Fraunhofer-Gesellschaft
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Cyber-Physische Äquivalenz

Werkzeuge zur Steuerung von Fertigungsprozessen der Industrie 4.0

© Fraunhofer IGD

Cyber-Physische Äquivalenz – Intelligente Produktionssteuerung

Die digitalisierte Produktion bestimmt in der Industrie 4.0 das Bild einer Fabrikhalle der Zukunft. Der Wunsch, höhere Produktvielfalt und individualisierte Produkte rentabel herzustellen, rückt in erreichbare Nähe. Für die Unternehmer gilt es, auf Marktanforderungen schnell zu reagieren, wenn sie im internationalen Wettbewerb mithalten wollen. Die Technologie, die sich hinter dem Begriff  »Cyber-Physische Äquivalenz« verbirgt, kann dabei eine Schlüsselrolle spielen. Das Funktionsprinzip: Alle Arbeitsschritte im gesamten Produktionsablauf werden zunächst als digitales Modell erstellt und dann in die Realität übertragen. Alles, was in der Fabrik passiert, wird ebenso digital erfasst und wieder in die virtuelle Welt zurückgespiegelt. Das ermöglicht flexible Produktionsprozesse, Einzelstücke und Kleinserien im industriellen Maßstab.

Smarte Produktion – Wegbereiter der Industrie 4.0

Früher mussten Produkte noch aufwändig aus Einzelteilen handwerklich modelliert werden, während es heute üblich ist, ein digitales Modell zu entwerfen, bevor es real gefertigt wird. Visualisierungstechnologien verbinden die reale mit der digitalen Welt und unterstützen eine intelligente Produktionssteuerung. Über mobile Geräte wie Tablet-PCs oder Smartphones werden die Daten verständlich und überall zugreifbar visualisiert und für jedes Unternehmen und dessen Mitarbeiter handhabbar gemacht. So wird eine Vernetzung zwischen Mensch und Maschine hergestellt. Der Ausdruck »Cyber-physische Äquivalenz« soll das Wechselspiel zwischen der realen und der virtuellen Welt in Produktionsprozessen zum Ausdruck bringen. Visual Computing ermöglicht es, komplexe Arbeitsumgebungen und -prozesse vorauszuplanen. Abweichungen in der realen Fertigung werden in Echtzeit in die digital geplante Produktion gespiegelt, dort bewertet und durch geeignete Anpassungen verarbeitet.

Die Technologien des Visual Computing spielen dabei eine zentrale Rolle. »Wir wollen die Menschen in komplexen Produktionsumgebungen wirkungsvoll unterstützen. Dazu müssen wir die Abläufe sicher erfassen und visuell aufbereitete Informationen dort bereitstellen, wo sie benötigt werden – sei es an der Fräsmaschine oder im Baudock einer Werft«, so Prof. Uwe Freiherr von Lukas vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD am Standort Rostock.

Beispiel Miniatur-Produktion 

Am Beispiel einer Miniatur-Produktionsstraße wird der Nutzen der Cyber-Physischen Äquivalenz veranschaulicht: In einer Produktionsstraße bewegt ein Sortier-Roboter Behälter. Die Arbeitsabläufe werden von einer Spezial-Kamera mit zehn Aufnahmen pro Sekunde erfasst und in Echtzeit in das virtuelle Gegenmodell übertragen. In der realen Produktion soll ein Gabelstapler hinzukommen. Bevor dieser zum Einsatz kommt, wird eine optimale Fahrtroute ermittelt, die das Gefährt ohne Kollisionen mit dem Roboter durch die Produktionsstraße führt. Das geschieht mit Hilfe eines virtuellen Gabelstaplers, der die Fahrt durch die digitale Fabrikhalle simuliert. Bei der Cyber-Physischen Äquivalenz findet ein ständiger Austausch zwischen realer und digitaler Umgebung statt. In Echtzeit erkennt das virtuelle System das neue Hindernis und passt die Fahrtroute entsprechend an.

Bislang nutzen Betriebe lediglich den umgekehrten Weg: Sie planen und optimieren die Produktionsstraßen im Computer und übertragen sie ins Reale. Der Weg zurück wird nicht oder nur selten beschritten. Ändert sich etwas im Produktionsablauf, überträgt man das nur in Einzelfällen in das virtuelle Abbild. Bei der Cyber-Physischen Äquivalenz findet ein ständiger Abgleich statt zwischen real existierender Produktionsstraße und digitalem Gegenstück, virtuelle und reale Welt verschmelzen.  Dadurch ist eine lückenlose digitale Dokumentation der Fertigungsprozesse in Echtzeit möglich.

Das Konzept der Cyber-Physischen Äquivalenz ist eine Live-Abbildung eines Produktionssystems, das zu jeder Zeit aktuelle Informationen über Zustände von Produkten, Fertigungsressourcen oder Kundenaufträgen liefert. Es unterstützt Produktionsplaner, Prozesse zu optimieren und bei Entscheidungen, die schnell getroffen werden müssen.  Eine Ad-hoc-Produktionsplanung ermöglicht es, Prozesse auch sehr kurzfristig  zu ändern und die Produktion zum Beispiel flexibel an individuelle Kundenwünsche anzupassen oder bei Lieferengpässen Produktionsausfälle zu vermeiden.


Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen 2015

Am »Visual Computing Research and Innovation Center«, einer gemeinsamen Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD mit der Universität Rostock werden die Kompetenzen in der Grundlagenforschung mit der angewandten Forschung gebündelt und schaffen dadurch innovative Lösungen für eine intelligente Produktionssteuerung. Die Fähigkeit, Kleinserien und individuelle Produkte rentabel zu fertigen, rüstet die deutsche Industrie für die Produktion der Zukunft. Dafür wurde das Projekt »Cyber-Physische Äquivalenz – Intelligente Produktionssteuerung« als Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen 2015 der Initiative »Deutschland – Land der Ideen« ausgezeichnet. Die Preisverleihung fand am 4. November 2015 in Rostock statt.

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