Werkzeugmaschinen-Branche: Experte fordert Paradigmenwechsel

Die aktuelle Corona-Krise beutelt den Werkzeugmaschinenbau, und schon zuvor mussten die Unternehmen mit wirtschaftspolitischen Rahmenbedingungen und dem Konjunkturabschwung kämpfen. Das bietet aber auch Zeit, sich teilweise neu zu erfinden und sich den Trends der Zukunft zu widmen.

Welche Themen die Werkzeugmaschinen-Branche momentan bewegen und wie Forschung in diesen Bereichen unterstützt, verrät Prof. Christian Brecher im Gespräch mit FERTIGUNG. Er ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT und Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen.

FERTIGUNG: Mit welchen Themen sollten sich Hersteller von Werkzeugmaschinen im Moment unbedingt beschäftigen?

Christian Brecher: Die fehlende kurze Reaktionszeit der industriellen Produktion auf globale Ereignisse, wie beispielsweise die sich seit Beginn des Jahres ausbreitende COVID-19-Pandemie, stellt für die exportorientierte Werkzeugmaschinenbranche in Deutschland eine ernste Bedrohung dar.

Im Werkzeugmaschinenbau werden Themen wie Domestic Sourcing, also die Beschaffung unternehmenswichtiger Ressourcen aus dem geografisch nahen Umfeld, an Bedeutung gewinnen, um in Zukunft eine nachhaltige Versorgung sicherstellen zu können. Nicht zuletzt können sich erwartbare EU-Vorgaben, wie der Green Deal, verstärkend auf die Relevanz auch lokaler Lieferketten auswirken.

Darüber hinaus zeigt sich insbesondere in Zeiten einer globalen Krise, wie wichtig ein diversifiziertes Produkt- und Dienstleistungsportfolio ist.

Was müssen Maschinen-Hersteller tun, um ein solches Portfolio anbieten zu können?

Brecher: Für die Werkzeugmaschinenbranche bedeutet das konkret, dass ein Paradigmenwechsel in der Interpretation der eigenen Rolle in unserem Wirtschaftssystem stattfinden muss – eine Wandlung vom einmaligen Bereitstellen von Produktionshardware zum kontinuierlichen Lösen von Fertigungsherausforderungen.

Vor dem Hintergrund, dem Kunden flexibilisierte und vor allem garantierte Produktionskapazitäten bereitzustellen, müssen neue Geschäftsmodelle entwickelt werden, die neben individuellen Abrechnungsmodellen das Einbinden Dritter ermöglichen.

Ein Blick auf die letzten Jahre zeigt, dass es vielen Unternehmen des Mittelstands, zu dem ein Großteil der Werkzeugmaschinenbranche zählt, schwerfällt, Digitalisierungslösungen im Markt zu platzieren. Die Kooperation mit externen, auf digitale Lösungen spezialisierte Unternehmen, beispielsweise in Form von strategischen Partnerschaften, stellt eine Möglichkeit dar, um Potenziale einer vernetzen Produktion im Kontext von Industrie 4.0 verfügbar zu machen. Voraussetzung ist die Bereitschaft, in gesundem Maße Daten und Wissen mit Partnern zu teilen. Standardisierte Konzepte für Datenzugehörigkeit und Datensicherheit müssen dafür die Grundlage bilden.

Der Austausch von Daten ist also die Grundlage der Digitalisierung, reicht ja aber allein nicht aus. Wie sollten die Unternehmen die Daten nutzen?

Brecher: In Zukunft wird die gewinnbringende Nutzung von Daten direkt aus der Produktion ein zentrales Thema für produzierende Unternehmen sein. Hierbei wird sich die gesamte Werkzeugmaschinen-Branche der überaus relevanten Frage stellen müssen, inwiefern sie für ihre Kunden die maschinenbasierte Infrastruktur für die Generierung von Daten realisieren kann.

Die Grundidee besteht darin, aus einer großen Datenmenge, die direkt der Fertigung durch geeignete maschinenintegrierte Sensorik entnommen wird, einen Mehrwert zu generieren. Dieser Mehrwert liegt beispielsweise im Quality Monitoring, wodurch eine vorausschauende Qualitätsabschätzung von Produkten direkt in die Fertigungslinie verlagert wird. Durch ein solches Vorgehen können deutlich kürzere Reaktionszeiten bezüglich der Produktion von fehlerhaften Teilen realisiert werden.

Ein weiterer Punkt ist die Überwachung von systemkritischen Werkzeugmaschinenkomponenten, um frühzeitige Komponentenausfälle im Sinne einer prädiktiven Instandhaltung zu reduzieren. Die Realisierung solcher Systeme führt damit zu einer deutlich höheren Maschinenverfügbarkeit und somit auch zu einer gesteigerten Gesamtanlageneffektivität.

