Nachhaltige Produktion weitergedacht

Teil 1: Das Forschungsprojekt "Agiles ressourceneffizientes Produktionsnetzwerk"

26.03.2021 von

Wenn die Industrie die Herausforderungen der Energiewende stemmen will, muss sie Produktion neu denken – ein komplexer Transformationsprozess, den die TU Darmstadt mit neuen digitalen und KI-gestützten Lösungen unterstützt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die dahinterstehen, sind anwendungsorientiert, interdisziplinär und ganzheitlich unterwegs. Ihr gemeinsames Ziel: Sie wollen Emissionssenkungen, Ressourcenschonung und eine flexible Energienutzung technologisch vorantreiben. Und damit auch dazu beitragen, dass mehr Unternehmen eine ökologisch und ökonomisch nachhaltige Produktion auf ihre strategische Agenda heben. Mit der ETA-Fabrik steht den Forschenden und ihren Praxispartnern auf dem Campus Lichtwiese eine Modellfabrik zur Verfügung, in der sie ihre Innovationen validieren und startklar für die Praxis machen können.

Die Südfassade der ETA-Fabrik der TU Darmstadt.

Auf dem Weg zum intelligenten Produkt

Intelligente und vernetzte Maschinen mit einem möglichst kleinen CO2-Fußabdruck schonen Umwelt und Ressourcen. Forschende der TU Darmstadt zeigen, wie das funktioniert.

Wie kann eine vernetzte Produktion helfen, Transparenz bezüglich der eingesetzten Ressourcen zu schaffen? Welche Daten braucht man für ein solches Monitoring und wie kann man es für Unternehmen so nutzbar machen, dass sie es standortübergreifend einsetzen können? Das waren die Ausgangsfragen, mit denen Forschende der TU Darmstadt in das Projekt „Agiles ressourceneffizientes Produktionsnetzwerk“, kurz ArePron, gestartet sind.

„Viele, vor allem mittelständische Maschinen- und Anlagenbauer, können nach wie vor nicht nachvollziehen, an welcher Stelle der Produktion sie welche Ressourcen einsetzen und was sie dabei an Energie verbrauchen“, erläutert Professor Matthias Weigold, Co-Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW). Mit dem agilen Produktionsnetzwerk, das inzwischen im Rahmen von ArePron entstanden ist, sind er und seine Forschungskolleginnen und -kollegen dem Ziel „mehr Transparenz“ nun deutlich nähergekommen.

In diesem Netzwerk werden Produktionsmaschinen aus den beiden Lernfabriken ETA (Energieeffizienz-, Technologie- und Anwendungszentrum) und CiP (Center für industrielle Produktivität) der TU Darmstadt digital verknüpft und einzelne mit Sensoren versehene Bauteile hinsichtlich ihres Ressourcenverbrauchs getrackt. Die so erfassten Betriebsdaten werden an eine IoT-Plattform gesendet, dort ausgewertet und visualisiert, die Ergebnisse in CO2-Äquivalenten wiedergegeben. Dies macht nachvollziehbar, wieviel Kohlenstoffdioxid an welcher Stelle ausgestoßen wird; und einzelne Komponenten können mit Blick auf ihren CO2-Fußabdruck verglichen werden.

Die Projektergebnisse stehen nun unter anderem in Form eines Praxisleitfadens für die industrielle Anwendung zur Verfügung. „Wir haben hier einen ersten wichtigen Schritt in Richtung einer digitalen nachhaltigen Produktion erreicht, welche die Chance bietet, Ressourceneffizienz als neue Zielgröße zu etablieren“, betont Professor Joachim Metternich, der mit Matthias Weigold das PTW leitet.

Wir haben hier einen ersten wichtigen Schritt in Richtung einer digitalen nachhaltigen Produktion erreicht, welche die Chance bietet, Ressourceneffizienz als neue Zielgröße zu etablieren.

Der Entwicklung „umweltgerechter Produkte“ mittels eines ganzheitlichen Berechnungsansatzes, von der Gewinnung des Rohmaterials bis zur Entsorgung, hat sich der Maschinenbau der TU Darmstadt schon seit langem verschrieben und dazu bereits erfolgreiche Lösungen auf den Weg gebracht.

