Auf dem Weg zur vierten industriellen Revolution: Die Miniaturfabrik von Fraunhofer verbindet die reale mit der virtuellen Welt (kleines Motiv rechts unten).
Fraunhofer IGD
Industrie 4.0 und cyber-physische Äquivalenz: Industrielle Prozesse sind heute mechanisiert, elektrifiziert und digitalisiert. In Zukunft sollen sie intelligent werden. Damit verschwimmt die Grenze zwischen virtueller und realer Welt immer stärker.
"Während die Herstellungsprozesse heute zentral ausgerichtet sind, soll zukünftig jedes Objekt mit künstlicher Intelligenz ausgestattet sein – sei es Maschine, Anlage, Werkstück und Werkzeug", erklärt Professor Uwe Freiherr von Lukas vom Rostocker Standort des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung (IGD). Konkret heißt das: Maschinen und Roboter tauschen Informationen aus, treffen selbstständig Entscheidungen und steuern sich selbst. Und das alles in Kooperation mit den beteiligten Menschen.
Produzierende Unternehmen sind einem Wandel ausgesetzt: Kunden verlangen nach immer individuelleren, differenzierteren Produkten. Gleichzeitig steht die vierte industrielle Revolution bevor. Davon gehen zumindest viele Wissenschaftler und Experten aus. Nach Wasser- und Dampfkraft, elektrischer Energie sowie Elektronik und Informationstechnologie sollen nun vernetzte Sensorik und Simulation in die Fabrikhallen einziehen. So werden Produkt- und Produktionssysteme über System- und Firmengrenzen miteinander vernetzt sein. Im Sinne eines Cyber Physical Systems werden Produktionsanlagen flexibel, können sich selbst konfigurieren und teilweise selbst organisieren. Die Produkte der Smart Factory wissen jederzeit, wo sie sind, kennen ihre Historie, ihren aktuellen Zustand und die Produktionsschritte, die ihnen zum fertigen Produkt noch fehlen. Doch wie kann das gelingen? Dazu müssen sich reale und virtuelle Welt noch enger verzahnen.
Erste Schritte in Richtung cyber-physische Äquivalenz: die Fraunhofer-Miniaturfabrik
Wie ein solche Verzahnung aussehen kann, zeigen zum Beispiel Forscher des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD gerade auf der Euromold in Frankfurt am Main. Dazu haben die Wissenschaftler eine Miniaturfabrik gebaut – unter anderem mit einem kleinen Roboter, der Tonnen versetzt. Die Forscher beobachten die Abläufe des Modells mit einer Kamera. Sie nimmt zehn Bilder pro Sekunde auf und erfasst kontinuierlich den Status der realen Welt und überträgt diesen ins Virtuelle.
Beispielsweise lässt sich mit dem Modell die Fahrbahn eines Gabelstaplers planen, erklärt das Fraunhofer IGD: Während sich dieser virtuell durch die digitalisierte Fabrikhalle bewegt, analysiere das System, wo und wann es zu einer Kollision zwischen ihm und einem realen Roboter kommt. In der Miniaturfabrik lassen sich Gegenstände umsortieren. Halte man zum Beispiel eine Hand in den Weg des virtuellen Staplers, erkenne das System das neue Hindernis. "Dies ist der erste Schritt in Richtung cyber-physische Äquivalenz. Einem Zustand, indem man beliebig zwischen realer und virtueller Welt hin und her wechseln kann. Bisher bezieht sich dieser Begriff auf die geometrische Ausprägung von realer und virtueller Welt. Weitere Merkmale, die Funktion und Verhalten einschließen, sollen folgen", sagt Professor André Stork, Abteilungsleiter am Fraunhofer IGD.
Mit Industrie 4.0 Einzelstücke und Kleinserien rentabel fertigen
Was aber genau soll diese flexible Industrie 4.0 ermöglichen? Kurzum: Die europäischen Fabriken sollen damit konkurrenz- und wettbewerbsfähig bleiben. Denn während Asien bei der Massenproduktion die Nase vorne hat, liege Europas Zukunft in der Produktion von Einzelstücken und Kleinserien, erläutern die Experten vom Fraunhofer IGD. Durch die Möglichkeiten der Industrie 4.0 ließen sich Produktionslinien schnell umgestalten und anpassen. Damit könnten auch Kleinserien und individuelle Produkte rentabel gefertigt werden. Bislang nutzten Betriebe lediglich den umgekehrten Weg, erklärt das Fraunhofer IGD: Sie planen und optimieren die Produktionsstraßen im Computer und übertragen sie ins Reale. Der Weg zurück werde nicht oder nur selten beschritten. Ändere sich etwas im Produktionsablauf, überträgt man das nur in Einzelfällen in die virtuelle Anlage. Die Miniaturfabrik des Fraunhofer IGD soll zeigen, dass es bereits heute schon anders gehen könnte.
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