Broschuere_Karlsruher Forschungsfabrik

Inhaltsverzeichnis
Beste Entfaltungsmöglichkeiten für neue Produkte und Prozesse
Die Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion
Unreife Prozesse und ihre Ertüchtigung
Wandlungsfähige Produktion
Digitalisierung und KI
Architektur und Gestaltung
Kooperationsmodelle
Schaeffler Hub for Advanced Research
Karlsruher Innovations-Ökosystem
Stimmen aus der Industrie
Entstehung der Karlsruher Forschungsfabrik
Ansprechpartner

Geleitworte Beste Entfaltungsmöglichkeiten für neue Produkte und Prozesse Wissenschaft und Industrie gemeinsam zum Erfolg Mit der Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion leisten die Fraunhofer-Gesellschaft und das Karlsruher Institut für Technologie KIT einen wichti- gen Beitrag, die Spitzenstellung des Industriestandorts Deutsch- lands zu festigen: Hier treffen neu- este Erkenntnisse aus dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz und des Machine Learning mit klassischen Ingenieurswissenschaften zusam- men, um das Zukunftsthema »In- telligente Produktion« praxisnah zu erforschen. Das Ziel ist, neueste wissenschaftliche Erkenntnisse in Anwendungsgebieten wie dem Leichtbau oder der Produktion von Batterie- und Brennstoffzellen schnell und effizient in den Markt zu überführen. Dazu entwickeln und erproben Wissenschaft und Industrie ge- meinsam neue Methoden, um Fertigungsprozesse zu optimieren. Mit Verfahren des Machine Le- arning und der Künstlichen In- telligenz analysiert die bereits in Betrieb befindliche Fertigungsan- lage qualitätsbezogene Daten und »lernt«, welche Parameter gute Ergebnisse produzieren. Dadurch wird die Time-to-Market deut- lich verkürzt und es Unternehmen ermöglicht, wesentlich früher auf ihren Zielmärkten präsent und erfolgreich zu sein. Die beteiligten Fraunhofer- Institute ICT und IOSB bringen ihre Stärken auf den Gebieten der Werkstoff-, Fertigungs- und Verfahrenstechnik sowie in der Automatisierungs-, Sensor- und Informationstechnik ein. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen universitärer und außer- universitärer Forschung mit der Industrie entsteht in der For- schungsfabrik ein erfolgreiches Zusammenspiel unterschied- licher Kompetenzen. Durch diesen Schulterschluss zwischen Forschung und Wirtschaft wird es gelingen, den Transfer von innovativen Produkten zu be- schleunigen und so die Position Deutschlands in dem zukunfts- orientieren Technologiefeld »Intelligente Produktion« abzu- sichern. Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer- Gesellschaft e.V. Deutschlands wirtschaftlicher Erfolg und der Wohlstand seiner Bevölkerung beruhen zu einem beträchtlichen Teil darauf, die Weltmärkte mit innovativen Produkten und Technologien zu beliefern. Es gilt, diese Fähigkeit zu bewahren, zu stärken und auszubauen, um auch langfristig im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. 4

Exzellente Wissenschaft erfordert den Dialog mit unterschiedlichs- ten Partnern. Zur Lösung der globalen Herausforderungen der Menschheit leistet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – »Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft« maßgeb- liche Beiträge in den Feldern Ener- gie, Mobilität und Information. Das KIT steht für Forschung, Lehre und Innovation auf Spitzenniveau. Der Brückenschlag zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaft- lichen Nutzen und wirtschaftlichen Wohlstand ist unser Kompass. Mit der Karlsruher Forschungs- fabrik schaffen das KIT und die Fraunhofer-Gesellschaft eine einzig- artige Möglichkeit, gemeinsam mit Unternehmen an realen Prozessen das Zukunftsthema KI-integrierte Produktion praxisnah zu erforschen. Möglich macht dies die umfassende interdisziplinäre Expertise der Part- ner: Forschende aus dem Maschi- nenbau, der Prozess- und Automati- sierungstechnik und der Informatik bringen ihre Erfahrungen ein und entwickeln gemeinsam Lösungen. In der Forschungsfabrik erforschen und erproben die Beteiligten neue Produktionsprozesse schon in einem frühen Stadium. Sie entwickeln Methoden, Komponenten und Anlagen, um den Reifegrad der Produktionslösungen schnell zu steigern und sie nach kurzer Zeit in die industrielle Anwendung zu überführen. So entstehen für Pro- duktionsunternehmen sowie den Maschinen- und Anlagenbau große Chancen. Durch Sensorik, eine intelligente Datenauswertung und eine sich selbst optimierende Para- metrierung können auch unreife Prozesse vom ersten Tag an effizient betrieben werden – vergleichbar mit einer Software, die während des Betriebs durch Updates weiter verbessert wird. Das wbk Institut für Produktionstechnik des KIT bringt seine Stärken in den Themen elektrische Antriebe, Batterie und Brennstoffzelle, Leichtbaufertigung sowie Werkzeugmaschinen und Mechatronik ein. Die Karlsruher Forschungsfabrik ist eine Blaupause für einen gemein- samen Erfolg von Wissenschaft und Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka, Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Wirtschaft. Durch die enge Koope- ration mit der Industrie schaffen die Partner einen Schmelztiegel innova- tiver Lösungen für produktionstech- nische Unternehmen. Innovation bedeutet, die Zukunft zu denken. Das ist am KIT eine Kernkompetenz. Damit ist das KIT und sein produk- tionstechnisches Institut wbk ein verlässlicher Partner der Politik und Teil der Zukunftsfähigkeit des Wirt- schaftsstandorts Deutschlands. 5

