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Spitzencluster „it's OWL“

„Intelligente Technische Systeme OstwestfalenLippe“ für die Märkte von morgen

Hightech für die Herausforderungen der Zukunft: In Ostwestfalen-Lippe ist seit 2011 ein Technologie-Netzwerk aus Wirtschaft und Wissenschaft entstanden, das weltweit Maßstäbe für intelligente Systeme setzt. Der BMBF-Spitzencluster it’s OWL (Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe) ist mit einem Projektvolumen von ca. 100 Millionen Euro bundesweit eine der größten Initiativen zu Industrie 4.0 geworden.

Die maschinenbaulichen Systeme von morgen werden auf einem engen Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik, Regelungstechnik, Softwaretechnik und neuen Werkstoffen beruhen und über die Mechatronik hinausgehend eine inhärente Intelligenz aufweisen. Die Informationstechnik und auch nicht technische Disziplinen, wie die Kognitionswissenschaft, die Neurobiologie oder die Linguistik, bringen eine Vielfalt an Methoden, Techniken und Verfahren hervor. Mit diesen werden sensorische, aktorische und kognitive Funktionen in technische Systeme integriert, die man bislang nur von biologischen Systemen kannte. Derartige Systeme bezeichnen wir als intelligente technische Systeme. Sie sind adaptiv, robust, vorausschauend und benutzungsfreundlich.

Intelligente technische Systeme passen sich ihrer Umgebung und den Wünschen ihrer Anwender an. Sie stiften Nutzen im Haushalt, in der Produktion, im Handel, auf der Straße; sie sparen Ressourcen, sind intuitiv zu bedienen und verlässlich. Beispiele sind ein Trockner, der sich sekundenschnell an den sich ändernden Strompreis anpasst und gleichwohl dank Selbstoptimierung ein Spitzenergebnis liefert, eine Produktionsmaschine, die vom Werker auch bei schwierigsten Aufgaben leicht zu bedienen ist und die weiß, wann es Zeit für ihre Wartung wird, und eine Großwäschereianlage, die jedes Wäschestück automatisch wäscht, trocknet, bügelt und faltet, und das in höchster Qualität und unter minimalem Einsatz von Wasser, Energie und Waschmittel.

200 Partner-Unternehmen, Hochschulen, Forschungszentren und Organisationen beteiligen sich an der Umsetzung der Spitzencluster-Strategie, die unter der Federführung des Heinz Nixdorf Instituts entstanden ist. Im Schulterschluss von Wirtschaft und Wissenschaft wurden in bisher 170 Transferprojekten Produkt- und Produktionsinnovationen entwickelt.

Das Spektrum reicht von intelligenten Sensoren, Antrieben und Automatisierungskomponenten über Maschinen, Haushaltsgeräte und Fahrzeuge bis hin zu vernetzten Systemen wie Produktionsanlagen, Smart Grids und Cash-Management-Systemen, wofür der Begriff Cyber-Physical Systems steht. Hightech-Produkte und Produktionsverfahren also, die kein Selbstzweck sind, sondern ihren Anwendern ganz konkrete Vorteile in puncto Bedienung, Verlässlichkeit, Sicherheit, Kosteneffizienz und Ressourcenschonung bieten.

Grundlage für die Innovationsprojekte der Unternehmen waren Querschnittsprojekte, in denen die Hochschulen anwendungsorientierte Technologien und Verfahren bereitstellten.
Der Fokus lag dabei auf den Bereichen Selbstoptimierung, Mensch-Maschine-Interaktion, Intelligente Vernetzung, Energieeffizienz und Systems Engineering.

Das Ergebnis ist eine einzigartige Technologieplattform, mit der Unternehmen die Zuverlässigkeit, Ressourceneffizienz und Benutzungsfreundlichkeit ihrer Produkte und Produktionssysteme steigern können.

Das Heinz Nixdorf Institut setzt im Rahmen des Spitzenclusters seine Stärken als interdisziplinäres Forschungsinstitut für die Region ein und trägt maßgeblich zur Realisierung der Vision intelligenter technischer Systeme bei. Besondere Schwerpunkte sind Systems Engineering, Selbstoptimierung und Mensch-Maschine-Interaktion.

