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So macht Ihr´s morgen

Fertigungstechnik: Systeme werden immer intelligenter
So macht Ihr´s morgen

Intelligente Systeme werden in einigen Jahren die Fertigungstechnik prägen. Ändert sich die Umgebung oder das Teilespektrum, passen sie sich selbstständig an. Kurzfristig bestimmen eher Evolutionen etablierter Technik das Bild. Das Ziel dabei: Auch individualisierte Produkte und kleinere Serien müssen sich künftig effizient produzieren lassen.

„Mehr Input!“, lechzt Nummer 5, nachdem er eine ganze Enzyklopädie wie ein Daumenkino durchgeblättert und dabei in Windeseile den gesamten Inhalt auswendig gelernt hat. Der pfiffige Roboter aus der Hollywood-Fabel „Nummer 5 lebt!“ braucht nur im Fernsehen Saturday Night Fever zu sehen, schon tanzt er wie John Travolta. Bald gibt er Lebensweisheiten von sich, die seine Gastgeberin Stephanie verblüffen. Und dann entwickelt der ehemalige Kampfroboter, der durch einen Blitzeinschlag zum Pazifisten wurde, auch noch Gefühle und verliebt sich in die Frau, die ihm Unterschlupf gewährte.

1995, als der Film in die Kinos kam, schienen die Fähigkeiten von Nummer 5 noch sehr phantastisch. Doch inzwischen arbeiten nicht nur Wissenschaftler an Systemen, mit deren Hilfe intelligente und sensible Roboter auch für industrielle Anwendungen in greifbare Nähe rücken. So hat das im österreichischen Linz ansässige Unternehmen FerRobotics nach eigener Angabe den ersten „menschlichen Bewegungsabläufen nachempfundenen Roboter mit weichen Positionsänderungen“ entwickelt. Er hört auf den Namen Romo, ist druck- und kontaktsensibel und kann dadurch seine Kraft nach Bedarf dosieren (Kasten auf Seite 24). Eine Programmiermethode, mit der sich auf intuitive Art Steuerungsprogramme für Roboter generieren lassen, entwickelte die Ladenburger ABB AG im Rahmen des EU-Forschungsprojekts SMErobot (www.smerobot.org). Der Benutzer führt dazu den Blechkameraden schrittweise durch den Einrichtprozess, und die Steuerungssoftware setzt die Schritte in ein Programm um. „Der Traum, dass uns Roboter aufs Wort gehorchen, wird langsam Wirklichkeit“, heißt es aus der Kurpfalz.
Das Lernen und das Wahrnehmen der Umgebung sieht Prof. Michael Zäh als entscheidende Fähigkeiten intelligenter Systeme der Zukunft. „Bildverarbeitungs- und Sensorsysteme werden die Voraussetzungen dafür schaffen, dass sich beispielsweise Assistenzroboter selbstständig auf einen Werker einstellen und etwa eine angelernte Kraft anders unterstützen können als einen Spezialisten“, prophezeit der Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) an der Technischen Universität München. Erforscht und entwickelt wird die Technologie vom Exzellenzcluster „CoTeSys“ (www.cotesys.de).
Doch nicht nur Roboter, auch Werkzeugmaschinen und Fertigungsmittel werden immer intelligenter. „Während es heute bereits Anlagen gibt, die Fehlfunktionen selbst erkennen und auf Basis der Eigendiagnose selbstständig den Service organisieren, erfordern Systeme, die sich ohne menschliches Zutun an veränderte Bedingungen anpassen können, noch einige Arbeit“, sagt Dr. Frank Possel-Dölken. Der Mitarbeiter des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen leitet als Geschäftsführer den Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ (www.production-research.de). „Solche Systeme werden dann in der Lage sein, im Betrieb quasi eigene Erfahrung aufzubauen und sich selbstständig an unterschiedliche Betriebsspezifika und sich ändernde Fertigungsaufgaben anzupassen.“ Die Voraussetzung dafür sind laut dem Aachener Wissenschaftler die konsequente Vernetzung der gesamten Prozesskette sowie die absolute Transparenz aller Abläufe. Beide Forscher sehen künstliche Intelligenzen als eine Schlüsseltechnik, in der sich deutsche Institute und Unternehmen in eine Schrittmacherrolle bringen müssen. Mit einem Industrietransfer rechnen sie in etwa zehn bis 15 Jahren.
