For­sche­rin­nen und For­scher aus drei Aache­ner Fraun­ho­fer-Insti­tu­ten arbei­ten im Fraun­ho­fer-Leis­tungs­zen­trum “Ver­netz­te, adap­ti­ve Pro­duk­ti­on” an der voll­stän­di­gen Ver­net­zung von Maschi­nen und Sen­so­ren, um alle erfass­ten Pro­duk­ti­ons­da­ten mit intel­li­gen­ten Algo­rith­men in Echt­zeit aus­wer­ten und Pro­zes­se fle­xi­bel anpas­sen zu kön­nen. Auf der Han­no­ver Mes­se vom 23. bis 27. April 2018 zei­gen sie, wel­che Dia­gno­se- und Pro­gno­se­mög­lich­kei­ten sich damit für die Fer­ti­gung anspruchs­vol­ler Pro­duk­te für unter­schied­li­che Bran­chen erge­ben.

Eine indi­vi­du­el­le Bear­bei­tung von Bau­tei­len oder eine Opti­mie­rung der Fer­ti­gung wäh­rend des Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses ist heu­te oft­mals gar nicht oder nur sehr ein­ge­schränkt mach­bar. Genau das aber wol­len For­schen­de aus drei Aache­ner Fraun­ho­fer-Insti­tu­ten ermög­li­chen. Dafür ent­wi­ckeln sie eine kom­plett ver­netz­te Pro­duk­ti­ons­um­ge­bung, die sich für ganz unter­schied­li­che Bran­chen eig­net – für die Bio­me­di­zin genau­so wie den Maschi­nen­bau. Im Leis­tungs­zen­trum “Ver­netz­te, adap­ti­ve Pro­duk­ti­on” wol­len sie die Mög­lich­kei­ten der Indus­trie 4.0 für beson­ders anspruchs­vol­le Fer­ti­gungs­auf­ga­ben voll aus­schöp­fen. Auf der Han­no­ver Mes­se stel­len sie ver­schie­de­ne Anwen­dungs­bei­spie­le vor.

Mit unse­rem Ansatz brin­gen wir die Digi­ta­li­sie­rung und Ver­net­zung in die rea­le Fer­ti­gungs­um­ge­bung”, sagt Tho­mas Bergs, Geschäfts­füh­rer des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Pro­duk­ti­ons­tech­no­lo­gie IPT in Aachen. “Wir stat­ten die Anla­gen mit zahl­rei­chen Sen­so­ren aus, die per­ma­nent Mess­da­ten aus den Maschi­nen an eine zen­tra­le Daten­bank sen­den – und zwar kabel­los, über den kom­men­den Mobil­funk­stan­dard 5G.” Die gesam­mel­ten Daten wer­den in einer spe­zi­ell ent­wi­ckel­ten Cloud, dem »”Vir­tu­al Fort Knox”, gespei­chert und dort mit eigens dafür kon­zi­pier­ten Algo­rith­men und Tech­no­lo­gie-Apps ver­ar­bei­tet und ana­ly­siert. So las­sen sich neue, über­ra­schen­de Kor­re­la­tio­nen erken­nen – zum Bei­spiel Schwin­gungs­mus­ter, die dar­auf hin­deu­ten, dass das Werk­zeug einer Fräs­ma­schi­ne ver­schlis­sen ist. Wer­den die Infor­ma­tio­nen an die Maschi­nen­steue­rung zurück­ge­spielt, schließt sich der Kreis: zum Bei­spiel mit einer War­nung, dass das Werk­zeug aus­ge­tauscht wer­den muss.

