06.04.2021

Biointelligente Produktion: Wie das Fraunhofer IPA die Zukunft unserer Fertigung sieht

Was kommt nach Industrie 4.0? Welche Rolle spielt dabei die Bionik? Und wie wirken sich diese neuen Technologien auf Menschen, Unternehmen und Produktionssysteme aus? Robert Miehe vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart im Interview.

Fabriken neu denken, Resilienz der Produktionssysteme, Exoskelette oder die „Ultraeffizienzfabrik“ – der nächste logische Schritt nach Industrie 4.0 soll die Biologische Transformation sein. Trend, Hype oder ein grundlegender Wandel? Wir haben bei Robert Miehe, Forschungsgruppenleiter für Nachhaltige Wertschöpfungssysteme und Geschäftsführer des Kompetenzzentrums Biointelligenz beim Fraunhofer IPA, nachgefragt.

Reed Exhibitions: Herr Miehe, Ihr Institut sieht die Trendwende zur Biologische Transformation schon längst gekommen. Begriffe wie Bioökonomie und Bionik sind aber weitaus geläufiger. Worin unterscheiden sich diese?

Robert Miehe: Die Bionik beschreibt die Übertragung bzw. Inspiration von Phänomenen der Natur auf die Technik. Biologische Systeme selbst sind hier nicht Teil der Lösung. Die Biologische Transformation baut zwar u.a. auf der Bionik auf, integriert aber ebenso die Bioökonomie, Biotechnologie, Informationstechnologie und ‚klassische‘ Ingenieurwissenschaften. Sie beschreibt die zunehmende Nutzung von Materialien, Strukturen, Prozessen und Organismen der belebten Natur in der Technik. Diese systematische Anwendung von Wissen über biologische Prozesse hat das Potenzial, künftige Produkte, Herstellprozesse, Organisationen, kurz die Lebensweise der Menschen insgesamt tiefgreifend zu verändern.

Mit welchem Ziel?

Miehe: Das Hauptziel ist die Erneuerung der technischen Basis einer Volkswirtschaft, um eine zukunftsfähige Wirtschaftsform zu ermöglichen: die technologieorientierte Bedarfswirtschaft. Diese Form des Wirtschaftens führt zu einer Dezentralisierung der Wertschöpfung und einer massiven Reduktion des Verbrauchs von nicht-regenerativen Materialien und verursachten Emissionen.

© Fraunhofer IPA
Robert Miehe ist Forschungsgruppenleiter für Nachhaltige Wertschöpfungssysteme und Geschäftsführer des Kompetenzzentrums Biointelligenz beim Fraunhofer IPA.

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Ein weiterer Aspekt für Biointelligenz sind weitreichende Energieeffizienzmaßnahmen. 

Kurzum: Re- und Upcycling sowie Resilienz?

Miehe: Re- und Upcycling sind intendierter Teil des Produktlebens. Biobasierte Produkte können problemlos an die Biosphäre abgegeben und zurück in den Wertschöpfungskreislauf geführt werden. Die Substitution importierter durch regional verfügbare biobasierte Materialien verringert die Importabhängigkeit stark. In Summe sinkt der individuelle Fußabdruck der Bürgerinnen und Bürger auf ein ökologisch vertretbares Maß. Die Ökosphäre wird entlastet, die Resilienz der Systeme gestärkt. Bei dem Konzept der technologieorientierten Bedarfswirtschaft handelt es sich um eine spezielle Wirtschaftsweise, die wesentliche menschliche Bedürfnisfelder (u.a. Energie, Konsum, Ernährung, Wohnen und Gesundheit) revolutioniert.

Wie kann man sich die Interaktion im Umfeld der biologischen Transformation vorstellen? Was bedeutet das z.B. für Mitarbeiter?

Miehe: Wenn wir über die biologische Transformation sprechen, gehen wir zunächst einmal von drei abstrakten Ebenen, der biologischen, technischen und informatorischen Ebene aus. Diese können in unterschiedlicher Form integriert werden. Die Interaktion stellt die höchste Ebene dar. Hier werden biologische, technische und informatorische Systeme zusammengeführt. Diese systematische informationstechnische Vernetzung biologischer und technischer Systeme ist die wesentliche Voraussetzung für biointelligente Systeme. Im Kern stellen diese Systeme also die logische Ergänzung von Cyber-Physischen Systemen um die biologische Komponente dar.

