Das virtuelle Leben der Maschinen

Welches Design macht ein Bauteil effizient und langlebig? Und wie lässt sich eine Maschine vorausschauend warten? Der Thüringer Wachstumskern VIPO hat virtuelle und praktische Antworten auf diese Fragen.

VIPO steht für Virtuelle Produkt- und Prozessoptimierung zur Erforschung digitaler Verfahren, Prozesse und Methoden für den gesamten Produktlebenszyklus. Was heißt das genau? Die Software-Spezialisten und Ingenieure von VIPO wollen Produkte und deren Herstellung optimieren, aber auch die vorausschauende Instandhaltung von Maschinen ermöglichen. Dafür nutzen sie präzise auf die Maschinen abgestimmte Computersimulationen. „Große Firmen haben eigene Forschungsabteilungen und IT-Spezialisten, kleine und mittelständische Unternehmen haben das nicht“, sagt Johannes Will, Geschäftsführer der Weimarer Dynardo GmbH und Sprecher des Wachstumskerns. Genau diese Unternehmen will das VIPO-Bündnis mit seinen Technologieplattformen unterstützen. Die Entwickler wollen nicht nur Software, sondern auch Dienstleistungen liefern. Der Anwender hat die Wahl: Entweder er nutzt diese für die Simulation des gesamten Herstellungsprozesses oder Produktes, oder für Teile davon. Dafür entwickelt das VIPO-Team ein sogenanntes Zusammenhangsmodell. Es berücksichtigt verschiedene Parameter, die zu Beginn und am Ende eines Simulationsprozesses eine Rolle spielen, zum Beispiel die Temperatur oder der Druck. Das Zusammenhangsmodell ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Abschnitten der digitalen Optimierung eines Prozesses oder Produktes. Um ihre Technologien praxisnah einzusetzen, haben die Thüringer Wachstumskernpartner drei Demonstratoren gebaut: für die Optimierung optischer Geräte und des 3D-Druckprozesses von Kunststoff-Bauteilen sowie für die vorausschauende Wartung durch digitale Zwillinge.

Auf Präzision kommt es an

Projektiion eines Sternenhimmels

Präzise Projektion: Damit der Sternenhimmel der Realität entspricht, müssen die optischen Geräte sehr genau gearbeitet sein. Digitale Modelle unterstützen die präzise Herstellung.

Sternprojektor „Universum“ im Planetarium Jena, Stefan Harnisch

Die Ingenieure von VIPO beschäftigen sich auch mit Materialien zur Herstellung optischer Geräte. Dafür kommen Laser zum Einsatz, die extrem präzise arbeiten müssen. Ein Anwendungsbeispiel ist die Sternenhimmel-Projektion für ein Planetarium. Bis zu 3.000 Bohrungen in einer Chromschicht mit einem Durchmesser zwischen einem und 100 Mikrometern sind dafür notwendig. Verschieben sich der Fokus und der Strahl des Lasers, kommt es zu einer fehlerhaften Materialbearbeitung. Die Sterne sind nicht mehr am rechten Platz, zu groß oder zu klein. Um solche Fehler zu vermeiden, wollen die Forscher eine Simulationssoftware einsetzen. Dafür analysieren sie zunächst die Qualität, Position und Leistung des Laserstrahls an einem Demonstrator. Dieser besteht aus einer Präzisionsmaschine und einem Ultrakurzpulslaser. Aus den gewonnenen Daten erstellen sie ein Zusammenhangsmodell, mit dem Experten dann die Genauigkeit bei der Produktion erhöhen können.  

Zuverlässige Vorhersage

Kunststoffbauteile im 3D-Druck herzustellen, deren mechanische Eigenschaften zertifiziert werden können, ist eine große Herausforderung. Für eine höhere Festigkeit kann der Kunststoff zum Beispiel mit Carbonfasern versehen werden. Doch erfüllt das gedruckte Bauteil wirklich alle Anforderungen und wie zuverlässig ist der Produktionsprozess? Eine Arbeitsgruppe von VIPO will faseroptische Sensoren im 3D-Druck einsetzen. Sie sollen den Herstellungsprozess und die Funktionalität des Bauteiles kontrollieren. Der Sensor liefert Daten von der Temperatur und von mechanischen Dehnungen. Aus diesen Daten wollen die Forscher Zusammenhangsmodelle zur Optimierung des Produktionsprozesses ableiten.

gespiegelter digitaler Roboterarm

Digitaler Zwilling: Solche virtuellen Modelle sollen nahezu in Echtzeit Informationen zur Lebensdauer von Maschinen oder Bauteilen liefern.

Wachstumskern vipo

In rotierenden Maschinen oder Elektromotoren ist die Lebensdauer der Bauteile besonders wichtig. Deshalb entwickeln die VIPO-Partner eine Technologieplattform, mit der das optimale Design dieser Bauteile gefunden und die Lebenszeit der Maschine im Einsatz fortlaufend vorhergesagt werden kann. Auch dafür erstellen die Ingenieure aus Sensordaten ein Zusammenhangsmodell. Sobald sie das Modell in den Digitalen Zwilling der Maschine – also deren digitale Abbildung – integriert haben, kann es nahezu in Echtzeit alle wichtigen Informationen zur Lebensdauer der Maschine liefern. Notwendige Wartungen lassen sich auf diese Weise besser vorhersagen. Wie relevant die Arbeit des Wachstumskerns ist, zeigt sich bereits deutlich. „Es gibt sogar von großen Unternehmen wie Jenoptik das Interesse, assoziierte Mitglieder zu werden, um schon jetzt und nicht erst in drei Jahren die Expertise des Wachstumskerns für ihre virtuelle Produktentwicklung nutzen zu können“, so der VIPO-Sprecher Johannes Will.