Wie sich die Produktion durch Digitalisierung optimieren lässt

Die Abteilung Digitalisierung in der Produktion des Fraunhofer IWU

Vom Wandel im besonderen Maße ist der Maschinen- und Anlagenbau derzeit betroffen. Mitunter ausgelöst durch die 2011 lancierte Hightech-offensive Industrie 4.0 der Bundesregierung werden Schlagworte wie Big Data, Verwaltungsschale, Smart Service oder Künstliche Intelligenz (KI) in den Mittelpunkt gestellt. Unsere Abteilung unterstützt die Umsetzung innovativer Softwarelösungen in den Bereichen der Produktionstechnik und des Maschinenbaues. Im Fokus stehen dabei die Erfassung, Speicherung und Verknüpfung aller in der Fertigung relevanter Daten von einzelnen Sensoren, über Maschinen bis hin zu Fabriken und Wertschöpfungsnetzwerken.

Wir arbeiten an digitalen Assistenz- und Automatisierungslösungen für eine nachhaltige Produktion und unterstützen die Industrie bei der Nutzung neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse. Im Rahmen der Umsetzung von Digitalisierungslösungen untersuchen wir Bestandssysteme und helfen den Grad der Automatisierung zu erhöhen sowie individuelle Assistenzlösungen für unsere Kunden zu entwickeln. Konkret liegen die Schwerpunkte der Abteilung in der Entwicklung von Softwarewerkzeugen, dem Daten- und Informationsmanagement, der Implementierung von Datenarchitekturen und maschinellen Lernalgorithmen sowie der Mensch-Technik-Interaktion. Mit unseren Lösungen wird Digitalisierung somit greifbarer und verhilft ihnen zu mehr Transparenz und Effizienz im Produktionsprozess. 

Besonderes Augenmerk legen wir dabei auf die Forschung im Bereich Industrie 4.0. Für die Realisierung dieser Schlüsseltechnologien bedarf es grundsätzlich gewisser Standards und Schnittstellen. Wir unterstützen hier mit Software zur Daten- und Wissensintegration. In unseren Projekten schaffen wir Industrie 4.0-Kompatibilität und setzen die Integration von Planungs- und Betriebsdaten sowie Expertenwissen im Unternehmen gewinnbringend ein. Basistechnologien, wie die Verwaltungsschale (engl. AAS für Asset Administration Shell) oder OPC UA, stellen einen herstellerneutralen Aufbau der Lösungen sicher. Einen weiteren Handlungsstrang bilden Wissensgraphen, beispielsweise RDF-Graphen, wie Ontologien, oder kausale Graphen. Im Folgenden stellen wir konkrete Projekte vor, um unsere Kompetenzen zu verdeutlichen.

Auswahl konkreter Projekte in der Abteilung

Im BMBF-geförderten Projekt KausalAssist haben mehrere Partner das Ziel, mittels gerichteter Graphen, kausale Zusammenhänge zur Ableitung von Störungsbehebungsmaßnahmen in der Produktionstechnik zu finden. Lesen in diesem Blogbeitrag wie diese Zusammenhänge geknüpft werden und wie intelligentes Fehlermanagement mittels erklärbarer KI möglich wird.

Im Projekt Catena-X widmen wir uns der formalen Beschreibung von Kapazitäten und Fähigkeiten von Produktionsanlagen und tragen so zur optimierten Planung und Ausführung von Produktionsaufträgen bei. Gemeinsam mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft verfolgen wir das Ziel, eine flexible Einzelfertigung mit den Vorteilen und dem Aufwand einer vergleichbaren Serienfertigung zu realisieren. Voraussetzung dafür ist eine weitgehend automatisierte Produktionsplanung. Zu diesem Zweck widmen wir uns der ontologiebasierten Beschreibung von Maschinenfähigkeiten und dem automatisierten Abgleich dieser Informationen mit produktspezifischen Produktionsprozessen. In unserem Blogartikel Catena-X: Innovation durch Kollaboration beschreiben wir das Projekt und seine Herausforderungen näher.