Das sind alles Anwendungen, die im Rahmen von Industrie 4.0 ja schon länger im Gespräch sind. Wie weit ist die Umsetzung schon fortgeschritten und was ist noch nötig?

Brecher: Zwar existieren derartige Ansätze in Wissenschaft und Praxis schon länger, tatsächlich dient die Fülle an Daten, die heute und vermehrt in Zukunft zur Verfügung stehen, erst als Befähiger, um Prädiktionsmodelle mit der notwendigen Vorhersagegenauigkeit ausstatten zu können.

Um diesen Ansatz noch weiter voranzutreiben, ist es dann notwendig, die Werkzeugmaschinen untereinander zu vernetzen und die Datenbasis stetig zu vergrößern.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die betreffenden Unternehmen massiv in ihre Digitalkompetenzen investieren müssen, damit das große zu erwartende Geschäft mit der Digitalisierung am Ende nicht die Unternehmen übernehmen, die mit klassischem Maschinenbau nichts mehr zu tun haben.

Das sind also die Themen, mit denen sich vor allem die Hersteller beschäftigen sollten. Mit welchen Themen beschäftigt sich denn die Forschung im Bereich Werkzeugmaschinen?

Brecher: Die für die Werkzeugmaschinenindustrie relevanten Themenschwerpunkte sind natürlich auch Gegenstand der aktuellen Forschung. Beispielsweise besteht im Rahmen des Exzellenzclusters ‚Internet of Production‘ der RWTH Aachen der Anspruch, die Potenziale einer vernetzten Produktion zu erfassen und in innovative Lösungen und Anwendungen zu überführen. Dadurch kann auch zukünftig die Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus gesichert werden.

Konkret bedeutet das für den Bereich Werkzeugmaschinen Folgendes: Die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen-Nutzungsdaten in einer vernetzten Systemlandschaft fungiert als technischer Enabler, die Relevanz von Themen wie die Künstliche Intelligenz (KI) beziehungsweise Methoden des datengetriebenen Machine Learning zu steigern. Dadurch ergeben sich neue Potenziale.

Was verändert sich durch eine vernetzte Produktion und Machine Learning?

Brecher: In der Vergangenheit konnte das Werkzeugmaschinenverhalten als Einzelsystem durch komplexe analytische und empirische Modelle bereits gut approximiert werden. Eine Anwendung solcher Modelle in einer industriellen Fertigung scheiterte allerdings häufig sowohl an der fehlenden Übertragbarkeit von Modellen aufgrund von veränderten Rahmenbedingungen als auch an deren Echtzeitfähigkeit.

Auch in Zukunft ist das Ziel, solche Modelle, beispielsweise zur Vorhersage des Ausfallverhaltens von Maschinenkomponenten sowie zur Prognose des Stabilitätsverhaltens von Werkzeugmaschinen, zu entwickeln und zu erweitern.

Durch die vernetzte Produktionslandschaft wird die Grundlage geschaffen, jedes fertigende System quasi als Prüfstand zu nutzen, um die bisherigen Modellgrenzen und die -übertragbarkeit mithilfe der Methoden des Machine Learning zu erweitern und dadurch die Vorhersagegenauigkeit des prognostizierten Systemverhaltens zu erhöhen.

Können Sie dafür ein Beispiel nennen?

Brecher: Die Fähigkeit, Verhalten in der Gesamtproduktion vorherzusagen, schafft einen Mehrwert für alle Beteiligten, indem veränderte Randbedingungen schneller bewältigt werden können.

Als konkretes Beispiel für den Bereich Werkzeugmaschinen kann durch die gewonnene Verfügbarkeit von Prozessdaten mehrerer Maschinen das zukünftige Prozessverhalten sowie der zu erwartende Ressourcenverbrauch für die Prozessauslegung genauer vorhergesagt werden. Dadurch gewinnt der gesamte Planungsprozess an Effizienz und kann unmittelbar auf Änderungen reagieren.

Und ihre Forschung unterstützt dabei?

Brecher: Das Exzellenzcluster 'Internet of Production' ist zugleich eine Plattform, die einzelne wissenschaftliche Detailthemen rund um den Bereich Werkzeugmaschinen mit den Möglichkeiten der Vernetzung verbindet und so das Potenzial dieser innovativen Ansätze in der Produktionstechnik an praktischen Beispielen und verschiedenen Use Cases demonstriert.

Dadurch kann Überzeugungsarbeit geleistet werden, die Produktionstechnik in Deutschland gemeinsam mit der Industrie zukunftssicher und digital zu gestalten.