CNC-Sicherheit durch Digital Twin

Zwei Masterstudenten der KU Leuven entwickelten im Rahmen ihrer Abschlussarbeit ein Echtzeit-Kollisionsvermeidungssystem für CNC-Maschinen. Diese vielversprechende Lösung verwendet einen digital twin, um Maschinenkollisionen während der Produktion vorherzusagen und automatisch zu verhindern, mit direkten Auswirkungen auf Kostenkontrolle, Sicherheit und Produktionskontinuität.

ASCO ist seit 1954 ein etablierter Name in der internationalen Luft- und Raumfahrtindustrie. Das belgische Unternehmen ist seit 2022 Teil der Montana Aerospace Group, die weltweit etwa 6.000 Mitarbeiter beschäftigt. Mit rund 1.100 Mitarbeitern in Belgien an vier Standorten, einschließlich des Hauptsitzes in Zaventem, entwickelt und fertigt ASCO komplexe mechanische Komponenten für Flugzeugflügel und Fahrwerke. Diese Komponenten werden auf hochmodernen CNC-Maschinen hergestellt, die mit Siemens-Technologie gesteuert werden, wo Präzision und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Kollisionen: Eine industrielle Realität

In der Luft- und Raumfahrtproduktion werden NC-Programme routinemäßig in einem digital twin simuliert, bevor sie von CAM auf die Maschine übertragen werden. Dennoch bleibt das Risiko von Kollisionen bestehen. Variationen der Werkzeuglänge, Abweichungen der Werkstück-Nullpunkte oder menschliche Fehler bei der Eingabe können zu Abstürzen bei der Bearbeitung führen. Die Folgen sind erheblich, mit möglichen Schäden an der Maschine, dem Werkstück oder den Produktionsplänen, was zu Kosten von Zehntausenden von Euro führen kann.

„Menschliche Fehler sind in einer komplexen Produktionsumgebung unvermeidlich“, sagt Mohamed El Hatri, Senior Lead Engineer bei ASCO. „Eine falsch eingegebene Werkzeuglänge oder eine manuelle Bedienung im Jog-Modus können ausreichen, um einen schweren Absturz zu verursachen. Wir haben daher nach einer Möglichkeit gesucht, dieses Risiko aktiv zu managen, nicht nur im Vorfeld, sondern auch während des Bearbeitungsprozesses selbst. In der Luft- und Raumfahrtproduktion arbeiten wir mit extrem teuren und komplexen CNC-Maschinen. Allein eine Spindel in einer solchen CNC-Maschine kann mehr als 100.000 Euro kosten. Trotz umfangreicher Simulationen im Vorfeld sind Kollisionen aufgrund geringfügiger Abweichungen oder menschlicher Fehler weiterhin möglich. Wir wollten dieses Risiko nicht nur begrenzen, sondern es auch während des eigentlichen Bearbeitungsprozesses aktiv kontrollieren.“

Zwei Sekunden Vorsprung

Diese konkrete Herausforderung wurde zum Ausgangspunkt für eine Zusammenarbeit zwischen der Siemens Industry Academy, der Aerospace Machining Academy und ASCO, wobei zwei Masterstudenten der KU Leuven eine innovative Lösung entwickelten. Das Projekt, das von Oktober 2023 bis zum Ende des akademischen Jahres 2024-2025 lief, konzentrierte sich auf die Entwicklung eines Systems, das den Bearbeitungsprozess zwei Sekunden im Voraus in Echtzeit simuliert. Zuerst wurde ein digital twin der Maschine mit Siemens NX CAM und NX MCD erstellt, die kontinuierlich mit der Siemens 840D sl Maschinensteuerung kommunizieren. Wenn das System eine mögliche Kollision erkennt, sendet es automatisch ein Stoppsignal an die Maschine — schneller, als ein Bediener jemals eingreifen könnte. Der Prozess wurde auch mit SinuTrain, dem Softwarepaket von Siemens für CNC-Programmierung, Konstruktion und Simulation, getestet. Dieser Ansatz erwies sich letztlich als der effizienteste.

