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Hannover Messe 2017 Mit dem virtuellen Zwilling zur Produktion 4.0

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK macht Industrie 4.0 erlebbar und zeigt seine Lösung auf der Hannover Messe 2017. „Die smarte Fabrik ist kein modisches Schlagwort mehr, denn unser Konzept des digitalen Zwillings ist bereit für die Realisierung gemeinsam mit Industriepartnern“, sagt Professor Dr.-Ing. Rainer Stark, Leiter des Bereichs Virtuelle Produktentstehung am Fraunhofer IPK.

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Ein Baustein für Industrie 4.0 ist der virtueller Zwilling eines realen Produkts oder einer realen Anlage. Fraunhofer-Forscher haben ein Konzept entwickelt, wie dieser die Produktion steuern kann.
Ein Baustein für Industrie 4.0 ist der virtueller Zwilling eines realen Produkts oder einer realen Anlage. Fraunhofer-Forscher haben ein Konzept entwickelt, wie dieser die Produktion steuern kann.
(Bild: Pixabay, CC0 )

Ein virtuelles Abbild, genannt digitaler Zwilling, bildet den gesamten Produktionsprozess ab – von diesem Plan hört und liest man in den vergangenen Monaten immer wieder. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK stellen auf der Hannover Messe 2017 ihr Konzept dafür vor, das laut Professor Dr.-Ing. Rainer Stark vom Fraunhofer IPK keine Vision mehr ist. Dabei verschmelzen reale und virtuelle Produktion zu einem intelligenten Gesamtsystem, das bidirektional gesteuert werden kann; Änderungen im virtuellen Zwilling werden also an die reale Produktion weitergeleitet.

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Die effiziente Steuerung der Fertigung gehört zu den Schlüsseltechnologien in der Industrie. Da klingt die Idee, statt einer gleich zwei Fabriken parallel aufzubauen, zunächst mal nur nach doppeltem Aufwand. Wenn aber eine der Fabriken nur in virtueller Form existiert, entsteht ein virtueller Zwilling, der nicht nur die Produktionsanlage mit allen Maschinen visualisiert, sondern auch die dynamischen Abläufe und das Verhalten der Systembestandteile während der Fertigung in Echtzeit wiedergibt.

Sensoren im Fokus

Im virtuellen Zwilling lässt sich der Fertigungsprozess detailliert beobachten. Zahlreiche Sensoren geben dabei den Betriebsstatus der einzelnen Arbeitsstationen laufend an das System weiter. Für die Steuerung der Produktion eröffnen sich somit neue Möglichkeiten. Die Produktionsplaner können den Herstellungsprozess im virtuellen Abbild analysieren und dann gegebenenfalls einzelne Schritte optimieren oder neu organisieren.

Mit Simulation Wissen schaffen

Das Konzept des digitalen Zwillings geht jedoch weit über ein bloßes Abbilden der realen Produktionsanlage hinaus. Tatsächlich funktioniert das System bidirektional. Denn auch auf der virtuellen Ebene kann man eingreifen und Änderungen vornehmen, die sich sofort simulieren lassen. Auch die Änderungen in der realen Anlage können in den digitalen Zwilling eingespielt werden. So könnte der Produktionsleiter beispielsweise weitere Maschinen für die Bearbeitung eines Werkstücks aktivieren oder einen zusätzlichen Arbeitsschritt einbauen, etwa wenn eine Sonderanfertigung verlangt wird. Die Fertigung muss dazu nicht gestoppt und neu konfiguriert werden, vielmehr reagiert das System intelligent auf jede Änderung und organisiert sich neu.

Gesamtsystem überwacht sich selbst

Durch die Verschmelzung von realer und digitaler Produktion entsteht ein Gesamtsystem, das sich im laufenden Betrieb selbst überwacht, steuert und korrigiert. Maschinen und Software kommunizieren, soweit erforderlich, unabhängig vom Menschen miteinander und halten so die Produktion in Gang. Sollte beispielsweise eine Störung vorkommen, wie etwa der Ausfall eines Aggregats, kann das System selbstständig entscheiden, wie das Problem zu beheben ist. Der verantwortliche Produktionsleiter sieht dann die Änderung in der Produktion, muss aber nicht selbst eingreifen.

Über den digitalen Zwilling, den die Anlage kontinuierlich mit Daten füttert, lässt sich darüber hinaus die Qualität der Werkstücke und des Endprodukts laufend kontrollieren. Auch die Produktion einer Kleinserie mit individualisierten Einzelstücken lässt sich mithilfe dieses Konzepts schnell realisieren, und zwar so, dass die Gesamtproduktion nur minimal beeinträchtigt wird. Selbst die Herstellung von Einzelstücken (Losgröße-1-Produktion) wird durch den Einsatz von Produktmodellen für die Generierung von Produktionsmodellen (z. B. NC-Code) denkbar.

Virtuelle Inbetriebnahme neuer Produktionsanlagen

Ein weiterer Vorteil: Der virtuelle Zwilling lässt sich auch bereits bei der Konzeption und beim Bau der Produktionsanlage einsetzen. Noch bevor das erste reale Werkstück bearbeitet wird, kann man so vorab den Produktionsablauf simulieren, Schwachstellen finden und optimieren. Auf diese Weise wird die Anlage bereits vor der Produktion virtuell in Betrieb genommen und getestet. Das beschleunigt die Planung und erleichtert die Inbetriebnahme einer neuen Produktionsanlage.

Schon bald erste Pilotprojekte erwartet

Das Fraunhofer-Projekt liefert damit laut eigener Aussage ein konkretes Beispiel, wie der Megatrend Industrie 4.0 funktionieren kann. Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark, Projektleiter am Fraunhofer IPK, sagt: „Unser Ziel ist, zentrale Technologien, Prozesse und Methoden von Industrie 4.0 nicht nur zu beschreiben, sondern wirklich erlebbar zu machen.“ Gemeinsam mit Industriepartnern wollen der Fraunhofer-Experte und sein Team schon bald erste Pilotprojekte zur Marktreife bringen.

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