Mai 2, 2024

Matrixproduktion: Zukunft der Produktionstechnik oder überbewerteter Trend? 

Die Matrixproduktion ist Teil eines größeren Wandels hin zu einer anpassungsfähigeren, effizienteren und intelligenteren Produktion. Sie löst sich von alten Beschränkungen und integriert flexible, modulare Fertigungszellen, die in Echtzeit neu konfiguriert werden können, um den sich stetig verändernden Produktionsanforderungen gerecht zu werden. Aber ist das nur eine weitere große Idee, die nur auf dem Papier gut aussieht? Oder wird die Matrixproduktion schon bald die Standardantwort auf die Anforderungen der individualisierten Massenfertigung oder hyperindividualisierten Fertigung sein?

Matrix production Blog

In diesem Artikel beleuchten wir die Grundlagen der Matrixproduktion, für wen sie geeignet ist und was sie Ihnen bringt. Aber auch, was der Umsetzung im Wege stehen könnte - und wie Sie das Beste aus diesem innovativen Konzept herausholen können. 

Das Beste aus vielen Welten 

Wie viele Innovationen hat sich die Matrixproduktion aus bestehenden Ansätzen entwickelt. Und trotz ihres aktuellen Status als Vorreiterin der intelligenten Fertigung können wir immer noch Ähnlichkeiten mit Produktionsstrategien erkennen, die es schon seit langem gibt. Die Matrix besteht aus einzelnen Arbeitsplätzen, die in einem Raster angeordnet sind, wodurch sie optisch eher dem Layout von Werkstätten und Einzelarbeitsplätzen ähnelt als einem Fließband.  

Was die Matrix-Fertigung von anderen unterscheidet, ist der Einsatz fortschrittlicher IIoT-, Kommunikations- und Automatisierungssteuerungstechnologien. Dadurch kann ein Großteil der Flexibilität von weniger effizienten Ansätzen beibehalten und gleichzeitig hohe jährliche Stückzahlen gefertigt werden. Und das mit einer Effizienz, die der eines Fließbandes nahekommt.  

Produktionsansätze im Vergleich
Die Matrixproduktion bietet eine hohe Effizienz bei kleinen und großen Chargen.

Klingt zu schön, um wahr zu sein? Das mag es sein, wenn Ihr Unternehmen Massenprodukte herstellt, die einen langen Lebenszyklus haben und wenig oder gar nicht angepasst werden. Aber für alle anderen gibt es hier eine Menge Potenzial.  

Was genau ist die Matrixproduktion? 

Die Matrixproduktion verwendet ein modulares Fertigungslayout und kann sich nahtlos an wechselnde Anforderungen und Produktionsbedürfnisse anpassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Produktionslinien, die sequenziell Güter durch die Fertigung schleusen, verfolgt die Matrixproduktion einen nichtlinearen Ansatz. Es gibt keinen Takt und keinen festen Weg, den ein Produkt durch die Anlage nehmen muss. Diese Flexibilität ermöglicht eine effizientere Ressourcenzuweisung, wodurch Ausfallzeiten verringert und die Produktivität erhöht werden. 

Matrixproduktion Darstellung

Zellen bilden die Matrix 
Die Modularität der Matrixproduktion wird durch Zellen, die Bausteine des Systems, erreicht. Eine Zelle kann mehrere Stationen enthalten und eine Reihe von Aufgaben erfüllen. Jede Zelle kann je nach Bedarf neu konfiguriert oder skaliert werden. Dies macht das System bemerkenswert effizient und anpassungsfähig.  

Matrixzelle

Kerntechnologien in der Matrix 

Eine Automatisierungsplattform  
Eine Automatisierungsplattform ist notwendig, um alle Komponenten des Produktionssystems, einschließlich der Manufacturing Execution Systems (MES), zu integrieren und zu orchestrieren. Die Plattform sammelt Daten aus verschiedenen Quellen, darunter in die Produktionszellen eingebettete IoT-Geräte, FTS und AMR (mehr dazu unten), um den Produktionsfluss und die Ressourcenzuweisung zu optimieren. Automatisierungsplattformen können auch zusätzliche Funktionen enthalten, die für die Einrichtung einer Matrixproduktion wichtig sind. Dazu können ein digitaler Schatten, Prozessmodellierung und Virtualisierungstechnologie mit digitalen Zwillingen gehören. 

