Neue Kraft für die Industrie

Elektronische Produkte – ausgedruckt

Statt Produkte in Billiglohnländern herstellen zu lassen und dann quer über den Globus zu karren, könnte es sich dank 3D-Druck künftig lohnen, die komplette Fertigungskette wieder nach Deutschland zu holen. Und damit nicht nur klimaschonender und schneller zu fertigen, sondern auch fragile globale Lieferketten zu vermeiden. »Wir wollen komplexe Produkte auf Knopfdruck druckbar machen – und zwar lokal dort, wo sie benötigt werden«, sagt Kauschs Kollege Lukas Boxberger, ebenfalls Abteilungsleiter am Fraunhofer IWU. Es genügt, die Daten in die Maschine einzuspeisen, und schon produziert sie eine Kaffeemaschine, eine Bluetooth-Box oder einen Staubsaugerroboter in direkter Nähe zum Kunden.

»Eine solche Maschine muss im Wesentlichen vier Teilprozesse beherrschen: nicht-druckbare Dinge wie Textilien, Folien oder Furnierholz festhalten, Strukturen aufbauen, Kabel für elektronische Produkte integrieren und weitere Elemente wie Motoren oder Displays einlegen«, erläutert Boxberger. Dies haben die Forschenden über verschiedene Werkzeugköpfe gelöst, die je nach Bedarf ausgewechselt werden und mit denen die Maschine die anstehenden Aufgaben bewältigen kann. Als Prototyp existiert die Maschine bereits unter dem Namen »Multi-Material-Additive Manufacturing«, kurz MMAM.

Nicht nur die Maschine selbst bedeutet einen großen Schritt für die Produktion. Insbesondere die Integration von Drähten eröffnet weitere Optionen. Denn die Gestaltungsfreiheit, für die die klassische additive Fertigung gerühmt wird, besteht bislang ausschließlich für Kunststoff-Bauteile. »Unser System erweitert den 3D-Druck um maximale Funktionsflexibilität: Wir können elektrische Eigenschaften und Datenleitungen ebenso einbringen wie Antennen- oder thermische Funktionen«, beschreibt Boxberger. Der entwickelte Druckkopf führt Draht und Kunststoff zusammen. Dabei kann er jeden Metalldraht – ob aus Kupfer, Konstantan oder Nickel-Titan – in verschiedenen Durchmessern mit sämtlichen Thermoplasten kombinieren und somit jede Funktion realisieren. Ein erstes Produkt hat die Maschine bereits automatisiert gedruckt, gänzlich ohne menschliche Mitwirkung: Folie einlegen, Spule wickeln, Magneten und Platine einsetzen. Heraus kam ein Lautsprecher, der direkt einsatzfähig war.

Ein weiterer Vorteil: Die Fertigung lässt sich völlig anders denken. Boxberger: »Kabel können ins Gehäuse eingedruckt, Schalter über druckempfindliche Bereiche direkt ins Gehäuse integriert werden. Ins Bauteil eingefügte oder direkt auf das Bauteil gedruckte Leitungen erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterung sowie die Funktionsdichte der Bauteile und tragen zu einem reduzierten Materialverbrauch bei.« Derzeit skaliert das Team die Anlage auf die Größe eines Seecontainers hoch. Statt vier ermöglicht diese zwölf Operationen: Auch komplexe Kabelbäume, optische Funktionen, Datenleitungen aus Glasfasern und Lichtleitelemente sind dann druckbar. Ende 2026 soll ein Prototyp fertig sein.erung von »Made in Germany«.          

Laser im Pulverbett

Während der 3D-Druck sich für die Fertigung von kunststoffbasierten Produkten anbietet, sind Laserprozesse das additive Verfahren der Wahl für metallische Produkte: etwa das selektive Laserstrahlschmelzen (engl.: Laser Powder Bed Fusion), bei dem Metallpulver schichtweise durch einen Laserstrahl verschmolzen wird. Vom Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Jahr 1996 entwickelt, ist es mittlerweile die dominierende Technologie auf dem Markt: Die additive Fertigung von Metallteilen erfolgt zu mehr als 80 Prozent mithilfe des Verfahrens. Auch Kunststoffe lassen sich damit drucken.

