Ultrakurzpulslaser-Maschinen

Im Exzellenzcluster ‚Internet of Production‘ wird unter anderem an cloud-basierten Steuerungssystemen für die Fertigung der Zukunft gearbeitet. Dabei wird die Software Kubernetes eingesetzt, mit der sich frei skalierbare Produktionssysteme steuern lassen wie zum Beispiel Ultrakurzpulslaser-Maschinen. (Quelle: Fraunhofer ILT)

Cloudbasiert und automatisiert lassen sich mit dem Datencenter unter anderem neue Software-Werkzeuge für Lasersysteme beziehungsweise Laserbearbeitungsmaschinen installieren und warten. Die wirtschaftliche Steuerung vieler Maschinen, beispielsweise industrielle Ultrakurzpuls- (UKP) Lasermaschinen zur Materialbearbeitung, rückt damit laut eigenen Angaben in greifbare Nähe und ist eins der nächsten Forschungsziele.

Das Konzept für das Datencenter beruht auf einem Projekt zur Steuerung von Lasersystemen in Maschinen, welches am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt wurde und die Open-Source-Software Kubernetes nutzt. Dort läuft ein entsprechendes System seit zwei Jahren erfolgreich und kann die Software für neue Laser in wenigen Minuten aus der Ferne automatisch installieren.

Die Aufgabe: Laserbearbeitungsmaschinen effizient einrichten

Mit UKP-Laserbearbeitungsmaschinen lassen sich mikrometergenau nahezu beliebige Materialien abtragen. Zahlreiche Sensoren kontrollieren dabei die Maschine und den Laserprozess. Entsprechend vielfältig ist die Software, die die Komponenten steuert und die Daten der Sensoren ausliest. In der industriellen Fertigung werden oft viele solcher Systeme parallel eingesetzt, 50 Stück nebeneinander sind nicht ungewöhnlich. Doch wie lassen diese sich effizient installieren? Und wie kann man sie zentral steuern?

Die Lösung: Bei Null beginnen

Moritz Kröger, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen, einem assoziierten Lehrstuhl am Fraunhofer ILT, stand vor genau dieser Frage: „Mit den gängigen speicherprogrammierbaren Steuerungen kann man ein Gerät ganz gut beherrschen, aber kaum ein Dutzend oder gar 100 gleichzeitig.“ Für die Perspektive, 50 bis 100 Laser zu steuern, neue Software für diese Systeme zu installieren und Sensordaten in Echtzeit auszuwerten, würden herkömmliche Konzepte absehbar nicht ausreichen.

Die Lösung? „Wir haben die Maschinensteuerung komplett neu programmiert“, berichtet Kröger. „So konnten wir von Beginn an auf erprobte Open-Source-Software setzen, die uns viel mehr Kompatibilität und Entwicklungsmöglichkeiten für verteilte Systeme bietet.“ Damit lassen sich Laserbearbeitungsprozesse, bei denen beispielsweise Daten der Scanner-Steuerungen, Sensordaten aus unterschiedlichen Quellen und Analysedaten im laufenden Prozess berücksichtigt werden müssen, steuern und optimieren. Das Projekt startete 2018, inzwischen läuft das Steuerungssystem am Fraunhofer ILT stabil in der Beta-Phase.

Im Kern des Datencenters läuft Kubernetes, eine Open-Source-Software, die automatisch Anwendungsprogramme auf verteilten Computersystemen aufspielen, skalieren und warten kann. Kubernetes wurde ursprünglich von Google entworfen und wird von großen Cloud-Plattformen wie Microsoft Azure, IBM Cloud, Red Hat OpenShift, Amazon EKS, Google Kubernetes Engine und Oracle OCI unterstützt.

Verteiltes Computing für die automatisierte Fertigung

An der RWTH Aachen hat man das Potential erkannt und das Konzept des Fraunhofer ILT für ein Datencenter der Universität übernommen. Im Exzellenzcluster ‚Internet of Production‘ wird dort an der Digitalisierung von Fertigungstechnik gearbeitet. Ziele sind hier eine verstärkte und vereinfachte domänenübergreifende Zusammenarbeit sowie die echtzeitfähige und sichere Bündelung aller relevanter Daten aus vielen verschiedenen Quellen vor dem Hintergrund von cyberphysischen Systemen und Industrie 4.0. Beteiligt sind mehr als 35 universitäre und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen sowie die drei Fraunhofer-Institute FIT, ILT und IPT. Im Beirat sind mehr als 50 Firmen und Verbände vertreten. Sie kommen aus der Automobil- und Luftfahrtbranche, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie aus der Software-Branche.

Sowohl im Datencenter der RWTH Aachen als auch am Fraunhofer ILT sind die Systeme im Einsatz und werden kontinuierlich weiterentwickelt. Die automatisierte Verteilung von Software und die Analyse der Anwendungen in den UKP-Laseranlagen funktioniert zuverlässig. „In fünf Minuten können wir die Soft- und Hardware-Anbindung für einen neuen Laser einrichten, inklusive Einbindung in die cloudbasierte Umgebung“, erklärt Moritz Kröger den aktuellen Stand.

Geforscht wird derzeit an der automatischen Auswertung von Messdaten. Das Ziel ist, Daten von einer möglichst großen Zahl von Systemen zusammenzuführen und für Nutzer grafisch aufbereiten zu lassen. In Zukunft soll aus den Daten im Bereich der künstlichen Intelligenz über maschinelles Lernen der Prozess an den Lasersystemen optimiert werden.

Weitere Informationen zum ‚Internet of Production‘

Link zur der Internetseite ‚Internet of Production‘ der RWTH Aachen in Kooperation mit dem Fraunhofer ILT.

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