Digital Twins 
Diese virtuellen Nachbildungen von physischen Produktionssystemen ermöglichen die Überwachung, Simulation und Optimierung von Fertigungsprozessen in Echtzeit. Digitale Zwillinge dienen als entscheidendes Werkzeug bei der Planung und Betrieb des Matrix-Produktionssystems und gewährleisten, dass Änderungen der Produktionsanforderungen schnell und effizient berücksichtigt werden können. 

IIoT-Geräte 
Die Integration von IIoT-Geräten (Industrial Internet of Things) in den Zellen liefert einen konstanten Strom von Produktionsdaten und ermöglicht so die Überwachung und Steuerung in Echtzeit.  

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) und Autonome Mobile Roboter (AMR) 
Fahrerlose Transportsysteme (automated guided vehicles, die sogenannten AGVs) spielen eine entscheidende Rolle in Matrix-Produktionssystemen. Diese automatisierten Fahrzeuge fahren auf einer vorbestimmten Route und folgen dabei in der Regel einer Führungsinfrastruktur wie Magnetbändern, Drähten oder reflektierenden Markierungen. FTS können Materialien und Produkte von einer Zelle zur nächsten transportieren, wie es der Systembedarf erfordert.  
Im Gegensatz zu FTS können autonome mobile Roboter (AMRs) in der Fertigungshalle frei navigieren, ohne dass ihnen der Weg vorgegeben wird. AMR transportieren auch Materialien zwischen den Zellen und ermöglichen so eine flexible Streckenführung und selbstorganisierende Ressourcen.  
Der Einsatz von FTS und AMR für den Materialtransport entkoppelt die Logistikprozesse der Fertigungs- und Montagevorgängen. Dadurch kann sich die Matrix spontan an veränderte Produktionsanforderungen anpassen. Die Materialtransportzeiten sind geringer, und das System kann nahtlos auf Nachfrageschwankungen reagieren. 

Betrieb einer Matrix-Produktionsanlage 

Sobald Sie die richtige Ausrüstung zusammen haben, entsteht ein vielschichtiges Gefüge aus OT-Equipment und Netzwerktechnik, das an die IT-Infrastruktur angebunden werden muss. Und alles muss nahtlos zusammenarbeiten. Ohne Takt oder feste Route, die die Produkte durch das System nehmen müssen. Aus diesem Grund sind intelligente Planung und Orchestrierung in diesem Szenario so wichtig. Damit die Orchestrierung effizient ist, benötigen Sie softwaredefinierte Systeme, die alle Geräte in der Matrix im laufenden Betrieb steuern und neu konfigurieren können. Jede Ressource im System (MES, Maschinen, FTS) muss standardisiert oder über APIs integriert werden, um Kommunikation und Steuerung zu ermöglichen.  

Sequenzierung von Maschinen und Prozessen   
Sobald alle Ressourcen über Software kommunizieren und Befehle empfangen können, müssen Sie die Maschinen und Prozesse so aufeinander abstimmen, dass sie automatisch ablaufen und miteinander koordiniert werden können (z. B. holt ein Roboter Rohmaterial aus einem Regal, wird das Regal dann automatisch wieder aufgefüllt). Und mit fortschrittlicher Analytik, maschinellem Lernen, künstlicher Intelligenz und Echtzeitdaten können Sie Produktionsabläufe und Entscheidungsprozesse optimieren, den Produktionsbedarf vorhersagen und potenzielle Engpässe erkennen.  

Ist die Matrixproduktion etwas für Sie?  

Die Matrixproduktion eignet sich besonders gut für alle Szenarien, die ein hohes Maß an Individualisierung und Produktvariabilität erfordern. Die Fähigkeit, mehrere Produktvarianten innerhalb desselben Produktionssystems effizient zu verwalten, macht sie ideal für die folgenden Branchen.

Automobilindustrie 
Die Automobilindustrie mit ihrer breiten Palette an Modellen und Optionen kann von den anpassbaren Arbeitsabläufen der Matrix-Produktionssysteme profitieren. 

Elektronik 
Die schnelle Produktinnovation und die vielfältigen Produktlinien, die in der Elektronikindustrie typisch sind, passen gut zur Anpassungsfähigkeit der Matrixproduktion. 