Sechs Anlagen für Pilotanwendungen

Um die viel­fäl­ti­gen Ein­satz­mög­lich­kei­ten der Digi­ta­li­sie­rung und Ver­net­zung von Pro­duk­ti­ons­ein­rich­tun­gen zu ver­deut­li­chen, haben die Exper­ten vom Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­no­lo­gie IPT gemein­sam mit Kol­le­gin­nen und Kol­le­gen vom Fraun­ho­fer-Insti­tut für Laser­tech­nik ILT und vom Fraun­ho­fer-Insti­tut für Mole­ku­lar­bio­lo­gie und Ange­wand­te Oeko­lo­gie IME sechs ver­schie­de­ne Anla­gen für Pilot­an­wen­dun­gen auf­ge­baut – dar­un­ter Pro­zess­ket­ten für die Fer­ti­gung von Tur­bi­nen­schau­feln, zur Gewin­nung von Medi­ka­men­ten aus Pflan­zen und für die Pro­duk­ti­on von Bat­te­rie­mo­du­len für Elek­tro­au­tos. Bei der Her­stel­lung der Tur­bi­nen­bau­tei­le für Flug­zeug­an­trie­be kommt es beson­ders auf Prä­zi­si­on und Sicher­heit an. Die Schau­feln wer­den heu­te viel­fach mit Werk­zeug­ma­schi­nen aus einem mas­si­ven Titan­block gefräst. Dabei kön­nen Schwin­gun­gen ent­ste­hen, die bei der Bear­bei­tung zu Unge­nau­ig­kei­ten füh­ren. In der Pilot­an­la­ge wur­den des­halb Sen­so­ren instal­liert, die Schwin­gun­gen von Hun­derts­tel Mil­li­me­tern und weni­gen Mil­li­se­kun­den prä­zi­se auf­neh­men. Die enor­men Daten­men­gen, die dabei ent­ste­hen, sol­len künf­tig über das 5G-Netz in die gesi­cher­te Cloud ein­flie­ßen, das bereits erwähn­te Vir­tu­al Fort Knox. “Erst die draht­lo­se Daten­über­tra­gung mit 5G schafft die Vor­aus­set­zun­gen, Steu­er­be­feh­le in Echt­zeit an die Maschi­ne zu sen­den, und durch schnel­le Anpas­sung der Maschi­ne sol­che Schwin­gun­gen zu ver­hin­dern, noch bevor sie auf­tre­ten”, erklärt Bergs.

Digitaler Zwilling speichert alle Produktions- und Sensordaten

Eine Beson­der­heit des neu­en Leis­tungs­zen­trums ist, dass alle Pro­duk­ti­ons- und Sen­sor­da­ten indi­vi­du­ell für jedes Pro­dukt gespei­chert wer­den – in einem Digi­ta­len Zwil­ling, der die voll­stän­di­ge Pro­duk­ti­ons­his­to­rie ent­hält. Tre­ten spä­ter Schä­den auf, kann man im Pro­zess zurück­blät­tern und den Daten ent­neh­men, wo der Feh­ler ent­stan­den ist, um den Pro­zess zu opti­mie­ren. Eben­so wie bei der Fräs­be­ar­bei­tung kommt auch bei der Gewin­nung von Wirk­stof­fen aus Pflan­zen der Daten­ana­ly­se und der Rück­ver­fol­gung der Pro­dukt­his­to­rie eine beson­de­re Bedeu­tung zu. Am Fraun­ho­fer IME wer­den Pflan­zen unter kon­trol­lier­ten Bedin­gun­gen gesät, auf­ge­zo­gen, dann bio­che­misch ver­än­dert, sodass sie Medi­ka­men­te pro­du­zie­ren, und anschlie­ßend geern­tet. Im letz­ten Schritt wer­den die Wirk­stof­fe extra­hiert und iso­liert.

Umfangreiche Big-Data-Analysen

Da ver­schie­de­ne Pflan­zen unter­schied­lich wach­sen und ver­schie­de­ne Men­gen an Wirk­stoff lie­fern, ist es hier inter­es­sant, die His­to­rie der Pflan­zen nach­zu­voll­zie­hen, um die Wachs­tums­be­din­gun­gen und die Wirk­stoff­pro­duk­ti­on genau ana­ly­sie­ren zu kön­nen. “So kön­nen wir am Ende erken­nen, unter wel­chen Bedin­gun­gen die Pflan­zen beson­ders pro­duk­tiv sind und damit den Pro­zess lau­fend anpas­sen”, sagt Johan­nes Buyel vom Fraun­ho­fer IME. “Wir füh­ren hier umfang­rei­che Big-Data-Ana­ly­sen durch, um die rich­ti­gen Para­me­ter zu fin­den und zu über­wa­chen, die die Wirk­stoff­pro­duk­ti­on beein­flus­sen.”

