Die 1990er Jahre: Doppelter Neuanfang

Der wirtschaftliche Strukturwandel kommt im Fraunhofer IPK an

Bei allen Bemühungen um einen Anschub der ostdeutschen Wirtschaft: Zunächst brach die Auftragsforschung im Institut stark ein. Die Gründe sind vielschichtig. Die Westberliner Wirtschaft war jahrelang subventioniert worden, um vor allem verarbeitendes Gewerbe trotz der ungünstigen Standortbedingungen ohne Zugang zum Umland in der Stadt zu halten. Diese sogenannte Berlinförderung wurde nach 1990 rasch abgebaut, wodurch der Standort für viele Unternehmen unattraktiv wurde. Ein großer Teil wanderte nach Westdeutschland ab, vormals enge Beziehungen zum Fraunhofer IPK kamen dabei häufig zum Erliegen. Zugleich gingen mit der allgemeinen Rezession nach der Wende die Investitionen in Forschung und Entwicklung zurück.

Die Effekte lassen sich im Institut wie durch ein Brennglas beobachten: Zwischen 1992 und 1995 sank die Zahl der Beschäftigen stark ab, während gleichzeitig das Budget massiv zurückging. Ein Blick auf die auftraggebenden Branchen zeigt, dass das Institut seinen Fokus verschob, um sein Fahrwasser zu stabilisieren: Kamen die auftraggebenden Unternehmen vor 1990 vor allem aus den Bereichen Elektro- und Kommunikationstechnik sowie Maschinenbau, gewann jetzt zum Beispiel die Fahrzeugindustrie an Einfluss. Auch Branchen, die vormals nur ein geringes Auftragsvolumen erzeugten, wurden nun in den Statistiken offiziell genannt – etwa die Optik oder Luft- und Raumfahrt. Ab Mitte der 1990er Jahre stabilisierte sich auf dieser Grundlage die wirtschaftliche Lage des Instituts, und der veränderte Branchenfokus bewirkte eine spannende Erweiterung der Forschungsthemen über das Jahrzehnt hinweg. 

Lights, Camera, Action!

Praktische Anwendungen für die fortschrittlichen Methoden ließen nicht lange auf sich warten: Von der Inspektion von Kanalsystemen mit Robotern über die Qualitätsprüfung von Teilen aus Gießprozessen bis zur Unterstützung der Diagnose im Deutschen Herzzentrum war das Team von Dr. Nickolay gefragt. Dabei wurde aktiv der Kontakt in die Praxis außerhalb der Produktion gesucht. Für die Forschenden war klar: Ihre Systeme zur industriellen Bildverarbeitung hatten das Potenzial, aus der Produktion heraus in andere Bereiche übertragen zu werden, da sie in der Lage waren, nahezu beliebige Muster zu erkennen und zu analysieren.

Die Mustererkennung fand in Form der Optical Character Recognition (OCR) so auch immer mehr Einzug in alltägliche Fragestellungen. Pkw-Kennzeichen in Parkhäusern automatisch zu erkennen, schaffte das System des Fraunhofer IPK in ein bis zwei Sekunden. Projekte zu Fälschungssicherung, Unterschriftenprüfung und Fingerabdruckidentifikation waren ebenfalls überaus erfolgreich: Als strategischer Partner von Banken und Behörden wie dem Bundeskriminalamt war das Institut jahrelang an wichtigen Entwicklungen in der Sicherheitstechnik beteiligt. Dass mit Dr. Nickolay und seiner Abteilung ein neuer Schwerpunkt für die Forschung des Instituts entstanden war, sollte sich noch bis in die 2010er Jahre auswirken – mit Projekten wie der Rekonstruktion von Kulturgütern, die weltweit Anwender fanden.

Dem realen Prozess virtuell vorgreifen

Modellierung und Simulation sind heute unverzichtbare Werkzeuge in der Produktion. Von der Absicherung von Bearbeitungsvorgängen über die Einrichtung von Prozessketten bis zur Abbildung komplexer Unternehmensstrukturen unterstützen sie Abläufe auf allen industriellen Hierarchieebenen. Eigenschaften und Verhalten von Systemen werden damit ohne aufwändige Versuche in der Realität erfasst und optimiert, komplexe Zusammenhänge nachvollziehbar visualisiert.

