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Bei Festo trifft Automation auf Nachhaltigkeit und KI

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„Wir freuen uns, diesen interessanten Forschungsträger auf der Smart in Linz zeigen zu können. Er befindet sich noch mitten im Entwicklungsprozess, deutet aber bereits heute sein Potenzial für die Zukunft an.“ Dipl.-Ing. (FH) Rainer Ostermann, Geschäftsführer von Festo Österreich.

Die Smart Automation in Linz lässt starke „grüne Impulse“ erwarten. Nachhaltigkeit geht oft Hand in Hand mit Automatisierung. Festo zeigt, in welche Richtung visionäre Ideen gehen – Künstliche Intelligenz inklusive.

Nachhaltige Lösungen und Maßnahmen zur CO2-Reduktion bedürfen oft eines hohen Automatisierungsgrads und innovativer Technologien. Wie das in der Praxis aussehen kann, das zeigt Festo anhand seines Forschungsprojekts „PhotoBionicCell“ – ein möglicher Ansatz für die industrielle Biologisierung von morgen.

Algen als Klimaretter.

Algen gibt es überall auf der Welt in verschiedenster Form. Meistens sind sie eher unscheinbar und lassen nur wenig von ihrem großen Potential für die Zukunft erahnen. Die Forscher von Festo haben jedoch ein Auge auf sie geworfen. Denn bereits bei ihrer natürlichen Photosynthese im Freien „arbeiten“ sie äußerst effizient und binden zehnmal mehr Kohlendioxid (CO₂) als Landpflanzen. In Bioreaktoren mit entsprechender Sensorik, Regelungstechnik und Automatisierung kann die Effizienz der Algen auf das Hundertfache von Landpflanzen gesteigert werden. Daher steckt in ihnen großes Potenzial für eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft.

Hightech-Bioreaktor.

Auf der Smart Automation erlaubt Festo interessante Einblicke in einen Bioreaktor. Mit ihm lassen sich Algen automatisiert kultivieren und ihr Wachstum kontrollieren. Dazu wird die Algenflüssigkeit nach oben in die Flächenkollektoren gepumpt, wo sie sich in gleichmäßiger Strömung verteilt und anschließend wieder in den Kultivator zurückfließt. Während dieser Zirkulation wandeln die Algenzellen mittels Photosynthese in ihren Chloroplasten Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und chemische Energieträger bzw. organische Wertstoffe um. So wird die Biomasse im geschlossenen Kreislauf hocheffizient und ressourcenschonend gezüchtet.

Mikrofluidik im Einsatz.

Bewährte Steuerungs- und Regelungstechnik und neueste Automatisierungskomponenten helfen, bestmögliche Bedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen. Dabei ist es für den Prozess entscheidend, die Menge der Biomasse genau zu bestimmen. Hierfür nutzen die Entwickler von Festo einen Quantentechnologie-Sensor des Start-ups Q.ANT. Dieser gibt präzise und in Echtzeit Auskunft über das Wachstum der Organismen. Zugeführt werden die Algen dem Sensor kontinuierlich mittels Mikrofluidik von Festo. Das erlaubt es dem Quantensensor, optisch einzelne Zellen zu detektieren, sodass die Menge der Biomasse exakt ermittelt werden kann. Zusätzlich untersucht er die Zellen auf ihre Vitalität. Dadurch wird es möglich, vorrausschauend auf Prozessereignisse zu reagieren und regelnd einzugreifen.

Biologische Werkstoffe.

Abhängig von den Nährstoffen, die der Algenbiomasse zugeführt werden, bilden sich als Produkte ihrer Stoffwechselvorgänge Fettsäuren, Farbpigmente und Tenside. Diese dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Medikamenten, Lebensmitteln, Kunststoffen, Kosmetika oder Kraftstoffen. Anders als Produkte auf Erdölbasis können die biobasierten Endprodukte meist biologisch abgebaut werden. Mit der PhotoBionicCell kultivieren die Forscher von Festo gegenwärtig die Blaualge Synechocystis. Sie produziert Farbpigmente, Omega-3-Fettsäuren und Polyhydroxybuttersäure (PHB). Dieses gewonnene PHB lässt sich durch den Zusatz weiterer Stoffe zu einem Filament für den 3D-Druck verarbeiten.

Software für ein digitalisiertes Labor.

Für die PhotoBionicCell wurde auch eine eigene Software entwickelt. Ihr Dashboard ermöglicht es, mehrere Photobioreaktoren mit aktueller Datenlage und Live-Aufnahmen abzubilden. So lassen sich rund um die Uhr auch aus der Ferne manuelle Parameteränderungen und die entsprechenden Auswertungen vornehmen. Ebenfalls zum Einsatz kommt in diesem „digitalisierten Labor“ Augmented-Reality. Sie erlaubt es, die Realität per Tablet zu erweitern, um technische Abläufe, Prozessparameter und Informationen zu Prozessen im Inneren des Bioreaktors zu visualisieren.

