Innovation in der digitalen Fertigung: wenn Disruptionen Teil des Alltags werden

Gepostet am Dienstag, 1. November 2022 Nach Protolabs

Innovation in der digitalen Fertigung: wenn Disruptionen Teil des Alltags werden

Heute gibt es die ersten 3D-gedruckten Prototypen eines künstlichen Herzens, intelligente Fabriken erweiterte Realität einsetzen und echte mit virtuellen Teilen zu einem Gesamtbild kombiniert werden. Die digitale Fertigung ist ein Bereich, in dem Umbrüche und Erfindungen an der Tagesordnung sind. Sehen wir uns einige der heißesten Innovationstrends näher an.

Die Innovation schreitet in der digitalen Fertigung rasant voran. Unternehmen müssen sich anpassen und weiterentwickeln, um sich zu behaupten.

Während wir auf die 5. industrielle Revolution zusteuern, nehmen Innovation und Weiterentwicklung vernetzter Systeme zunehmend an Fahrt auf.  

Additive Fertigung

Additive Fertigung ist eine Technologie, deren Konzept bereits 1945 entwickelt wurde. Doch erst 40 Jahre später wurde es in die Realität umgesetzt. Anfang der 1980er-Jahre wurde in Japan der erste 3D-Drucker dokumentiert. Diese Technik hat seitdem gewaltige Fortschritte gemacht. Trotzdem zählt der 3D-Druck verglichen mit Spritzguss und CNC zu den Neulingen im Feld der additiven Fertigung. Einige Akteure standen der Technik zu Beginn skeptisch gegenüber, doch mittlerweile haben auch sie erkannt, welche Chancen die additive Fertigung von Teilen bietet.

In der Medizinbranche erzielt der 3D-Druck einen Erfolg nach dem anderen. Ob es um Implantate und Prothesen oder Prototypen kompletter Organe (wie das erwähnte Herz ) geht: In aktuellen Untersuchungen wird vor allem erforscht, wie sich zusätzliches Gewebe aus Zellulose und organischen Materialien auf bestehende Strukturen aufbringen lassen, die anschließend implantiert werden und als funktionelles Gewebe dienen können. Das muss man sich einmal vorstellen: Chirurgen könnten künftig in der Lage sein, Organe wie Herzen mit einem 3D-Drucker herzustellen und in den menschlichen Körper zu transplantieren. 


Doch nicht nur in der Medizinbranche erleben wir faszinierende Innovationen. Der 3D-Druck hilft zum Beispiel der Luftfahrtindustrie bei der Herstellung leichterer Teile ohne Abfall zu produzieren. Es handelt sich dabei größtenteils um kleine Bauteile, aber auch am 3D-Druck ganzer Flugwerke wird bereits geforscht. Und es geht noch höher hinaus! Es besteht die Hoffnung, 3D-Drucker in den Weltraum zu bringen, vielleicht sogar auf den Mars. Sie könnten vielleicht ein großes Problem in der Raumfahrt lösen – jedes Kilogramm, das ins All befördert wird, kostet Unsummen. Mit 3D-Druckern könnten große Teile direkt auf anderen Planeten oder Trabanten gedruckt werden. Es gab sogar schon Versuche, Mondstaub in 3D zu drucken (vielmehr einer Nachbildung davon) als Druckmaterial.

Die Möglichkeiten für den 3D-Druck scheinen unbegrenzt zu sein. Immer wieder werden neue Varianten entdeckt. Wer weiß, welche Innovationen die Zukunft noch bringt?

Robotik und Künstliche Intelligenz (KI)

Eine Sache möchten wir gleich zu Beginn klarstellen: Robotik und KI sind nicht dasselbe. Aber sie ergänzen einander auf perfekte Art und Weise. Die Robotik stellt den Körper dar, der von der KI als Hirn gesteuert wird. Die KI ist also die Programmierung, die dem Roboter sagt, was er zu tun hat.
Momentan ist KI eines der Top-Themen in allen Branchen. Neue KI-Start-ups werden überall hofiert. In der Fertigung nutzen Unternehmen KI, um Störungen von Maschinen bzw. Produktfehler zu erkennen und anhand von Sensordaten Entscheidungen in allen Fertigungsphasen zu treffen.