Daneben arbeiten wir an Digitalisierungs- und Trendthemen, wie Smart Services im Maschinenbau. Die heutigen Möglichkeiten des Datenaustausches sowie die Integration von Sensoren und Kommunikationssystemen erleichtern die Überwachung von Werkzeugmaschinen im Bearbeitungsprozess. Hier lassen sich neue, datengetriebene Geschäftsmodelle implementieren, die den Service und Zusatznutzen für eine Werkzeugmaschine steigern. In unserer Wahrnehmung sind sich viele Unternehmen jedoch unsicher, wie die Transformation des etablierten Modells hin zu einem digitalen Geschäftsmodell gelingen kann. Während bislang meist der Verkauf von Erzeugnissen, Maschinen und Dienstleistungen im Fokus stand, kann künftig ein breiteres, zusätzliches Angebot durch nutzungsabhängige Pay-per-use-Modelle oder datengetriebene Services aufgebaut werden. Die hohe Komplexität seitens der Anlagen, Prozesse und Produkte sowie die Angst vor dem Know-how-Verlust durch eine Weitergabe von Produktionsdaten hemmen die Einführung dieser neuen Geschäftsmodelle momentan.

Digitaler Notar wandelt Produktions- und Maschinendaten in neutrale Indizes um

Im Rahmen des Projekts ZuPro2Flex werden am Fraunhofer IWU zusammen mit Partnern aus Forschung als auch Industrie diese Hemmnisse aus technologischer, wirtschaftlicher sowie juristischer Perspektive adressiert. Anschließend werden Lösungen für die Wahrung der Geschäftssicherheit bei der Bestimmung und Übermittlung von abrechnungsrelevanten Daten, für die Einführung und Planung von digitalen Geschäftsmodellen für bestehende Produktarchitekturen sowie für eine Realisierung entsprechender Überwachungs- und Assistenzsysteme entwickelt. In unserem Blogbeitrag Aus Daten wird Business – Neue Geschäftsmodelle für komplexe Produktionssysteme beschreiben wir, wie die Entwicklung eines digitalen Notars (Abbildung 1) als neutrale Instanz in Hard- und Software die Produktions- und Maschinendaten in neutrale Indizes umwandelt. Diese Indizes werden dann, ohne Know-how preiszugeben, für die Abrechnung weitergeleitet. Somit können auch komplexe Angebote sicher und nachvollziehbar abgerechnet und die Geschäftssicherheit gewahrt werden.  

Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Methode zur agilen Entwicklung und Integration geeigneter (AR)-Assistenzsysteme konzipiert und umgesetzt. Diese visualisiert die Informationen und Kennwerte, welche mittels der entwickelten Überwachungslösungen zur Identifikation der Maschinennutzung in den Geschäftsmodellen erfasst werden.

Mittelstand-Digital Zentrum Chemnitz als Informationsgeber für Digitalisierung in KMUs

Das Mittelstand-Digital Zentrum Chemnitz ist ein weiteres Hauptprojekt unserer Abteilung und wird seit September 2021 durch die umfangreiche Kompetenz des Fraunhofer IWU in den Standorten Chemnitz und Dresden unterstützt. Das Projekt dient im Verbund mit dem Konsortialführer TU Chemnitz sowie anderen Partnern als Anlaufpunkt für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Region Sachsen zum Themenfeld Digitalisierung und Industrie 4.0.

Im ersten Schritt soll dabei das Verständnis der KMU zu den aktuellen Technologien und Herausforderungen, durch Online-Beiträge, Thementage und Unternehmerforen geweckt werden. Anschließend steht die Qualifizierung im Fokus, hierbei werden in Workshops Interessierte zum Themenfeld abgeholt. Im letzten Schritt stehen Impuls- und Digitalisierungsprojekte in welcher Herangehensweise und konkrete Projektergebnisse mit den Firmen eruiert werden. Die Ergebnisse der Projekte, aber auch Selbstchecks und weiteres Informationsmaterial sind auf der Website einsehbar. Ferner gibt es im Zentrum derzeit 20 mobile Demonstratoren. Die Modelle veranschaulichen Lösungen und machen Digitalisierung greifbar – im Betrieb vor Ort, bei Veranstaltungen oder in einer unserer Testumgebungen. Dabei decken die „Vorführbeispiele“ zahlreiche Themen ab, von Arbeit 4.0 und Echtzeitdaten, über Instandhaltung und Live-Hacking bis hin zu Mensch-Roboter-Kollaboration, Virtual Reality und maschinellem Lernen.  

Für konkrete Rück- oder Anfragen steht Ihnen unser Abteilungsleiter Herr Ken Wenzel sehr gerne über seine Mailadresse zur Verfügung: ken.wenzel@iwu.fraunhofer.de.

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