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Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung interdisziplinärer Systeme ist die Komplexität, die mit der Anzahl der Teilsysteme, Disziplinen, Technologien sowie deren Verknüpfungen und Abhängigkeiten zunimmt. Bei mechatronischen Systemen ist der Abstimmungs- und Synchronisationsaufwand zwischen den Entwicklungsarbeiten der verschiedenen Fachdisziplinen wie Mechanik, Elektronik und Software besonders ausgeprägt. Modelbasiertes Systems Engineering (engl.: „Model-based Systems Engineering”, MBSE) stellt einen ganzheitlichen Ansatz zur umfassenden Modellierung, Koordination und Parallelisierung dar, der zur Beherrschung der Komplexität beiträgt und damit das Ziel einer verbesserten Ressourcennutzung im Engineeringprozess unterstützt. Der Entwurf von Systemen erfolgt dabei nicht wie traditionell über Dokumente, sondern auf Basis maschinenlesbarer Modelle, die typischerweise in Form der UML (Unified Modeling Language) oder SysML (Systems Modelling Language) erstellt werden. Trotz der zahlreichen Vorteile ist das MBSE in der Praxis noch nicht zureichend verbreitet. Dies liegt insbesondere an den hohen Einstiegshürden im Mittelstand, die u.a. durch die Vielzahl und Komplexität der Verwendbarkeit von Diagrammtypen, deren Erstellung, Verwaltung und kontinuierliche Weiterentwicklung notwendig sind, um ein entsprechendes System vollständig beschreiben zu können.

Das Forschungsprojekt LLM-SE sieht das Potenzial und verfolgt das Ziel, durch die Einführung von Large Language Models (LLM), die derzeit durch Bild- und Textverarbeitungsverfahren besondere öffentliche Aufmerksamkeit erfahren, Einstiegsbarrieren abzubauen und gleichzeitig die Entwicklungseffizienz und -qualität in der MBSE zu steigern. Dazu wird ein an der Philosophie und Struktur der MBSE orientiertes Assistenzsystem unter Anwendung von Large Language Modellen zur Teilautomatisierung des Engineeringprozesses mechatronischer Systeme von der Anforderungsanalyse bis zur virtuellen Inbetriebnahme entwickelt. Dieses soll Benutzereingaben wie Anforderungen und Anpassungen interpretieren, durch die Verfügbarkeit von unternehmensspezifischen Produktkatalogen, historischen Projektdaten und Best Practices in individuelle, modellbasierte Lösungen transformieren und diese durch geeignete Validierungs- und Verifizierungsmechanismen absichern. Dadurch werden eine deutliche Effizienzsteigerung der Planungsprozesse sowie eine frühzeitige Fehlerreduktion und -vermeidung durch automatisierte Verifikation und Validierung erreicht. Dies vereinfacht die Koordination und reduziert den operativen Aufwand in Engineering-Projekten und versetzt den bayerischen Mittelstand im Sondermaschinenbau in die Lage, die Transformation vom dokumentengetriebenen Engineering zum durchgängig digitalen MBSE zu bewältigen.

Durch die zunehmende Digitalisierung und die Entwicklung maschinenbaulicher Erzeugnisse hin zu Cyber-Physischen Systemen steigt der Bedarf an integrierten Funktionalitäten und einer stärkeren Vernetzung. Innovative Technologien, wie Mechatronic Integrated Devices (MID), schaffen durch die Integration von Mechanik und Elektrik/Elektronik vielversprechende Potenziale, resultieren jedoch auf Grund der hohen Produktkomplexität in einem herausfordernden Entwicklungsprozess. Die Produktentwicklung erfordert manuell aufwändige und hochiterative Optimierungen und Anpassungen. Naturanaloge Prinzipien zeigen vielversprechende Potenziale, werden jedoch aktuell vorwiegend in der Architektur, Kunst oder reinen Mechanik-Entwicklung angewendet. Um die Potenziale zu erschließen bedarf es eines Transfers mitsamt der Entwicklung und Integration softwarebasierter Unterstützungssysteme.

