Digitalisierung in der Fertigung: Smarte Daten statt Big Data

Mona Willrett

„Industrie 4.0 bedeutet nicht, digitale Insellösungen zu schaffen“, sagt Dr. Tino Langer, „sondern ganzheitlich zu denken und komplexe Produktionssysteme IT-gestützt zu beherrschen.“ Wichtig seien robuste Systeme, um die Zuverlässigkeit der Fertigungsprozesse gewährleisten zu können, betont der Hauptabteilungsleiter „Smarte Fabrik“ am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU (Halle 12, Stand D02). Wie sich das über einen ganzen Produktionsablauf umsetzen lässt, das demonstrieren die Chemnitzer auf der EMO 2017 in Hannover mit ihrer „Maschine 4.0“. Beispielhaft dargestellt wird das Konzept, das die Trias Technologie-System-Digitalisierung umfasst, anhand einer Umformpresse und deren digitalem Zwilling.

Die in der Anlage integrierte Sensorik zur Prozess- und Maschinenüberwachung kombiniert aufgenommene Kennwerte zu produktionstechnischen Parametern, die in einem virtuellen Echtzeit-Abbild zusammenfließen. Intelligentes Verknüpfen der Daten liefert Informationen und Prognosen für die Produktion. Mit dem System lassen sich laut IWU die Einarbeitungszeit signifikant verkürzen sowie die Verfügbarkeit der Anlage um bis zu 50 % und deren Lebensdauer um bis zu 30 % erhöhen.

Durch die Transparenz des Systems wird der Produktionsablauf eindeutig bewertbar, und es lassen sich Stellschrauben zur Prozessanpassung identifizieren. Die Basis dafür bildet eine Computersimulation der Anlage, die auf Herstellerangaben sowie Messungen aufbaut und die mit Sensordaten aus Steuerungen, Antrieben sowie Temperaturmessfühlern und sogar Klimadaten ergänzt wird. Letztere gewinnen die Forscher in einer Klimazelle, in der sich verschiedene Umgebungsbedingungen erzeugen lassen – etwa Luft- und Bodentemperaturen zwischen 10 und 40 °C oder Luftfeuchtigkeiten zwischen 10 und 90 %. Ist bekannt, welche Effekte geöffnete Hallentore, heißgelaufene Motoren oder sich ändernde Luftfeuchtigkeiten haben, können diese Informationen ins digitale Abbild der Maschine einfließen, das dann wiederum hilft, die Präzision der realen Maschine zu optimieren. Diese Erkenntnisse können dem Maschinenbediener – mit Lösungsszenarien – auf mobilen Endgeräten zur Verfügung gestellt werden.

Schaufenster der digitalen Transformation

Mit dem Leitthema „Connecting Systems for intelligent Production“ will die EMO dazu beitragen, Hürden auf dem Weg zur digitalen Transformation zu nehmen. Während die Digitalisierung und Vernetzung vor zwei Jahren auf EMO Milano noch keine so herausragende Rolle spielte, werden vom 18. bis zum 23. September in Hannover viele Aussteller umfangreiche Angebote dazu zeigen. So will etwa DMG Mori (Halle 2) Lösungen für die digitale Fabrik demonstrieren. „Wir werden im Rahmen des „Path of Digitization“ ein umfassendes Portfolio an datenbasierenden Digitalisierungsmodulen präsentieren – unter anderem für die Fertigungsplanung und das Werkzeugmanagement“, kündigt Dr. Holger Rudzio, Geschäftsführer DMG Mori Software Solutions, an. Das Unternehmen will insbesondere auch kleinen und mittleren Betrieben einen schrittweisen und praktikablen Einstieg in die digitalisierte Fertigung ermöglichen.

Auch die Mindelheimer Grob-Werke (Halle 12, Stand B04) bieten seit einiger Zeit eine Software namens Grob-Net4Industry an, deren Module Produktionsanlagen digitalisieren und vernetzen. Bereits entwickelte Elemente wie Grob4Analyze oder Grob4Pilot dienen beispielsweise dazu, die Produktivität oder die Verfügbarkeit zu steigern. Die nächsten Projekte, die sich mit dem maschinellen Lernen, virtuellen Welten sowie Energieeffizienz und Ressourcenschonung beschäftigen, sind in Planung.

