Internet of Production stellt relevante Daten in den Fokus

Stellen Sie sich vor, Sie könnten einfach eine App befragen, was die effektivsten, besten und kostengünstigsten nächsten Schritte wären, Ihre Produktion zu steuern, umzugestalten und mit nur einem Knopfdruck zu optimieren. Was zu schön klingt, um wahr zu sein, ist für die Aachener Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Internet of Production“ (IoP) der RWTH eine der Grundideen, die die Produktion von Morgen bestimmen wird. Digital vernetzt, intelligent kooperierend und mit der Essenz der wichtigsten Daten aus dem Pool der Big Data der Maschine optimal mit Informationen ausgestattet.

(Bild: Dr. M. Riedel)

„Das IoP bietet die echtzeitfähige, sichere Informations­ver­fügbarkeit aller relevanten Daten zu jeder Zeit, an jedem Ort und gilt als das Kernstück der Industrie 4.0“, betont Dr. ­Matthias Brockmann (Bild rechts), Geschäftsführer und COO des Exzellenzclusters. „Somit ebnet das IoP den Weg in eine neue Ära der Produktion. Durch die Summe der generierten und aggregierten Daten – dem volumenstarken ‚Digitalen Schatten‘ der Produktion – entsteht Prognosefähigkeit mit dem Ziel einer durchweg kontrollierten Produktion.“, führt der Wissenschaftler am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen an der RWTH Aachen weiter aus. Dabei werde überall domänenübergreifendes Wissen generiert und genutzt – angefangen bei der gesamten Produktentwicklung, bis hin zur schnellen, fehlerfreien Umsetzung von schnell erforderlichen Veränderungen in der Serienproduktion. Dieser ­Ansatz der bedarfsgerechten Datenanalyse und der Anwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens berge großes ­Potenzial und wichtige Impulse für die gesamte Produktionstechnik.

Prof. Rahman Jamal (Bild links), Business & Technology Fellow bei National In­struments, der Anfang des Jahres in den Industriebeirat dieses Clusters berufen wurde, verdeutlicht: „Mit dem Konzept des ­Internets der Dinge wurde die Idee auf die physikalische Welt übertragen. Die direkte Anwendung des IoT-Ansatzes auf die Produktion ist derzeit nicht zielführend möglich, da die Produktionstechnik durch wesentlich mehr Parameter, aber weniger verfügbare Daten als andere Big-Data-Domänen geprägt ist.“, so der Professor. Obwohl in der modernen Produktionstechnik große Mengen an Daten vorhanden seien, seien diese weder einfach zugänglich und interpretierbar noch so vernetzt, dass daraus Wissen generiert werden könne.

Im seit Januar 2019 existierenden Cluster IoP wird die erfolgreiche Arbeit des vorherigen Exzellenzclusters ­„Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ fortgesetzt, das sich von 2006 bis 2018 mit der E­ntwicklung innovativer Lösungen beschäftigte. Dies sollte die Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit des hie­sigen produzierenden Gewerbes gewährleisten. Zu den Erfolgen zählen beispielsweise Entwicklungen neuer intelligenter Produktionssysteme, Lösungen zur effizienten Fertigung kundenindividueller Bauteile, das durchgängige Product-Life-Cycle Management sowie die zunehmende Vernetzung und Kollaboration.

