Bei der Produktion am klassischen Fließband sind Anpassungen an kurzfristige Änderungen der Nachfrage kaum möglich, da das System wenig flexibel ist. Auch die Anpassung an individuelle Kundenwünsche ist selten möglich. In der Expertise zur ‚Umsetzung von Cyber-physischen Matrixproduktionssystemen‘ haben Forschende des Fraunhofer IWU und IPA (Herausgeber Forschungsbeirat Industrie 4.0 / Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften) gemeinsam die Potenziale und den Status quo von Matrixproduktionssystemen herausgearbeitet. Unter anderem schlussfolgern sie, dass durch den Einsatz von Matrixproduktionssystemen in Zukunft eine wirtschaftliche und flexible Produktion möglich sein wird. Mit ihnen können Unternehmen verschiedene Produktvarianten und skalierbare Stückzahlen produzieren. Der Begriff Matrix stammt ursprünglich aus der Mathematik und beschreibt eine rechteckige Anordnung von Elementen in Zeilen und Spalten. Produktionstechniker verstehen unter einer Matrix eine schachbrettförmige Anordnung von Prozessmodulen, die frei anfahrbar, logistisch individuell beplanbar und über einen flexiblen Materialfluss verbunden sind. Matrixproduktionssysteme sind außerdem informationstechnisch vernetzt, um schnell auf Änderungen reagieren zu können. In einem Matrixproduktionssystem können im Rahmen einer Rekonfiguration neue Prozessmodule ergänzt oder entfernt werden, wenn sich etwa Stückzahlen ändern oder neue Produktvarianten hinzukommen.
Komplex, aber erfolgreich
Bisher sind Cyber-physische Matrixproduktionssysteme noch wenig verbreitet. Die Automobilindustrie, Elektronik- und Halbleiterindustrie sowie manche Zulieferer setzen Matrixproduktionssysteme bereits ein. Die Beispiele in der Studie zeigen, dass sich bei der Umstellung auf ein Matrixproduktionssystem Verbesserungen zum bestehenden Produktionssystem erreichen lassen. Die Expertise zeigt überdies, dass es bereits technologische Lösungen auf dem Markt gibt, um Matrixproduktionssysteme umzusetzen. Allerdings sind dies oft Einzellösungen, die aufwendig in ein Gesamtsystem integriert werden müssen. Die Planung eines Matrixproduktionssystems ist herausfordernd. Am Fraunhofer IPA wurden daher prozessorientierte Methoden entwickelt, um Matrixproduktionssysteme zu planen.
Von Heuristik bis KI
Die Steuerung von Cyber-physischen Matrixproduktionssystemen kann manuell oder hochautomatisiert erfolgen. Geeignet hierfür sind auch selbstlernende Steuerungssysteme, die in Echtzeit auf Veränderungen im System reagieren können. Dadurch können neben der schnellen Reaktion auf Veränderungen auch logistische Zielgrößen wie Durchlaufzeit oder Termintreue optimiert werden. Die Materialbereitstellung macht effiziente Produktionssysteme erst möglich und trägt wesentlich zum Erfolg von Matrixproduktionssystemen bei. In einem Matrixproduktionssystem wird beispielsweise nicht im Voraus festgelegt, welchen Weg ein Produkt durch die Produktion nimmt. Folglich sind auch die Materialbedarfe je Prozessmodul nicht genau bekannt. Daher entstehen am Institut gerade Planungsvorgehen, die mit Simulationen und Auswahlalgorithmen arbeiten, um die kostenoptimierte Materialbereitstellungsstrategie zu wählen.
Großes Potenzial
Matrixproduktionssysteme bieten große Chancen. Im Allgemein eignet sich der Einsatz von Matrixproduktionssystemen in nahezu allen Branchen. Grundsätzlich liegt das Potenzial von Matrixproduktionssystemen überall dort, wo eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Produktivität benötigt wird. Mit einem Matrixproduktionssystem kann den Anforderungen des Marktes, wie etwa einer steigenden Variantenvielfalt und schlecht prognostizierbaren Kundenbedarfen, erfolgreich begegnet werden.