Fabrik in der Cloud

Future Maker Stefan Ingo Meier

Stefan Ingo Meier und sein Team erschaffen Maschinen, die niemand anfassen kann. Sie existieren stattdessen auf den eigenen Computern oder denen der Kunden – und manchmal sogar nur in der Cloud. Es sind digitale Zwillinge, die die Arbeit echter Maschinen virtuell nachstellen und dadurch beispielsweise Alarm schlagen, bevor in Wirklichkeit etwas schief geht. Diese Lösungen können die Produktion von morgen in vielen Branchen revolutionieren.

Wer ein online bestelltes Paket auspackt, freut sich meist über den Inhalt, aber beachtet seltener die Versandverpackung. Dafür, dass Kartons wie selbstverständlich und scheinbar unbegrenzt greifbar sind, fertigt die Papierindustrie rund um die Uhr und oft an der Kapazitätsgrenze. Reißen Kartonbahnen und bringen damit eine Fertigungsstrecke zum Stillstand, ist das ein kostspieliges Ereignis – selbst wenn es nur eine halbe Stunde währt. Wie genial wäre es daher, wenn eine Maschine für Versandverpackungen oder für noch viel unverzichtbarere Produkte selbstständig erkennt, dass ein Zwischenfall droht, bevor er wirklich geschieht? Mithilfe eines digitalen Zwillings rückt dieses Ziel in greifbare Nähe.

 

Daran arbeiten Stefan und sein Team mit Hochdruck. Sie programmieren eine virtuelle Kopie von echten Maschinen und vollziehen damit jede Bewegung des Originals nach. Beide Instanzen arbeiten im Gleichschritt, die eine im Computer, die andere in der echten Welt. Als eine Art „softer Sensor“ klopft der digitale Zwilling sein reales Vorbild auf Anzeichen für Verschleiß und Störungen ab. Mit diesem Erfahrungsschatz kann er den Menschen, die die echten Maschinen bedienen, einen Ausfall mit hoher Wahrscheinlichkeit ankündigen. In der Praxis funktioniert das schon immer besser. Bald schon dürfte die vorausschauende Wartung mithilfe des digitalen Zwillings zum Standard in der Fertigungsindustrie werden.

Rechnen statt reisen

Rechtzeitig vor Ausfällen zu warnen, ist nur ein Einsatzzweck von digitalen Zwillingen. Stefan und sein Team arbeiten an vielen weiteren. Beispielsweise können die Ebenbilder im Computer auch den Service erheblich erleichtern, wenn es eben doch zum Stillstand gekommen ist. Statt das Innenleben der hochkomplexen Anlagen händisch auseinanderzunehmen, ermöglichen Algorithmen die Fehlersuche in der virtuellen Kopie. Dadurch ermöglichen sie präzise Handlungsempfehlungen aus der Ferne.

 

Dies verkürzt die Ausfallzeiten und reduziert den Reiseaufwand deutlich. Denn für Problemanalyse und Instandsetzung fliegen bislang noch Spezialisten vom Herstellersitz oft um die halbe Welt zum Produktionsstandort. „Diese Außeneinsätze und die damit verbundenen ökologischen Auswirkungen lassen sich durch den Einsatz eines digitalen Zwillings drastisch reduzieren“, nennt Stefan einen weiteren Vorteil, den die Digitalisierung der Industrieproduktion verschafft.

Mit künstlicher Intelligenz aus der digitalen Maschine schlau werden

Digitale Zwillinge halten mehr und mehr Einzug in die Fabrikwelt, beobachtet Stefan. Aber sie zu erschaffen, ist immer noch eine Pionierleistung. Das Verfahren ist nicht vergleichbar mit den 3D-Modellen von Gegenständen, Gebäuden und Maschinen, die mit CAD-Software zum Teil an handelsüblichen Rechnern entstehen.

 

Denn dabei füllen nicht Konstruktionszeichnungen die Bildschirme von Stefan und seinem Team, sondern unzählige Zahlenkolonnen, die für die jeweiligen Maschinenfunktionen sowie Produktions- und Umgebungsbedingungen stehen. Stattdessen den Lebenszyklus einer Maschine als dreidimensionales Modell in Echtzeit zu simulieren, wäre rein theoretisch möglich. Aber aufgrund des hohen Rechenbedarfs ist das noch nicht praktikabel – so komplex und in die Zukunft gedacht ist der Ansatz eines digitalen Zwillings momentan.

