter anderem in der Drohnenfertigung, im Batterierecycling, bei intelligenter Infrastruktur, Wasserstofftechnologien, modernen Energiesystemen und weiteren neuen Produktfeldern auf.

Die HAHN Automation Group unterstützt Unternehmen in diesen Märkten mit Automatisierungslösungen für Zukunfts- und Transformationstechnologien – von frühen Produktionskonzepten bis zu skalierbaren industriellen Fertigungssystemen.

Produktreife ist nicht gleich Fertigungsreife

Ein funktionsfähiger Prototyp zeigt, dass ein Produktkonzept technisch realisierbar ist. Er beweist jedoch noch nicht, dass sich das Produkt zuverlässig, wirtschaftlich und in den erforderlichen Stückzahlen herstellen lässt.

Während der Prototypenentwicklung können Ingenieure Komponenten manuell ausrichten, Bauteiltoleranzen ausgleichen oder einzelne Arbeitsschritte wiederholen, bis das gewünschte Ergebnis erreicht wird. Solche Eingriffe werden möglicherweise nicht vollständig dokumentiert und hängen häufig von der Erfahrung eines kleinen Teams ab.

Eine industrielle Fertigung benötigt dagegen Prozesse, die:

• Reproduzierbar sind
• Messbar sind
• Kontrolliert werden können
• Dokumentiert sind
• Die erforderliche Taktzeit unterstützen
• Auf andere Bedienpersonen, Maschinen oder Standorte übertragbar sind
• Eine gleichbleibende Produktqualität gewährleisten

Bevor die Automatisierung skaliert wird, müssen Hersteller deshalb sowohl die Produktreife als auch die Fertigungsreife bewerten.

Dabei sollten unter anderem folgende Fragen beantwortet werden:

• Ist das Produktdesign ausreichend stabil?
• Eignen sich die Komponenten für eine automatisierte Zuführung und Handhabung?
• Sind die Bauteiltoleranzen eindeutig definiert?
• Lassen sich kritische Prozesse messen?
• Sind Prozessparameter und Akzeptanzgrenzen festgelegt?
• Wurde eine geeignete Prüfstrategie entwickelt?
• Können fehlerhafte Produkte zuverlässig erkannt und ausgeschleust werden?
• Können Lieferanten eine gleichbleibende Qualität und ausreichende Mengen bereitstellen?
• Welche Produktänderungen sind noch wahrscheinlich?

Das Produktionskonzept sollte sich an den Antworten auf diese Fragen orientieren. Eine hochautomatisierte Anlage ist möglicherweise nicht der geeignete Ausgangspunkt, wenn sich Produkt und Prozesse noch grundlegend verändern.

Mit einer Produktions-Roadmap starten

Eine skalierbare Fertigungsstrategie beginnt mit einer Roadmap, die den aktuellen Entwicklungsstand mit realistischen zukünftigen Szenarien verbindet.

Hersteller müssen dabei nicht jede Produktversion und jedes Produktionsvolumen exakt vorhersagen. Sie sollten jedoch definieren, welche Entwicklungen wahrscheinlich genug sind, um die ursprüngliche Produktionsarchitektur zu beeinflussen.

Eine Produktions-Roadmap kann folgende Aspekte berücksichtigen:

• Erwartete Produktgenerationen
• Geplante Produktvarianten
• Aktuelle und zukünftige Produktionsvolumen
• Zielmärkte und Produktionsstandorte
• Aktueller Reifegrad der Prozesse
• Erforderliche Montage- und Fügetechnologien
• Inspektions- und Prüfanforderungen
• Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit
• Verfügbarkeit von Lieferanten und Komponenten
• Mögliche Stufen der Kapazitätserweiterung
• Bestehende Anlagen, die integriert werden müssen
• Begrenzungen bei Investitionsbudget und Produktionsfläche

Die Roadmap hilft bei der Entscheidung, welche Tätigkeiten während der Pilotfertigung zunächst manuell bleiben, welche Prozesse frühzeitig automatisiert werden sollten und welche Funktionen für eine spätere Erweiterung vorbereitet werden müssen.

Sie verhindert außerdem, dass Entscheidungen ausschließlich auf den unmittelbaren Produktionsbedarf ausgerichtet werden. Eine Anlage, die nur für eine kleine Pilotserie optimiert wurde, kann beim Produktionshochlauf schnell zum Engpass werden. Umgekehrt erzeugt eine vollautomatische Hochvolumenanlage unnötige technische und finanzielle Risiken, wenn sich das Produkt noch häufig verändert.

Phase 1: Einen kontrollierten Pilotfertigungsprozess aufbauen

Die Pilotfertigung verbindet die Produktentwicklung mit der industriellen Produktion. Sie ermöglicht es Herstellern, erste Stückzahlen unter realistischen Bedingungen zu fertigen und gleichzeitig Produkt und Produktionsprozess weiterzuentwickeln.

