Aktuell verfolgt das einheitliche Betriebsverfahren in der industriellen Fertigung fest programmierte, einzelne Arbeitsschritte. Wenn Maschinen oder Geräte plötzlich ausfallen, liegt die Produktion still. Das ist ärgerlich und teuer. Fraunhofer-Forscher bieten nun mit dem Digital Twin einen besseren Weg.

Aachen/Hannover. Heute bearbeiten Maschinen Bauteile in vernetzten Prozessen, wobei der Arbeitsablauf vorab festgelegt ist. Sprich: Es wird starr nacheinander gedreht, gefräst und vermessen. Doch was passiert, wenn eine Maschine ausfällt oder der Kunde seinen Auftrag ändert? Die Produktion muss umgestellt werden. Das kostet Zeit und Geld.

Besser wäre es, wenn sich der Arbeitsablauf flexibel entwickeln ließe. Arbeitsschritte kämen von keinem zentralen Steuerprogramm, sondern von den Bauteilen selbst. Jedes entschiede für sich, wie es am besten durch die Prozesskette liefe. Luftschloss? Ganz im Gegenteil: Entwickler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen arbeiten an so einem System.

"Serviceorientierte Architektur für die adaptive und vernetzte Produktion" heißt es. Ähnlich einem Navigationssystem im Auto, das mit aktuellen Daten die schnellste Route in Echtzeit berechnet, wird zunächst zu jedem Bauteil die Information gespeichert, die vorgibt, welche Produktionsschritte es durchlaufen soll. Dabei ist bewusst offengelassen, welche Maschine zum Einsatz kommt. Erst wenn ein Bearbeitungsschritt ansteht, wählt das System aus den geeigneten Maschinen diejenige aus, die schnellstmöglich verfügbar ist. Damit ein Bauteil individuell erkannt wird, trägt es einen QR-Code.

Bei jedem Produktionsschritt merkt sich die Software, wie ein Bauteil bearbeitet wurde, beispielweise "Loch ist gebohrt mit Maschinenparameter A und Werkzeug X". Aus dieser Historie entsteht ein sogenannter Digital Twin (digitaler Zwilling). Man kann jederzeit sehen, was an einem Bauteil bereits bearbeitet wurde und welche Schritte noch bevorstehen. Der Digital Twin ist besonders wirksam für Hersteller, die Chargen unterschiedlicher Bauteile fertigen. Denn beim Wechsel auf einen neuen Arbeitslauf müssen keine Systeme umgestellt werden.

Unikate dank flexibler Produktion, Unabhängigkeit durch Plug-and-produce

Das "Smart Manufacturing Network" (intelligentes Fertigungsnetzwerk) verwaltet den Digital Twin. Im Nachhinein analysiert es seine Prozessdaten und verwendet sie weiter, um die Prozessrobustheit und Produktqualität zu erhöhen. "Durch die Vernetzung von Bauteilen und Maschinen können Unternehmen in Zukunft hintereinander Unikate fertigen, also sogar Chargen mit Losgröße 1", sagt Michael Kulik, der als Projektleiter am Fraunhofer die neue Software mitentwickelt.

Einzigartig dabei ist das Menü, worüber der Nutzer die Reihenfolge des Produktionsprozesses konfiguriert. Aus einer Liste aller Dienste zieht er einzelne Arbeitsschritte per Drag and Drop in die gewünschte Prozesskette und reiht diese wie Bausteine aneinander. Fällt eine Maschine aus, wird das Bauteil einfach und flexibel zu einer anderen verfügbaren Maschine umgeleitet.

"Viele Maschinen können in einer Fertigungslinie mehrere Aufgaben erfüllen", erklärt Kulik. "Eine technisch ausgefeilte 5-Achs-Fräsmaschine kann zum Beispiel auch den Job einer einfacheren 3-Achs-Fräsmaschine erledigen. Innerhalb des Smart Manufacturing Network kann die serviceorientierte Software in Zukunft flexibel entscheiden, den Job auf der 5-Achs-Maschine zu erledigen, die gerade frei ist."

Auch wichtig für die flexible Produktion: Maschinen verschiedener Hersteller müssen sich leicht in das Smart Manufacturing Network integrieren lassen. Daran arbeitet das IPT im Fraunhofer-Leistungszentrum "Vernetzte, adaptive Produktion" gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. "Eine Art Plug and Play, wie man es von Alltagstechnik kennt, gibt es in der Industrie noch nicht", sagt Dr. Thomas Bobek, Koordinator des Fraunhofer Leistungszentrums. "Unser Ziel ist es deshalb, ein Plug and Produce möglich zu machen."

Wie der Digital Twin, die serviceorientierte Software und die Anbindung an das Smart Manufacturing Network zusammenwirken, zeigen die Fraunhofer-Forscher auf der HANNOVER MESSE 2017 im Rahmen der Leitmesse "Research & Technology" in der Halle 2 auf dem Stand C22.

Fraunhofer-Gesellschaft
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