Kognitive Produktion

CPS-Talk: Abteilungsleiter Marcus Thiele im Gespräch

Der digitale Produktions-Zwilling als hochgenaues Modell eines realen Objektes bietet nicht nur in der Luft- und Raumfahrttechnik, sondern auch in der Produktion große Vorteile. Lesen Sie hier zu den Themen der Abteilung Digitaler Produktions-Zwilling am Fraunhofer IWU.

Hallo Marcus, schön, dass du dir Zeit genommen hast, mir bzw. den Leserinnen und Lesern unseres Blogs die Arbeit deiner Abteilung Digitaler Produktions-Zwilling vorzustellen. Was kann man sich unter einem digitalen Zwilling vorstellen und wo findet dieser Anwendung? 

Vielleicht muss ich dazu zunächst den Begriff des digitalen Zwillings etwas näher erläutern. Michael Grieves hat den Begriff des digitalen Zwillings 2002 das erste Mal im Zusammenhang mit dem Product-Life-Cycle-Management in der Produktion erwähnt. In den Folgejahren wurde der Begriff und das Verständnis stärker herauskristallisiert. So hat sich der Kern des digitalen Zwillings ergeben: Ein hochgenaues digitales Modell eines realen Objekts, das in ständiger Kommunikation mit dem realen Objekt steht. Dies beinhaltet das Erfassen des Zustands eines Produktes bzw. einer Maschine mithilfe sensorischer Daten und wird kombiniert mit einer Simulation des aktuellen Verhaltens basierend auf der aktuellen Datenbasis. Daraus lassen sich dann Anpassungen, beispielsweise des Maschinenverhaltens, ableiten und optimieren.

Eigentlich wurde das Konzept des digitalen Zwillings für die Luft- und Raumfahrt entwickelt. Dort wird mit sehr teuren und hochwertigen Komponenten gearbeitet. Dadurch gibt es hier ein großes Interesse, diese Produkte bzw. Bauteile auch während des Betriebs noch anpassen, auf aktuelle Anforderungen adaptieren und auf unvorhergesehene Ereignisse oder Schäden reagieren zu können. Ein einprägsames Beispiel ist die Begleitung des Mars Rover Curiosity. Dessen Betriebsverhalten wird durch den Einsatz digitaler Zwillinge überwacht und optimiert. Dieses Konzept wird mittlerweile sehr breit eingesetzt, wie bspw. in der Produktion in den Bereichen des Maschinenbaus oder der Anlagentechnik. Durch die Kombination von sensorischer Datenerfassung, paralleler Simulation und der Adaption des Maschinenverhaltens darauf, lässt sich das Betriebsverhalten einer Anlage auch im Betrieb noch verbessern. Außerdem können Ableitungen auf Wartungsintervalle und genauere Bestimmungen von Lebensdauer der Komponenten bei geänderten Einsatzbedingungen getroffen werden.

Welchen Vorteil siehst du in einem digitalen Zwilling hinsichtlich der Weiterentwicklung bzw. Optimierung von Maschinen (in der Produktion)? 

Aus dem Konzept des digitalen Produktions-Zwillings ergibt sich nun die Möglichkeit der genauen Charakterisierung des Prozesses. Das ist durch die sensorische Erfassung und kombinierte Simulation möglich. So erhält der Nutzer eine deutlich genauere Kenntnis des Prozesses oder der bearbeitenden Maschinen als dies früher der Fall war. Dies geschieht durch die stetige Erfassung aktuell und echtzeitnah. Auf dieser Grundlage lassen sich Prozesse kontinuierlich optimieren, flexibler gestalten oder adaptieren. Das kann zum Beispiel im Hinblick auf unterschiedliche Chargen mit variablen Materialeigenschaften oder Geometrien oder im Hinblick auf schnelle Produktwechsel oder -anpassungen geschehen oder zur Qualitätskontrolle und Dokumentation eingesetzt werden.