Die Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion Etablierte Prozesse verbessern, unreife Prozesse ertüchtigen Gerade der hohe Anteil verarbei- tender Industrie hat Deutschland maßgeblich geholfen, die letzten Krisen vergleichsweise gut zu be- wältigen. Damit wir erfolgreich bleiben, müssen wir den digitalen Wandel aktiv gestalten und selbst das Heft in die Hand nehmen. Ge- nau darauf zielen unsere Aktivitä- ten: Unsere starke industrielle Basis in Deutschland zu erhalten und zu stärken. Mit Industrie 4.0 verfügt Deutsch- land über einen Exportschlager – aber die damit einhergehenden Möglichkeiten sind noch lange nicht ausgeschöpft. Durch immer volatilere Märkte, zunehmende sIndividualisierung und der Be- rücksichtigung von Prinzipien der Kreislaufwirtschaft und Nachhaltig- keit sind Unternehmen gezwungen, neue Prozesse und Technologien einzusetzen, ohne dass diese im Vorfeld vollständig erprobt oder beherrscht werden. Der Einsatz von datengetriebenen Verfahren ermöglicht ein kontinuierliches und schnelles Erlernen des erfor- derlichen Prozesswissens; jedes zu produzierende Produkt ermöglicht gleichzeitig ein Experiment, das zu einem besseren Prozessverständ- nis beiträgt. Voraussetzung für den effektiven Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellem Lernen (ML) ist, dass die Spitzen- forschung auf diesem Gebiet und die klassischen Ingenieurdiszipli- nen zusammenwachsen und so die Unterschiede in Methoden und Vor- gehensweisen überbrücken. Die Karlsruher Forschungsfabrik ist für diese Aufgaben konzipiert: Ein Angebot ist die langfristige und zielgerichtete Kooperation von Unternehmen mit der Karlsruher Forschungsfabrik. Auf 5.000 m² Produktionsfläche mit modernster Infrastruktur setzen wir gemeinsam mit Industriepartnern industrienahe KI-Projekte um – mit dem Ziel, etablierte Prozesse zu optimieren und »unreife«, nicht vollständig verstandene Pro- zesse schnell produktiv nutzbar zu machen. Die Initiatoren der Karlsruher Forschungsfabrik arbeiten selbst schon interdisziplinär: Hier bündeln Experten der Werk- Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer, Instituts- leiter Fraunhofer IOSB Prof.Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Instituts- leiter Institut für Produk- tionstechnik (wbk) am KIT Prof. Dr.-Ing. Frank Henning, Instituts- leiter Fraunhofer ICT 6

Daten und Fakten zur Karlsruher Forschungsfabrik: Erbaut: Juni 2019 bis Juni 2021 Bauherren: Fläche: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Rund 5.000 m² in drei Hallen Rechenzentrum mit Software Defined Datacenter (SDDC) Vordefinierte Projektfelder mit Werkbank, Werkzeug und jeweils eigenem Netzwerkswitch. Gesamtbaukosten: Voraussichtlich 20,5 Mio. Euro brutto stoff- und Verfahrenstechnik (Fraunhofer ICT), der Fertigungs- und Produktionstechnik (wbk Institut für Produktionstechnik des KIT) sowie der Informations- technik und industrienaher KI (Fraunhofer IOSB) ihre Kompeten- zen. Die Industriepartner profitieren von der Ausstattung, vorhan- denen Lösungsbausteinen, in denen viele zeitraubende Entwick- lungen vorgedacht und schnell einsatzfähig sind, sowie von der Nähe zu qualifiziertem Personal der KI- und ML-Spitzenforschung bei Fraunhofer und dem KIT. Drei Anwendungsdomänen stehen dabei im Fokus: Industrie 4.0 Im Kontext von Industrie 4.0 adressiert die Karlsruher Forschungsfabrik ganz selbstver- ständlich die vollständige Vernetzung der Fertigungspro- zesse sowie der Echtzeitverarbei- tung und Nutzung aller verfüg- baren Daten, die in den betrach- teten Fertigungsteilprozessen anfallen. Die Arbeiten zu Industrie 4.0 bilden damit die Basis zur Entwicklung effizient funktionierender Anlagen und Prozesse in den beiden Anwen- dungsgebieten unreifer Prozesse. Die durchgängige Vernetzung von den Anlagen bis in die Cloud ermöglicht eine ganzheitliche Be- trachtung von Prozessen und damit auch deren weitere Verbesserung. Leichtbau Der Leichtbau gehört zu den wich- tigsten Zukunftstechnologien im Fahrzeug- und Maschinenbau. Zur Königsdisziplin entwickelt sich da- bei der hybride Leichtbau. Darunter wird die Kombination von verschie- denen Werkstoffen verstanden, die im Verbund die besten Gesamt- eigenschaften für ein betrachtetes System hervorbringen, nach dem Motto: »Das richtige Material an der richtigen Stelle«. Die Karlsruher Forschungsfabrik hat u. a. die Aufgabe, gemeinsam mit Industrie- partnern grundlagen- und an- wendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet des faserverbund- bezogenen hybriden Leichtbaus zu betreiben, speziell um die zur Verarbeitung erforderlichen Ferti- gungsprozesse schnell marktreif zu machen. Elektromobilität Dem Einsatz von Batterien auf Basis der Li-Ionen Technologie kommt eine besondere Bedeutung zu, denn keine andere Speichertechno- logie hat sich in den letzten 15 Jahren nur näherungsweise mit vergleichbaren Wachstumsraten entwickelt. Der Markt der moder- nen Hochleistungsbatterien wird heute von der Li-Ionen Technologie dominiert, deren theoretische Energiedichte in derselben Größen- ordnung wie die fossiler Energie- träger liegt. Ein vielversprechender Einsatzbereich moderner Hoch- leistungsbatterien ist die Elektromo- bilität. Allerdings sind zur effizienten und industriellen Serienherstellung von Batteriesyste- men neue Fertigungsprozesse und -verfahren zu entwickeln, die dann schnell in industrielle Fabriken einziehen können. Ebenso wird das fertigungsge- rechte Systemdesign inkl. perfor- manter Kühlung benötigt, um die Entwicklungen auf Zellebene in einem assemblierten Batteriesys- tem zusammenzuführen. Dies sind weitere Aufgaben der Karlsruher Forschungsfabrik. 7