Vor diesem Hintergrund ist es wenig überraschend, dass in einem Institut mit starkem Digitalfokus der weite Themenbereich »Simulation« frühzeitig ein bestimmendes Tätigkeitsfeld wurde. Seit den 1980er Jahren finden sich in den Jahresberichten des Instituts Beschreibungen von Forschungsarbeiten zu Simulationsthemen quer über alle Fachbereiche des Instituts hinweg. Aus der Vielzahl der Aktivitäten zur Simulation von Fertigungsprozessen sei eine beispielhaft hervorgehoben: Anfang der 1990er Jahre war das Institut in der Lage, den kompletten Prozess des automatisierten Lackierens von Karosserien virtuell abzubilden und entsprechende Lösungen in der Fahrzeugindustrie zu implementieren. Die entwickelten Technologien wurden Teil des »RobCAD Painting Module« des israelischen Unternehmens Tecnomatix und gelangten darüber später in die Product Lifecycle Management Software der Firma Siemens. 

Unterschiedliche Kompetenzbereiche des Instituts spielten in diesen Themenkomplex hinein, etwa die Konstruktionstechnik und Robotik. Ein Teilbeitrag aus letzterem Bereich wurde preisgekrönt: Dr. Xiaoyi Liu erhielt für seine Dissertation zum pneumatischen und elektrostatischen Lackierprozess 1992 den Carl-Ramsauer-Preis der AEG. Die Begründung für die Auszeichnung: Simulation integriert Domänenwissen aus unterschiedlichen Bereichen, sie bringt physikalische, chemische oder mechanische Aspekte mit informationstechnischen Werkzeugen zusammen. Dr. Xiaoyi Liu gelang es wegweisend, die Gebiete Strömungstechnik, elektrische Feldtheorie, Informatik und praktische Anwendung in der Industrie in Einklang zu bringen. Seine Methode wurde industriell in der Offline-Programmierphase von Lackierrobotern angewendet, um eine gleichmäßigere Lackschicht zu erreichen, die Lackiereffizienz zu steigern und Lackfehler zu vermeiden.

Weil die eigentlichen Bewegungsphasen der Industrieroboter nur etwa 40 Prozent der Taktzeiten ausmachten, waren interne Abläufe in der Steuerung wie Interrupts, Logik-, Ein- oder Ausschaltverhalten ebenfalls für Abweichungen verantwortlich. Um diese Prozesse zu simulieren, sollte in RRS II nun sogar eine nahezu vollständige Abbildung der Steuerungen in der Simulation folgen. Dass dies gelingen kann, hatten die Forschenden vom Fraunhofer IPK bereits im Projekt ROTEX für Raumfahrtanwendungen gezeigt. Für die Entwicklung des Virtual Robot Controller Interface (VRC) wurde das Konsortium um Partner aus der Roboterherstellung, Software- und Steuerungsentwicklung erweitert. Insgesamt waren über 35 Firmen beteiligt, die über viele Jahre gemeinsam an der Weiterentwicklung der Schnittstelle forschten. 

Das Projekt wirkt lange nach: RRS I ist in Version 1.3 immer noch gültig.

Mit der Systematisierung der Benchmarking-Aktivitäten begann der Planungsbereich unter Kai Mertins, der inzwischen Professor geworden war, sein Portfolio von der Planung von Produktionsstätten in den Bereich der Managementmethoden zu erweitern. Schon 1997 folgte die Gründung des Competence Center Wissensmanagement (CCWM). Wissen gehört zu den wertvollsten immateriellen Ressourcen von Unternehmen, dessen Bedeutung sich häufig erst dann offenbart, wenn es verloren geht: Treten langjährige Mitarbeitende in den Ruhestand ein, verlieren Unternehmen einen reichen Schatz an Erfahrungswissen. Dieses intellektuelle Kapital zu systematisieren und zu bewahren, ist die Mission des CCWM, das heute von Dr. Markus Will geleitet wird.

