Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie eröffnet das Leistungszentrum für "adaptive, vernetzte Produktion". Dort werden Möglichkeiten der Industrie 4.0 für Fertigungsaufgaben erprobt. Ein besonderes Highlight ist der "Digitale Zwilling", der Daten der Produktionshistorie abspeichert, um Prozesse "zurückzublättern", wenn Schäden auftreten. (Foto: Fraunhofer IPT)

Digitaler Zwilling: Leistungszentrum für vernetzte Produktion

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Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie eröffnet das Leistungszentrum für “adaptive, vernetzte Produktion”. Dort werden Möglichkeiten der Industrie 4.0 für Fertigungsaufgaben erprobt. Ein besonderes Highlight ist der “Digitale Zwilling”, der Daten der Produktionshistorie abspeichert, um Prozesse “zurückzublättern”, wenn Schäden auftreten. (Foto: Fraunhofer IPT)

Um die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Digitalisierung und Vernetzung von Produktionseinrichtungen zu verdeutlichen, haben die Experten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME sechs verschiedene Anlagen für Pilotanwendungen aufgebaut. Dazu zählen 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.

Digitaler Zwilling speichert alle Produktions- und Sensordaten

Die enormen Datenmengen, die dabei entstehen, sollen künftig über das 5G-Netz in eine gesicherte Cloud einfließen, das sogenannte “Virtual Fort Knox”. “Erst die drahtlose Datenübertragung mit 5G schafft die Voraussetzungen, Steuerbefehle in Echtzeit an Maschinen zu senden und durch schnelle Anpassung der Maschinen solche Schwingungen zu verhindern, noch bevor sie auftreten”, erklärt Thomas Bergs, Geschäftsführer des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie in Aachen.

Das Leistungszentrum “Vernetzte, adaptive Produktion” will die Möglichkeiten der Industrie 4.0 für besonders anspruchsvolle Fertigungsaufgaben zukünftig voll ausschöpfen. Dabei ist es eine Besonderheit des neuen Leistungszentrums, dass alle Produktions- und Sensordaten individuell für jedes Produkt in einem “Digitalen Zwilling” gespeichert werden – , 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 Entwicklungshistorie 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.”

Auf der Hannover Messe Preview am 6. Februar (Messegelände, Halle 19) und 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. 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.

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 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.

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