Erschienen am: 07.10.2016, Ausgabe SPS-MAGAZIN 10 2016

Wie die Besteckeinsätze in die Küche kommen

Universelle Verpackung

Eine hohe und gleichzeitig wirtschaftliche Variantenvielfalt bei der Verpackung von Produkten ist ohne digitale Unterstützung meist eine Herausforderung. Das Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA und die Firma Agoform haben gemeinsam den Verpackungsprozess eines äußerst variantenreichen Produkts verbessert. Die Lösung entstand im Transferprojekt UniPack des Clusters it's OWL.


Das Fraunhofer Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA) in Lemgo arbeitet an der Vernetzung, Analyse und Überwachung sowie der benutzergerechten Gestaltung technischer Systeme in der Automation. Im Querschnittsprojekt Intelligente Vernetzung des Clusters it's OWL (Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe) forscht das Fraunhofer IOSB-INA an Plug&Play-Funktionen für intelligente Geräte, Maschinen und Produktionsanlagen. Dazu gehören auch digitale Beschreibungen von Produkten und Prozessen, aus denen Steuerungssoftware generiert und optimale Anlagenparameter bestimmt werden.

Deskriptives Engineering

Das Vorgehen, in dem man Anforderungen und Ziele anstelle von technischen Details einstellt, wird als deskriptives Engineering bezeichnet und war Grundlage für das it's OWL Transferprojekt UniPack. Dabei erfolgte der Transfer in die Firma Agoform, die als Hersteller von passgenauen Schubkasteneinsätzen aus Kunststoff in außergewöhnlich hoher Variantenzahl tätig ist. Allein ohne die Varianz durch Materialstärken und Oberflächen sind es über 12.000 Varianten. Die Fertigung erfolgt mit mehreren automatisierten Produktionslinien in Losgrößen von 100 bis 10.000 Stück. Als Zulieferer der Möbelindustrie erfolgt die Auslieferung der Produkte typischerweise in sortenreinen Verpackungseinheiten in einem Karton auf einer Palette. Neben der hohen Variantenvielfalt müssen Verpackungsvorgaben der Kunden zwecks besserer Handhabung beim Auspacken eingehalten werden und Weißbruch in den Produkten verhindert werden.

Individualisierte Verpackung

Die Verpackung der Produkte ist wegen der hohen Variantenvielfalt individualisiert und eine hohe Kostenposition. Ohne eine digitale Unterstützung war bisher stets eine grobe Abschätzung der Mengen pro Verpackungseinheit und der zu wählenden Anordnung im Karton nötig. Die Abschätzungen für die individuellen Lieferaufträge konnten von Vertriebsmitarbeiter zu Vertriebsmitarbeiter unterschiedlich sein und die Auftragsmengen nicht optimal. Eine ungünstig gewählte Verpackungseinheit und Auftragsmenge hatten beispielsweise Paletten mit halbleeren Kartons zur Folge - ein unnötiger Kostenfaktor. Ziel des Transferprojektes war daher, eine verlässliche Aussage einer zuvor definierten Frage aufgrund fester Parameter ermitteln zu können: "Wie viele Besteckeinsätze passen in eine beliebige Verpackungseinheit, bei einer Varianz von über 12.000 Möglichkeiten?" Dabei sollte die Effizienz der Produktverpackung deutlich gesteigert werden und gleichzeitig die Mitarbeiter von monotonen und nicht ergonomischen Tätigkeiten entlastet werden.

Vom Experten zum formalen Modell

Erreicht wurde dieses Ziel über die Erfassung von Anforderungen und Wissen sowie über die Anforderungsanalyse und Wissensmodellierung in Kombination mit schnell erstellten Software-Prototypen. Dieses Vorgehen erfolgte iterativ. Die Wissensmodellierung erfolgte auf Basis von Hospitation, Interviews und Reflektion an den Prototypen. Um in dem engen Zeitrahmen eines Transferprojektes von sechs Personenmonaten mehrere Prototypen und Versionen zu erstellen, wurde moderne Web-Technik verwendet (siehe Grafik). Nach der ersten Anforderungsanalyse wurde zunächst ein Prototyp mit einer schematischen Modellierung der Verpackungseinheiten und Fokus auf die Anordnung der Besteckeinsätze innerhalb einer Verpackungseinheit erstellt. Damit ergab sich ein klares Bild noch nicht berücksichtigter Details und somit eine Möglichkeit zur Anpassung und Verfeinerung der Anforderungen und des modellierten Verpackungswissens. Ein anschließend erstelltes, parametrierbares 3D-Modell berücksichtigte die Abhängigkeit der Höhe eines Stapels von Besteckeinsätzen von der Materialstärke und Formeigenschaften - insbesondere den Entformungsschrägen. Teile des Prozesswissens wurden als Schar affiner Transformationen beschrieben, also als Drehungen und Verschiebungen der Besteckeinsätze. Ein dritter Prototyp ergänzte dann ein CAD-Modell eines Besteckeinsatzes und modellierte in leicht erweiterbarer Form Verpackungsschemata, die allen Vorgaben entsprechen.

Vom virtuellen Modell

in die Maschine

Das so entstandene Simulationsmodell ermöglicht nicht nur das automatische Bestimmen optimaler Verpackungseinheiten, sondern bietet auch die Grundlage zur Generierung von Ablaufanweisungen für Verpackungsmaschinen. In der Simulation werden die Besteckeinsätze in realer Reihenfolge gepackt. Dieser Ablauf lässt sich durch eine einfache Koordinatensystemtransformation auf die Geometrie einer bestimmten Maschine umrechnen. Die so gewonnenen Ablaufanweisungen können dann direkt vom Steuerungsprogramm der Maschine eingelesen und ausgeführt werden.

Integration in

Unternehmensprozesse

Dafür muss die virtuelle Verpackungssoftware in das ERP-System eingebunden sein, sodass ein durchgängiger digitaler Weg des Fertigungsauftrags entsteht - von der Auftragserstellung bis zur Maschinensteuerung. Eine stufenweise Umsetzung ist dabei kein Problem. Ein Mehrwert durch die virtuelle Verpackung entsteht bereits durch die automatische Optimierung der Verpackungseinheiten und der Einsparung unvollständig gefüllter Paletten. Die weitere Automatisierung verhindert vor allem Fehler im Verpackungsprozess, ohne die Flexibilität bezüglich neuer Produkte, Verpackungsgrößen und Verpackungsschemata einzuschränken. Somit hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA sein Know-how in der formalen Beschreibung von Produkten und Prozessen und mit Konfigurationsverfahren erfolgreich eingesetzt. Für den Transfernehmer Agoform ist ein konkreter Mehrwert entstanden. Für beliebige Produktvarianten und Verpackungseinheiten bestimmt die vom Fraunhofer IOSB-INA erstellte Software die optimale Anordnung und Menge pro Verpackungseinheit. Darüber hinaus können Ablaufanweisungen für die Steuerung einer Verpackungsmaschine generiert werden.