Konsumgüter  
Artikel in verschiedenen Größen, Farben und Ausstattungsmerkmalen, von Kleidung bis hin zu Haushaltsgeräten, sind in der flexiblen Umgebung der Matrix-Produktion gut aufgehoben. 
Der Bedarf an Präzision, kundenspezifischer Anpassung und strikter Einhaltung von Vorschriften bei der Herstellung medizinischer Geräte wird durch die kontrollierte, anpassungsfähige Natur von Matrix-Produktionssystemen unterstützt. 
Doch nicht nur die flexible Produktion von Produktvarianten macht die Fabrik der Zukunft durch die Matrixproduktion effizienter. 

Für Hersteller, die mehrere Varianten gleichzeitig produzieren 

Die Matrixproduktion erleichtert es, verschiedene Varianten eines Produkts mit maximaler Effizienz zu produzieren. Auch ermöglicht sie es, mehrere Produktlebenszyklen in einer einzigen Infrastruktur abzubilden. Nehmen wir zum Beispiel ein Automodell, das sowohl mit Diesel- als auch mit Elektroantrieb erhältlich ist. Wenn sich das Dieselmodell dem Ende seines Lebenszyklus nähert und das Produktionsvolumen abnimmt, steigt das Volumen für das Elektromodell. Eine Matrix-Produktionsanlage kann sich dynamisch an die veränderte Bedarfslage anzupassen und eine viel höhere Auslastung der Ressourcen aufrechterhalten, als sonst möglich wäre.  

Das hängt auch von Ihrem Volumen und der Chargengröße ab 

Matrix-Produktionssysteme sind skalierbar und anpassungsfähig, so dass sie sich für ein breites Spektrum von Produktionsmengen eignen. 

High-mix, low-volume (HMLV) 
Für Produkte, die einen hohen Grad an Individualisierung erfordern und in kleinen Chargen hergestellt werden, bietet die Matrixproduktion die Flexibilität, ohne große Ausfallzeiten zwischen verschiedenen Produkttypen zu wechseln. 

Low-mix, high-volume (LMHV) 
Obwohl hohe Stückzahlen traditionell eher am Fließband gefertigt werden, kann die Matrixproduktion auch effizient für hoher Stückzahlen eingesetzt werden. Sie ist vor allem dann eine attraktive Option, wenn Produkte häufig aktualisiert werden oder die Nachfrage am Markt unvorhersehbar ist. 

Die Vorteile der Matrixproduktion 

Die Matrixproduktion bietet viele Vorteile, von denen wir einige bereits oben erörtert haben. Insgesamt bietet sie eine einzigartige Mischung aus Flexibilität, Eignung für ein breites Spektrum von Jahresmengen und Effizienz auch bei mittleren Losgrößen.   

Erhöhte Flexibilität 
Rasche Anpassung an Veränderungen im Produktdesign, in der Marktnachfrage und im Produktionsvolumen. 

Verbesserte Effizienz  
Intelligente Planung und automatisiertes Materialhandling verkürzen die Produktionszeiten, erhöhen die Maschinenauslastung und senken die Kosten. 

Kundenspezifische Anpassung in großem Maßstab  
Erleichtert die Herstellung hochgradig individueller Produkte, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen oder Kosten in die Höhe zu treiben. 

Skalierbarkeit 
Der modulare Aufbau ermöglicht eine einfache Erweiterung oder Reduzierung der Produktionskapazität je nach Bedarf. 

Widerstandsfähigkeit 
Diversifizierte Produktionswege und automatisierte Systeme verringern die Auswirkungen von Maschinenausfällen und Unterbrechungen der Lieferkette. 

Koproduktion außerhalb des aktuellen Produktportfolios 

Eine einzige Matrix-Produktionsanlage kann gleichzeitig mehrerer Produktvarianten und Produktlebenszyklusstadien effizient produzieren. Sie kann aber auch theoretisch Produkte von außerhalb des Produktportfolios des Unternehmens fertigen, um die Maschinenauslastung zu maximieren. Dazu gehört die Zusammenarbeit mit anderen Herstellern oder die Herstellung von Produkten, die normalerweise von einem Zulieferer bezogen werden. Die Hinzufügung solcher portfolioexternen Produkte kann entscheidend dazu beitragen, Wartezeiten im System zu verringern und Ressourcen besser auszulasten. 

Nachteile der Matrixproduktion 

Trotz der beträchtlichen Vorteile, die die Matrixproduktion bietet, hat sie ihren Preis. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Praxis dürften diese Nachteile mit der Zeit an Bedeutung verlieren.  

