Technologien des Center of Excellence

Digitale Fabrik 4.0

Planungstisch 4.0

Der IFU-Planungstisch 4.0 ist ein innovatives Werkzeug, das aktuelle Forschungsergebnisse der Fabrikplanung von morgen greifbar macht. Einen besonderen Mehrwert dieses einzigartigen Werkzeuges stellt die Möglichkeit der partizipativen Planung dar, bei der alle relevanten Wissensträger des Unternehmens in den Planungsprozess involviert und deren Planungsergebnisse mit relevanten unternehmensinternen und -externen Restriktionen kombiniert werden. Das Besondere: Für diese Interaktion wird aufgrund der intuitiven Bedienung der rollenspezifischen Informationsdarstellung kein spezifisches Fabrikplanungswissen benötigt. Es resultiert ein valides Layout mit hoher Planungsgeschwindigkeit und -qualität. Der Schwerpunkt liegt auf der Integration von implizitem, nicht dokumentiertem Wissen aller relevanten Entscheider in den Planungsprozess.

Eine intuitive Bedienung des Tisches wird durch additiv gefertigte maßstabsgerechte 3D-Modelle realisiert, die über einen runden Marker vom Planungstisch erkannt werden. Die 3D-Modelle dienen als maßstabsgerechte Abbildungen der anzuordnenden Maschinen und Anlagen auf den Markern. Der Planer benutzt die Marker, um die Objekte durch Drehen und Verschieben anzuordnen und die Fabrik schrittweise zu planen. Dabei steht dem Planer über Menübuttons objektspezifisches Wissen aus einer zentralen Cloud zur Verfügung, das über die Marker-ID mit den Objekten gekoppelt ist. Die Identifizierung der Marker erfolgt durch Triangulation auf der hochpräzisen Touchoberfläche des Planungstisches.

Das rollenbasierte Datenbankmanagementsystem besteht aus einer Cloud-Datenbank, die die technischen Regeln für Arbeitsstätten und maschinenspezifische Daten speichert und aktualisiert. Diese Datenbasis verknüpft das Datenbankmanagementsystem mit den 3D-Objekten. Wird in dem Planungsstand gegen diese Vorgaben verstoßen, ordnet das System diese Information einem Mitarbeiter im Unternehmen zu und stellt sie aktiv zur Verfügung. Somit wird der Planungsstand kontinuierlich auf Validität überprüft und gibt dem zuständigen Mitarbeiter einen strukturierten Überblick über die offenen Gestaltungshinweise.

Motion Capturing

Bei Motion Capturing – also Bewegungserfassung – handelt es sich um ein Tracking-Verfahren, bei dem Bewegungen erfasst und mithilfe von Computern analysiert und weiterverarbeitet werden. Das System besteht aus mehreren Infrarotkameras, die sogenannte Targets erfassen, die wiederum an verschiedenen Gliedmaßen eines Probanden angebracht sind. In der Folge kann die erfasste Bewegung in Echtzeit auf ein Menschmodell in einer Simulation übertragen und ergonomisch analysiert werden.

Ursprünglich wurde das Motion Capturing für die Filmindustrie entwickelt, um sehr natürliche Bewegungsabläufe bei animierten Figuren erstellen zu können. Erfolgreich eingesetzt wurde diese Technologie zum Beispiel bei der Figur Gollum in der Trilogie Herr der Ringe. Aber auch in der Industrie steigt der Einsatz des Motion Capturing.