Ausgereizt ist das Verfahren aber noch lange nicht. Dr.-Ing. Tim Lantzsch, Abteilungsleiter am Fraunhofer ILT, sieht insbesondere im Beamshaping, also dem Formen des Laserstrahls, noch Potenzial. Denn der standardmäßig verwendete gaußförmige Laserstrahl überhitzt das Material lokal, was nicht nur die im Prozess bearbeitete Metallpulverschicht aufschmelzen lässt, sondern auch die zwei bis drei darunterliegenden Schichten, die bereits zuvor bearbeitet wurden – energetisch wenig sinnvoll. »Mit einer komplexeren Strahlform können wir die Energie noch mal ganz anders auf das Pulverbett verteilen«, sagt Lantzsch. »Schon einfache Strahlformungen mit rechteckigen oder ringförmigen Verteilungen verdoppeln die Prozessgeschwindigkeit und steigern die Bauteilqualität.« Simulationen helfen den Forschenden abzuschätzen, wie sich unterschiedliche Strahlformen auf Temperaturverteilung und Schmelzbad auswirken. Parallel bauen sie die nötige Hardware auf. Entsprechend flexible Maschinen für die additive Fertigung – beispielsweise eine der größten Pulverbettmaschinen der Welt, die sich im Fraunhofer ILT befindet – werden fortlaufend weiterentwickelt, um den Transfer der gewonnenen Erkenntnisse in die Industrie zu erleichtern.

Die Grenzen des Laserstrahlschmelzens durch angepasste Scanstrategien zu verschieben, ist das Ziel von Forschenden des Fraunhofer IWU. »Bisher werden die Scanbahnen des Lasers von der Maschinen-Software vorgegeben und lassen sich nur geringfügig ändern. Doch sind sie nicht immer geschickt gewählt. So werden komplex geformte Bauteile oft nur mit einer Scanstrategie und einem Laserparameter-Satz gefertigt, was die Maßhaltigkeit des Bauteils beeinträchtigt«, erläutert Dr.-Ing. Juliane Thielsch, Technologiemanagerin am Fraunhofer IWU. Thielsch und ihr Team haben gemeinsam mit der TU Dresden (Professur VPE) eine Softwarelösung entwickelt, die ermöglicht, einzelne Scanbahnen des Lasers gezielt zu verändern und diesen Scanbahnen separate Parametersätze wie Laserleistung oder Lasergeschwindigkeit zuzuordnen. »Die Freiheit, die uns die Software im Bearbeitungsworkflow bietet, ist sehr groß«, lobt Thielsch. »So kann der oder die Nutzende zwischen verschiedenen Scanstrategien wählen und selbst Scanbahnen editieren, löschen oder neue hinzufügen.« Bei Kurzschaft-Implantaten für das Schultergelenk konnten die Forschenden so die Abweichungen der Maßhaltigkeit von 21 auf 3 Prozent senken.

Metall trifft Metall

Mitunter ist es sinnvoll, unterschiedliche Metalle und damit Funktionen zu kombinieren. Etwa bei einem Werkzeug für den Spritzguss: Stahl garantiert eine hohe Festigkeit, eine Kupferlegierung verbessert die Wärmeleitfähigkeit. Derzeit erfolgt die Fertigung solcher Metall-Metall-Produkte häufig über elektrochemische Prozesse, die unter die REACH-Chemikalienverordnung (»Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals«) fallen. Es sind daher Alternativen gefragt. »Um zwei verschiedene Materialien präzise und getrennt voneinander additiv aufbringen zu können, haben wir einen pulverbettbasierten Prozess mit zwei Materialkammern entwickelt«, sagt Dr.-Ing.Georg Schlick, der die Abteilung »Additive Fertigung« am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV leitet. »Wir bringen das erste Materialpulver auf, schmelzen es mit dem Laser, saugen das nicht verwendete Pulver ab und starten dann den gleichen Prozess mit dem zweiten Material.«