Kernaspekte der Digitalisierungsstrategie von Heller (Halle 12, Stand C83) sind ergänzende Maschinenfunktionalitäten sowie Dienstleistungen on demand und erweiterte Servicemöglichkeiten. Unter dem Dach Heller4Industry bündeln die Nürtinger alle Aktivitäten, die im Zusammenhang mit Industrie 4.0 und der Digitalisierung der Prozesskette stehen. Das Ziel ist, die Effektivität der Gesamtanlage (OEE) – für die Schwaben das Produkt aus den Größen Verfügbarkeit, Produktivität und Qualität – zu steigern.

Digitaler Zwilling sorgt für Transparenz

„Der Weg in Richtung Industrie 4.0 wird jedoch ohne die Daten der Fertigungshilfsmittel ins Leere führen“, betont Dr. Götz Marczinski, Geschäftsführer der Aachener Cimsource GmbH (Halle 5, Stand B48). „Die Fähigkeit, diese Daten zu liefern und mit ihnen umzugehen, wird künftig wettbewerbsnotwendig sein.“ Eines der wichtigsten Fertigungsmittel beim Zerspanen ist das Werkzeug. Mit Blick auf die Datentransparenz steht und fällt Industrie 4.0 jedoch mit dem virtuellen Abbild des realen Fräsers oder Bohrers. Dieser so genannte digitale Zwilling mit allen relevanten Informationen hilft bei der Prozesssimulation, dem „Bestücken“ einer virtuellen Maschine oder beim Digitalisieren der Wertschöpfungskette.

Doch Cimsource will beim digitalen Zwilling weiter gehen. Die Aachener arbeiten an einer Lösung auf RFID-Basis, um Daten mit dem Werkzeug auszutauschen. Gedacht ist an einen winzigen, ins Werkzeug integrierten Chip mit Funkantenne, die Einsatz- und Werkzeuginformationen sendet und empfängt. „So ließe sich ein Schwarm Daten sammelnder Werkzeuge verwirklichen, die Big Data für die Plattform ToolsUnited erzeugen, in der dann mit Hilfe von Data-Mining-Algorithmen Lösungen für Zerspanungsaufgaben entstehen“, meint Marczinski. Die neusten Funktionen von ToolsUnited stellt Cimsource in Hannover vor. Mehr über diese und andere Innovationen rund um die digitale Transformation erfahren Messebesucher bei zahlreichen Vorträgen – etwa auf dem VDMA-Forum „Innovative Lösungen für Industrie 4.0“ (Halle 4, Stand D44) oder dem Forum der „industrie 4.0 area“ (Halle 25, Stand B60).

Anwender fürchten um ihr Know-how

Mancher Produktionsexperte blickt sicher mit gemischten Gefühlen auf diese Entwicklungen. Die Frage, ob sie sein Know-how künftig überflüssig machen, steht im Raum. Doch diese Gefahr sehen Oberingenieur Alexander Epple und Informatiker Michael Königs vom Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen nicht. „In der Produktionswelt gibt es – bedingt durch die Vielzahl an Maschinen und Verfahren – sehr unterschiedliche Arten von Daten. Wirklich vergleichbare Prozesse sind selten“, sagt Epple. „Rein statistische Ansätze führen unter diesen Voraussetzungen kaum weiter, und abstrakte Big-Data-Konzepte stoßen im Produktionsumfeld schnell an Grenzen.“ Mehr bringe es, produktionstechnisches Wissen, etwa in Form von Modellen, mit den Daten zu verknüpfen. Und Michael Königs ergänzt: „Entgegen der Meinung vieler stecken nicht immer alle benötigten Informationen in den Daten.“ So lieferten die Messsysteme einer Werkzeugmaschine zwar Positionsdaten, den realen Pfad der Werkzeugschneide geben sie jedoch nur näherungsweise wieder. Auf Abdrängungseffekte in Folge von Prozesskräften oder geometrisch-kinematische Ungenauigkeiten der Maschine etwa kann in der Regel nicht zurückgeschlossen werden. „Durch das Modellwissen der Experten lassen sich die reinen Signaldaten mit diesen Informationen anreichern. Erst dieser veredelte Datensatz eignet sich beispielsweise für Prognosen der Werkstückqualität noch während der Bearbeitung“, betont Königs. Im Kontext der modellbasierten echtzeitnahen Datenverarbeitung führe künftig jedoch kein Weg an interdisziplinären Teams vorbei. Erst durch das Verknüpfen von Methoden und Modellen aus unterschiedlichen Fachbereichen könne das Potenzial gehoben werden.