Systems Engineering

Intelligente Systeme sind multidisziplinär, daher ist auch die Entwicklung dieser Systeme fachdisziplinübergreifend zu gestalten. Systems Engineering wird diesem Anspruch gerecht, es ist ein durchgängiger fachdisziplinübergreifender Ansatz zur Entwicklung multidisziplinärer Systeme. Mehrere Fachgruppen des Heinz Nixdorf Instituts arbeiten gemeinsam an Methoden zur durchgängigen Systemmodellierung und -analyse. In enger Kooperation mit den Clusterunternehmen entsteht ein Systems-Engineering-Instrumentarium für die Anwendung in den Unternehmen.

Selbstoptimierung

Selbstoptimierende Systeme sind intelligente technische Systeme, sie sind adaptiv, robust und vorausschauend. Für die Entwicklung von selbstoptimierenden Systemen wird u. a. Expertenwissen aus den Bereichen der mathematischen Optimierung und der Regelungstechnik benötigt. In den überwiegend mittelständischen Unternehmen des Spitzenclusters ist dieses Wissen jedoch meist nicht verfügbar. Das Heinz Nixdorf Institut erarbeitet hierzu mit weiteren Partnern der Universität Paderborn Methoden, die das Expertenwissen anwendergerecht beschreiben und somit die Entwicklung selbstoptimierender Systeme fördern.

Projektstruktur

Mensch-Maschine-Interaktion

Der Erfolg von intelligenten technischen Systemen basiert im Wesentlichen auf der einfachen Bedienbarkeit. Das Heinz Nixdorf Institut entwickelt in Kooperation mit Partnern des Spitzenclusters Methoden und Verfahren für eine intuitive Mensch-Maschine-Interaktion. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf dem Entwurf innovativer Interaktionstechniken für eine Virtual-Reality-basierte Design-Review-Umgebung. Die Design-Review-Umgebung ermöglicht eine intuitive Interaktion mit dem virtuellen Prototypen und unterstützt die frühzeitige digitale Absicherung intelligenter technischer Systeme im Rahmen des Produktentwicklungsprozesses.

Innovationsprojekte

Das Heinz Nixdorf Institut war an fünf Innovationsprojekten von führenden Unternehmen in der Region beteiligt. Hier wurden die in den Querschnittsprojekten entwickelten Technologien und Methoden eingesetzt:

  • Ressourceneffiziente selbstoptimierende Großwäscherei „Die grüne Wäscherei“ (Herbert Kannegiesser GmbH)
  • Intelligente vernetzte Systeme für automatisierte Geldkreisläufe „Sicheres und effizientes Handling von Banknoten“ (Wincor Nixdorf International GmbH)
  • Integrierte Fertigungsplanung und -steuerung „Intelligente Planung mit virtuellen Werkzeugmaschinen, Optimale Maschinenauslastung“ (DMG MORI AG)
  • Scientific Automation Plattform „Nachhaltige Produktion durch intelligente Automatisierungstechnik“ (Beckhoff Automation GmbH & Co. KG)
  • Intelligenter Knetprozess „Knetmaschinen fühlen den Teig“ (WP Kemper GmbH)

Das Wissenschafts- und Industrieforum bot mit 300 Teilnehmern in 2017 erneut Gelegenheit zum Erfahrungsaustausch.

Nachhaltigkeitsmaßnahmen

Die neun Nachhaltigkeitsmaßnahmen adressieren die Stärkung der Strategiekompetenz der Unternehmen, die Teilhabe möglichst vieler Unternehmen an der Technologieplattform, die Sicherstellung des Markterfolgs und der Sozialverträglichkeit von intelligenten technischen Systemen, den Schutz vor Nachahmung sowie die Gewinnung von Fachkräften und Unternehmensgründungen. Mit ihnen soll eine hohe Entwicklungsdynamik in der Region über die Förderdauer hinaus erzeugt werden. Das Heinz Nixdorf Institut war an mehreren Maßnahmen beteiligt, wovon nachfolgend drei beispielhaft vorgestellt werden.