Die entstehenden Daten können dann wiederum dem Bauteil oder der Komponente mitgegeben werden. So ist es möglich, eine genaue Wartungshistorie für jede einzelne Instanz eines Produkts zu definieren. Außerdem stellen sie eine Basis für individualisierte Lebensdauerberechnungen einzelner Bauteile oder Komponenten dar. Dies wird wiederum zur Optimierung und Individualisierung der Produkte genutzt. In diesem Rahmen können diese günstiger, effizienter und umweltschonender in der Produktion werden. Im Beitrag „Digitaler Prozess-Zwilling für komplexe 5-Achs-Fräsapplikationen zeigt Albrecht Hänel die Vorteile digitaler Zwillinge im Bereich der Zerspanung sehr anschaulich.

Was zeichnet deine Abteilung aus und wie fasst du eure Themenschwerpunkte zusammen? 

Unsere Abteilung besteht aus zwei Arbeitsgruppen: Selbstoptimierende Fertigungsprozesse sowie Digitale Prozessketten und Datenanalyse. Die selbstoptimierenden Fertigungsprozesse befassen sich mit der Analyse, Charakterisierung und Optimierung von Fertigungsprozessen. Dabei liegt ihr Fokus auf Zerspanungstechnologien und dem Einsatz erweiterter Sensorik. Hier verbessern wir Fertigungsprozesse durch die Integration digitaler Methoden und neuer Technologien. Dies wird unterstützt durch experimentelle Analysen bei uns im Labor oder direkt bei unseren Kunden. Ein besonders spannendes Thema zur Werkzeugmaschine der Zukunft erläutert Erik Selbmann im Beitrag Biologische Transformation der Produktionstechnik.

Die zweite Gruppe beschäftigt sich mit datenbasierter Analyse von Prozessen und der datenbasierten Optimierung von Prozessen. Die Kombination von Expertenwissen zu den Produktionsprozessen, analytischen oder statistischen Analyseverfahren und numerischen Simulationen in Kombination mit künstlicher Intelligenz – konkret dem Einsatz unterschiedlichster problemangepasster maschineller Lernverfahren – sind hier wesentlicher Kern der zweiten Gruppe. Ein Alleinstellungsmerkmal unserer Gruppe ist das sehr genaue bzw. umfassende Prozessverständnis. Dieses dient uns immer als Grundlage und Voraussetzung für unsere Untersuchungen. Damit sind wir in der Lage – kombiniert aus Expertenwissen und analytischen Kompetenzen (z. B. Datenanalyse, numerischen Simulationen und maschinellem Lernen) – auch bei ungünstigen Datenbasen bzw. geringem Umfang an Daten Prozesse zu charakterisieren und dann zu optimieren. Alexander Dementyev zeigt in seinem Beitrag „Kompetenzaufbau im Bereich Künstlicher Intelligenz mit Fokus auf die Produktion“ wie auch Neulinge sich an dieses Thema herantasten können.

Zusammenfassend: wir bündeln in unserer Abteilung Hard- und Softwarekompetenz zur realistischen Erfassung und Dokumentation der Prozesse. Und damit zum leistungsfähigen Aufbau digitaler (Produktions-)Zwillinge. So kann einerseits der Produktionsprozess beschrieben und auf der anderen Seite eine genaue Charakterisierung und Optimierung des Produkts ermöglicht werden. Damit sind wir in der Lage, die Genauigkeit der produzierten Produkte – vorwiegend in der Zerspan- und Umformtechnik – zu optimieren und über die Dokumentation die Eigenschaften des Produkts detailliert zu beschreiben. So können beispielsweise Anforderungen in Luft- und Raumfahrttechnik erfüllt werden. Diesen Aspekt erläutert André Seidel in seinem sehr interessanten Beitrag: „Warum braucht man Cyber-physische Produktionssysteme für den Weltraum“.

Inwieweit hat dein beruflicher Werdegang deine Arbeit als Abteilungsleiter beeinflusst? Wie kann deine wahrgenommene Diskrepanz zwischen der Verfügbarkeit exakter Produktionsdaten mit der Arbeit deiner Abteilung überwunden werden?

