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Im Rahmen des Workshops zum Projektabschluss wurden Demonstratoren zu allen Teilaspekten des Projekts gezeigt. Hier finden Sie die Videos aller Demonstratoren.

Die Technische Universität Ilmenau hat soeben das Forschungsprojekt „Engineering for Smart Manufacturing (E4SM)“ erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinär angelegten Projekt erforschten Wissenschaftler, begleitet von einem Beirat hochkarätiger Forschungseinrichtungen und Unternehmen, innovative Techniken für die intelligente Fertigung und Montage der Zukunft, bei denen die Interaktion zwischen Menschen und Maschinen im Mittelpunkt steht. Die Carl-Zeiss-Stiftung förderte das E4SM-Projekt im Rahmen ihres Programms „CZS Durchbrüche“ zur Erforschung intelligenter Systeme mit drei Millionen Euro für fünf Jahre.

Industrie 4.0 – die intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Industrie mit Hilfe von IT – war einmal: Mit dem E4SM-Projekt startet die TU Ilmenau in das Zeitalter von Industrie 5.0, die den Menschen wieder ins Zentrum von Fertigungsprozessen in Industrie und Handwerk stellt. Menschen und Maschinen werden dabei mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz so aufeinander eingestellt, dass neue Fertigungsaufgaben schneller und effizienter als bisher gelöst werden können.

Intelligente Maschinen und Roboter, die den Menschen in der industriellen Produktion helfend zur Seite stehen – das war vor fünf Jahren die Vision des E4SM-Projekts. Das ambitionierte Ziel: Die Roboter sollten, KI-gestützt, die eigenen Handlungen autonom auf die der Menschen abstimmen. Dabei standen die Anforderungen und Besonderheiten von Fertigungs- und Montageprozessen kleiner und mittelgroßer Unternehmen, wie sie im mittelständisch geprägten Thüringen vorwiegen, im Mittelpunkt.

Sieben Fachgebiete der TU Ilmenau arbeiteten im E4SM-Projekt eng mit hochkarätigen Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen: dem Honda Research Institute Europe, bekannt für den autonomen humanoiden Roboter „Asimo“, der Robert Bosch GmbH und dem Maschinenbauunternehmen Henkel und Roth aus Ilmenau mit Kompetenz in industrieller Montage, dem Maschinen- und Anlagenkonstrukteur LASO tech Systems aus Suhl, das umfassende Kenntnisse in Schweißtechniken aufweist, dem Ilmenauer Hersteller von Servicerobotern und Roboterplattformen Metralabs und dem TÜV Thüringen mit seiner Expertise für Sicherheitsaspekte.

Auf dem Weg zur Industrie 5.0 erzielte das E4SM-Projekt zukunftsweisende Durchbrüche:

Durchbruch 1: 3D-Multi-View-Stereosystem zur sicheren Zusammenarbeit von Mensch und Roboter

Von zentraler Bedeutung bei der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist die Sicherheit. Um im Zusammenspiel von Mensch und Maschine seine Aufgabe nicht nur perfekt erledigen zu können, sondern auch ohne dabei den Menschen zu gefährden, muss der Roboter dessen Handlungen im Montageprozess in der realen Umgebung dreidimensional erfassen können. Dazu setzten die Forscher multimodale Bildgebung ein, bei der Wärmebilder mit RGB-Farbbildern und mit 3D-Punktwolken zu hochgenauen großflächigen dreidimensionalen Abbildungen der Raumumgebung kombiniert wurden. Bei dem innovativen sensorbasierten 3D-Multi-View-Stereosystem kalibrieren sich die verschiedenen Kameras robotergestützt selbst.

Durchbruch 2: Erkennung der Montageaktion und entsprechende autonome Assistenz

Eine perfekte Zusammenarbeit von Menschen mit Robotern – Fachleute sprechen von Mensch-Roboter-Kollaboration – ist vor allem abseits voll automatisierter Produktionsketten notwendig, dort, wo zur Montage von Kleinserien Roboter den Menschen assistieren, indem sie Teilaufgaben übernehmen. Ohne langwierig angelernt werden zu müssen, soll der Roboter den Fortschritt der Montage beobachten und bei immer wiederkehrenden Aufgaben selbstständig tätig werden.

