Fertigungstechnik: Automatisierung, Rapid Prototyping, CIM

Fertigungstechnik: Automatisierung, Rapid Prototyping, CIM

 

Mit Simulationen die industrielle Wirklichkeit ergründen

 

Roboter sind das nach außen am deutlichsten sichtbare Zeichen einer Revolution, die sich in der industriellen Fertigung vollzieht. Der eigentliche Wandel hin zu einer immer stärkeren Automatisierung spielt sich jedoch an anderer Stelle ab: er betrifft die Unternehmensstrukturen und die Arbeitsabläufe.

 

Wichtige Werkzeuge, durch die ein solcher Wandel überhaupt erst möglich wird, sind neue Verfahren der Planung und Produktion, die vor allem durch das Hilfsmittel Computer bereitgestellt werden. Die Leistungen von Prozessoren und Speichern, die in Computern Einsatz finden, nehmen ständig zu, ebenso rasant wachsen die Möglichkeiten der grafischen Präsentation der berechneten Daten: Grafikkarten und Bildschirme werden immer schneller und hochauflösender. Darüber hinaus wird die Software in allen Bereichen der Anwendung immer ausgefeilter und mächtiger. Alles zusammengenommen sind bereits heute die Voraussetzungen dafür vorhanden, dass die Wirklichkeit auf dem Rechner simuliert werden kann. Computersimulationen gehören zu den wesentlichen Werkzeugen einer fortschreitenden Automatisierung.

 

»Virtual Reality« schafft neue Erlebnisräume

 

Bisweilen sind die Grenzen zwischen virtuellen Räumen, wie sie uns dreidimensionale Computersimulationen vorspielen, und dem richtigen Leben fließend. Mag die übermäßige Beschäftigung von Jugendlichen mit Computerspielen und dem Cyberspace inzwischen zum soziologischen Problem geworden sein — in der integrierten Fertigung und Planung spielt die Virtuelle Realität (VR) eine wachsende Rolle.

 

Ein Anlagenplaner erstellt mittlerweile eine komplette Industrieansiedlung, noch ehe der erste Spatenstich getan ist. Doch nicht nur die Außenansicht wird bis ins Detail erlebbar; das Gebäude lässt sich im virtuellen Raum »betreten« und aus jeder Perspektive betrachten; sogar Fertigungsabläufe können vor Ort beobachtet und korrigiert werden. Dies ist keine Zukunftsmusik, sondern im doppelten Wortsinn Realität. Auch wenn eine Fertigungsstraße bereits in Betrieb ist, kann mittels VR eine Umstellung, beispielsweise für ein neues Produkt, getestet und optimiert werden, noch während die alte Produktion läuft.

 

Insbesondere wenn sich ein Unternehmen im Prozess der Rationalisierung und der fortschreitenden Automatisierung befindet, ist es konsequent, neue Verfahrensabläufe im Rahmen einer rechnerbasierten Simulation durchzuführen. Dies betrifft sowohl betriebswirtschaftliche als auch fertigungstechnische Prozesse. Durch Variation der Parameter kann das Simulationsergebnis so weit optimiert werden, dass sich teure Fehlentwicklungen vermeiden lassen. Die Simulation kann sowohl zur Überprüfung bestehender Abläufe als auch zur Planung neuer Prozesse eingesetzt werden, wobei Rationalisierungsreserven und Engpässe gut zu erkennen sind.

 

Es gibt viele Beispiele dafür, dass die VR-Technologie bereits konkrete Wirklichkeit geworden ist. Küchen- und Büromöbelhersteller, Raumausstatter und Lampenfabrikanten lassen ihre Kunden am VR-System die Einrichtung künftiger Wohnungen und Büros erleben, aus allen Blickwinkeln und mit realistischen Lichtverhältnissen betrachten und in allen denkbaren Varianten durchspielen, ohne auch nur ein Gramm der begehrten Objekte physikalisch zu bewegen. Chirurgen üben am Computer schwierige Operationen am Gehirn, minimal-invasive Eingriffe mit Endoskoptechnik oder komplizierte Gelenk- und Knochentransplantationen. Piloten und Fahrzeuglenker leisten einen Großteil ihrer Fahr- und Flugstunden am Rechner oder im Cyberspace, und zwar ohne das konkrete Risiko eines Unfalls.

 

Die virtuelle Realität lässt sich demnach als eine Modellierungstechnik digitaler Daten beschreiben, die sich durch drei Charakteristika auszeichnet: Das Generieren von dreidimensionalen Darstellungen aus Computerdaten, die Echtzeitinteraktion mit diesen 3-D-Darstellungen und die Techniken der Immersion, die das subjektive Gefühl einer scheinbar realen Umwelt im Anwender erzeugen und realistische Reaktionen hervorrufen.

