Mit rasanter Geschwindigkeit bahnen sich neue Technologien, die zum größten Teil aus Asien und den USA kommen, ihren Weg und durchdringen die gesamte Wirtschaft. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen zeigen sich angesichts des Tempos abwartend. Das Fraunhofer-Institut in Lemgo, das vor 15 Jahren gegründet wurde, unterstützt den Maschinenbau und die produzierende Industrie auf dem Weg in die Zukunft. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite, der maßgeblichen Anteil am Aufbau und der erfolgreichen Entwicklung der Forschungseinrichtung für intelligente Automation hat, spricht über die Chancen, die KI und Co. bieten und warum Unternehmen sich jetzt auf ihre Innovationsstärke fokussieren müssen.
Neue Technologien wie Künstliche Intelligenz, digitaler Zwilling, IoT setzen sich immer mehr durch. Sie sind wichtige Instrumente, um die Zukunftsfähigkeit der Wirtschaft vor dem Hintergrund des globalen Wettbewerbs und des Fachkräftemangels zu stärken und resilienter zu machen. Wie sieht es hier in der Region aus?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Durch ChatGPT hat das Thema KI eine noch nie da gewesene Öffentlichkeit bekommen. Jeder hat die Möglichkeit, das Tool zu nutzen. Es ist ein neues Level, mit dem im Internet vorhandenen Wissen umzugehen.
Unabhängig davon hat in den letzten Jahren auch in den Unternehmen Künstliche Intelligenz Einzug gehalten, in deren Produkten und Produktion kommen immer häufiger KI-Verfahren zum Einsatz. Meist geht es darum, Daten auszuwerten und auf Basis dieser Daten mit Hilfe von Algorithmen Muster zu erkennen oder Prognosen zu generieren, um festzustellen, wie es um den aktuellen Zustand der Maschine bestellt ist und wie dieser sich entwickeln wird.
Die vergangenen Jahre haben uns einen wichtigen Schritt nach vorne gebracht, weil es nach intensiver Arbeit gelungen ist, Maschinen und Anlagen überhaupt erst einmal kommunikationsfähig zu machen und sie zu befähigen, passende Daten zu erzeugen. Zwar gab es auch schon vorher Möglichkeiten, Daten zu generieren, allerdings wusste man nicht genau, was man damit eigentlich anfangen soll. In diesen riesigen Datenmengen irgendwelche Spuren und Strukturen zu finden, war eine Herausforderung, der sich niemand stellen wollte. KI-Verfahren sind hier sehr nützlich: Dank mittlerweile exponentiell gestiegenen Rechnerressourcen lassen sich auch große Datenmengen in kurzer Zeit aufbereiten und für die Entscheidungsfindung nutzen.
Mittlerweile gibt es viele KI-Verfahren, die nicht nur in der Industrie, sondern auch in vielen anderen Bereichen zum Einsatz gelangen. Ein Beispiel: Wir setzen unsere Technologien auch in den sogenannten Smart Cities ein und haben gezeigt, wie sich mit Hilfe von KI die Verkehrsflusssteuerung durch eine Ampelanlage deutlich effizienter realisieren lässt. Weil auf Basis der Daten, die eine Ampelkreuzung erzeugt, eben durchaus bessere Prognosen möglich sind und damit viel dynamischer reagiert werden kann als ein festes statisches Programm.
Stichwort digitaler Zwilling: Was genau verbirgt sich dahinter und welche Möglichkeiten schafft dieser in der Industrie?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Die Bezeichnung digitaler Zwilling ist ein ähnlicher Hypebegriff wie KI. Darunter verstehen wir ein mathematisches Modell von einem realen Gegenstand (Asset), bei dem es sich um eine Anlage, einen Teil einer Maschine oder eine ganze Stadt handeln kann. Diese digitalen Zwillinge sind ein sehr realitätsnahes Abbild dieses sogenannten Assets oder physischen Gegenstands. Idealerweise entsteht dieser digitale Zwilling in der Entwicklung des Asstes. Auf diese Weise erhält man beispielsweise vor dem realen Bau der Maschine genaue Aussagen darüber, ob sie überhaupt oder wie performant sie funktioniert.
