Bei Produktionstechniken sind Optimierungen oder gar wegweisende Weiterentwicklungen kaum möglich, wenn Forscher und Unternehmensverantwortliche nicht das »große Ganze« im Blick behalten. Rund um Aachen hat sich deshalb ein Exzellenzcluster gebildet, das eine Vielzahl von Teilaspekten bei der Produktion in Hochlohnländern berücksichtigt und dabei die Einordnung einzelner Forschungsergebnisse in den Gesamtkontext mit einbezieht. Beteiligt an den Arbeiten ist unter anderem das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. 

Schon eine einfache Fertigungslinie, so heißt es, hat Hunderte von Stellschrauben. Wieviel mehr dieser Stellschrauben fungieren dann in ganzen Produktionshallen? Und wenn man den Begriff der »Stellschraube« bildhaft interpretiert, dann sind mit der Einführung von Produktionssoftware, Produktionsmechanismen wie just in time oder Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge noch abertausende Fixier- und Knotenpunkte dazugekommen. Fast jeder mit einem hohem Potenzial für mögliche Optimierungen und fast jeder auch verbunden mit einem steigenden Produktionsrisiko. In Abwandlung eines alten Arbeiterlieds könnte man (fast) annehmen: »Alle Räder stehen still, wenn eine Schlüsselstelle es so will.«

Chancen und Risiken integrativer Produktionstechniken gerade bei sensiblen Produktionen, wie sie in der Regel in Hochlohnländern stattfinden, sind also immens. Damit die Chancen aber deutlich überwiegen und die Risiken erkannt werden, müssen Wissenschaftler und Forscher an einer Vielzahl von »Stellschrauben« arbeiten. In und um Aachen haben sich deshalb mehr als 25 Institute und Forschungseinrichtungen aus den Bereichen Produktion, Werkstofftechnik, Ökonomie, Natur und Sozialwissenschaften zu einem Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer«  zusammengeschlossen. In Zusammenarbeit mit Unternehmen entwickeln hier über 80 Forscherinnen und Forscher Ideen und Konzepte für die Produktionsstätten der Zukunft. Unter ihnen ist auch Dr. Eike Permin vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT.

Die Struktur des Exzellenzclusters integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Selbst für Permin ist es schwer, den Überblick über all die Stellschrauben und Forschungsansätze zu behalten, die in dem Cluster ineinandergreifen. Er beschreibt deshalb zunächst die Struktur des Clusters, die sich aus vier übergeordneten Bereichen zusammensetzt: Danach fokussiert sich Bereich A auf das Themengebiet »individualisierte Produktion«. »Dabei geht es nicht nur darum, wie im Idealfall Teile bis zur Stückzahl Eins maschinell produziert werden können, sondern auch um die Frage, wie die dafür richtigen Teile zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein können und wie die gesamte Lieferkette funktionieren muss«, sagt er. Schwerpunkt in Bereich B sind »virtuelle Produktionssysteme«: »Die meisten Entwickler denken, arbeiten und simulieren noch für Teilschritte in der Produktion. Einmal liegt der Schwerpunkt auf dem Aufbau des Produkts, ein anderes Mal auf dem Aufbau der nötigen Prozessoren und ein weiteres Mal auf der Produktionssteuerung«, skizziert Permin. Dabei werde es zunehmend wichtig, beispielsweise eine Schweißsimulation mit einer Simulation für die Montage oder generell an den Materialfluss zu koppeln, um Entwicklung, Material und Fertigungsprozesse in ihrer Gesamtheit zu beschreiben. Im Bereich C wiederum orientiert sich ein Großteil der Leistungen an »integrierten Technologien«. »Die Forscher arbeiten unter anderem an ›hybriden Produktionsthemen‹ und damit der Beantwortung der Frage, wie eine Maschine so flexibel gestaltet werden kann, dass sie verschiedene Fertigungsverfahren bewältigt«, sagt Permin. Der Bereich D sei schließlich eine Art »Sammelcontainer« für die Selbstoptimierung als spezifische Ausprägung künstlicher Intelligenz in der Produktionssteuerung. Ziel dabei ist unter anderem, eine »deutliche Flexibilisierung in der Automatisierung zu erreichen, wenn selbstoptimierende Systeme eingesetzt werden, die sich autonom an veränderliche Umweltbedingungen anpassen und so eine dynamische Angleichung an sich ändernde Zustände ermöglichen«. Zu diesen vier Bereichen kommt– sozusagen als verknüpfendes und übergeordnetes Element – das Gebiet der Kollaborationsproduktivität. Deshalb liegt hier der Schwerpunkt einerseits auf dem Innovationsmanagement der einzelnen Forschungsgruppen und andererseits auch auf der Messung der Performance und der Produktivität der Teams.