 

Noch aufwendiger als das Entstehen des digitalen Zwillings selbst, ist es, die von ihm erhobenen Maschinendaten auszuwerten. Dafür sind Verfahren der künstlichen Intelligenz wie etwa maschinelles Lernen Gold wert. „Es ist faszinierend, wie leistungsfähig die menschliche Problemlösungskompetenz ist und wie herausfordernd es ist, sie mit Software-Verfahren nachzubilden“, schildert Stefan, für den der Zugang zu modernen Technologien einen großen Reiz seiner Arbeit ausmacht.

Ein Stück Realität schaffen

Produktionsmaschinen stellen das Rückgrat unserer Industrie- und Konsumgesellschaft dar. Stefan begeistert die Perspektive, mit seinem Beitrag zur Zukunft der digitalen Fabrik ein Stück weit voranzutreiben, wie wir künftig Produkte herstellen und in der Folge dann eben auch transportieren, kaufen und im Alltag verwenden. „Ich bin ein Fan klassischer Industrien. Produktionsmaschinen schaffen Realität. Das können sie umso besser, wenn wir sie um die Möglichkeiten des Internets erweitern“, ist Stefan überzeugt.

 

Vernetzte Produkte wie die App auf dem Smartphone, der Streaming-Dienst auf dem Smart-TV und der Cloud-Speicher auf dem Computer sind in der Alltagswirklichkeit von Verbrauchern zwar sichtbarer. „Aber moderne Produktionstechnik macht es überhaupt erst möglich, dass diese Technologien für uns ein selbstverständlicher Bestandteil des Lebens geworden sind“, betont Stefan. Indem er klassische Ingenieurswissenschaften etwa mit KI- und Cloud-Technologien verknüpft, sieht Stefan noch viel mehr Potenzial, die Industriefertigung sicherer, nachhaltiger und günstiger zu machen.

Technologie in der ganzen Breite erleben

Das Fundament unseres technisch geprägten Lebens zu gießen, macht einen wesentlichen Teil von Stefans Motivation aus. Deshalb hat er sich schon früh für eine Aufgabe bei einem großen Industrieunternehmen mit Hebelwirkung interessiert. Aufgewachsen in Nürnberg, kam er nach dem Abitur erstmals mit Siemens in Kontakt. Während seines Ingenieurswissenschaftsstudium mit den Schwerpunkten Antriebs- und Regelungstechnik erhielt er in einem Grundlagenpraktikum erste Einblicke in die Fertigung von Baugruppen. Später stieg er als Werksstudent ein und entwickelte Steuerungssoftware für Krananlagen und Produktionsmaschinen. Darüber hinaus absolvierte er ein sechsmonatiges Auslandspraktikum an einem Siemens-Standort bei Chicago im Bereich Werkzeugmaschinen.

 

Während seiner Promotion in Erlangen befasste er sich mit der Zukunft von Maschinenbau und Elektrotechnik vorübergehend aus einer akademischen Perspektive. „Allerdings erkannte ich letztlich, dass ich nicht dauerhaft ein Nischenthema erforschen, sondern Technologie in ihrer ganzen Breite erleben möchte“, erinnert sich Stefan. Mit dem Doktortitel in der Tasche kehrte er im Oktober 2015 zu Siemens zurück. „Ich beschäftige mich hier mit antriebsnahen Themen rund um alles, was einen Motor hat und sich dreht. Ich kann vom Entstehen einer Idee bis zur Inbetriebnahme einer Maschine alle Schritte hautnah mitverfolgen.“

 

Seit Oktober 2017 koordiniert Stefan ein kleines, wachsendes Team, das sich mit der Entwicklung und der Anwendung von digitalen Zwillingen nicht nur für die Papierindustrie, sondern auch für die Schifffahrt und vielen anderen Branchen beschäftigt. Indem er seine Kunden bei umfangreichen Vorhaben als Projektleiter direkt vor Ort unterstützt, erlebt und gestaltet er den digitalen Wandel der Industrie hautnah mit.

 

Bei Siemens stellt Stefan die Weichen auf dem Weg in eine neue Ära der Fabrikproduktion. Weil er mit seinem Team auf Verfahren wie künstliche Intelligenz, Cloud und Edge Computing oder Hardware und Software „in the Loop“ setzt, steht Stefan nicht nur im Wettbewerb zu anderen Maschinenbauern, sondern auch zu den Internet-Giganten. „Diese können Cloud-Technologie zwar noch etwas besser als wir. Aber dafür haben wir das Branchenwissen und verstehen, was die produzierenden Industrien wirklich brauchen.“ Er ist deshalb überzeugt: „Die Zukunft der digitalen Fabrik entsteht längst nicht nur im Silicon Valley, sondern auch in Franken.“