Kann die europäische Fertigungsindustrie ihre Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit durch Digitalisierung und Umstellung auf eine Kreislaufwirtschaft steigern? Ein Konsortium mit Teilnehmern aus neun Ländern, darunter Harms & Wende und das Steinbeis-Europa-Zentrum, stellen sich im EU-Projekt Reclaim dieser Herausforderung. Neben dem Einsatz von digitaler Analytik und zirkulärer Wirtschaftsstrategien sollen Störungen und Produktionsausfälle durch die digitale Nachrüstung reduziert werden.
Experten sind sich einig, dass die Wettbewerbsfähigkeit der Fertigungsindustrie eine Frage der Vorbereitung auf und Widerstandsfähigkeit gegenüber Marktveränderungen ist. Dies bedeutet, dass die notwendigen physischen und digitalen Werkzeuge implementiert werden müssen, um Maschinenausfälle und Abschaltungen auf Grund von Alterung zu vermeiden. Die Fertigungsindustrie muss ständig wechselnde Losgrößen bewältigen und Innovationszyklen in wirtschaftlich sinnvoller Weise beschleunigen. Fabriken, die eine Prognose der Produktion ermöglichen und über einen hohen Anteil an Überwachung und Steuerung verfügen, sind daher besser in der Lage, ihre Produktionslinie an die Marktanforderungen anzupassen.
„Bis 2025 sollen 15% aller in der europäischen Wirtschaft verbrauchten Materialien wiederverwendet werden. Mit dem Projekt Reclaim werden wir Strategien bereitstellen, die die Entwicklung und den Einsatz digitaler Technologien in der Fertigung beschleunigen. Dies ist besonders wichtig für ältere Systeme, die oft eine zeitaufwändige manuelle Datenverarbeitung und -analyse erfordern, um Leistungs- und Wartungseinblicke zu erhalten“, so Michael Peschl von Harms & Wende. Das Unternehmen ist Projektkoordinator und einer von fünf Pilotstandorten, an denen das Projekt umgesetzt werden soll.
CO2-Fußabdruck ist wichtiger Faktor für den Wettbewerb
„Noch problematischer als das Altern von Maschinen, ist deren Obsoleszenz“, erklärt Nieves Murillo von der spanischen Forschungseinrichtung Tecnalia, einer der Partner in Reclaim: Wenn gut funktionierende Maschinen ersetzt werden müssen, weil sie aufgrund mangelnder Interoperabilität zwischen Industrie-PCs und Mensch-Maschine-Schnittstellen nicht in modernisierten digitalen Produktionslinien eingesetzt werden können, führt dies zu hohen Kosten und einer großen Umweltbelastung. „Die Auswirkungen des CO2-Fußabdrucks bei alternden Maschinen ist noch nicht gründlich untersucht worden, ist aber ein Zukunftsthema. Ein hohes Abfallaufkommen bedeutet, dass Rohstoffe, Arbeitskräfte und Energieressourcen nicht mit der größtmöglichen Effizienz genutzt werden, was unter anderem zu steigenden Kosten führt“, so Murillo. „Da der Umweltschutz zunehmend als wichtiger Aspekt bei der Bewertung der Unternehmensleistung wahrgenommen wird, gewinnt die Nachhaltigkeit industrieller Prozesse immer mehr an Bedeutung im Hinblick auf die Wettbewerbsfähigkeit“, ergänzt Rosaria Rossini von der italienischen Stiftung LINKS, einer der weiteren Forschungspartner in Reclaim.
Welche digitalen Tools stehen der Industrie zur Verfügung?
Prognose und Prävention sind Schlüsselfaktoren, um Maschinenausfälle zu vermeiden. Sie erfordern die Implementierung leistungsfähiger Werkzeuge zur Maschinenwartung und -aufrüstung. Das Industrial Internet of Things (IIoT) und die intelligente Fabrik bieten hierfür eine Lösung. „Sie bilden zusammen mit der Kreislaufwirtschaft die Säulen für langfristigen Wohlstand von Unternehmen“, sagt Murillo.
Eine vorausschauende und vorbeugende Maschinenwartungsstrategie erfordert ein tiefes Datenverständnis. „Beim IIoT werden Maschinen durch Bausteine verbunden und relevante Daten gesammelt. Das Verständnis der Prozesse und Daten liefert die Digitale Analytik (DA) durch Messungen, Visualisierung und Interpretation“, sagt Rossini. IIoT und DA unterstützen das Kreislaufwirtschaftsparadigma durch die automatische Erkennung der Ausschussmaterialmengen, was zu einer verbesserten Steuerung und zu neuen Strategien der Geschäftsoptimierung beiträgt. Basierend auf digitalen Analysetechnologien wird Reclaim ein Entscheidungsunterstützungssystem für alternde Maschinen entwickeln, die sich dem Ende ihrer geplanten Zeit nähern. Bei diesen Maschinen treten typischerweise mehr Ausfallzeiten auf, was zu Produktionsverlusten und -verzögerungen führt. Der Rahmen stützt sich auf Analyse- und Entscheidungsstrategien, um den Gesundheitszustand zu bewerten und Methoden, Werkzeuge oder Dienste für eine geeignete Strategie zur Verlängerung der Lebensdauer vorzuschlagen.
