Das UWM Connected Systems Institute konzentriert sich auf die digitale Fertigung

Milwaukee ist die Heimat zahlreicher führender Hersteller, darunter AO Smith, Briggs & Stratton, GE Healthcare, Harley-Davidson, Johnson Controls, Komatsu Mining, Master Lock, Modine und Rexnord. Es ist auch die Heimat einer Organisation, die an der Spitze der Industrie 4.0-Forschung steht.

Das Connected Systems Institute (CSI) an der University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) entwickelt neue Wege zur Integration digitaler Technologien wie künstliche Intelligenz, Augmented Reality, Datenanalyse, digitale Zwillinge und Robotik in die Fertigung der nächsten Generation.

„Viele Hersteller verwenden immer noch veraltete Technologien, die nicht sehr effizient sind“, sagt Kaushal Chari, Interimsgeschäftsführer von CSI und Dekan der Business School der UWM. „Es besteht die Notwendigkeit, zur digitalen Fertigung überzugehen und Industrie 4.0-Technologie einzuführen.

„Unsere Mission ist es, die Arbeitskräfte der Zukunft durch Bildung und Ausbildung zu entwickeln“, erklärt Chari. „CSI arbeitet daran, die Entwicklung einer technisch versierten Belegschaft zu unterstützen, die Spitzenforschung zum industriellen Internet der Dinge (IIoT) voranzutreiben und kleinen und mittleren Unternehmen dabei zu helfen, die Leistungsfähigkeit des IIoT für eine höhere Produktivität zu nutzen.

„Eine der wichtigsten und wettbewerbsintensivsten Branchen in Wisconsin ist die verarbeitende Industrie“, bemerkt Chari, die über einen Hintergrund im Maschinenbau verfügt. „Es beschäftigt Hunderttausende Arbeitnehmer und erwirtschaftet 19 Prozent des Bruttoinlandsprodukts unseres Staates. Aber um wettbewerbsfähig zu bleiben, muss sich die Fertigung weiter anpassen.“

Laut Chari wird sich die Fertigung in den nächsten fünf Jahren aufgrund vernetzter Technologien, die den Datenstrom von Fabrikanlagen zum IIoT analysieren, stärker verändern als in den letzten 50 Jahren.

„CSI nutzt die Leistungsfähigkeit des Internets – indem es Maschinen nutzt, um miteinander zu kommunizieren, und riesige Datenmengen bereitstellt, die genutzt werden können, um über vernetzte Geschäftsplattformen effizientere und profitablere Abläufe zu schaffen“, betont Chari. „Die großen Datenmengen, die Geräte im IIoT sammeln und teilen, haben das Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren.“

Ziel von CSI ist die Entwicklung von IIoT-basierten Modellen und Technologien, die eine höhere Produktivität fördern. Die zwei Jahre alte Organisation wird stark von Rockwell Automation Inc. gesponsert, einem weiteren in Milwaukee ansässigen Unternehmen mit einer starken Fertigungstradition. Zu den weiteren Organisationen, die aktiv an CSI beteiligt sind, gehören Ansys, Fanuc, Microsoft und PTC Technologies.

„Das CSI ist ein multidisziplinäres Kooperationszentrum, dem Fakultäten aus den Bereichen Wirtschaft, Ingenieurwesen und Informationswissenschaften angehören“, sagt Chari. „Durch die Bereitstellung von Bachelor-, Master-, Berufs- und Führungskräfteausbildung, Forschung und Programmen entwickelt das Institut Talente, Fachwissen und Lösungen, um Unternehmen durch IIoT-Technologien und -Anwendungen zu höherer Produktivität zu führen.“

Die 10.000 Quadratmeter große CSI-Einrichtung befindet sich im Ostflügel der UWM-Bibliothek und beherbergt innovative Technologie, die Hersteller für die digitale Transformation und Umsetzung von Industrie 4.0 benötigen. Und es bietet Personalschulungen, die lokale Hersteller für den erfolgreichen Übergang in das digitale Zeitalter benötigen.

