Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
Anlagen? Aber sicher.
Wenn Roboter Seite an Seite mit Menschen montieren, wenn Werkzeugmaschinen in Windeseile Bauteile mit Mikrometergenauigkeit herstellen, dann ist Sicherheit kein Nebenaspekt, sondern Voraussetzung. In der Automobilindustrie und bei ihren Zulieferern entscheidet sie längst nicht nur über den Schutz der Mitarbeitenden, sondern auch über die Stabilität von Prozessen und die Qualität der Produkte.
Doch wie lässt sich Sicherheit in einer Produktion gewährleisten, die immer vernetzter, schneller und komplexer wird? Am IWF der Technischen Universität Berlin arbeiten Forschende an Antworten auf diese Frage. Ihre Projekte reichen von robusteren Schutzsystemen über intelligente Robotik bis zu präzisen Fertigungsverfahren. Ihr Ziel: Produktionsanlagen, die zuverlässig funktionieren – und dabei immer sicher bleiben.
Gefahren auf dem Shopfloor
Mit der steigenden Produktivität moderner Werkzeugmaschinen wachsen auch die Anforderungen an ihre Sicherheit. Gefährdungsanalysen allein reichen nicht mehr aus und müssen durch präzise bewertbare und dauerhaft belastbare Schutzmaßnahmen ergänzt werden. Ein zentrales Thema ist die Rückhaltefähigkeit von Schutzeinrichtungen, also ihre Fähigkeit, bei einem Bruch Werkstücke oder Werkzeugfragmente sicher zurückzuhalten. Bislang werden solche Tests zerstörend durchgeführt, meist auf Basis von Erfahrungswerten. Das Verfahren ist teuer, zeitaufwendig und liefert oft ungenaue Ergebnisse.
Im Aufprallprüflabor werden am PTZ Berlin Schutzeinrichtungen getestet.
Solche Normprojektile werden genutzt, um experimentell zu erforschen, was passiert, wenn Werkstücke oder Fragmente aus dem Maschinenraum geschleudert werden.
Diese Scheibe hat im Experiment standgehalten.
Am IWF wurde daher ein neuer statistischer Ansatz entwickelt, der die Qualität dieser Prüfungen deutlich verbessert. Grundlage sind 105 Aufpralltests an Polycarbonat-Sichtfenstern, bei denen standardisierte Projektile auf die Prüfkörper geschossen wurden. Die Auswertung beschreibt die Rückhaltefähigkeit erstmals als statistisch normalverteilte Größe mit Mittelwert und Varianz. Das erlaubt eine realistischere Einschätzung der Streuung von Materialeigenschaften und Prüfergebnissen.
Damit wird die Bewertung der Schutzwirkung deutlich verlässlicher. Sie kann künftig dazu beitragen, Schutzeinrichtungen an steigende Spindeldrehzahlen und an den häufigeren Einsatz schlanker Werkzeugverlängerungen anzupassen. Gerade vor diesem Hintergrund werden bestehende Normen wie die ISO 14120 kritisch überprüft. Die Arbeiten am IWF tragen dazu bei, die Schutzkonzepte moderner Werkzeugmaschinen an reale Gefahren in der Fertigung anzupassen – und damit sowohl Menschen als auch Anlagen besser zu schützen.
Roboter schützen Menschen
In modernen Produktionsumgebungen arbeiten Menschen und Maschinen immer enger zusammen. Kollaborative Roboter, sogenannte Cobots, gelten dabei als Schlüsseltechnologie. Sie sind flexibel, leicht programmierbar und können sicher in unmittelbarer Nähe zu Menschen eingesetzt werden.
Am PTZ Berlin wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts »Regionales Transformationsnetzwerk Berlin-Brandenburg (ReTraNetz-BB)« ein Reallabor aufgebaut, das den Montageprozess eines Hairpinstators für Elektromotoren mit Cobots abbildet. Hier erproben Forschende von IWF und Fraunhofer IPK neue Interaktionskonzepte, adaptive Steuerungen und KI-unterstützte Prozessstrategien unter realen Bedingungen. Ziel ist es, die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine sicherer und gleichzeitig produktiver zu machen.
Nur mit sicheren Prozessen
Auch die Prozesssicherheit selbst ist ein zentraler Aspekt der Anlagentechnik. In der Automobilindustrie müssen Produktionssysteme mit wachsender Variantenvielfalt und immer kürzeren Produktlebenszyklen Schritt halten. Hier spielt Robotik eine wichtige Rolle, die es erlaubt, komplexe Fertigungs- und Arbeitsschritte zu automatisieren, bisher aber bei hochgenauen Prozessen an Grenzen stößt. Grund dafür ist das nichtlineare Steifigkeitsverhalten vieler Roboterarme, das sich je nach Position und Krafteinwirkung verändert.
Am IWF wurde ein KI-basierter Kompensationsansatz entwickelt, der diese Schwankungen ausgleicht. Ein neuronales Netz modelliert das Steifigkeitsverhalten und generiert automatisch korrigierte Werkzeugbahnen. Tests mit einem Industrieroboter vom Typ FANUC M-900iB/700 zeigen, dass sich Maßabweichungen um bis zu 75 Prozent reduzieren lassen – von ursprünglich 2,4 Millimetern auf 0,6 Millimeter. Gleichzeitig verbessert sich die Rundheit der geformten Bauteile deutlich. Das Ergebnis zeigt, dass intelligente Regelungen die Präzision erhöhen und Prozesse stabiler machen. Damit werden Roboter zu einem Werkzeug, das Qualität und Sicherheit gleichermaßen stärkt.
Solche Werkzeugverlängerungen können zu Geschossen werden, wenn sie sich bei der Fertigung lösen – ein Risiko für Menschen in der Umgebung.
Beim Glattdrücken werden Bauteile mithilfe eines Diamantkopfes mit höchster Präzision gefertigt.
Sicherheit ist auch beim Endprodukt gefragt
Nicht nur die Produktion selbst, auch die Qualität der gefertigten Komponenten ist ein Sicherheitsfaktor. Besonders in der Automobilindustrie gelten aus naheliegenden Gründen strenge Anforderungen an Präzision und Oberflächengüte von Bauteilen. Denn wenn beispielsweise Kurbelwellen, Lagerbohrungen oder Gehäuse versagen, kann es zu lebensgefährlichen Unfällen kommen. Das am IWF erforschte Verfahren des Glattdrückens bietet eine neuartige Lösung zur Fertigung solcher Bauteile. Ein monokristalliner Diamantkopf wird mit exakt definierter Prozesskraft in die Oberfläche des Werkstücks eingedrückt und entlang einer programmierten Bahn geführt. So wird die oberste Materialschicht lokal plastisch verformt, ohne dass Material abgetrennt wird. Die Oberflächenrauheit sinkt, gleichzeitig steigt durch Kaltverfestigung die Verschleißfestigkeit.
Ein entscheidender Vorteil liegt in der Integration des Prozesses direkt in bestehende Fräsmaschinen. Dadurch werden zusätzliche Bearbeitungsschritte überflüssig, die Bearbeitungszeit verkürzt sich und der Ressourceneinsatz sinkt. So entstehen Bauteile, die nicht nur glatter und präziser, sondern auch langlebiger sind – ein Zugewinn an Sicherheit, der sich bis ins Endprodukt fortsetzt.
Innovationsmotor statt Hindernis
Sicherheit, Präzision und Zuverlässigkeit sind mehr als nur Voraussetzungen moderner Produktion – sie sind Innovationstreiber. Am IWF der TU Berlin zeigt sich, dass sich Sicherheit nicht auf die Schutzverkleidung einer Maschine beschränkt, sondern ein Systemdenken erfordert, das Mensch, Technik und Prozess als Einheit begreift.
Ob in der Weiterentwicklung von Schutzsystemen, in der Mensch-Roboter-Kollaboration oder in der Optimierung von Oberflächen – überall entsteht Wissen, das industrielle Anlagen sicherer macht. Damit ist Sicherheit in der Fabrik der Zukunft kein Hindernis, sondern der Motor für Fortschritt.