Sicher, flexibel, intuitiv: Die Produktion der Zukunft

Fast jeder zweite Arbeitsplatz in Deutschland hängt an der Güterproduktion. Der Maschinen- und Anlagenbau gehört heute zu den größten Stärken der deutschen Wirtschaft – noch. Wie lässt sich diese Vorreiterrolle in der Wirtschaft und der Wohlstand hierzulande in Zeiten zunehmender globaler Konkurrenz und endlicher Ressourcen sichern? Neue Technologien werden benötigt: Mit Industrie 4.0 lässt sich die Produktion intelligenter, flexibler, individueller, effizienter und nachhaltiger gestalten.

Der deutsche Digitalverband Bitkom erwartet bereits in diesem Jahr einen Umsatzzuwachs auf mehr als 7 Mrd Euro durch Industrie 4.0-Lösungen. Die stärkste Nachfragesteigerung für Industrie 4.0 ist Bitkom zufolge im Maschinen- und Anlagenbau zu verzeichnen. In diesem Segment betrugen die Umsätze mit Industrie-4.0-Lösungen bereits 2016 1,2 Mrd Euro, für 2017 wird ein Zuwachs um 23 Prozent geschätzt.

Im Leitprojekt E3-Produktion arbeiteten 13 Fraunhofer-Institute an einer energie- und ressourceneffizienten Produktion.
© Fraunhofer IWU / Photothek.de

Im Leitprojekt E3-Produktion arbeiteten 13 Fraunhofer-Institute an einer energie- und ressourceneffizienten Produktion.

Mobile Assistenzroboter wie ANNIE könnten künftig in Industrie und Gewerbe eingesetzt werden.
© Fraunhofer IFF

Mobile Assistenzroboter wie ANNIE könnten künftig in Industrie und Gewerbe eingesetzt werden.

Das Fraunhofer-Leitprojekt »E³-Produktion« mit dem Ziel einer energie- und ressourceneffizienten Produktion startete im November 2013. 2017 präsentierten die dreizehn beteiligten Fraunhofer-Institute und ihre Netzwerkpartner die Ergebnisse ihrer Zusammenarbeit anhand von vier Demonstratoren: Diese integrieren komplexe Einzellösungen aus Produktentwicklung, Prozessoptimierung, Produktionsplanung und -steuerung der energieoptimierten Fabrik sowie der ergonomisch gestalteten Produktion zu anwendungsnahen Gesamtlösungen. 

Den konkreten Mehrwert von Digitalisierung in der Produktion stellen die beiden Projekte »Presswerk 4.0« und »Maschine 4.0« des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in den Fokus. Deren Ziel ist eine verbesserte Qualität und größere Effizienz in der Produktion sowie die längere Lebensdauer von Maschinen. Das »Presswerk 4.0« zeigt die Vorteile einer vernetzten Produktion anhand von Szenarien auf: Zum Beispiel analysieren Bildverarbeitungsalgorithmen Bauteile auf Fehler, durch eine Rückkopplung in Echtzeit an die Anlagensteuerung können fehlerbedingte Stillstandzeiten um bis zu 50 Prozent reduziert werden. Zudem wurden Möglichkeiten für eine flexible Anpassung der Produktion an Markt und Kunden entwickelt sowie eine Datendrehscheibe, mit deren Unterstützung systematisch neues Produktionswissen generiert wird.

Die »Maschine 4.0« – eine Umformpresse und deren digitaler Zwilling – zeigt die Vorteile der Digitalisierung auf der Hannover Messe: Die lückenlose Überwachung von Prozess, Maschine und Werkzeug eröffnet die Möglichkeit, die Verfügbarkeit von Maschinen deutlich zu steigern, ihre Lebensdauer zu erhöhen, und auch die Einarbeitungszeiten von Werkzeugen signifikant zu verkürzen.

Die Forschungsplattform für mobile Manipulation ANNIE des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF beschleunigt den Planungsprozess von Anwendungen der Mensch-Roboter-Kollaboration für komplexe Produktions-Szenarien. Mit kognitiven Fähigkeiten werden Roboter nicht länger festgelegte Arbeitsschritte in vorprogrammierten Bewegungskoordinaten abarbeiten, wie in der heutigen Industrierobotik üblich. Vielmehr werden ihnen komplexe Aufgaben übertragen, etwa Hol- und Bringdienste oder Füge- und Inspektionsvorgänge. Diese Aufgaben planen und erledigen sie dann selbstständig, meist mit Unterstützung von Sensoren. Neben dem Einsatz aktuellster Hard- und Software demonstriert die Plattform ANNIE Entwicklungen aus der Perzeption, Navigation, Sicherheit, Softwarearchitektur und Interaktion. 
 