Neben den Hochschulen und Instituten arbeitet auch eine Reihe von Unternehmen aus der Fertigungstechnik-Branche an intelligenten Teillösungen, die sich später – die passenden Schnittstellen vorausgesetzt – in ein Gesamtsystem einbinden lassen. Zwei Beispiele aus der Spanntechnik stießen während der Messe EMO auf großes Interesse. Die Marbacher Hainbuch GmbH präsentierte mit TOPlus IQ „ein Spannfutter, das mitdenkt“ (Seite 64). Es kann die radiale Spannkraft eigenständig an die Prozessbedingungen anpassen und dadurch selbst dünnwandige und empfindliche Teile während des gesamten Prozesses mit maximaler Kraft halten, ohne dass die Gefahr von Verformungen besteht. Und die Aalener Mapal Dr. Kress KG entwickelt derzeit gemeinsam mit der Aradex AG aus Lorch das automatische Werkzeugspannsystem Clamp-by-Wire (Kasten auf Seite 23). Es erkennt selbst kleinste Unregelmäßigkeiten – und das ohne jegliche Sensorik. Wie genau das System arbeitet, zeigt eine Anekdote, die Aradex-Vorstands-Chef Thomas Vetter zum Besten gab: „Unsere Entwickler wetteten mit mir, dass sie eindeutig unterscheiden können, ob zwischen Werkzeugaufnahme und Spindel ein Haupt- oder ein Barthaar eingeklemmt ist. Sie haben die Wette gewonnen!“ TOPlus IQ und Clamp-by-Wire sollen im Lauf des kommenden Jahres zur Serienreife gebracht werden.
Bereits im Feldeinssatz ist eine andere Technologie, die bei komplexen Dreh- und 5-Achsen-Fräsbearbeitungen zukünftig zum Standard werden könnte: die Virtuelle Maschine (Titelthema im Industrieanzeiger Nr. 37-2007, ab Seite 28). Mit ihrer Hilfe lässt sich die komplette Arbeitsvorbereitung ins Büro verlegen. Die Virtuellen Maschine basiert auf dem originalen Steuerungskern und den 3D-CAD-Konstruktionsdaten des Maschinenherstellers. Weil diese Daten auch auf dem Büro-PC verfügbar sind, können dort die fertigen Bearbeitungsprogramme erstellt und überprüft werden. Sobald sichergestellt ist, dass keine Kollisionsgefahr besteht, können benötigten Werkzeuge und Spannmittel vorbereitet werden, während die echte Maschine für Wertschöpfung sorgt. Der eigentliche Einrichtprozess reduziert sich dadurch auf das absolute Minimum. Die Esslinger Index-Werke bieten eine Virtuelle Maschine für ihre Drehzentren an und der Bielefelder Gildemeister-Konzern eine für verschiedene seiner 5-Achsen-Fräszentren.
Für die nähere Zukunft geht iwb-Chef Zäh davon aus, „dass die Zeit der Revolutionen in der Fertigungstechnik vorerst vorbei ist und sich nun eher Etabliertes wandelt“. Der Münchener Hochschullehrer nennt drei Ebenen, auf denen sich dieser Wandel vollziehen wird: die Fabrik, die Maschinen und Anlagen sowie die Prozesse.
„Die Fabrik-Ebene war in den letzten zehn bis 15 Jahren von der Lean-Welle geprägt. Jeder versuchte nur, den Ressourceneinsatz zu minimieren“, fährt Zäh fort. Inzwischen seien einige Betriebe aber so schlank geworden, dass die Grenze zur Magersucht bereits überschritten ist. Aktuell sieht er deshalb nur einen Ziel führenden Weg: „Das Maximieren der Wertschöpfung.“ Um das zu erreichen, müssten die Betriebe jedoch schnell und flexibel auf sich ändernde Märkte reagieren können.