Das Spin-off Fidentis wird dieses Verfahren künftig nutzen, um Teleskopkronen für den Zahnersatz zu produzieren. Bislang ist die Fertigung solcher Kronen von Handarbeit geprägt, dadurch teuer und somit eher Privatversicherten vorbehalten. Die neuartige Fertigung könnte dies ändern: Bereits zu Ostern sollen die ersten Patientinnen und Patienten versorgt werden. Auch für andere Anwendungen sieht Schlick viel Potenzial – insbesondere dort, wo thermische und mechanische Lasten zusammentreffen. »Über das Verfahren können wir die Funktion eines Bauteils, etwa eines Werkzeugs, verbessern und somit die Kosten des Endprodukts senken«, sagt Schlick. »Es steht zu hoffen, dass wir die Fertigung auf diese Weise von Fernost zurück nach Europa holen.«

Laserdrahtauftragschweißen mal acht

Statt Pulver mittels Laser zu verflüssigen, lässt sich das aufzuschmelzende Material auch in Drahtform verwenden. Dabei werden im Gegensatz zum Pulverstrom hundert Prozent des zugeführten Drahts ins Schmelzbad überführt. Bislang war das Verfahren zu langsam für industrielle Hochleistungs-Beschichtungen. Künftig könnte es sich zu einem ernsthaften Konkurrenten für das Laserpulverauftragschweißen entwickeln. Grund für diesen Entwicklungsschub ist ein Verfahren namens COAXquattro, das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelt haben. Es vereint gleich mehrere Besonderheiten: Wird der Metalldraht üblicherweise in der Mitte des Anlagenkopfes geführt und von seitlich angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen, drehte das Team den Aufbau kurzerhand um. Nun befindet sich der Laser in der Mitte, während mehrere Drähte von außen zugeführt werden. »Auf diese Weise können wir Standardoptiken verwenden, die aktuell bis 20 Kilowatt Laserleistung nutzbar sind. Das System ist im Vergleich mit vorherigen Laserschweißköpfen hinsichtlich Abschmelzrate drei bis vier Mal produktiver«, sagt Dr.-Ing. Elena Lopez, Abteilungsleiterin am Fraunhofer IWS.

Zudem führt das Team mit dem speziell entwickelten Schweißkopf bis zu vier Drähte sowie vier Pulverstrahlen in den Prozess. »Indem wir in einem Arbeitsschritt unterschiedliche Metalle verwenden, können wir Beschichtungen aus In-situ-Legierungen erzeugen. Die Ausgangsmaterialien werden erst beim Beschichtungsprozess miteinander vermischt«, erläutert Holger Hillig, Projektleiter und Kollege von Lopez. So lassen sich ohne zusätzliche Verfahren lokalisiert gewünschte Eigenschaften in die Beschichtung einbringen – etwa lokal höhere Härte, thermische Leitfähigkeit oder ein besonderer Ausdehnungskoeffizient. COAXquattro rückt die Beschichtung über das Laserdrahtauftragschweißen in einen wirtschaftlichen Bereich, und das für sehr große Bauteile wie Planetengetriebe – mit laserbeschichteten Gleitlagerbolzen – für Windkraftanlagen oder zur Verschleißschutzpanzerung von Extrudern für die Reifenherstellung.

Bei der additiven Fertigung erschließt das Verfahren neue Einsatzgebiete: »Für die Seitenfläche eines Zuges der Deutschen Bahn waren bislang sieben verschiedene Produktionsschritte nötig. Wir können dies auf drei Schritte reduzieren«, hebt Lopez hervor. Indem durch die additive Fertigung andere Geometrien ins Reich des Möglichen rücken, setzen die Forschenden zur Stabilisierung des Seitenteils auf eine bionisch inspirierte Struktur, die den Adern eines Blattes ähnelt. Auf diese Weise wird das Bauteil um 30 Prozent leichter. Langfristig kann COAXquattro auch Stoffe ­ersetzen, die von Ressourcenknappheit ­betroffen sind – indem man über die Legierung dieselben Eigenschaften erzielt. Wie genau sich dies realisieren lässt, untersuchen die Forschenden im Fraunhofer-Leitprojekt ORCHESTER.

