Der Fertigungsindustrie steht ein tiefgreifender Wandel bevor. Durchgehende digitale Produkt- und Produktionsmodelle, Crowdsourcing und 3D-Druckverfahren bieten Wege, um Produkte in Zukunft individuell, höchst flexibel und zugleich preisgünstig herzustellen. So könnte eine neue Vision für Entwicklung, Fertigung und Vertrieb entstehen.
Digitale Fabrikwelt: Jeder einzelne Produktionsschritt wird vorab getestet – auch die Präszision von Bearbeitungsmaschinen und Robotern.
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Wie werden Produkte in 50 Jahren entwickelt und hergestellt? Wird sich „Crowdsourcing“ durchsetzen – das Verfahren, bei dem Menschen in aller Welt im Wettbewerb, aber auch in Kooperation miteinander darum ringen, die besten digitalen Entwürfe zu erarbeiten? Findet die Fertigung unterirdisch statt, in vernetzten automatisierten Fabriken, mit Maschinen, die aus Spezialpulvern alle möglichen Produkte herstellen: von individualisierten Autoteilen bis zu Turbinenschaufeln? Diese Vision mag weit hergeholt klingen – doch viele der dafür nötigen Technologien werden bereits entwickelt, getestet und zum Teil sogar auf den Markt gebracht.
Die Geschichte der Fertigung hat uns von der handwerklichen Manufaktur über die erste industrielle Revolution bis zu den Veränderungen durch Massenproduktion und Informationstechnologie geführt – und sie endet hier nicht: Die neue Vision der künftigen Fertigung wird in deutschen Regierungs- und Wirtschaftskreisen als „Industrie 4.0“ bezeichnet. Kernstück ist eine Kombination aus Software, Sensor-, Prozessor- und Kommunikationstechnik, die sogenannten „Cyberphysical Systems“ (CPS). Genau an dieser Schnittstelle zwischen realer, digitaler und virtueller Welt und moderner Kommunikationstechnik werden künftige Produkte und ihre Fertigungsprozesse entworfen, ausgearbeitet, getestet und hergestellt. Der beste Beweis ist der Mars-Rover „Curiosity“ der NASA, bei dem alles mithilfe von Design- und Simulationssoftware von Siemens entwickelt und getestet wurde.
Das Startup-Unternehmen Local Motors aus Phoenix, Arizona, verwendet eine einfachere Version der gleichen Software, um über das Verfahren der „Co-Creation“ Autos zu entwerfen, die manchen genauso außerirdisch erscheinen wie die Mars-Mission. Bei der Co-Creation, auch „Crowdsourcing“ genannt, können Enthusiasten mithilfe der Siemens-Software ihr Design eines Fahrzeugteils posten, andere Nutzer in der weltweiten Community können dieses Bild dann in einem Browser aufrufen, in 3D ansehen, es kommentieren oder sich die Maße für eigene Entwürfe notieren. Mit diesem neuen Verfahren der gemeinsamen Innovation lässt sich der Weg von der Idee zum Industrieprodukt erheblich schneller zurücklegen.
Crowdsourcing kann Innovationen beschleunigen, Kosten begrenzen und die Wettbewerbsfähigkeit steigern – kurz, es hat so viel Potenzial, dass die Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums (DARPA) untersucht, ob es auch die explodierenden Kosten beim Bau von militärischen Systemen eindämmen kann. „Vorbild ist die Halbleiterindustrie, in der die Chipproduktion von der Computerfertigung getrennt wurde: Teile des Konstruktionsverfahrens sollen standardisiert und automatisiert werden, damit viele Einzelpersonen sich daran beteiligen können“, erklärt Dr. Lee Ng, Director of Venture Technology beim Siemens Technology-to-Business Center (TTB) im kalifornischen Berkeley.
Daher finanziert die DARPA die Entwicklung von Open-Source- Werkzeugen, die nun von einer geprüften Design Community genutzt werden. „Diese Tools werden die Fertigung sozusagen demokratisieren“, meint Ng. „Damit können sich viele Parteien am Designprozess beteiligen, um die Anforderungen ans Produkt umzusetzen. Als nächstes steht dann ein weiteres wichtiges Konzept an: die mathematische Zertifizierung digitaler Produkte.“ Damit soll mit mathematischen Methoden bestätigt werden, dass diese Produkte dann auch in der realen Welt zuverlässig die Funktionen erfüllen werden, für die sie gedacht sind.