Bedeutsamer Durchbruch bei der kollaborativen Montage durch Mensch und Roboter: KI-basiert erkennt der E4SM-Roboter die Aktionen, die der Mensch gerade durchführt, und auch die dabei verwendeten Werkzeuge und Werkstücke. So erfasst er den jeweiligen Montagefortschritt und kann selbstständig entscheiden, wo er behilflich sein kann. Auch kann der Roboter beliebige, ihm vorher nicht bekannte Objekte in der Einsatzumgebung finden und greifen. Nach bisherigem Stand der Technik funktioniert dies nur für vorher definierte, bekannte Objekte. Damit schuf das E4SM-Projekt die notwendigen Voraussetzungen, um vorausschauend zu planen und später benötigte Objekte zu holen und anzureichen.

Durchbruch 3: Flexibles und kostensparendes KI-unterstütztes Laserstrahlschweißen

Beim Laserstrahlschweißen mussten bislang aufwändige und teure Spannvorrichtungen eingesetzt werden, um die Bleche, die miteinander verbunden werden sollten, zu fixieren. Die Vision des E4SM-Projekts: Die zu verbindenden Bleche werden von Roboterarmen gehalten. Mithilfe von künstlicher Intelligenz wurde ein entscheidender Durchbruch erzielt, indem der Schweißvorgang kontaktlos analysiert und in Echtzeit vorausgesagt wird, wann ein Spalt entstehen wird. Durch kontrolliertes Zusammendrücken der Bleche kann dies vermieden werden, sodass der Laser weiterhin beide Bleche trifft und sie somit verschweißen kann. Dabei sagt die KI die Kraft vorher, die aufgewendet werden muss, um die Position der Bleche für den Schweißvorgang optimal anzupassen.

Durchbruch 4: Interaktive visuelle Werkzeugkette für kleine und mittlere Unternehmen

Neben der Entwicklung von KI-gestützten Robotern war es auch Ziel des E4SM-Projekts, für die Industrie Verfahren zu entwerfen, mit denen sie selbst KI-basierte Assistenzsysteme entwickeln können. Der Durchbruch: Kleine und mittlere Unternehmen werden durch eine interaktive visuelle Werkzeugkette dabei unterstützt, effiziente und sichere Anwendungen zu entwickeln, die in der eigenen Produktion eingesetzt werden können. Da hierfür kein detailliertes Fachwissen erforderlich ist, wird der Entwicklungsprozess für Anwender wesentlich vereinfacht.

Im Rahmen ihres Themenjahrs „Vernetzte Welt“ präsentiert die Technische Universität Ilmenau auf der diesjährigen Hannover Messe zwei bedeutende Forschungsprojekte zu den Kernthemen der Leistungsschau „Automatisierung“ und „Industrie 4.0“: „Funk für automatisiertes und vernetztes Fahren“ und „E4SM – Engineering for Smart Manufacturing“ („Maschinelles Lernen für die smarte Produktion“). Die Hannover Messe findet vom 30. Mai bis zum 2. Juni statt und ist nach eigenen Angaben die führende Wissens- und Networking-Plattform für die produzierende Industrie. Die TU Ilmenau präsentiert sich täglich von 9:00 bis 18:00 Uhr in Halle 2 am Gemeinschaftsstand A46/B45 der Bundesländer Thüringen und Sachsen-Anhalt „Forschung für die Zukunft“.

Die Technische Universität Ilmenau baut ihre technische Infrastruktur weiter aus und unterstützt damit die Forschungs- und Transferaktivitäten in den Bereichen Künstliche Intelligenz (KI) und Data Science. Hierfür wurde vor Kurzem im Rechenzentrum der Universität ein von der Thüringer Aufbaubank gefördertes sogenanntes GPU Cluster in Betrieb genommen. „Die Installation dieses hochmodernen GPU Rechenclusters ist ein weiterer Schritt hin zum Premium-KI-Standort Ilmenau“, erklärt Prof. Sattler, Präsident und Leiter des Fachgebiets Datenbanken und Informationssysteme an der Fakultät für Informatik und Automatisierung der TU Ilmenau.