Arbeitswelt 4.0

AgeMan

Der Alterssimulationsanzug AgeMan ermöglicht die Nachempfindung körperlicher Einschränkungen: So werden Blickfeld, Hörvermögen und die motorischen Fertigkeiten beim Tragen des Anzuges begrenzt. Der AgeMan verdeutlicht somit praxisnah die Notwendigkeit einer alters- und alternsgerechten Arbeitsgestaltung. Außerdem dient der Anzug dazu, jüngere Mitarbeiter für altersbedingte Arbeitseinschränkungen zu sensibilisieren. Für das Arbeiten 4.0 ist besonders die Prüfung auf Alters- und Alternsgerechtigkeit von großer Bedeutung, da die Arbeitsinhalte zukünftig im Anspruch steigen und komplexer werden. Mit dem Einsatz des AgeMan können so frühzeitig Potenziale für Arbeiten 4.0 gehoben werden und die Einführungszeit alter(n)sgerechter Maßnahmen sogar verkürzt werden.

Exoskelett

Exoskelette, auch Außenskelette oder Stützroboter genannt, sind am Körper getragene Stützstrukturen, die die Belastung auf den Körper durch eine (elektro-)mechanische Unterstützung reduzieren und die Gefahr von Verletzungen verringern. Das IFU arbeitet mit dem Chairless Chair, einem passiven Exoskelett. Dabei handelt es sich um eine mobile Stuhleinheit, die am Körper des Mitarbeitenden befestigt ist und ihn durch mechanische Feder- bzw. Seilzugsysteme bei Belastungswechseln unterstützt. Durch die Nutzung des Chairless Chair kann die Mitarbeiterin oder der Mitarbeiter zwischen stehender und sitzender Position während des Arbeitsprozesses wählen. Dabei ist das Exoskelett derart konstruiert, dass es die Mitarbeiter auch bei mehrstündigem Tragen nicht zusätzlich belastet.

Vor dem Hintergrund, dass Muskel-Skelett-Erkrankungen Hauptgrund für Arbeitsausfälle sind, bietet das Exoskelett folgende Vorteile: Es entlastet die Wirbelsäule des Mitarbeiters und verringert einseitige Belastungen. Dadurch können krankheitsbedingte Ausfalltage reduziert werden. Durch die tragbare Technik – der Mitarbeitende braucht das Exoskelett nicht abzulegen, es ist jederzeit mittragbar – wird eine flexiblere Arbeitsgestaltung ermöglicht, sodass eine Zeiteinsparung bei der Ausführung der Arbeitstätigkeiten zu erwarten ist. Somit bietet das IFU praxisnahe Anwendungsmöglichkeiten, um bestehende Arbeitssysteme ergonomisch und zukunftsorientiert zu gestalten.

Force-Feedback-Gerät

Mit einem Force-Feedback-Gerät können Ergonomie-, Zugänglichkeits- und Montagesimulationen in verschiedenen Simulationsumgebungen in der frühen Planungsphase durchgeführt werden. Das Force-Feedback-Gerät ermöglicht dabei eine haptische Rückmeldung in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden und hebt so die Immersion für den Nutzer auf eine neue Ebene. Durch den großen Arbeitsraum, der dem eines menschlichen Arms nachempfunden ist, und die hohen abbildbaren Kräfte werden so die ergonomischen Belastungen für den Planer bereits in der frühen Phase erlebbar. Hierbei besteht der Mehrwert dieser Technologie darin, dass bereits in einer frühen Phase der Fabrikplanung Prozesse digital abgesichert werden können. Ein Beispiel hierfür sind Schraubverbindungen, die aufgrund des haptischen Feedbacks auch in der Virtual Reality nahezu realistisch abgebildet werden können.

Mensch-Roboter-Kollaboration

Eine Möglichkeit zur Schaffung altersgerechter Arbeitsplätze ist der Einsatz von Robotern in der Montage. Hierdurch wird unter anderem die Ergonomie der Arbeitsabläufe verbessert, was die Mitarbeiter entlastet und den Folgen des demografischen Wandels entgegenwirkt. Die strikte Trennung von manuellen und automatischen Arbeitsstationen, die aus sicherheitstechnischen Gründen erfolgt, stellt jedoch nach wie vor eine große Hürde dar. Die Lösung hierfür ist die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Diese direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter legt die Basis für neuartige, zukunftssichere Produktionsprozesse (Industrie 4.0). Auf diese Weise können Mensch und Roboter ein gemeinsames Arbeitssystem bilden. Zur weiteren Forschung im Bereich MRK befindet sich im Center of Excellence ein KUKA LBR iiwa (siehe Foto).