 

Zur Grundausrüstung eines »Cybernauten« gehört als Steuerinstrument der Tracker, zum Beispiel ein Datenhandschuh (»Data-Glove«), und der Videohelm (»Head-mounted Device«). Mit dem Datenhandschuh gibt der Cybernaut über sensible Drucksensoren, beispielsweise in Form von Dehnungsmessstreifen oder fingerbeugungsabhängig gedämpften Lichtleitern, Richtung und Geschwindigkeit für die Bewegung eines Objekts vor. Zur Not tut es auch die »Space-Mouse« an einer Sessellehne, die mit ihren sechs Freiheitsgraden — je drei Achsen für Translation und Rotation — eine Bewegung im 3-D-Raum steuern kann. Eine elektromagnetische oder mechanische Ortung an Helm und Handschuh meldet die absolute Position des Cybernauten und seine Blickrichtung.

 

Das volle VR-Erlebnis bietet das »Eyephone«, der Videohelm mit Rundumstereobild und -ton. Alternativ gibt es auch eine »Shutterbrille« mit Lichttoren, die synchron zum Monitor die Links-/Rechtsbilder zum richtigen Auge leitet oder die Polarisationsbrille, die das Bild zweier überlagerter Videoprojektoren dank deren orthogonaler Polarisierung trennt. Das stärkste und unbeschwerteste VR-Erlebnis liefert sicherlich der begehbare Projektionsraum, »Cave« (Höhle) genannt, der vom amerikanischen »National Cen- ter for Super Computing Applications« (NCSA) entwickelt wurde. Dieser Raum verfügt über drei Wände und einen Boden, die mit computererzeugten stereoskopischen Bildern und Rückprojektionssystemen bestückt sind. Mit Fahrersitz, Lenkrad und Steuerknüppel versehen, können mit diesem Projektionsraum beispielsweise neue Baufahrzeuge frühzeitig und noch vor dem Bau eines Prototypen in einer wirklichkeitsnahen Umgebung getestet werden.

 

 Rapid Prototyping

 

Neben der Simulation, die Produkte letztlich nur virtuell am Rechner erschaffen kann, wird in der Automatisierung ein Verfahren immer wichtiger, das der Wirklichkeit schon sehr viel näher kommt: das Rapid Prototyping.

 

Es ist ein Zug der Zeit, dass die Produktionszyklen immer kleiner werden und die Zeit zwischen der Idee zu einem Produkt über dessen Entwicklung bis zu seiner Serienfertigung immer kürzer wird. Die Entwicklungabteilung muss so schnell wie möglich einen Funktionsprototypen oder eine Kleinserie fertig stellen können. Mit Digital Prototyping und Rapid Prototyping (RP) bezeichnet man die schnelle Fertigung von kostengünstigen Prototypen mit komplexen Formen ohne mechanische Werkzeuge. In der Produktentwicklung und im Werkzeugbau lassen sich damit enorme Effizienzsteigerungen erzielen.

 

Auf dem Weg von der Produktidee bis zur Serienfertigung unterscheidet man im Rahmen der rechnergestützten Entwicklung drei Produktstadien: das Konzeptmodell, das Funktionsmuster und schließlich den technischen Prototypen. Konzeptmodelle werden in erster Linie während der Ideenentwicklung gebraucht. Hier geht es um die Geometrie und die äußeren Eigenschaften. In der zweiten Stufe benötigt man Funktionsmuster, die der Optimierung des Funktionsprinzips und als Vorlage für die Fertigungsplanung dienen. Als Letztes sind technische Prototypen notwendig, die im Serienwerkstoff vorliegen und mit denen die ersten mechanischen Belastungsversuche durchgeführt werden.

 

Das Digital Prototyping deckt hierbei die erste Stufe komplett ab: Das geplante Bauteil kann am Bildschirm völlig umgeplant, vergrößert oder verkleinert werden; die zugehörigen Daten sind über ein firmeninternes Datennetz sofort verfügbar. Beim Einsatz des Digital Prototyping lässt sich die Entwicklungszeit um etwa 30 Prozent verkürzen.

 

Um ein Funktionsmuster zu erhalten, muss die Schwelle zur physischen Ebene überschritten werden — das heißt, das Produkt muss real vorliegen. Ob sich ein Scharnier leicht bewegen lässt oder wie sich ein Teil anfühlt und welchen mechanischen Belastungen es gewachsen ist, kann nur am Funktionsmuster getestet werden. Hier kommt das Rapid Prototyping ins Spiel, ein Verfahren, bei dem mehrere Computertechniken zusammenarbeiten. Das Computer-aided Design (CAD) unterstützt die graphische Erstellung von Konstruktionsteilen am Bildschirm meist in drei Dimensionen. Diese 3-D-Konstruktionsdaten des CAD-Systems werden direkt zur Ansteuerung eines Laserstrahls herangezogen, der einen Werkstoff dreidimensional bearbeitet. Dieses Verfahren kommt vorwiegend bei der Lasersinterung zum Einsatz. Ein Metallpulver wird ohne zusätzliche Bindemittel Schicht für Schicht aufgetragen und von einem rechnergesteuerten Laserstrahl verfestigt. Dabei können sehr komplexe Geometrien wie Freiformflächen, tiefe Schlitze, aber auch Freiräume für wendelförmige, rotierende Schieber erzeugt werden.

 

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist der Zeitgewinn. Innerhalb weniger Stunden können Werkzeuge mit hohen Standzeiten hergestellt werden, sodass zwischen der Bereitstellung der CAD-Daten beispielsweise eines Kunststoffteils und dessen erstem Spritzguss nur noch einige Tage liegen.