In 3D drucken. Ein anderer wegweisender Trend ist die direkte Umwandlung digitaler Modelle in fertige Teile, beispielsweise mit Methoden des „Additive Manufacturing“. Diese sind bereits als 3D-Druckverfahren für Kunststoffe bekannt, funktionieren aber nun auch mit Metallen oder Keramiken. Dabei werden spezielle Metall- oder Keramikpulver mit einem Hochleistungslaser computergesteuert an ganz bestimmten Stellen geschmolzen und wieder verfestigt, wodurch Schicht für Schicht ein 3D-Objekt entsteht. „Durch die Verbindung von Crowdsourcing, digitaler Produktzertifizierung und neuen Fertigungsverfahren könnte ein Unternehmen künftig einfach vollständige digitale Modelle an CNC-Maschinen in aller Welt übertragen – und über einen Zeitplan würde dann festgelegt, welches Werk die Kapazität hat, um bestimmte Teile zu welchen Terminen zu fertigen“, sagt Ng. Das TTB erforscht mit Hilfe von internen und externen Wissenschaftlern und Start-up-Unternehmen, wie so etwas ablaufen könnte.
Das Additive Manufactoring könnte den Weg für völlig neue Produktionskonzepte ebnen – und das fast ohne Materialverschwendung. Teile und Produkte würden dabei nur zu den Zeitpunkten und an den Orten gefertigt werden, wo und wann sie auch benötigt werden. Dies würde noch mehr Kundennähe schaffen und die Notwendigkeit für Lagerhaltung, Massenproduktion und Transport reduzieren. Das wirtschaftliche Potenzial dieser Technologie wird als so bedeutend eingeschätzt, dass die US-Regierung am 15. August 2012 die Gründung des National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) bekannt gab: ein Zusammenschluss von Behörden und Unternehmen, der die Wettbewerbsfähigkeit der Fertigungsindustrie in den USA verbessern soll.
Wissenschaftler von Siemens arbeiten an vielen derartigen Produktionsverfahren. So haben sie beispielsweise eine Software entwickelt, die Mikrorisse und -krater auf gebrauchten Turbinenschaufeln erkennt. Mithilfe dieser Informationen wird dann ein Roboterarm gesteuert, der Metallpulver auf die beschädigten Stellen sprüht, das dann ein Laser schmilzt und es mit dem der Schaufel verbindet. Die Methode, die im Siemens-Turbinenwerk in Berlin getestet wurde, soll Reparaturen von Turbinenschaufeln vor Ort möglich machen. Auch eine weitere Verbindungstechnik, das sogenannte Kaltgasspritzen, wird bei Siemens entwickelt. Dabei werden winzige Metallpartikel mit so hoher Geschwindigkeit auf die beschädigte Stelle "geschossen", dass sie dort praktisch verschweißen. Dennoch bleibt das Bauteil dabei kalt genug, so dass es sich nicht verformt.
Fabriken am Computer planen. Natürlich ist Siemens nicht nur am Design, der Fertigung und der Reparatur und Wartung von Produkten beteiligt, sondern auch an der Planung der Produktionseinrichtungen. Um diese Planungsprozesse zu beschleunigen, haben Wissenschaftler bei Siemens Corporate Technology (CT) ein Verfahren namens IntuPlan entwickelt. Diese Technologie schlägt eine Brücke zwischen der realen und virtuellen Welt, indem sie maßstabsgetreue reale Modelle von Produktions- und Logistikketten erstellt. IntuPlan wurde beispielsweise vor kurzem verwendet, um eine Anlage zum Schweißen von Zugkomponenten im Siemens-Werk in Krefeld zu planen. Bisher wurden weltweit 15 Fabriken mit IntuPlan umstrukturiert oder neu entworfen.
Sobald eine Fabrik in Betrieb gegangen ist, müssen alle Automatisierungs-systeme einwandfrei funktionieren. Die Arbeitsstationen selbst können individuell auf die Mitarbeiter eingestellt werden. Außerdem müssen die Sensornetzwerke und die drahtlose Infrastruktur gegen Angriffe von außen, etwa von Hackern, geschützt werden. Damit auch das Wartungspersonal alle Aufgaben schnellstmöglich ausführen kann, entwickelt CT in Princeton, New Jersey, gerade eine neue Navigationstechnologie: Die Wissenschaftler arbeiten an einer cloudbasierten Informationsinfrastruktur, die von einer der weltweit schnellsten Datenverbindungen unterstützt wird. Die Idee ist, das Wartungspersonal mit Datenbrillen oder Tablet-PCs auszurüsten.
Der Weg zum Zielort wird über die Brillen oder die Displays in die reale Umgebung eingeblendet – diese Verfahren sind als Augmented Reality bekannt. Am Wartungsort werden dann über die gleiche Dateninfrastruktur die Teile in einer Maschine sichtbar gemacht, die repariert werden sollen. Zugleich kann die Wartungshistorie angezeigt oder es können Ersatzteile bestellt und Installationshilfen angeboten werden. Bei Bedarf lassen sich auch Bilder in Echtzeit mit Spezialisten an anderen Standorten teilen – etwa um von ihnen Tipps zu bekommen oder für Schulungszwecke.
Wie die Zukunft der Fertigung letztlich aussehen wird, muss sich zeigen. Vieles bleibt noch Spekulation – doch die in dieser Ausgabe von Pictures of the Future beschriebenen Technologien bieten in jedem Fall spannende Einblicke, in welche Richtung es wahrscheinlich gehen wird.