Neue Studie der acatech 10.12.2021, 10:05 Uhr

Industrie 4.0 braucht neue Modelle und Simulationen

Bei einfachen Industrie-4.0-Anwendungen reichen bestehende Modelle und Simulationsmethoden. Bei steigender Komplexität stoßen diese Ansätze an Grenzen.

Wie können digitale Methoden die Produktion der Zukunft resilienter machen? Antwort gibt eine neue Studie von acatech. Foto: acatech

Wie können digitale Methoden die Produktion der Zukunft resilienter machen? Antwort gibt eine neue Studie von acatech.

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In der neuen Expertise des Forschungsbeirats der Plattform Industrie 4.0 beleuchtet das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK aktuelle Ansätze zur Nutzung von Modellierung und Simulation in der intelligenten Fabrik. Für Industrie 4.0-Fähigkeiten mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden wurde dabei ermittelt, welche Forschungs- und Entwicklungsbedarfe in Zukunft adressiert werden müssen, um eine intelligente Fabrik zu ermöglichen.

„Methoden der Modellierung und Simulation wurden zwar in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, gleichwohl hat gerade die Kombination von Modellierung und Simulation mit Verfahren der künstlichen Intelligenz neue Horizonte eröffnet“, so Reiner Anderl (Technische Universität Darmstadt), Mitglied des Forschungsbeirats der Plattform Industrie 4.0. „Die vorliegende Expertise macht dies besonders im Kontext der intelligenten Fabrik zukunftsweisend deutlich.“

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„Vernetzung“ ist das Stichwort für die Wertschöpfung der Zukunft. Statt durch singuläre Produkte oder Produktionssysteme wird diese zunehmend durch intelligente, dynamisch interagierende Systeme vorangetrieben. Gleichzeitig wirken externe Faktoren, wie etwa ein Mangel an benötigtem Rohmaterial, auf Industrieunternehmen ein und setzen diese zusätzlich unter Wettbewerbsdruck. Um eine resiliente und effiziente Produktion zu gewährleisten müssen Unternehmen und Industrie 4.0-Systemlösungen auf solche Einflüsse selbst in unvorhersehbaren Situationen in Echtzeit reagieren können. Die dazu benötigten Fähigkeiten der Systemlösungen werden als Industrie 4.0-Intelligenzen bezeichnet.

Um Industrie 4.0-Systemlösungen mit entsprechenden Fähigkeiten zu entwickeln und sicher zu betreiben, sind Modellbildung und Simulation notwendig. In der Expertise „Modellierungs- und Simulationsbedarfe der intelligenten Fabrik“ haben Forschende des Fraunhofer IPK den aktuellen Stand und die Bedarfe für diese Modellbildung und Simulation untersucht. Dazu wurden Ergebnisse aus der Fachliteratur durch Interviews aus der Industrie und Forschung untermauert und so ein Überblick für aktuelle Forschungs- und Entwicklungsbedarfe in diesem Bereich erstellt.

Verknüpfung von Ansätzen zur Abbildung komplexer Fähigkeiten

Die Expertise kommt zu dem Schluss, dass bestehende Modellierungs- und Simulationstheorien für die Umsetzung und Anwendung von Fähigkeiten mit geringem Komplexitätsgrad ausreichend sind. Dazu gehört etwa das virtuelle Darstellen der Systemlösung und ihrer Umgebung. Sobald die Komplexität jedoch steigt, weil mehr Einflüsse auf die Systemlösung und damit auf die Fähigkeiten einwirken, kommen bestehende Ansätze an ihre Grenzen. Die Verknüpfung verschiedener Ansätze ist entscheidend, um diese komplexen Fähigkeiten abzubilden.

Die Expertise steht auf der acatech Webseite zum kostenlosen Download zur Verfügung.

Foto: acatech

„Während es zuvor reichte, die Zustände von singulären Industrie-4.0-Lösungen zu prognostizieren, ist es heute unabdingbar, die Lösungen im Systemverbund, etwa als komplette Produktionssysteme, zu betrachten. Dafür müssen Unternehmen und Mitarbeitende unter anderem statische und dynamische Modellierungen sowie diskrete und kontinuierliche Simulationen miteinander koppeln,“ sagt Marvin Manoury, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPK und einer der Autoren der Expertise.

Forschung und Entwicklung für die intelligente Fabrik

Auf Basis dieser Erkenntnisse und des aktuellen Stands an beherrschten Modellen und Simulationen identifiziert die Expertise Entwicklungs- und Forschungsbedarfe in der Grundlagen- und Verbundforschung. Darüber hinaus schlägt sie für branchenübergreifende Themen, wie einer einheitlichen Semantik zwischen Systemlösungen und dazugehörigen Modellen, die Umsetzung der Verbundforschung in Forschungsclustern vor. Gerade die Integration von Realdaten und die Abbildung und Integration des Menschen in die Systemlösungen sind Fragen, die die Wissenschaft auf diesem Gebiet noch beschäftigen werden.

Die Expertise steht auf der acatech Webseite zum kostenlosen Download zur Verfügung.

Von acatech/Udo Schnell