Kritische Stoffe ersetzen

Ein anderes Laserverfahren aus dem Fraunhofer ILT, das sich zum Industriestandard gemausert hat, ist das Extreme-Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA. Dabei wird das Pulver direkt im Laserstrahl vor dem Auftreffen auf das Bauteil geschmolzen. So lassen sich dünne Schichten herstellen und viel Fläche in kurzer Zeit beschichten. »EHLA ist besonders attraktiv, wenn hohe Prozessgeschwindigkeiten, dünne Schichten und nachhaltige Materialnutzung gefragt sind«, sagt Dr.-Ing. Thomas Schopphoven, Abteilungsleiter am Fraunhofer ILT. Beim Ersatz von umweltschädlichem Chrom(VI)-Verfahren ist EHLA bereits etabliert – und künftig bei der Substitution kritischer per- und polyfluorierter Alkylverbindungen PFAS. Auch hinsichtlich der Erfüllung der Euro-7-Abgasnorm verspricht die Technologie Hilfe: »EHLA ist eine zentrale Lösung für die Beschichtung von Pkw-Bremsscheiben. Die stoffschlüssige und fest verbundene Schicht verringert den Abrieb und senkt so die Partikelemissionen«, erläutert Schopphoven. Derzeit wird die Serienfertigung in der Industrie aufgebaut.

Nassvliestechnologie nur für Papier? Da geht deutlich mehr!

Dass Innovationssprünge mitunter auch bei altbewährten Verfahren möglich sind, zeigt die Nassvliestechnologie, die seit rund 2000 Jahren bekannt ist und derzeit vor allem in der Papierherstellung zum Einsatz kommt. Fraunhofer IGCV-Wissenschaftlerin Violetta Schumm sieht auch andere Möglichkeiten: »Das Verfahren eröffnet einen Weg, Fasern aus Verbundwerkstoffen wiederzuverwenden.« Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihres Leichtbaupotenzials in vielen Bereichen im Einsatz, etwa in der Luftfahrtindustrie oder in Windrotorblättern, im Automotive-Bereich oder bei der Herstellung von Sportgeräten. Doch am Ende des Lebenszyklus dieser Produkte steht eine zentrale Frage: Wie können diese Materialien effektiv recycelt werden?

Aktuell ist es möglich, die einzelnen Carbonfasern aus Abfallströmen zurückzugewinnen und aufzubereiten. Die Herausforderung liegt jedoch in der effizienten Weiterverarbeitung dieser recycelten Fasern. Hierbei kommt eine innovative, modifizierte Nassvlies-Pilotanlage im Technikums-Maßstab am Fraunhofer IGCV zum Einsatz. Vergleichbar zur Papierherstellung werden die rezyklierten Fasern dabei in großen Behältern in Wasser vereinzelt. Die erzeugte Faserdispersion durchläuft mehrere Prozessschritte und wird schließlich auf ein kontinuierlich bewegtes Siebband transportiert, wodurch eine Vliesstoffbahn als Rollenware entsteht. In der Anlage in Augsburg können so Rezyklatfasern mit einer Länge von bis zu 30 Millimetern verarbeitet werden, und das bei einer Produktionsgeschwindigkeit von bis zu 30 Metern pro Minute. Die erzeugten Vliesstoffe kommen als Verstärkungskomponenten in Second-Life-Verbundwerkstoffen zum Einsatz und bieten ein breites funktionelles Eigenschaftsspektrum, beispielsweise in Bezug auf deren elektrische und thermische Leitfähigkeit. Durch die weitere Erforschung und Entwicklung dieser Prozessroute leistet das Fraunhofer IGCV einen wichtigen Beitrag zur Schließung des Materialkreislaufs und fördert somit wirtschaftlich tragfähige und industriell einsetzbare Recyclingkonzepte.on »Made in Germany«.          

Roboter demontieren Autobatterien

Das Thema Recycling dominiert auch gerade im Automobilwesen, auf das nach wie vor ein großer Teil der deutschen Wertschöpfung entfällt. Doch der Umstieg aufs E-Auto hat die Verhältnisse auf dem weltweiten Automarkt verschoben; deutsche Hersteller konnten bislang nicht an ihre einstige Führungsrolle anknüpfen. »Ein entscheidender Faktor, um im Wettbewerb bestehen zu können, sind die Verfügbarkeit und Kosten der Rohstoffe, die für Batterien und E-Motoren nötig sind«, erklärt Prof. Alexander Sauer, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. »Umso wichtiger ist es, ausgediente Batterien, die noch wertvolle Rohstoffe enthalten, nicht einfach zu schreddern.«