Ein wichtiges Tool des CCWM ist die Wissensbilanzierung. Bis 2004 im Rahmen des Pilotprojekts »Wissensbilanz – Made in Germany« im Hinblick vor allem auf die Anforderungen von mittelständischen Unternehmen entwickelt, dient sie dazu, Wissensmanagement (WM) an die Unternehmens- und Geschäftsstrategie zu koppeln sowie die Wirksamkeit und Zielerreichung von WM-Maßnahmen kontinuierlich zu überprüfen. Die Softwareanwendung »Wissensbilanz-Toolbox« unterstützt den Prozess.

Ein Griff ins Klo?

Auch an innovativen Projekten zur Verkehrstechnik beteiligten sich die Forschenden vom Fraunhofer IPK vielfach – obwohl nicht jedes von langfristigem Erfolg gekrönt war. Als die Zusammenarbeit mit CargoLifter 1999 begann, hatte das Luftschiff-Startup gerade den Spatenstich für seine Werft in Brandenburg gefeiert. Unter anderem unterstützte das Fraunhofer IPK CargoLifter bei der Zuliefersuche und vertrat das Unternehmen auf einer Luftfahrtmesse in Moskau. 2002 stellte CargoLifter einen Insolvenzantrag, seit 2004 beherbergt die Werft als größte freitragende Halle der Welt einen Freizeitpark.

Egal ob im Luftschiff, Flugzeug oder Zug, Nasszellen mit WC werden in vielen Verkehrsmitteln benötigt. So koordinierte das Fraunhofer IPK im »Lavatory Design Project« mit zahlreichen Unternehmen aus Berlin und Brandenburg die Entwicklung des Verkehrsmittel-WC der Zukunft. Auf der ILA 2000 konnte die futuristisch anmutende Zelle mit einem Design der Fachhochschule Potsdam dem Bundeswirtschaftsminister Werner Müller und dem Regierenden Bürgermeister Diepgen präsentiert werden.

Athen, Hannover, Hennigsdorf!

Mit dem Bereich der Telematik rückte auch die Verkehrsplanung in Echtzeit in den Vordergrund. Bei der Erprobung der Floating Car Data-Technologie lieferten Stichprobenflotten über ihre GPS-Geräte den aktuellen Verkehrszustand der befahrenen Berliner Straßenabschnitte an die Verkehrszentrale im Fraunhofer IPK, in der aus den Einzelmeldungen die Gesamtverkehrslage berechnet werden konnte. Mithilfe von Bildverarbeitungswerkzeugen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnten die Forschenden außerdem erstmals Fahrzeugdichten und Verkehrsdaten aus von einem Helikopter erstellten Luftaufnahmen ableiten. Einsatz fand die FCD-Technologie schnell bei internationalen Großereignissen: Bei den olympischen Spielen in Athen 2004 und im Raum Hannover während der Fußball-WM 2006 wurden die dortigen Verkehrsleitzentralen unterstützt.

Auf der internationalen Bühne

Der Auftrag der Fraunhofer-Gesellschaft ist die Unterstützung der deutschen Wirtschaft – und dieser Auftrag führt die Fraunhofer-Institute mitunter weit über die Landesgrenzen hinaus, in jeden Winkel des Globus. Die Gründe können sehr unterschiedlich sein: Mal geht es darum, den Boden für ein Engagement deutscher Industrien im Ausland zu ebnen, mal darum, deutsche Unternehmen im Ausland zu unterstützen. Auch von internationalen Partnern zu lernen oder globale Herausforderungen gemeinsam zu adressieren, kann ein Aufhänger sein.

Abgesehen davon ist Fraunhofer Teil der wissenschaftlichen Community, und diese ist weltweit vernetzt. Die Internationale Akademie für Produktionstechnik CIRP etwa, der renommierteste Zusammenschluss von Fertigungsforschenden, umfasst Mitglieder aus aktuell 41 Ländern. Seine jährliche Generalversammlung tagte 1990 zum bisher einzigen Mal in Berlin und zwar am PTZ. Ausgerechnet im Jahr der Wiedervereinigung und zur 40. Ausgabe der Veranstaltung – ganz besondere Rahmenbedingungen für die Konferenz. 

