Warum die Welt cyberphysisch wird - und wie gentelligente Systeme dazu beitragen

Die denkende Fabrik und smarte Produkte: Eine Welt, in der Bauteile und Werkzeuge fühlen und ihre Zustände kommunizieren können. Diese Vision beschäftigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Sonderforschungsbereich 653 - Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus. Ihre Realisierung wird die Produktion von morgen nachhaltig beeinflussen.

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 653 "Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus - Nutzung vererbbarer, bauteilinhärenter Informationen in der Produktionstechnik" greift die Ideen der fühlenden und kommunizierenden Produkte auf und entwickelt sie weiter. 2005 zeigte der SFB 653 erstmals die Vision auf, Bauteil ihren Zustand eigenständig überwachen zu lassen, ihre Restlebensdauer zu bestimmen und bei Bedarf selbstständig eine Inspektion zu veranlassen. Unfälle aufgrund verfrühter Ermüdungsbrüche und teure Rückrufaktionen beispielsweise in der Automobilindustrie könnten vermieden werden. In den Folgejahren hat der SFB Prototypen mit erweiterten Fähigkeiten wie Belastungserfassung und Informationsvererbung entwickelt, die neue Produktionstechnologien erdorderten und neue Instandhaltungsprozesse ermöglichten.

 In der Vergangenheit wurden so Maßstäbe gesetzt, die sich auch in neusten Forschungsansätzen widerspiegeln: So hat 2012 gemeinsam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Bundeswirtschaftsministerium gestarteten Forschungsinitiative "Industrie 4.0" die zunehmende Integration digitaler Information und zugehöriger physischer Komponenten unter dem Begriff "cyberphysische Systeme" Einzug in Forschung und Industrie gehalten. Bis 2020 soll sich Deutschland zum Leitanbieter für cyberphysische Systeme entwickeln.

Viele Ansätze der neuen Forschungsinitiativen fokussieren den Einsatz von RFID-Technologien (RFID: Radio Frequency Identification). Die Forschung im Sonderforschungsbereich 653 geht einen Schritt weiter, indem die physikalische Trennung von Bauteil und dazugehöriger Information vollständig aufgehoben wird. Heute bilden Bauteil und zugehörige Information nur in der Entwicklungsphase, in Form eines virtuellen Bauteils eine Einheit. Im weiteren Lebenszyklus (Herstellung, Nutzung, Wiederverwertung) kommt es im Allgemeinen zur physischen Trennung des Bauteils von den dazugehörigen Informationen. Das Produktionsdatum und die Produktionshistorie, Qualitätsinformation, Werkstoff, Änderungsstand, Produktmodelle und andere Informationen sind nicht mehr direkt verfügbar. Um auf die Informationen eines individuellen Bauteils zugreifen zu können, muss im Regelfall die Seriennummer des Bauteils - sofern eine eindeutige existiert - ausgelesen und anschließend auf eine örtlich getrennte Datenbank zugegriffen werden.

 Im Vordergrund des SFB 653 steht deshalb die Erforschung und Entwicklung neuer Produktionstechniken, die Bauteile befähigen, inhärent Informationen über sich und ihren Lebenszyklus aufzunehmen und inhärent zu speichern. Die Integration von sensorischen Komponenten in komplexe Maschinen schafft eine völlig neue Dimension der Zustands- und Prozessbewertung. Im Zusammenschluss zum System entstehen so neue Möglichkeiten einer sich kontinuierlich im Prozess anpassenden Fertigungsplanung und -steuerung.

In 17 interdisziplinären Teilprojekten werden im SFB 653 unterschiedliche Technologie- und Anwendungsbereiche untersucht, zusammengeführt und Ergebnisse in die industrielle Anwendung überführt. Neben der Fakultät für Maschinenbau und der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Leibniz Universität Hannover ist auch das Laser Zentrum Hannover e. V. beteiligt. 

Der Begriff gentelligent setzt sich aus genetisch und intelligent zusammen und beschreibt in Anlehnung an die Biologie Bauteile mit genetischen und intelligenten Eigenschaften. Bauteile werden befähigt, Informationen in ihrem Lebenszyklus zu sammeln, zu speichern und zu kommunizieren. Damit wird die Grundlage zur Übertragung von Prinzipien der Biologie im Sinne des Vererbens von Informationen an langen Lernens geschaffen. Die Nutzung von realen Produkterfahrungen im Lebenszyklus für die Produkt- und Produktionsevolution bezeichnet der SFB 653 als technische Vererbung.

Als genetische Informationen eines Bauteils werden grundlegende Informationen, die zur Identifikation oder Reproduktion erforderlich sind, wie geometrische Beschreibungen oder Materialinformationen, interpretiert. Diese Informationen sind als statische, unveränderbare Daten im Bauteil gespeichert und können von älteren Bauteilgenerationen vererbt worden sein. Daneben enthält das Bauteil Informationen zu seiner Herstellung, die beispielsweise durch Qualitätsinformationen erweitert werden können. Die Intelligenz des gentelligenten Bauteils entsteht durch seine technische Fähigkeiten, Informationen in der Nutzungsphase, wie einwirkende Kräfte und Temperaturen, selbstständig inhärent erfassen, verarbeiten und speichern zu können. Dies erfolgt durch geeignete Materialien und Sensorik, die in das Bauteil integriert sind. Die in dem Bauteil gespeicherte Gesamtheit an Informationen kann bei Bedarf entweder direkt an den Nutzer des Bauteils kommuniziert oder bei Ausbau oder Austausch des Bauteils ausgelesen werden. Diese Gesamtheit an Informationen ist inhärent mit dem gentelligenten Bauteil verbunden und jederzeit abrufbar. Ein gentelligentes Bauteil ist somit durch inhärente sensorische Eigenschaften und die Fähigkeit zur bauteilinhärenten Datenspeicherung und -kommunikation gekennzeichnet (Bild 1). 

Die inhärenten Fähigkeiten, Wissen zu speichern, Erfahrungen zu erlangen und zu kommunizieren, ermöglichen sowohl während der Produktion als auch im Lebenszyklus und bei der Weiterentwicklung eines Bauteils beispielsweise: 

• die eindeutige Produktidentifizierung und ihre Anwendung als Plagiatsschutz, 
• die gezielte Fertigungs- und Montageplanung bzw. Fertigungssteuerung,
• die Ermittlung von Ausfallursachen, Ausfallwahrscheinlichkeiten und Restlebensdauer sowie die Ermittlung dynamischer Wartungsintervalle,
• die Auslegung neuer Bauteile mit Hilfe realer Belastungsprofile, die während der Nutzungsphase von Vorgängerbauteilen ermittelt wurden.

Der Transfer der Ergebnisse aus dem Sonderforschungsbereich in die Anwendung wird mit dem aus dem SFB 653 hervorgegangenen „Production Innovations Network“ (PIN) maßgeblich vorangetrieben.

In der Fabrik der Zukunft werden Bauteile und Maschinen miteinander kommunizieren und eigenständig Entscheidungen treffen. Mit der Entwicklung gentelligenter Bauteile, Werkzeuge und Systeme werden die Grundlagen für eine vernetzte Produktion einer Industrie 4.0 geschaffen.