 

Auch Keramikbauteile lassen sich heute in nahezu beliebig komplexen Formen und Geometrien herstellen. Das Spektrum der für das Rapid Prototyping geeigneten Materialien wächst ständig. Das Ziel ist die Produktion von Werkstoffen und Werkzeugen mit beliebig großen oder kleinen Stückzahlen — und dies bei größtmöglicher Variabilität hinsichtlich der gewünschten Form.

 

Mit der schnellen Herstellung gegenständlicher Modelle ist das Potenzial des RP längst noch nicht ausgeschöpft. Überträgt man den RP-Ansatz auf den gesamten Fertigungsprozess, kommt man zu RP-Prozessketten, der Vollendung des Prinzips der integrierten Fertigung. Damit wird folgendes Szenarium Wirklichkeit: Ein Konstrukteur entwickelt eine Baugruppe aus mehreren Teilen. Er möchte jedes Einzelteil mit ganz unterschiedlichen Anforderungen in verschiedenen Stückzahlen herstellen lassen. Ein Programm schlägt ihm für jedes Bauteil eine mögliche Prozesskette und einen hierfür geeigneten RP-Dienstleister vor. Dann tauscht er online die Auftragsdaten mit diesem Dienstleister aus und hat wenige Tage später alle Bauteile auf seinem Tisch.

 

 Konzepte der integrierten Fertigung

 

Die Simulation von Produkten und Produktionsabläufen, ja von ganzen Unternehmen auf dem Rechner und das Rapid Prototyping sind wesentliche Voraussetzungen dafür, dass eine integrierte Fertigung erreicht werden kann. Neben diesen rein technischen Parametern spielen aber noch ganz andere Faktoren mit hinein. Zu nennen sind der internationale Wettbewerb, in dem sich heute jedes Unternehmen befindet, oder die betriebsinterne Organisation und die Arbeitsabläufe.

 

Was den Wettbewerb angeht, so kommt es heute mehr denn je darauf an, durch Produktvarianten flexibel auf Kundenwünsche einzugehen und die Qualität durch Vermeidung von Ausschuss und durch bessere Fertigungstechniken zu erhöhen; es werden immer mehr eine hohe Lieferbereitschaft sowie schnellere und pünktlichere Leistung verlangt. Vor allem müssen Kosteneinsparpotenziale im Betrieb selbst ausgeschöpft werden.

 

In jedem arbeitsteiligen Produktionsunternehmen existiert eine geregelte Ablauforganisation, nach der sich die betrieblichen Abläufe vollziehen. Sie sind meist geprägt von unzähligen Direktkontakten der Mitarbeiter und weniger von formalen Zwängen — zumindest sollte das so sein. Das betrifft sowohl die Führungsorganisation als auch die Arbeitsorganisation, in der es um die unmittelbare Erfüllung der Aufträge geht.

 

Bei vielen Produktionsunternehmen hat sich im Laufe der Zeit die Ablauforganisation dergestalt entwickelt, dass es zu einer Trennung zwischen Planung und Steuerung einerseits sowie Ausführung der Arbeit andererseits gekommen ist. Parallel dazu sind oft eine Vielzahl kaufmännischer und technischer Abteilungen entstanden, die der Fertigung vor- und nachgeschaltet sind. Der Anteil der Bürokratie und somit der Personen, die nicht mit der unmittelbaren Produktion befasst sind, ist ständig angewachsen. Da ein Unternehmen immer auch ein informationsverarbeitendes System darstellt, haben sich in der Regel zahlreiche informelle Schnittstellen, Überschneidungen und Abhängigkeiten ausgebildet. Doch während im produzierenden Bereich in den letzten Jahren — unter anderem durch den Einsatz von Robotern — erhebliche Rationalisierungen erzielt wurden, hinkt der bürokratische Teil meistens hinterher. Der administrative und planende Teil eines Unternehmens mit einer derart gewachsenen Struktur weist daher einen hohen Nachholbedarf auf, der nicht selten das entscheidende Rationalisierungspotenzial darstellt.

 

Produktionsplanung und Computer-integrated Manufacturing

 

Als eine Möglichkeit, den administrativen und planenden Teil eines Unternehmens in den Griff zu bekommen, bieten sich Produktionsplanungs- und Steuerungselemente (PPS) an. PPS stellt eine Softwarelösung dar, die sich sehr einschneidend auf die Gesamtsituation des Unternehmens auswirkt. Die PPS-Software bündelt und steuert alle Informationen eines Unternehmens, um einen Fertigungsgang durchzuführen. Das sind Materialflussdaten, Konstruktionsdaten oder Qualitätsdaten. PPS ist mittlerweile ein weit verbreitetes Organisationswerkzeug.

 

Die Nervenstränge eines Unternehmens sind seine Informationsflüsse. Als Information bezeichnet man zweckbezogenes Wissen über Zustände und Ereignisse. Fehlt diese Zweckeignung, so spricht man eher von Daten. Sowohl Daten als auch Informationen fallen in einem Unternehmen ständig an und müssen in großen Mengen verarbeitet werden.