Die neue Generation Leichtbauroboter (zum Beispiel der KUKA LBR iiwa) ermöglicht aufgrund der hohen Sensitivität die flexible Unterstützung bei verschiedenen Montagetätigkeiten. Bei Klebeapplikationen kann beispielsweise der sogenannte Impedanzmodus genutzt werden, um die Düsennadel kraftgeregelt an der Bauteilgeometrie entlangzuführen. Das aufwendige Ein- und Nachteachen einer Vielzahl an Einzelpunkten zur Realisierung der Bahnplanung entfällt. Auf diese Weise wird zudem die Qualität der Klebenaht sowie die Prozesssicherheit der Klebeapplikation deutlich verbessert.

Um die Programmierung und die Instandhaltbarkeit einer Mensch-Roboter-Kollaboration zu vereinfachen, wurden universell einsetzbare Programmbausteine entwickelt, die eine einfache, aber sichere Programmierung ermöglichen. Für die Beschreibung der Roboterbewegungen werden die fünf bekannten Grundbausteine aus dem Grundzyklus des Methods-Time Measurement (MTM) verwendet, die in Abhängigkeit vom montierten Werkzeug um zusätzliche prozessbedingte Bausteine ergänzt wurden. Mit diesem Bausteinsystem können per Drag-and-drop vollständige MRK-Applikationen leicht und intuitiv realisiert werden.

Franka Emika

Der Leichtbauroboter Franka Emika wurde im Jahr 2017 mit dem deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet. Er ist modular aufgebaut und besteht aus ultraleichten Komponenten. Er verfügt in allen Gelenken über empfindliche Sensoren, die in Kombination mit einer besonderen Art der Regelung eine menschenähnliche Nachgiebigkeit und Feinfühligkeit ermöglichen. Hierdurch kann der Roboter bereits auf leichte Kontakte extrem schnell reagieren. Dies verhindert Verletzungen von Menschen durch ungewollte Kollisionen mit dem Roboter. Die Bedienung des Systems ist intuitiv erlernbar und erfordert keinerlei Programmierkenntnisse. Sie macht die Nutzung des Roboters so einfach wie den Umgang mit einem Smartphone. Dies eröffnet eine breite Palette an neuen Anwendungsperspektiven, von denen auch kleine und mittelständische Unternehmen profitieren können. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen jedoch weit über die industrielle Produktion hinaus. Im Center of Excellence wird der Roboter beispielsweise für die Ausbildung junger Menschen in der Automatisierungstechnik genutzt.

Ganzheitliche Produktionssysteme 4.0

RFID-Scanner

Die eingesetzten RFID-Scanner erfassen jeden Kleinladungsträger und jedes Produkt, das sich im Arbeitsbereich befindet. Hierbei sind passive RFID-Tags auf den jeweiligen Produkten oder Ladungsträgern verklebt, die drahtlos ausgelesen werden können. Mit diesen Informationen können Prozessvorgänger, Prozessdauern, Nachfolger und verknüpfte Hintergrundinformationen direkt bestimmt und ausgelesen werden. Gegenüber weiteren Verfahren für die Identifikation und Lokalisation von Objekten bietet die RFID-Technologie erhebliche Vorteile. So können durch Barcodes beispielsweise lediglich Daten ausgelesen werden. Bei RFID gilt dies nur für sogenannte „Read-only“-Transponder. Daneben gibt es allerdings Transponder, die einfach oder mehrfach beschrieben werden können. Mehrfach beschreibbare Transponder sind teurer als einfach beschreibbare Tags, bieten aber mehr Einsatzmöglichkeiten. Darüber hinaus ermöglichen manche Tags die Speicherung von größeren Datenmengen.

