Virtuelle Fabriken: Hersteller nutzen digitale Zwillinge auf der Suche nach einer neuen industriellen Revolution

Eine Elektrorasiererfabrik in Drachten im Norden der Niederlande bereitet sich auf Tests vor, die es der europäischen Industrie ermöglichen werden, auf zunehmend wettbewerbsintensiven internationalen Märkten erfolgreich zu sein. Diese vom Unterhaltungselektronikunternehmen Philips verwaltete Fabrik nimmt an einem von der Europäischen Union finanzierten Forschungsprojekt teil, dessen Ziel es ist, Hersteller zum Einsatz digitaler Zwillinge zu ermutigen, d. h. virtuelle Fabriken, die mit Technologien zur Optimierung aktueller Produktionsprozesse erstellt wurden.

Die Idee besteht darin, Techniken wie Cloud Computing, künstliche Intelligenz, Robotik und Blockchain-Technologie zu nutzen, um Modelle von Herstellungsprozessen zu erstellen und Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. „Die Branche befindet sich in einer Übergangsphase und digitale Technologien können helfen“, sagt Cécile Girardot, Koordinatorin der DIMOFAC-Initiative, die bis März 2024 läuft: „Digitale Zwillinge liefern Echtzeitdaten, die die Leistung von Maschinen in der Realität zeigen können.“ Welt auf einer virtuellen Ebene.“

Europas verarbeitendes Gewerbe mit einem Umsatz von 5 Milliarden Euro (5,4 Milliarden US-Dollar) und weltweit führenden Unternehmen in Bereichen wie Luftfahrt, Stahl, Automobil und Chemie muss sich mit exportorientierten Herstellern im Ausland und strengeren Umweltstandards innerhalb der Europäischen Union auseinandersetzen. Diese beiden grundlegenden Herausforderungen werden durch den Anstieg der Energiepreise nach der russischen Invasion in der Ukraine im Februar 2022 und durch Unterbrechungen der Lieferkette, die durch die Covid-Pandemie zwei Jahre zuvor ausgelöst wurden, verschärft.

Die EU hat eine öffentlich-private Partnerschaft mit dem Namen „Fabriken der Zukunft“ im Wert von 1,15 Milliarden Euro (1,25 Milliarden US-Dollar) ins Leben gerufen, um Forschung und Innovation im Bereich der Fertigung zu fördern, was die Bedeutung dieses Themas auf der politischen Agenda der EU verdeutlicht. Auf dem Spiel steht die Fähigkeit europäischer Unternehmen, sich an die sogenannte vierte industrielle Revolution oder Industrie 4.0 anzupassen, ein Zeitalter, das von Automatisierung und Konnektivität geprägt ist.

Das Konzept der virtuellen Fabrik setzt sich in Europa zunehmend durch. Der Luftfahrtkonzern Airbus und der Elektrogerätespezialist Schneider Electric erforschen digitale Zwillingskonzepte und bauen virtuelle Produktionsanlagen auf. Seit seiner Einführung Ende 2019 hat DIMOFAC ein System zur Rationalisierung von Herstellungsprozessen namens Plug-and-Produce entwickelt, das die Neukonfiguration von Produktionslinien durch die Verbindung realer Maschinen mit ihren entsprechenden digitalen Zwillingen ermöglicht.

Mit diesem System kann ein Hersteller eine neue Konfiguration virtuell simulieren und etwaige Probleme online lösen, bevor er die Ausrüstung in einer physischen Fabrik installiert. Probleme bei der Produktion können beispielsweise entstehen, wenn recycelte Rohstoffe verwendet werden, deren Eigenschaften nicht immer identisch sind, wie Girardot, der am französischen Forschungsinstitut CEA-Liten europäische Projekte zu fortschrittlichen Materialien und Fertigung koordiniert, erklärt: „In diesen Fällen ist es …“ Es ist notwendig, die Produktion anzupassen. Je früher dies geschieht, desto besser. Das Hauptziel besteht darin, den Zeitaufwand für die Neukonfiguration zu reduzieren.“