Fünf Jahre später, im November 1995, verlieh die Computer and Automated Systems Association of the Society of Manufacturing Engineers (CASA/SME) dem PTZ ihren LEAD Award. Der Preis für »Leadership and Excellence in the Application and Development of Computer Integrated Manufacturing« ehrte die besondere Verbindung von industrienaher Forschung und Entwicklung, Grundlagenforschung sowie Lehre an IWF und Fraunhofer IPK.

Von Berlin nach Jakarta

Das erste umfassende Auslandsengagement des Fraunhofer IPK bestand seit den 1980er Jahren in einer Zusammenarbeit mit Indonesien. Zunächst hatte das Institut Forschungs- und Entwicklungsprojekte vor Ort unterstützt, dann mit einem jährlichen Indonesientag im Rahmen der Berliner Asien-Pazifik-Wochen für ein stärkeres Engagement deutscher Unternehmen in Indonesien als dem bevölkerungsreichsten Staat im asiatisch-pazifischen Raum geworben. In den 1990er Jahren war es maßgeblich an der Gestaltung eines nationalen produktionstechnischen Forschungsinstituts beteiligt, dem Mesin Perkakas Produksi Automatisasi (MEPPO) in Bandung.

Um diese Aktivitäten zu vertiefen, gründete das Fraunhofer IPK Anfang der 1990er Jahre ein Projektbüro in Jakarta. Über diese Niederlassung war das Institut Mitte der 1990er Jahre an einem Großprojekt beteiligt, dessen Ziel es war, ein »nationales Auto« für Indonesien zu fertigen: Ab 1996 unterstützte ein Team aus dem Bereich Planungstechnik von Prof. Kai Mertins die Planung der Autofabrik TIMOR in Jakarta. 1999 wurde das Projektbüro in das Fraunhofer Representative Office FRO Indonesia umgewandelt, die Wirtschaftskrise 2008 beendete das strategische Engagement des Fraunhofer IPK in Indonesien. 

Dreiklang Fertigungstechnologien, Werkzeugmaschinen und Werkzeuge

Um den organisatorischen Unterbau für die Neuorientierung der Forschung zu schaffen, wurden die Abteilungen und Arbeitsgruppen des Fraunhofer IPK in sechs Fachbereiche fokussiert, die die gesamte Prozesskette industrieller Fertigungsbetriebe abbildeten und verstärkt interagieren sollten. Dabei entstand erstmals in der Institutsgeschichte auch ein Bereich, der sich mit der Entwicklung, dem Einsatz und der Anpassung von Produktionsanlagen und Fertigungstechnologien befasste. In den ersten Jahren noch auf Werkzeug- und Formenbau konzentriert, entwickelte sich daraus in kurzer Zeit ein Bereich »Produktherstellung«, der seither neue Bearbeitungsstrategien und -technologien sowie die dazu passende Werkzeug- und Maschinentechnik entwickelt, bestehende Verfahren und Anlagen optimiert oder an neue Rahmenbedingungen angepasst – etwa die Bearbeitung neuartiger Hochleistungswerkstoffe – sowie zukunftsorientierte Werkzeugkonzepte realisiert. Und das sowohl für die Makrofertigung als auch für Mikroproduktionstechnik, die bald darauf zu einem Aushängeschild des Instituts werden sollte. 

Produktentstehung für das nächste Jahrtausend

Anfang der 1990er Jahre war die Situation auf dem CAx-Markt klar: Obwohl Forschungsprojekte wie APS und in Berlin entstandene Programme wie COMVAR und COMPAC in den 1970ern und 1980ern maßgebliche Impulse sowohl in der 2D- als auch in der 3D-Modellierung gesetzt hatten, dominierten vor allem die ressourcenstärkeren US-Softwarehersteller mit ihren Systemen. »Deutsche CAD-Anbieter muss man mit der Lupe suchen«, schreibt 1994 beispielsweise die Computerwoche in einem Artikel zum Verbundprojekt »CAD-Referenzmodell« von Fraunhofer IPK sowie zwölf Industriepartnern und Universitäten. Zukunftsorientierte, flexible und computerunterstützte Produktentwicklung, menschengerechte Arbeits- und Technikgestaltung, schneller und kosteneffizienter qualitativ hochwertige Produkte auf den Markt bringen, Produktdatenmanagement (PDM) – das waren die Schlagworte.

