MES-System: Fluch und Segen

Ausgangslage:
Das Unternehmen befasst sich mit der Entwicklung und Produktion hochpräziser Kleinsatelliten, die im anspruchsvollen Umfeld der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. In dieser Branche gelten besonders strenge Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen, da selbst kleinste Abweichungen gravierende Folgen haben können. Aus diesem Grund müssen sämtliche Montageschritte lückenlos dokumentiert werden. Dies umfasst beispielsweise die fotografische Erfassung einzelner Schraubverbindungen oder die präzise Aufzeichnung der Anzugsdrehmomente mit vollständiger Rückverfolgbarkeit. Um diese hohen Standards zuverlässig zu erfüllen und gleichzeitig die Prozesssicherheit, Effizienz und Nachverfolgbarkeit in der Fertigung zu steigern, wurde vom Unternehmen die Einführung eines Manufacturing Execution Systems (MES) beschlossen. Das gewählte System bildet die Grundlage für die Digitalisierung und Strukturierung der Fertigungsprozesse. Dennoch zeigt sich in der bisherigen Nutzung ein entscheidender Engpass: Die Bedienung erfolgt aktuell ausschließlich über die grafische Benutzeroberfläche. Dies erfordert manuelle Eingriffe und führt zu Verzögerungen im Produktionsablauf. Eine durchgängige Automatisierung der Prozesse bleibt so bislang unerreicht. Die vorhandene MES-API eröffnet theoretisch die Möglichkeit, externe Systeme und Geräte zu integrieren und damit eine intelligentere, automatisierte Datenkommunikation aufzubauen. Allerdings muss die tatsächliche Umsetzbarkeit dieser Integrationen gründlich analysiert werden. Ein zentraler Schwerpunkt des Projekts liegt daher auf der Evaluierung der API-Funktionen sowie auf der Entwicklung einer Schnittstelle auf Basis der API mit der externe Geräte – Drehmomentschrauber als Pilotprojekt – nahtlos angebunden werden können. Hierfür ist nicht nur die technische Schnittstellenanalyse notwendig, sondern auch die Auswahl eines geeigneten Schraubersystems, das die geforderten Funktionen wie Netzwerkfähigkeit und API-Support bietet.

Projektziele:
Im Rahmen des Projekts wurde untersucht, inwieweit das bestehende Manufacturing Execution System (MES) für zukünftige Anforderungen einer digitalisierten Fertigung gerüstet ist. Ziel war es, prototypisch die Machbarkeit einer direkten Integration externer Geräte über die MES-API zu prüfen und mögliche Automatisierungspotenziale zu identifizieren. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Anbindung intelligenter Drehmomentschrauber, um Soll- und Ist-Drehmomentdaten bidirektional mit dem MES auszutauschen. Damit sollte überprüft werden, ob sich manuelle Eingaben reduzieren, Fehlerquellen minimieren und die Prozesssicherheit erhöhen lassen. Um dieses Ziel zu unterstützen, wurden zusätzlich verschiedene Schraubersysteme im Hinblick auf technische, funktionale und wirtschaftliche Kriterien bewertet. Parallel dazu erfolgte eine detaillierte Analyse der verfügbaren API-Funktionen, um den aktuellen Leistungsumfang zu verstehen und bestehende Lücken für eine vollständige Geräteintegration zu identifizieren. Dies ermöglicht eine deutliche Steigerung der Fertigungsqualität und -sicherheit, die Reduzierung manueller Dokumentationsaufwände und eine Beschleunigung des gesamten Montageprozesses. Gleichzeitig entsteht eine zentrale, digitale Datenbasis, die nicht nur die Rückverfolgbarkeit verbessert, sondern auch die Grundlage für zukünftige Automatisierungsschritte bildet – etwa den Einsatz von Robotern in der Montage oder KI-gestützte Qualitätssicherung.