Nachhaltigkeitsmaßnahme Vorausschau – Die Zukunft vorausdenken und gestalten

Um sich im globalen Wettbewerb zu behaupten, müssen Unternehmen frühzeitig Erfolgspotenziale von morgen erkennen und erschließen. Dazu müssen sie Entwicklungen von Märkten, Technologien und Geschäftsumfeldern antizipieren, was als Vorausschau bezeichnet wird. Vielen Unternehmen, insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen, mangelt es hierfür an Ressourcen. Sie betreiben Vorausschau bislang nicht systematisch, sondern setzen auf die Fortschreibung bewährter Innovationskonzepte und ihre gute Reaktionsfähigkeit. Insbesondere auf dem Gebiet der intelligenten technischen Systeme ist dies nicht ausreichend, um den Markterfolg sicherzustellen. Gesamtziel des Vorhabens ist ein Instrumentarium, bestehend aus Zukunftswissen, Methoden und IT-Werkzeugen, das Unternehmen befähigt, wirkungsvoll und effizient Vorausschau zu betreiben. Sie werden in die Lage versetzt, daraus die erforderlichen Schlüsse für die Entwicklung von Geschäfts-, Produkt- und Technologiestrategien zu ziehen. Damit zielt das Projekt insbesondere auf den Ausbau der Strategiekompetenz von kleinen und mittleren Unternehmen.

Nachhaltigkeitsmaßnahme Prävention gegen Produkt­piraterie – Innovationen schützen

Produktpiraterie vernichtet Arbeitsplätze, bringt die Industrie um die Rendite ihrer Forschungs- und Entwicklungsinvestitionen und bedroht die Wettbewerbsfähigkeit vieler Unternehmen. Zum Schutz vor Produktimitationen bedarf es der Entwicklung innovativer, technischer Schutzmaßnahmen und ganzheitlicher Schutzkonzeptionen. Dieses Vorhaben zeigt, wie solche Schutzkonzeptionen erarbeitet und implementiert werden können. Zentral dabei ist die Identifizierung des individuellen Bedrohungspotenzials und die Realisierung umfassenden Produktschutzes auf Basis von Schutzmaßnahmen.

Innovatives Transferprojekt

Das Ziel des Spitzenclusters ist, möglichst viele kleine und mittlere Unternehmen von den in den Querschnittsprojekten entwickelten und in den Innovationsprojekten angewandten Technologien partizipieren zu lassen. In dem entsprechenden Transferkonzept werden dafür in dem Zeitraum 2014 bis 2017 170 Transferprojekte durchgeführt. Das Heinz Nixdorf Institut war in der vierten Tranche an vier Transferprojekten beteiligt.
 
„Konzipierung und Regelungsentwurf einer semiaktiven Sitzfederung“ (ReSiFe)
Die Fa. ISRINGHAUSEN aus Lemgo fertigt innovative Sitzsysteme für Nutzfahrzeuge. Heute am Markt befindliche Sitze beinhalten üblicherweise einen manuell einstellbaren hydraulischen Stoßdämpfer. In dem Transferprojekt hat das Heinz Nixdorf Institut eine leistungsfähigere, intelligent geregelte semiaktive Sitzfederung, die sich selbsttätig an die aktuelle Fahrsituation anpasst, konzipiert und einen Prototypen entwickelt und aufgebaut. Näheres zum Projekt ReSiFe findet sich auf den Seiten der Fachgruppe „Regelungstechnik und Mechatronik“ (Seite 156).

„Entwicklung einer Geschäftsmodellroadmap für Additive Manufacturing“ (Road2AM)
Die absehbare Entwicklung des Technologiefelds Additive Fertigung (AM) eröffnet große Nutzen- und Geschäftspotenziale. Mit additiver Fertigung lassen sich in Zukunft diverse Wettbewerbsvorteile erzielen, wie z. B. die Individualisierung von Endprodukten oder die Reduzierung von Logistikkosten. Um diese Potenziale systematisch erschließen zu können, ist es notwendig, die zukünftigen technologischen Entwicklungen, mögliche Anwendungen und Geschäftsmodelle vorauszudenken. Dies stand im Fokus des Transferprojekts Road2AM. Das Resultat ist eine AM-Geschäftsmodellroadmap für das Unternehmen Miele & Cie. KG. Dazu wurden zunächst potenzielle Geschäftsmodelle aufgenommen und Anforderungen für deren Umsetzung abgeleitet. Die Vorausschau mithilfe der Szenario-Technik ermöglichte es, dafür relevante Entwicklungsmöglichkeiten vorauszudenken und die möglichen Umsetzungszeitpunkte und -maßnahmen der Geschäftsmodelle zu ermitteln. Zur Umsetzung von AM-Geschäftsmodellen bedarf es oftmals vieler, hoch spezialisierter Partner, die im Projekt identifiziert und ausgewählt wurden. Die Arbeiten bilden die Leitlinie für das Partnerunternehmen, die Nutzen- und Geschäftspotenziale zeitgerecht zu erschließen.

„Strategische Positionierung im Technologiefeld Additive
Fertigung“ (StraPoT)
Additive Fertigung ermöglicht einerseits neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Bauteilen, andererseits entstehen um das Technologiefeld neue Wertschöpfungsnetzwerke. So profitieren von der steigenden Verbreitung der Fertigungstechnologien nicht nur die Maschinenhersteller, sondern beispielsweise auch Dienstleister, Hersteller für dedizierte Software, Komponentenhersteller, Modulanbieter usw. Im Fokus des Transferprojekts StraPoT stand daher die Planung des Einstiegs des Unternehmens Krause-Biagosch in das Technologiefeld. Als Basis diente die bestehende Expertise im Bereich Computer-to-Plate, einer Belichtungstechnologie für Druckplatten. Nach einer eingehenden Analyse der CTP-Technologie wurden mögliche Transferpotenziale in das Technologiefeld Additive Fertigung identifiziert. Unter Berücksichtigung von Trends wurden anschließend Potenziale für mögliche Marktleistungen abgeleitet. Damit waren vielfältige Optionen der Positionierung des Unternehmens in der Wettbewerbsarena möglich. Die Bewertung der existierenden Unternehmen und somit die Rollenübersicht des Wertschöpfungsnetzwerks wurde zur Entscheidungsunterstützung in einer multidimensionalen Skalierung dargestellt. Mit der Konzipierung von Marktleistungen und der Erarbeitung einer Roadmap wurde die Planung des Eintritts von Krause-Biagosch in das Technologiefeld Additive Fertigung erfolgreich abgeschlossen.

„Strategische Planung eines Markteintritts in die Medizin­technik“ (StraMaMed)
Diversifikation sichert durch Risikostreuung auch in schwierigen Marktsituationen Arbeitsplätze. Diese strategische Stoßrichtung strebt das ostwestfälische Traditionsunternehmen Stükerjürgen Aerospaces Composites GmbH & Co. KG (SAC) nach intensiven Investitionen in den eigenen, hochmodernen Maschinenpark an. Durch die Modernisierung wurde der Wettbewerbsvorsprung sowohl in der Luftfahrt als auch im Yachtbau gesichert. Die Ähnlichkeit der Kundenanforderungen der Medizintechnik zu den angestammten Branchen macht einen Markteintritt sehr attraktiv. Ziel des Transferprojekts StraMaMed ist daher eine Produkt- und Geschäftsmodellroadmap für den Markteintritt in die Medizintechnik. Im Fokus stehen eine zukunftsorientierte Produktanalyse der Branche und die Formalisierung und Antizipation der Marktlogik. Auf Basis der dabei erarbeiteten Ergebnisse wird unter Berücksichtigung der Kompetenzen von SAC eine entsprechende Roadmap zum Markteintritt generiert. Diese wird einen gewichtigen Baustein der strategischen Ausrichtung des Unternehmens darstellen und entscheidend zu einem zukünftigen Technologievorsprung beitragen.

Entwicklungsschub für OWL

Der Spitzencluster it’s OWL gibt der Region einen großen Entwicklungsschub. Die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen steigt, Wachstum und Beschäftigung werden gesichert. Die Sichtbarkeit von Ostwestfalen-Lippe als Technologieregion wird gestärkt. Die Attraktivität der Region für Fach- und Führungskräfte steigt. So stärkt der Spitzencluster das Renommee der Universität als exzellente Forschungseinrichtung, sodass neue Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die Region gewonnen werden können. Mit Unterstützung des Landes Nordrhein-Westfalen sollen die Aktivitäten von it’s OWL von 2018 bis 2022 weitergeführt werden. Dabei geht es unter anderem darum, neue Technologien für den Mittelstand zu erschließen, beispielsweise in den Bereichen IT-Sicherheit und offene Datenplattformen. Gemeinsam sollen neue Services, Geschäftsmodelle und Qualifizierungsangebote entwickelt werden. Kleine und mittlere Unternehmen werden unterstützt, neue Technologien zu implementieren und gemeinsam mit ihren Beschäftigten die Arbeitsbedingungen zu optimieren.

1. Komponente eines intelligenten Produktionssystems
2. Design Review am virtuellen Prototypen