TREND Zukunft der Fertigung Forschungsprojekt verbindet Quantencomputing und Metallbearbeitung Mit Quanten-Power zum digitalen Zwilling der Zerspanung Der digitale Zwilling ist eine Schlüsseltechnologie, um Produktionsprozesse sowie Bauteile zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung zu erhöhen. Mit dem Forschungsprojekt Quasim verfolgen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen und seine Konsortialpartner das Ziel, Fertigungssimulationen mithilfe unterschiedlicher Algorithmen und Technologien des recheneffizienten Quantencomputings zu beschleunigen und dadurch Hürden für den industriellen Einsatz abzubauen. Der IBM Quantum System One in Ehningen ist der bisher leistungsfähigste Quantencomputer im industriellen Umfeld in Europa. Bild: IBM Research Die Prozessauslegung, -optimierung und -überwachung auf Basis eines digitalen Zwillings gewinnt deshalb zunehmend an Bedeutung. Digitale Zwillinge sind virtuelle, datenbasierte Repräsentationen der Bauteile sowie der Fertigungsumgebung. Die Erstellung eines vollständigen digitalen Zwillings erfordert den Einsatz anspruchsvoller numerischer Simulationsmodelle und Algorithmen des Machine Learning. Die Modelle bilden den Fertigungsprozess und seine Auswirkungen auf das Bauteil zwar präzise ab, ihre Ausführung ist jedoch derart rechenintensiv, dass die reale Anwendung in der Industrie heute noch auf sich warten lässt. Hier fehlt es vielen Unternehmen an einer entsprechend leistungsstarken digitalen Infrastruktur. Quantencomputing beschleunigt Erstellung digitaler Zwillinge Das Forschungsprojekt Quasim (Quantum Computing Enhanced Service Ecosystem for Simulation in Manufacturing) verbindet erstmals Quantencomputing (QC) und die metallverarbeitende Industrie: Ziel der Projektpartner ist die Entwicklung und Erprobung von Lösungen des Quantencomputings in der Fertigung, etwa für Zerspanprozesse. Sie möchten herausfinden, inwiefern ■■■■■■ Die Hochleistungszerspanung ist eine wichtige Technologie zur Produktion von High-Tech-Komponenten in Industrien wie Triebwerksbau, Halbleiterindustrie und Medizintechnik. Trotz der hohen Effizienz moderner Zerspanprozesse betragen die Produktkosten je nach Bauteil oftmals mehrere tausend bis hunderttausend Euro. Ein erheblicher Anteil dieser Kosten entsteht bei zeit- und kostenintensiven Produktionsanläufen sowie durch Qualitätsmängel und Ausschuss innerhalb der laufenden Produktion. Leuchtturmprojekt für die deutsche Industrie Das im Juni 2021 in Ehningen bei Stuttgart vorgestellte Quantum System One ist laut IBM der derzeit leistungsfähigste Quantencomputer im industriellen Umfeld in Europa. Zunächst wird er exklusiv der Fraunhofer-Gesellschaft zur Verfügung stehen, von deren Ergebnissen wiederum kommerzielle Unternehmen profitieren sollen. Die Recheneinheiten von Quantencomputern werden Qubits genannt. Im Unterschied zu den Halbleiter- Transistoren konventioneller Prozessoren können sie neben den Zuständen 0 und 1 auch beliebige Zwischenzustände einnehmen. Kombiniert man viele Qbits, dann steigt die Zahl der parallel durchführbaren Rechenoperationen immens. Das Zusammenwirken der Recheneinheiten ist dabei der Interaktion von Atomen und Molekülen in einem Material sehr ähnlich, weshalb dem Quantencomputing gerade in den Bereichen der Werkstoffentwicklung und der Bearbeitungstechnik ein großes Potenzial vorhergesagt wird. 24 Mai 2022
eine QC-Unterstützung die Erstellung eines digitalen Zwillings in der Zerspanung beschleunigen und damit die Ergebnisqualität verbessern kann. Berechnung komplexer Modelle auf QC-Hardware Das Fraunhofer IPT hat sich zum Thema Digitaler Zwilling eine weitreichende Expertise erarbeitet, die sich auch in dPart wiederfindet, einem am IPT entwickelten Rahmenwerk für den digitalen Zwilling in der Zerspanung. Das Rahmenwerk wird im Zuge zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte stetig erweitert und soll auch im Projekt Quasim zum Einsatz kommen. Zur Erstellung der digitalen Zwillinge werden unter anderem komplexe Modelle und Algorithmen aus der Numerik und dem maschinellen Lernen verwendet, mit denen sich beispielsweise Kräfte und Prozessschwingungen dynamisch simulieren und visualisieren lassen. Um die aufwendigen Berechnungen zu beschleunigen, wird die dPart-Softwareplattform um eine sogenannte Quantum-asa-Service-Komponente (QaaS) erweitert: Für kritische Simulationen greift das dPart-Framework auf ein QaaS-Backend zu, um die Recheneffizienz zu steigern. Für ihre Forschungsarbeiten können die Projektpartner reale QC-Hardware nutzen: sowohl die gerade in Betrieb genommene QC-Infrastruktur am Forschungszentrum Jülich als auch den IBM Q System One des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg. Die QaaS-gestützte Software zur Erstellung des digitalen Zwillings wird in die industrielle Praxis überführt und dort getestet. Anschließend ist ein Transfer der Ergebnisse in Form einer Know-how-Lizenzierung geplant. Förderung SPANNZEUGE Spannfutter • Spanndorne • Spannkupplungen www.ringspann.de Das Forschungsprojekt Quasim wird im Rahmen des Förderprogramms „Quanten- Computing – Anwendungen für die Wirtschaft“, eines Programms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), gefördert. Es dient der Förderung von Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvorhaben, die die technische Machbarkeit, Tragfähigkeit und Sinnhaftigkeit des Quantencomputings am Beispiel relevanter, praktischer Anwendungsfälle nachweisen und demonstrieren. Die Laufzeit des Projekts umfasst 36 Monate. ■ Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT www.ipt.fraunhofer.de Mai 2022 25