Vorgehensweise und Umsetzung:
Im Rahmen des Projekts wurde das Manufacturing Execution System (MES) umfassend analysiert, um seine Möglichkeiten und Grenzen für die Fertigung hochpräziser Kleinsatelliten zu verstehen. Dabei wurden sowohl die Standardfunktionen zur Erfassung von Prozessplänen und Qualitätsdaten untersucht als auch die verfügbaren Schnittstellen für die Integration externer Geräte bewertet. Ziel war es, ein Konzept zu entwickeln, das die hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt in Bezug auf Dokumentation, Rückverfolgbarkeit und Prozesssicherheit erfüllt. Ein zentraler Bestandteil war die prototypische Integration externer Geräte, insbesondere automatisierter Drehmomentschrauber, in das MES. Hierfür wurde die API genutzt, um Soll- und Ist-Daten bidirektional zwischen Schraubern und System auszutauschen. Zur Demonstration der Machbarkeit wurde ein Python-Programm entwickelt, das die Übertragung der Sollwerte aus den Prozessplänen an die Schrauber ermöglicht, die Ist-Werte während des Montageprozesses erfasst und automatisch zurück ins MES schreibt. Dadurch kann ein Schrauber direkt über eine geeignete Schnittstelle Daten in die jeweiligen Aufträge einpflegen. Gleichzeitig erfolgte die Auswahl geeigneter Drehmomentschrauber: technische, funktionale und wirtschaftliche Kriterien wie Netzwerkanbindung, API-Kompatibilität, Messgenauigkeit, Handhabung und Zuverlässigkeit wurden bewertet. Verschiedene Modelle wurden verglichen, um das optimale Gerät für die Integration in die Fertigung zu bestimmen, wobei besonderes Augenmerk auf die lückenlose Erfassung und Rückführung der Daten ins MES gelegt wurde. Abschließend wurden Konzepte für die Weiterentwicklung erarbeitet. Dazu zählen die vollständige Automatisierung der Drehmomentsteuerung aus dem MES, die schrittweise Integration weiterer Fertigungsstationen sowie die Nutzung der digitalen Datenbasis als Fundament für künftige Automatisierung und Qualitätssicherung. Dies umfasst unter anderem Robotermontage, KI-gestützte Prüfungen und die Erweiterung der Geräteintegration.

Ergebnis:
Im Rahmen des Projekts wurde die Grundlage für eine automatisierte Kommunikation zwischen dem MES und Drehmomentschraubern geschaffen. Prozesspläne konnten exportiert und Soll-Drehmomente ausgelesen werden, wodurch eine konsistente Datengrundlage für jeden Montageschritt entstand. Zusätzlich wurde die Erfassung von Arbeitsschritten sowie das Melden von Messwerten, beispielsweise Drehmomenten, implementiert. Dies ermöglichte eine lückenlose Rückverfolgbarkeit aller Montageprozesse und reduzierte manuelle Dokumentationsaufwände erheblich. Die Integration erfolgte über die API, wobei Endpunkte genutzt wurden, um neue Daten hinzuzufügen oder bestehende Daten zu aktualisieren. Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen. Zu wenige GET-Methoden erschweren das Auslesen von Prozessplänen oder aktuellen Bearbeitungsständen über die API. Der Schrauber kann derzeit nur Daten aus der Shopfloor-Ebene abrufen, jedoch müssten Informationen direkt aus dem Fertigungsauftrag verfügbar sein. Andernfalls ist händisches Eingreifen erforderlich, da der hinterlegte Prozessplan nicht automatisch abgerufen werden kann. Diese Einschränkungen führen zu manueller Nacharbeit und begrenzen die vollständige Automatisierung der Fertigungsprozesse. Alle Erkenntnisse wurden zusammengetragen und wird als Diskussionsgrundlage verwendet, um mit dem MES-Anbieter in Diskurs zu gehen. Der nächste Schritt ist die Evaluierung, in wie weit das MES-System mit den Visionen von Reflex im Einklang steht und für die Zukunft nutzbar ist. Zwar existieren grundlegende Funktionen, für eine Vollautomatisierung der digitalen Prozesse ist das zum jetzigen Zeitpunkt aber zu wenig, was das MES-System bietet.