Den Aachener Forschern ist die Skepsis vieler Produktionstechniker durchaus bewusst, Daten zentral in einem Cloudsystem zu speichern. „Es gibt auch die Möglichkeit, Informationen in einer Firmencloud abzulegen“, regt Epple an. „Selbst die Datenauswertung direkt an nur einem lokalen Maschinensystem kann schon große Potenziale der Produktivitätssteigerung bieten.“ Mit Blick auf die EMO erhofft sich der Wissenschaftler „mehr Akzeptanz für diese Ansätze bei den Besuchern und eine gewisse Neugier der sonst eher konservativen Branche“.

Daten reduzieren Wartungsarbeiten

Dass viele Betriebe Daten nur sehr ungern nach außen geben, das kennt Eckhard Hohwieler ebenfalls. Auch der Leiter Produktionsmaschinen und Anlagenmanagement am Fraunhofer IPK in Berlin bringt deshalb die Installation eines Servers innerhalb des Firmennetzes in Spiel. Er gibt aber auch zu bedenken, dass damit dem Anlagenhersteller die Chance verwehrt bliebe, zusätzliche Erkenntnisse über seine Produkte zu sammeln und diese mit deren Hilfe zu verbessern.

Hohwieler forscht unter anderem im Bereich der vorausschauenden Wartung. Sie zielt darauf ab, Defekte an einer Maschine oder Prozessabweichungen zu erkennen, ehe sie tatsächlich auftreten. „Condition Monitoring erkennt und überwacht den Verschleißzustand. Predictive Maintenance hingegen sagt die voraussichtliche Entwicklung des künftigen Maschinenzustandes vorher und plant Instandhaltungsmaßnahmen. Das ermöglicht den Mitarbeitern, genau die Arbeiten durchzuführen, die tatsächlich erforderlich sind.“ Effektive PM senke dadurch die Anzahl an Wartungsarbeiten und erhöhe die Verfügbarkeit der Maschinen. Zudem lassen sich die Wartungstermine besser planen. „Wir ermitteln und speichern jedoch nicht die Rohdaten, sondern nach dem Motto „Smart Data statt Big Data“ nur typische Kennwerte“, sagt Hohwieler. Das Komprimieren der Rohdaten sei allerdings immer verlustbehaftet und somit nicht auszuschließen, dass Effekte übersehen werden. Ohne domänenspezifisches Expertenwissen ist ein Monitoring-Konzept nicht umsetzbar.“

Klassische Themen behalten Bedeutung

Dass jedoch nicht nur die Digitalisierung und Industrie 4.0 die Zukunft der Produktionstechnik bestimmen werden, das soll am 21. September das Forschungssymposium „Production for Tomorrow“ (Kasten) zeigen. Das Symposium stellt zahlreiche Innovationen auf den Gebieten der klassischen Technologien in den Fokus. „Wir wollen die Aufmerksamkeit sehr bewusst auf genau jene Themen lenken, die unabhängig vom Vernetzungsgedanken die Highend-Qualität von Werkzeugmaschinen für die kommenden Jahre gewährleisten werden“, betont Prof. Eberhard Abele, Präsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP). „Die klassischen Technologien werden auch künftig den Ruf deutscher Maschinen in Bezug auf Präzision, Verfügbarkeit, Effizienz und Produktivität sichern.“ Thematisiert werden hier unter anderem mechatronische Systeme, hybride Bearbeitungsstrategien oder die Ultrapräzisionsbearbeitung.

