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Rapid Prototyping Baumaschinen mit digitalem Zwilling testen

Redakteur: Katharina Juschkat

Fraunhofer-Forscher haben eine virtuelle Testumgebung entwickelt, mit der Nutzfahrzeuge und Baumaschinen getestet werden können. Die Simulation kann auch Grenzbereiche und Gefahrensituationen nachbilden.

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Baumaschinen müssen zuverlässig und präzise funktionieren – eine virtuelle Testumgebung vereinfacht das Prototyping.
Baumaschinen müssen zuverlässig und präzise funktionieren – eine virtuelle Testumgebung vereinfacht das Prototyping.
(Bild: ©bannafarsai - stock.adobe.com)

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM haben eine digitale Testumgebung für Baumaschinen entwickelt, wie sie heute bereits in der Autoindustrie eingesetzt wird. Der Hil-Simulator – „Hil“ steht für „Hardware-in-the-Loop“ – kann jede beliebige Maschine und deren Steuerung in einer Software-Simulation virtuell testen.

Reale Testumgebung ist nicht mehr nötig

Hintergrund ist, dass Baumaschinen extrem präzise und gleichzeitig sicher und zuverlässig funktionieren müssen. Denn wenn Kräne tonnenschwere Lasten in die Höhe hieven und auf einem Hochhausdach platzieren, darf nichts schief gehen. Dementsprechend aufwendig und teuer ist die Entwicklung solcher Maschinen und das Testen der Prototypen.

Die Hil-Simulation wird in der Automobilindustrie bereits im Rapid Prototyping eingesetzt. Die Fraunhofer-Forscher haben dieses Prinzip jetzt auf die Nutzfahrzeug-Industrie übertragen, die durch immer kürzere Innovationszyklen, modularere Bauweise und die Digitalisierung der Steuerungstechnik einen ähnlichen Bedarf hat. Projektleiter Dr. Christian Salzig erklärt: „Mit unserem Hil-Simulator sind wir in der Lage, Baumaschinen aller Art zu testen, beispielsweise unterschiedliche Kran-Typen oder Betonpumpen. So helfen wir bei der Optimierung der Prototypen.“ Eine reale Testumgebung ist nicht mehr nötig.

Baumaschine als Digitalen Zwilling testen

Um einen Prototypen zu testen, wird die Maschine als Software-Modell nachgebaut, in das alle technischen Spezifikationen einfließen. Dazu gehören die Abmessungen, die Leistungsdaten der Motoren, die Stärke der Stützstrukturen, die Gewichtsverteilung, die Winkel beim Bewegen der Ausleger, deren Länge und vieles mehr. Gleichzeitig sind die physikalischen Gesetze der Mechanik, Hydraulik und Elektronik wie Kräfte, Drücke oder Steuersignale als mathematische Gleichungen in die Software implementiert. Auf diese Weise entsteht ein Digitaler Zwilling.

Im nächsten Schritt wird der Simulator mit dem digitalen Zwilling an die elektronischen Steuereinheiten angeschlossen, die die Baumaschine im Betrieb kontrollieren und steuern. Eine Fachkraft bedient die zahlreichen Regler und Joysticks, die wiederum mit den Steuereinheiten verbunden sind. Auf einem Display stellt eine animierte 3D-Grafik alle Bewegungen der Maschine dar.

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Der Hil-Simulator-Test zeigt zunächst, wie präzise Steuereinheit und Maschine zusammenwirken, und wie feinfühlig Bedienelemente wie Joysticks agieren. Moderne Baumaschinen haben zahlreiche Sensoren. Sie registrieren Werte wie Drehmoment und Beschleunigung der Ausleger, Druck, Gewicht, das an Seilzügen zieht, oder die Neigung des Bodens unter der Maschine. Auch hier zeigt die Simulation, ob die Kommunikation zwischen Maschine und Steuereinheit auf Basis der Sensordaten präzise und verzögerungsfrei funktioniert. Technische Störungen lassen sich ebenfalls simulieren – etwa, was passiert, wenn an einer Gelenkstelle ein Kabel bricht oder die Hydraulik des Hebeelements Druck verliert.

Grenzbereiche digital austesten

Entscheidend bei den Tests ist auch die Sicherheit. Dafür testet der Simulator verschiedene kritische Situationen, etwa was passiert, wenn eine Last anfängt zu pendeln oder Flüssigkeiten in einem Transportbehälter hin und her schwappen. Auch ein instabiler oder geneigter Untergrund, auf dem die Baumaschine steht, gehört zum Test-Parcours. Teleskopbühnen müssen beispielsweise in beengten Verhältnissen ihre Abstützungen platzieren. Mit den Hardware-in-the-Loop-Tests sehen die Produktentwickler, ab welchem Neigungswinkel der Digitale Zwilling instabil wird oder umkippt. In einer realen Umgebung wären solche Tests teuer und riskant.

Außerdem können Nachbesserungen an der Maschine bereits in der Konzeptphase erfolgen, noch bevor ein Prototyp gebaut werden muss. Mit dem sogenannten Rapid Prototyping können Nutzfahrzeug-Hersteller neue Produktgenerationen schneller und günstiger an den Markt bringen.

5G-Erweiterung geplant

Hersteller können beim Fraunhofer ITWM eine Testprozedur beauftragen. „Wir arbeiten während der gesamten Testreihe eng zusammen und diskutieren gemeinsam die nächsten Schritte“, erzählt Projektleiter Salzig.

Aktuell plant das Institut eine Erweiterung: die Integration der 5G-Funktechnik. Diese wird in den nächsten Jahren eine große Rolle bei der drahtlosen Steuerung von Maschinen und Geräten in der Industrie spielen. Derzeit arbeitet das Fraunhofer ITWM an einer Schnittstelle, die den Hil-Simulator mit 5G-Sende- und Empfangsmodulen verbindet.

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