Die Stär­ke des Aache­ner Leis­tungs­zen­trums besteht dar­in, dass sich die Tech­no­lo­gi­en der Digi­ta­li­sie­rung und Ver­net­zung für ver­schie­de­ne Anwen­dungs­ge­bie­te eig­nen. Am Fraun­ho­fer ILT etwa wur­de das Kon­zept auf die Fer­ti­gung von Bat­te­rie­mo­du­len zuge­schnit­ten. Sol­che Modu­le bestehen aus Hun­der­ten oder gar Tau­sen­den ein­zel­ner Zel­len, die per Laser mit­ein­an­der ver­schweißt und kon­tak­tiert wer­den müs­sen. Ein auf­wän­di­ger Pro­zess, bei dem hohe Zuver­läs­sig­keit gefor­dert ist, denn bricht im Betrieb auch nur eine ein­zi­ge Schweiß­stel­le, kann das gan­ze Modul ver­sa­gen. Die Aache­ner Exper­tin­nen und Exper­ten über­wa­chen das Schwei­ßen des­halb mit Sen­so­ren. “Wir kön­nen damit die Qua­li­tät des Laser­schwei­ßens in Echt­zeit kon­trol­lie­ren oder in der Pro­dukt­his­to­rie ver­fol­gen”, sagt der ILT-Inge­nieur Alex­an­der Olo­win­sky. Doch nicht nur das: Dank der kom­plet­ten Ver­net­zung der Anla­ge und eines durch­ge­hen­den Daten­flus­ses, lässt sich die Bat­te­rie­fer­ti­gung künf­tig sehr viel fle­xi­bler gestal­ten. Olo­win­sky: “Heu­te geben die Her­stel­ler meist den Bau­raum und den Zell­typ vor. Wir kön­nen hin­ge­gen für jede Anwen­dung den idea­len Bat­te­rie­typ mit den idea­len Leis­tungs­da­ten und der rich­ti­gen Grö­ße wäh­len, um ihn opti­mal in ein Fahr­zeug ein­zu­pas­sen.”

Auf der Han­no­ver Mes­se (23. bis 27. April; Hal­le 2, Stand C22) stel­len die For­sche­rin­nen und For­scher die ver­schie­de­nen Kon­zep­te für die ver­netz­te, adap­ti­ve Pro­duk­ti­on vor: Zu sehen sein wird unter ande­rem eine Fräs­ma­schi­ne, anhand derer Aspek­te der Digi­ta­li­sie­rung und Ver­net­zung sowie Sen­so­rik mit 5G-Daten­über­tra­gung demons­triert wer­den.

Indus­trie­ver­tre­ter, die eige­ne Tech­no­lo­gi­en im Leis­tungs­zen­trum ver­net­zen oder in Rich­tung der Indus­trie 4.0 wei­ter ent­wi­ckeln möch­ten, sind herz­lich ein­ge­la­den. “Wir wol­len das Leis­tungs­zen­trum für Indus­trie­part­ner aus ver­schie­de­nen Bran­chen öff­nen”, sagt Tho­mas Bergs. “Das Beson­de­re ist ja, dass es im Hin­blick auf die Anwen­dun­gen für die ver­netz­te, adap­ti­ve Pro­duk­ti­on kei­ne Gren­zen gibt.”

Titel­bild: Ziel im Leis­tungs­zen­trum “Ver­netz­te, adap­ti­ve Pro­duk­ti­on” ist die kom­plett digi­ta­li­sier­te und ver­netz­te Pro­duk­ti­ons­um­ge­bung. (Quel­le: Fraun­ho­fer IPT)