E³-Produktion

Maschine 4.0

Presswerk 4.0

ANNIE

Ein optimales Management des Energieverbrauchs ist besonders für die (bio-)chemische Industrie wichtig.
© Norbert Michalke

Ein optimales Management des Energieverbrauchs ist besonders für die (bio-)chemische Industrie wichtig.

Maschinen und Anlagen als Kern von Industrie 4.0

Prozesse in der chemischen oder biochemischen Industrie sind oft sehr energieintensiv. Zu den Energiefressern gehören besonders Heiz- und Kühlelemente sowie Elektromotoren für Gebläse, Pumpen oder Rührwerke. Im Rahmen von »FlexChem« werden gemeinsam mit mehreren Anwendungspartnern der chemischen Industrie Methoden entwickelt, um Stromlastgänge von Produktionsbetrieben und ihren elektrischen Anlagenkomponenten zu prognostizieren und starke Stromlastschwankungen zu vermeiden. Die dafür nötigen Software-Algorithmen entwickelte das Fraunhofer IFF, das Wissen zu chemischen Verfahrenstechniken steuerte das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse bei. Dr. Daniela Pufky-Heinrich sagt: »Wenn die Software Lastspitzen analysiert und voraussagt, lassen sich Verbraucher wie Heizungen oder Rührwerke effizienter einsetzen.« Das senkt Kosten und trägt dazu bei, die Netzstabilität beim Ausbau der Erneuerbaren Energien zu gewährleisten.

Mit FoxySPEC haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ein Massenspektrometer entwickelt, das die simultane Messung von bis zu 30 Komponenten sowohl in Gasen als auch in Flüssigkeiten ermöglicht. Die mit dem Massenspektrometer verbundene Datenauswertung durch eine intelligente Steuersoftware ermöglicht es dem System, jederzeit in Echtzeit zu reagieren: Zum Beispiel die Konzentration einer Substanz zu erhöhen oder die Temperatur zu senken. Herstellungsprozesse müssen dann nicht mehr unterbrochen werden, Rohstoffe und Ressourcen werden effizient verarbeitet. So wird eine automatisierte und flexible Steuerung von komplexen biochemischen Herstellungsverfahren realisierbar. Einsetzbar ist die Technik in allen Branchen, die mit chemischen Verfahren arbeiten, etwa in der Pharmazie oder in der Lebensmittelherstellung, aber auch beim Umweltmonitoring. »FoxySPEC macht empfindliche chemische Herstellungsverfahren fit für den Einsatz in Industrie-4.0-Umgebungen«, sagt Dr. Matthias Stier, Wissenschaftler und Ingenieur am IGB. Für seine Entwicklung erhielt das Team um Stier den Gründerpreis 2015 der Initiative Science4Life e.V. 
 

FlexChem

FoxySPEC

In der ARENA2036 werden Karosserien zu ihrer Fertigungsstation gefahren.
© Marcus Frenken

In der ARENA2036 werden Karosserien zu ihrer Fertigungsstation gefahren.

Treiber Automobilbranche 

Die Rolle des Automobilbaus als Treiber und Vorreiter für zukunftsweisende Produktionsstätten bestätigt die Bitkom-Studie einmal mehr. Autobauer und Zulieferer verzeichnen mit einer Mrd Euro die zweithöchsten Industrie-4.0-Ausgaben.

Jüngst hat die Universität Stuttgart mit dem BMBF-Forschungscampus ARENA2036 einen internationalen Forschungscampus ins Leben gerufen, unter dessen Dach ein Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft Zukunftsthemen der Produktion und des Leichtbaus erforscht und erprobt. Auf einer Fläche von 10 000 Quadratmetern auf dem Universitätscampus Campus im Stadtteil Vaihingen wird modellhaft eine wandlungsfähige, hochflexible Produktion aufgebaut, die Massenfertigung mit der Herstellung individualisierter Produkte verbindet. Dafür hat die Uni Stuttgart gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie eine Reihe von Industriepartnern, unter anderem Daimler, Siemens, Bosch oder KUKA, an Bord geholt. 