Während man in den letzten Jahren nach der Prüfung des digitalen Zwillings in die eigentliche Konstruktionsphase der Maschine ging und das „Computermodell“ in die „Schublade“ packte, geht man heute einen anderen Weg: Der Zwilling bleibt auf ewig mit dem physischen Asset verbunden und in einer ständigen Datenkopplung, auch nach der Auslieferung an den Kunden. Auf Basis dieser Verbindung lässt sich genau vorhersagen, was die Anlage macht, ob es Symptome gibt, die auf einen Ausfall hindeuten. Ein Maschinenbauer hat so die Möglichkeit, seinem Kunden die Anlage nicht mehr zu verkaufen, sondern ihm z. B. nur die auf der Anlage produzierten Teile in Rechnung zu stellen. Dieses Geschäftsmodell funktioniert aber nur dann, wenn ein sehr realitätsnaher digitaler Zwilling dieser Maschine existiert. Der Kunde kann dann mit einer durchaus kalkulierbaren Nutzungsgebühr planen. Ein eigener Servicetechniker wird beim Betreiber der Anlage dann nicht mehr benötigt, weil alle Aktivitäten über den digitalen Zwilling erfolgen.
Um solche feinfühligen digitalen Zwillinge erstellen zu können, sind große Rechnerressourcen und Modelle notwendig. Wie können kleine und mittlere Unternehmen von dieser Technologie profitieren?
Prof. Dr. Jasperneite: Wir haben gerade in einer Kooperation mit der Universität Bielefeld begonnen, ein Angebot für den Mittelstand zu entwickeln. Die Softwarewerkzeuge für die Erstellung von digitalen Zwillingen sind sehr komplex und teuer. Und es ist Expertise notwendig, um eine Maschine durch ein genaues mathematisches Modell zu repräsentieren. Unser Ziel ist es, eine Infrastruktur für Unternehmen anzubieten, damit sie in den Genuss der Vorteile dieser Technologie gelangen und diese für ihr Geschäft nutzbar machen können. Mittlerweile befinden wir uns bereits in ersten Projekten mit Industrieunternehmen.
Können Sie einen ersten Einblick geben?
Prof. Dr. Jasperneite: Wir arbeiten mit einem Unternehmen aus der Intralogistik zusammen, das aufgrund einer Kundenanfrage an uns herangetreten ist, um herauszufinden, ob in dem konkreten Fall das Ein- und Auslagern von speziellen Teilen überhaupt technisch möglich ist. Zwar verfügt der Betrieb über viel Erfahrung im Maschinenbau, das finanzielle Risiko ist jedoch zu groß, ohne vorherige Klärung über die spätere Funktionalität mit dem Bau einer entsprechenden Anlage zu beginnen.
Unsere Aufgabe in dem praxisorientierten Pilotprojekt ist es, die technische Machbarkeit durch einen digitalen Zwilling transparent zu machen. Dabei simulieren wir sehr nah an der Realität. Der Logistiker kann dann in einem nächsten Schritt seinem Kunden auf Basis des digitalen Zwillings noch weitere Serviceleistungen in Kombination mit der späteren Anlage anbieten. Das eröffnet ihm eine neue, bisher in dieser Qualität nicht da gewesene Perspektive für sein Geschäftsmodell.
Dieses Projekt bietet uns eine gute Möglichkeit zu erproben, wo die Herausforderungen in der Forschungsinfrastruktur liegen. Gelingt es uns, hier eine Lösung zu finden, dann haben wir einen sehr fassbaren und belastungsfähigen Beweis dafür, dass auch kleine und mittlere Unternehmen, die keinerlei Expertise mit dem digitalen Zwilling haben, befähigt werden können, neue datengetriebene Services für ihre Kunden anzubieten.
Um einen digitalen Zwilling zu erstellen, braucht es auf der einen Seite die Expertise des Maschinenbauers und dann einen Experten wie Fraunhofer, der über Werkzeuge zur Erstellung dieses Tools verfügt.
Prof. Dr. Jasperneite: Absolut. Für die Erstellung des digitalen Zwillings bedarf es komplexer Softwarewerkzeuge und das Knowhow in der Physik und Informatik. Darüber hinaus stellen wir die notwendige Rechenleistung zur Verfügung. Die reale Welt ausschnittsweise im Computer abzubilden und dieses Abbild mit dem Asset auf Ewigkeit miteinander zu verbinden, schafft erst die Voraussetzung, um im Unternehmen Wertschöpfung und Services zu erzeugen.
Sie konnten im vergangenen Jahr auf 15 Jahre Fraunhofer in Lemgo zurückblicken. Als Sie 2009 als Wissenschaftler an der Technischen Hochschule OWL in Lemgo die Idee hatten, die renommierte Forschungsgesellschaft hierher zu holen, waren viele Ihrer Kollegen skeptisch. Das hat Sie nicht davon abgehalten, aktiv zu werden. Und wir sehen heute, Ihre Bemühungen haben sich gelohnt.
Prof. Dr. Jasperneite: Wir sind damals als kleine Gruppe mit drei Personen und einem kleinen Projekt in einem Container auf dem Innovation Campus Lemgo gestartet. Im Laufe der Jahre haben wir uns kontinuierlich weiterentwickelt, weil es uns immer gelungen ist, neue spannende Projekte zu bekommen und so auch die Anzahl der Mitarbeitenden zu erhöhen. Mittlerweile zählen wir über 100, haben ein eigenes Institutsgebäude mit direkter Anbindung an die SmartFactoryOWL. Positiv für unsere Entwicklung ist, dass unser Themenfeld regional und darüber hinaus von zunehmender Bedeutung ist.
