Im ersten Teil der Reihe zur flexiblen Produktion der Zukunft, erschienen in Ausgabe 7/2025, wurden die Herausforderungen und Ziele des Forschungsprojekts GrowIng vorgestellt, das Konzept eines wachsenden Digitalen Zwillings eingeführt und einen Use Case im Bereich der durchgängigen Prozesssimulation erklärt. Darüber hinaus wurde der Aufbau des Verbunddemonstrators InnoWindow innerhalb der Stuttgarter Maschinenfabrik vorgestellt. Im zweiten Teil geht es um ein durch die Maschinen automatisiert gefertigtes Bauteil, das durch einen Nutzer in einem Online-Tool individuell konfiguriert werden kann.
Die flexibilisierte Fertigung
Wer ein neues Auto bestellt, hat oft genaue Vorstellungen über die gewünschte Motorisierung, die Farbe des Lacks oder der Innenausstattung. Während in der Automobilindustrie Konfiguratoren schon lange Standard sind, wird auch in anderen Domänen der Ruf zu individuelleren Kundenwünschen bis hin zur Fertigung in Losgröße 1 lauter. Die industrielle Massenfertigung wird in vielen Bereichen durch eine Fertigung in Serien oder Einzelstücken abgelöst. Dabei müssen die Effizienzvorteile durch Automatisierung beibehalten werden.
Im InnoWindow des ISW der Universität Stuttgart kann ein Multi-Key-Tool mithilfe eines Konfigurators individuell gestaltet werden. Hier zeigt sich der Nutzen der im Projekt entwickelten Konzepte rund um den digitalen Zwilling: Die digitale Repräsentation der Eigenschaften des Produkts dient als Basis für die Zusammenarbeit verschiedener Maschinen und zur kollaborativen Fertigung des Produkts. Diesem können, ähnlich wie bei einem Auto, verschiedene Features individuell hinzugefügt werden. Beispielsweise lässt sich auswählen, ob das Tool einen Flaschenöffner haben soll oder ob und in welchem Winkel ein Speichenschlüssel eingefräst werden soll. Zudem besteht die Möglichkeit, zwischen verschiedenen integrierten Bits und Gravurvorlagen zu wählen. Auch ob das Produkt verpackt werden soll und ob die Verpackung ein Logo aufgedruckt haben soll, sind Optionen. Durch die Auswahl einer Kontaktperson wird der ausgewählte Mitarbeiter als Kundenberater registriert und eine Visitenkarte wird in die Verpackung integriert. Am Ende kann der Kunde entscheiden, ob während des Fertigungsprozesses auf Nachhaltigkeit geachtet werden soll, die Lieferung möglichst schnell eintreffen soll oder ökonomische Gesichtspunkte entscheidend sind. Diese Anweisungen haben später Einfluss auf die Orchestrierung des kollaborativen Fertigungsprozesses.
Die AAS und ihre Teilmodelle
Ergebnis des Konfigurationsprozesses ist der digitale Zwilling des Produkts – die Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell, AAS). Die Architektur ermöglicht einen modularen Aufbau der digitalen Repräsentation der einzelnen Teilprodukte (z.B. der Verpackung oder der ausgewählten Bits). Dabei wird nicht nur eine AAS des gesamten Produkts erzeugt, sondern je Bauteil und -gruppe eine eigene AAS gebildet. Durch Referenzen und Stückliste (Bill of Materials) finden alle Design-Informationen modular in der AAS des Produkts zusammen. Durch Teilmodelle der Verwaltungsschalen können neben der modularen Zusammensetzung des Produkts auch die enthaltenen Informationen flexibel aufgebaut und durch verschiedene Partner aggregiert werden – so wird die AAS im Projekt zu einem ‚wachsenden‘ digitalen Zwilling.
IT- und OT-Architektur für die kollaborative Fertigung
Die Basis eines mehrstufigen Fertigungsprozesses bildet in der Praxis der Austausch von Informationen über das Produkt und die Produktionsressourcen über die involvierten Partner innerhalb der Lieferkette hinweg. Um das im InnoWindow möglichst praxisnah abzubilden, wurde eine Datenarchitektur aufgebaut, die zum einen auf Industriestandards wie der AAS oder OPC UA aufbaut, als auch reale Hindernisse bzgl. der Datenverfügbarkeit und der Trennung von Netzwerken berücksichtigt. Daher erfolgt im Netzwerk eine horizontale Trennung zwischen den beteiligten Partnern. Zudem wird das Netzwerk vertikal in drei Ebenen aufgeteilt:
- Die OT-Ebene: Hier findet die Kommunikation zwischen der SPS, CNC und den Maschinen statt. Außerdem wurden OPC UA-Server erstellt, in der die Maschinendaten durch die Nutzung von Companion Specs standardisiert abrufbar sind. Diese Ebene entspricht dem Shopfloor in realen Anwendungsfällen.
- Die IT-Ebene: Hier sind Informationen aus dem Shopfloor unternehmensintern austauschbar. Zudem dient sie durch standardisierte Teilmodelle der IDTA als Brücke zum unternehmensübergreifenden Austausch. Die AAS kommt hier als standardisiertes und erweiterbares Informationsmodell zum Einsatz.
- Unternehmensübergreifender Datenaustausch: Dieser wird durch einen Datenraum realisiert, in dem Firmen je nach Wunsch und Policies Informationen austauschen können.
Die Gliederung in drei Ebenen ist notwendig, um einen realitätsgetreuen Fertigungsprozess abzubilden. Da OT-Netze oft besonders geschützt sind, ist der Zugriff anderer Firmen darauf nicht möglich. Daher wird die IT-Ebene als Zwischenlayer aufgebaut. Außerdem findet hier der Übergang zum Internet of Things (IoT) statt, durch das etwa externe Tools oder Datenquellen nutzbar werden.