 

Eine bereichs- und prozessübergreifende Integration der Daten macht Prozesse im Unternehmen steuer- und beherrschbar. Das ist der Grundgedanke der computerintegrierten Produktion, fachsprachlich als Computer-integrated Manufacturing (CIM) bezeichnet.

 

Die zentrale Aufgabe der Fertigungs- und Organisationsplanung besteht darin, alle Informationsflüsse im Unternehmen methodisch zu integrieren. Entscheidend ist dabei, dass sowohl einzelne Bereiche als auch ihr Zusammenwirken über ein gemeinsames Datennetz gesteuert werden.

 

CIM ist ein ganzheitlicher Ansatz

 

Die Idee eines einzelnen, zentralen Großrechners, der viele Arbeitsplätze zentral versorgt, ist mittlerweile völlig überholt. Dies entspricht heute nicht mehr der geforderten hohen Flexibilität am Arbeitsplatz und der hohen Datenmenge insbesondere bei der Übertragung graphischer Daten. Sinnvoller ist eine Datenverarbeitung, die über mehrere Rechnerebenen verteilt ist. Dabei kommt es zu einem funktionalen Rechnerverbund zwischen Arbeitsplatzrechnern und Servern für unterschiedliche Aufgaben wie Datenhaltung und Berechnungen. Die enorme Leistungsfähigkeit moderner PC-Clients verwischt immer mehr die Grenzen zu den Workstations.

 

In den Anfängen der Softwareentwicklung wurde der heute so wichtige Integrationsaspekt häufig nicht beachtet. Es wurden Programme für ganz bestimmte Anwendungen entwickelt, die auf keiner einheitlichen Datenstruktur aufbauten. Erst später wurde deutlich, wie wichtig die Möglichkeit zur Eingliederung einzelner Anwendungen in ein Gesamtkonzept ist.

 

Diese Integration ist mit Datenbanksystemen möglich. Im administrativen Bürobereich haben sich die kommerziellen Datenbanksysteme bereits bewährt. Im technischen Bereich, wo es CIM-Teillösungen wie CAD, Computer-aided Manufacturing (CAM) oder PPS gibt, können Datenbanken ebenfalls die integrierende Funktion übernehmen. Hier handelt es sich dann um spezielle Datenbanksysteme, die auf die technischen Belange der CIM-Komponenten zugeschnitten sind.

 

Die in der Konstruktion eingesetzten CAD-Systeme müssen offene Daten- und Programmierschnittstellen besitzen, um mit einer technischen Datenbank kommunizieren zu können, denn die mit CAD erzeugten Zeichnungen enthalten neben grafischen Daten auch alphanumerische Daten wie Texte und Bemaßungen.

 

Die Abspeicherung von Bildern in einer Datenbank ergibt sehr große Datenmengen und daraus resultiert eine lange Zugriffszeit. Deshalb müssen technische Datenbanken ständig optimiert werden, um eine akzeptable Datenzugriffszeit sicherzustellen.

 

Weitaus weniger Schwierigkeiten bereiten die alphanumerischen Daten, die letztendlich auch für das PPS-System entscheidend sind. Das CAD-System kann — vom Geometrieentwurf ausgehend — die Erstellung von Konstruktions- oder Baukastenstücklisten unterstützen. Ausgehend von diesen Listen ist das PPS-System in der Lage, eigenständig Fertigungs- oder Strukturstücklisten zu erzeugen.

 

Technische und betriebswirtschaftliche Datenflüsse greifen oft direkt ineinander. Zentrales Element der betrieblichen Informationsverwaltung und -verteilung stellt das Produktionsplanungs- und -steuerungssystem eines Unternehmens dar. Auf der Planungsebene werden von ihm Aufgaben der Primärbedarfsplanung, der Materialdisposition, der Termin- und Kapazitätsplanung und der Auftragsüberwachung wahrgenommen. Im Fertigungsbereich umfassen PPS-Systeme die Betriebsdatenerfassung und die Fertigungssteuerung einschließlich der Kontrolle von Mengen, Zeit und Kosten. Auf der administrativen Ebene eines Betriebs sind die kaufmännischen Informationssysteme Kostenrechnung, Finanzbuchhaltung und Lohn und Gehalt angesiedelt. Auf der Ebene der Informationssysteme im engeren Sinne sind die Management-Informationssysteme (MIS), die Entscheidungs-Unterstützungssysteme (DSS, von »Decision Support System«) und die wissensbasierten Entscheidungs-Unterstützungssysteme positioniert.

 

Informationssysteme zur Unterstützung von Büroabläufen setzen sich zusammen aus Systemen zur Dokumentenverarbeitung von Texten und Grafiken, aus Electronic-Mail-Systemen und aus diversen Hilfssystemen wie Kalendermanagement, Wörterbüchern, Kalkulationsprogrammen oder Projektmanagementsystemen. Dabei steht der Werkzeugcharakter dieser Systeme im Vordergrund; denn spezielle Anwendungen können nicht bis ins Detail vorstrukturiert werden.