Thomas Dietz, Projektleiter der ARENA2036, betont den Aspekt der Vielfalt und Varianz. Die Fabrikation der Zukunft wird nicht länger homogen und linear stattfinden. Ein Beispiel für zukünftige Automobil-Varianz ist der Antrieb: »Ein Modell wird in Zukunft unterschiedliche Varianten haben: Wasserstoff-, Elektro-, Benzin- oder Erdgasantrieb.« Bei den Materialien kommen neue Kunststoffverbindungen, Naturfasern und Carbon hinzu. Vor allem: Der Wunsch nach Individualisierung der Produktion steigt. »Wir sehen seit Längerem immer mehr Nischenmodelle und individuelle Varianten.« In der Fabrik der Zukunft nimmt jedes Produkt seinen eigenen Weg und fährt nur jene Produktionsstationen an, die zu seiner individuellen Konfiguration passen, prognostiziert Thomas Dietz. 

 

ARENA2036

Für eine effiziente Produktion werden Daten mit Simulation verknüpft.
© Uwe Bellhäuser

Für eine effiziente Produktion werden Daten mit Simulation verknüpft.

Wie industrielle Produktion sicher wird, zeigt das Cybersicherheitslabor in Lemgo.
© Fraunhofer IOSB

Wie industrielle Produktion sicher wird, zeigt das Cybersicherheitslabor in Lemgo.

Intelligente Elektronik

Auf Platz drei der umsatzstärksten Branchen bei Industrie 4.0 liegt die Elektronik-Branche. Die nach Bitkom geschätzten Umsätze von 817 Mio Euro im Jahr 2017 würden ein Plus von 22 Prozent gegenüber 2016 bedeuten.

Der größte standortübergreifende FuE-Zusammenschluss für die Mikro-/ Nanoelektronik in Europa, die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland, wird hierzu relevante Beiträge liefern. Jörg Amelung, Leiter der FMD, hebt vier Technologien hervor, die zukünftig wichtige Bereiche der Mikroelektronikherstellung bestimmen werden: Nanotechnologie für die Produktion extrem kompakter Bauteile, welche beim Bau von kompakten Sensoren für das Internet der Dinge zum Einsatz kommen. Die Integration vieler kleiner Bauelemente in extrem kompakten Mikrosystemen. Hochfrequenztechnologien für optische Highspeed-Übertragung in Rechnernetzwerken oder zur Vernetzung von Maschinen. Und viertens, Powertechnologien für Hochstromanwendungen. Bei E-Autos etwa benötigt der elektrische Antrieb hocheffiziente Schalter, die im Sekundenbruchteil alle verfügbare Leistung weitestgehend verlustfrei zur Verfügung stellen können. 

All diese Technologien werden an der FMD erforscht, erprobt und weiterentwickelt. »Eine sehr vielversprechende Entwicklung ist die flexible Vernetzung und Zusammenschaltung unterschiedlicher Produktionsanlagen und Fertigungsinseln. Sogar geographisch getrennte Produktionsstandorte werden sich in Zukunft bei der Fertigung eines Produkts kombinieren lassen,« sagt Jörg Amelung.

Um Wirklichkeit zu werden, benötigt die digitale Industrie schnelles Internet in Echtzeit. 5G-Testfelder betreibt Fraunhofer mittlerweile in Aachen, Stuttgart und Berlin. An hochdynamischen Infrastrukturen und Serviceplattformen arbeitet etwa das Leistungszentrum »Digitale Vernetzung« (Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI). Anhand von Anwendungsfeldern wie kritische Infrastrukturen, Telemedizin, Mobilität und Zukunftsstadt sowie für Industrie und Produktion entstehen hier praxisnahe Lösungen für die digitale Transformation. 

Im EU-Projekt TERRANOVA arbeiten das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das HHI bereits an einem Nachfolge-Standard für 5G: Terahertz-Funklösungen sollen in Glasfasernetze mit hohen Datenraten eingebettet und neue Frequenzbänder erschlossen werden. Ziel: eine belastbare Kommunikations-Infrastruktur, die bereit ist für die Anforderungen der Zukunft. 

 

Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland

Digitale Vernetzung

TERRANOVA