Die Technische Universität Ilmenau verstärkt ihre Forschungsaktivitäten in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Data Science. An der Universität und unter dem Dach des Thüringer Zentrums für Lernende Systeme und Robotik an der TU Ilmenau werden eine ganze Reihe von Forschungsprojekten durchgeführt, die menschliches Denken und Lernen auf Computersysteme übertragen, um das Alltagsleben effektiver, komfortabler und sicherer zu machen. Dabei profitieren die Ilmenauer Forscherinnen und Forscher künftig von einem extrem leistungsstarken High-Performance-Computer, der in wenigen Tagen in Betrieb geht und es ermöglichen wird, Forschungsprojekte durchzuführen, in denen enorme Datenmengen bearbeitet werden müssen.

Die TU Ilmenau hat sich mit ihrem Projektvorhaben „Engineering for Smart Manufacturing (E4SM)“ erfolgreich am Förderprogramm der Carl-Zeiss-Stiftung zur Erforschung intelligenter Systeme beteiligt. Ziel dieses Förderprogramms ist es, in dem wichtigen Bereich der Forschung zum Zukunftsthema „Digitalisierung“ innovative und wissenschaftlich vielversprechende Forschungskonzepte voran zu bringen und somit international exzellente Forschung zu fördern.

Das Ziel des mit drei Millionen Euro an der TU Ilmenau ab dem 1. Mai 2019 geförderten fünfjährigen Projektes „Engineering for Smart Manufacturing“ (E4SM) ist die Erforschung innovativer Methoden für die Entwicklung und den Betrieb von auf maschinellem Lernen basierenden Assistenzsystemen für die intelligente Fertigung in industriellen Anwendungsszenarien. Im Kontext von Industrie 4.0 sollen dabei insbesondere die Anforderungen und Besonderheiten bei Fertigungs- und Montageprozessen kleiner und mittelgroßer Unternehmen (KMU) berücksichtigt werden. In Abstimmung mit den assoziierten Partnern, dem Thüringer Zentrum für Maschinenbau und dem Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Ilmenau, sollen die in diesem Vorhaben zu entwickelnden Techniken der Künstlichen Intelligenz für zwei konkrete Anwendungsszenarien erforscht, erprobt und demonstriert werden. Dabei wird es um das “Vorrichtungsfreie Laserstrahlschweißen” und “Variantenreiche Montageprozesse” gehen.

Eine Besonderheit des Vorhabens E4SM ist die klare Fokussierung auf integrierte und ganzheitliche Engineering-Methoden für den Einsatz von lernbasierten Assistenzsystemen in der Fertigung. So sollen entwickelte Teillösungen in den wichtigen Kernbereichen kollaborative Assistenzrobotik, Management und Analyse heterogener Datenmengen aus industriellen Fertigungsprozessketten sowie IT-Security und IT-Safety mithilfe eines ganzheitlichen (Software-)Entwicklungsprozesses integriert werden. Neben diesem wissenschaftlichen Anspruch sollen durch die Einbindung von Unternehmen der Einsatz von maschinellem Lernen und Assistenzsystemen für KMUs besser plan- und beherrschbar gestaltet und somit die Einstiegshürden für den Einsatz dieser Technologien gesenkt werden.

Das Projekt der Carl-Zeiss-Stiftung wird intensiv begleitet von einem hochkarätigen Unternehmensbeirat bestehend aus dem Honda Research Institute Europe, der Robert Bosch GmbH, der LASO tech Systems GmbH, der Metralabs GmbH, der Henkel und Roth GmbH und dem TÜV Thüringen e.V..

Am 9. Mai 2019 treffen sich die Projektpartner aus sieben Fachgebieten der TU Ilmenau, der Unternehmensbeirat und Vertreter der Thüringer Ministeriums für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft sowie weitere Gäste zum offiziellen Start des Projektes (Kick-off) an der TU Ilmenau.