Das primäre Ziel besteht in dieser Phase nicht darin, den maximalen Ausstoß zu erreichen. Die Pilotfertigung sollte vielmehr die Informationen liefern, die für spätere Skalierungsentscheidungen benötigt werden.

Typische Schwerpunkte der Pilotfertigung sind:

• Definition einer reproduzierbaren Montagereihenfolge
• Bewertung der Bauteilzugänglichkeit
• Entwicklung von Vorrichtungen und Werkstückträgern
• Erprobung von Zuführ- und Handhabungskonzepten
• Verifizierung von Fügeprozessen
• Identifikation kritischer Prozessparameter
• Entwicklung geeigneter Inspektionsverfahren
• Aufbau von Funktionsprüfungen
• Erfassung erster Prozessdaten
• Ermittlung ergonomischer Herausforderungen
• Messung realistischer Taktzeiten
• Identifikation möglicher Engpässe

Manuelle und halbautomatische Arbeitsplätze können in dieser Phase die erforderliche Flexibilität bieten. Bedienpersonen können wechselnde Komponenten oder Prozessabläufe handhaben, während kontrollierte Werkzeuge, Sensoren und digitale Arbeitsanweisungen die Prozesssicherheit erhöhen.

Qualitätskritische Prozesse können bereits in der Pilotfertigung von Automatisierung profitieren. Kontrolliertes Pressen, Schrauben, Dosieren, Schweißen, maschinelle Bildverarbeitung oder Funktionsprüfungen liefern zuverlässige Ergebnisse, auch wenn andere Arbeitsschritte noch manuell ausgeführt werden.

Entscheidend ist, einen kontrollierten Pilotprozess aufzubauen, anstatt lediglich einen Engineering-Prototyp mit undokumentierten manuellen Anpassungen zu reproduzieren.

Prozesswissen vor der Skalierung sichern

Eines der größten Risiken während der Industrialisierung besteht darin, dass wichtiges Prozesswissen nur bei einzelnen Ingenieuren oder Bedienpersonen vorhanden ist.

Ein Spezialist weiß möglicherweise, wie eine Komponente ausgerichtet werden muss, welche Kraft angewendet werden darf oder woran sich ein ungewöhnlicher Montagezustand erkennen lässt. Wird dieses Wissen nicht in definierte Prozessparameter, Prüfkriterien und Anlagenanforderungen übertragen, kann es bei der Erweiterung der Produktion verloren gehen.

Hersteller sollten unter anderem folgende Informationen dokumentieren:

• Anforderungen an die Bauteilhandhabung
• Korrekte Montageorientierung
• Relevante Prozessfolgen
• Vorrichtungs- und Positionierungsprinzipien
• Fügeparameter
• Zulässige Prozessfenster
• Visuelle Qualitätskriterien
• Grenzwerte für Funktionsprüfungen
• Nacharbeitsprozesse
• Ursachen bekannter Fehlerbilder
• Produktspezifische Einstellungen

Diese Informationen bilden die Grundlage für Automatisierungsspezifikationen. Sie helfen den Anlagenentwicklern zu verstehen, welche Prozessmerkmale zwingend kontrolliert werden müssen.

Prozessdaten aus der Pilotfertigung können außerdem die natürliche Streuung sichtbar machen. Dadurch lassen sich realistische Toleranzen definieren und normale Prozessschwankungen von relevanten Abweichungen unterscheiden.

Prozesse vor der Automatisierung stabilisieren

Automatisierung erhöht Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit, korrigiert aber nicht automatisch einen instabilen Prozess. Sind Bauteiltoleranzen, Montagekräfte oder Prüfkriterien nicht ausreichend bekannt, kann eine automatisierte Anlage dieselben Probleme lediglich schneller reproduzieren.

Bevor der Automatisierungsgrad erhöht wird, sollten Hersteller feststellen, ob der Prozess:

• Technisch realisierbar ist
• Über mehrere Produkte hinweg reproduzierbar arbeitet
• Gegenüber normalen Bauteilschwankungen robust ist
• Über relevante Parameter gemessen werden kann
• Durch definierte Akzeptanzkriterien abgesichert ist
• Mit der erforderlichen Taktzeit vereinbar ist
• Für eine automatisierte Handhabung geeignet ist
• Nicht konforme Ergebnisse zuverlässig erkennt

Eine Untersuchung der Prozessfähigkeit kann zeigen, ob der Prozess innerhalb der festgelegten Grenzen stabil arbeitet. Ist die Streuung zu groß, müssen möglicherweise das Produktdesign, die Bauteilspezifikation, das Werkzeug oder der Prozess selbst weiterentwickelt werden.

