Industrie 4.0 : „Smarte“ Maschinen sind in der deutschen Fabrik schon zu Hause

Jede vierte Maschine in der deutschen Industrie ist laut einer aktuellen Studie des Bitkom zufolge bereits und vernetzt. Das volle Potenzial werde aber lange noch nicht ausgeschöpft.

53 Prozent der von Bitkom befragten Unternehmen wollen in diesem Jahr ihre Mitarbeiter für Industrie 4.0 selbst weiterbilden.

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Jedes zweite Unternehmen aus dem produzierenden Gewerbe nutzt laut einer aktuellen Studie des Digitalverbands Bitkom schon Anwendungen für die sogenannte Industrie 4.0 mit ihrer breiten Vernetzung von Technik. „In den vergangenen Jahren hat sich in Sachen Industrie 4.0 viel getan“, sagte Achim Berg, Bitkom-Präsident. Die Kommunikation unter vernetzten Maschinen sei „in den Fabriken Realität“. In Hannover dreht sich auf der am Montag beginnenden Industriemesse alles rund um die vernetzte Zukunft der Industrie.

Mit Hilfe von Sensoren, der Analyse großer Datenmengen und neuen Technologien wie etwa dem 3D-Druck ist der digitale Wandel in der Industrie inzwischen weit fortgeschritten. Die Unternehmen erhofften sich vor allem, Fertigungsprozesse zu optimieren, Kosten zu senken und damit wettbewerbsfähig zu bleiben, hieß es in Hannover. Mehrheitlich (79 Prozent) gehen die Unternehmen der Studie zufolge dabei strategisch vor.

Lediglich 55 Prozent hätten jedoch eine Strategie für das gesamte Unternehmen, 42 Prozent nur für einzelne Bereiche. Alte Geschäftsmodelle würden gerade in Zeiten der Hochkonjunktur noch gut funktionieren, sagte Berg. „Um das volle Potenzial von Industrie 4.0 auszuschöpfen, müssen aber alle Bereiche konsequent digital aufgestellt werden.“ Nur so könne man seinen Kunden neue datenbasierte „Smart Services“ bieten.

Unternehmen hätten allerdings zunehmend Schwierigkeiten, Mitarbeiter zu finden, so der Bitkom. Besonders Großunternehmen seien davon betroffen. Laut Studie wurden etwa jedem fünften Industriekonzern mit 500 und mehr Mitarbeitern bereits Fachkräfte abgeworben. 53 Prozent der befragten Unternehmen wollen in diesem Jahr ihre Mitarbeiter für Industrie 4.0 selbst weiterbilden. Entscheidend für den Erfolg werde es sein, die Menschen für den digitalen Wandel zu gewinnen, sagte Berg. Für die repräsentativen Ergebnisse wurden Produktionsleiter, Vorstände oder Geschäftsführer von 553 Industrieunternehmen ab 100 Mitarbeitern im Auftrag des Bitkom im Vorfeld der Hannover Messe befragt.

Industrie-Arbeitsplätze sind oft nicht ergonomisch – oder werden schlichtweg nicht optimal genutzt. Der Automatisierungsspezialist Festo zeigt in Hannover den Bionic Workplace. Dieser kombiniert einen BionicCobot (ein Cobot ist ein kollaborativer Roboter, der direkt mit Menschen zusammenarbeitet) mit einem KI-System, damit der Roboter menschlichen Mitarbeitern künftig besser zur Hand gehen kann.

Aber auch weitere, untereinander vernetzte Assistenzsysteme und Peripheriegeräte erlauben am Arbeitsplatz der Zukunft den gegenseitigen Datenaustausch. KI-basierte Machine-Learning-Technologien sollen dafür Sorge tragen, dass sich der gesamte Platz fortlaufend selbst analysiert und optimiert.

Die Kooperation mit dem Roboter wird nicht nur durch unmittelbare Interaktionen durch Sprache, Berührungen oder Gesten realisiert, sondern auch über eine Funktion zur Fernbedienung: Als Steuerungszentrale kommt ein Tablet mit der Robotic Suite von Festo zum Einsatz.