Unreife Prozesse und ihre Ertüchtigung Heute setzen produzierende Un- ternehmen Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen (ML) ein, um unerwünschtes Verhalten von Maschinen oder Komponen- ten in der Produktion zu erkennen und Produktionsstillstände zu vermeiden. Manche entwickeln bereits Modelle zur Vorhersage der Qualität und nutzen sie, um Prozessparameter zur Laufzeit zu verbessern. KI kann aber auch da- bei unterstützen, neue Fertigungs- verfahren schnell zur industriellen Reife zu bringen. Angesichts der aktuellen Herausforderungen, z. B. Marktschwankungen oder einer immer höheren Zahl von Produktvarianten, können Inge- nieure Produktionsprozesse kaum noch vorab vollständig ausspezi- fizieren. Früher wurden diese Pro- zesse aufwändig entwickelt und daraus Anlagen abgeleitet, diese Anlagen geplant, konfiguriert, zusammengebaut und in Betrieb genommen. Heute laufen diese Schritte teilweise parallel ab. Als »Unreife Prozesse« bezeichnen wir Fertigungsprozesse, die noch nicht vollständig verstanden sind, weil sie entweder neue Techno- logien einsetzen, neue Werkstoffe verarbeiten oder komplexe Wech- selwirkungen zwischen Eingangs- material, Prozesszustand und externen Einflussgrößen auftre- ten. Die Idee hinter der KI-basier- ten schnellen Reifmachung ist es, den Prozess schon in einem sehr frühen Stadium in einem indust- riellen Maßstab umzusetzen und Produkte zu fertigen. Eingangs höhere Ausschussraten werden in Kauf genommen, wenn dadurch schnell ausreichende Daten zur nachfolgenden Prozessoptimie- rung entstehen. Mittels (Über-)Ins- trumentierung durch erweiterte Sensorik und Aktuatorik wird der Prozess zunächst für maschinelle Lernverfahren zugänglich ge- macht. Die mit den Daten trai- nierten KI-Modelle ermöglichen es Ingenieuren und Data Scientists die Produktion zu beobachten und darauf aufbauend eine ad- aptive Prozessregelung zu ent- wickeln. So kann der Markt schon viel früher mit neuen Produkten bedient werden. Mit der erheblich kürzeren Time-to-Market können 8

Zielmärkte mit neuen Produkten schon bedient werden, bevor die Fertigungsprozesse bezüglich Her- stellkosten optimiert sind, z. B. in der Fertigung von Batteriezel- len oder -modulen, der automati- sierten Elektromotorenfertigung oder bei der Herstellung von Brennstoffzellen. Intelligente Batteriezellproduktion Die Batteriezellfertigung ist energie- und ressourcenintensiv. Weil teure Elemente wie Cobalt verarbeitet werden, muss der Pro- duktionsanlauf schnell und die Serienfertigung robust sein; dies minimiert auch den Aus- schuss. Diese Ziele verfolgt das vom Bundesministerium für Bil- dung und Forschung geförderte InZePro-Forschungscluster. Dabei sollen Anlagen- und Steuerungs- technik mit Methoden der Künstli- chen Intelligenz befähigt werden, anhand ausgewählter Sensordaten ihre Prozessparameter so zu optimieren, dass schnell eine gleichbleibend gute Prozessquali- tät erreicht wird. In der Karlsruher Forschungsfabrik werden die InZePro-Projekte In- QuZell, InTeAn, InteKal, ReFlexBat, DataBatt und IntelliPast bearbeitet. Weiterhin barbeiten wir das Pro- jekt AgiloBat2, ebenfalls Teil des InZePro-Clusters, in der Karlsruher Forschungsfabrik. Hier wird ein neuartiges Produktionssystem zur hochflexiblen, vollautomatisierten Zellfertigung in Microenviron- ments als Prototyp aufgebaut. Dabei fließen die Erkenntnisse zu den einzelnen Prozessschritten aus den InZePro-Projekten in die Qualitätssicherung des Anlagen- prototyps ein. Additiv-subtraktiver FFF-Prozess mit Inline-Prozessregelung für hochintegrierte Kunststoff- bauteile Bereits in der ersten Förderphase des »InnovationsCampus – Mobilität der Zukunft« (ICM) stan- den die Additive Fertigung und emissionsfreie Antriebe als wich- tige Schlüsseltechnologien einer zukunftsfähigen und nachhaltigen Mobilität im Fokus. Im Rahmen von zwei neuen Projekten wird ein aus der ersten Förderphase stam- mender Fused Filament Fabrication (FFF) Prozess weiterentwickelt: Dazu wird ein additiv-subtraktiver Prozess mit Inline-Prozessregelung zur automatisierten Herstellung von Kunststoffbauteilen mit integrierten Funktionselementen (Sensoren, Metall- und Kunststoff- inserts) entwickelt, um eine flexible und wirtschaftliche Fertigung von hochintegrierten Bauteilen zu er- möglichen. Im Projekt AddiMoT ergänzen wir den FFF-Prozess mit Roboter für Handhabungsopera- tionen um einen Fräsprozess, um Fertigungsungenauigkeiten vor der Integration der Inserts zu beseiti- gen. Das Ziel ist die Integration von Temperatur- und piezobasier- ten Schwingungssensoren in die Struktur einer Transversalfluss- maschine, um eine kontinuierliche Zustandsüberwachung der Betriebs- bedingungen zu ermöglichen. Im Schwesterprojekt FLINK wird die benötigte Steuerungsarchi- tektur zur flexiblen Einbindung von Zusatzmodulen weiterentwickelt sowie eine bildbasierte Inline-Pro- zessregelung umgesetzt. 9