Ziel des Forschungsprojekts GoProMID ist die Erschließung der Potenziale biologisch inspirierter Methoden und Ansätze in der Produktentstehung von MID. Der Fokus liegt dabei auf dem Einsatz von Generative Design-Methoden, welche die Evolution von MID-Bauteilen auf Basis einer Produktspezifikation – ähnlich der genetischen Kodierung von Lebewesen – gestatten. Hierzu werden etablierte naturanaloge Ansätze (bspw. Genetische Algorithmen) hinsichtlich ihrer Eignung erprobt. Neben der maschinenverwertbaren Formalisierung des Designwissens werden erste Softwarebausteine prototypisch umgesetzt und im Rahmen aussagekräftiger Anwendungsfälle demonstriert

Adressierte Forschungsschwerpunkte

• Dimensionierung von hybriden AC/DC-Energienetzen mit Erzeugern, Speichern und Verbrauchern anhand eines eigenen DC-Demonstrators
• Planungslandschaft mit digitalem Zwilling
• Verknüpfung des elektrischen Systemverhaltens (Energieebene) mit den digitalen Modellen der Produktionsanlagen (Prozessebene)
• Ganzheitliches Schutz- und Regelungskonzept für hybride Netzarchitekturen
• Softwarebasierte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung derartiger Netze

InterAcDT verfolgt die Weiterentwicklung des „Digitalen Zwillings“ zur Planung und Optimierung von Produktionsanlagen. Durch gezielte Entwicklung, Kombination und Integration von Technologien aus den Bereichen Simulation, KI sowie VR/AR wird der Digitale Zwilling der Produktionsressource in Bezug auf den Stand der Technik

1. funktional erweitert,
2. über neuartige Interaktionsmethoden und der Nutzung von Web-Technologien einem breiteren Anwenderkreis zur Verfügung gestellt und
3. mit einer begleitenden Einsatz-Methodik veranschaulicht und zugänglich gemacht.

Somit soll die aktuell durch Simulationsexperten monopolisierte Interaktion mit dem Digitalen Anlagen­zwilling hin zu einem Ansatz der kollaborativen Nutzung digitaler Zwillinge entwickelt werden. Der so entstehende, kollaborativ nutzbare Digitale Anlagenzwilling mit neuen Optimierungsfunktionen ermöglicht eine mittelbare Erhöhung der Planungsgüte und eine wirtschaftliche Produktion von beispielsweise neuartigen Antriebstechnologien am Standort Deutschland.

Das Forschungsprojekt PDA-RobE (Prozessorientiertes, durchgängiges und automatisiertes Robotik-Engineering) wird seit dem 01.09.2021 vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) gefördert und lässt sich innerhalb der Strategie BAYERN DIGITAL der Initiative „Künstliche Intelligenz – Big Data“ zuordnen. Im Forschungsvorhaben sind über eine Laufzeit von 3 Jahren neben dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionsssystematik die Industriepartner exentra GmbH und Conti Temic microelectronic GmbH beteiligt. Hierbei wird eine prozessorientierte Projektmanagement-Software angestrebt, welche die Anwender auf intuitive Weise durch die Engineering-Prozesse führt und gleichzeitig relevante Tools, Services und Informationen zum richtigem Zeitpunkt bereitstellt.

Detaillierte Beschreibung:

Im Engineering und dem zur Koordination benötigten Projektmanagement existieren viele nicht automatisierte Prozessschritte. Dieser Zustand ist sehr kosten- und zeitaufwändig sowie fehleranfällig. Ziel von PDA-RobE ist es daher, die Transformation von einer reinen Management- und Engineering-Prozessdokumentation und -überwachung hin zur automatisierten Prozesskoordination und -ausführung im Sinne des durchgängigen Engineerings bzw. von Industrie 4.0 zu beschleunigen. Hierzu werden Ansätze der Wirtschaftsinformatik auf das Engineering von roboterbasierten Automatisierungslösungen bzw. den digitalen Zwilling übertragen. Entlang eines prozessorientierten Workflow-Managementsystems soll eine Referenzarchitektur und -anwendung für das Engineering, mit Fokus auf den Fabriklebenszyklus geschaffen werden. Ein Engineeringprojekt bei Conti wird als Use Case verwendet. Die dazugehörigen Managementworkflows zur Planung der roboterbasierten Automatisierungslösungen werden auf Basis von Business Process Model and Notation (BPMN) modelliert und mittels einer Process Engine in Kombination mit Engineering-Services zur Ausführung gebracht. Hierdurch können die anfallenden Kosten und die Zeitdauer für das Engineering nachhaltig gesenkt sowie die Qualität der Prozesse durch Transparenz gesteigert werden.

