Industrie 4.0 Digitale Transformation in Wertschöpfung umsetzen

Autor / Redakteur: Martin Lamß und Jan Müller / Mag. Victoria Sonnenberg

Die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) haben sich Industrie 4.0 in der Produktion auf die Fahnen geschrieben und präsentierten zur Hannover Messe Systemlösungen für die Digitalisierung in der Produktionstechnik.

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Die vom Fraunhofer-IWU entwickelte intelligente Werkzeugspindel für das ultraschallunterstützte Bohren.
Die vom Fraunhofer-IWU entwickelte intelligente Werkzeugspindel für das ultraschallunterstützte Bohren.
(Bild: Fraunhofer-IWU)

Die fortschreitende Digitalisierung ist nicht mehr nur Forschungsgegenstand“, sagt Prof. Matthias Putz, Institutsleiter des Fraunhofer-IWU. „Heute stehen die Unternehmen vor der Herausforderung, das Potenzial der digitalen Transformation in tatsächliche Wertschöpfung umzusetzen und mit innovativen Produkten ihre Wettbewerbsposition zu stärken oder weiter auszubauen.“ Um dies zu realisieren, steht nicht nur die intelligente Vernetzung von Daten im Fokus der Forscher, sondern auch die Optimierung technologischer Komponenten und deren modulare Einbindung in Produktionssysteme, Prozessketten und ganze Fabriken – vom mittelständischen bis zum Großunternehmen. Auf der Hannover Messe zeigten die Forscher, wie sie gemeinsam mit der Industrie modulare Lösungen für die ressourceneffiziente Fabrik entwickeln. Als Produktionstechniker nutzen sie dazu die konsequente Digitalisierung und die durchgängige Kette von Daten über Informationen und Wissen hin zu Wertschöpfung.

Gedanke der modularen Anbindung

Welche Potenziale die Digitalisierung bietet, zeigten die Wissenschaftler am Hauptstand der Fraunhofer-Gesellschaft mit einem Messemodell, das exemplarisch produktionstechnologische Lösungen des Fraunhofer-IWU in ein Systemkonzept einbindet und auf der Messe im Miniaturformat darstellte. „Den Gedanken der modularen Anbindung an bestehende Produktionssysteme verfolgen wir mit Xeidana“, erläutert Putz eines der zentralen Exponate, das ebenfalls direkt am Fraunhofer-Hauptstand erlebbar war. „Dabei handelt es sich um eine Software zur Qualitätssicherung, die sich in verschiedenste bestehende Fabrikumgebungen integrieren lässt – beispielsweise in ein Presswerk, das Karosseriebauteile herstellt.“ Dort prüfen Mitarbeiter am Auslaufband oft per Sichtkontrolle, ob die Qualität eines Bauteils stimmt. Für den Werker ist das anstrengend und die Prüfung ist oft nicht zu 100 % genau. Mit Xeidana kann sie wesentlich effizienter und präziser erfolgen.

Das Plattformkonzept der Software wurde von den Informatikern und Prüftechnikexperten des Fraunhofer-IWU entwickelt, kann eine Vielzahl von Prüf- und Messaufgaben in einem System zusammenführen und automatisiert auswerten. Grundlage dafür ist, dass verschiedenste Sensoren mit hoher Auflösung zum Beispiel Längen, Durchmesser oder Volumina kontrollieren. Auch kann geprüft werden, ob Baugruppen vollständig sind, Oberflächenfehler oder sogar innere Defekte auftreten. Bei diesen Vorgängen entstehen große Datenmengen. Xeidana wurde speziell für diese Anforderungen entwickelt. Die Software erfasst und analysiert beispielsweise Infrarotaufnahmen und optische Livevideos gemeinsam mit Informationen von Ultraschallsystemen. Die Daten können sowohl live in Echtzeit ausgewertet als auch für spätere Analysen und Postprocessing archiviert werden.

