Welchen Beitrag kann Digitalisierung für eine nachhaltige Fertigung leisten? Digitalisierungsansätze und Beispiel aus dem DLR-Institut FA

Kleineberg, Markus

Opitz, Mark

Stüve, Jan

Torstrick-v.d.Lieth, Sven

Institute of Transport Research:Publications

Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung Dr. Jan Stüve, Dr. Markus Kleineberg, Sven Torstrick-von der Lieth, Marc Opitz CU Thementag „Digitalisierte Fertigung für eine emissionsfreie Mobilität“DLR Braunschweig, 24.03.2021DLR.de  •  Folie 2• Forschungseinrichtung• Raumfahrtagentur • ProjektträgerDLR – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Forschungsbereiche• Luftfahrt• Raumfahrtforschung und -technologie• Energie• Transport• Sicherheit• Digitalisierung (Querschnittsprojekte „Factory of the Future“, „Condition Monitoring“)Öffentlich geförderte non-profit Organisation> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 3Standorte des DLR• Mehr als 9.000 Mitarbeitend• 54 Institute und Einrichtungen• 30 Standorte• Auslandsbüros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington.DLR.de  •  Folie 4DLR – Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 5DLR – Institut für Faserverbundleichtbau und AdaptronikVision> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 6„Digitalisierte Fertigung für eine emissionsfreie Mobilität“Wie geht das zusammen?> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 7Digitalisierung als Weg zu mehr Nachhaltigkeit?Fertigung Digitalisierung010011010011Rohstoffgewinnung Mobile Anwendungen> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 8Digitalisierung als Weg zu mehr Nachhaltigkeit?Fertigung Digitalisierung010011010011Rohstoffgewinnung Mobile Anwendungen> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 9Was bedeutet „Nachhaltigkeit“?www.nachhaltig-forschen.de> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021Forschungspotential• Der globale Luftverkehr ist für 3 bis 5% der Erderwärmung verantwortlich • (Quelle: https://www.bdl.aero/de/themen-positionen/nachhaltigkeit/)• Ein Flugzeugleben beträgt ca. 30 Jahre, wird aber laufend erneuert• Die Produktion ist für 0,2 bis 5% des Treibhausgasausstoßes verantwortlich (bezogen auf das Gesamtleben eines Flugzeugs)• (je nach Quelle bzw. interner LCA Bewertung)• Um Gewicht einzusparen, wird ein Werkstoff eingesetzt, der • energieintensiv hergestellt wird • kompliziert auszulegen und zu bewerten ist• schwierig automatisiert zu verarbeiten ist • kaum Möglichkeiten zur Nachbearbeitung oder Reparatur bietet • schlecht recyclingfähig ist• fossile Rohstoffe benötigt• teuer istDLR.de  •  Folie 10Was bedeutet „Nachhaltigkeit“ im Flugzeugbau? Flugscham!Effiziente Triebwerke sparen dagegen 36% Brennstoff einEin saurer Apfel, aber es lohnt sich, ihn zu essen, denn er ermöglicht auch neue Bauweisen.Qualität bedeutet Nachhaltigkeit, aber auch lange Produktzyklen> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 11Welchen Beitrag kann Digitalisierung für eine nachhaltige Fertigung leisten?ifu.com> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 12Digitalisierungsansatz 1> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 13Digital Twin-driven Design: Verknüpfung von Fertigung und DesignDas Virtuelle Produkthaus (VPH) des DLRVirtual Manufacturing + ProductionVirtual TestingDigitalDesignVPHEnd2End Process –Design, Manufacturing & Testing for virtual CertificationVirtual CertificationMDO-Anwendung + Use-Case spezifische ErweiterungDualität der Betrachtungsebenen: Unit-Testing (monodisziplinär – z.B. Impact-Simulation) + Integration-Testing (multidisziplinär – z.B. MKS-Simulation)Begleitende Simulation der Bauteilfertigung + Integration in das GesamtproduktDualität von komplexen Auslegungsprozess und Einzelbewertungfähigkeit(Analysis as AMC)With AS, FTWith FTWith SP, EB> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 14Digitalisierungsansatz 2Human Centered Digitization Human Aided Automation> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021Digital TwinVirtual ProductAPIProduktionAPIMontageAPIService VerwertungZulässige ProzesskorrekturApplication ProgrammingInterfaceDLR.de  •  Folie 15Human Centered Digitization: Performance Fokus / Nachhaltigkeits FokusStatistikAPIPerformanceVerwertungGewichtIntegrationRC/NRCWartung…Life Cycle Prognose Life Cycle AnalyseLerneffektAPIZertifizierungGalley Flap > Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 16Digitalisierungsansatz 2Human Centered Digitization Human Aided Automation> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 17Human Aided Automation am Beispiel automatisierter multirobotischerFertigungsprozesse> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021PROTEC – Video Premiere – DLR LeichtbauDLR.de  •  Folie 18DLR-FA Ansatz für Digitalisierung Schwerpunkt „Digital Twin-driven Design“: Interaktive Nutzung der digitalisierten Produktionsumgebung in der DesignphaseSchwerpunkt „Smart