Virtual Manufacturing: Simulation der Fertigung

Virtual Manufacturing bildet Fertigungsmittel und Produktionsabläufe in einem digitalen Modell ab. Damit lassen sich geplante Änderungen untersuchen, bevor sie in der Halle umgesetzt werden. Je nach Fragestellung werden etwa Bearbeitung, Materialfluss oder das Zusammenspiel von Systemen modelliert.

Abzugrenzen ist der digitale Zwilling. Für ihn gibt es laut NIST-Bericht IR 8356 von 2025 keine einheitliche Definition; der Bericht zitiert die Beschreibung des Digital Twin Consortium als virtuelle Abbildung realer Objekte und Prozesse, die mit festgelegter Häufigkeit und Genauigkeit synchronisiert wird. Der Bericht behandelt vor allem Sicherheits- und Vertrauensfragen solcher Zwillinge. Ein Modell für Virtual Manufacturing kann dagegen auch Anlagen enthalten, die es noch gar nicht gibt.

Der Leitfaden des NIST MEP zu Industrie-4.0-Technologien beschreibt Simulation als virtuelle Abbildung, mit der sich Verbesserungen prüfen lassen, ohne die laufende Produktion zu stören, etwa beim Test von Layoutvarianten. Ein älteres NIST-Forschungspapier von 2007 beschreibt eine virtuelle Fertigungsumgebung, in der Schnittstellenstandards zwischen Softwaresystemen simuliert getestet werden, weil reale Anlagen für solche Labore zu teuer sind. Getestet wurden dort etwa Geschäftsnachrichten nach dem Standard OAGIS. Die Tabelle unten führt diesen Fall als eigene Entscheidung.

Die Frage bestimmt das Modell

Ein Modell für den Materialfluss muss nicht jedes physikalische Detail eines Fräsprozesses enthalten. Umgekehrt kann eine genaue Bearbeitungssimulation eine blockierte nachfolgende Station übersehen, wenn der Produktionsablauf darin gar nicht abgebildet ist.

Ein Kapazitätscheck vor der Simulation

Die Richtlinie VDI 3633 Blatt 1 von 2014 beschreibt Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Simulationsstudien. In ihrem Beispielkapitel steht eine analytische Grobabschätzung vor der Planung der Simulationsexperimente. So eine Abschätzung kann eine Investitionsidee schon vor dem ersten Modelllauf entscheiden.

Angenommen, eine Fertigungskette hat drei Stationen. Station A benötigt 40 Sekunden je Bauteil, B benötigt 50 und C benötigt 45 Sekunden. Ohne Störungen, Ausschuss und Wechsel ergeben sich 90, 72 und 80 Bauteile je Stunde. Station B begrenzt den Durchsatz auf höchstens 72 Bauteile je Stunde. Die Zeiten sind ausgedacht.

Wird nur A auf 30 Sekunden beschleunigt, steigt ihre ideale Leistung auf 120 Bauteile je Stunde. Der Engpass B bleibt bei 72. Die Investition in A allein verändert den rechnerischen Grenzwert der Kette also nicht.

Die Überschlagsrechnung ist deterministisch. Sie behandelt keine Anlaufphase und keine Blockierung durch begrenzte Puffer, und ein anderer Variantenmix kann die Engpasslage verschieben. Für eine Investitionsentscheidung gehören diese Bedingungen ins Modell.

Modell prüfen, bevor Varianten verglichen werden

VDI 3633 Blatt 1 behandelt Verifikation und Validierung in einem eigenen Abschnitt, getrennt von Experimenten und Analyse. Bei der Verifikation wird kontrolliert, ob das Modell technisch so arbeitet wie beabsichtigt. Stimmen Einheiten, Schichtkalender und Prozessfolge? Bleibt die Anzahl der Bauteile nachvollziehbar, wenn ein Puffer voll ist? Ein verlorenes Objekt im Modell darf nicht als Ausschuss der realen Fertigung erscheinen.

Zur Validierung wird ein bekannter Betriebsfall nachgebildet. Vergleichen Sie Mengen und Wartezeiten unter denselben Randbedingungen. Eine Abweichung kann aus falschen Eingangsdaten oder einer unpassenden Modellstruktur entstehen. Wer einzelne Werte nachträglich verstellt, nur damit die Summe passt, verdeckt den Fehler.

Bei zufälligen Störungen reicht ein einzelner Lauf für einen Variantenvergleich nicht aus. VDI 3633 Blatt 1 sieht dafür einen eigenen Schritt zur Planung der Simulationsexperimente vor. Halten Sie fest, wie Wiederholungen, Anlaufphase und Auswertung behandelt werden. Die Unsicherheit gehört in die Ergebnisdarstellung; eine Dezimalstelle mehr macht eine unsichere Annahme nicht genauer.

Ist-Daten für das Modell einordnen

Produktionsdaten können Zykluszeiten und Unterbrechungen beschreiben. Dafür muss klar sein, was die Zeitreihe tatsächlich misst. Ein Schichtdurchschnitt enthält Warte- und Rüstzeiten möglicherweise bereits; werden diese im Modell zusätzlich angesetzt, sind Verluste doppelt gerechnet.

Für jeden Eingangswert sollten Herkunft, Zeitraum und Filter sichtbar bleiben, denn ein Datensatz aus einer störungsarmen Woche passt nicht zwangsläufig zum geplanten Jahresmix. Die Prozessplanung liefert die geplante Folge, die Ist-Daten liefern beobachtete Zeiten, und das Modell beantwortet mit beidem eine ausdrücklich begrenzte Frage.

Quellen

• VDI 3633 Blatt 1:2014-12, Simulation von Logistik-, Materialfluss- und Produktionssystemen, Grundlagen
• NIST MEP: Manufacturers’ Guide to Industry 4.0 Technologies
• NIST IR 8356: Security and Trust Considerations for Digital Twin Technology, 2025
• NIST: McLean u. a., A Virtual Manufacturing Environment for Interoperability Testing, 2007

Über den Autor:

Uwe Kobbert

Gründer und CEO der symestic GmbH. Seit über 30 Jahren in der Fertigungsindustrie. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik/Elektronik.
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Wie Zykluszeiten und Rüstvorgänge erfasst werden, zeigt die kostenlose Live-Demo am eigenen Anwendungsfall.