Digitaler Zwilling auf Basis von SPHINX OPEN optimiert die Produktion

DiNaPro steht für „modellbasierte Digitalisierung nachhaltiger Produktionsnetzwerke entlang des Produktlebenszyklus“ und ist ein Projekt der Digitalisierungsstrategie des BMBF und der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie im Rahmen der Plattform Industrie 4.0.

GFT beteiligt sich mit der Datenmanagementplattform SPHINX OPEN aktiv an diesem Projekt. SPHINX OPEN ermöglicht eine fortschrittliche Datenanalyse und -verarbeitung und unterstützt die Erstellung und Nutzung eines digitalen Zwillings. Damit werden die Transparenz und Effizienz in der Produktion verbessert, präzise Prognosen über den Zustand von Produkten und Anlagen ermöglicht und Prozesse von der Planung bis zur Produktion optimiert.

Innerhalb des Projekts DiNaPro wurde SPHINX OPEN in den Anwendungsfall der Produktionshallen der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) integriert.

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines einheitlichen Datenmodells und Datenaustauschformats, in Form einer integralen digitalen Zwillingstechnologie zur Optimierung der ökologischen und sozialen Nachhaltigkeit der Produktion.

Dabei sollen der Energieverbrauch sowie die CO2-Emissionen bei der Herstellung eines Produktes in jedem Fertigungsschritt erfasst werden. Dies wird durch den Einsatz von Smart Watches als Assistenzsysteme und der Implementierung einer AutoID-Funktionalität (Automatische Identifikation und Datenerfassung) umgesetzt. Die AutoID-Funktionalität ermöglicht dabei eine automatische Identifikation und Verfolgung der Bauteile sowie die Erfassung ihrer Verbrauchsdaten.

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Varianten eines Referenzproduktes hergestellt und die Daten mittels AutoID-Technologie und des OPC-UA Protokolls (Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll) in SPHINX OPEN integriert. Dadurch wurde eine lebenszyklusübergreifende Betrachtung auf das Referenzprodukt sowie eine fundierte Bewertung der Produktentstehung realisiert.

Die Echtzeit-Integration der Daten in SPHINX OPEN ermöglicht eine lebenszyklusübergreifende Betrachtung des Verbrauchs und der CO2-Emissionen für jedes Bauteil und jeden Fertigungsschritt. Dabei werden die Energieverbräuche direkt von der Sensorik der Maschinen erfasst. So können Mitarbeitende in den Fertigungshallen energie-intensive Prozesse in Echtzeit erkennen und gegensteuern. Dadurch kann der Produktionsprozess optimiert und der Energieverbrauch sowie der CO2-Austoß verringert werden. Innerhalb des Projekts wurde damit unter anderem die Aushärtungszeit für Bauteile von acht auf vier Stunden reduziert, was zu einem nachhaltigeren Endprodukt führte.

Im Rahmen des Projekts wurden Smartwatches als Assistenzsysteme eingesetzt, die über eine Vielzahl von Sensoren, Aktoren, Computerfunktionalitäten und Computeranbindung verfügen. Die Mitarbeitenden in den Produktionshallen wurden nach jedem abgeschlossenen Fertigungsschritt und bei Maschinenanomalien, wie auffälligem Strom- oder Druckluftverbrauch, direkt per Smart Watch benachrichtigt. Dies ermöglichte einen verbesserten Überblick über die Logistik der Warenströme zwischen Fertigungsschritten und Produktionshallen und zusätzlich die Minimierung des Energieverbrauchs sowie der CO2-Emissionen. 

Die Erfassung des Energieverbrauchs, der Durchlaufzeit und der CO2-Emissionen für jedes produzierte Bauteil entlang aller Produktionsstufen über verschiedene Produktionshallen hinweg, wurde dabei durch den Einsatz von AutoID-Technologie ermöglicht. Konkret war innerhalb des Projekts jedes Bauteil mit einem NFC-Tag (Near Field Communication-Tag) ausgestattet. In diesem wurden bauteilbezogene Daten, wie Energieverbrauch, Bearbeitungszeit, Zeitstempel und CO2-Emissionen nach Fertigungsschritten gespeichert.

An den Bearbeitungsstationen wurde ein NFC-Lesegerät installiert, das es ermöglichte, Bauteile per Tablet zu scannen, wenn diese an einer Bearbeitungsstation ankamen oder sie verlassen haben. Die UID (Unique Identifier) des Lesegeräts identifiziert dabei die Bearbeitungsstation bzw. die Fertigungsmaschine, in der sich das Bauteil befindet.

Pro Bearbeitungsstation und Bauteil wurden vier Traceability Datenpunkte erfasst:

• Bearbeitungsstation bzw. Standort in der Lernfabrik (Lesegerät UID)
• In-Zeitstempel (beim Betreten der Bearbeitungsstation)
• Out-Zeitstempel (beim Austreten der Bearbeitungsstation)
• Bauteil UID

DiNaPro und SPHINX OPEN zeigen eindrucksvoll, wie moderne Technologien dazu beitragen können, die Produktion effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Durch die Integration der digitalen Zwillings-Technologie, der AutoID-Technologie und des OPC-UA Protokolls für Datenerfassung, wird eine lebenszyklusübergreifende Betrachtung sowie eine fundierte Bewertung der Produktentstehung ermöglicht. Dadurch können Unternehmen ressourcen-intensive Prozesse in Echtzeit identifizieren und so ihre Prozesse optimieren, ihren ökologischen Fußabdruck reduzieren sowie ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern.

Co-Autor*innen:

Amantia Simixhiu