Die im Center of Excellence for Lean Enterprise 4.0 eingesetzte RFID-Technologie arbeitet im Frequenzbereich 860 MHz–960 MHz (UHF), wobei auf passive Transponder zurückgegriffen wird. In Abhängigkeit der konfigurierbaren (Lese-)Leistung der RFID-Reader können die Tags über eine Distanz von bis zu 1,5 m gelesen und beschrieben werden. Die Umsetzung der RFID-Technologie ermöglicht es, jedes Bauteil eindeutig zu identifizieren und arbeitsplatzspezifisch zu lokalisieren. Neben der Echtzeitvisualisierung von Kennzahlen wird hierdurch eine lückenlose Rückverfolgbarkeit eines jeden Bauteiles gewährleistet.

Real-Time Location System (RTLS)

Das Real-Time Location System (RTLS) ortet einzelne aktive Tags mithilfe von fest installierten Sensoren im dreidimensionalen Raum des Center of Excellence. Die Tags senden in einer festgelegten Frequenz ein Ultrabreitbandsignal. In einer zugehörigen Software werden sie an virtuelle CAD-Objekte gekoppelt. Es entsteht ein Digitaler Schatten der realen Produktionsumgebung. Die Positionen von Arbeitsstationen, Betriebsmitteln und Produkten können somit zu jeder Zeit nachverfolgt und bestimmt werden. Die aggregierte Ansicht von Vergangenheitsdaten ermöglicht außerdem die Visualisierung von Lauf- und Fahrwegen und deckt damit Verschwendung bzw. Verbesserungspotenzial auf. Zusätzlich können Suchzeiten reduziert werden.

In den Ecken des Raumes angebrachte Ultra-Wideband(UWB)-Sensoren orten die im Raum befindlichen RTLS-Tags.

Lean Service 4.0

Microsoft HoloLens

Die Microsoft HoloLens ist eine Mixed-Reality- und Augmented-Reality-Anwendung, die es dem Nutzer im Zusammenspiel mit einem 3D-Head-mounted-Display, Sensoren, Lautsprechern, einer eigenen Central Processing Unit (CPU) sowie Graphics Processing Unit (GPU) erlaubt, 3D-Projektionen in der direkten Umgebung anzeigen zu lassen. Somit wird dem Nutzer suggeriert, dass sich virtuelle Objekte in seiner realen Umgebung befinden. Gleichermaßen kann der Nutzer durch Sprach- und Gestensteuerung mit diesen Objekten interagieren. Sie können beispielsweise verschoben werden, oder ihre Größe kann angepasst werden.

Im Center of Excellence wird diese Technologie für einen Lean-Service-4.0-Anwendungsfall genutzt. Dabei wird ein Servicetechniker durch die IFU-Lean-Service-4.0-Applikation der Microsoft HoloLens auf den Wartungsbedarf von Maschinen im Center of Excellence aufmerksam gemacht. Zusätzlich werden für unterschiedliche Wartungsfälle alle notwendigen Informationen mithilfe von Bildern, Videos und Geopunkten im Sichtfeld des Anwenders angezeigt. Somit kann der Servicetechniker mit beiden Händen arbeiten und hat immer alle wichtigen Informationen im Blick.

3D-Drucker

Durch die Technologie des 3D-Druckes können aus CAD-Daten in kurzer Zeit reale, funktionale Prototypen oder auch Ersatzteile hergestellt werden. Diese können genutzt werden, um Passgenauigkeit und Funktion in der frühen Planungsphase zu überprüfen. Mit diesem Verfahren können durch die hohe Stabilität aber auch einfache Betriebsmittel direkt für die Serienproduktion hergestellt werden. Im Center of Excellence wird hierzu ein 3D-Drucker der Firma Stratasys verwendet, der schmelzfähigen Kunststoff für die Erzeugung der jeweiligen Prototypen oder Ersatzteile nutzt.