Von der neuen Lösung verspricht sich der Esslinger Automatisierungsspezialist eine insgesamt sicherere und effizientere Cobot-Bedienung zur Fertigung individueller Produkte selbst in Kleinstückzahlen und von Maßanfertigungen in Losgröße 1.

Foto: Festo AG

Mit 3D-Druckverfahren lassen sich Bauteile flexibler herstellen – besonders interessant für geringe Stückzahlen im Kleinserien- und Prototypenbau. Doch oft haben die Teile aus dem 3D-Drucker nicht dieselben Eigenschaften wie ein konventionell hergestelltes Bauteil.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zeigt auf der Hannover Messe ein neues Verfahren, das die Forscher „additives Freiformgießen“ nennen. Dabei sollen die 3D-gedruckten Werkstücke bei den Eigenschaften denen aus einer klassischen Spritzgussmaschine entsprechen. Bei dem neuen Verfahren verwendet das IPA einen anderen Kunststoff – hitzebeständigere Duroplaste anstatt der weicheren Thermoplaste. Mit einem Partner soll das Konzept jetzt verfeinert werden – damit das additive Fertigungsverfahren seine Kostenvorteile schnell ausspielen kann.

Foto: Fraunhofer IPA

Mit einem selbst entwickelten Multimaterial-3D-Druckverfahren kommt die TU Chemnitz auf die Hannover Messe. Die Forscher konnten damit einen kompletten Elektromotor drucken, der sehr temperaturbeständig ist. Laut den Forschern sei die Obergrenze allein durch die ferromagnetischen Eigenschaften des verwendeten Eisens gesetzt, die bei rund 700 Grad liegt. Das neue Verfahren, bei dem hochviskose Kupfer-, Eisen-, und Keramikpasten im Extrusionsverfahren geschichtet und anschließend gesintert werden, soll jetzt zur Serienreife entwickelt werden.

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An einem anderen 3D-Druckverfahren arbeitet das Wiener Start-up Cubicure. Oft sei es schwer, die Anforderungen der Industrie in den Bereichen Präzision, Oberflächenqualität und Materialeigenschaften gleichzeitig zu erfüllen. Ein Beispiel ist das Stereolithografieverfahren (SLA), bei dem flüssiges Harz gezielt ausgehärtet wird. Die eingesetzten Materialien sind spröde und können ihre Form bei hohen Temperaturen nicht gut halten. Zusammen mit der TU Wien hat Cubicure neue Harze entwickelt, die das Problem lösen sollen.

Die verarbeiteten Harze sind hart, hitzebeständig und bis 75 Grad stoßfest. Das Unternehmen sieht Anwendungspotenzial unter anderem im Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt, in der Elektro- und Elektronikindustrie oder im Maschinenbau.

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In vielen Produktionshallen herrscht das Fließband. Die Roboter und Produktionsmaschinen sind stationär, das Werkstück bewegt sich von Station zu Station – etwa in Autofabriken. Im Flugzeugbau ist das anders, der Flieger steht und nimmt in der Regel einen Großteil der Halle ein. Wegen der hohen Nachfrage und den stetig steigenden Produktionsraten muss auch hier die Produktion effizienter werden.

Das Fraunhofer IFAM hat deshalb ein System entwickelt, das aus einem Standard-Industrieroboter einen mobilen CNC-Fräsroboter macht. Der Roboter auf seinem fahrbaren Untersatz ist der weltweit einzige mobile Bearbeitungsindustrieroboter, der die Genauigkeitsanforderungen der Luftfahrt erfüllt. Er kann einen Fräsprozess nach einem Standortwechsel mit einer Genauigkeit von ± 0,2 Millimeter wieder aufnehmen – auf einer Gesamtlänge von bis zu 20 Metern.

Foto: Fraunhofer IFAM

Das Projekt SmartBlades geht in die zweite Runde: Nach den ersten Ergebnissen aus dem Jahr 2016 will das Verbundforschungsvorhaben unter Führung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun eine sogenannte Biegetorsionskopplung (BTK) für Rotorblätter von großen Windkraftanlagen entwickeln.

