Vom BMWET gefördertes Josef-Ressel-Zentrum eröffnet am Campus Wels der FH Oberösterreich

Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbildungen von physischen Systemen und Prozessen. In der Industrie werden sie für Entscheidungsfindung, Steuerung, Adaptierung und Optimierung von Prozessen eingesetzt. Ein Knackpunkt dabei ist: Modelle für digitale Zwillinge müssen echtzeitfähig sein. Das bedeutet, sie haben die notwendigen Informationen innerhalb der prozessrelevanten Zeitgrenzen bereitzustellen. Insbesondere für Umformprozesse mit komplexen Materialgesetzen und großen Verformungen ist die Erstellung echtzeitfähiger Modelle für digitale Zwillinge herausfordernd. Derartige Prozesse werden durch nichtlineare Gleichungssysteme beschrieben, deren Lösungsdauer von aktuell Stunden oder Tage in den Subsekundenbereich reduziert werden soll. Ein vom Wirtschaftsministerium (BMWET) gefördertes Josef Ressel Zentrum der FH Oberösterreich in Wels widmet sich dieser Thematik. 

In JR-Zentren arbeiten Forschende und Unternehmen zusammen, das so gewonnene Wissen ist so damit für die Wirtschaft schneller nutzbar. So auch im neuen „Josef-Ressel-Zentrum für Echtzeitmodelle für digitale Zwillinge von Umformprozessen“. Zusammen mit einem Unternehmenspartner, der Firma Salvagnini Maschinenbau GmbH in Ennsdorf – ein Tochterunternehmen der italienischen Firma Salvagnini Italia S.p.a. in Sarego - betrachten die Forscher*innen als industriellen Anwendungsfall den digitalen Zwilling einer automatischen Blechverarbeitungsanlage.

Wirtschaftsministerium fördert robuste Abläufe in der Produktion

„Digitale Zwillinge ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Produktionsprozesse. Deren Qualität wird angehoben und dadurch die Fehlerquote reduziert“, erklärt FH-Prof. Zehetner, der an der Welser Fakultät der FH Oberösterreich die Professur für Produktentwicklung innehat und das neue JR-Zentrum leitet. 

Wirtschaftsminister Wolfgang Hattmannsdorfer erläutert die Relevanz des Forschungsvorhabens für den Standort Österreich: „Die Josef-Ressel-Zentren sind von zentraler Bedeutung, um die ausgezeichnete österreichische Forschungsarbeit in konkrete, betriebliche Umsetzung zu bringen. Genau darauf legen wir auch mit der Industriestrategie 2035 einen zentralen Fokus. Das neue Josef Ressel Zentrum in Wels bringt digitale Zwillinge in die industrielle Praxis. Produktionsanlagen können damit in Echtzeit digital abgebildet, Prozesse optimiert und Fehler reduziert werden. Das senkt Kosten, steigert die Produktivität und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit unseres Maschinenbaus. Gleichzeitig investieren wir damit gezielt in zentrale Schlüsseltechnologien wie Künstliche Intelligenz und moderne Produktionstechnologien und stärken so den Industriestandort Österreich.“

Oberösterreichs Wirtschafts- und Forschungslandesrat Markus Achleitner hebt hervor, dass mit diesem JR-Zentrum erneut Bundesmittel für ein wichtiges Forschungsvorhaben ins Bundesland geholt werden: „Dieses neue Josef-Ressel-Zentrum ist ein bedeutender Faktor für den Innovations- und Wirtschaftsstandort Oberösterreich, weil die Forschung an Digitalen Zwillingen für unsere Unternehmen einen großen wirtschaftlichen Mehrwert bietet. Digitale Zwillinge sind ein zentraler Baustein für die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie von morgen. Gerade im starken oberösterreichischen Mechatronik-Sektor eröffnen sie enorme Potenziale: von effizienteren Entwicklungsprozessen über optimierte Produktionsabläufe bis hin zu neuen Geschäftsmodellen.“ 

Steigerung der Qualität – Schonung von Ressourcen

FH-Prof. Michael Rabl, Hochschulpräsident der FH Oberösterreich, hebt hervor, dass „digitale Zwillinge die Produktion verbessern und somit mehrfach zur Ressourcenschonung beitragen: Einerseits wird Ausschuss vermieden, andererseits bleiben Maschinen durch Erkennung und Kompensation von Verschleiß länger im Einsatz.“ 

Die so mögliche Optimierung von Prozessen führe, so der für Forschung zuständige Vizepräsident FH-Prof. Johann Kastner, „zu gestiegener Produktivität und Qualität und damit zu langfristigem Wachstum in technologieorientierten Branchen“. Große Vorfreude auf das JR-Zentrum hegt daher der CTO der Firma Salvagnini, Wolfgang Kunze: „Salvagnini ist Technologieführer in Bereich der Feinblechbearbeitung. Durch die Zusammenarbeit als Firmenpartner im Josef Ressel Zentrum, kann Salvagnini durch die Forschung auf hohem wissenschaftlichem Niveau den technologischen Vorsprung in der Biegetechnologie international festigen.“

Woran konkret geforscht wird

Eine zentrale Herausforderung ist das nichtlineare Materialverhalten, verbunden mit großen Deformationen. Die Lösungen der zugrunde liegenden Gleichungen sind sehr zeitaufwendig. Für den Digitalen Zwilling benötigt man aber inverse Lösungen, um die unbekannten Prozessparameter zu identifizieren – ein sehr arbeitsintensives Unterfangen.

Als klassische Herangehensweise beschreiben die Forscher*innen der FH Oberösterreich, die Umformprozesse durch Differentialgleichungen darzustellen und diese Gleichungen mittels numerischer Methoden zu lösen. Warum das nicht praktikabel ist? „Hier sind die Simulationszeiten weit von industriellen Echtzeitanforderungen entfernt. Ein bekanntes hybrides Vorgehen besteht darin, zeitaufwändige Simulationen offline durchzuführen und auf Machine-Learning-Basis weniger komplexe, aber echtzeitfähige Modelle zu erstellen“ erläutert FH-Prof. Zehetner. Dabei zeige sich, so Zehetner weiter, das Problem, dass der Rechenaufwand bei zu vielen Parametern oder nicht hinreichend bekanntem Parameterbereich zu stark steigt. Das mache ihn in der Folge unwirtschaftlich. 

Das JR-Zentrum zielt mit seiner Forschung auf Lösungen ab, welche diese Nachteile ausklammern. Einen lohnenden Ansatz sehen Zehetner und sein Team etwa darin, einen grundlegenden Parameterbereich durch numerische Simulationen vorab aufzulösen und Variationen bestimmter Parameter durch analytische Modelle darzustellen. Die Datenbasis kann danach mittels Methoden des Machine Learning dynamisch erweitert werden.

Was sind Josef-Ressel-Zentren

In Josef-Ressel-Zentren wird anwendungsorientierte Forschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Forscher*Innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. 

Josef-Ressel-Zentren werden vom Bundesministerium für Wirtschaft, Energie und Tourismus (BMWET) und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert.