Forschungs-und Entwicklungs-Lab

»Algorithmen und Softwaresysteme«

Algorithmen und Softwareentwicklung sind entscheidend für den Produktionsstandort Deutschland. Es gilt, die am Standort Kaiserslautern vorhandenen exzellenten Kompetenzen in diesen Bereich noch enger zu verzahnen. Das betrifft insbesondere die Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IESE und ITWM, dem DFKI sowie dem MPI für Softwaresysteme und den universitären Partnern in den Fachbereichen Mathematik und Informatik der TU Kaiserslautern.

 

Hintergrund und Herausforderungen:

  • Simulationen ersetzen zunehmend empirisches Vorgehen bei der Entwicklung neuer Produkte und Produktionsverfahren.
  • Die Qualitätssicherung in der industriellen Produktion erfolgt vermehrt rechnergestützt und automatisiert.
  • Es ist ein Trend zu einer starken Individualisierung von Produkten bei gleichzeitiger Großserienproduktion (Mass Customization) zu erkennen.

 

Fokus des FuE-Labs:

Ohne eine durchgängige Simulation entlang der Produktionskette und effiziente numerische Algorithmen ist die notwendige Flexibilisierung in der Industrie undenkbar. Das FuE-Lab schafft die Voraussetzungen dafür und gliedert sich dabei in fünf Projekte mit verschiedenen Schwerpunkten:

  • Projekt 1: »Bilddatenanalyse für Qualitätssicherung und Materialcharakterisierung«
  • Projekt 2: »Virtuelle Produktion und virtuelles Materialdesign von Vliesstoffen«
  • Projekt 3: »Finite Pointset Methode (FPM) – gitterfreies Simulationstool für Kontinuumsmechanik«
  • Projekt 4: »Virtuelle Entwicklung digitaler Dörfer«
  • Projekt 5: »Kollaborierende Systeme zur Steuerung zukünftiger Energienetze«

 

Projekt »Bilddatenanalyse für Qualitätssicherung und Materialcharakterisierung«

Industrieunternehmen fragen zunehmend Bilddatenanalysen nach, bei denen Materialerkennung und -charakterisierung sowie die Bewertung des inneren Aufbaus im Vordergrund stehen. Der steigende Bedarf ergibt sich u.a. durch erhöhte Anforderungen an die Materialqualität. Technische Produkte sollen möglichst fehlerfrei sein. Zudem gibt es immer mehr neuartige Materialien und Fertigungsverfahren.

 

Ziel:

Das Projekt arbeitet vornehmlich auf drei Anwendungsfeldern und entwickelt diese weiter:

  • Schnelle und intelligente Algorithmen zur Bild- und Signalverarbeitung ermöglichen Echtzeit-Inspektionssysteme zur Qualitätssicherung in der laufenden Produktion.
  • Mikrostrukturanalysen, basierend auf Daten aus bildgebenden Verfahren, ermöglichen die Charakterisierung des inneren Aufbaus von Materialien.
  • Neue Methoden der stochastischen und Integralgeometrie erschließen neue Anwendungsklassen und steigern die Qualität der Analysen.

Projekt »Virtuelle Produktion und virtuelles Materialdesign von Vliesstoffen«

Vliesstoffe zählen zu den innovativsten Bereichen der Textilbranche. Die Hersteller und Anwender von Vliesstoff-Maschinen stehen u.a. vor folgenden Herausforderungen:

  • höhere Produktionsgeschwindigkeiten
  • maximale Verfügbarkeit
  • hohe Flexibilität
  • optimale Produktqualität
  • minimales Life-Cycle-Costing
  • Mass Customization

Der Trend nach »Mass Customization« verändert die Vliesstoffsimulation grundlegend. Massenindividualisierung bedeutet dabei künftig: Eine schnelle Anpassung der Produktionskette auf Basis vorgegebener Materialeigenschaften, aber auch die Vorhersage von Materialeigenschaften aufgrund vorgegebener Produktionsparameter.