Das bedeutet nicht, dass vor Beginn der Automatisierung jedes Detail endgültig feststehen muss. Automatisierungsexperten können bereits während der Prozessentwicklung Handhabungskonzepte erproben, Fügetechnologien bewerten und Produktmerkmale identifizieren, die eine spätere Automation erschweren würden.

Produkte für die industrielle Fertigung entwickeln

Ein Produkt, das ausschließlich nach funktionalen Kriterien entwickelt wurde, kann sich nur schwer oder mit hohen Kosten automatisiert fertigen lassen.

Design for Automation berücksichtigt, wie sich die Produktmerkmale auf Zuführung, Handhabung, Montage, Inspektion, Prüfung und Instandhaltung auswirken.

Relevante Fragestellungen sind:

• Lassen sich die Komponenten zuverlässig vereinzeln und ausrichten?
• Sind die Bauteile empfindlich gegenüber Greifkräften oder Verunreinigungen?
• Können Roboter und Werkzeuge die Montagestellen erreichen?
• Sind eindeutige Positionierungsmerkmale vorhanden?
• Kann eine falsche Montage durch die Geometrie verhindert werden?
• Sind Steckverbinder und Fügestellen zugänglich?
• Können Inspektionssysteme qualitätskritische Merkmale erfassen?
• Stehen geeignete Prüfschnittstellen zur Verfügung?
• Können Produktvarianten gemeinsame Vorrichtungen und Prozesse verwenden?
• Sind die Komponenten für die erforderliche Produktionsgeschwindigkeit geeignet?

Bereits kleine Änderungen am Produktdesign können die Industrialisierung deutlich vereinfachen. Zusätzliche Positionierungsmerkmale, standardisierte Verbindungselemente, steifere Komponenten oder besser zugängliche Prüfkontakte können die Anlagenkomplexität reduzieren und die Prozessstabilität verbessern.

Die Zusammenarbeit zwischen Produktentwicklung, Manufacturing Engineering und Automatisierungsspezialisten sollte deshalb beginnen, bevor das Produktdesign vollständig eingefroren wird.

Den passenden initialen Automatisierungsgrad auswählen

Der geeignete Automatisierungsgrad hängt nicht nur von der erwarteten Produktionsmenge ab. Auch Produktreife, Prozesskomplexität, Qualitätsanforderungen, Personalverfügbarkeit und die benötigte Flexibilität müssen berücksichtigt werden.

Manuelle Fertigung

Eine manuelle Fertigung kann sinnvoll sein, wenn:

• Die Stückzahlen niedrig sind
• Sich das Produkt häufig verändert
• Komponenten nur schwer automatisiert gehandhabt werden können
• Prozesse noch entwickelt werden
• Investitionsflexibilität wichtig ist

Manuelle Fertigung bedeutet nicht zwangsläufig unkontrollierte Fertigung. Digitale Arbeitsanweisungen, Scanner, kontrollierte Werkzeuge, Bedienerführung und vernetzte Prüfgeräte können Wiederholgenauigkeit und Rückverfolgbarkeit verbessern.

Halbautomatische Fertigung

Halbautomatische Anlagen verbinden die Flexibilität des Menschen mit automatisierten qualitätskritischen Prozessen.

Bedienpersonen können Komponenten einlegen oder komplexe Handhabungsaufgaben übernehmen, während die Anlage folgende Prozesse ausführt:

• Kontrollierte Fügeprozesse
• Präzise Positionierung
• Bildverarbeitungsprüfungen
• Elektrische Prüfungen
• Funktionsprüfungen
• Produktidentifikation
• Datenerfassung

Dieser Ansatz eignet sich häufig für die Pilotfertigung und frühe Serienproduktion. Er verbessert die Prozesskontrolle, ohne die notwendige Flexibilität vollständig zu reduzieren.

Vollautomatische Fertigung

Eine Vollautomatisierung wird zunehmend sinnvoll, wenn:

• Produkt- und Prozessdesign stabil sind
• Die Produktionsvolumen die Investition rechtfertigen
• Anspruchsvolle Taktzeiten erreicht werden müssen
• Prozesse reproduzierbar sind
• Eine gleichbleibende Bauteilversorgung sichergestellt ist
• Qualitätskritische Vorgänge kontinuierlich überwacht werden müssen
• Produktionsdaten automatisch erfasst werden sollen
• Manuelle Handhabung die Kapazität oder Zuverlässigkeit begrenzt

Der beste Ausgangspunkt ist nicht zwangsläufig der höchstmögliche Automatisierungsgrad. Entscheidend ist ein Konzept, das die aktuelle Fertigungsphase unterstützt und gleichzeitig einen strukturierten Weg für zukünftige Erweiterungen schafft.

