Auf dem Weg zur Industrie 4.0 gilt es, neue Methoden, Konzepte und Technologien zu erproben und miteinander zu kombinieren. Genau diesem Zweckt dient die Demozelle ‘Smarte Fabrik 4.0‘ des Fraunhofer-Institutes für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik. Am Beispiel einer Losgröße-1-Produktion erarbeitet das Geschäftsfeld virtuelle Produktentstehung dort an Aspekten rund um Smart Data und den digitalen Fabrikzwilling.

Bild: Fraunhofer-Institut IPK

Bei der Entwicklung eingebetteter Systeme wurden im Jahr 2006 erstmals Cyber-Physische Systeme (CPS) beschrieben. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zu klassischen Systemen ist deren Vernetzung. Daraus entwickelten sich die Begriffe Internet der Dinge und Industrie 4.0 in Deutschland. Seit der Verwendung im Jahr 2011 wird der Begriff Industrie 4.0 viel zu häufig synonym für Neuentwicklungen in den Bereichen der vernetzten Produktion und der industriellen Informationstechnik genutzt. Die Sammlung, Bereitstellung und Nutzung von CPS-Daten über ihren gesamten Produktlebenszyklus zählen zu den Kernaufgaben auf dem Weg zu I4.0. Angefangen beim Sensor, Anlagenzuständen und der Linienauslastung bis hin zu vernetzen Werken sollen intelligente Produktionssysteme Daten und Informationen austauschen, interpretieren und in eine vernetzte, autonome Prozesslandschaft zurückfließen lassen. Dabei gilt es offene Fragen zur Standardisierung, der IT-Sicherheit, Geschäftsmodellen und der Aus- und Weiterbildung zu beantworten. Wie diese Fertigungsumgebungen schließlich aussehen werden, dürfte sich von Fall zu Fall unterscheiden. Dieses Bedürfnis nach individuellen Industrie 4.0-Ansätzen adressiert das Fraunhofer IPK mit seiner Fertigungsstraße ’Smarte Fabrik 4.0‘. Dort lassen sich Zusammenhänge von CPS und digitalen Zwillingen für industrielle Anwendung aufzeigen und im Zusammenspiel von Forschung und Wirtschaft Strategien für die digitale Transformation entwickeln.

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Konzept und technische Umsetzung

Zur Veranschaulichung stellt die Demozelle ’Smarte Fabrik 4.0‘ Getränkeuntersetzer her, die in Form, Material und Farbe frei gestaltet werden können. Jedes Produkt, das mit einer webbasierten Schnittstelle konfiguriert wird, kann als Einzelteil oder als Baugruppe spezifiziert werden. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Prozesspfade durch die Produktion. Der Demonstrator besteht aus drei Modulen, die vorerst in fester, später in variabler Anordnung im Raum arrangiert und medien- und informationstechnisch miteinander verbunden sind. Ausgehend von der Produktspezifikation werden automatisch Produktstruktur, Prozessplan und Steuerungsprogramme erzeugt. Diese umfassen unter anderem G-Code für die Zerspanung, Bauteilnummern auf RFID-Chips, die Steuerung der Spannvorrichtungen, Logistik- und Qualitätsprüfungsprozesse sowie die Ableitung des Montageplans.

Fräsen, prüfen, befördern und montieren

Je nach Auftrag werden die Rohteile in der Frässtation auf die gewünschte Form gebracht. Eine kamerabasierte Qualitätskontrolleinheit überprüft Produkteigenschaften wie Form, Maßhaltigkeit, Material und Farbe und weist Teile bei Nichtbestehen zurück in die Zerspanung. Gleichzeitig sollen noch Maßabweichungen kontinuierlich in die automatische G-Code-Erzeugung zurückfließen, um eine ständige Verbesserung der Produktion zu erzielen. Nach der Einzelteilprüfung werden die Teile mittels autonomer Transportraupenroboter an den Montagearbeitsplatz befördert, wo sie mittels dynamisch erzeugter Montageanweisungen per Display, Head-Up-Display oder Pick-by-light vom Monteur gefügt werden. Die Qualität des Montageergebnisses wird abermals geprüft, bei Bestehen ins Lager befördert und nach Identifizierung des Auftraggebers an der Entnahmestation übergeben.

Schematischer Aufbau der Demozelle ‚Smarte Fabrik 4.0‘ mit den drei Modulen Zerspanung, Montage und Qualitätskontrolle. Bild: Fraunhofer-Institut IPK

Datentransfer per OPC UA

Die Kommunikation zum Austausch von Prozess- und Planungsdaten basiert vorläufig auf OPC DA, später soll auf OPC UA umgestellt werden. Übertragen werden Daten via WLAN, RFID und Ethernet, Ether CAT und weiteren Industriebussystemen wie Profibus oder Profinet. Der Demonstrator dient aber auch als Testumgebung für neue Protokolle des Internets der Dinge, insbesondere das Constrained Application Protocol (COAP). Ausbaustufen des Demonstrators sehen die Fertigung von CPS selbst vor – also ein digitaler Zwilling des Produktes selbst. In dem Beispiel bedeutet das die Herstellung von intelligenten, sensorbestückten und sich automatisch vernetzenden Untersetzern, die Daten zu ihrer individuellen Fertigung und Nutzung erfassen und über das Internet in sämtlichen Lebenszyklusphasen bereitstellen können. Das stellt gleichzeitig die Basis für Services dar – vom Auslösen eines automatischen Getränkeauffüllens bis hin zu Gesundheits- und Ernährungsassistenzdiensten, die auf dem Verhalten des Nutzers aufsetzen.

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Mit dem digitalen Zwilling arbeiten

Der digitale Zwilling existiert hier in Form eines kinematisierten Fabrikmodells. Es sorgt für die Verschmelzung von realer Produktion und den digitalen Planungs- und Simulationswerkzeugen. Änderungen im virtuellen und physischen Raum werden zwischen Demozelle und dem digitalen Zwilling synchronisiert. Autonome Vorgänge innerhalb der Demozelle können so vorab abgesichert werden und bleiben für den Menschen nachvollziehbar. Der digitale Zwilling erzeugt Informationen und Erkenntnisse im Sinn von Smart Data die ‘in-the-loop’ an die Maschinen selbst, deren Betreiber, deren Nutzer und an die Produktentwicklung geleitet werden. Dafür wurde ein web-basiertes Smart Data Dashboard entwickelt, das relevante Informationen visualisiert und Eingriffe in die Produktionsprozesse ermöglicht. Erst so wird es möglich, robuste CPS-Verbünde zu entwickeln und zu betreiben. Der Demonstrator stellt für Partner und Kunden ein Testbed dar, in den Komponenten für Evaluation physisch und virtuell integriert werden sowie Prozesse analysiert und evaluiert und somit kundenspezifische und übergreifende Forschungsfragen untersucht werden können – aus der Ferne und vor Ort am Fraunhofer-IPK in Berlin.

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