Das Problem: Bei 85 Meter langen Rotorblättern, die in 200 Metern Höhe montiert sind, treten enorm schwankende Kräfte auf. Bei starken Böen müssen heutige Windkraftanlagen ihre Leistung drosseln. Die neue Kopplung soll in der Lage sein, sich den schnell ändernden Windbedingungen besser anzupassen. So soll der Verschleiß sinken und die Effizienz steigen.

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Die Europalette ist aus der Logistik nicht mehr wegzudenken. Die European Pallet Association e.V. (EPAL) verfügt mit rund 500 Millionen Paletten allein in Europa über den weltweit größten Palettenpool. Doch was wäre, wenn die Palette selbst Teil eines intelligenten Logistik-Netzwerks werden könnte? Genau das haben die EPAL und Wissenschaftler des Fraunhofer IML gemacht: Eine klassische Europalette zu einem automatisch verfolgbaren Ladungsträger weiterentwickelt. Die neuen Paletten kommunizieren mithilfe von NarrowBand IoT der Deutschen Telekom über Smart Devices in einem dezentralen Netzwerk.

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In vielen Fabriken ist das Geräusch der Vakuum-Sauggreifer unüberhörbar. Die mit Druckluft betriebenen Greifer bewegen viele Bauteile zuverlässig – und könnten doch durch eine neue Entwicklung ersetzt werden.

Auf der Hannover Messe stellen Forscher der Universität des Saarlandes einen Roboterarm mit „künstlichen Muskeln“ vor. Der Greifer arbeitet nur mit Strom und ist damit geräuschlos.

Die Forscher machen sich dabei das sogenannte Formgedächtnis einer Nickel-Titan-Legierung zunutze: Ähnlich der Muskelfaser verkürzen sich dünne Drähte dieser Legierung, wenn sie unter Strom stehen. Danach kehren sie in ihre vorherige Form zurück. Ein weiterer Vorteil: Die Technologie kann auch in Reinräumen eingesetzt werden. Auf der Messe suchen die Forscher Partner für einen konkreten Praxiseinsatz.

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Bei dieser Entwicklung sprechen einige Beobachter von der sprichwörtlichen eierlegenden Wollmilchsau: Glaubt man den Forschern vom Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes, dann haben sie ein Universalbauteil entwickelt, dass sowohl Sensor als auch Aktuator sein kann – und noch dazu fast beliebig einsetzbar.

Die hauchdünne Silikonfolie ist beidseitig mit einer leitfähigen Schicht bedruckt. Legt man eine elektrische Spannung an, verformt sich die Folie. Der Leiter des Forscherteams Stefan Seelecke kann sich einige Einsatzmöglichkeiten vorstellen: als stufenloser Schalter, selbstdosierendes Ventil, motorlose Pumpe, Positionssensor und sogar als Fühlhilfe in Touch-Bildschirmen.

Der Vorteil: Die Folie benötigt anders als herkömmliche Ventile keine Energie, um seine Position zu halten – sondern nur um die Position zu ändern. Als Druckluftventil etwa ist die Folie 500 Mal effizienter als ein Elektromagnetventil.

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Der 3D-Druck erlaubt inzwischen hochpräzise Bauteile. Eine Weiterentwicklung zeigen Forscher der Universität Neuchatel in Hannover: Sie haben einen Mikrowellen-Hohlraumresonator gedruckt – also den Taktgeber von Atomuhren. In der Industrie werden Atomuhren vor allem bei der Kalibrierung benötigt. Allerdings ist es genau die notwendige Präzision, welche die Produktion von Hohlraumresonatoren normalerweise komplex und teuer macht. Das additive Fertigungsverfahren könnte nun nicht nur Kosten, sondern auch bis zu 30 Prozent des Gewichts einsparen. Auch andere Sensoren könnten also künftig aus dem Drucker kommen.