Documentation“: Interaktive, datenbankgestützte Erstellung der zulassungskonformen Bauteildokumentation für die Bereiche Fertigung und MontageSchwerpunkt „Digital Composite Production“ (DigiComP): Vernetzte Produktionsumgebung mit simulations-gestützter, sensorbasierter Erfassung und Tuning von Schlüsselkennwerten und -parameternSchwerpunkt „Information Modelling“:  Datenbank/Modellbildung für auslegungs-relevante Materialkennwerte inklusive Metadaten zu Prozesshistorie und RessourcenbilanzSchwerpunkt „Life Cycle Analysis (LCA)“: Erweiterung des Digitalisierungsansatzes auf den gesamten Lebenszyklus (DLR Kooperation)> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021Automatisieren• Prozessverständnisaufbauen• Manuelle Tätigkeiten von Maschinenausführen lassenDigitalisieren• Modelle von physischen Prozessen erzeugen• Wissen abbilden Vernetzen• Schnittstellenetablieren• Interoperabilitätermöglichen• Kommunikationverbessern:• Mensch – Mensch• Mensch – Maschine• Maschine – Maschine• Fabrik – Fabrik Autonomisieren• Automatisch bewertenund entscheiden• Automatisch agierenDLR.de  •  Folie 19Wie kommen wir dahin?Ein paar Beispielschritte auf dem Weg:> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 20Modellbildung durch Maschinelles Lernen• Datenbasierte Vorhersage von Produktkennwerten basierend auf Domänenwissen• Modellinterpretation der Einflüsse von Eingangsparametern auf die Zielgröße• Ergebnis: Optimales Design von Bauteil-, Material- und ProzessparameternExperimentelle Datenerhebung Modellgenerierung Anwendungsfall> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 21Digitale Zwillinge von AnlagenZiel:Digitale Abbilder der realer Fertigungsanlagen• Manufacturing Execution System (MES) zur automatisierten Datenverarbeitung aus verschiedenen Quellen und Offlineprogrammierung in multiplen Koordinatensystemen • Virtueller Autoklav mit Offline-Strömungssimulation zur Bestückungsoptimierung und Onlinesimulation zur prediktivenProzesssteuerung• Virtueller Leitstand mit agiler Dokumentation, semantisch vernetzten Teilprozessen und Visualisierung in VR/AR zur ortsunabhängigen KollaborationMotivation• Ortsunabhängige Überwachung der laufenden Prozesse• Dokumentation vergangener Fertigungsprozesse• Verbindung von Simulation und Hardware• Ergänzung von physisch durchgeführten Teilprozessen durch Simulation zum hybriden Gesamtprozess> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 22Anlagenverwaltung in MeisterTask:• Wartungsplan• Maschinendokumentation und Anleitungen• Versuchsplanung• LDS-Module mit eigener URL• Filterung durch Tags• Zuweisung an Verantwortlichen• Kommentarfunktion• „News-Feed“• Export als .csv, .json• API-Schnittstelle• Migrierbar nach Wekan, Gitlab issues,…Digital Cowork: Agile Fertigungsdokumentation> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 23Maschinelles Lernen zur Qualitätssicherung > Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 24Autonome ProduktionseinheitenZiel Entwicklung FlappyBot:• Mehrere autonome, mobile Robotereinheiten mit anwendungsspezifischen Endeffektoren• Eine zentrale Steuerung ermöglicht die jeweilige Operation durch schwarmähnliche Interaktion mehrerer Einheiten• Erstanwendung: Fertigung großer, flächiger Faserverbundlaminate durch mobile Robotik als Add-On oder Ersatz herkömmlicher PortalsystemeMotivation: • Produktivität und Redundanz durch Multiagentensytemund verteilte KI• Skalierbarkeit durch variable Anzahl kooperierender Einheiten ohne starre Führungskinematik und Kabel• Produktion robust durch zentrale Steuerung und Austauschbarkeit einzelner Einheiten im Störfall• Geringere Investitionskosten als Portalsysteme da kleiner Hardwareumfang ohne SchwerlastfundamenteFlexible autonomous production, placement and assembly robot(Flappybot)> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021DLR.de  •  Folie 25Nachhaltigkeit durch Digitalisierung:„Mehr als nur 1% von 3% etwas effektiver machen“> Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung  > Dr. Jan Stüve et al > 24.03.2021> Vortrag > Autor  •  Dokumentname > DatumDLR.de  •  Folie 26> Live-Pitches •  CU-Thementag Digitalisierung | 24.03.2021DLR.deSmarte Leichtbau-Produktionstechnologien in der Anwendung: Was können Maschinen aus Produktionsdaten lernen?Dr. Christoph Brauer, Anja HaschenburgerSCOPRA, CURESIM und RINSE:  Assistenten und Wissensträger  in der FaserverbundfertigungDr. Nico Liebers, Dominic BertlingDigiComP: das smarte Ökosystem für den Faserverbund-leichtbau und der Ursprung von FertigungsdatenMark OpitzNächste Ausfahrt „First time right“: Virtuelle Fertigung am Beispiel des Aushärtungsprozesses im Virtuellen AutoklavHakan Ucan, Anja HaschenburgerSmarte Dokumentation: Assistent zur intelligenten Zusammenführung von Daten und InformationenDr. Falk Heinecke

Leichtbauproduktion von morgen - Digitalisierung als Wegbereiter für nachhaltige Fertigung

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