Vorlaufforschung für die Produktionstechnik von Morgen

»Im Unterschied zur Arbeit vieler Kolleginnen und Kollegen in den Fraunhofer-Instituten steht bei der Mitarbeit des Fraunhofer IPT am Cluster selten ein konkretes Produkt im Vordergrund, das vielleicht schon innerhalb von nur zwei oder drei Jahren auf den Markt kommt«, sagt Permin. Das Exzellenzcluster »integrative Produktionstechnik Hochlohnländern« betreibe seine Grundlagenforschung auf der Suche nach Anwendungen, die erst in fünf oder zehn Jahren in konkrete Entwicklungsprojekte übergeführt werden könnten. Trotzdem zeigen die Teams durch ihre Ergebnisse und nicht zuletzt durch Demonstratoren, wie ihre Grundlagenforschung in marktnahe Projektarbeit übergehen könnte: Ein Demonstrator beispielsweise zeigt die Möglichkeiten einer »selbstoptimierenden Montage von Bauteilen«. Mit diesem Ansatz ließe sich das Problem lösen, dass Bauteile millimetergenau produziert werden müssen, damit sie passen. Könnte ein System eines Tages anhand des Einsatzzwecks autonom eine »vernünftige« Entscheidung darüber treffen, wie flexibel die vorgegebenen Grenzen eingehalten werden müssen, würde das eine Vielzahl von Problemen lösen. Ein zweites Beispiel für einen der Demonstratoren sind Überlegungen, Aufgaben, die bislang in nicht wertschöpfenden Bereichen wie Planung, Projektierung, Programmierung oder Inbetriebnahme umgesetzt wurden nun in die ausführende Ebene zu verlagern. So zeigt der Demonstrator »Kognitive Montagezellen«, dass intelligente Steuerungsplattformen dazu fähig sind, selbständig ziel- und situationsgerechte Abläufe zu planen, auszuführen und dabei stets mit dem menschlichen Experten »Rücksprache« halten.

Fehlerhaftes Verhalten von selbstlernenden Systemen

Eike Permin und sein Team arbeiten derzeit im Bereich D unter anderem an der Frage, wie sich verhindern lässt, dass externe Systeme »Unsinn« lernen. Das geschieht beispielsweise immer dann, wenn fehlerhafte Daten zur Verfügung stehen oder zu wenig Korrekturen vorgenommen werden. »Nach wie vor haben wir es bei künstlichen intelligenten Systemen mit einer Art »Black Box« zu tun, in die wir nicht hineinsehen können. Wenn wir aber nicht wissen, warum ein System agiert wie es agiert, müssen wir letztlich warten, bis es einen Fehler macht, um dieses fehlerhafte Verhalten zu erkennen. »Wir müssen deshalb Methoden ausarbeiten, um zum einen dafür zu sorgen, dass die Systeme »richtig« lernen und zum anderen die Betriebssicherheit der selbstagierenden Systeme so weit erhöhen, dass nicht erwünschtes Verhalten ausgeschlossen wird«, sagt Permin. Dafür aber muss das Zusammenspiel von Daten, Programmierung, Prozessen und Ergebnissen genau analysiert werden. Insofern sei das Projekt durchaus mit den Aufgaben des Gesamt-Clusters vergleichbar: Es gilt, nicht nur einzelne Teilbereiche zu untersuchen, sondern die Zusammenhänge zu verstehen und diese Erkenntnisse zu nutzen, um Systeme insgesamt effizienter zu machen. (aku)

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