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Nur wenige Millimeter groß ist der Kleinstcomputer, mit dem IBM die Lieferketten kontrollieren will. In dem winzigen Rechner sind Prozessor, Arbeitsspeicher und die Stromversorgung über eine Solarzelle integriert. Der Mini-Rechner, der laut IBM in einer serienreifen Variante rund zehn Cent pro Stück kosten soll, kann dann als Kryptoanker in verschiedene Produkte integriert werden – und so als intelligentes Echtheitszertifikat Diebstahl oder den Austausch gegen eine Produktfälschung erschweren. Diese Aufgabe übernehmen heute RFID-Chips, IBM verspricht sich von dem Kleinstcomputer ein wesentlich breiteres Anwendungsspektrum.

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Roboter ermüden nicht. Sie können die immergleiche Bewegung mit der immergleichen Präzision ausführen – solange sich die Bedingungen nicht ändern. Fertigungsroboter sind auf einen bestimmten Vorgang programmiert, das Chaos beherrschen sie bislang nicht.

Mit Hilfe künstlicher Intelligenz kann sich der an der UC Berkeley entwickelte Greifroboter die beste Greif-Methode selbst beibringen. Die technische Basis bildet ein Yumi von ABB – doch die Besonderheit sind nicht die Greifarme, sondern die Algorithmen dahinter. Der Roboter rechnet den besten Winkel aus, um ein Objekt zu greifen – und verschiebt dabei auch andere Gegenstände, um sie besser erkennen zu können. Aus seinem „Trial and Error“ lernt der Roboter und abstrahiert aus einmal gelernten Objekten auf ähnliche Gegenstände. So soll er immer schneller und effizienter werden. Aktuell setzt der Roboter dabei auf eine 3D-Kamera, die an dem Greifarm montiert ist.

Noch ist der Mensch im Vorteil: Bei chaotischen Sortieraufgaben kommen Menschen auf über 400 Greifvorgänge pro Stunde. Konventionelle Roboter schaffen nur 100 „Picks“, der außergewöhnlich geschickte Greifroboter aus Berkley immerhin bis zu 300 Greifvorgänge.

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Continental vernetzt seine Reifen und bietet die Daten Flottenmanagern an. Über die Plattform ContiConnect haben die Flottenverantwortlichen Zugriff auf alle Reifendaten der Flotte. Sensoren an den Reifen messen Parameter wie Druck oder die Temperatur. Diese und andere Werte, die Rückschlüsse über den Reifenzustand zulassen, übermitteln über Funktechnik des Technologiepartners Vodafone die Daten an Conti-Server. Der Flottenmanager kann so sehen, wo ein Reifen beim nächsten Service ersetzt werden muss. Andersherum warnt das System vorher festgelegte Empfänger, wenn ein Sensor kritische Werte erreicht. Vorerst ist das System nur in den USA, Kanada, Malaysia und Thailand nutzbar, im Lauf des Jahres sollen weitere Länder hinzukommen, darunter auch Deutschland. An ähnlichen Konzepten arbeiten derzeit auch andere Hersteller, darunter Goodyear und Pirelli.

Foto: Continental AG

Bei vernetzten Maschinen fallen unzählige Daten an. Doch um Rückschlüsse auf den Zustand der Maschine zu schließen, müssen die entscheidenden Daten gefiltert und interpretiert werden. Das will SAP mit einer neuen Software einfacher machen.

„SAP Predictive Engineering Insights“ kombiniert die Auswertung der Sensordaten zu Kräften, Belastungen und Materialermüdung, die in einer Anlage entstehen, mit einer 3D-Software, über die Firmen Einblick in die Geräte nehmen können.

Die Lösung ist Bestandteil von SAP Leonardo, einem Produktportfolio, in dem das Walldorfer Software-Unternehmen seine IoT-relevanten Produkte zusammenfasst. Das Know-how für die Software hat SAP mit der Übernahme des norwegischen Unternehmens Fedem Technology eingekauft. Die Software soll mithilfe von Digital Twins und vorausschauender Wartung die Verfügbarkeit und Leistung von Anlagen erhöhen und damit auch die Effektivität verbessern. Hinzu kommen Big-Data-Analysen und Simulationen, die ein Live-Management der überwachten Systeme erlauben.

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