Neben den Prozessen auf Unternehmens- und Fabrikebene müssen hierfür auch die Maschinen und Anlagen die nötigen Voraussetzungen mitbringen – Flexibilität sowie leichtes und schnelles Umrüsten. Das Forschungsprojekt Meteor untersuchte so genannte rekonfigurierbare Werkzeugmaschinen (www.meteor2010.de). Durch ihren modularen Aufbau ist es hier möglich, Technologien erst dann nachzurüsten, wenn sie wirklich gebraucht werden. Dadurch sind diese Maschinen deutlich preisgünstiger als universelle Modelle und zugleich wesentlich flexibler als Sondermaschinen.
Doch einen Königsweg zum Markterfolg gibt es für die Hersteller von Fertigungsmitteln nicht. Dr. Timo Würz liefert die Begründung: „Die Produktion wird heterogener und von der Branche, der Betriebsgröße und vom Standort abhängen.“ Der Leiter Forschung und Technik beim Verein deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) in Frankfurt/M. sieht drei Haupttrends:
  • Technologieintegration, wo höchste Produktivität gefragt ist,
  • entfeinerte Maschinen, so genannte Lean Products und
  • den teilweisen Wechsel starrer Produktionssysteme gegen kleine, verkettete Einheiten.
Auch Prof. Eberhard Abele, Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der Technischen Universität Darmstadt, sagt den integrierten Fertigungssystemen, speziell in Hochlohnländern, eine rosige Zukunft voraus. Sie seien hochproduktiv und dennoch flexibel. Und weil das Umrüsten, der Transport zwischen den Maschinen und das Pufferlager entfallen, lassen sich Teile schneller und billiger produzieren. „Aber um solche Systeme zu bedienen, sind zunehmend Spezialisten gefragt“, gibt Abele zu bedenken. Angesichts des weiter steigenden Kostendrucks, der wachsenden Variantenvielfalt sowie schrumpfender Losgrößen und Produktlebenszyklen, sei das jedoch auch eine große Chance für deutsche Anbieter, die in diesem Segment stark sind.
Werkzeugmaschinen, die zum Beispiel drehen, fräsen, schleifen und messen können, sind zwar bereits Stand der Technik, dass die Möglichkeiten jedoch noch lange nicht ausgeschöpft sind, zeigen zwei Beispiele:
Das Forschungsprojekt KombiMasch, an dem unter anderem das Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und die Monforts GmbH & Co. KG aus Mönchengladbach beteiligt waren, sollte die Prozesskette zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile verkürzen. Die dazu in eine modular aufgebaute Maschine integrierte Prozesskette umfasst das Weichbearbeiten, das Härten und Beschichten mittels Laser und die abschließende Hartbearbeitung.
Eine spannende Fertigungslösung mit kombinierten Verfahren aus der Kunststofftechnik zeigte die Loßburger Arburg GmbH & Co. KG während der Messe K: Eine Produktionszelle fertigte in einem Arbeitsgang die beiden gebrauchsfertigen Hälften einer LED-Taschenlampe (Kasten auf Seite 29). Nachdem die Batterie eingelegt ist, müssen die beiden Hälften nur noch zusammengeklippst werden, und die Lampe spendet Licht.
