KI in der Produktion ist Pflicht

Der Geburtstagsslogan der SmartFactory Kaiserslautern (SFKL) „20 Jahre Zukunft“ drückt aus, wofür sie stand und steht: Für die Produktion der Zukunft. „Die Zukunft von gestern ist heute unsere Gegenwart,“ sagt Pressesprecher Dr. Ingo Herbst. „Industrie 4.0 ist in der Anwendung angekommen. Wenn wir uns auf der Hannover Messe umschauen sehen wir allerorts digitale Technologien, wofür vor 20 Jahren die Grundlagen geschaffen wurden.“

Auf der Hannover Messe zeigte das Forschungsnetzwerk mit seinen Industriepartnern, welche Produktionsentwicklungen für die Industrie wichtig werden. Dabei sprach die SFKL dieses Jahr die Besucher mit Fragen direkt an. „Wir versuchen“, so Herbst, „den unterschiedlichen Zielgruppen den Nutzen der neuesten Technologien zu verdeutlichen. Sie sollen erkennen, dass sich damit schnell Geld und Ressourcen sparen lassen. Wir haben in den letzten Jahren Industrieprojekte durchgeführt, wo Unternehmen durch die Implementierung von KI, also kleiner Softwareschnipsel, signifikant Kosten reduzieren konnten.“ Das ist es, was die SFKL immer wieder betont: IT und OT fließen ineinander. „Die Denkweise in Kabeln bei Steuerungen muss sich in Richtung moderner Programmierung in Hochsprachen verändern“, betont Herbst.

60 Jahre alte Fräse mit Digitalem Zwilling

Um den Zusammenhang zwischen gestern, heute und morgen zu zeigen, haben die Experten einen alte Fräse mit einem mit Vorschubmotoren, Digitalem Zwilling und einer CNC-Steuerung ausgestattet. Die Fähigkeiten (Skills) der Fräse sind als Skills aufrufbar, so zum Beispiel das Fräsen von Rechteck- oder Kreistaschen. Sie sind über eine einheitliche OPC UA-Schnittstelle ansteuer- und parametrisierbar. Der Digitale Zwilling kalkuliert vor Arbeitsbeginn u.a. Kosten und Energiebedarf, plant die Trajektorie und prüft diese auf Kollisionen. Somit übernimmt er die Rolle eines CAM-Systems und gibt Informationen zurück, die z.B. zur Erstellung eines Angebots genutzt werden können. Der Digitale Zwilling hilft somit den gesamten Planungsprozess zu automatisieren und zu optimieren.

„Geometrische Features eines Bauteils können mit Hilfe modernster Industrie 4.0-Paradigmen direkt aus dem CAD heraus gefertigt werden“, erläutert Herbst. „Das spart zeitaufwändige Programmierarbeit.“ Bei der Suche nach passenden Maschinen für einen bestimmten Auftrag, meldet sich die Fräse, SkillMill genannt, wie auch alle weiteren Maschinen mit ähnlichen Fähigkeiten im Maschinenpark gemäß dem Skill-basierten Ansatz automatisch zurück. Um sicher zu gehen, dass ein Skill mit seinen spezifischen Parametern ausführbar ist, führt der Digitale Zwilling im Vorfeld einen Feasibility-Check durch, um die Machbarkeit des Arbeitsauftrages zu überprüfen.

„Alte Maschinen sind noch häufig in Produktionshallen zu finden, werden aber mitunter wenig genutzt und sind mit modernen Fertigungssystemen oft nicht kompatibel“, so Andreas Wagner von der RPTU Kaiserslautern, der das Projekt verantwortet. „Das Beispiel zeigt, dass solche Maschinen durch ein Retrofitting in die Zukunft transferiert werden können.“ Denkbar wäre auch eine Einbindung in Datenräume, wie sie mit Gaia-X oder Manufacturing-X angedacht sind.

Mit der Produktionsinsel Phuket führte die SFKL vor, wie der Skill-basierte Ansatz in der Praxis moderner Produktionssysteme funktionieren kann. In Sekundenschnelle passt sich der Produktionsplan dynamisch an die Verfügbarkeit von Bauteilen oder vorhandenen Maschinen an. „Aktuell schwankende Lieferketten oder Materialengpässe können von unseren Software-Agenten aufgefangen werden“, sagt Herbst. „Zeitintensive und damit teure Planungs- und Steuerungsaufwände entfallen.“

KI, Roboter und Menschen werden Kollegen

Im Montagemodul von Phuket führt ein Cobot verschiedene Fertigungsprozesse durch. Er kann zwischen Cobot- und Industrierobotermodus wechseln. Das integrierte Safety-Konzept wurde in einer Arbeitsgruppe der SFKL in Zusammenarbeit mit TÜV Süd und Sick entwickelt. Es basiert auf Sick-Sensorik, die sicherstellt, dass der Betrieb entsprechend der Sicherheitsanforderungen angepasst und der oder die Werker:in nicht verletzt werden kann. Die Steuerung des Cobots erfolgt über menschliche Gestenerkennung, wodurch eine direkte Interaktion möglich ist.

Implementiert ist zudem eine automatisch generierte Werkerassistenz, die sich aus den Informationen der Verwaltungsschale (AAS) ableitet. Dabei wird die Arbeitsplatzkonfiguration, wie beispielsweise Tischhöhe oder Assistenzkomplexität, an die persönlichen Präferenzen und Qualifikationsnachweise des Arbeitenden angepasst. So können Mitarbeitende flexibel jede Arbeit durchführen, oder auch Ungelernte im Produktionsprozess leichter eingesetzt werden.

Jede Erfolgsgeschichte hat ihre Vorgeschichte

Was heute Alltag ist, begann als Idee natürlich viel früher. In den 1990er Jahren wurde das Internet real. Der Legende zufolge war es Prof. Detlef Zühlke, der darüber nachdachte, Produktionsmaschinen zu vernetzen, um die Fertigung auf ein neues Niveau zu heben. Die Forschung beschäftigte sich seit Anfang der 2000er mit dem Internet of Things. „Auch Smart Homes gab es, sodass eigentlich der Sprung gar nicht so groß war zu sagen, wir wollen auch eine SmartFactory haben,“ erzählt Zühlke. 2005 gründeten sieben Unternehmen und Forschungseinrichtungen (DFKI, BASF, KSB, Pepperl+Fuchs, ProMinent, Siemens, TU Kaiserslautern) die „Technologie-Initiative SmartFactory KL“ (SFKL).

Schnell wurde mit dem Bau eines Demonstrators begonnen, um die Idee praktisch umzusetzen. „Wir wollten nicht nur Laptop Forschung machen, sondern wir wollten wirklich forschen und gemeinsam mit der Industrie arbeiten“ so Zühlke und betont, dass unbedingt herstellerneutral gearbeitet werden sollte. „Zum Schluss war es eigentlich relativ einfach, das Ganze auf die Schiene zu setzen und damit die Vorbereitung zu leisten, was dann später sozusagen als Urknall, als Industrie 4.0 bezeichnet wird. Das kam ja erst einige Jahre später. Aber die ganzen Arbeiten, die dazu notwendig waren, die wurden in der SFKL begonnen.“