Wandlungsfähige Produktion Wandlungsfähigkeit erlaubt es produzierenden Unternehmen, sich schnell und effizient an Änderun- gen am Markt, in der Lieferkette oder in der Produktion anzupassen. In umfangreichen Forschungsarbei- ten haben Wissenschaftler Wand- lungsbefähiger definiert [1], die für Hardware (Fabriken, Produktions- linien, Maschinen und deren Kom- ponenten) und Software gleicher- maßen anwendbar sind: Universell einsetzbare Hard- und Software erfordert frei programmierbare Kinematiken und Bibliotheken von instanziierbaren Fertigungs- und Automatisierungskomponenten, die schnell für geänderte oder neue Fertigungsaufgaben kom- biniert und konfiguriert werden können. Hohe Variantenvielfalt und sich schnell ändernde Kapazi- tätsanforderungen zwingen dazu, hochspezialisierte und -produktive durch universelle Ausrüstungen zu ersetzen. Sie lassen sich leichter skalieren und reduzieren letztlich Fixkosten, die bei schwankendem Absatz und evtl. resultierenden Stillständen nicht gedeckt werden könnten. Fabriken mit mobilen Ausrüstun- gen (Maschinen oder Material- flusssysteme) verzichten auf feste Einbauten im Hallenboden oder einer fest installierten Material- flussebene, erfordern jedoch Lokalisierung und Verfolgung von Werkstücken, Ausrüstungen und Transportsystemen. Modularität benötigt Auto-Identifikation, -Konfiguration und -Aktualisierung von Produktionsanlagen nach dem PLUGandWORK-Prinzip. Damit können Module schnell um- gebaut, neu angeordnet oder auch skaliert werden, entsprechend den sich ändernden Fertigungs- aufgaben. Wandlungsfähige Hardware mit standardisierten mechanischen Schnittstellen ist vielerorts schon in Betrieb. Auf Seiten der Software ist Wandlungsfähigkeit vielfach noch zu realisieren, z. B. durch standardisierte Services. Maschi- nenlesbare Modellierung und Konfiguration auf eingebetteten Systemen in Maschinen und Kom- ponenten ersetzt Programmierung [2]. Maschine-zu-Maschine- Kommunikation zwischen Geräten auf der Feldebene und Kommu- nikation zwischen Feldebene und Systemen auf der MES-Ebene lie- fern jederzeit aktuelle Statusinfor- mationen für Geräte und Bediener. Gemeinsame Informationsmodelle bilden die semantische Basis für Datenzugriff und -austausch. Wertstromkinematik – Produk- tionssysteme neu gedacht Industrie 4.0 steht für die Inno- vationsfähigkeit und Kreativität von Forschung und Industrie. Zur vollen Ausschöpfung des Poten- tials von Industrie 4.0 müssen die Produktionsmaschinen und -systeme der Zukunft grundlegend neu gedacht werden. Mit der Wertstromkinematik (WSK) gehen wir diese Herausforderungen systematisch und interdisziplinär an: Unsere Vision ist es, den Auf- bau einer Produktion vollständig mit baugleichen, universell ein- setzbaren Roboterkinematiken zu realisieren. Deren Aufgaben umfassen die in der Industrierobotik üblichen 10

Handhabungsaufgaben und zusätzlich Fertigungs- und Mon- tageprozesse sowie die Qualitäts- sicherung. Die vielfältigen Anfor- derungen der Produktionstechnik bewältigt die WSK mithilfe der intelligenten Kooperation und Kopplung der eingesetzten Roboterkinematiken. Die Redu- zierung oder sogar der Verzicht auf teure, wenig flexible Spe- zialmaschinen innerhalb eines Wertstroms erhöht die Flexibilität der Produktionskette stark und erleichtert eine Umstellung auf andere Endprodukte enorm. Im Rahmen des Exzellenzuniversi- täts-Vorhabens KIT Future Fields wurde die Initiative Wertstrom- kinematik mit einem Projekt- budget von 1,8 Millionen Euro gestartet, an dem zehn weitere Institute des KIT und der Hoch- schule Karlsruhe arbeiten. Erste Ergebnisse der Initiative und der aktuelle Entwicklungs- stand des Demonstrators können bereits jetzt in der Forschungsfabrik begutachtet werden. Projektbeispiel MoPaHyb (Modulare und rekonfigurierbare Produktionsanlage für hochbelast- bare Hybridbauteile) Die »Multi-Material-Bauweise« ist ein vielversprechender Ansatz für strukturelle Leichtbauanwen- dungen und damit zur Erreichung der Klimaziele. Schwankende Los- größen, Variantenvielfalt und die damit verbundenen Anlageninves- titionen für einzelne Produkte er- schweren jedoch die ökonomische Fertigung und damit die Serien- einführung. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt MoPaHyb entwickelten vierzehn Partner aus Industrie und Forschung eine modulare und rekonfigurierbare Produktionsanlage mit PLUGand- WORK-Steuerungsarchitektur, die leicht an ein breites Spektrum verschiedener hybrider Bauteile angepasst werden kann. Kern die- ser Steuerungsarchitektur bildet das Basismodul als Leitsteuerung, mit dem Produktionsmodule über einheitliche Kommunikations- Vollautomatisierte Produktionszelle zur Herstellung hybrider Thermoplast- Strukturbauteile (MoPaHyb Projekt). Das Transferzentrum »Hybrider Leicht- bau« am Fraunhofer ICT steht mehrere Jahre für Schulungen zur Verfügung. Protokolle und -Schnittstellen ver- bunden werden. Konfiguration, Inbetriebnahme und Rekonfigu- ration erfolgt über einen soge- nannten Modulbaukasten, der den Prozess des Anlagenengineerings deutlich verkürzt und damit wirt- schaftlich attraktiv macht. Zur De- monstration des neuen Anlagen- und Steuerungskonzepts wurde eine Referenzproduktionsanlage am Fraunhofer ICT in Pfinztal auf- gebaut, die innovative Leichtbau- technologien, wie das thermoplas- tische Tapelegen oder den Lang- faser-Direktspritzguss umfasst. Das wbk führt das Konzept der modu- laren, rekonfigurierbaren Anla- gensteuerung an einer Demonstra- tions- und Schulungsanlage in der Karlsruher Forschungsfabrik fort. Referenzen [1] Wiendahl, H.-P. et. al.: Changeable manu- facturing – classification, design and operation. Annals of the CIRP 56/2/2007, pp.783-803. [2] Hong, Xuan-Luu et al. Fähigkeitsmodell für die Sensor-/Aktor-Rekonfiguration. atp magazin, [S. l.], v. 61, n. 9, p. 64-71, Sept. 2019. 11

