Das Edge Cloud Continuum for Production (ECC4P) des Fraunhofer CCIT kombiniert die Vorteile von Edge Computing und Cloud Computing, integriert KI- und ML-Modelle und bildet dank des Betriebs in einem souveränen Datenraum ein vollumfängliches, sicheres Monitoring-System für die Fertigung. (Quelle: Fraunhofer CCIT)
Fertigende Unternehmen sehen sich aktuell mit gewaltigen Herausforderungen konfrontiert: Globaler Wettbewerb, steigende Energiepreise, zunehmende regulatorische Vorgaben, geopolitische Unsicherheiten, Nachhaltigkeitsanforderungen und der anhaltende Fachkräftemangel setzen die Branche unter Druck.
Das Edge Cloud Continuum integriert IoT-Sensorik, Edge Computing, Cloud-Technologien und künstliche Intelligenz in einem souveränen Datenraum. Es verfolgt das Ziel, Daten dort zu verarbeiten, wo es technisch und ökonomisch am sinnvollsten ist. Zeitkritische Informationen werden direkt an der Maschine, also an der Edge, ausgewertet. Dies ermöglicht schnelle Reaktionszeiten und lokale Datenkontrolle. Cloud-Computing hingegen stellt die nötige skalierbare Rechenkapazität für komplexe Analysen bereit und übernimmt rechenintensive Aufgaben wie die Analyse großer Datenmengen oder das Training von Machine Learning (ML) Modellen. Die Rechenleistung wird dabei dynamisch und nahtlos verteilt.
Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Wahrung der Datensouveränität. Unternehmen behalten die volle Kontrolle darüber, wer Zugriff auf ihre Daten hat und in welchem Umfang diese genutzt werden dürfen. Gerade vor dem Hintergrund neuer europäischer Regularien wie dem Data Act gewinnt dieser Punkt zunehmend an Bedeutung. Das ECC schafft die Basis für eine vernetzte Industrie, in der Daten nicht nur sicher, sondern auch wertschöpfend eingesetzt werden können. Mit dem »Clouditor« steht darüber hinaus ein Assurance-Werkzeug zur Verfügung, das automatisierte Prüfungen der Edge- bzw. Cloud-Dienste auf die Einhaltung zugesagter Sicherheits- oder Compliance-Anforderungen überprüft und nachweist.
ECC4P in der Praxis
Ein zentrales Einsatzfeld ist die IoT-gestützte Echtzeitüberwachung von Produktionsprozessen. Modernen Sensortechnologien – ob nachgerüstet oder als Teil der Maschinen – erfassen Prozessparameter wie Temperatur, Vibration, Prozesskraft oder Druck. Sie werten diese in Echtzeit aus und ermöglichen unmittelbare Anpassungen. So lassen sich beispielsweise Werkzeugverschleiß und Prozessanomalien frühzeitig erkennen und beheben, bevor sie gravierende Auswirkungen auf die Produktqualität haben. Präventive Wartung reduziert zudem ungeplante Maschinenstillstandzeiten, steigert die Effizienz, verlängert die Lebensdauer von Maschinen und senkt Betriebskosten.
Im Forschungsschwerpunkt Edge Cloud Continuum des Fraunhofer CCIT wurden bereits Sensoriklösungen entwickelt, die Umformprozesse in Echtzeit überwachen. Dazu gehören der intelligente Nutenstein smartNOTCH, das hochsensitive Messsystem smartGRIND und der intelligente Werkzeughalter smartTOOL. So lässt sich beispielsweise ein Werkzeugwechsel bei kritischem Verschleiß automatisch einleiten. Auch die Positionierung von Material oder die Anpassung von Prozessparametern wie Vorschub und Drehzahl kann auf diese Weise dynamisch gesteuert werden. Die Verbesserung beschränkt sich dabei nicht nur auf die einzelne Maschine. Das Wissen über identifizierte Fehlerquellen und Ineffizienzen lässt sich – dank des ganzheitlichen Ansatzes und der ML-Modelle – innerhalb der Fabrik sowie standortübergreifend übertragen.
Damit eröffnet das Zusammenspiel von Edge und Cloud Möglichkeiten, die über kurzfristige Eingriffe hinaus geht. In der Cloud werden Messdaten von unterschiedlichen Quellen wie Sensorik, Maschinen und externer Datenquellen zunächst synchronisiert und strukturiert. Anschließend werden sie über standardisierte Schnittstellen weiterverwertet, zum Beispiel für das Training und die Weiterentwicklung anwendungsspezifischer ML-Modelle. Das Gelernte wird dann von der Cloud wieder auf die Edge Devices verteilt, wo die lokalen Systeme im laufenden Produktionsbetrieb auf die Erkenntnisse zugreifen und sie anwenden können. Dieser Kreislauf ermöglicht es, Abläufe kontinuierlich zu verbessern. So entsteht ein vollumfängliches Edge-Cloud-Monitoringsystem für die sensitive Überwachung, Steuerung, Dokumentation und Automatisierung von Produktionsprozessen.