Erstinvestition  
Die Einrichtung eines Matrix-Produktionssystems kann kapitalintensiv sein, da fortschrittliche Technologien, Automatisierung und modulare Ausrüstung erforderlich sind. Es ist jedoch zu beachten, dass auch hybride Ansätze machbar sind, die möglicherweise einen sanfteren, weniger kapitalintensiven Übergang ermöglichen.  

Komplexität der Umsetzung 
Erforderlich ist eine erhebliche Umstellung der betrieblichen Planung und des Managements sowie die Integration fortschrittlicher IT-Systeme für eine intelligente Produktionssteuerung. 

Derzeit fehlt es noch Praxiserfahrung  
Da dieser Ansatz noch nicht weit verbreitet ist, haben viele Firmen in der Herstellerbranche noch keine Erfahrung mit dem Bau oder Betrieb einer Matrix-Produktionsanlage.  

Schlussfolgerung 

Die Matrixproduktion überwindet viele der Einschränkungen herkömmlicher Strategien. Ihre Eignung für eine breite Palette von Produkten, Varianten, Mengen und Losgrößen macht sie zu einer überzeugenden Wahl für Branchen, die mit schnellen Marktveränderungen und der Nachfrage nach individualisierten Produkten konfrontiert sind. Die Hersteller müssen jedoch die Anfangsinvestitionen und die betriebliche Komplexität sorgfältig gegen die strategischen Vorteile der Anpassungsfähigkeit, Effizienz und Skalierbarkeit abwägen.  

Mit den richtigen Technologiepartnern ergeben sich hier beträchtliche Chancen. Produktionsbetriebe können bereits auf dem Markt vorhandene Produkte für FTS und AMR einsetzen. Auch die notwendigen Komponenten für Arbeitsstationen und Zellen sind verfügbar. In hybriden Anlagen könnten zum Beispiel effiziente schlanke Fließbandabschnitte neben taktunabhängigen Matrixproduktionszellen eingesetzt werden. Was bisher fehlte, ist eine Automatisierungsplattform, die in der Lage ist, alle Ressourcen zu integrieren, Prozesse zu modellieren und ein solch komplexes System zu orchestrieren.   

Die richtige Automatisierungsplattform für die Matrixproduktion 

Bei der Prozessorchestrierung steckt der Teufel im Detail. Wie kann man fest programmierte SPS-gesteuerte Anlagen dazu bringen, sich in einer sich ständig ändernden Umgebung wie der Matrixproduktion dynamisch zu rekonfigurieren? Wenn eine Änderung an einer OT-Komponente Änderungen an den IT-Systemen in Ihrem Tech-Stack erfordert, wie kann dies schnell ausgeführt werden, ohne z.B., dass ein Programmierer benötigt wird?  

Der Ascon Qube beantwortet diese Fragen mit fortschrittlicher Prozessmodellierung, Standardisierung und Integration. Es ist die einzige Plattform, mit der Sie die Vorteile von Analysen, maschinellem Lernen und KI voll ausschöpfen können, während Sie die Produktion mithilfe von live-synchronisierten digitalen Zwillingen überwachen und steuern. Damit können Sie ganze Produktionsanlagen von zentraler Stelle virtualisieren und orchestrieren.  

Werden wir also bald alle in der Matrix leben? 

Wir sehen die Matrixproduktion als definitiv mehr als nur Hype. Mehrere führende Hersteller haben bereits ihre ersten Matrix-Produktionsanlagen gebaut. Wird die Matrix den gesamten Fertigungssektor im Sturm erobern? Möglicherweise, aber nicht über Nacht. Sicher ist, dass für schnelllebige Produktzyklen und Hersteller mit hoher Produktvarianz ein ganz neues Maß an Agilität und Effizienz möglich geworden ist. Wer früh mit der Umsetzung anfängt, kann sich einen erheblichen Wettbewerbsvorteil verschaffen.  

Wenden Sie sich an Ascon Systems, um herauszufinden, wie der Qube die Matrixproduktion sowohl jetzt schon als auch in der KI-gesteuerten Zukunft realisierbar macht. Wir freuen uns darauf, mehr über Ihre spezifischen Herausforderungen und Ziele zu erfahren.  

Lesen Sie hier mehr über Ascon Automation - Prozessautomatisierung mit Digital Twins.

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