Digitalisierung und KI Die verarbeitende Industrie in Deutschland und ihre Fabrik- ausrüster stehen zunehmend im internationalen Wettbewerb – mit dem bekannten Druck hin- sichtlich Kosten bzw. Preis, Zeit und Qualität. Darüber hinaus stellt die Digitalisierung das Öko- system der Industrieausrüstung vor disruptive und zeitgleiche Herausforderungen im Hinblick auf den Wandel von Produkten zu Produkt-Service-Systemen (PSS) und auf die digitale Evolution konventioneller Produkte, Pro- zesse und Services. Klassische Fer- tigung und Montage verschmilzt mit Digitalisierung; dies schafft Raum für datenbasierte Services und Geschäftsmodelle, die das bestehende Geschäft der deut- schen Industrie ergänzen. Diese Konvergenz zeigt ganz deutlich: Allein hochproduktive und zuver- lässige Maschinen und Anlagen zu liefern, wird zukünftig als Differenzierungsmerkmal und Basis des Geschäftserfolgs von Produktionstechnik-Lieferanten nicht mehr ausreichen. Es voll- zieht sich ein Paradigmenwechsel vom Produktfokus zum Fokus auf nutzenbasierte Mehrwerte. Traditionelle Organisationen, ihre Geschäftsmodelle und Arbeitsfor- men sind fundamental heraus- gefordert: Erst der gemeinsame Einsatz vor- handener industrieller Exzellenz mit fortschrittlichen Technolo- gien wie dem Internet der Dinge, Dienste und Daten, dem Cloud und Edge Computing oder vor allem der Künstlichen Intelligenz zu einem integrierten cyber- physischen Ökosystem wird den Weg in eine vernetzte Produkti- onswelt ebnen. Eine der wichtigs- ten Aufgaben ist es, heute einen offenen und föderierten Daten- raum für morgen zu schaffen, in dem eine beliebig skalier- bare Anzahl an Unternehmen in vertrauensvollen Geschäftsbe- ziehungen barrierefrei inter- agieren können. Die Akteure der Karlsruher For- schungsfabrik und ihre F&E-Ar- beiten legen die Grundlagen für den zukünftigen Geschäftserfolg sder deutschen produzierenden Industrie. 12

Im Projekt AutoInspect werden beliebige Prüfobjekte automatisiert inspiziert, die Ergebnisse der Sensorik fusioniert und auf einen gemeinsamen Digitalen Zwilling referenziert. ein agiler Produkt- und Produk- tionsbaukasten entwickelt, der kostensenkende Skaleneffekte zukünftig durch eine datenba- sierte Adaption des Systems über verschiedene Produktbaureihen und Technologien ermöglicht. So wird die internationale Wett- bewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie nachhaltig gestärkt, weil die Elektromobili- tät technisch und wirtschaftlich in die Energiewende integriert wird. Die 18 Partner des von der Schaeffler Technologies AG ko- ordinierten Forschungsvorhabens werden durch das Bundesminis- terium für Wirtschaft und Klima- schutz bis 2024 mit insgesamt 16,4 Millionen Euro gefördert. Intelligente Maschinenkomponen- ten zur Realisierung von autono- men Produktionsmaschinen Autonome Produktionsanlagen erfordern intelligente Maschinen- komponenten. Die Maschinen- elemente müssen in der Lage sein, Daten zu senden, die ihren Zustand abbilden. Aus diesen Daten werden dann mit ML-Ver- fahren Muster extrahiert, die auf den Zustand der Komponenten schließen lassen. Intelligente Maschinenkomponenten erfor- dern Expertise bezüglich Maschi- nenverhalten, Sensorintegration, Kommunikationstechnik und Maschinellem Lernen. Wegen des oftmals eingeschränk- ten Bauraums sind in intelligente Maschinenelemente kosten- günstige und minimalinvasive Sensorsysteme zu integrieren. Die ML-Algorithmen sollten in der Lage sein, aus den Sensordaten möglichst effizient charakteristi- sche Merkmale zu identifizieren. Auch die Robustheit der Systeme in unterschiedlichen Produktions- umgebungen ist relevant, da die Modelle in einem möglichst großen Anwendungsbereich eingesetzt werden sollen. Dritter relevanter Aspekt ist die laufende Optimierung der Modelle im Betrieb. Diese Herausforderungen bilden den Rahmen der For- schung an intelligenten Maschi- nenkomponenten. AgiloDrive2: Agile Produktions- systeme und modulare Produkt- baukästen für elektrische Traktionsmotoren Im aktuellen Jahrzehnt ist von einem stetig steigenden Absatz elektrifizierter Mobilitätslösun- gen auszugehen. Der elektrische Traktionsmotor nimmt dabei eine leistungs- und effizienz- bestimmende Rolle ein und muss bei geringen Kosten in höchster Qualität und Leistungsdichte produziert werden. Volatile Märkte und Rahmenbedingungen führen jedoch zu einer großen Unsicherheit hinsichtlich der zu erwartenden Stückzahlen und eingesetzten Technologien. Das Investitionsrisiko in starre Produktionssysteme ist also hoch. Im Vorhaben AgiloDrive2 wird 13