Eine weitere im Projekt entwickelte Lösung zur digitalen zwillingsbasierten Fehlerdiagnose und vorausschauenden Wartung ermöglicht sowohl eine virtuelle Nachbildung der Fabrikumgebung als auch eine Überwachung und Vorhersage der Leistung und des Status der Fabrikanlagen. Dem Endnutzer stehen alle Funktionen zur Verfügung, die er benötigt, um Eingriffe an Maschinen zu planen oder mögliche Ausfälle vorherzusagen. Das Tool ist sehr flexibel, skalierbar und kann leicht an andere spezifische Bereiche angepasst werden. Während die Infrastruktur schon bereit ist, werden aktuell dedizierte KI-Algorithmen und Simulationsumgebungen für die Pilotanwendungen vorbereitet.
Die Hauptstärke des Reclaim-Systems ist die Kombination von intelligenten IoT-Sensoren mit Industrie-PCs und Controllern, Algorithmen, Modellen und digitalen Zwillingen. Diese komplexe Infrastruktur kann modulare Lösungen generieren, die an die spezifischen Bedürfnisse der Industrieanlagen angepasst werden können und nicht-intrusive Mechanismen zur Funktionsüberwachung von Maschinen bieten.
In welchen Branchen werden zukünftig Anwendungen zur Verfügung stehen?
Die Partner des Reclaim-Konsortiums arbeiten an der Entwicklung und Umsetzung neuer Werkzeuge in fünf Pilotbereichen. Der Koordinator Harms & Wende testet die Anwendung in der Schweißtechnik. Weitere Sektoren sind die Holzverarbeitung (Schweiz), Textil (Türkei), Robotik (Slowenien), Weiße Waren (Tschechien) und die Schuhproduktion (Spanien).
Die Entwicklung einer hochflexiblen Architektur auf Grundlage austauschbarer Systemkomponenten für die Schweißfertigung, kombiniert mit Ferndiagnose und vorausschauenden Software-Tools, wird maßgeschneiderte Maschinen und Dienstleistungen für Kunden bereitstellen. In der Schuh- und Weißwarenproduktion kommen IoT-Sensoren zum Einsatz, die nicht-intrusive Mechanismen zur Funktionsüberwachung von Maschinen bieten. Sie tragen dazu bei, den ökologischen Fußabdruck der Endprodukte zu verringern. Modelle des maschinellen Lernens, kombiniert mit physischen Sensoren, werden die Hersteller von Heimtextilien dabei unterstützen, die Bleichprodukte traditioneller Linien zu optimieren, um die Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit des Textilsektors zu erhöhen. Die digitale Nachrüstung veralteter Holzmöbelproduktionslinien ist ein weiteres Beispiel dafür, wie Reclaim Applikationen mit Edge-Computing, DA, Soft-Sensoren oder KI-Modellen kombiniert, um digitale Zwillinge zu entwickeln.
„Reclaim beschränkt sich zunächst auf fünf Sektoren. Die Ergebnisse sind aber vielfach transferierbar“, erklärt Murillo. So gibt es zum Beispiel in Bezug auf Produktionsausrüstung Ähnlichkeiten zwischen einer Textilbleichanlage, der Zellstoffherstellung und den Roboterzellen im Automobilsektor. Weitere Sektoren, in denen Robustheit und ökologische Nachhaltigkeit im Fokus stehen, haben die Möglichkeit, die Digitalisierung zu nutzen, um diese wichtigen Ziele zu erreichen. Darüber hinaus wurde die Produktion in wichtigen Sektoren, wie der Textilindustrie, in Länder mit niedrigeren Produktionskosten verlagert. Die Umsetzung von intelligenten Technologien in reale Szenarien könnte die Wettbewerbsfähigkeit von Textilfabriken in der gesamten EU erhöhen und ihre Bedeutung in der europäischen Wirtschaft wiederherstellen.
Die Projektpartner erwarten, dass in den kommenden Jahren erste Anwendungen auf den Markt kommen. „Wir gehen davon aus, dass Fabriken auf Grundlage der Reclaim-Instrumente Entscheidungen um 30 % schneller treffen können“, so Murillo. „Ein weiteres wichtiges Ergebnis wird die Automatisierung und Digitalisierung von Produktionsausrüstung sein, mit einer prognostizierten 20%igen Reduzierung der Abschaltungen aufgrund von Ausfällen der Komponenten. Nicht zuletzt werden Zeit- und Kosteneinsparungen, Effizienz und Lebensdauerverlängerung noch beeindruckendere Ergebnisse erzielen. Die Maschineneffektivität wird bis zu 90% steigen, mit der daraus resultierenden Reduzierung der CO2-Emissionen“.
Das Steinbeis-Europa-Zentrum ist für die Verwertung der Ergebnisse verantwortlich und entwickelt mit dem Konsortium Verwertungs- und Vermarktungsstrategien. Darüber hinaus unterstützt es die Kommunikation der Projektergebnisse und kümmert sich um Synergien mit relevanten nationalen und europäischen Projekten und Initiativen.
Reclaim wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizont 2020 unter Vertragsnummer 869884 von 10/2019 – 03/2023 gefördert. Am Projekt beteiligen sich Partner aus Deutschland, Griechenland, Italien, Portugal, Schweiz, Slowenien, Spanien, der Türkei und dem Vereinigten Königreich.