Jenseits klassischer numerischer Methoden bieten digitale Technologien nun neue Möglichkeiten für eine immer individuellere und präzisere Ökobilanz von Produkten. Welche Potenziale es gibt, demonstriert das derzeit anlaufende Forschungsvorhaben DiNaPro. Es entwickelt die Technologie des Digitalen Zwillings weiter, der in Zukunft beim Betrieb von IoT-Plattformen universell den Lebenszyklus von Produkten abbilden soll. „Jedes Bauteil soll ein digitales Abbild bekommen, das nicht nur automatisiert und in Echtzeit den Ist-Zustand einer Komponente im laufenden Betrieb zeigt“, erläutert Professor Reiner Anderl, Leiter des Fachgebiets Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK). „Der digitale Zwilling soll vielmehr Aufschluss über alle Daten geben, die in das Produkt einfließen.“ So sollen Assistenzsysteme entstehen, mit deren Hilfe Industriebetriebe nicht nur ihre Produktplanung und -fertigung optimieren, sondern auch ein CO2-Monitoring über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes in die Prozesssteuerung integrieren können.

Produkt soll viele wichtige Informationen in sich tragen

Emissionen, Stromverbrauch, Verschleiß: Das intelligente Produkt der Zukunft soll viele wichtige Informationen in sich tragen. Es versetzt Unternehmen nicht nur in die Lage, im Sinne einer „vorausschauenden Wartung“ Fehler zu prognostizieren, bevor sie auftreten, und so Ausschuss, Werkzeugbrüche und Fehlzeiten zu reduzieren. Es soll auch ein Produkt sein, dass aufgrund seiner individuellen Eigenschaften laufend optimiert werden kann. Dabei denken die Expertinnen und Experten der TU Darmstadt bereits über technische Fragen hinaus. Denn smarte Produkte können viele Mehrwerte bieten, etwa wenn Unternehmen sie nutzen, um darauf neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle aufzubauen. Deswegen wollen Anderl, Metternich und Weigold künftig Technologien und Wissen für eine nachhaltige industrielle Produktion auf einer Plattform zusammenführen – hierzulande ein Novum.

Die geplante Plattform „datenbasierte Produktion“ (DataPro) soll nicht nur die Gestaltung zukünftiger Produktionsketten und ihre Ankopplung an eine IoT-Plattform adressieren, sondern auch die Entwicklung datenbasierter Produktionsumgebungen, die neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle hervorbringen, sowie den Wissenstransfer von der angewandten Forschung in die Unternehmen.

Damit nehmen die drei Wissenschaftler auch in den Blick, welche Mehrwerte für einen Industriebetrieb entstehen können, der die Potenziale digitaler Technologien in der Fertigung nicht nur ausschöpft, um Kosten zu senken, Effizienz zu steigern und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln, sondern auch um Nachhaltigkeit in der Unternehmensstrategie und -kultur zu verankern.

„Am Ende kann die neu geschaffene Transparenz in der Produktionsumgebung Einfluss auf alle Ebenen einer Organisation nehmen“, glaubt Weigold. Mit einer nachweisbaren Öko-Bilanz Verantwortung für mehr Nachhaltigkeit zu zeigen dürfte künftig auch mit darüber entscheiden, wie ein Hersteller und seine Produkte am Markt beurteilt werden. Und CO2-Emissionen, darin sind sich Anderl, Metternich und Weigold einig, haben dabei das Potenzial, eine neue Währung für die Wirtschaft zu werden.

Am Ende kann die neu geschaffene Transparenz in der Produktionsumgebung Einfluss auf alle Ebenen einer Organisation nehmen.

Info

Am Forschungsvorhaben Agiles ressourceneffizientes Produktionsnetzwerk (ArePron, Laufzeit: 2018 bis Ende 2020) war neben dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) und den Fachgebieten Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) und Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft (SuR) ein großes Netzwerk an Partnerunternehmen beteiligt. ArePron und sein Folgeprojekt „Ressource Optimization along the ProductLifecycle“ (ReOptify, Laufzeit: 01/2021 bis 12/2021) werden gefördert vom Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen und aus EU-Mitteln (EFRE). PTW und DiK zeichnen auch verantwortlich für die geplanten Projekte „Modellbasierte Digitalisierung nachhaltiger Produktionsnetzwerke entlang des Produktlebenszyklus“ (DiNaPro, Start: voraussichtlich 07/2021) und „Plattform datenbasierte Produktion“ (DataPro, Laufzeit: 04/2021 bis 03/2024).

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„Flexibilität ins Energiemanagement“: Lesen Sie Teil 2 zur nachhaltigen Produktion.