 

Die Verwirklichung des Computer-integrated Manufacturing ist grundsätzlich von der Unternehmensgröße und der Branche unabhängig. Um eine individuelle Lösung zu entwickeln, muss jedoch nach den jeweiligen Schwerpunkten der einzelnen Unternehmen differenziert werden. Dem ganzheitlichen Ansatz für ein CIM-Konzept steht nämlich die gewachsene arbeitsteilige Organisation in den meisten Betrieben entgegen. In großen Firmen, die finanziell in der Lage wären, ein solches CIM-Konzept zu realisieren, sind die Hürden besonders hoch — es sei denn, dass es sich bei der Planung eines neuen Werks von Anfang an mit integrieren lässt. Auf der anderen Seite dürfte es bei den meisten Mittelständlern, die als weitaus flexibler gelten, aus finanziellen Gründen schwer fallen, die hohen Investitionen für die Fabrik der Zukunft aufzubringen. Heute sind selbst hoch entwickelte und innovative Betriebe oftmals noch weit von CIM entfernt.

 

CA-Techniken durchziehen das ganze Unternehmen

 

Auch der Büro- und Verwaltungsbereich kommt ohne Computer nicht mehr aus. Durch die Verschmelzung von CIM mit der »Office Automation« (OA) unter dem Begriff »Computer-integrated Business« (CIB) wird dabei über den Produktionsbereich hinaus auch der planende und verwaltende Bereich der Unternehmen mit einbezogen. Die Fülle der CA- und CI-Kürzel (Computer-aided. .. beziehungsweise Computer-integrated. ..) belegt das.

 

Die Integration von CA-Komponenten kann auf verschiedenen Ebenen stattfinden. Gegenstand der Integration sind heute vor allem die Ebenen Kommunikationssysteme, Arbeitsplätze mit Betriebssystemen, Datenbanksysteme und Anwendungssoftware. Es lohnt sich, diese vier Ebenen näher zu betrachten.

 

Die Kommunikation zwischen verschiedenen Rechnern, Workstations, CNC(Computer Numerical Control)-Maschinen und Robotern erfolgt durch Netzwerke und Protokolle.

 

Durch Standardisierung wird hier dem Anwender die Möglichkeit gegeben, auch Workstations unterschiedlicher Hersteller miteinander zu vernetzen, sodass einmal getätigte Investitionen abgesichert sind. Lösungen hierfür bieten zwei eng miteinander verbundene ISO/OSI-Standards. ISO steht für »International Standards Organisation«; OSI bedeutet »Open Systems Interconnection«, ein Strukturmodell, das Systeme mittels hierarchischer Schichten beschreibt. Man bezeichnet Kommunikationsstandards daher oft auch als OSI-Schichtmodelle.

 

Für heterogene Automatisierungsumgebungen im Fabrikbetrieb hat das Unternehmen General Motors mit dem »Manufacturing Automation Protocol« (MAP) einen eigenen Industriestandard angeregt. Im technischen und administrativen Büro war es der Flugzeughersteller Boeing, der mit dem »Technical Office Protocol« (TOP) einen Standard initiiert hat. Viele Unternehmen, Entwickler, EDV-Hersteller und auch Anwender beteiligen sich weltweit durch verschiedene Projekte an diesen Bemühungen zur Standardisierung.

 

In Zukunft wird es möglich sein, ein gemeinsames Netzwerk für Computer-aided Engineering (CAE) — der rechnerunterstützten Ingenieursarbeit —, CAD und Computer-aided Planning Process (CAPP) zu verwenden. Auch »Technical And Office Protocol« (TAOP), ein spezielles Datenprotokoll für den Verwaltungs- und Bürobereich, kann über ein »Local Area Network« (LAN, ein lokales Netzwerk) in das Gesamtsystem eingebunden werden. Somit sind alle technischen Bürobereiche miteinander verknüpft, und die Daten werden gegebenenfalls auch über größere Entfernungen über ein Gateway (Kommunikationsrechner zwischen verschiedenen Netzen) an die Fertigung weitergeleitet. Dort werden sie in das Produktionsnetz, in CNC-Maschinen, Roboter, Lager- und Transportsysteme eingebunden.

 

Die »fraktale Fabrik« bietet die integrierte Fertigung der Zukunft

 

Die betriebswirtschaftliche Erfahrung hat gezeigt, dass es vorteilhaft ist, für die Wertschöpfungsprozesse kleine, schlagkräftige Einheiten zu bilden. Das Problem der Koordinierung wird damit in vielen Fällen bedeutend entschärft und reduziert sich auf die Schnittstellen zwischen den einzelnen Einheiten. Bei Planung und Steuerung variantenreicher Fertigungen findet dieses Konzept mehr und mehr Verbreitung. Fallstudien in deutschen Unternehmen bestätigen das Erfolgspotenzial eines solchen Ansatzes.