Architektur und Gestaltung Heinle, Wischer und Partner, Freie Architekten Um die Kooperation zwischen der Fraunhofer-Gesellschaft und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) auszubauen, wurde auf dem Campus Ost des KIT Karlsruhe im Sommer 2021, nach zweijähriger Bauzeit, ein gemeinsamer Forschungskomplex von den beteiligten Instituten in Betrieb genommen. Die Positionierung des Baukörpers auf dem vorgesehenen Baufeld resultierte zum einen aus den städtebaulichen Vorgaben einer Vorstudie und zum anderen aus einem schützenswerten Baum- bestand auf dem ehemaligen Kasernengelände. Zusammen mit den Bestandsbauten schließt der Forschungsneubau die vor- handene städtebauliche Kante des Campus ab und definiert im Nordosten die, der zukünftigen Bauabschnitte. Die Forschungsfabrik gliedert sich in zwei deutlich ablesbare Gebäu- deteile, die eingeschossige Leicht- bauhalle des KIT und die zwei- geschossige E-Mobilitätshalle der Fraunhofer-Gesellschaft. Beide Bereiche wurden jeweils um ein eingestelltes Zwischengeschoss ergänzt. Die Industriehallen samt Nebenräumen wurden in einem L-Winkel zueinander angeord- neten und sind durch ein Foyer miteinander verbunden. Um eine bauliche Trennung in zwei separa- te Institutsgebäude ohne großen Aufwand umsetzen zu können, wurden im Foyer entsprechende konstruktive Maßnahmen berück- sichtigt. Das Erschließungs- und Grundriss- konzept ist klar strukturiert. Im Zentrum der beiden Gebäude fungiert das Foyer zum einen als verbindendes Element zwischen den Kooperationspartnern, zum anderen dient es als Ort der Kom- munikation und Präsentation. Gleichzeitig werden über das dreigeschossige Foyer alle Ebenen der zwei Gebäudeteile erschlos- sen. Seine zentrale Position wird durch die prägnante Gestaltung hervorgehoben. Die Farbgebung des melonengelben Fußbodens, die Industrieverglasung und die, in das Innere gezogene Fassa- denverkleidung, unterstreichen 14

den industriellen Charakter des Forschungskomplexes. Das Konzept für die Fassade sieht zwei Ebenen vor. Über das Foyer werden im Ober- geschoss die Aufenthaltsräume er- reicht. Die zusätzlichen infrastruk- turellen Räume für das KIT und die Halle Industrie 4.0 der Fraunhofer- Gesellschaft werden ebenfalls über das Obergeschoss erschlossen. Der offene Wartungsgang im 1. Obergeschoss des KIT dient nicht allein der Erschließung der angegliederten Räume. Er bietet Besuchern und Mitarbeitern die Möglichkeit von oben in die Halle zu blicken und Fertigungsprozesse zu beobachten und zu überprüfen. Büroräume, die Lüftungszentra- le, Umkleiden sowie notwendige technische Räume ergänzen das Raumprogramm. Beide Hallen sind analog aufge- baut. Sowohl in der Leichtbauhalle des KIT als auch in der E-Mobili- tätshalle der Fraunhofer-Gesell- schaft wurden flexible Maschinen- aufstellplätze sowie eine Spange mit notwendiger Infrastruktur realisiert. Die erste Ebene mit den Industrie- glasbändern zur Belichtung der Hallenbereiche und der Pfosten- Riegel-Fassade des Foyers bildet den Raumabschluss und sorgt durch die Dämmung auf den ge- schlossenen Stahlbetonflächen für den notwendigen Wärme- schutz. Alle Bauteile dieser Ebene haben einen tiefschwarzen Farbton erhalten. Die zweite Ebene, mit einer hin- terlüfteten Fassade aus weißen, gelochten Trapezblechen, legt sich komplett über die erste Ebene, fasst die einzelnen Gebäudeteile der Hallenbereiche optisch zusammen und erzeugt damit ein homogenes Gesamtbild. Im Foyer schaffen die großflächi- gen Glaselemente Sichtbezüge nach innen und außen und unter- streichen seinen Charakter als verbindendes Element zwischen den beiden Gebäudeteilen. Dipl.-Ing. Till Behnke, Architekt Dipl.-Ing. Elke Fichter, Architektin 15

Kooperationsmodelle Industry on Campus und Embedded Scientists ist. Dazu bedarf es konkreter Lösun- gen für neue Prozesse, Anlagen und deren Regelung, standard- basierte Automatisierungskonzep- te, datenbasierte Services bis hin zur neuen Nutzungskonzepten. Schon jetzt helfen wir beispielswei- se Maschinenherstellern dabei, datenbasierte Services zu ent- wickeln und sie GAIA-X-konform bereit zu stellen: auf Basis offener Standards und unabhängig von großen Cloud-Anbietern. Zur Einbindung von Doktoranden haben KIT und Fraunhofer jeweils eigene Modelle, so dass stabile und verlässliche Rahmenbedingun- gen für längerfristige Kooperatio- nen gelten. Sprechen Sie uns auf konkrete Aufgabenstellungen an! Innovationskraft braucht Freiraum – und genau diesen Raum bieten die drei Institute mit der Karls- ruher Forschungsfabrik. Im Team von Wissenschaftlern, Entwicklern und Praktikern aus Partnerunter- nehmen entstehen marktreife neue Produkte und Dienstleistungen. So ergibt sich für Unternehmen durch eine Beteiligung in der Karls- ruher Forschungsfabrik konkreter und berechenbarer Nutzen: Das gemeinsame Team nutzt die Infra- struktur der Forschungsfabrik, die mit der Grundlagenkompetenz der Forschung und dem neuesten Stand der Wissenschaft bereits eingerichtet ist oder auf den An- wendungsfall zugeschnitten wird. Konzeptionen, Spezifikationen, Implementierungen, Tests und Verbesserungen finden in einer praxisnahen Umgebung statt. Ideen können agil und effizient umge- setzt werden und Rückkopplungs- schleifen bleiben kurz. Um nachhaltig Innovation in den realen Betrieb zu bringen, ist ein agiler Handlungsrahmen von Vorteil, in dem eine gemeinsame Vision verfolgt und der Weg dahin individuell angepasst werden kann. Durch die enge Zusammenarbeit mit den Experten in der Karlsruher Forschungsfabrik – von Beginn der Konzeption bis zur Umset- zung – wirken die Mitarbeiter von Partnerunternehmen gleichzeitig als Know-how-Multiplikatoren an ihrem Stammsitz. So eignen sie sich die fachlichen Kompetenzen für Innovationen an, ohne dazu die nötige Infrastruktur und das Expertenwissen vorab bereitstellen zu müssen. Beim Aufbau von Proto- typen und Hardware hilft unsere hauseigene Werkstatt. So erreichen wir schnell erste anfassbare greif- bare Ergebnisse. Das Angebot in der Forschungs- fabrik richtet sich speziell an Fab- rikbetreiber, Systemintegratoren, Maschinen- und Anlagenhersteller sowie an Anbieter von Auto- matisierungskomponenten: Wir gehen davon aus, dass in Zukunft für den Geschäftserfolg die konsequente Digitalisierung aller Prozessschritte im Sinne »Digitaler Zwillinge« erforderlich 16