Ich habe angewandte Mechanik studiert. Im Studium habe ich mich sehr intensiv mit den Bereichen der Statik und Festigkeitslehre, der Strömungsmechanik und der Schwingungsdynamik befasst. In den letzten neun Jahren, davon drei als Gruppenleiter des Thermomechaniklabors, habe ich als studierter Berechnungsingenieur am Institut für Energietechnik der TU Dresden gearbeitet. Im Bereich der Hochtemperatur Werkstoffcharakterisierung und -modellierung haben wir typische Hochtemperaturlegierungen wie Nickelbasis-Superlegierungen unter komplexen realitätsnahen Beanspruchungsbedingungen experimentell charakterisiert und modelliert. Beispielsweise haben wir das Ermüdungsverhalten von Werkstoffen in realer Heißgasatmosphäre analysiert oder untersucht, welchen Einfluss stationäre thermische Gradienten auf das Ermüdungsverhalten bei hohen Beanspruchungstemperaturen haben. Dafür haben wir die teils einzigartigen Prüfstände selbst entwickelt, aufgebaut und natürlich auch die Werkstoffuntersuchungen durchgeführt. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen konnten wir dann mit oft sehr komplexen Modellen das Werkstoff-, Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten charakterisieren. Damit konnten wir dann hochgenaue Lebensdauerberechnungen für komplexe Beanspruchungen von Hochtemperaturkomponenten durchführen.

Eine zentrale Schwierigkeit, vor der wir oft standen: wir konnten das Materialverhalten sehr genau charakterisieren und mithilfe von sehr komplexen Modellen die „Physik dahinter“  präzise darstellen. Allerdings fehlten für konkrete Komponenten manchmal die Produktionsdaten. Also die realen Werkstückeigenschaften, wie bspw. Oberflächenrauigkeiten, lokale Spannungszustände oder schlicht Werkstoffeigenschaften, die durch die verschiedenen Chargen variieren, waren nicht bekannt. Zusätzlich waren teils die Einsatzbedingungen – also die genaue Belastungshistorie – im realen Einsatz unklar. Hintergrund war hier, dass diese schlicht nicht digital erfasst wurden. Dementsprechend konnte der Vorteil der hochgenauen Modelle letztlich für diese Fälle nicht immer voll ausgespielt werden. Daraus schließt sich auch der Kreis zu unserer Abteilung.

Hier zeigt sich der immense Vorteil, den der Digitale Zwilling des Produkts und damit auch ein Digitaler Produktions-Zwilling ausspielen kann. Die genaue Kenntnis der Produktionsprozesse und Eigenschaften des Produkts lassen sich auch in anderen Unternehmensbereichen gewinnbringend einsetzen. So wird die Entwicklung von effizienteren, ökologischeren, individuelleren und damit besseren Produkten unterstützt.

Danke, Marcus, für deine Zeit und die Erläuterungen über deine und die Arbeit der Abteilung! Ich hoffe, wir konnten den Leserinnen und Lesern einen guten Einblick in die Welt der Digitalen Produktions-Zwillinge am Fraunhofer IWU geben.

Für Rückfragen und Kontaktaufnahme nutzen Sie gerne die angegebene Mailadresse oder vernetzen sich mit Herrn Marcus Thiele auf LinkedIn.

Kleiner Lesetipp zum Schluss: Falls Sie schon immer erfahren wollten, in welchem Umfang Informatik elementar in der Optimierung von Produktionsabläufen ist, empfehle ich Ihnen das kommende Interview mit Herrn Ken Wenzel. Als Abteilungsleiter der Abteilung Digitalisierung in der Produktion am Fraunhofer IWU berichtet er das und noch viel mehr in seinem Interview, welches am 26.01.2022 live geht.

Lisa Martha Kunkel

Lisa Martha Kunkel
Blog-Redaktion/Studentische Hilfskraft

Fraunhofer IWU
Pforzheimer Str. 7a
01189 Dresden

E-Mail: lisa.martha.kunkel@iwu.fraunhofer.de

Marcus Thiele

Dipl.-Ing. Marcus Thiele
Abteilungsleiter
Abteilung "Digitaler Produktions-Zwilling"

Fraunhofer IWU
Pforzheimer Str. 7a
01189 Dresden

Telefon: +49 351 4772-2630
E-Mail: marcus.thiele@iwu.fraunhofer.de

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