Das Virtualisieren der Vliesstoffproduktion wird besonders in den folgenden Bereichen vorangetrieben:

  • turbulente Fluid-Struktur-Interaktion
  • Faden-Faden-Interaktion
  • stochastische Mikrostrukturgenerierung

 

Ziel:

Mit den Simulationstools zur Einzelfaserdynamik in

  • turbulenten Strömungen (FIDYST: Fiber Dynamics Simulation Tool)
  • zur Vliesstrukturgenerierung (SURRO)
  • zur Mikrostruktursimulation (GeoDict)

ist der Standort führend. Diese Werkzeuge sollen kontinuierlich im Projekt weiterentwickelt werden.

Projekt »Finite Pointset Methode (FPM) – gitterfreies Simulationstool für Kontinuumsmechanik«

Mit der am Standort Kaiserslautern entwickelten Finite Pointset Method (FPM) steht ein hoch parallelisiertes Simulationstool für einen weiten Bereich strömungs- und kontinuumsmechanischer Problemstellungen zur Verfügung.

FPM ist eine Partikelmethode, also eine Methode, die im Gegensatz zu klassischen numerischen Verfahren wie Finite Elemente oder Finite Volumen kein Gitter und damit keine Vernetzung benötigt. Sie ist damit für Aufgaben geeignet, bei denen gitterbasierte Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Bisher bearbeitete Problemstellungen sind schwerpunktmäßig im Bereich der Automobilindustrie angesiedelt (z.B. Airbagentfaltung, Betankungsvorgänge, Schwappen von Kraftstoff im Tank, Regenwasser an Karosserie, Wasserdurchfahrt).

 

Ziel:

Das Projekt arbeitet daran, die Simulationsmethode in zahlreichen weiteren Problemfeldern der Kontinuumsmechanik, insbesondere in der Verfahrenstechnik, zur Verfügung zu stellen.

Projekt »Virtuelle Entwicklung digitaler Dörfer«

Die Vernetzung intelligenter Software bietet ein bislang ungenutztes Potenzial zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen vor allem in ländlichen Regionen – von der medizinischen Versorgung über die Mobilität bis hin zur Logistik.

Dazu wird innerhalb der Projektlaufzeit eine virtuelle Modellregion (»Smart Rural Area«) zur Simulation unterschiedlicher Szenarien aufgebaut und der Technologienutzen sowie die dazu notwendigen Voraussetzungen ermittelt. Parallel werden Testregionen in Rheinland-Pfalz als digitale Dörfer aufgebaut, um Bürger und Kommunen von Anfang an einzubinden, den Bedarf zu ermitteln und neue Technologien vor Ort zu erproben.

 

Ziel:

Im Projekt wird der Einsatz digitaler Technologien zur Entwicklung von Kommunen in ländlichen Regionen erprobt und bewertet. Ebenfalls im Fokus steht die Konzeption und Evaluation neuer und revolutionärer Dienstleistungskonzepte.

Projekt »Kollaborierende Systeme zur Steuerung zukünftiger Energienetze«

Die Energiewende hin zu einer dezentraleren Erzeugung mit einem größeren Anteil an erneuerbarer Energie stellt das Energiemanagement vor große Herausforderungen. Strom aus erneuerbaren Energien ist tageszeitlich sowie wetterbedingt volatil und kann in extrem kurzen Zeiträumen sehr stark schwanken.

Da Gas, Wärme und Kälte grundsätzlich leichter und kostengünstiger zu speichern sind als Strom, kann durch integrierte Betrachtung aller vier Energieträger letztlich eine höhere Effizienz der Stromnutzung erreicht werden. Der systemische Aspekt der Versorgung mit Energie – von der Erzeugung über Transport und Speicherung bis zum Verbrauch – rückt in den Vordergrund und ist mit dem Begriff Cross-Energy Management (CEM) belegt.

 

Ziel:

Ziel des Projekts ist die Konzeption einer Handelsplattform sowie die Entwicklung eines Sicherheitskonzepts (Safety+Security) für diese. Dabei werden die folgenden Aspekte fokussiert:

  • Methode zum Design von Vertrauenswürdigkeit
  • IT-Demonstrator für zelluläre Energiesysteme
  • Handelsplattform für Flexibilitäten (Sicherheitskonzept Safety+Security)