Schaeffler Hub for Advanced Research Industry on Campus am KIT-Campus Ost Die Transformation hin zur Elek- tromobilität ist eine tiefgreifende Herausforderung für die deutsche Automobilindustrie. Sie erfordert einen schnellen Wandel der auto- mobilen Wertschöpfungsketten. Um die internationale Wettbe- werbsfähigkeit der deutschen Ent- wicklungs- und Produktionsstand- orte langfristig zu erhalten, müssen Automobilhersteller und -zulieferer schnell innovative Technologien für den elektrischen Antriebsstrang entwickeln und diese zielgerichtet in die industrielle Anwendung transferieren. Mit dem Schaeffler Hub for Advan- ced Research (SHARE) am KIT hat der Automobil- und Industriezulie- ferer Schaeffler hierfür bereits im Jahr 2012 eine wichtige Grundlage geschaffen: Durch die langfristige Zusammenarbeit nach dem Modell »Company on Campus« und die Präsenz auf dem KIT-Campus Ost werden unter anderem Forschungs- themen wie »Elektrische Antriebe« und »Energiespeicher« frühzeitig bearbeitet. Elektrische Antriebe sowie die zugehörige Leistungs- elektronik sind der Schlüssel für Antriebskonzepte zukünftiger Fahrzeuge. Der steigende Anteil re- generativer Energien und sinkende Herstellungskosten für Batterien und Brennstoffzellen eröffnen ein enormes Potenzial zur Weiterent- wicklung elektrischer Antriebssyste- me. Das SHARE ist dabei ein Koope- rationsbüro, das als »Hub« eine eng vernetzte Zusammenarbeit zwischen Schaeffler und dem KIT ermög- licht – mit dem Ziel, die Ergebnisse innovativer Forschungsarbeiten kurzfristig in Serienentwicklungen und -anwendungen zu übertragen. »Dieses Modell ist das erste dieser Art bei Schaeffler und der Erfolg hat uns veranlasst, weitere Kooperatio- nen in Deutschland, USA, Singapur und China zu betreiben«, so Dr. Ralf Stopp, Leiter des SHARE am KIT. Die Karlsruher Forschungsfabrik er- gänzt die bestehende Infrastruktur um eine anwendungsorientierte Forschungsumgebung für Produk- tionstechnologien der Elektromobi- lität und Methoden der Künstlichen Intelligenz. So wird es in Zukunft möglich, innovative Lösungsansätze gemeinsam mit dem wbk Institut für Produktionstechnik des KIT sowie Dr. Ralf Stopp, Leiter SHARE am KIT den Fraunhofer-Instituten ICT und IOSB praktisch zu erproben und schnell zu industrialisieren. Über die Zusammenarbeit am KIT-Campus Ost hinaus besteht zwi- schen Schaeffler und dem KIT eine lange und erfolgreiche Zusammen- arbeit in Kooperationen und Förder- projekten – derzeit unter anderem im BMWK-Projekt AgiloDrive2. »Auf die Variantenvielfalt sowie die Volatilität der Stückzahlen reagieren wir mit einer agilen Pro- duktionsweise, die wir im Projekt gemeinsam erarbeiten und validie- ren wollen«, sagt Thomas Pfund, Leiter Geschäftsbereich E-Motoren bei Schaeffler. Die Schaeffler Gruppe und das SHARE am KIT freuen sich auf eine Fortsetzung der guten Zusammenarbeit! 17

Karlsruher Innovations-Ökosystem Wie können etablierte Prozesse verbessert und unreife Prozesse schnell und erfolgreich industrialisiert werden? ben. Beispielsweise wollen wir im Recyclingprozess die Batteriepacks erst analysieren und dann automa- tisch aufbereiten, um sie nachhaltig und umweltfreundlich in den Kreis- lauf zurückzuführen.« Die industrielle Implementierung sowie die Verbindung von Grund- lagen- und angewandter Forschung ist unsere Stärke und unser größ- tes Potential. Um die Kooperation weiter zu stärken, ist die Karlsruher Forschungsfabrik bereits fester Be- standteil des Siemens Research and Innovation Ecosystems. Hauptfokus ist dabei – neben Forschungsko- operationen – der kontinuierliche Dialog zwischen Forschern, Nach- wuchswissenschaftlern, Startups und KMUs. Wir freuen uns auf eine enge und partnerschaftliche Zusammenarbeit! tion immer besser zu verstehen, ver- binden wir in der Forschungsfabrik Karlsruhe anwendungsorientierte Forschung und Grundlagenfor- schung. Wir erforschen, entwickeln und realisieren hier jene KI-basier- ten Produktionstechnologien, die in den Produktionsprozessen von morgen Benchmark sein werden. Bereits heute ist Siemens Digital Industry Kooperationspartner der Karlsruher Forschungsfabrik und bringt konkrete Herausforderungen aus den operativen Siemens-Ge- schäftseinheiten ein. Franz-Josef Menzl, CTO Digital Industry Factory Automation, begleitet die Koope- rationen über die letzten Jahre und kann detaillierte Einblicke geben: »Im Application Center IIoT EDGE werden Lösungen und neue Busi- nessmodelle erforscht. Dabei nutzen wir die Cloud- und Edge- Plattform für kleine und mittlere Unternehmen (KMUs). Zusätzlich wollen wir im ›Innovation Center Batteries‹ gemeinsam Pro- zessketten mittels KI weiter auto- matisieren. Es geht uns darum, eine nachhaltige und umweltfreundliche Batterie-Produktion voranzutrei- Dr. Peter Körte, Chief Technology & Strategy Officer, Siemens Franz-Josef Menzl, Vice President Technology and Innovation & CTO-Factory Automation, Siemens Die immer volatileren Märkte stellen unsere Kunden vor immer neue Herausforderungen, auf die sie schnell und flexibel reagie- ren müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Karlsruher Forschungsfabrik bietet eine moderne Produktions-, Entwicklungs- und Testumgebung, in welcher wir gemeinsam und auf Augenhöhe – mit dem wbk Institut für Produktionstechnik (KIT), Fraunhofer IOSB und Fraunhofer ICT sowie verschiedenen industriel- len Partnern – solche Herausforde- rungen meistern werden. Um die Anforderungen unserer Kunden an eine moderne Produk- 18

