Digitaler Zwilling im Schaltschrankbau Wie Engineering-Prozesse durchgängig werden

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Die digitale Produktion im Schaltschrankbau basiert auf CAD und CAE: Im digitalen Zwilling werden sämtliche 3D- und Metadaten zusammengeführt. Fehlerquoten sinken massiv, Projektlaufzeiten verkürzen sich. Voraussetzung sind saubere, gepflegte Daten und eine vernetzte Softwareinfrastruktur.

Die digitale Produktion von Schaltschränken stellt besonders hohe Anforderungen an die Daten und deren Qualität. Die digitale Produktion im Schaltschrankbau basiert auf CAD (Computer-Aided Design) und CAE (Computer-Aided Engineering): In einem digitalen Zwilling werden sämtliche 3D- und Metadaten zusammengeführt, an die Maschinen für Gehäusebearbeitung und die Litzensatzherstellung übergeben.

Mithilfe von individuellen Software-Tools lässt sich der gewünschte Automatisierungsgrad erreichen. UVP Schaltschrankbau aus Pleidelsheim fertigt alle Aufträge auf Basis von digitalen Zwillingen mit durchgängigen Prozessen.

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Die Basis eines durchgängigen CAE-Prozesses bilden Makros: Für alle Bauteile eines Schaltschrankes wird ein entsprechendes digitales Abbild erstellt. Das Makro beinhaltet sowohl 2D- als auch 3D-Daten. Aus einer Zeichnung können sich zum Beispiel mehrere Anschlussmöglichkeiten für ein Bauteil ergeben. Die genauen Positionen im 3D-Raum müssen aus dem Makro hervorgehen. Erst die Zuordnung von beschreibenden Informationen zum 3D-Modell macht ein Makro vollständig.

Nach den Makros wird der Schaltplan erstellt, sollte er nicht vom Auftraggeber bereitgestellt worden sein. Kommt der Schaltplan vom Kunden, wird dessen Stückliste in eine Software importiert und damit überprüft, ob für alle gelisteten Artikel ein Makro vorhanden ist. Die fehlenden werden erstellt, überprüft und freigegeben.

Vollständige und fehlerfreie Makros für den digitalen Zwilling

Vor der Erstellung des digitalen Zwillings und dem CAE-Prozess müssen alle Makros zwingend vollständig und fehlerfrei sein. Sind die Makros nicht gepflegt, fehlen wichtige Informationen: Möglicherweise sind nutzbare Kabelquerschnitte und Aderbehandlung nicht benannt. Oder ein Kabel wird nach oben geroutet, obwohl sich der Anschluss an der Unterseite des Bauteils befindet, womit die Leitung zu kurz oder zu lang wird.

Auch die Leitungen müssen korrekt definiert werden. Jede Leitung wird einem passenden Artikel zugeordnet, was den Kabeltyp eindeutig festgelegt – damit kann der Füllgrad des Kabelkanals richtig berechnet werden.

Im nächsten Schritt wird der digitale Zwilling erstellt, der sämtliche Daten für die Konstruktion des Schaltschranks bereitstellt. Er wird mit den Kundendaten abgeglichen, danach beginnt die Fertigung. Damit die automatisierte Produktion erfolgreich ist, benötigt der digitale Zwilling zwingend eine konsistente Datengrundlage.

Erster Schritt: Die Erstellung der Makros

Während ausgedruckte Schaltpläne auf Papier international funktionieren, reichen sie für eine digitale Produktion nicht aus. Der digitale Zwilling benötigt spezielle Schaltpläne. UVP überarbeitet deswegen die vom Kunden bereitgestellte Informationen komplett.

Denn vorhandene Makros werden in der Regel nicht in der Tiefe gepflegt, wie es der digitale Zwilling erfordert. UVP tauscht Makros aus und ergänzt fehlende Informationen wie nutzbare Kabelquerschnitte oder die vorgegebene Aderbehandlung.

Das gestaltet die Erstellung und Pflege der Makros aufwändig. Es ist keine Seltenheit, dass für jedes Bauteil eine Arbeitszeit von 30 Minuten notwendig wird. Bei der Inventur zählte das Unternehmen allein rund 1.700 Bauteile, die aber nur einen Bruchteil der Gesamtheit darstellen: Eine umfassende Makro-Bibliothek kann schnell rund 7.000 Makros umfassen – diese können allerdings bei verschiedenen Projekten immer wieder eingesetzt werden.

Die Fertigung mit dem digitalen Zwilling bedeutet, dass große Teile der Produktionszeit in die Planung vorverlagert werden und das Gros der Aufgaben von Konstruktion und Engineering erledigt wird. Allein die Erstellung und Pflege der Makros machen rund 70 Prozent der gesamten Arbeit aus. Das Engineering-Team von UVP arbeitet von der Türkei aus: Da die Konstruktion teurer als die Fertigung ist, würde sich eine Konstruktionsabteilung in Deutschland nicht lohnen.

Warum Standards definiert werden müssen

Ein weiterer zentraler Faktor im Prozess sind Standards. Sie müssen gleich zu Beginn definiert werden, bekannt sein und gelebt werden. Feste, immer gleiche Teile im Schaltschrank haben eindeutige Bezeichnungen, etwa die linken oder rechten Seitenwände, Türen oder Kabelkanäle.