Phase 2: Von der Pilotfertigung in die Serienproduktion wechseln

Steigt die Produktnachfrage und werden die Fertigungsprozesse stabiler, können ausgewählte Vorgänge automatisiert oder erweitert werden.

Der Übergang in die Serienproduktion sollte auf den Erkenntnissen aus der Pilotfertigung beruhen. Hersteller können so diejenigen Prozesse identifizieren, die:

• Den aktuellen Ausstoß begrenzen
• Das größte Qualitätsrisiko verursachen
• Eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern
• Wiederkehrende manuelle Tätigkeiten umfassen
• Stark von der Erfahrung einzelner Bedienpersonen abhängen
• Eine konsistente Datenerfassung benötigen
• Ergonomische Risiken erzeugen
• Bereits über ausreichend stabile Parameter verfügen

Diese Vorgänge zuerst zu automatisieren, kann einen größeren Nutzen bieten, als unmittelbar den gesamten Fertigungsprozess vollständig zu automatisieren.

In dieser Phase kann das Produktionssystem bestehende manuelle Arbeitsplätze mit automatisierten Zellen für Montage, Fügen, Inspektion oder Prüfung verbinden. Das Material wird möglicherweise noch manuell zwischen den Stationen transportiert oder über ein einfaches Transfersystem weitergegeben.

Die Systemarchitektur sollte dennoch bereits eine spätere Integration berücksichtigen. Mechanische, elektrische, softwareseitige und datenbezogene Schnittstellen bestimmen, wie einfach sich einzelne Stationen später zu einer koordinierten Produktionslinie verbinden lassen.

Modulare Automatisierung schafft einen strukturierten Wachstumspfad

Eine modulare Produktionsarchitektur unterteilt den Fertigungsprozess in klar definierte Funktionseinheiten. Jedes Modul übernimmt einen bestimmten Arbeitsschritt, beispielsweise Zuführung, Montage, Inspektion, Prüfung, Kennzeichnung oder Verpackung.

Dadurch kann das System erweitert werden, ohne den vollständigen Produktionsprozess neu zu entwickeln.

Skalierbarkeit lässt sich unter anderem erreichen durch:

• Ergänzung neuer Prozessmodule
• Duplizierung von Engpassstationen
• Erweiterung der Anzahl von Prüfplätzen
• Ersatz manueller Handhabung durch automatisierten Transfer
• Verbindung zuvor unabhängiger Zellen
• Anpassung von Vorrichtungen an neue Produkte
• Integration zusätzlicher Inspektionsprozesse
• Übertragung bewährter Module auf weitere Linien oder Standorte

Der Beitrag Wie modulare Automatisierungssysteme aufgebaut sind zeigt, wie Zellen, standardisierte Schnittstellen, Systemintegration und ein koordinierter Materialfluss zu einer skalierbaren Produktion beitragen.

Modularität bedeutet nicht, dass jede Produktionszelle identisch ist. Die jeweiligen Prozesse müssen weiterhin produktspezifisch entwickelt werden. Der Vorteil liegt in einer konsistenten Systemstruktur und klar definierten Schnittstellen rund um diese individuellen Prozesse.

Schnittstellen definieren, bevor sie benötigt werden

Ein Produktionsmodul lässt sich nur schwer erweitern, wenn seine Schnittstellen ausschließlich für die aktuelle Konfiguration ausgelegt wurden.

Hersteller sollten zukünftige Verbindungen bereits beim ursprünglichen Systemdesign berücksichtigen:

• Mechanische Schnittstellen
• Elektrische Verbindungen
• Sicherheitssysteme
• Kommunikationsprotokolle
• Signale zum Produktstatus
• Rezept- und Varianteninformationen
• Strukturen für Prozessdaten
• Übergabepunkte im Materialfluss
• Werkstückträgerkonzepte
• Vor- und nachgelagerte Anlagen
• MES- und ERP-Integration

Eindeutig definierte Schnittstellen erleichtern es, Kapazitäten hinzuzufügen, Anlagen auszutauschen oder zusätzliche Prozesse zu integrieren.

Besonders wichtig sind Datenschnittstellen. Jedes Modul muss wissen, welches Produkt eingetroffen ist, welches Rezept verwendet werden soll, welche Vorgänge bereits abgeschlossen wurden und ob das Produkt weiterbearbeitet werden darf.

Skalierbare Zellkonzepte einsetzen

Standardisierte Zellplattformen können eine einheitliche mechanische und steuerungstechnische Architektur für unterschiedliche Prozesstechnologien bereitstellen.

Eine Zelle kann zunächst als eigenständige Produktionseinheit arbeiten. Bei steigender Nachfrage lassen sich weitere Zellen ergänzen und über automatische Transfersysteme, übergeordnete Steuerungen und gemeinsame Datenstrukturen miteinander verbinden.