Die Vision der Forschenden: Systeme für »Das virtuelle Produkt«. Aus 2D-Bearbeitung wird 3D-Verarbeitung, aus Geometriemodellen werden virtuelle Produktmodelle, mit deren Hilfe nun alle Aufgaben der Prozessketten unterstützt werden sollten. Der Begriff »virtuell« sollte dabei nicht nur digital bedeuten: Für Professor Frank-Lothar Krause waren hier auch über das Internet vernetzte und global verteilte Unternehmen gemeint, außerdem sollten virtuelle Produkte mithilfe neuer Multimedia-Technologien wie VR und AR entstehen. Auf Initiative von Professor Krause, seit Beginn Leiter der Konstruktionstechnik am Institut, bewarb sich ein Konsortium aus insgesamt über 50 Partnern unter Leitung von Fraunhofer IPK, Volkswagen und Siemens Business Services auf den Leitprojektwettbewerb des BMBF – und gewann: Mit 25 Millionen Euro Förderung des Bundes und weiteren 25 Millionen Euro von Industriepartnern sollten die beteiligten Softwarefirmen, Forschungsinstitute und Anwender im Programm »Innovative Technologien und Systeme für die integrierte Virtuelle Produktentstehung« (iViP) bis 2002 Projekte zu Themen wie Infrastruktur über Werkzeuge zur virtuellen Fertigungserprobung bis hin zur Marktvorbereitung durchführen.

Der digitale Master

Mit iViP sollte eine umfassende IT-Systemwelt für die Produktentwicklung entstehen. Zentral war dafür die Idee der offenen Common Object Request Broker Architecture (CORBA): Statt proprietären Datenformaten und Software, die keine Integrationen zulässt, sollte die iViP-Objektschnittstelle und -Integrationsplattform den Datenaustausch zwischen allen in der Produktentwicklung verwendeten Werkzeugen möglich machen. In Zukunft würden Entwickler und Entwicklerinnen ihre Programme wie Bausteine im zentralen iViP-Client organisieren – sowohl lokal installierte iViP-konforme Werkzeuge als auch externe, noch nicht vollständig eingebundene Software oder sogar Software-on-Demand-Dienste, die nur bei Bedarf aus Intra- oder Internet geladen werden konnten. Zugrunde lag damit auch erstmals der »Digitale Master« als »Single Source of Truth«, mit dem digitale Durchgängigkeit in bisher nicht erreichbarem Umfang umgesetzt werden konnte. Der Kongress »Virtual Product Creation 2002« zog zum Abschluss von iViP Bilanz: Insgesamt entstanden 45 Prototypen, von denen circa 30 zu produktreifen IT-Systemen wurden oder in andere Systeme integriert werden konnten (zum Beispiel die PDM/PLM-Software axalant 2000 oder SAP Automotive). Insbesondere KMU sollten mithilfe der neuen iViP-Architektur Zugang zu bisher unerschwinglicher Hightech-Software erhalten und die Kooperation mit Auftraggebern und Zulieferern verbessern. 

Nicht alle Unternehmen waren zu diesem Zeitpunkt zur Umsetzung einer offenen Architektur in der Praxis bereit und setzten lieber auf den Ausbau eigener Ökosysteme – ein Ansporn für Institutionen wie das Fraunhofer IPK, auch in Zukunft an umfangreichen Industriekooperationen und Austauschformaten zu arbeiten. Ebenfalls im Projekt beteiligt war der ProSTEP-Verein, der sich bereits seit 1993 für industrieübergreifende Datenformate eingesetzt hatte. Mit Abschluss von iViP entschieden sich einige Partner, ihre gemeinsame Arbeit dort fortzuführen. Der so entstandene Verein »prostep ivip« zählt heute knapp 180 Mitglieder aus Industrie und Forschung und organisiert regelmäßig internationale Konferenzen, Workshops und andere Formate rund um die industrielle Produktentwicklung.

