Produktentstehung Wie biologische Prinzipien die Industrie 4.0 ergänzen können

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Wie eine nachhaltige, zirkuläre Wertschöpfung mit Prinzipien der Natur gelingen kann, steht im Fokus des Forschungsprojekts BioFusion 4.0. Ziel ist es, mit biogenen Materialien und digitalen Lösungen resiliente Produktionsprozesse und nachhaltige Produkte zu gestalten.

Können die Prinzipien natürlicher Systeme auf technische Systeme übertragen werden und wie können natürliche und technische Systeme zusammenwirken, um nachhaltigere Systeme zu schaffen? Mit dieser Fragestellung befasst sich das Projekt BioFusion 4.0. Unter der Gesamtleitung des Fraunhofer IPK ergründen u. a. die Technische Universität Berlin, die Mercedes-Benz AG und das Werner-von-Siemens Centre for Industry and Science die Abhängigkeiten zwischen den Prinzipien der Biologischen Transformation und deren Wechselwirkungen mit Produktion, Dienstleistung und Arbeit. Das erklärte Ziel: nachhaltige Wertschöpfung durch biologische Transformation.

Was ist biologische Transformation?

Wesentliche Konzepte der Biologischen Transformation sind

• Inspiration (Lernen von der Beobachtung der Natur für die Anpassung von Technik),

• Integration (Symbiose technischer Systeme nach biologischem Vorbild) und

• Interaktion (Verflechtung der Natur mit der Technik).

Dazu wurden zunächst die biologischen Prinzipien identifiziert und in eine Taxonomie überführt. „Diese haben wir dann auf unterschiedliche Anwendungsfälle übertragen – also Geschäftsmodelle für die Biologische Transformation, die intelligente Rückführung von Wertstoffen, das Engineering biologisch transformierter Produkte, bionische Integration für vernetze Produktionssysteme, ökologisch intelligente Services für die Produktion, biointelligente Werker-Assistenzsysteme und additive Fertigung mit biogenen und abbaubaren Polymeren – und untersuchen zusammen mit den Projektpartnern die industrielle Umsetzbarkeit“, erklärt Dr.-Ing. Kai Lindow, Leiter des Geschäftsfeldes Virtuelle Produktentstehung am Fraunhofer IPK. „Im Fokus des Projekts stehen die Produkte unserer industriellen Anwendungspartner, zum Beispiel Batteriesteuerungsmodule für batterieelektrische Fahrzeuge, Fahrzeug-Komponenten, Hochtemperatursysteme von Gasturbinen und elektrische Antriebe für die industrielle Anwendung und Robotik-Automatisierungslösungen“, so Lindow weiter.

Showcase auf der Hannover Messe 2023 demonstrierte das Potenzial

Was mit dem Ansatz möglich ist, zeigten die Forschenden auf der Hannover Messe 2023 mit einem interaktiven Exponat: Sie erstellten live vor Ort 3D-Scans der Hände von Besuchern. An den Scans wurde gezeigt, wie intelligente Algorithmen aus dem Fraunhofer IPK eine individuelle 3D-Orthese um die Hand bilden können. Die so entworfene Orthese wurde vor Ort gedruckt, aus einem Kunststoff, der mit einer Technologie des Fraunhofer IPK aus Speisefett gewonnen wurde und sich nach der Nutzung der Orthese zu 100 Prozent kompostieren lässt.

Dabei wurden die drei wesentlichen Prinzipien der biologischen Transformation gezeigt:

• Inspiration: Selbstorganisierende Prozesse der Kreislaufwirtschaft auf Basis von Schwarmintelligenz – technisches System der Kreislaufwirtschaft wird nach Schwarmprinzipien der Natur organisiert

• Integration: Individueller digitaler Zwilling einer natürlichen Hand – Hand dient als biologisches Vorbild, das als technisches Modell abgebildet wird und technisch weiterverwendet werden kann, etwa zur Generierung einer individuellen Orthese oder zur individuellen Montagesimulation

• Interaktion: Bakterien gewinnen aus Abfällen (Speisefett) Plastik, das zu 3D-Druckmaterial weiterverarbeitet werden kann – Verflechtung der Natur (bakterielle Prozesse) mit der Technik (Plastik für den 3D-Druck)

Mit einem biointelligenten Multiagentensystem zeigte das Team zugleich, wie mit einer selbstorganisierten Prozessbearbeitung Fertigungsunternehmen flexibel und resilient werden. An einem interaktiven Fabriklayout wird die Verteilung von Produktionsaufträgen automatisiert gesteuert. Dabei kann der Prozessfortschritt eingegangener Aufträge auf einem Dashboard beobachtet werden. Mit Tastendruck wird der Ausfall einzelner Arbeitsstationen simuliert. Als Reaktion auf die Störung wird die Verteilung der Produktionsaufträge automatisiert angepasst. In diesem Setup repräsentiert jede Orthese einen Produktionsauftrag, der neben dem Druck die Bearbeitung weiterer Arbeitsschritte benötigt.

Was der digitale Zwilling leistet

Mit ihrem Showcase demonstrierten die Forschenden auch das Konzept des digitalen Zwillings und die produktindividuelle Berechnung des CO2-Fußabdrucks entlang des Lebenszyklus. „Der digitale Zwilling ist ein wesentliches Element für die Modellbildung und Datensammlung. Wir können anhand der Daten und Modelle beispielsweise digitale Zwillinge erstellen, zum Beispiel ein parametrisiertes Modell einer individuellen Hand oder den digitalen Zwilling des individuellen CO2-Fußabdrucks eines konkreten Produktes.“

Lindow erklärt weiter: „Neu ist, dass wir individuelle CO2-Fußabdrücke für jedes Produkt oder jeden Prozess bestimmen und diese informationstechnisch verarbeiten können. Im Hintergrund laufen dazu vorab berechnete Lebenszyklusanalysen und der Abgleich mit den tatsächlichen Werten des individuellen Produktes/Prozesses in einer Live-Lebenszyklusanalyse.“ Damit könne zum einen die Voraussage verbessert und genauer werden, zum anderen könnten individuelle Fußabdrücke den Produkten zugeordnet werden, was für die unterschiedlichen R-Strategien und zukünftigen gesetzlichen Vorgaben relevant werden könne.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal konstruktionspraxis.

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