 

Mehr als 200 Unternehmen allein in Deutschland haben das zukunftsweisende Prinzip der kleinen Produktionseinheiten bereits erfolgreich realisiert. Die kleinen Betriebseinheiten werden dabei als Fraktale bezeichnet. Dieser Begriff wurde von dem Mathematiker Benot Mandelbrot in den 1970er-Jahren geprägt. Er beschrieb damit komplizierte Strukturen, die in der Natur sehr häufig vorkommen — beispielsweise im Adernnetz der Lunge, als Küstenform oder bei Luftwirbeln. Jeder noch so kleine Ausschnitt ähnelt bei der Vergrößerung dem Gesamtobjekt und behält dessen äußere Struktur bei. Mandelbrot schuf damit den Begriff der Selbstähnlichkeit. Solche fraktalen Eigenschaften lassen sich auch auf Betriebseinheiten übertragen. Deren gesamter Aufbau bleibt im Wesentlichen unverändert, auch wenn die Auflösung verfeinert wird.

 

Eine der wesentlichen Forderungen an zukunftsträchtige Produktionsstrukturen ist die Fähigkeit zu unternehmerischem Denken und qualitätsbewusstem Handeln aller Bereiche, bis hin zum einzelnen Mitarbeiter. Dies gilt in der fraktalen Fabrik nicht nur für die Gesamtheit des Unternehmens, sondern auch für jedes Fraktal. Auf zentrale Funktionen kann die fraktale Fabrik natürlich nicht verzichten. Dazu gehören eine zentrale Ressourcenplanung, die Planungsunterstützung, die temporär tätig wird, die Speicherung und der Zugriff auf Spezialwissen, das in den Fraktalen nicht vorgehalten werden kann.

 

Sämtliche, die Organisation betreffenden Hilfsmittel sind für alle Fraktale verfügbar. Insbesondere trifft dies auf die Verfügbarkeit von Informationen zu, die nicht mehr monopolisiert werden. Jedes Fraktal, letztlich jeder Arbeitsplatz, ist so zu betrachten wie das gesamte Unternehmen: Eine bestimmte Leistung ist komplett zu erbringen, eine Aufgabe möglichst eigenständig zu lösen. Dazu gehören Qualität, Menge, sparsamer Einsatz von Ressourcen, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Falls das Fraktal eigenständig dazu nicht in der Lage ist, wird es Unterstützung — im günstigen Fall nur kurzfristig — von außen suchen, also von anderen Fraktalen; diese können zum Beispiel auch eine zentrale Dienstleistungsfunktion darstellen beziehungsweise wahrnehmen. Im ersten Ansatz ist aber immer von ganzheitlicher Abwicklung von Aufgaben mit definierten Eingangs- und Ausgangsgrößen auszugehen.

 

Und wie sieht nun eine fraktale Fabrik konkret aus? Am Beispiel eines Unternehmens der Lebensmittelbranche soll die Arbeitsweise verdeutlicht werden. Das Unternehmen »Vita« produziert in Brandenburg Salate für große Lebensmittel- und Fast-Food-Ketten. Das Werk ist in neun Fraktale eingeteilt, die jeweils unterschiedliche Funktionen und Aufgaben haben. Die Aufteilung in Wareneingang, Bereitstellung/Putzen, Zwischenprodukte-Fertigung, Technik, Verkauf usw. unterscheidet sich zunächst nicht von der eines herkömmlichen Unternehmens. Allerdings besteht zwischen den Fraktalen eine enge Kunden-Lieferanten-Beziehung. Alle Fraktale müssen untereinander eng kooperieren, wobei sie selbst eine größtmögliche Entscheidungsfreiheit haben. Die Fraktale müssen sich allerdings einer Vorgabe der Geschäftsleitung unterwerfen, die da heißt »Die Ware muss pünktlich, sowie ausreichend in Menge und Qualität bereitstehen.« Wie dieses Ziel erreicht wird, ist zweitrangig. Arbeitsorganisation und Zeitpläne sind Angelegenheit der einzelnen Fraktale. Die Existenz von Teamsprechern in den Fraktalen sowie regelmäßige Teamsitzungen unter Teilnahme von Vorstandsmitgliedern unterstreichen den Gruppencharakter der fraktalen Fabrik.

 

Der Vorteil für die Unternehmen lässt sich in reinen Zahlen ablesen. In erster Linie steigt die Zufriedenheit der Arbeitnehmer. Daraus resultiert ein Krankenstand, der deutlich niedriger ist als sonst in der Branche, während die Qualität der Arbeit und der Produkte weit höher liegt. Darüber hinaus steigt der gesamte »Output« und damit die Produktivität.

 

»Fabriken in der Fabrik« zu schaffen, reicht aber keinesfalls aus, wenn nicht sichergestellt ist, dass sie am gleichen Strang ziehen. Zäh verteidigte Einflusssphären sind in vielen Unternehmen leider nach wie vor eher die Regel als die Ausnahme.

 

Daher muss der Begriff der Selbstähnlichkeit vor allem auch auf die Ziele des Unternehmens und seiner Fraktale angewendet werden: Die allgemein formulierten Globalziele müssen zu konkretem Handeln führen. Damit dieses in allen Fraktalen synchron geschieht, wird deren Zielsetzung sehr konkret gefasst. Gerade bei weitgehender Autonomie ist es sonst beispielsweise für den Maschinenführer nicht unmittelbar erkennbar, welche Auswirkungen seine Entscheidungen auf die Kundenorientierung des Unternehmens haben. Er weiß: Er bedient nicht nur seine Maschine, sondern gewissermaßen auch den Kunden.