Mit welchen Projekten konnten Sie punkten?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Uns ist es früh gelungen, mit Phoenix Contact, später mit Siemens und dem japanischen Chiphersteller Renesas zusammenzuarbeiten. Wir haben einen Chip entwickelt, mit dem es wirtschaftlich und auch technisch erstmals möglich war, das sogenannte Internet der Dinge in ganz einfache Industrieprodukte zu integrieren. Der Chip ist ein kleiner leistungsfähiger Computer mit entsprechenden Echtzeit-Kommunikationsschnittstellen. Dieses Projekt wurde immer umfangreicher, wir haben uns immer intensiver damit beschäftigt und auch neue Verfahren aus Forschungsprojekten darin einbezogen. Das hat irgendwann Siemens auf uns aufmerksam gemacht. Renesas übernimmt die Produktion des Chips. Bis heute ist der Chip mehrere Millionen Mal in verschiedensten Industrieprodukten im Einsatz. Das war und ist immer noch eine große Entwicklung, weil dieser Chip mehrere Millionen sogenannter Transistoren enthält und damit innen sehr komplex ist. So ein Projekt erfolgreich durchzuführen, gelingt nur, wenn man ein Team hat, dass über die entsprechende Expertise verfügt. Gleichzeitig konnten wir selbst auch sehr viel neues Know-how aufbauen. Dieses Beispiel ist ein guter Beweis dafür, dass wir als Fraunhofer-Institut nicht nur Prototypen entwickeln, sondern gemeinsam mit unseren Partnern ein erfolgreiches Produkt auf den Markt gebracht haben.
Wo sehen Sie Ihre besonderen Stärken?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Über die Jahre haben sich weitere Chancen ergeben, die in der intelligenten Automation lagen. Uns war früh klar, dass die IT-nahen Technologien zunehmend eine Bedeutung in der Automatisierungstechnik bekommen. Das war unser Leitmotiv. Wir hatten damals noch nicht vor Augen, dass das später einmal digitaler Zwilling heißt, KI oder 5G genannt wird. Wir haben jedoch frühzeitig antizipiert und geschaut, was sich mit den aufkommenden Technologien machen lässt. Immer da, wo wir glaubten, dass diese oder jene Technologie Potential für die Automation haben könnte, sind wir stärker eingestiegen und haben daraus Unterstützungsangebote für Unternehmen entwickelt, so sind wir bis heute gewachsen.
Sie stehen für Kooperationen mit der Wirtschaft und Wissenstransfer in die Praxis. Wie wird Ihr Angebot von den Unternehmen angenommen? Was unterscheidet Sie von Kooperationen zwischen Hochschulen und Wirtschaft?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Bei Fraunhofer ist die ganze Organisation auf die erfolgreiche Durchführung von Projekten mit der Wirtschaft abgestimmt. In unseren Kooperationsprojekten sind Experten aktiv, die bereits viele Jahre in ihrem Fachgebiet gearbeitet und damit langjährige Erfahrung haben. Hochschulen erarbeiten in Forschungsprojekten häufig lediglich Funktionsprototypen und nutzen diese Projekte zur wissenschaftlichen Qualifizierung.
In Projekten mit unseren Partnern arbeiten wir häufig direkt am Produkt oder in der Produktion mit dem Ziel, am Ende ein Ergebnis zu erreichen, dass in der Praxis direkt einsetzbar ist. Wir haben festgestellt: Je kleiner ein Unternehmen ist, desto weniger ist es an Prototypen interessiert.
Ein Beispiel?
Um die Produktion zu optimieren, bedarf es einer Software, die das Unternehmen auf seinen Rechner spielen kann und die dann reibungslos laufen muss. Mit einem Prototypen ist das in der Regel nicht machbar, weil dieser meist noch Fehler aufweist und Weiterentwicklung braucht.
Mit Unternehmen welcher Größe arbeiten Sie zusammen?
Prof. Jasperneite: Unsere Partner sind sowohl kleine als auch große Unternehmen. Wir haben festgestellt, dass die Eintrittsschwelle umso höher ist, je kleiner der Betrieb ist. Es braucht freies Kapital zum Investieren, um einfach einmal zu schauen, was zum Beispiel im Bereich KI möglich ist. Die meisten Unternehmen, die zu uns kommen, haben konkrete Nöte, weil zum Beispiel ein Kundenprojekt umgesetzt werden muss und bei dem sie Unterstützung benötigen, um schnell eine Lösung herbeizuführen. Dafür ist man auch bereit, zu investieren.Zusätzlich unterstützen wir auch Projekte, die Forschungscharakter haben und die mit Fördergeldern finanziert werden.