Robotik ist prädestiniert für Fertigungslinien und ebenfalls ein Trendthema. Zurzeit liegt der Schwerpunkt der Forschung auf dem flexiblen Greifsystem auf die Fertigungslinie. Roboter mit flexiblen Greifern wären im Fertigungsumfeld überaus nützlich. Das gilt vor allem in Bereichen, die für Menschen gefährlich sind.

Doch damit erschöpft sich der Nutzen der KI für die Fertigung noch lange nicht. Sie spielt auch bei der Qualitätsbewertung eine wichtige Rolle. Wer interne Probleme in Teilen erkennen will, muss sie zeitnah prüfen. KI kann bereits kleine Störungen und Fehler im Anlagenbetrieb bzw. den Produkten selbst erkennen. Auf diese Weise können Konstrukteure gegensteuern, bevor daraus große Probleme werden.

Einige KI-Lösungen nutzen Machine Learning (ML, Maschinenlernen) für prädiktive Werkzeuge, die prognostizieren, wann eine Anlage gewartet werden muss. Für diese Prognosen werden das Internet der Dinge (IoT) und integrierte Sensoren verwendet.

Ein weiteres Einsatzgebiet für KI ist die Vorhersage von Nachfrage und Preisen mithilfe prädiktiver Analysen und menschlicher Intelligenz. Außerdem wird sie für Bestandsmanagement, Kundendienst sowie Personalisierung von Produkten und Dienstleistungen genutzt.

Cloud-Computing

In Kombination mit anderen modernen Technologien wie KI, IoT und der Blockchain ist auch das Cloud-Computing eine wesentliche Triebfeder der vierten industriellen Revolution. Diese Technologien lassen die Grenzen zwischen der physischen und der digitalen Welt verschwimmen.

Cloud-Computing-Technologien sind für wachsende und kleinere Unternehmen von Bedeutung. Sie ermöglichen eine agile Herangehensweise an die Fertigung, versprechen höhere Skalierbarkeit und Transparenz sowie Kostenreduktionen. Investition in Cloud-Lösungen sind günstiger als die in herkömmliche On-Premise-Systeme, da keine teure Hardware und kein IT-Support erforderlich ist.

Intelligente Fabrik

Eine intelligente Fabrik (Smart Factory) stellt eine vollständig vernetzte und integrierte digitale Umgebung bereit, in der sich Fertigungsprozesse von Anfang bis Ende optimieren lassen.  Cyber-physische Systeme überwachen darin die physischen Abläufe in der Produktionsstätte, stellen Analysen bereit und automatisieren oder unterstützten die Werksleitung und Entscheidungsfindung.

Intelligente Fabriken können von einer besseren, schnelleren und kosteneffektiveren Warenfertigung, von einer Verfügbarkeit auf Anforderung, von individualisierten Teilen, von einer umfassenden Rückverfolgbarkeit sowie von nachhaltigen Modellen (wiederverwenden, reparieren, auf neue Art verwenden) profitieren und so zu einem vertrauenswürdigen Partner in der Lieferkette werden.Zu den wichtigen Merkmalen gehören digitale Zwillinge, Big Data, moderne Robotik, der Wegfall von Ineffizienzen am Arbeitsplatz und die Kommunikation entlang der gesamten Lieferkette.

Erweiterte Realität

Anders als die in sich abgeschlossene virtuelle Realität kombiniert die erweiterte Realität (auch Augmented Reality, kurz AR genannt) die echte Welt mit virtuellen Erweiterungen.


Die erweiterte Realität bietet diverse Vorteile für die Fertigung. Man kann damit Mängel im Produktdesign aufspüren, für die man früher wochenlang Daten analysieren musste. AR  hat sich als extrem nützlich erwiesen, wenn es darum geht, die Sicherheit zu erhöhen, Produktionsabläufe digital zu simulieren oder gefährliche Manöver im Vorfeld zu erkennen.