Die Einrichtung umfasst ein Cybersicherheitslabor, ein Labor für digitale Zwillinge und eine kleine Fabrik, in der Industrie 4.0-Technologie präsentiert wird. Letzteres ist ein interaktiver „Prüfstand“, der mit modernster Produktionsausrüstung für praxisnahes Lernen ausgestattet ist.

Die Produktionslinie wurde von APT Manufacturing Solutions entworfen, gebaut und integriert. Es verfügt über reale Geräte wie ein Rockwell MagneMotion-Förderband und verschiedene Arten von Fanuc-Robotern, darunter Delta-, SCARA- und Sechs-Achsen-Maschinen.

„Der Prüfstand führt maschinelles Lernen in die Produktionslinie ein, nimmt Aufträge von der SAP-Software entgegen und generiert automatisch Arbeitsaufträge“, sagt Chari. „Ein digitaler Prüfstand dokumentiert das Verhalten des physischen Prüfstands, sodass Unregelmäßigkeiten erkannt werden können, aber auch Experimente möglich sind.“

Die digitale Zwillingstechnologie spielt eine wichtige Rolle am CSI, das den Studierenden verschiedene Arten von Tools zur Verfügung stellt, darunter Ansys TwinBuilder, Emulate3D und PTC Vuforia.

„Unsere digitalen Zwillinge basieren auf dem physischen Prüfstand“, erklärt Chari. „Studenten nutzen die Technologie, um verschiedene Parameter und Eingaben virtuell auszuprobieren, um zu sehen, wie sie sich neben den wichtigsten Leistungsindikatoren, Qualität und Durchsatz auf verschiedene Produktionsprozesse auswirken. Sobald sie die Parameter verfeinert und verfeinert haben, können sie sie auf der realen Plattform testen. Wir nutzen digitale Zwillinge auch zur Durchführung von Forschungsprojekten.

„Digitale Zwillinge ermöglichen die Nachbildung einer Maschine oder Anlage mithilfe von CAD-Modellen und allgemeinen Physiksimulationen“, erklärt Chari. „Hardware-in-Loop-Emulationen [ermöglichen es Benutzern], Automatisierungsprogramme in einer virtuellen Umgebung zu testen, die auf einem Computerbildschirm über 3D-Animationen oder virtuelle Umgebungen dargestellt werden können, in denen Menschen mithilfe von Virtual-Reality-Headsets herumlaufen können.“ Die virtuelle Umgebung ermöglicht eine vollständige Interaktion mit der Maschine oder Anlage, einschließlich Bedienfeldern.

„Der nächste Prüfstand von CSI wird sich auf Cybersicherheit konzentrieren“, fügt Chari hinzu. „Wir müssen sicherstellen, dass automatisierte Produktionslinien geschützt sind und dass die Schüler wissen, wie das geht.“

Darüber hinaus sind Chari und seine Kollegen derzeit dabei, zwei neue Masterstudiengänge mit Industrie 4.0-Bezug zu erhalten, von denen er behauptet, dass sie die ersten ihrer Art in den Vereinigten Staaten sein werden. Einer wird einen MS in vernetzten Systemen anbieten, während der andere einen MS in digitaler Lieferkette anbieten wird. Der aktuelle Plan sieht vor, Studierende ab Herbst 2023 in die neuen Programme einzuschreiben.

„Die Kursarbeit zu vernetzten Systemen wird Themen wie Asset Management, Cybersicherheit und Datenanalyse abdecken“, erklärt Chari. „Es wird ein sehr ganzheitlicher Studiengang sein, der Doktoranden auf Karrieren in der Industrie 4.0 vorbereitet.

„Das digitale Supply-Chain-Programm wird sich auf Dinge wie Enterprise-Resource-Planning-Software konzentrieren“, betont Chari. „Auf dem Lehrplan wird auch IIoT-Technologie im Zusammenhang mit Blockchains und Sensoren stehen.“