Die Grundvoraussetzung, um Batteriekomponenten wiederverwenden zu können: Die Bestandteile müssen sortenrein demontiert werden. Im Projekt DeMoBat erarbeiteten zwölf Verbundpartner unter der Koordination des Fraunhofer IPA entsprechende Konzepte und Anwendungen. »Wir haben erstmalig eine großskalige Demontageanlage für Autobatterien aufgebaut«, berichtet Anwar Al Assadi, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA. »Kabel trennen, Schrauben lösen und das Fräsen von Schrauben – Roboter führen den gesamten Demontageprozess automatisiert durch.« Nach jedem Demontageschritt kontrollieren Sensoren und 3D-Kamerasysteme das Zwischenergebnis. DeMoBat ist bereits abgeschlossen; derzeit rüsten die Forschenden die Anlage um für die Demontage einer weiteren Komponente aus der Automobilindustrie. Der Ansatz ließe sich zudem auf Elektrogroßgeräte wie Wasch- oder Spülmaschine übertragen. Für Elektrokleingeräte arbeiten die Forschenden im Projekt Desire4Electronics an Lösungen zum automatisierten Zerlegen. – und leisten damit ihren Teil zur Zukunftssicherung v

Vom Sensor in die Cloud

Das Optimum aus den einzelnen Fertigungstechnologien herauszukitzeln ist elementar, wenn das Label »Made in Germany« hochgehalten werden soll – schließlich bilden diese das Rückgrat der Fertigung. Ausreichend ist es nicht. »Die Aufgabe besteht darin, vorhandene Ansätze sinnvoll zusammenzubringen und aus den Einzellösungen ein großes Ganzes zu machen«, bekräftigt Michael Fritz, Leiter der Geschäftsstelle des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT. Wie das gelingen kann, untersuchen Forschende des Clusters im Projekt »Edge Cloud Continuum 4 Production«, kurz ECC4P.

Der Ansatz: Durch Vereinigung von Edge und Cloud soll ein durchgehender Datenraum entstehen. Die Rechenleistung wird dann dort erbracht, wo sie am effizientesten und wirtschaftlichsten ist. Edge bezeichnet dabei den Bereich, in dem die Daten entstehen – lokale Sensoren, Maschinen oder Geräte. Insbesondere bei Prozessen, die in Sekundenbruchteilen abgeschlossen sein müssen, besteht die Notwendigkeit, die Rechenleistung und den Speicherplatz dieser Edge zu nutzen. Andere Aufgaben, die langwierig und rechenintensiv sind – etwa das Trainieren einer Künstlichen Intelligenz oder die Durchführung von Simulationen –, erfolgen in der Cloud. Elementar für die dynamische Datenverschiebung zwischen
Edge und Cloud ist die Verbindung zwischen ihnen durch sogenannte Datenraum-Konnektoren. Ihre Bedeutung zeigte sich im Projekt »Catena-X«, einer Initiative der deutschen Automobilindustrie, bei der eine gemeinsame Dateninfrastruktur für die gesamte Wertschöpfungskette geschaffen werden sollte. »In Catena-X wurden zahlreiche Technologien entwickelt. Die Kernaussage der Unternehmen jedoch war: Wir brauchen einen Konnektor, der industriefähig ist«, erinnert sich Fritz. Auf Basis des Dataspace Connector IDSC, den Fraunhofer vor Jahren entwickelt hat, entstand zwischen Fachkräften von Fraunhofer und aus der Industrie der Eclipse Dataspace Connector EDC. »Mittlerweile ist der EDC auf dem Weg, Industriestandard zu werden«, fasst Fritz zusammen.