ECC strategisch einsetzen: Digitale Zwillinge und neue Geschäftsmodelle
Ganzheitlich integriert, schafft das Edge Cloud Continuum eine Datenbasis für die Erstellung eines digitalen Zwillings realer Vorgänge. Während der klassische Planungszwilling seine Grenzen mit dem Abbild des geplanten Verhaltens unter Idealbedingungen erreicht, speist sich der Produktionszwilling im ECC4P aus aktuellen Produktions- und Maschinendaten, die durch KI angereichert werden. Damit entsteht ein Abbild des realen Werkstücks, das die Lücke zwischen konstruktiver Planung und realem Fertigungsgeschehen schließt. Der digitale Produktionszwilling kann sowohl zur Prozessoptimierung, Effizienzsteigerung und Kostenreduzierung eingesetzt werden. Gleichzeitig ermöglicht er einen Soll-Ist-Abgleich. Auf Basis der erfassten Messwerte lässt sich erkennen, ob Bauteile exakt wie geplant gefertigt wurden oder ob Struktur, Oberfläche oder Maßtoleranzen abweichen. Dadurch können fehlerhafte Werkstücke gezielt ausgeschleust werden oder Prozesse nach voriger Simulation am digitalen Zwilling frühzeitig angepasst werden, idealerweise noch bevor Ausschuss entsteht.
Durch die Kombination von intelligenter Sensorik, souveräner Datenverarbeitung und KI-gestützten Analysen schafft das Edge Cloud Continuum zudem die technologischen Voraussetzungen für wertorientierte Geschäftsmodelle. Anbieter können ihre Maschinen beispielsweise im Rahmen von Pay-per-Use- oder Equipment-as-a-Service-Modellen bereitstellen und ihre Services dabei auf Basis von Nutzerdaten kontinuierlich verbessern. Damit fördert der Ansatz engere Kundenbindungen, wirtschaftliche Stabilität und eine größere Differenzierung vom Wettbewerb. Nutzer hingegen profitieren von planbaren Kosten, Flexibilität, moderner Technologie und verlässlicher Instandhaltung.
Fundament für Wettbewerbsfähigkeit
Sensortechnologien, die Prozesse überwachen und Daten aggregieren, lassen sich im Rahmen des Retrofittings – der gezielten Modernisierung und digitalen Erweiterung bestehender Maschinen – gezielt nachrüsten. Kostenintensive Neuanschaffungen moderner Anlagen sind somit nicht erforderlich. Gleichzeitig werden Unternehmen flexibler: Mit dem Edge Cloud Continuum for Production können sie bestehende Strukturen nach dem Baukastenprinzip durch einzelne Komponenten ergänzen oder – je nach eigenen Anforderungen – ihre Systeme skalierbar erweitern. So bildet der Ansatz das Fundament für eine komplexe, vernetzte Gesamtarchitektur.
Für produzierende Unternehmen, die sich mit den eingangs genannten Herausforderungen konfrontiert sehen, ist die Weiterentwicklung und Modernisierung ihrer Maschinenparks längst nicht mehr optional. Investitionen in digitale Technologien zahlen sich durch umfangreiche Mehrwerte aus. Unternehmen profitieren von transparenten Einblicken in ihre Fertigungsprozesse, effizienten Abläufen dank Echtzeitüberwachung und -anpassungen sowie von erweiterten Prognosen und Auswertungen durch die Integration eines digitalen Zwillings und KI-Technologien. Damit wird die Basis für die durchgängige Digitalisierung der gesamten Prozesskette geschaffen, die notwendig ist zur Erfüllung von regulatorischen Auflagen. Dazu zählt beispielsweise der Digitale Produktpass, das Lieferkettengesetz sowie Sicherheitsanforderungen wie sie in NIS2 oder CRA formuliert sind. All dies erfolgt im Edge Cloud Continuum unter Wahrung der Datensouveränität. Unternehmen behalten stets die Kontrolle darüber, wer welche Informationen nutzen darf – ein wesentlicher Aspekt in Zeiten zunehmender Datenökosysteme und verschärfter europäischer Regularien wie dem Data Act.
Damit ist das Edge Cloud Continuum weit mehr als nur ein technologisches Projekt. Es ist ein strategischer Baustein auf dem Weg zur Industrie 5.0, die Effizienz, Nachhaltigkeit und Resilienz miteinander verbindet. Für Unternehmen bietet es die Chance, aktuelle Herausforderungen nicht nur zu bewältigen, sondern in Wettbewerbsvorteile zu verwandeln.