Die Experten warnen die deutschen Maschinenbauer jedoch davor, sich ganz auf den High-End-Bereich zu konzentrieren. Die Luft werde in der Spitze der Technologiepyramide immer dünner und der Kostenaufwand für Forschung und Entwicklung steige überproportional. „Man muss sich die Frage stellen, ob die überwiegend mittelständisch geprägte Branche in der Lage ist, das zu stemmen“, meint WZL-Mann Possel-Dölken. Er sieht einen Lösungsansatz in der weiteren Standardisierung und Modularisierung. Werkzeugmaschinen müssten zu einer Art Massenprodukt werden, das sich ähnlich herstellen lasse wie ein Auto. Das habe aber nicht nur mit technischen Features zu tun, sondern mit dem Vertrieb und dem Geschäftsmodell des Unternehmens. „Ich gehe deshalb davon aus, dass sich die Betriebsstrukturen auch im Spezialmaschinenbau verändern werden, dass es auch hier zu einer Konsolidierung kommen wird.“ Ob das nun in Form von Kooperationen und Netzwerken, in Form von Zusammenschlüssen oder Übernahmen geschehe, das hänge sicher vom Einzelfall ab. Und Timo Würz vom VDW ergänzt: „Unsere Betriebe müssen sich umorientieren und auch entfeinerte Maschinen anbieten.“ Dabei gehe es nicht um Billigmaschinen, sondern darum, genau das zu bieten, was der Kunde braucht, und nicht mehr.
Sehr gute Chancen für deutsche Anbieter sieht Frank Possel-Dölken im Bereich kundenspezifischer Produkte. Das gelte sowohl für individuelle Fertigungssysteme mit genau der Ausstattung, die der Nutzer wünscht, als auch für Endverbraucherprodukte, die sich die Kunden aus einem Optionskatalog individuell zusammenstellen können. „Das wird zunehmen. Gerade auch in China, denn die Menschen dort sind absolut technikbegeistert und sie wollen sich vom Gegenüber unterscheiden.“ Das Charmante daran sei, dass diese komplexen Prozesse – zumindest derzeit noch – in China wenig Sinn machten. „Wir würden also hier produzieren und dort verkaufen, statt umgekehrt.“ Die Voraussetzung fürs individuelle Fertigen ist ein hohes Maß an Systematisierung.
PTW-Chef Eberhard Abele aus Darmstadt betont: „Egal, in welchem Segment deutsche Anbieter antreten, sie haben nur dann eine Chance, wenn sie sich mit ihrer Innovationsfähigkeit an der Spitze behaupten. Und dazu brauchen sie Top-Fachleute – sowohl in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen als auch in den Werkstätten.“
Auf der untersten der von iwb-Leiter Zäh genannten drei Stufen, der Prozessebene, werden neue und verfeinerte Technologien für Fortschritte sorgen. Mittels generativer Verfahren ist es bereits heute möglich, homogene Metallteile aus Pulvern herzustellen, die Eigenschaften haben wie konventionell aus massiven Blöcken gefertigte. Der Vorteil: Solche Werkstücke können völlig frei gestaltet sein, und auch innen liegende Konturen oder Kanäle haben, die mit traditionellen Verfahren nicht herzustellen sind. Einen Fortschritt zum heute üblichen Lasersintern lasse das Elektronenstrahlsintern erwarten, weil es die Wärme viel gleichmäßiger einbringe als der Laser, sagt Zäh. Viel Potenzial und ganz neue Möglichkeiten lässt auch die Alchemy-Technologie der Gosheimer Berthold Hermle AG (Kasten auf Seite 22) erwarten. Das Mikroschmiedeverfahren, das Metallpulver mit hoher Geschwindigkeit aufträgt und unter hohem Druck verfestigt, erzeugt homogene Bauteile, die auch aus verschiedenen Werkstoffen bestehen können – etwa aus Stahl und Aluminium oder aus Stahl und Kupfer. Anwendungsfelder könnten beispielsweise Werkstücke mit fest eingebauten Schalterfunktionen über Bimetalleffekte sein, oder sehr leichte und trotzdem hochfeste Werkzeugeinsätze, deren Kern aus Aluminium und der Mantel aus Werkzeugstahl besteht.