Der Datenraum ist mit dem Connector geschaffen. Um ihn zu füllen, haben die Forschenden verschiedene Sensoriken entwickelt oder Sensoren so miteinander kombiniert, dass sie einen echten Mehrwert erzeugen. Drei generische Anwendungen nahmen sich die Forschenden dabei vor: Zum einen das adaptive Wälzschleifen, das bei der Zahnradherstellung benötigt wird. Hier wurde eine Körperschallsensorik in das Schleifgerät integriert: Konnte man bisher erst nach dem Einbau des fertigen Zahnrads in ein Getriebe einschätzen, ob der Prozess gut oder schlecht gelaufen ist, lässt sich der Prozess nun direkt bei der Bearbeitung bewerten. Der zweite Sensor löst ein ähnliches Problem bei der Umformung und dem Pressen: Über die Kontrolle des Pressdrucks kann der Ausschuss deutlich reduziert und die Rüstzeit beim Wechsel des Werkzeuges verkürzt werden. Der dritte Sensor überwacht den Bohr- und Fräsprozess, er ist ideal, um alte Maschinen nachzurüsten und sie in die digitale Wertschöpfung einzubinden. Um den Mehrwert der Sensordaten zu vergrößern, werden sie gemeinsam mit den Maschinendaten in einer Edge Cloud lokal analysiert und via EDC in die Cloud geschickt, wo sie zum Training einer Künstlichen Intelligenz genutzt werden. Die gesamte Verarbeitungskette ist nach dem Prinzip einer MLOps-Pipeline aufgebaut, um leistungsfähige und skalierbare KI/ML-Lösungen zu entwickeln und zu betreiben. Für die Sicherheit sorgt das Tool »Clouditor«, das im Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC entwickelt wurde. Fritz: »Den gesamten Ansatz haben wir als Proof-of-Concept für den Schleifprozess bereits umgesetzt. Er ist in allen Produktionen gewinnbringend, in denen gefräst, umgeformt, gebohrt und geschliffen wird – branchenunabhängig und gerade auch als Nachrüstung bestehender Maschinen bestens geeignet.«

Matrixproduktion statt Linienfertigung

So hocheffizient die klassische Linienfertigung auch ist: In puncto Flexibilität hat sie wenig zu bieten. »Gibt es mehrere Produktionslinien, müssen auch selten genutzte Maschinen in allen Produktionslinien und damit mehrfach vorgehalten werden«, sagt Dr.-Ing. Simon Harst, Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IWU. Er und seine Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IWU und Fraunhofer IPA wollen dieses starre System durch eine sogenannte Matrixproduktion auflösen. Statt der klassischen Linien schaffen sie Inseln, das Produkt bahnt sich mithilfe von fahrerlosen Transportsystemen selbst den Weg durch die Produktion. »Selten genutzte Anlagen müssen nur einmal vorgehalten werden, auch werden die Anlagen deutlich besser ausgelastet«, erläutert Dr.-Ing. Marcel Todtermuschke, ebenfalls Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IWU.

Die Produktionsarchitektur, die steuert, wie sich ein Produkt durch die Anlagen bewegt, entstand im Fraunhofer-Leitprojekt SWAP. Teilweise steht diese als Open Source zur Verfügung. In der Forschungsplattform REAL-M, kurz für »Robotics Engineering Application Lab for Matrixproduction«, wird die Matrixproduktion weiterentwickelt – mit dem Ziel der »First-Time-Right-Produktion«, die keinerlei Ausschuss produziert. Bei Infineon konnte mit dem Matrixansatz die Fertigungsdauer von Wafer-Strukturen via Matrixfertigung um etwa 20 Prozent gesenkt werden, wobei der Durchsatz um 50 Prozent gesteigert wurde.

Maschinenbauprobleme mit Künstlicher Intelligenz lösen?

»Made in Germany« langfristig hochhalten zu wollen, bedeutet auch: die Vorteile Künstlicher Intelligenz auszuschöpfen. Welchen Impact KI liefern kann, zeigt das Projekt LeakAIr des Fraunhofer IPA. Im Zentrum steht dabei mit der Druckluft ein »Problemkind« der Produktion. Etwa 60 000 Druckluftanlagen laufen in Deutschland, sie machen 7 Prozent des gesamten Stromverbrauchs der deutschen Industrie aus. Allerdings entweicht Schätzungen zufolge etwa ein Drittel der erzeugten Druckluft ungenutzt – und das meist unbemerkt. Die Kosten für diese Verschwendung belaufen sich pro Unternehmen und Jahr schnell auf Zehntausende Euro, von der negativen Klimabilanz ganz zu schweigen.