Adressierte Forschungsschwerpunkte:

• Nachhaltiges, optimiertes und transparentes Projektmanagement
• Prozessmodellierung und –ausführung mittels Business Process Model and Notation (BPMN)
• Durchgängiges Engineering mittels des Prozessgesteuerten Ansatzes (engl. “Process Driven Approach“, PDA)
• Multinutzerkollaboration und Planung durch immersive Extended Reality (XR)-Services
• Unterstützung in der Planung durch künstliche Intelligenz (KI)
• Zentralisiertes Wissens- und Datenmanagement (Big Data)

Ziel des Forschungsprojekts ist es, auf Basis multipler Sensordaten ein intelligentes System zu entwickeln, das eine direkte Kommunikation im Wertstrom, also im Bereich der Produktion und Logistik, ermöglicht. Das zu entwickelnde System basiert auf der Verknüpfung von werkstückbezogenen Daten und der kontinuierlichen Kontrolle von Produktions- und Logistikprozessen. Durch eine künstliche Intelligenz soll das System den Großteil dieser Prozesse autark steuern. Zur Vereinfachung komplexer, von Menschen durchzuführender Arbeitsschritte soll das System über eine Assistenzfunktion verfügen, die es erlaubt, auch diese Schritte direkt in Förderanlagen einzubinden. Somit soll das System sowohl teil- als auch vollautomatisierbare Produktions- und Logistikprozesse optimieren.

Das Forschungsvorhaben wurde zum 01.01.2019 gestartet.

Wir freuen uns auf die Projekt- und Forschungsarbeit in den kommenden drei Jahren und die Kooperation mit den Projektpartnern.

Kurzbeschreibung des Projekts:

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Über PAiCE – Digitale Technologien für die Wirtschaft:

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert mit dem Technologieprogramm „Digitale Technologien für die Wirtschaft (PAiCE)“ derzeit 16 Förderprojekte aus Wissenschaft und Industrie mit rund 50 Millionen Euro, die den Einsatz digitaler Technologien in industriellen Prozessen und Anwendungen erproben. Der Schwerpunkt des Programms liegt im Aufbau digitaler Industrieplattformen sowie der Kollaboration zwischen Unternehmen über die Plattformen. Zusätzlich werden durch begleitende Forschungsmaßnahmen Fragen und Herausforderungen hinsichtlich der Themen Recht, Geschäftsmodelle und vertrauenswürdige Architekturen erörtert. Weitere Informationen finden Sie unter: www.paice.de

Die adidas Speedfactory stellt ein mehrphasiges Projekt dar, welches Fertigungskapazitäten zurück nach Deutschland holen soll. Phase 1 wurde im SEP 2016 abgeschlossen und umfasste die Herstellung von 1000 Paar Performance-Sportschuhen. Phase 2 startete im ersten Quartal 2017 und zielt auf einen Blue-Print für ein signifikantes Upscaling des Volumens hin, welches in den nächsten 5 Jahren stattfinden wird.
Eine lokale Herstellung bietet dabei mehrere Vorteile, unter anderem die Annäherung an die Verbraucher und dadurch die Fähigkeit, schneller auf deren Anforderungen zu reagieren, eine Reduzierung der Vorlaufzeit, um Produkte zu liefern, mehr Transparenz in Operationen, Geschwindigkeit, Flexibilität und die Fähigkeit, Losgröße 1 herzustellen.
Adidas zielt darauf ab, einen digitalen Zwilling der Speedfactory zu entwickeln, um die Technologieentwicklung, die Inbetriebnahme, die Optimierung der Fertigungsplanung und die Ausführung zu beschleunigen.