 

Die fraktale Fabrik ist keinesfalls mittelständischen oder Kleinunternehmen vorbehalten und schon gar nicht als Alternative zur integrierten Fertigung zu betrachten. Im Gegenteil. Eine erfolgreiche fraktale Fabrik kommt nicht ohne Automatisierung, ohne integrierte Fertigung und Planung und ohne vernetzte Informationssysteme aus. Insofern stellt die fraktale Fabrik die humanisierte Form der integrierten Fertigung dar.

 

Das virtuelle Unternehmen

 

Eine neue Form der Organisationsgestaltung, die noch über diejenige von fraktalen Fabriken hinausgeht, sind virtuelle Unternehmen. Einem solchen Unternehmen fehlen zumindest einige physische Strukturmerkmale eines realen Unternehmens — daher die Bezeichnung virtuell —, aus der Sicht des Kunden funktioniert es jedoch ganz real.

 

Gegenwärtig wird unter einem virtuellen Unternehmen eine Kooperationsform rechtlich unabhängiger Unternehmen, Institutionen oder Einzelpersonen verstanden, die auf der Grundlage eines gemeinsamen Geschäftsverständnisses eine bestimmte Leistung erbringen. Die kooperierenden Elemente beteiligen sich an der Zusammenarbeit in erster Linie mit ihren Kernkompetenzen und erscheinen gegenüber Kunden oder Lieferanten wie ein einheitliches Unternehmen. Auf die Institutionalisierung zentraler Managementfunktionen kann weitgehend verzichtet werden. Die Koordination der Partnerunternehmen erfolgt durch den Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien. Eines der wesentlichen Merkmale eines virtuellen Unternehmens ist also der Aufbau logischer Strukturen.

 

Es gibt verschiedene Formen von virtuellen Unternehmen, von denen der dezentrale, dynamische Firmenverbund wohl die wichtigste ist. Hier werden in einer offenen, variablen Gruppe von beliebig vielen Unternehmen Aufträge verteilt abgewickelt, wobei sich abhängig von der Art des Auftrags kurzfristig temporäre Partnerschaften bilden. Die Konfiguration des virtuellen Unternehmens vollzieht sich in einer nach marktwirtschaftlichen Prinzipien strukturierten Umgebung, im virtuellen Markt. Dasjenige Unternehmen, das einen Auftrag akquiriert hat, schreibt Teilaufträge aus, nimmt Angebote entgegen, koordiniert die einzelnen Partner und tritt dem Kunden gegenüber als alleiniger Ansprechpartner auf. Die Einzelunternehmen agieren als selbstständige Einheiten, tauschen aber über Hochleistungskommunikationsnetze Informationen aus, und bei der Vermittlung von Kontakten leisten Kooperationsassistenten (KA) Hilfe. Die Organisationsform des virtuellen Unternehmens ist nicht auf bestimmte Branchen oder ein bestimmtes Produkt- oder Dienstleistungsspektrum beschränkt. Im Bereich der Produktionstechnik bezeichnet man ein virtuelles Unternehmen als virtuelle Fabrik.

 

Virtuelle Fabriken, also vernetzte Fimenverbünde im Bereich der integrierten Fertigung, lassen sich nicht scharf von anderen Organisationskonzepten wie fraktalen Fabriken, Hersteller-Zulieferer-Verbünden oder dem In- und Outsourcen von Teilbereichen der Produktion trennen. Virtuelle Fabriken sind allerdings gekennzeichnet durch ein besonders hohes Maß an Vernetzung einerseits und Dezentralisierung andrerseits.

 

In virtuellen Unternehmen lässt sich ein Erfahrungsschatz aufbauen, der in herkömmlichen Unternehmen — auch in Großkonzernen — oft nicht erreichbar ist. Unter heutigen Rahmenbedingungen ergeben sich dabei Erfolgsfaktoren wie die Entwicklung differenzierter und spezialisierter Produkte oder Dienstleistungen mit relativ kurzen Innovationszyklen. Komplexe Geschäftsprozesse lassen sich effektiver koordinieren und flexibler organisieren.

 

Wer ein virtuelles Unternehmen erstellt und betreibt, ist in der Lage, bei geringerem Forschungs- und Entwicklungsaufwand und mit reduzierten Investitionskosten bei den Betriebsmitteln seinen Kunden ein umfangreicheres Leistungspaket zu bieten.

 

Nicht immer allerdings stoßen solche neuen, ungewohnten Strukturen und das Nichtvorhandensein einer erkennbaren Gesamtinstitution bei den Kunden auf Verständnis. Das Vertrauen der Kunden muss oft erst mühsam gewonnen werden — dies gilt für externe Kunden ebenso wie für den internen Kunden in der Nachbarabteilung eines Großunternehmens.

 

Visionen sind notwendig

 

Vor rund 25 Jahren wurden in Deutschland in der Automobilproduktion die ersten Industrieroboter eingesetzt. Ohne den Roboter in all seinen inzwischen entwickelten Ausprägungen wäre etwa eine konkurrenzfähige Automobilproduktion in Deutschland schon lange nicht mehr vorstellbar.