KI optimiert den Prozess.

Zur Auswertung der Daten setzt Festo eine Künstliche Intelligenz (KI) ein. Damit kann der Bioreaktor entweder auf die Vermehrung der Algenkulturen optimiert werden oder darauf, vorgegebene Wachstumsparameter bei minimalem Energieeinsatz zu erhalten. Außerdem könnte die Haltbarkeit von Ventilen und anderen Komponenten damit prognostiziert werden. Denkbar wäre auch der Einsatz von digitalen Zwillingen, die mit Hilfe von KI erstellt werden. Mit ihnen könnten künftig komplette Lebenszyklen von Bioreaktoren simuliert und virtuell abgebildet werden. Die Forscher von Festo eröffnen damit eine Vielzahl an spannenden Anwendungsfeldern. Dipl.-Ing. (FH) Rainer Ostermann, Geschäftsführer von Festo Österreich: „Wir freuen uns, diesen interessanten Forschungsträger auf der Smart in Linz zeigen zu können. Er befindet sich noch mitten im Entwicklungsprozess, deutet aber bereits heute sein Potenzial für die Zukunft an. Ein großer Schritt in Richtung Biologisierung und wertvolle Impulse für die kohlendioxidneutrale Produktion von morgen“.

Mensch und Maschine – ein starkes Team.

Ein weiteres bionisches Forschungsprojekt von Festo geht nun in Serie: der erste pneumatische Cobot. Er erfüllt die Wünsche vieler Maschinenbauer, denn mit ihm bietet Festo ab dem kommenden Jahr einen Roboter, der einfach zu bedienen ist, keinen Schutzzaun benötigt und preislich attraktiv ist. Der Schlüssel dazu ist nachgiebige Pneumatik – perfekt geeignet für die Mensch-Roboter-Kollaboration. Zudem sind die druckluftangetriebenen Direktantriebe in den Gelenken dieser gänzlich neuen Generation von Cobots günstiger und besonders leicht, weil im Gegensatz zu elektrischen Lösungen keine schweren Getriebe und teure Kraft-Moment-Sensorik nötig sind. Der Cobot wird daher ein ausgezeichnetes Verhältnis aus Preis und Leistung in seinem vornehmlichen Einsatzgebiet des Kleinteilehandlings bei Nutzlasten bis zu 3 kg aufweisen.

Schnelle Inbetriebnahme – einfaches einlernen.

Der pneumatische Cobot besteht aus der Hardware selbst, einem Handmodul und der Robotic-Suite, einer Software für die intuitive Inbetriebnahme und Programmierung. Die pneumatischen Antriebe erlauben auch das einfache manuelle Führen des Roboterarms mit der Hand, um Wegpunkte bzw. Bahnen schnell einzulernen. Ostermann erklärt: „Das besonders niedrige Eigengewicht und die einfache Inbetriebnahme machen unseren pneumatischen Cobot auch für kleine und mittlere Unternehmen interessant, da sie oft von manuellen Arbeitsprozessen und immer wieder neuen Aufgabenstellungen geprägt sind.“

CPX-AP-I und CPX-AP-A.

Festo zeigt auf der Smart unter anderem ein vom Technic & Application Center Wien entwickeltes bewegtes Display mit einem Drehteller und dem Remote-I/O-System CPX-AP-I. Mit ihm lassen sich leistungsstarke E/A-Module und bestehende Ventilinselanschaltungen im Handumdrehen in die wichtigsten Hostsysteme integrieren. Zum Einsatz kommt auf dem Display auch das neue Automatisierungssystem CPX-AP-A – ein hochflexibles, modulares Remote I/O System, das perfekt zu den Ventilinseln von Festo passt. Es ist echtzeitfähig, bietet eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 200 Mbit Voll-Duplex und eignet sich auf Grund seiner besonders robusten Ausführung für bewegte Anwendungen mit bis zu 5G, ist also ideal für die Robotik. Mit dem CPX-AP-A erhält man einen vollwertigen IO-Link Master V1.1 mit Data Storage Mechanismus samt Device Parametrierungstool. Bis zu 15 Module können in einem Automatisierungssystem zusammengefasst werden. Verkettungen werden einfach mittels Schrägverschraubung verbunden. Zudem bietet das System erweiterte Diagnose- und vorausschauende Wartungsinformationen, wie Ventil-Schaltspiel-Zähler und eine Kabelgüteüberwachung.

Festo auf der Smart Automation: Stand 129

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