Jan Mertes (vorn im Bild) und Peter Simon haben für diese Werkzeugmaschine einen digitalen Zwilling entwickelt. Ziel ist es, Maschinendaten und Steuerungsbefehle mittels 5G-Technologie zu übermitteln. (Bild: TUK/Kozielld)

In einer typischen Fertigung stehen unterschiedliche Werkzeugmaschinen in Reih’ und Glied, sind aber meist nicht untereinander oder mit einem Leitsystem vernetzt. An der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) arbeitet ein Forscherteam daran, dies mithilfe von 5G und dem digitalen Zwilling zu ändern. Auf der Hannover Messe stellt das Team sein Projekt am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 2, Stand B46) vom 30. Mai bis 3. Juni vor.

Um die industrielle Produktion zu digitalisieren, bedarf es einer leistungsfähigen Kommunikationstechnik. Allen voran die 5G-Technologie wird Basis für die kabellose industrielle Vernetzung, da sich Daten schneller und effizienter übertragen sowie Maschinen besser vernetzen lassen als mit anderen kabellosen industriellen Kommunikationstechnologien. An der TU Kaiserslautern befasst sich das Team vom Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation damit, diese Technik in die Anwendung zu bringen. „In der Regel befindet sich an jeder Maschine in einer Werkshalle ein Rechner beziehungsweise eine entsprechende Steuerungseinheit, über die sich die jeweilige Maschine kontrollieren lässt“, sagt Jan Mertes, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl. „Wir möchten diese Steuerung zentralisieren und auf einen Hochleistungsrechner, einen sogenannten Edge-Server, auslagern.“ Dieser Computer kann dabei an einem beliebigen Ort auf dem Betriebsgelände stehen.

Promotion zum Thema 5G

Um die Daten der Maschine schnell und reibungslos zu übertragen, braucht es die 5G-Technologie. „5G ermöglicht sehr geringe Latenzen, also eine sehr kurze Verzögerungszeit der Kommunikation, bei gleichzeitig hoher Datenrate und -übertragung und Ausfallsicherheit“, sagt Mertes, der im Rahmen seiner Promotion derzeit untersucht, wie 5G in einer Werkshalle am besten zum Einsatz kommen kann. „Wir müssen hierbei unter anderem Störungen durch andere Maschinen und weitere Faktoren ausschließen“, so Mertes weiter. „Mit 5G ließe sich ein kompletter Maschinenpark zentral steuern. Die individuelle Software vor Ort und die Steuerungshardware fallen weg.“

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Das Team entwickelt zeitgleich einen 5G-fähigen digitalen Zwilling der Maschine. „Wir haben eine Werkzeugmaschine, eine Fräse, mit der wir die 5G-Technik erproben, digital nachgebaut“, fährt er fort. „Darüber lässt sich die reale Maschine steuern. Der Zwilling verhält sich dabei genauso wie die Maschine und das in Echtzeit. Zudem erfolgt eine Visualisierung der Maschine, die an verschiedene Nutzungsbedingungen angepasst werden kann.“ Aber auch verschiedene Simulationen lassen sich mit dem Verfahren durchspielen.

Zentrale Steuerung von Maschinenparks

Interessant ist die Methode für die Industrie, da eine Steuerung des Maschinenparks zentral an einen Ort ausgelagert werden kann. „Der Arbeiter kann alle Maschinen über einen Rechner im Blick behalten und muss theoretisch nicht vor Ort sein“, nennt er als Vorteil. Zudem lassen sich durch den Wegfall der dezentralen Steuerungseinheiten sowie der zentralen Administration Ressourcen- und Platzeinsparungen realisieren. Hinzu kommt, dass mit dem Verfahren alle Daten auf einem Server liegen. „Somit lassen sich Verfahren der Künstlichen Intelligenz, beispielsweise des Maschinellen Lernens, einfacher anwenden.“

Die Arbeiten sind in das Projekt „5G Kaiserslautern“ der TU Kaiserslautern eingebunden. Dabei arbeitet das Team vom Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation um Professor Dr. Jan C. Aurich eng mit dem Team vom Lehrstuhl für Funkkommunikation und Navigation um Professor Dr. Hans Schotten zusammen, der das Vorhaben koordiniert. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur.

Auf der Messe stellt das Team seine Werkzeugmaschine in Halle 2, Stand B46vor. Sie ist an den digitalen Zwilling angebunden, der auf einem Bildschirm neben der Fräse am Forschungsstand zu sehen sein wird.