Die modulare MasterCell-Automatisierungsplattform kann Roboter, Zuführsysteme, maschinelle Bildverarbeitung, Montageprozesse und Prüftechnologien innerhalb einer skalierbaren Zellenarchitektur integrieren. Abhängig von der Anwendung lassen sich einzelne Zellen zu größeren automatisierten Produktionssystemen verbinden.

Ein skalierbares Zellkonzept kann Hersteller dabei unterstützen:

• Den Engineering-Aufwand bei späteren Erweiterungen zu reduzieren
• Bewährte technische Standards erneut zu verwenden
• Prozesskapazitäten in definierten Stufen auszubauen
• Einheitliche Sicherheits- und Steuerungskonzepte beizubehalten
• Neue Varianten und Technologien zu integrieren
• Produktionskonzepte auf weitere Standorte zu übertragen

Der zugrunde liegende Prozess benötigt weiterhin eine anwendungsspezifische Entwicklung. Die Standardisierung stellt den Systemrahmen bereit, während Werkzeuge, Handhabung und Prozesstechnologien individuell auf das Produkt abgestimmt werden.

Den Materialfluss gemeinsam mit der Produktionskapazität skalieren

Ein Materialfluss, der in der Pilotfertigung funktioniert, kann für den industriellen Ausstoß ungeeignet sein.

Ingenieure können Komponenten manuell an einem Pilotarbeitsplatz bereitstellen, fertige Produkte entnehmen und eingreifen, wenn Bauteile falsch positioniert sind. Bei steigenden Stückzahlen führen solche Tätigkeiten möglicherweise zu Unterbrechungen, hohen Umlaufbeständen und einer ungleichmäßigen Komponentenversorgung.

Ein skalierbares Materialflusskonzept berücksichtigt:

• Lieferantenverpackungen
• Interne Behälter und Trays
• Bauteilidentifikation
• Vereinzelung und Orientierung
• Handhabung empfindlicher Bauteile
• Pufferkapazitäten
• Transport zwischen den Stationen
• Management leerer Behälter
• Handhabung fehlerhafter Produkte
• Übergabe an die Endverpackung

Die Zuführtechnik muss zur Bauteilgeometrie, zum erforderlichen Ausstoß und zur erwarteten Variantenvielfalt passen. Eine flexible traybasierte Zuführung kann während der frühen Produktion geeignet sein, während die Hochvolumenfertigung möglicherweise dedizierte Zuführsysteme oder eine automatisierte Logistik erfordert.

Puffer können Prozesse mit unterschiedlichen Taktzeiten voneinander entkoppeln. Zu große Puffer erhöhen jedoch den Flächenbedarf und die Umlaufbestände. Zu kleine Puffer können häufige Produktionsunterbrechungen verursachen. Die Auslegung sollte deshalb auf realistischen Prozessdaten basieren.

Nicht nur die Montage, sondern auch die Prüfkapazität skalieren

Prüfprozesse werden häufig zum Engpass, wenn Zukunftstechnologien in die Serienfertigung überführt werden.

Ein einzelner Montageschritt dauert möglicherweise nur wenige Sekunden. Funktionsprüfung, Kalibrierung, Software-Flashing oder Dichtigkeitsprüfung können dagegen deutlich mehr Zeit beanspruchen. Eine höhere Montagegeschwindigkeit verbessert den Gesamtausstoß nicht, wenn die Prüftechnik nicht dieselbe Produktionsmenge verarbeiten kann.

Die Prüfkapazität lässt sich unter anderem erhöhen durch:

• Parallele Prüfstationen
• Mehrere Prüfnester
• Aufteilung langer Prüfabläufe
• Inline-Prüfungen während der Montage
• Frühzeitige elektrische Vorprüfungen
• Automatisiertes Be- und Entladen
• Schnellere Produktkontaktierung
• Optimierte Datenerfassung
• Risikobasierte Prüfstrategien

Das Prüfkonzept sollte von Anfang an berücksichtigt werden. Das Produktdesign beeinflusst, wie einfach sich Komponenten kontaktieren, ansteuern und vermessen lassen. Die erwartete Prüfdauer wirkt sich außerdem auf Linienarchitektur, Platzbedarf und Investitionsvolumen aus.

Hersteller sollten klar zwischen Produktionsprüfung und Entwicklungsvalidierung unterscheiden. Die Produktionsprüfung bestätigt, dass jede gefertigte Einheit definierte Kriterien erfüllt. Entwicklungs- und Lebenszyklusprüfungen behandeln weiterführende Fragestellungen wie Lebensdauer, Umwelteinflüsse oder die Robustheit des Produktdesigns.

Qualität während des Produktionshochlaufs sichern

Ein steigender Ausstoß kann Prozessprobleme sichtbar machen, die bei kleinen Pilotserien noch nicht erkennbar waren. Bauteilschwankungen treten deutlicher hervor, Anlagen laufen über längere Zeiträume und kleine Verzögerungen können sich zu erheblichen Produktionsverlusten summieren.