»Hallo Maschine, wie geht es dir heute?«

Wenn im Kontext von CIM die Rede davon war, Komponenten einer Fertigungssteuerung »vernetzen« zu wollen, ging es noch um lokale Vernetzung. Das Internet war zwar Ende der 1980er Jahre schon geboren, der Zugang jedoch den Universitäten vorbehalten. Erst 1990 beschloss die National Science Foundation der USA, das Netzwerk für kommerzielle Zwecke zu öffnen – damit wurde es auch für die Arbeiten des Fraunhofer IPK nutzbar. 

Der nun mögliche Blick von außen in die Eingeweide der Maschinensteuerung war aus Perspektive des Fraunhofer IPK vor allem für die Maschinenüberwachung und -wartung interessant. Unter dem Schlagwort »Teleservice« begann der Bereich Steuerungstechnik um Eckhard Hohwieler daher quasi mit Aufkommen des World Wide Web, Maschinensteuerungen netzwerktechnisch zu integrieren. Ziel war es, Daten an der Steuerung abzurufen und diese an einem beliebigen Ort weiterzuverarbeiten – mit der Idee, Maschinenherstellern eine Fernwartung der von ihnen vertriebenen Anlagen zu ermöglichen. Auf diesem Gebiet übernahm das Institut in den folgenden Jahren eine Vorreiterrolle. 

Mehrwertdienste aus Fraunhofer-Hand

So entstand bis Ende der 1990er Jahre eine Plattform, die beliebige Maschinendaten aufnehmen konnte. Diese ermöglichte nicht nur die Fernvisualisierung des Maschinenzustands. Sie unterstützte auch Serviceprozesse. Dazu nahm die Plattform zusätzlich Nutzer- und Vertragsdaten auf, auf deren Basis After-Sales-Services umgesetzt werden konnten. Und: Um zum Beispiel steuerungsbedingte Störungen zu beheben, musste der Wartungsdienst nicht mehr physisch an die Anlage kommen – während bei den Maschinennutzern die Anlagenverfügbarkeit erhöht wurde. 

Was das Fraunhofer IPK bis Anfang der 2000er entwickelt hatte, konnte es in das im Jahr 2000 unter der Leitung des Fraunhofer IPA gestartete Fraunhofer-Leitprojekt »e-Industrial Services« einbringen. Ralf Berger realisierte dabei in Zusammenarbeit mit dem GMD-Institut FOKUS (dem heutigen Fraunhofer FOKUS) eine Plattform für die Unterstützung und Durchführung von digitalen Serviceprozessen. Durch das Leitprojekt wurde für das Thema eine höhere Reichweite und Verbreitung erzielt. 

Das Leitprojekt »e-Industrial Services« adressierte Themen, die bis heute aktuell sind: Systemkosten von Anlagen sollten über den gesamten Lebenszyklus reduziert werden. Anlagenhersteller sollten die Attraktivität ihrer Produkte steigern und neue Geschäftsfelder erschließen. Über die Service-Erbringung sollten Hersteller Einsatzprofile ihrer Anlagen erhalten. Dadurch sollte Optimierungspotenzial aufgedeckt werden und durch Feedback to Design in die Weiterentwicklung der Produkte und Serviceleistungen einfließen. Hohwielers Team vertiefte im Projekt das Thema Condition Monitoring und erweiterte seine Entwicklungen auf diesem Gebiet um ergänzende Dienstangebote eines ganzheitlich digital unterstützten Wartungsprozesses. Viele der Ideen ließen sich Anfang der 2000er noch nicht umsetzen wie angedacht, doch sie bildeten die Grundlage für das, was zehn Jahre später unter dem Schlagwort »Industrie 4.0« allgemeine Verbreitung in der Industrie finden würde.