»Wir wollten den Schmerz sichtbar machen und undichte Stellen automatisiert orten«, beschreibt Daniel Umgelter, Geschäftssegmentleiter am Fraunhofer IPA. Gemeinsam mit dem Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart und dem Sensorunternehmen SICK hat er eine Detektion entwickelt, bei der ein intelligenter Algorithmus die Leckagen aufspürt. Um ausreichend Trainingsdaten zusammenzutragen, haben die Forschenden eine Maschine mit Löchern versehen, durch die Druckluft entweichen konnte, und zahlreiche Lastgänge nachgefahren. Herausgekommen ist ein Ansatz, den die Firma Sick unter dem Namen LeakAIr vertreiben wird. »Der Energieverlust könnte mit einer durchgehenden automatisierten Detektion von Leckagen um durchschnittlich etwa zehn Prozentpunkte gesenkt werden«, sagt Umgelter. »Bezogen auf ganz Deutschland ergäbe das eine Einsparung zwischen 80 und 160 Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Das entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Energieverbrauch von 22 000 bis 45 000 Haushalten.«

Daten gelten dank KI-Technologien als das Gold der Industrie 4.0. In welchem Maß dies zutrifft, konnten Forschende des Fraunhofer IWU im Verbundprojekt EmulDan (kurz für »Energieeffizienz in der Produktion durch multivalente Datennutzung«) eindrucksvoll belegen. Durch ein besseres Prozessverständnis ließ sich etwa bei Rundknetanlagen, die zur Produktion von Leichtbauteilen zum Einsatz kommen, der Energieverbrauch um bis zu 70 Prozent reduzieren. Beim Presshärten, das die Vorteile der Umformung und der Wärmebehandlung in einem Schritt kombiniert, deckten hybride Prozessmodelle auf Basis des Digitalen Zwillings, also in einer dynamischen virtuellen Abbildung des Prozesses, Energieeinsparpotenziale von bis zu 20 Prozent auf.

Möglich wurden diese Quantensprünge, da man bei zahlreichen Prozessen noch immer ein Stück weit im Dunklen tappt. Daten werden zwar erhoben, ihr Potenzial bleibt jedoch vielfach ungenutzt. Und so werden Schleifscheiben viel zu früh gewechselt, dünnere Bleche für das Umformen mit unnötig viel Energie erhitzt. Um dies zu ändern, brachten die Forschenden Sensoren in Bereiche ein, in denen das zuvor nicht möglich war, etwa in rotierende Bauteile bei der Zerspanung. Dort messen Dehnungsmessstreifen die Verformung des Werkzeugs in drei Achsen im Mikrometer-Bereich und übertragen die Daten drahtlos nach außen. Der Großteil der Entwicklungsarbeit lag jedoch in der Zusammenführung der Daten aus den unterschiedlichen Quellen und ihrer Auswertung per Künstlicher Intelligenz. »Die Ergebnisse der KI-Analyse nutzen wir, um die Maschinen automatisch zu steuern und an die tatsächlichen Gegebenheiten anzupassen«, sagt Stefan Polster, Gruppenleiter Blechbearbeitung und Werkzeugauslegung am Fraunhofer IWU.

Dokumentation und Informationssuche? Übernimmt die KI!

Die Künstliche Intelligenz kann auch lästige und zeitraubende Arbeiten übernehmen, die der Wertschöpfung entgegenstehen. 25 Prozent und mehr Arbeitszeit verpuffen Studien zufolge bei solchen Tätigkeiten, zu denen etwa die Suche nach Informationen oder die Dokumentationspflicht gehören. Die Antwort des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK: ein KI-Produktionsassistent, der auf einem generativen Sprachmodell basiert, das auch ChatGPT zugrunde liegt. »In Unternehmen herrscht eine heterogene IT-Landschaft vor. Mitarbeitende müssen mit einer Vielzahl von IT-Systemen interagieren, wodurch ihre Arbeitsweise unweigerlich fragmentiert wird«, weiß Prof. Julian Polte, Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IPK. »Wir wollen diese durch einen persönlichen virtuellen Assistenten für Mitarbeitende ersetzen, der benötigte Informationen automatisch bereitstellt und komplexe repetitive Aufgaben übernimmt. Wir erwarten einen erheblichen Produktivitätsgewinn.« Exemplarische Anwendungen werden bereits heute erfolgreich in die Industrie überführt