Ein weiteres Merkmal von Xeidana ist das ausbaufähige Programmgerüst, das sogenannte Framework. Damit ist der Anwender in der Lage, der Software eigenständig leistungsfähige Erweiterungen hinzuzufügen. So wird der Zugriff auf eine Vielzahl an Hardwarekomponenten möglich, deren Messergebnisse dem Qualitätsprüfer unter anderem auch mobil auf einem Tablet oder mittels einer Datenbrille zur Verfügung gestellt werden können. Fehler lassen sich zudem schneller und insbesondere zu 100 % erkennen.

Hat Xeidana beziehungsweise der Mitarbeiter am Pressenauslaufband nichts an den gefertigten Karosseriebauteilen auszusetzen, lassen sie sich anschließend zu Baugruppen zusammenfügen. Herkömmlicherweise erledigen das Roboter in Karosseriebauzellen, die aus Sicherheitsgründen komplett umzäunt sind und den Menschen aussperren. Die Wissenschaftler des Fraunhofer-IWU wollen, dass diese Zäune entfallen, damit Mensch und Schwerlastroboter im Team noch effizienter und vor allem flexibler arbeiten.

Sicherheitskonzept für MRK

Schwerlastroboter zeichnen sich dadurch aus, dass sie mühelos in der Lage sind, 200 kg schwere Bauteile zu heben, schnell herumzuschwenken oder sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2 m/s zu bewegen. Um jede Gefahr für die Mitarbeiter auszuschließen, erledigen die stählernen Kollegen ihre Aufgaben bisher immer abgetrennt in eigenen Bereichen. Wesentlich effizienter wäre die Zusammenarbeit Mensch-Roboter ohne räumliche Trennung und Schutzzaun. Doch wie gewährleistet man die Sicherheit? Genau dafür stellt das Fraunhofer-IWU eine Lösung vor. Die Fraunhofer-Experten haben ein differenziertes Sicherheitskonzept entwickelt. Dabei wurden zunächst unterschiedliche Ebenen der Zusammenarbeit definiert. Je intensiver Mensch und Maschine zusammenarbeiten, desto höher die Stufe und desto strenger die Sicherheitsregeln. Wenn der Roboter dem Menschen beispielsweise ein Bauteil überreicht, bewegt er sich so langsam und vorsichtig, wie dies für diese Stufe notwendig ist. Wenn Mensch und Roboter verschiedene Aufgaben ausführen und Abstand voneinander halten, darf Kollege Roboter sich mit voller Geschwindigkeit bewegen. Insgesamt haben die Fraunhofer-Forscher vier Stufen der Zusammenarbeit definiert.

Ergänzt werden diese durch eine Einteilung des gemeinsamen Arbeitsbereichs in räumliche Zonen. Sie geben an, wie nahe Mensch und Roboter sich kommen. In der niedrigsten Stufe gibt es nur zwei Zonen, eine grüne und eine rote. Hält der Mitarbeiter sich entfernt vom Roboter, wird hierfür eine grüne Zone angezeigt, der Roboter kann in vollem Tempo loslegen. Nähert sich der Mensch, dann wird die rote Zone aktiviert, der Roboter stoppt sofort. Wenn Mensch und Roboter sich treffen, etwa um Bauteile oder Werkzeuge zu tauschen, kommt zur grünen und roten noch eine gelbe Zone hinzu. Diese markiert den Kooperationsbereich. Jetzt bewegt sich der Schwerlastroboter vorsichtig und mit niedriger Geschwindigkeit.

