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Softwaredefinierte Fertigung

Flexible Produktion in Zeiten des Wandels

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© KIT

Schwankende Nachfrage, Lieferengpässe, Losgröße 1: Die wirtschaftliche Produktion während dynamischer Veränderungen stellt die Industrie vor Herausforderungen. Software-defined Manufacturing soll in der Fahrzeug- und Zulieferindustrie eine schnelle, flexible und effiziente Produktion sichern.

Das Projekt Software-defined Manufacturing für die Fahrzeug- und Zulieferindustrie (SDM4FZI) steht unter der Leitung von Bosch sowie dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Stuttgart ist als Wissenschaftspartner an Bord. Insgesamt arbeiten 30 Unternehmen daran, einzelne Komponenten von Produktionssystemen bis hin zu ganzen Fabriken über eine Entkopplung von Software und Hardware flexibel zu planen, zu steuern und zu verändern. Automobilhersteller sollen so schneller zwischen Modellen und Produkten wechseln und auch mehr Varianten produzieren können. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Vorhaben mit insgesamt rund 35 Millionen Euro.

Grundlage für die maximale Wandlungsfähigkeit ist die strikte Trennung zwischen der Hardware der Produktionssysteme und der steuernden Software. Die softwaredefinierte Fertigung (Software-defined Manufacturing, SDM) arbeitet dabei mit digitalen Zwillingen, also virtuellen Abbildungen der vorhandenen Hardware, mit deren Hilfe die passende Software automatisch abgeleitet, getestet und verteilt werden kann. Dies spart Entwicklungszeiten, Ressourcen, Energie und damit Kosten.

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Vom Digitalen Zwilling in die Cloud

Die Universität Stuttgart widmet sich den beiden SDM-Kerntechnologien: Referenzarchitekturmodell und Produktions-OT (Operational Technology). »Digitale Zwillinge stellen das Schlüsselelement für das SDM-Konzept dar«, erläutert der Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) Professor Alexander Verl. »Sie beschreiben Produkte, Prozesse und Produktionssysteme mittels Daten, Informationen und Verhaltensmodellen, die über den gesamten Maschinen- bzw. Produktlebenszyklus entstehen«.

Ein einheitlicher Bauplan (Referenzarchitektur) stellt die Interoperabilität über die gesamte Zulieferkette sicher. Eine SDM-fähige Produktions-OT ermöglicht es, automatisiert generierte Software in Echtzeit und interoperabel auf die Produktionssysteme zu verteilen. Dies erfordert eine völlig neue Infrastruktur mit offenen Steuerungsarchitekturen und einer durchgängigen Kommunikation von Sensor bis Cloud.

Qualität, Robotik & Gaia-X

Die in SDM4FZI eingesetzte Methode des Software-defined Manufacturing wurde vom ISW und Bosch entwickelt. Durch gemeinsame Vorarbeiten wurde der Grundstein gelegt für das Projekt, das nun durch das ISW und das wbk Institut für Produktionstechnik des KIT im Rahmen des Innovationscampus Mobilität der Zukunft (ICM) initiiert wurde.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT arbeiten insbesondere an der Gestaltung von Software und Hardware in der modernen, digitalisierten Produktion. »Wir untersuchen, wie die Wandlungsfähigkeit der Produktion durch eine gezielte Entkopplung von Software und Hardware gesteigert werden kann, also wie die Produktion sich auf sich ändernde Rahmenbedingungen anpassen lässt«, erläutert Professorin Gisela Lanza vom wbk Institut für Produktionstechnik des KIT.

Zentral sind dabei die virtuelle Abbildung der Bestandteile und Systeme in der Produktion durch sogenannte digitale Zwillinge sowie deren Zusammenspiel mit digitalen Abbildern von Produkten und Technologien über die gesamte Wertschöpfungskette. Das Team des wbk untersucht zudem, inwiefern die Qualitätssicherung von komplexen Fertigungsprozessen durch die Trennung von Soft- und Hardware sowie die Integration von Funktionsmodellen unterstützt werden kann. Darüber hinaus beschäftigen sich die Forschenden des KIT mit den Aspekten Robotik und Handling sowie mit der Cloud-Integration und der Anbindung an die europäische Cloud-Infrastruktur Gaia-X.

Transfer in die automobile Praxis

»Die große Zahl der Projektpartner belegt, wie bedeutsam Software für die Fertigung von morgen ist“, betont der wissenschaftliche Koordinator des ISW Michael Neubauer. »Wir arbeiten an richtungsweisenden Ansätzen, die die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen verbessern.«

Die erarbeiteten Lösungen werden auf dem Forschungscampus »Arena 2036« von den Instituten in die Auto- und Zulieferindustrie getragen.


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