Auf die Frage, ob sich die Bedeutung spanender, spanloser oder generativer Verfahren verschieben werde, antworten die Experten einstimmig: verschieben ja, aber einen Erdrutsch wird es nicht geben. Wie groß der Wandel ausfalle, hänge wesentlich davon ab, inwieweit sich die Konstruktions- und Bauweisen der Produkte ändere, meint Timo Würz vom VDW. Auch der Werkstoffentwicklung kommt eine bedeutende Rolle zu. Viele Metallteile etwa im Flugzeugbau, im Antriebsstrang von Fahrzeugen oder im Motorraum sind bereits heute durch Kunststoffkomponenten ersetzt. Diese Entwicklung wird sich fortsetzen, wenn neue leistungsfähige Werkstoffe und die dazu passenden Bearbeitungsverfahren verfügbar sind.
Bei den generativen Verfahren erwartet Frank Possel-Dölken in den kommenden fünf Jahren eine Produktivitätssteigerung um den Faktor 10. „Dadurch könnten diese Technologien für verschiedene neue Einsatzfelder interessant werden. Wie interessant, das muss sich aber erst noch zeigen.“ Andere Experten wie Würz oder Abele gehen davon aus, dass die aufbauenden Methoden zwar an Bedeutung zulegen, ihren Schwerpunkt aber weiterhin in der Entwicklung, der Prototypen- und der Kleinserienfertigung haben werden. „Für den Massenmarkt sind sie zu teuer und zu energieintensiv“, meint der Darmstädter Professor. Mehr Bedeutung misst er dem Thema Near Netshape zu – spanlos vorgefertigte Teile, die anschließend nur noch in entscheidenden Bereichen spanend fertig bearbeitet werden. Der Vorteil: Es wird weniger Material und weniger Energie verbraucht. „Seit die Kosten für Rohstoffe und Energie steigen, wird mehr über Ressourcen schonende Konstruktions- und Fertigungsweisen nachgedacht.“ Sein Münchener Kollege Zäh ergänzt, dass sich allein durch moderne Verarbeitungsmethode wie beispielsweise dem Rührreibschweißen einiges an Ressourcen einsparen lässt. Durch die stumpf statt überlappend gefügten Komponenten lässt sich nicht nur Material sparen, sondern als direkte Folge auch Bauteilgewicht. Und das hilft, beispielsweise den Energieverbrauch von Fahrzeugen zu senken.
Auch in der Fertigungstechnik selbst ist der Energieverbrauch mittlerweile ein großes Thema. „Das Einsparpotenzial lässt sich zurzeit jedoch noch nicht abschätzen“, gibt sich WZL-Mann Possel-Dölken zurückhaltend. Sollte sich zeigen, dass hier ordentlich gespart werden kann, sei das ein interessantes Differenzierungsmerkmal für die Maschinenhersteller.
Einig sind sich die vier Experten darin, dass die Summe der benötigten Werkzeug- und Produktionsmaschinen nicht sinken werde. Die Frage sei lediglich, wer sie herstelle. Auch wenn es nicht zu großen Verschiebungen zwischen den Technologien komme, könne für einzelne Hersteller und Nutzer von spanenden Werkzeugmaschinen die Tatsache zum Problem werden, dass umformende Systeme an Genauigkeit und generative an Geschwindigkeit und Effizienz zulegen. „Betriebe, deren Märkte in Gefahr sind, sollten sich schnellst möglich neue Geschäftsfelder aufbauen, denn in spätestens zehn bis 15 Jahren müssen sie davon leben können“, gibt Possel-Dölken zu bedenken.
iwb-Chef Michael Zäh hat diesbezüglich auch schon eine Anregung. Er ist überzeugt, dass kognitive Robotersysteme nicht nur in der Industrie wertvolle Dienste leisten werden, sondern auch im häuslichen Umfeld. „Unsere Gesellschaft wird immer älter. Ich kann mir gut vorstellen, dass es solche Systeme vielen älteren Menschen ermöglichen werden, weiterhin unabhängig in ihrer Wohnung zu leben, wenn sie das alleine nicht mehr könnten.“ Das Potenzial zu einem Massenprodukt sei jedenfalls gegeben, so dass solche Robotersysteme dem Auto sowie der Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik als Boombranche folgen könnten.
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