In diesen Systemen wird die menschzentrierte Arbeitsplatzgestaltung von hoher Wichtigkeit sein. Schon heute sind erste Ergebnisse des Zusammenspiels von Bio­technologie und Informationstechnologie im Kontext der menschlichen Arbeit erkennbar.

Können Sie uns Beispiele dafür nennen?

Miehe: Ja natürlich. Intelligente Armbänder erfassen die Bewegungen von operativen Prozessen in Produktion und Logistik und erlauben damit Rückschlüsse auf die Belastung der Mitarbeiter. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Exoskeletten in der Produktion zum Heben von schweren Lasten und Erleichtern von Über-Kopf Arbeiten.

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"Die menschzentrierte Arbeitsplatzgestaltung wird von hoher Wichtigkeit sein", ist Miehe überzeugt. Auch der Einsatz von Exoskeletten zählt dazu. 

Vor welche Herausforderungen stellt das aber die Unternehmen?

Miehe: Eine biologisch transformierte Wertschöpfung geht mit einer zu­nächst erhöhten Komplexität für die Mitarbeiter einher, die durch umfassende Weiterbildungsangebote sowie Um- und Neustrukturierungen des Tätigkeitsbereichs am Arbeitsplatz abgefedert werden muss. Selbstlernan­sätze und Incentive-Modelle können hierbei hilfreich sein.

Sie sprechen von der gestärkten Resilienz der Systeme. In der Biologischen Transformation verändern sich Systeme autonom - hinkt man dann in der Entwicklung von Security/Safety/Privacy-Systemen stets hinterher?

Miehe: Sicherheit und Privatsphäre werden auch in Zukunft in allen Feldern der Biologischen Transformation zu Handlungsbedarf führen. Ich würde aber nicht unbedingt sagen, dass wir als Gesellschaft hinterherhinken. In einer gesunden Demokratie wie der unseren reflektiert die politische Entscheidung zumeist das aktuelle Votum der Wähler. Die Entwicklung und Anwendung von Technologien muss stets im Einklang mit gesellschaftlich akzeptierten Zielvorstellungen erfolgen. Zu diesem Zweck haben wir das Konzept der Biointelligenz entwickelt.

Was sieht das Konzept der Biointelligenz vor?

Miehe: Neben einem klaren technologischen Ziel (der systematischen informationstechnischen Vernetzung biologischer und technischer Systeme), sieht es auch ein normatives Ziel (die vorausschauende Entwicklung und Applikation von Technologien) vor. Zusammengefasst heißt das, dass wir beginnen müssen, neben der Machbarkeit und dem ökonomischen Nutzen die ökologische und soziale Wirkung mitzudenken.

Thema Ultraeffizienzfabrik - wie könnte so eine aussehen?

Miehe: Die Kernelemente der Ultraeffizienzfabrik sind die Vermeidung von Abfall, Emissionen und Verschwendung sowie die Etablierung neuer Recyclingverfahren für eine Kreislaufführung von Rohstoffen bzw. Materialien. Weitere Aspekte sind eine intelligente Organisation der Produktion und der zugehörigen Arbeitsschritte sowie Energieeffizienzmaßnahmen in Gebäuden und Produktionsprozessen.

Das bedeutet, der Materialfluss wird noch weiter optimiert?

Miehe: Richtig. Indem überschüssiges Material innerhalb der Produktionslinie aufbereitet wird, mit dem Ziel der Zeitersparnis und der verlustfreien Produktion. Falls keine Aufbereitung des Materials mehr möglich ist, wird es dem klassischen Recyclingprozess zugeführt. Automatisierte Abläufe und eine intelligent vernetzte Produktion machen den Transport von Zwischen- und Endprodukten effizienter. Gleichzeitig werden dadurch Emissionen gespart und die Ressourcennutzung minimiert.

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Fabriken werden neu gedacht - weg vom Bild der schmutzigen Fabrik und rauchendem Schlot, die niemand in seinem Umfeld haben möchte. Sorgen effiziente und nachhaltige Fabriken aber nun für eine "Landflucht"? 

Bleibt noch die Energieversorgung. Wie verhält es sich damit und wo kommt hier der Mitarbeiter ins Spiel?