Auch bei der Wartung und Instandhaltung von Maschinen spielt sie eine wichtige Rolle. Zum Beispiel kann ein virtuelles Bild auf eine Maschine projiziert werden, um die einzelnen Schritte bei einer Reparatur zu visualisieren. Das ist besonders hilfreich, wenn Fachleute auf der anderen Seite des Planeten sitzen und die Maßnahme für eine Person vor Ort simulieren können, die diese Schritte mithilfe einer AR-Brille angezeigt bekommt.

Die Entwicklungsabteilung von Siemens hat eine AR-Technologie speziell für die Fertigung erntwickelt, bei der  mittels CAD und anderer Daten konstruierte virtuelle Elemente auf echte Objekte projiziert werden, die auf Mobilgeräten, Desktopcomputern usw. visualisiert werden.


Zu den wesentlichen Industrieanwendungen der erweiterten Realität gehören Schulung, Asset-Bestimmung, Wissenstransfer, Prozessgestaltung und Anlagenaufbau.

Blockchain

Die Blockchain kann für eine lückenlose Sammlung aller verfügbaren Informationen in Anwendungen sorgen, die für Industrieunternehmen wesentliche Mehrwerte erschließen. Sie kann helfen, das volle Potenzial anderer moderner Technologien wie AR, IoT und 3D-Druck auszuschöpfen.

Bei der Blockchain-Technologie werden digitale Informationen blockweise in einer öffentlichen Datenbank abgelegt. So ist auch die Bezeichnung „Blockchain“ (deutsch: Blockkette) entstanden: Die digitalen Informationen bilden einen Block, der mit anderen Blöcken in einer digitalen Datenbank verkettet ist.


Mit Blockchain-Technologie kann die Rückverfolgbarkeit in allen Prozessstufen erhöht werden: von Lieferanten über den strategischen Einkauf, die Beschaffung und Lieferantenqualität bis hin zu den Abläufen in der Fertigung, und das sogar auf Maschinenebene.


Diese höhere Rückverfolgbarkeit und Sichtbarkeit kann die Kundenzufriedenheit steigern, die Produktauslieferung beschleunigen und die Lieferkettenkosten senken.

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung eines real existierenden Produkts oder Gegenstands. Man kann damit das Systemdesign verbessern, neue Produkte testen, Instandhaltungsmaßnahmen überwachen (oder bei Bedarf verhindern) und den gesamten Lebenszyklus eines Assets verwalten.

Für einen digitalen Zwilling werden mehrere Technologien benötigt, darunter CAD bzw. 3D-Modellierungswerkzeuge, IoT bzw. vernetzte Geräte, Entwicklungsumgebungen, die ursprünglich für Computerspiele programmiert wurden, sowie Funktionen für eine Versionskontrolle. Ist der digitale Zwilling erst einmal verfügbar, können genaue Prognosen zum Wartungsbedarf erstellt und so die geplanten Ausfallzeiten der Anlage verkürzt werden. Digitale Zwillinge vermitteln durch die Echtzeitdarstellung auch ein besseres Bild des Produkts und seiner Verwendung durch den Verbraucher.  Sie eignen sich außerdem zum Optimieren der Fertigung, zum Verbessern der Produktrückverfolgbarkeit, zum Testen und Validieren, zum Vertiefen der Integration zwischen nicht vernetzten Systemen und zur Ferndiagnose und ‑unterstützung von Anlagen.

 

 

Die 5. industrielle Revolution steht bevor. Sie bringt eine harmonische Zusammenarbeit von Mensch und Maschine mit sich – und unweigerlich auch einen höheren Grad der Vernetzung. Alle Bestandteile eines Produkts werden in einer riesigen Blockchain verwaltet werden; wenn dann die Telefonanlage ausfällt, erfolgt über die Blockchain automatisch eine Benachrichtigung der entsprechenden Stelle, damit die Reparatur ohne Ihr Zutun veranlasst werden kann.

Wir treten in eine Welt ein, in der Science-Fiction-Ideen schnell zu Science-Facts werden.  Das eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für Disruptoren und Start-ups.

 

 

 

 

 

 

Getaggt: Protolabs Blog