Im Rahmen unserer Trendumfrage nannten die Experten immer wieder auch analoge Themen, die die Fertigungstechnik – neben der Digitalisierung – in den kommenden Jahren prägen werden. Zuverlässige, einfach zu beherrschende Automatisierungssysteme, die sich auch für kleinere Lohnfertiger rechnen, sollen künftig ebenso zu einer weiter gesteigerten Prozesseffizienz beitragen wie optimierte Bedienkonzepte oder eine verbesserte Kommunikation zwischen Mensch und Maschine. Die Kombination spanender und generativer Verfahren in einer Maschine hat das Potenzial, die Komplettbearbeitung auf ein neues Niveau zu heben. Oder Platz sparende, kompakte Maschinen mit hoher Bedien- und Wartungsfreundlichkeit sollen Kunden die Kaufentscheidung erleichtern.

Und auch das IWU-Projekt Maschine 4.0 berücksichtigt Aspekte diesseits der Digitalisierung: Thermisch bedingte Verformungen von Maschinenkomponenten lassen sich schon durch die richtige Konstruktion und Fertigung der Bauteile auf ein Minimum reduzieren. „Unser ganzheitlicher Ansatz bezieht von Anfang an die Hardware ein“, betont Tino Langer. Die Chemnitzer Wissenschaftler setzen dazu bei beweglichen Teilen unter anderem auf thermisch stabile, gut dämpfende und zudem leichte Hybridbauteile – etwa Sandwiche aus Aluminiumschaum oder Kohlefaserverbunden.

Mit leichten Komponenten in die Zukunft

Leichtbau und CFK sind auch Schlüsselthemen eines anderen zukunftsweisenden Forschungsprojekts des Aachener Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT, das auch auf der EMO präsentiert wird. Gemeinsam mit dem Magdeburger Werkzeugmaschinenbauer MAP (Halle 27, Stand D56) untersuchen die Forscher, wie sich eine Z-Achse aus Kohlefaser in einer Werkzeugmaschine verhält und wie sich der Z-Schlitten optimieren lässt.

Um auch hochfeste Werkstoffe wie Inconel gut und zuverlässig bearbeiten zu können, entschied sich MAP, eine Maschine mit starken Antrieben zu entwickeln, die allerdings deutlich größer und schwerer sind. „Um bei der Dynamik keine Abstriche machen zu müssen, entschieden wir uns für die CFK-Variante“, erzählt MAP-Niederlassungsleiter Christoph Tischmann. Während die Antriebsleistung etwa verdoppelt wurde, sinkt die Masse der Z-Achse durch den CFK-Einsatz gegenüber der Stahlvariante um rund 60 %. Dabei strebten die Entwickler kein bestimmtes Zielgewicht an, sondern das optimale Verhältnis zwischen Gewicht und Steifigkeit.

Werkstoffe lassen sich jedoch nicht einfach eins zu eins ersetzen. Deshalb gilt es, die Konstruktion an das neue Material anzupassen. Weil bei Faserwerkstoffen die Steifigkeit oder Festigkeit von der Richtung der Fasern abhängt, stellen sie für Konstrukteure eine Herausforderung dar. Zudem verhält sich ein CFK-Bauteil beim Simulieren anders als in der Wirklichkeit, und es kann nicht – wie bei konventionellen Werkstoffen – auf existierende Konstruktions- und Auslegungsstandards zurückgegriffen werden. Eine Vorhersage, wie sich ein CFK-Bauteil im Zusammenspiel mit der restlichen Maschinenstruktur dynamisch verhält, ist deshalb nicht ohne weiteres möglich.

Auch hier könnten in einer Cloud abgelegte Erfahrungen aus anderen Projekten helfen, die Entwicklung schneller voranzutreiben und einer zukunftsweisenden Technologie zum Durchbruch zu verhelfen.

Trendumfrage des Industrieanzeigers zum Thema „Werkzeugmaschinen“ (PDF)

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