 

Visionäre haben vor Jahren von hochkomplexen und sehr flexiblen automatischen Produktionssystemen gesprochen und damit Ziele aufgestellt, die nicht erreichbar sind. Einzelne Bearbeitungsschritte werden zunehmend automatisiert, aber die Entwicklung eines Roboters, der als »eierlegende Wollmilchsau« alles kann, gelang bisher nicht. Es hat sich gezeigt, dass derlei Bearbeitungsmaschinen technisch zu aufwendig, zu anfällig und letztlich zu wenig kontrollierbar sind. Hingegen gehören Bearbeitungszentren mit automatisiertem Werkzeug- und Werkstückwechsel, die ohne Bedienpersonal arbeiten, in der Metall verarbeitenden Industrie längst zum Alltag.

 

Auch in Zukunft sind Visionen gefragt. Heute geht es allerdings nicht mehr darum, die Technik allein zu perfektionieren. Die gesamte Arbeitswelt ist von einem Wandel erfasst hin zu Unternehmensstrukturen und Arbeitsabläufen, die auch auf die persönlichen Interessen der Mitarbeiter Rücksicht nehmen.

 

Es gibt keinen Königsweg für das Finden eines Produktionskonzepts, sondern die Struktur muss letztlich immer aufgrund der Gegebenheiten eines Betriebs individuell gefunden und angepasst werden. Zudem zwingt die Komplexität eines Unternehmens und ein sich schnell veränderndes Umfeld zum ständigen Optimieren. Dieses ständige Bemühen um Verbesserung und die aufwendige Honorierung von Verbesserungsvorschlägen sind unter dem japanischen Schlagwort »Kaizen« bekannt geworden. Eigentlich eine Unternehmensphilosophie, wurde Kaizen in Japan vor allem im Managementprozess eingesetzt. Viele Fachleute sehen hierin den Schlüssel für den Technologievorsprung japanischer Unternehmen in den 1980er- und 1990er-Jahren.

 

Die Unternehmen der Zukunft werden mit Philosophien wie Kaizen, vor allem aber mit Organisationsstrukturen, wie sie bereits heute in fraktalen oder virtuellen Fabriken zu finden sind, und mit der Hilfe von Planungssystemen wie PPS und CIM sowie dem Einsatz von Robotern dem Kostendruck trotzen und im internationalen Wettbewerb bestehen können.

 

Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Warnecke

 

Literatur:

 

Gebhardt, Andreas: Rapid prototyping. Werkzeug für die schnelle Produktentwicklung. München u. a. 1996.

 

Handbuch der Meß- und Automatisierungstechnik, herausgegeben von Hans-Jürgen Gevatter. Berlin u. a. 1999.

 Hesse, Stefan: Industrieroboterpraxis. Automatisierte Handhabung in der Fertigung. Braunschweig u. a. 1998.

 Hesse, Stefan: Lexikon Handhabungseinrichtungen und Industrierobotik. 1800 Begriffe von A-Z zur handhabungstechnischen Automatisierung für Lehre, Studium und Beruf. Renningen 1995.

 Hesse, Stefan: Lexikon Sensoren in Fertigung und Betrieb. 1800 Begriffe von A-Z zur Sensortechnik für Lehre, Studium und Beruf. Renningen 1996.

 Lüth, Tim Christian: Technische Multi-Agenten-Systeme. Verteilte autonome Roboter- und Fertigungssysteme. München u. a. 1998.

 Millarg, Kai: Virtuelle Fabrik. Gestaltungsansätze für eine neue Organisationsform in der produzierenden Industrie. Regensburg 1998.

 

Robotik in Deutschland. Lehre, Forschung und Entwicklung, herausgegeben von Erwin Praßler u. a. Aachen 1998.

 Schildt, Gerhard-Helge / Kastner, Wolfgang: Prozeßautomatisierung. Wien u. a.1998.

 Schuh, Günter u. a.: Virtuelle Fabrik. Neue Marktchancen durch dynamische Netzwerke. München u. a. 1998.

 

Sensoren und Sensorsignalverarbeitung. Wegweisende, serienreife neue Produkte und Verfahren, herausgegeben von Karl Walter Bonfig. Renningen 1997.

 

Sensortechnik. Handbuch für Praxis und Wissenschaft, herausgegeben von Hans-Rolf Tränkler und Ernst Obermeier. Berlin u. a. 1998.

 Warnecke, Hans-Jürgen: Die fraktale Fabrik. Revolution der Unternehmenskultur. Taschenbuchausgabe Reinbek 1996.

 Zakharian, Serge: Automatisierungstechnik-Aufgaben. Lineare, Zweipunkt- und Fuzzy-Regelung. Braunschweig u. a. 1998.

 Zeller, Franz-Josef: Sensorplanung und schnelle Sensorregelung für Industrieroboter, herausgegeben von Klaus Feldmann. München u. a. 1996.

 

Zukunftsweisende Steuerungs- und Maschinenkonzepte für die Fertigung, herausgegeben von Manfred Weck u. a. Düsseldorf 1997.