Die Qualitätsstrategie muss deshalb gemeinsam mit der Produktionskapazität weiterentwickelt werden.

Relevante Maßnahmen sind:

• Überwachung von Fügekräften und Fügewegen
• Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel
• Prüfung von Bauteilanwesenheit und Orientierung
• Inspektion von Dosier- oder Klebstoffauftrag
• Messung kritischer Abmessungen
• Verifizierung von Software- und Parameterständen
• Erfassung von Funktionstestergebnissen
• Identifikation nicht konformer Produkte
• Kontrolle von Nacharbeitsprozessen
• Zuordnung von Prozessdaten zum individuellen Produkt

Inline-Inspektionen helfen, Abweichungen möglichst nah an dem Prozess zu erkennen, in dem sie entstanden sind. Die End-of-Line-Prüfung bestätigt anschließend die Funktion des fertigen Produkts. Zusammen bieten beide Methoden eine größere Transparenz als eine ausschließlich abschließende Qualitätskontrolle.

Daten aus dem Produktionshochlauf können außerdem wiederkehrende Probleme, instabile Prozessschritte und Stationen sichtbar machen, die ihre vorgesehene Leistung noch nicht erreichen.

Die vollständige Produktionslinie ausbalancieren

Der Ausstoß eines industriellen Fertigungssystems wird durch seinen langsamsten relevanten Prozess bestimmt.

Hersteller sollten deshalb die vollständige Prozesskette betrachten, anstatt einzelne Stationen isoliert zu optimieren.

Bei der Linienauslegung müssen unter anderem folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Komponentenzuführung
• Manuelle Tätigkeiten
• Roboter- und Transferbewegungen
• Montageprozesse
• Füge- und Aushärtezeiten
• Software-Flashing
• Kalibrierung
• Inspektion und Prüfung
• Produktkennzeichnung
• Handhabung fehlerhafter Produkte
• Verpackung

Prozesse mit längeren Taktzeiten müssen möglicherweise auf mehrere Stationen verteilt oder parallel ausgeführt werden. Andere Arbeitsschritte können zusammengefasst werden, sofern dadurch Zugänglichkeit, Wartungsfreundlichkeit und Prozessstabilität nicht beeinträchtigt werden.

Ziel ist nicht, für jede Station exakt dieselbe Taktzeit zu erreichen. Entscheidend ist ein koordinierter Prozessfluss, der den erforderlichen Ausstoß ohne unnötige Komplexität ermöglicht.

Produktvarianten während der Skalierung beherrschen

Zukunftstechnologien entwickeln sich häufig schnell weiter. Neue Produktgenerationen, alternative Komponenten, Softwarestände oder regionale Ausführungen können eingeführt werden, während die Produktion noch hochgefahren wird.

Ein Fertigungssystem, das nur eine feste Produktkonfiguration unterstützt, kann bereits veraltet sein, bevor sich die Investition amortisiert hat.

Das Variantenmanagement kann folgende Elemente umfassen:

• Frühzeitige Produktidentifikation
• Rezeptgesteuerte Prozesse
• Flexible Vorrichtungen
• Austauschbare Werkzeuge
• Automatisierte Werkzeugwechsel
• Anpassbare Greifer
• Variantenspezifische Software
• Automatisierte Komponentenverifizierung
• Produktspezifische Prüfabläufe
• Kontrolliertes Parametermanagement

Das System sollte jedes Produkt möglichst früh identifizieren und diese Zuordnung während der gesamten Fertigung beibehalten. Jede Station kann anschließend das passende Rezept auswählen und prüfen, ob die vorgesehenen Komponenten und Prozesse verwendet werden.

Nicht jede denkbare zukünftige Variante muss berücksichtigt werden. Hersteller sollten realistische Änderungen identifizieren und den erforderlichen Grad an Flexibilität gezielt in die Anlage integrieren.

Produktionsdaten zur Steuerung des Hochlaufs nutzen

Die Industrialisierung erzeugt wertvolle Informationen über das Verhalten von Produkt und Prozess. Werden diese Daten einheitlich strukturiert, können Hersteller sie zur Verbesserung der Prozessstabilität und für fundiertere Skalierungsentscheidungen nutzen.