Innerhalb des Clusters wurden zwei externe Beiräte – ein wissenschaftlicher und ein Industriebeirat (Industrial Advisory Board, IAB) – gebildet, die auf Basis der erfolgreichen Maßnahmen im Alt-Cluster auch weiterhin für eine kontinuierliche, externe, sowohl wissenschaftliche, als auch anwendungsorientierte und praxisnahe und gerade auch praxisrelevante Qualität des Clusters sorgen. Der IAB, aus dem hochrangige Vertreter führender deutscher Industrieunternehmen der Automobil- und Luftfahrtbranche und dem Maschinen- und Anlagenbau den Forschungsarbeiten des ­Exzellenzclusters beratend zur Seite stehen, findet sich jährlich zu seinem Board Meeting in Aachen ein. Bei ­diesen Treffen werden die aktuelle finanz- und wirtschaftspolitische ­Lage sowie die Impulse, die unter diesen ­Bedingungen von der Produktionsforschung ausgehen können, diskutiert. Darüber hinaus sind die Cluster-Wissenschaftler eng mit über 90 wissenschaftlichen und ­industriellen Vereinigungen verbunden. Auf nationaler Ebene sind dies beispielsweise der VDMA, die Fraunhofer-Initiative Industrial Data Space und die Bitkom. Auf internationaler Ebene sind die Principal Investigators (PIs) eng mit Verbandsnetz­werken verbunden, wie der ­Europäischen Gesellschaft für Feinwerktechnik (EUSPEN), dem Internet-Konsortium für Industrieversuche und dem World-Wide-Web-Konsortium (W3C-Konsortium), um nur einige Beispiele zu n­ennen. Weitere Kommunikationen zur Erfüllung der Anforderungen von nationalen und internationalen Organisationen wie dem ZVEI oder der OPC Foundation sind geplant.

Zu den abgedeckten Forschungsbereichen des IoP gehören die Themen „Infrastruktur“ und „Materialien und Werkstoffe“ ebenso wie „Produk­tionstechnik“, „Produktionsmanagement“, „Agile Produktionsentwicklung“ und „Integrierte Nutzung“.

„Was die Thematik der Infrastruktur anbelangt, so ist anzumerken, dass das IoP ein komplexes, sich entwickelndes soziotechnisches Netzwerk aus miteinander verbundenen Geräten, Software, Datenspeichern und Menschen als Benutzer und Mitwirkende von Expertenwissen und Feedback ist.“, erläutert R. Jamal: „Im Bereich der domänenüber­greifenden Produktionstechnik und der weltweiten Zusammen­arbeit geht es tiefer als die typischen Anwendungsfälle beispielsweise in deutschen ­Industrie-4.0-Projekten, dem ­Industrial Internet Consortium oder den German-/European-­Industrial-Data-Space-Initiativen.“

In Bezug auf die Materialien und Werkstoffe basierten laut Dr. ­Brockmann alle Entscheidungen in der Produkt­entwicklung, Produktion und Nutzung auf der Auswahl und dem Verständnis von Materialien. Dies wiederum ermögliche eine domänen- und lebenszyklusübergreifende Zusammenarbeit. „Die Auswahl ­eines alter­nativen Werkstoffs führt zu unterschiedlichen Design­anforderungen, der Wahl der Fertigungsmaschinen und den nachfolgenden Produktionsprozessen.“, hebt der COO des ­Clusters hervor. „Die prozessabhängige ­integrierte Geschichte der Mikrostruktur – z. B. mehrere Phasen in Metallen oder variierende Überstrukturen in Polymeren – und Betriebsumgebung bestimmen die Gesamtkomponentenleistung bis zum Ende ihrer ­Lebensdauer aufgrund lokal inhomogener thermischer, mechanischer und rheologischer Bedingungen.“

Das Gebiet der Produktionstechnik wiederum zeichne sich durch eine breite Palette hochspezialisierter Technologien aus. Dazu gehörten das Gießen und das Umformen, aber auch das Metallschneiden, Spritzgießen, die Extrusion, ebenso das ­Weben, das Schweißen und das Walzen, die Elektroerosion, die physikalische Gasphasenabscheidung, die elektrochemische Bearbeitung und Lasermaterialabscheidung sowie neue Technologien wie das Selective Laser-Melting. „Für die einzelnen Produktionstechnologien existiert umfassendes Expertenwissen, in komplexen Fertigungskontexten sind Details und Wechselwirkungen jedoch noch nicht gut verstanden.“, erklärt Dr. M. Brockmann.

Mit der „Exzellenzstrategie“ soll der Wissenschaftsstandort Deutschland nachhaltig gestärkt und seine internationale Wettbewerbsfähigkeit weiter verbessert werden. Damit wird die im Rahmen der „Exzellenzinitiative“ (2005-2017) erfolgreich initiierte Weiterentwicklung und Stärkung der deutschen Universitäten durch die Förderung wissenschaftlicher Spitzenleistungen, Profilbildung und Kooperationen im Wissenschaftssystem fortgeführt.