Warum braucht man Cyber-physische Produktionssysteme für den Weltraum?

Wie bildeten sich die großräumigen Strukturen im Universum, wie sind Schwarze Löcher gewachsen und wie prägten sie das Universum? @ESAs Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics (@AthenaXobs) soll das heiße und energetische Universum erforschen und Antworten auf diese Fragestellungen liefern. Erreicht werden soll dies durch ein neuartiges Teleskop (Abb. 1-Links). Dieses kombiniert ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie mit tiefen, großflächigen und energieaufgelösten Röntgenaufnahmen. Ein essentielles Bauteil für dieses Teleskop wird mit Hilfe eines Cyber-physischen Produktionssystems gefertigt.

Eine optische Bank bildet die Grundlage

Damit die hochenergetische Strahlung eingefangen werden kann, wurde eine neue Spiegeltechnologie aus eng gestapelten Siliziumwafern entwickelt @cosineBV . Diese speziellen Silizium-Poren-Optiken (Abb. 1-Rechts) werden in einer präzise zu fertigenden optischen Bank (Abb. 1-Mitte) verbaut. Diese gehört zu den drei Hauptbauteilen des Teleskops und ist das Kernbauteil unseres gemeinsamen Projektes mit AirbusSpace. Die präzise und digitalisierte Fertigung ist Forschungsgegenstand der Hauptabteilung Cyber-physische Produktionssysteme des Fraunhofer IWU.

Abbildung 1: (Links) Illustration Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA); (Mitte) Metallische optische Bank; (Rechts) Silizium-Poren-Optik.

Wie Fraunhofer und seine Partner zusammenarbeiten

Neben zentralen Forschungsfragen zur Fräsprozessentwicklung und dem Eigenspannungszustand des Ausgangswerkstoffes steht die Digitalisierung im Vordergrund. Dabei ist es das Ziel, während der Bearbeitung aus den präzise dokumentierten Ergebnissen zu lernen und das Gelernte unmittelbar und iterativ in die Bearbeitung einfließen zu lassen. Konkret werden Prozessdaten während der Fertigung durch die Concad GmbH aus der @StarragGroup-Maschine über eine @Siemens– EDGE-Schnittstelle extrahiert und mittels Peer-to-Peer-Verschlüsselung in ein gesichertes Fraunhofer-Netzwerk transferiert (Abb. 2). Anschließend wird eine eine Cloud-Datenbank genutzt, um diese zu archivieren. Parallel dazu wird sie im Application Layer des Fraunhofer IWU in einem Prozessdatenmodell fusioniert und visualisiert (Abb. 2).

Die bauteilparallele Prozessdaten-Modellierung generiert eine digitale Ressource, die den involvierten Experten als Informationsbasis für die Adaption der Vorgehensweise zur Bearbeitung dient und somit den iterativen Ansatz zur Prozessadaption ermöglicht. Um diese Herausforderung zu meistern, müssen die Arbeitsergebnisse im Fraunhofer IWU Application Layer realitätsgetreu, übersichtlich und leicht interpretierbar dargestellt werden. Nur so kann das gesamte Potential des konsortialen Know-hows in die Adaption der Vorgehensweise einfließen.

Abbildung 2: Exploration des konsortialen Know-hows mittels Cyber-physischer Produktionssysteme als First-Time-Right-Ansatz

Ready for data take-off

Im März 2021 konnten wir trotz angespannter Corona-Lage das EDGE Computing bei der CONCAD GmbH, einem High-Tech-KMU aus Walldürn im Odenwald, gemeinsam mit den Kollegen @StarragGroup und @Siemens  in Betrieb nehmen (Abb. 3). Nun ist das neue Bearbeitungszentrum Droop+Rein FOGS HD (Heavy Duty) in der eigens errichteten, voll klimatisierten Halle, über eine geschützte Internetverbindung mit den Experten der Cyber-physischen Produktionssysteme des Fraunhofer IWU in Dresden verbunden. In der nun folgenden Testkampagne werden repräsentative Demonstratoren gefertigt und bauteilparallel in das resultierende Prozessdatenmodell überführt. Dabei wird der First-Time-Right–Ansatz in Vorbereitung auf die gesamte optische Bank einem intensiven Benchmarking unterzogen. First-Time-Right ist dabei das Synonym für eine auf Anhieb fehlerfreie Produktion, was die komplexe Einzelteilfertigung wettbewerbsfähig macht.

Abbildung 3: Inbetriebnahme des EDGE Computings und Onboarding des Cloud Data Hubs

Titelbild: © Athena community office
Abb. 2: © Fraunhofer IWU