Das Plug-and-Produce-System des Projekts wird in fünf bestehenden Produktionsanlagen in ganz Europa getestet. Neben Elektrorasierern in den Niederlanden gibt es Luft- und Raumfahrtkomponenten von Éirecomposites in Irland und interaktive Bildschirme von Schaltag in der Schweiz. Diese Technologie wird an allen fünf Standorten implementiert und Ergebnisse werden im ersten Quartal 2024 erwartet. Dank seiner 30 Partner, darunter Siemens Industry Software (Frankreich) und das Maschinenbauunternehmen FILL, ist es DIMOFAC gelungen, ein breites Spektrum an Industriekompetenz zu bündeln (Österreich) und EXOM Engineering (Spanien).

Ein weiteres EU-finanziertes Projekt, FIRST, das der Zukunft digitaler Fabriken einen Schritt näher gebracht hat, hat untersucht, wie digitale Fabriken die Effizienz in Produktionsanlagen steigern können, die über mehrere Standorte verteilt sind. Die von FIRST entwickelten neuen Designs und Prozesse werden die Zusammenarbeit verbessern, sagte Lai Xu, Koordinator der Initiative, die im Dezember 2022 nach sechsjähriger Laufzeit abgeschlossen wurde. „Früher waren Produktionsanlagen oft ziemlich isoliert“, sagt Xu, der auch außerordentlicher Professor an der Bournemouth University (UK) ist und sich mit kollaborativen Geschäftsprozessen und virtuellen Unternehmen beschäftigt.

Laut Xu lag der Fokus von FIRST darauf, die Stolpersteine ​​und Hindernisse zu identifizieren, die den Einsatz virtueller Fabriktechnologien behindern könnten, und Strategien zu deren Bewältigung zu entwickeln. Die Projektpartner (insgesamt sieben) waren Hersteller, Softwareunternehmen und Universitäten und kamen aus Ländern wie Deutschland, Italien, den Niederlanden und China. Xu ist optimistisch hinsichtlich des Potenzials, das digitale Zwillinge der Branche auf geschäftlicher und ökologischer Ebene bieten können. Mithilfe eines digitalen Modells des gesamten Produktionsprozesses könnte ein Unternehmen beispielsweise ein Paar Schuhe in Paris oder Mailand entwerfen und dann deren Herstellung und Verkauf auf globaler Ebene koordinieren.

Durch den Einsatz der Blockchain-Technologie könnte ein IT-Netzwerk alle Beteiligten (Läden, Designer, Logistikunternehmen und Hersteller) verbinden und ihnen genau Informationen darüber senden, was wo und wann benötigt wird. „Ein maßgeschneiderter Schuh kann an einem Ort entworfen und an einem anderen hergestellt werden, was zu einem effizienteren und flexibleren Herstellungsprozess und einer geringeren Umweltbelastung führt“, erklärt Xu. Virtuelle Fabriktechnologien erfordern keinen Alles-oder-Nichts-Ansatz. Hersteller können einige Aspekte berücksichtigen, um Prozesse zu verbessern, ohne sich auf eine umfassende Implementierung festlegen zu müssen. Dies kann besonders für viele kleine und mittlere Unternehmen im europäischen Fertigungssektor von Nutzen sein, die nicht über die Ressourcen verfügen, ihre Systeme komplett zu überarbeiten.

Virtuelle Fabriktechnologien können Unternehmen auch dabei helfen, die Wartungsprozesse komplexer Maschinen effizienter zu verwalten, was zu Kosteneinsparungen führt. „Sensoren rund um die Maschinen sammeln Daten, die es ermöglichen, zu programmieren, wann ein Techniker zur Reparatur geschickt werden soll“, sagt Xu. Als Beweis für die stetig wachsende Bedeutung virtueller Fertigungstechnologien sagt der FIRST-Koordinator, dass das Konsortium sich um Fördermittel der EU und anderer Länder bemüht, um weitere Fortschritte in diesem Bereich zu erzielen.

Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde durch EU-Mittel unterstützt. Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem Magazin der Europäischen Union für Forschung und Innovation, veröffentlicht.

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