Ein Fertigungsdatensatz kann folgende Informationen miteinander verbinden:

• Produkt- und Varianteninformationen
• Komponentenchargen
• Maschinen- und Stationsdaten
• Prozessparameter
• Inspektionsergebnisse
• Kalibrierwerte
• Funktionstestergebnisse
• Softwarestände
• Informationen zu Nacharbeiten
• Abschließender Produktstatus

Während des Produktionshochlaufs können diese Daten dabei helfen, folgende Sachverhalte zu erkennen:

• Prozesse mit zu hoher Streuung
• Zusammenhänge zwischen Komponentenchargen und Qualitätsergebnissen
• Entstehende Engpässe
• Steigende Anlagenzykluszeiten
• Wartungsbedarf an Werkzeugen oder Vorrichtungen
• Prüfwerte, die sich ihren Grenzwerten annähern
• Unterschiede zwischen Varianten, Maschinen oder Schichten

Ziel ist nicht, jedes verfügbare Maschinensignal zu speichern. Hersteller sollten definieren, welche Informationen Produktqualität, Prozesskontrolle, Rückverfolgbarkeit und kontinuierliche Verbesserung unterstützen.

Phase 3: Eine stabile industrielle Fertigung etablieren

Industrielle Produktion erfordert mehr als einen höheren Ausstoß. Das vollständige Fertigungssystem muss über längere Zeiträume und unter normalen Betriebsbedingungen eine stabile Leistung liefern.

Ein ausgereiftes industrielles Fertigungskonzept sollte folgende Bereiche berücksichtigen:

• Zuverlässige Komponentenversorgung
• Definierte Prozessfenster
• Fähige Produktions- und Messsysteme
• Abgestimmte Taktzeiten
• Automatisierte Qualitätskontrollen
• Wartung und Kalibrierung
• Kontrolliertes Änderungsmanagement
• Produktrückverfolgbarkeit
• Nacharbeits- und Ausschleusungsprozesse
• Verfügbarkeit von Produktionsdaten
• Schulung der Bedienpersonen
• Ersatzteile und technischer Support
• Zukünftige Kapazitätserweiterungen

In dieser Phase können zuvor unabhängige Arbeitsplätze durch automatisierte Handhabung und übergeordnete Steuerungen miteinander verbunden werden. Zusätzliche Module können Engpässe beseitigen, die Prüfkapazität erhöhen oder End-of-Line-Prozesse automatisieren.

Das Produktionssystem muss außerdem auf kontrollierte Veränderungen vorbereitet sein. Neue Produktvarianten, Softwarestände und Komponentenlieferanten sollten eingeführt werden können, ohne das während des Hochlaufs gewonnene Prozesswissen zu verlieren.

Anwendungsbeispiel: Die Fertigung moderner Drohnen skalieren

Die Drohnenfertigung veranschaulicht viele der Herausforderungen, die mit Zukunftstechnologien verbunden sind. Die Produkte kombinieren leichte mechanische Strukturen, Elektronik, Sensorik, Antriebssysteme, Kommunikationstechnologien und Software.

Zu Beginn benötigen Hersteller möglicherweise eine flexible Produktion für geringe Stückzahlen und verschiedene Produktkonfigurationen. Steigt die Nachfrage, müssen Präzisionsmontage, Prüfung, Rückverfolgbarkeit und Materialfluss einen höheren Ausstoß unterstützen, ohne die zukünftige Produktentwicklung einzuschränken.

Die HAHN Automation Group entwickelt skalierbare Automatisierungslösungen für die Fertigung moderner Drohnen. Die Produktionskonzepte können modulare Montageprozesse, automatisierte Inspektion, Prüfung und Datenintegration miteinander verbinden und gleichzeitig an unterschiedliche Produkte und Kapazitätsanforderungen angepasst werden.

Die Anwendung zeigt ein wichtiges Grundprinzip: Zukunftstechnologien benötigen Produktionssysteme, die komplexe Prozesse industrialisieren können, ohne davon auszugehen, dass Produkte und Stückzahlen dauerhaft unverändert bleiben.

Anwendungsbeispiel: Von der Pilotserie zur Großserienfertigung von Smart Metern

Die Smart-Meter-Produktion ist ein weiteres Praxisbeispiel für eine schrittweise Industrialisierung. Die Produkte können spritzgegossene Komponenten, Sensoren, Leiterplatten, Firmware, Gehäuse und unterschiedliche Prüfanforderungen kombinieren.

Ein Konzept für die Pilotfertigung kann zunächst auf manuellen oder halbautomatischen Prozessen basieren. Steigen die Produktionsmengen, müssen Bauteilzuführung, Firmware-Flashing, Variantenmanagement, Prüftechnik, Materialfluss und Verpackung gemeinsam skaliert werden.

Der Artikel Von der Pilotfertigung zur Großserie: Smart-Meter-Produktion skalieren zeigt, wie eine modulare Produktionsstrategie den Übergang zwischen diesen Fertigungsstufen unterstützt.

Auch wenn sich die einzelnen Prozesse verschiedener Technologien unterscheiden, bleiben die grundlegenden Skalierungsprinzipien vergleichbar: Produkt und Prozesse stabilisieren, die richtigen Vorgänge automatisieren, Schnittstellen frühzeitig definieren und Kapazitäten entlang des vollständigen Produktionssystems erweitern.

