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Das Bereitstellen von Schnittstellen, die in der Lage sind, in allen Phasen eines Produktionsprozesses zu „kommunizieren“, und die den Weg für ein effektives industrielles Automatisierungssystem ebnen: Das ist das Ziel des Digital Twin – des digitalen Zwillings – einer Innovation mit dem Potenzial, Design, Produktion, Vertrieb und Instandhaltung komplexer Produkte in zahlreichen Branchen radikal zu verändern. Ermöglicht wird diese Innovation durch Edge Computing – eingeführt von Concept Reply Deutschland, einem Unternehmen, das seit vielen Jahren im Bereich von IoT- und End-to-End-Lösungen für industrielle Prozesse tätig ist.
Concept Reply hat in den vergangenen Jahren verschiedene Digital Twin-Lösungen entwickelt: Eine der interessantesten und vielversprechendsten Lösungen ist das Projekt zur Industrialisierung und Digitalisierung von Additive Manufacturing (IDAM) für Serienprozesse im Automobilbau. Das – vom Bundesministerium für Bildung und Forschung – geförderte Projekt soll der Technologie der additiven Fertigung mit Metallen den Weg in einen industrialisierten und hochgradig automatisierten Prozess wie den des Fahrzeugbaus ebnen.
Zu den wichtigsten Vorteilen des IDAM gehört die Möglichkeit, die Fertigung von Bauteilen effizienter zu machen und Prozesse in Hinblick auf Kosten und Zeit zu optimieren, indem die erforderlichen manuellen Abläufe reduziert und Ressourcen gespart werden. Darüber hinaus eröffnet diese Technologie neue Möglichkeiten für die so genannte „Mass Customization‟, die kundenindividuelle Massenproduktion von Automobilprodukten, bei der Bauteile bestellt werden können, ohne zusätzliche Prozesse oder Änderungen in den Fertigungslinien zu erfordern.
Dieser Prozess hat das Potenzial, Produktionsabläufe grundlegend zu verändern und leichtere, robustere und komplexere Teile zu fertigen. Bei der additiven Fertigung wird ein physisches Objekt auf Basis eines computergestützten 3D-Designmodells erstellt, indem das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, sodass präzise geometrische Formen entstehen. Durch die Kombination von additiver Fertigung mit IoT kann der Produktionsprozess intelligenter und effizienter gestaltet werden, wobei auch die Qualität der Bauteile verbessert wird. Außerdem kann mithilfe eines in einer IoT-Umgebung ausgeführten Digital Twin Software entwickelt werden, die auf einem Gateway läuft und die Automatisierung verschiedener Schritte des Fertigungsprozesses sowie die Vernetzung mehrerer Systeme und das Speichern wie Verteilen von Daten erlaubt.
Während der Projektumsetzung leisten die Experten von Concept Reply Beiträge zur Einrichtung einer leistungsfähigen IoT-Architektur: dank eines Edge-Gateways, das alle Maschinen in den Fertigungslinien vernetzt, sowie mithilfe eines auf dem Edge-Gateway ausgeführten Digital Twin. Ein Edge Gateway-System im IoT-Bereich ermöglicht die sichere Verbindung von Maschinen zur Sammlung, Speicherung, Anzeige und Analyse von Telemetriedaten sowie zur Vereinfachung der für die Serienproduktion erforderlichen Automatisierungsprozesse. Die Implementierung eines Digital Twin ist mehr als eine in Echtzeit erstellte digitale Kopie der Fertigungslinie: Sie liefert ein sich laufend weiterentwickelndes Profil, das auf historischen Daten sowie aufgrund probabilistischer Simulationen ermittelten potenziellen Zuständen basiert. Eine Kombination hieraus ermöglicht das Überwachen von Systemen, die Automatisierung von Prozessen, die Prävention von Problemen, bevor diese auftreten, und die Entwicklung von Verbesserungen und Vorhersagen durch Simulationen.
Die Entwicklung eines Digital Twin ist für den Erfolg des IDAM-Projekts entscheidend. Der Digital Twin wird zu einem Hub für alle Datenanalyse- und Visualisierungstools und erleichtert die Kommunikation zwischen Maschinen und der Fertigungslinie als Ganzes. Er ermöglicht darüber hinaus die Integration von Entwicklungen in den Bereichen Big Data und KI – mit dem Ziel der Orchestrierung hochgradig komplexer Interaktionen zwischen den verschiedenen Maschinen in der gesamten Produktionsumgebung. „Künstliche Intelligenz ist der Katalysator für die Freisetzung des disruptiven Potenzials der additiven Fertigung. Durch die Nutzung von Digital Twins für Echtzeit-IoT wird die Prozesskette der additiven Fertigung weiter standardisiert, Kosten sinken und Lieferzeiten verkürzen sich. Unser Ziel ist die Herstellung industrieller Komponenten unter hochqualitativen Serienbedingungen mit widerstandsfähigen Prozessen und einer robusten Produktion. Die Teilnahme am IDAM-Projekt sowie die Möglichkeit zur Zusammenarbeit mit dedizierten Partnern ist für uns der beste Weg zum Erfolg‟, kommentiert Sebastian Blümer, Technology Manager Laser AM bei GKN Additive und Leiter des IDAM-Arbeitspakets für die intelligente digitale Prozesskette.
Das Projektziel ist, mehr als 50.000 Komponenten pro Jahr bei der Fertigung von Gleichteilen sowie über 10.000 Einzel- und Ersatzteile durch eine modulare und hochgradig automatisierte Fertigung liefern zu können. Heute wurden bereits verschiedene Maschinen konzipiert und der erste Maschinenprototyp gebaut. Es gab eine erste Analyse zur Pulverwiederverwendung und Untersuchungen zur Erhöhung/Senkung der Laserstärke, um ein Überhitzen zu vermeiden.
Das Projekt will zum einen eine bessere Fertigungslinie für Automobilhersteller schaffen und zum anderen Erkenntnisse zur Implementierung von Edge-Gateway-Lösungen sammeln. Solche Lösungen könnten in den Fertigungslinien all jener Branchen eingesetzt werden, in denen die Konnektivität von Maschinen und Prozessen, die Überwachung von Ressourcen und Performance sowie ein Digital Twin oder Machine Learning-Anwendungen eine zentrale Rolle spielen.