Konstruktion und Produktion müssen diese Bezeichnungen kennen. Aus der Benennung geht die Position der Teile hervor, der Mitarbeiter benötigt dann keine weiteren Informationen mehr für den Bau des Schranks. UVP arbeitet mit über 50 verschiedenen Standards. Fehlende Standards erzeugen Fehler bei der Schnittstelle zwischen Konstruktion und Fertigung.

Der Konstrukteur muss beim Neusetzen den Kabelkanal zum Beispiel immer von links nach rechts zeichnen. Dieser Standard stellt sicher, dass die Anordnung in der Produktion eindeutig ist und die Bohrungen im Kabelkanal mit den Bohrungen der Montageplatte übereinstimmen. Abweichungen führen zu Montagefehlern.

Die Daten bei der Systemintegration

Die Systemintegration, die einen automatisierten Prozess erst möglich macht, erfolgt über Software, die von Arbeitsschritt zu Arbeitsschritt die Fehlerfreiheit der Daten und die Konsistenz sicherstellt. Erst danach kann die nächste Aufgabe angestoßen werden. Eine Software überprüft zum Beispiel, ob alle Makros freigegeben sind. Ein weiteres Tool erkennt Abweichungen zwischen Schaltplan und Stückliste, jede Differenz wird überprüft und im Programm kommentiert. Daraus entsteht die korrekte finale Einkaufsliste; Fehlteile in der Produktion werden durch diesen frühen Abgleich vermieden.

Im weiteren Prozess werden Daten vom digitalen Zwilling an die Maschinen exportiert: an die Gehäusebearbeitungsmaschine und an den Vollautomaten für die Kabelkonfektion. Die Bestückung der Schaltschränke in der Fertigung erfolgt mit der Software Smart Production von Eplan; die notwendigen Etiketten mit der Betriebsmittelkennzeichnung (BMK) der Teile können über eine weitere Software aus dem digitalen Zwilling exportiert, mit interner Software bearbeitet und automatisch in der passenden Menge ausgedruckt werden.

Die Vorteile der automatisierten Fertigung

Da mit diesem Ansatz die Hauptarbeit vor dem eigentlichen Schaltschrankbau und der Montage der Teile erfolgt, beschleunigen integrierte CAD-/CAE-Prozesse vor allem die Abläufe in der Fertigung – durch den Einsatz von Maschinen und durch die Bereitstellung von Daten zur richtigen Zeit. Leitungen erhalten automatisch die korrekte Aderbehandlung im Automaten, auch die Gehäusebearbeitung erfolgt automatisch – alle relevanten Daten werden aus dem digitalen Zwilling an die Maschinen übermittelt.

In der Fertigung gibt der digitale Zwilling die richtigen Anschlüsse und Leitungen vor: Der Mitarbeiter in der Montage muss nicht mehr darüber nachdenken, welche Hülse an welchen Pin gehört oder welcher Ringkabelschuh eingesetzt werden muss, die Software führt durch alle Arbeitsschritte.

Da die Kabelpositionen und der Füllgrad der Kabelkanäle bekannt sind, lässt sich eine Überfüllung vermeiden. Diese stellt in der klassischen Fertigung ein großes Problem dar, das erst bei der Endmontage entsteht, wenn sich nach hunderten verlegten Leitungen abzeichnet, dass der Kanal zu voll wird. So spät im Prozess ist dieser Fehler nur aufwändig zu beheben.

Da derartige Probleme mit dem digitalen Zwilling früh identifiziert und bereits in der Planungsphase behoben werden können, entstehen weniger Kosten – die Komponenten passen auf die für sie geplante Fläche, Bauteile kollidieren nicht und die Stücklisten stimmen.

Beispielsweise sollte für einen Kundenauftrag ein Schaltschrank mit der Breite von 2,4 m produziert werden. Im Laufe der Planung fiel auf, dass die Bauteile in diesem Format nicht passen würden – die Breite wurde auf 3 m angepasst. Diese Korrektur war bereits vor der eigentlichen Fertigung möglich, was Zeit und Kosten gespart hat, da keine nachträgliche Umplanung notwendig wurde.

Die Vorteile digitaler Prozesse im Schaltschrankbau

Es zeichnet sich ab, dass CAD-/CAE-Prozesse und digitale Prozessketten zunehmend in der Fertigung eingesetzt werden. Perspektivisch weist der Weg in Richtung „dunkle Fabrik“ – in der die Produktion ausschließlich mit Robotern erfolgt. Dafür muss die Datengrundlage zu 100 Prozent fehlerfrei sein. Möglicherweise wird auch künstliche Intelligenz in der Lage sein, die Daten aus PDF-Plänen zu digitalisieren und für den Bau des digitalen Zwillings bereitzustellen.

Die digitale Fertigung hält auch im Schaltschrankbau Einzug, wo digitale Zwillinge alle Informationen bündeln und die Basis für die Automatisierung mit Maschinen bilden. Das hat zur Folge, dass sich die Arbeitsanteile verschieben – hin zum Engineering mit Planung und Konstruktion und weg von der abschließenden Fertigung. Hier besteht die Chance, die Fehler in der Fertigung auf ein Minimum zu senken und den Output zu erhöhen. Die Voraussetzungen dafür sind konsistente, saubere Daten und definierte Standards. (kr)

* Nadja Müller ist Fachjournalistin bei Wordfinder.

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