Miehe: Die Energieversorgung der Fabrik ist ebenfalls intelligent gesteuert. Mitarbeiter bzw. das Personal gelten als Herzstück der Fabrik und werden durch individualisierte Arbeitsplätze und bedürfnisorientierte Organisation der Fabrik ideal in das Produktionsumfeld miteingebunden. Auch hier denken wir Fabriken neu, d.h. weg von der dreckigen Fabrik, die niemand in seinem Umfeld haben möchte, hin zu einer ästhetisch ansprechenden Fabrik, die sich symbiotisch verlustfrei in die Umgebung einfügt. Ähnliche Ansätze sprechen passenderweise von einer Positive-Impact Factory auf allen Ebenen.

Siedelt sich die Industrie demnach wieder in Stadtgebieten an? Folgt nun die "Landflucht" der Industrie?

Miehe: Im Rahmen der Ultraeffizienzfabrik profitiert nicht nur das Unternehmen selbst, sondern auch ihr Umfeld wird dadurch effizienter und nachhaltiger. Je enger die Vernetzung, desto positiver die Auswirkung. Egal ob mit einzelnen benachbarten Unternehmen oder innerhalb eines gesamten Gewerbegebiets. Das betrifft sowohl die Lebensqualität von Menschen in der Fabrik als auch außerhalb. Bei einer Landflucht könnten zwar die Vorteile innerhalb der Fabrik genutzt werden, jedoch nicht die außerhalb. Ein Ziel der Ultraeffizienzfabrik ist es nicht, am Werkstor Halt zu machen, sondern das Umfeld als lebenswerte Umgebung mitzudenken.

Eine weitere Disruption ist die Additive Fertigung. Sie ist bereits in den Unternehmen angekommen. Was könnte hier der nächste Schritt sein? Ist sie reif für die Industrialisierung? Kunststoff als Rohstoff lässt sich einfacher "herstellen" als Aluminium?

Miehe: Die additive Fertigung ist eindeutig eine disruptive Technologie, die die Produktion in den nächsten Jahren entscheidend verändern und eine verstärkte Individualisierung der Produkte vorantreiben wird. Dass dies aktuell nicht immer zum Besseren der Umwelt und Qualität erfolgt, liegt an der Reife der Verfahren. Während man bei den Kunststoffen schon recht weit ist, sind Metall und Materialkopplung sicherlich zwei vielversprechende Pfade. Mittelfristig werden zudem Ansätze des Bioprinting und des Additive Biomanufacturing (z.B. Enzymdruck), eine größere Rolle spielen. Ihr Einsatz in Privathaushalten ist z.B. zum Druck von Lebensmitteln und Konsumgütern denkbar.

So können Unternehmen mittels Additiver Fertigung Ersatzteile selbst 3D-drucken. Bei der Energieversorgung ist man noch nicht unabhängig. Verfügt zukünftig jede Produktionsstätte über eine Energieversorgungsanlage?

Miehe: Im besten Fall Ja. Gerade die Corona-Krise zeigt uns, dass neben der Wirtschaftlichkeit das Thema Resilienz enorm an Bedeutung gewinnt. Je mehr Energie und Rohstoffe vor Ort ‚geschürft‘ werden können, umso weniger anfällig ist eine Anlage gegenüber äußeren Störungen. Künftige Produktionsanlagen erzeugen und steuern ihren Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen automatisiert und federn Leistungsspitzen oder Engpässe über effektive Speichertechnologien ab. Im besten Fall entsteht eine „Plus-Energiefabrik“, die mehr Energie erzeugt als sie verbraucht. Und nicht nur das: Mittelfristig lassen sich durch Technologien der biologischen Transformation (z.B. Bioelektrolyseure) Material- und Energiekreisläufe koppeln. So können unsere Produktionssysteme sich weiter an natürliche Vorbilder angleichen.

 

Herzlichen Dank für das Gespräch!

© Cubicure
Die Additive Fertigung stellt ganz klar eine Disruption dar. Sie ist in den Unternehmen angekommen und bahnt sich ihren Weg in die Industrialisierung. Ersatzteile aus dem 3D-Drucker? Unternehmen wie Cubicure machen es bereits eindrucksvoll vor. 

Teil 2 des Interviews beleuchtet Cobots, die Mensch-Maschine-Kommunikation, Auswirkung auf die Arbeitsplätze und welche Rolle die Biologische Transformation in Zukunft spielen wird.

 

Das Interview führte Jasmin Ladinig, Head of Content.