Stimmen aus der Industrie »Für die Entwicklung der digitalen Plattform EVORIS, dem neuen Branchenstandard zur Digitalisierung von Holzwerkstoffanlagen, haben wir uns für die Bereiche Maschinelles Lernen und KI-gestützte Anomalieerkennung das Team des IOSB an Bord geholt. Durch die langjährige Zusammenarbeit mit Fraunhofer konnten wir das Know-how unserer Experten mit den neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen und Herangehensweisen des IOSB kombinieren und eine einzigartige und fortschritt- liche Software-Lösung für unsere Kunden schaffen.« Jürgen Woll, Vice President Automation, Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau »Das IOSB ist eines der Fraunhofer-Institute, mit denen wir in den Themen ›Produktionsnahe IT‹ und ›Künstliche Intelligenz‹ seit geraumer Zeit innovativ und partnerschaftlich zusammenarbeiten.« Dr. Sebastian Ritz, Geschäftsführer, German Edge Cloud GmbH & Co. KG »Als Sondermaschinenbauer beschäftigen wir uns mit dem Thema Industrie 4.0 bereits seit mehreren Jahren und sehen die intelligente Vernetzung als wichtige und notwendige Ergänzung zu unserem restlichen Portfolio, um die Produktivität unserer Kunden zu steigern. Wir erwarten, dass die Forschungsfabrik einen Industrie 4.0-Schub für die Technologieregion Karlsruhe bringt.« Steve Büchner, Vertriebsingenieur, Wickert Maschinenbau GmbH »Arburg und das wbk Institut für Produktionstechnik sind seit mehreren Jahren eng verbunden. Spannende Themen, wie die Weiterentwicklung des ARBURG Kunststoff- Freiformens zur Integration von Verstärkungsfasern, stehen im Mittelpunkt unserer Partnerschaft. Gemeinsam arbeiten wir in der Karlsruher Forschungsfabrik an Lösungen, die unsere Maschinen- und Anlagen schon heute positiv verändern. Den engen Austausch zwischen Industrie und Wissenschaft sehen wir dabei als großen Gewinn für beide Seiten.« Guido Frohnhaus, Geschäftsführer Technik, ARBURG GmbH + Co KG »SCHUNK ist seit Jahren partnerschaftlich mit dem wbk Institut für Produktionstechnik verbunden. In gemeinsamen Forschungsprojekten konnten wir zahlreiche digitale Bausteine für verschiedenste Bereiche der Produktionstechnik realisieren: vom Robotersystem-Konfigurator über ein Industrie-4.0-Nachrüstkit für Bestandsanlagen bis hin zu einer Plattform für Fabrikautomatisierung. Fachkompetenz gepaart mit Anwendungsnähe machen das wbk Institut für Produktionstechnik für uns zum idealen Partner. Als weltweiter Kompetenzführer für Greifsysteme und Spanntechnik beabsichtigen wir mit den Lösungen, die in der Kooperation mit dem wbk entstehen, einen signifikanten Mehrwert für unsere Kunden zu generieren.« Timo Gessmann, Chief Technology Officer, SCHUNK GmbH & Co. KG Spann- und Greiftechnik 19

Ansprechpartner Fraunhofer IOSB wbk Institut für Produktionstechnik des KIT Fraunhofer ICT Dr.-Ing. Olaf Sauer, Stellvertreter des Institutsleiters Tel.: +49 170 5717261 olaf.sauer@iosb.fraunhofer.de Marco Friedmann, M.Sc. Gruppenleiter Leichtbaufertigung Tel.: +49 1523 9502574 marco.friedmann@kit.edu Dr.-Ing. Tobias Joppich, Produktbereichsleiter (stv.) Polymer Engineering Tel.: +49 172 3919174 tobias.joppich@ict.fraunhofer.de Dr.-Ing. Julius Pfrommer, Wissenschaftlicher Leiter Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen Tel.: +49 151 15406932 julius.pfrommer@iosb.fraunhofer.de Felix Wirth, M.Sc. Gruppenleiter Elektrische Antriebe Tel.: +49 1523 9502630 felix.wirth@kit.edu Dr.-Ing. Stefan Heß, Gruppenleiter Test und Validierung Neue Antriebssysteme Tel.: +49 721 91503836 stefan.hess@ict.fraunhofer.de 22

Impressum Karlsruher Forschungsfabrik KI-integrierte Produktion Etablierte Prozesse verbessern, unreife Prozesse ertüchtigen © 2022 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Herausgeber: Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Fraunhoferstr. 1, 76131 Karlsruhe Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Coverfoto: © wbk Fotos Innenteil: S. 3, 5, 14: © Daniel Vieser, Architekturfotografie; S. 5, 9, 13: © Fraunhofer IOSB/indigo; S. 20, 21: © Olaf Sauer, S. 20: © KIT Layout: Atelier Friedemann Bruns, 76133 Karlsruhe Illustrationen: Atelier Friedemann Bruns, 76133 Karlsruhe Druckerei: Stork Druckerei GmbH, 76646 Bruchsal Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit dem Herausgeber. Belegexemplare werden erbeten.

Inhaltsverzeichnis

Beste Entfaltungsmöglichkeiten für neue Produkte und Prozesse

Die Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion

Unreife Prozesse und ihre Ertüchtigung

Wandlungsfähige Produktion

Digitalisierung und KI

Architektur und Gestaltung

Kooperationsmodelle

Schaeffler Hub for Advanced Research

Karlsruher Innovations-Ökosystem

Stimmen aus der Industrie

Entstehung der Karlsruher Forschungsfabrik

Ansprechpartner