Damit der Roboter richtig reagieren kann, muss er jederzeit die Position und die Laufwege des Mitarbeiters kennen. Diese kann er mithilfe mehrerer Kameras sehen. Zwei Kameras sind oberhalb des Arbeitsbereichs angebracht. Sie haben den gesamten Arbeitsraum im Blick und zeigen den aktuellen Standort des Menschen. Eine weitere Kamera sitzt auf dem Kopf des Roboters und erfasst den Nahbereich. So kann er Gesicht oder Hand des Mitarbeiters oder ein Bauteil in dessen Hand erkennen. Die Kameras werden mit einer Reihe von Sensoren ergänzt. Sie registrieren Parameter wie Position, Beschleunigung und Kraft des Roboters sowie die Position und Bewegung des Menschen, um Kollisionen zu vermeiden. Die vom Fraunhofer-IWU entwickelten intelligenten Algorithmen helfen bei der Auswertung all dieser Daten. Sie sorgen dafür, dass das Verhalten des Roboters und alle Sicherheitsregeln abhängig von der jeweiligen Aufgabe und Situation laufend angepasst werden. „Unser System ist im Labor bereits voll funktionsfähig und getestet. Ziel ist es, noch in diesem Jahr eine Anwendung von der Berufsgenossenschaft prüfen zu lassen und so den Einsatz in der Industrie zu ermöglichen“, sagt Putz.

Schwingsystem für Werkzeuge

Ein weiteres Highlight intelligenter Produktionstechnik zeigten die Chemnitzer Forscher am Stand des Fraunhofer-Verbundes Adaptronik mit einem Schwingsystem für Bohr- und Fräswerkzeuge. Es versetzt die Werkzeuge mithilfe von Ultraschall so in Schwingung, dass die Bearbeitung von faserverstärkten Keramiken und Kunststoffen wesentlich erleichtert wird. Diese zukunftsweisenden Leichtbaumaterialien kommen heute noch nicht uneingeschränkt zum Einsatz, weil ihre Bearbeitung schwierig und damit teuer ist. Das Ultraschall-Schwingsystem der Fraunhofer-Forscher könnte das ändern: Mit seiner Hilfe lässt sich der Werkzeugverschleiß um bis zu 50 % reduzieren, und es sorgt dafür dass bis zu 40 % weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden müssen. Beides spart bares Geld. Zudem lassen sich bestehende Werkzeugmaschinen ohne großen Aufwand mit dem System nachrüsten, da es als Modul in beliebige Bearbeitungszentren integriert werden kann.

Adaptronische Komponenten wie das Ultraschall-Schwingsystem sind ein wichtiger Bestandteil smarter Produktionsumgebungen. Wie sie künftig aussehen sollen, erforscht das Fraunhofer-IWU gemeinsam mit der TU Chemnitz und dem Fraunhofer-Institut für elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz im Leistungszentrum Smart Production, das der Öffentlichkeit am Fraunhofer-Hauptstand vorgestellt wurde. Akteure aus der Produktions-, Werkstoff- und Leichtbauforschung sowie der Elektrotechnik entwickeln hier interdisziplinär neue Technologien zur Digitalisierung der Produktion: Die am Hauptstand präsentierte Datenintegrationsplattform „Linked Factory“ schafft zum Beispiel ein virtuelles Fabrikabbild auf Basis multipler Sensordaten von Produktionssystem, -prozess und Bauteil. Ein spezieller Datenlieferant ist ein vom Fraunhofer-IWU entwickeltes modulares Kraftmesssystem für Umformpressen. Mit ihm lässt sich die Kraftverteilung über das Werkzeug exakt bestimmen, wodurch sich das Prozessfenster des Umformvorgangs letztlich wesentlich erweitern lässt.

„Smart zu produzieren, heißt, Daten nicht nur zu sammeln“, sagt Prof. Matthias Putz. „Es bedeutet vielmehr, sie intelligent zu verknüpfen und kontextbezogen zu selektieren, um neues Wissen zu generieren und dieses anwendungsspezifisch zur Verfügung zu stellen. So schaffen wir digitalen Mehrwert, und das sehen wir als unsere Mission als Fraunhofer-Forscher. So verstehen wir das Digitale Systemhaus IWU aus Sicht der Produktion.“ MM

* Martin Lamß und Jan Müller sind verantwortlich für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am Fraunhofer-IWU, Tel. (03 71) 53 97 14 54, Martin.lamss@iwu.fraunhofer.de, jan.mueller@iwu.fraunhofer.de

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