Selbstoptimierende Produktionsprozesse

Flexible Prozessregelung für robuste Systeme

Selbstoptimierung ist ein zentrales Steuerungsprinzip adaptiver Systeme: Die klassische Prozessregelung wird um autonome Systeme ergänzt, die sich und ihre Zielgrößen selbstständig immer wieder an die aktuellen Gegebenheiten anpassen – bis hin zum Einsatz künstlicher Intelligenz. Echtzeit-Informationen, die laufend in den Prozess zurückgeführt werden, gewährleisten  robuste und gleichzeitig flexible Produktionssysteme, selbst in hochdynamischen Fertigungsumgebungen.

Ein Anwendungsfeld, in dem das Fraunhofer IPT selbstoptimierende Systeme entwickelt und erprobt, ist der Exzellenzcluster »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer«. Hier untersucht das Fraunhofer IPT gemeinsam mit Instituten und Einrichtungen der RWTH Aachen neue Wege, das Einsatz- und Leistungsspektrum geschlossener Regelschleifen durch Prinzipien der künstlichen Intelligenz deutlich zu erweitern. Übergeordnetes Ziel ist es, Maschinen und Anlagen autonomer und intelligenter zu gestalten, um sie flexibler und robuster gegenüber Störeinflüssen zu machen. Die Fähigkeit zur Selbstoptimierung bildet hier die Grundlage für eine reaktionsfähige Automatisierung.

Ein klassisches Einsatzgebiet für die entsprechenden Systeme ist die automatisierte Montage und Justage optischer Komponenten für leistungsfähige Lasersysteme: Dabei ist die hochgenaue Ausrichtung der optischen Komponenten ein entscheidendes Qualitätskriterium. Hier gilt es, höchste Anforderungen an Fertigungs- und Prozesstoleranzen zu erfüllen. Selbstoptimierende Montagesysteme können dieser Herausforderung begegnen, indem sie Sensordaten anhand von Modellen interpretieren. Dazu ziehen diese Systeme die optischen Eigenschaften wie das Strahlprofil, die optische Leistung oder die Abbildungsqualität heran, werten diese aus und nutzen die Ergebnisse in einer geschlossenen Regelschleife zur Positionskorrektur einzelner Optiken. Das selbstoptimierende System minimiert also nicht nur die Toleranzen der Fertigung, sondern zieht zur Regelung des Montageprozesses die konkrete Funktion des Systems heran. So gelingt es, die Planungsaufwände für komplexe Montageprozesse innerhalb eines dennoch robusten Produktionssystems stark zu vereinfachen.

Gemeinsam mit den Forschungspartnern des Exzellenzclusters wird das Prinzip der selbstoptimierten Regelung von Produktionsprozessen auf eine Vielzahl weiterer Anwendungen übertragen –  von der Montage über das Schweißen bis hin zur Optimierung von Webstühlen. Ziel der Forschungsarbeiten ist dabei stets, den Aufwand der erstmaligen Einrichtung der Prozesse deutlich zu reduzieren. Hier konnte eine bisher unerreichte Flexibilität erzielt werden – ein wichtiger Schritt in Richtung der Automation von Kleinserien und in der Herstellung von Einzelstücken. So gewinnen Fertigungsprozesse in starkem Maße an Robustheit und damit auch an Zuverlässigkeit, selbst bei schnell wechselnden Randbedingungen in einem hochflexiblen Fabrikbetrieb.