Ein Blick in die Zukunft: Wie wird sich der Maschinen- und Anlagenbau verändern? Welche Technologien gewinnen an Bedeutung?
Prof. Jasperneite: Als wir vor 15 Jahren gestartet sind, hatte ich gedacht, dass sich neue Technologien viel schneller durchsetzen. Heute weiß ich, dass dem nicht so ist. Das hat mit der Langlebigkeit der Produkte im Maschinen- und Anlagenbau zu tun. Maschinen sind in der Regel zehn bis zwanzig Jahre im Einsatz, eine ähnliche Dynamik sieht man auch bei den in den Anlagen steckenden Technologien.
In den nächsten Jahren wird sich KI weiter entwickeln und auch dazu führen, dass die Robotik mehr an Bedeutung gewinnt. Zurzeit arbeiten wir zusammen mit der Universität Bielefeld an einem Konzept, das kleinere Betriebe, die über keine Roboterprogrammierer verfügen, in der Lage sind, Roboter einzusetzen, um zum Beispiel fehlende Arbeitskräfte zu kompensieren. Wir sehen bereits jetzt, dass viele Unternehmen eine gute Auftragslage haben, aber denen in der Produktion die Fach- und Arbeitskräfte fehlen und die Lösungen suchen, um bestimmte Tätigkeiten zu automatisieren.
Wie gehen Sie konkret vor?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Wir versuchen, das Engineering der Roboter für neue Aufgaben so einfach zu gestalten, dass es dafür keine Informatiker braucht. Ziel ist es, mit ausgefeilten Verfahren der KI selbstlernende Roboter zu entwickeln. Wir hoffen, dass durch die Weiterentwicklung dieser Technologie in den nächsten Jahren selbstlernende Roboter auch für den Einsatz in KMUs Realität werden. Gerade vor dem Hintergrund des demografischen Wandels kommen wir nicht umhin, mit allen Mitteln zu versuchen, die Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft zu halten oder auszubauen und nicht Arbeitsplätze ins Ausland zu verlieren.
Was bedeutet das für die Unternehmen?
Prof. Jürgen Jasperneite: Mit Blick auf die Unternehmen ist es bestimmt keine schlechte Strategie, sich auf Innovationen zu fokussieren. Ich bin überzeugt, dass die Konzentration auf die eigene Innovationsstärke weiter an Bedeutung gewinnen wird. Da kann es nur sinnvoll sein, sich in der Forschungslandschaft umzuschauen und nach Partnern zu suchen, die bei Vorhaben konkret unterstützen können. Ich weiß, dass Unternehmer manchmal ein stückweit in ihrem Silo gefangen sind, und manchmal spüre ich auch fehlende Entschlossenheit.
Jetzt ist die Zeit, sich über die Zukunftsfähigkeit seines Geschäftsmodell Gedanken zu machen und sich zu fragen, ob Digitalisierung und die datenbasierte Wertschöpfung helfen können? Oftmals mangelt es an einer Idee. Wir haben schon das ein oder andere Mal erlebt, dass Unternehmer beim Besuch unserer SmartFactoryOWL mit einem Impuls nach Hause gingen und selbst aktiv wurden. Anderen wurde klar, dass sie etwas tun müssen, aber Hilfestellung benötigen, da können wir gerne unterstützen.
Sehen Sie einen Zusammenhang zwischen der fortschreitenden Digitalisierung und der Innovationsfähigkeit der Unternehmen?
Prof. Dr. Jürgen Jasperneite: Wenn man auf den Maschinenbau blickt, ist es mittlerweile so, dass nicht mehr die Mechanik der Innovationstreiber in den Maschinen ist, sondern Funktionen, die über Software realisiert werden. Verschiedene Studien zeigen einen Anstieg des Wertschöpfungsanteils in Maschinen durch Softwarekomponenten.
Jeder Maschinenbauer muss Chancen nutzen, um seinen Kunden noch mehr wertschöpfende Services anbieten zu können. Da sind wir wieder am Anfang – digitale Zwillinge können einen großen Beitrag leisten, um neue Leistungsangebote zu generieren oder das vorhandene Geschäft abzusichern. Leider halten viele am Altbewährten fest und verkaufen lieber nur die Hardware. Das funktioniert nur so lange, wie der Kunde auch bereit dazu ist. Die Praxis zeigt jedoch, dass Auftraggeber ihre Lieferanten zum Umdenken zwingen und diese sich dann aus einer Not und nicht der eigenen Innovationsneigung heraus mit neuen Technologien beschäftigen müssen.