Die Wahl der Zwei-Sekunden-Regel ist bewusst. Das erklärt sowohl die extrem schnelle Reaktionszeit der Siemens-Steuerung als auch den Faktor Mensch. Wenn ein Bediener anwesend ist, entspricht das simulierte Bild genau dem tatsächlichen Zustand der Maschine in dem Moment, in dem er seine Aufmerksamkeit vom Bildschirm auf die physische Installation lenkt. Gleichzeitig bietet das System eine entscheidende Sicherheitsebene für unbemannte Maschinen, die autonom oder über Nacht arbeiten.

Obwohl das Kollisionsvermeidungssystem heute noch nicht in der Produktion eingesetzt wird, sieht ASCO klare Zukunftschancen. Die Lösung adressiert ein weit verbreitetes Problem in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo viele Maschinen nicht von der neuesten Generation sind und wo Kollisionsschäden erhebliche Auswirkungen haben.

Technologien kombinieren

Für die Entwicklung nutzten die Studenten einen breiten Siemens-Softwarepack, darunter NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain und das Brown Field Connector Gateway, das die Integration älterer Maschinen ermöglicht. „Die Stärke — und auch die Herausforderung — dieses Projekts lag in der möglichen Kombination dieser Siemens-Technologien“, sagt Jan Vereecke, Service Operations Team Leader MC MTS bei Siemens. „Durch die direkte Verbindung von NX CAM/SinuTrain, dem digital twin und der 840D sl-Steuerung waren wir in der Lage, den Bearbeitungsprozess in Echtzeit zu simulieren. Das bedeutet, dass der digital twin nicht nur als Designwerkzeug dient, sondern auch als aktive Sicherheitsschicht während der Produktion. Es war genau dieser innovative Ansatz, der das Projekt besonders herausfordernd und gleichzeitig hochrelevant für die Studierenden machte: Sie arbeiteten mit modernster Technologie und sahen, wie diese Kombination ein konkretes industrielles Problem lösen kann.“

Co-Creation innerhalb der Siemens Industry Academy

Das Projekt passt perfekt zur Philosophie der Siemens Industry Academy, die den Schwerpunkt auf Co-Creation rund um reale industrielle Herausforderungen legt. Die Studierenden haben die Möglichkeit, in einem professionellen Kontext zu arbeiten, der sowohl von akademischen Experten als auch von Ingenieuren aus der Industrie geleitet wird. Für ASCO ging der Mehrwert über das rein technische Ergebnis hinaus. Die Initiative bot Raum, um innovative Technologien zu erforschen und zu evaluieren, ohne die laufende Produktion zu beeinträchtigen, und gleichzeitig wertvolles internes Wissen aufzubauen.

„Dieses Projekt zeigt perfekt, wie unsere Zusammenarbeit mit Siemens und der akademischen Welt uns hilft, nach vorne zu schauen“, erklärt Mohamed El Hatri. „Die Studierenden bringen eine neue Perspektive ein, wir bringen Industrieerfahrung mit, und innerhalb der Siemens Industry Academy können wir innovative Ideen erforschen, ohne unsere laufende Produktion zu beeinträchtigen. Indem wir gemeinsam einen ersten Machbarkeitsnachweis entwickeln, bauen wir Wissen auf, gewinnen Einblicke in neue Technologien und können Innovationen schrittweise und durchdacht angehen. Diese Zusammenarbeit bestätigt, wie sich Industrie-, Bildungs- und Technologiepartner gegenseitig stärken — und gemeinsam eine sicherere und intelligentere Produktion im Luft- und Raumfahrtsektor aufbauen.“

Für die Schüler selbst war das Projekt genauso wertvoll. „Wir haben mit der gleichen Software und den gleichen Bedingungen gearbeitet wie in einer realen industriellen Umgebung. Das machte das Projekt technisch anspruchsvoll, aber auch besonders lehrreich. Die Beratung durch ASCO und Siemens stellte sicher, dass wir ständig darüber nachdenken mussten, was in der Praxis machbar und relevant ist „, schließt Masterstudent Rohan Vits.