Typische Fehler bei der Skalierung von Zukunftstechnologien

Automatisierung vor der Prozessstabilisierung

Sind Prozessparameter und Bauteilverhalten noch nicht ausreichend bekannt, kann die Automatisierung bestehende Probleme verstärken, anstatt sie zu lösen.

Ausschließliche Auslegung auf das aktuelle Produktionsvolumen

Ein Pilotsystem ohne geeignete Schnittstellen oder Erweiterungsmöglichkeiten muss möglicherweise ersetzt werden, sobald die Nachfrage steigt.

Unnötige Vollautomatisierung zu Beginn

Eine hochautomatisierte Anlage verursacht hohe Kosten und kann unflexibel sein, wenn sich das Produkt noch häufig verändert.

Unzureichende Berücksichtigung des Produktdesigns

Komponenten, die sich nur schwer greifen, ausrichten, montieren oder prüfen lassen, erhöhen die Anlagenkomplexität und das technische Risiko.

Konzentration auf den Hauptmontageprozess

Prüfung, Materialfluss, Software-Flashing, Handhabung und Verpackung können zu Engpässen werden, obwohl ausreichend Montagekapazität vorhanden ist.

Unterschätztes Variantenmanagement

Neue Produktversionen können Vorrichtungen, Zuführsysteme, Software, Prüftechnik und Datenstrukturen entlang der gesamten Linie beeinflussen.

Fehlende Sicherung des Wissens aus der Pilotfertigung

Undokumentierte manuelle Anpassungen und spezialisiertes Erfahrungswissen lassen sich nur schwer in industrielle Produktionsanlagen übertragen.

Qualität ausschließlich als Endkontrolle

Qualität muss durch kontrollierte Prozesse, Inline-Überwachung und zuverlässige Prüfungen entstehen und darf nicht erst am Ende der Fertigung betrachtet werden.

Wann ist eine Zukunftstechnologie bereit für die Skalierung?

Es gibt keinen einzelnen Meilenstein, der automatisch die Bereitschaft für eine industrielle Fertigung bestätigt. Hersteller müssen den vollständigen Produktionsfall bewerten.

Anzeichen für eine zunehmende Fertigungsreife sind:

• Ein ausreichend stabiles Produktdesign
• Definierte Komponentenspezifikationen
• Reproduzierbare Montageprozesse
• Bekannte kritische Prozessparameter
• Etablierte Inspektions- und Prüfmethoden
• Konstante Lieferantenqualität
• Realistische Taktzeitdaten
• Kontrollierte Ausschleusungs- und Nacharbeitsprozesse
• Eine klare Roadmap für zukünftige Produktionsvolumen
• Definierte Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit
• Skalierbare Materialfluss- und Systemkonzepte

Vor Beginn der Skalierung müssen nicht sämtliche Risiken beseitigt sein. Die verbleibenden Unsicherheiten sollten jedoch bekannt sein und in der Produktionsarchitektur berücksichtigt werden.

Ein stufenweiser Ansatz ermöglicht es Herstellern, weiter zu lernen und gleichzeitig den Ausstoß zu erhöhen. Manuelle, halbautomatische und vollautomatische Prozesse können entsprechend dem Reifegrad des jeweiligen Arbeitsschritts miteinander kombiniert werden.

Fazit

Die Skalierung einer Zukunftstechnologie von der Pilotfertigung zur industriellen Produktion ist ein koordinierter Entwicklungsprozess. Produktreife, Prozessstabilität, Automatisierung, Prüftechnik, Materialfluss, Qualitätssicherung und Produktionsdaten müssen gemeinsam weiterentwickelt werden.

Die Pilotfertigung bietet die Möglichkeit, reproduzierbare Prozesse zu etablieren, Daten zu erfassen und technische Risiken zu erkennen. Mit zunehmender Reife von Produkt und Prozess können ausgewählte Vorgänge automatisiert und in ein modulares Fertigungssystem integriert werden.

Das skalierbarste Produktionskonzept ist nicht zwangsläufig das System mit dem höchsten initialen Automatisierungsgrad. Entscheidend ist eine Lösung, die die aktuellen Anforderungen erfüllt und gleichzeitig definierte Schnittstellen sowie Erweiterungsmöglichkeiten für zukünftige Stückzahlen, Varianten und Prozesse bietet.

Wird die Industrialisierung frühzeitig geplant und die Produktion als Teil der Produktentwicklung verstanden, lassen sich technische Risiken reduzieren, Produktionshochläufe verbessern und zuverlässige Grundlagen für langfristiges Wachstum schaffen.

Skalieren Sie Ihre Zukunftstechnologie mit der passenden Produktionsstrategie

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