Jan P. Mertes

• Die Herstellung von Werkzeugmaschinen ist ein essentieller Erfolgsfaktor für die deutsche Wirtschaftskraft. Um die globale Marktposition zu sichern oder auszubauen, sind kontinuierliche Innovationen sowohl an der Werkzeugmaschine als auch an deren Steuerungseinheit notwendig. Bestärkt wird dieser Innovationsbedarf durch rasche Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnologie sowie Informatik, die eine schnelle Adaption und einen kontinuierlichen Wandel innerhalb von Produktionssystemen ermöglichen und notwendig machen. Durch die gestiegene Leistungsfähigkeit kabelloser Kommunikationstechnologien steigt die Verbreitung von Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS), welche digitale und physische Welten vernetzen und damit eine anpassungsfähige Produktion ermöglichen. Die hierdurch wachsende Komplexität erfordert den Einsatz digitaler Zwillinge (DZ) zur bidirektionalen Interaktion innerhalb des CPPS. Zur Erschließung dieser neuen Möglichkeiten muss die Wandlungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen und deren Teilsystemen adressiert werden, wofür neuartige Kommunikationslösungen integriert werden müssen. Insbesondere für automatisierte Werkzeugmaschinen müssen hohe Anforderungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Kommunikationslösung sichergestellt werden. Der fünfte Mobilfunkstandard (5G) ermöglicht erstmals die kabellose Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen, wodurch ein dezentraler, anpassbarer und skalierbarer Betrieb ermöglicht wird. Innerhalb dieser Arbeit werden die Potenziale 5G-basierter Kommunikation für einen DZ einer Werkzeugmaschine untersucht. Das Ziel besteht darin, die Leistungsfähigkeit eines 5G-Campusnetzwerkes in einer industriellen Umgebung zu evaluieren und die Auswirkungen der kabellosen Kommunikation auf die Funktionen des DZ sowie auf die gefertigte Bauteilqualität experimentell zu untersuchen. Hierzu erfolgt zunächst die konzeptionelle Entwicklung eines Rahmenwerks für DZ in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit verschiedener Stufen des 5G-Standardisierungsprozesses. Anschließend wird ein DZ einer Werkzeugmaschine systematisch modelliert, entwickelt und implementiert. Eine Anforderungsanalyse, die Ausarbeitung des strukturellen Aufbaus und Informationsablaufs des Systems sowie die Beschreibung der Funktionseinheiten erfolgen. In Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der 5G-basierten Kommunikation existieren verschiedene Integrationsstufen der Computerized Numerical Control (CNC) der Werkzeugmaschine innerhalb des DZ. Die Funktionalität des Gesamtsystems wird mittels vollfaktoriellen Versuchsreihen untersucht und validiert. Sowohl Leistungskennzahlen der Netzwerkkommunikation wie Latenz, Jitter und Übertragungszuverlässigkeit als auch die Beeinflussung der physischen und digitalen Prozessfähigkeit werden untersucht. Der Einfluss von 5G-basierter Kommunikation auf die Funktionen des DZ sowie die gefertigte Bauteilqualität wird evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass 5G hinreichend leistungsfähig für die kabellose Überwachung und Steuerung von Werkzeugmaschinen ist. Für die Virtualisierung und kabellose Integration der CNC ist insbesondere eine deterministische Kommunikation erforderlich, welche entsprechend der Spezifikationen des 5G-Standards künftig erreicht werden sollte. In Summe zeigt 5G ein hohes Potenzial für die kabellose industrielle Vernetzung und die Umsetzung von DZ von Werkzeugmaschinen. Demnach ermöglicht 5G-basierte Kommunikation kabellose Anwendungen für Werkzeugmaschinen, welche zuvor auf eine kabelgebundene Verbindung angewiesen waren.
• The production of machine tools is a significant contributor to Germany's economic strength. In order to secure or expand its global market position, continuous innovation is required both in the machine tool and in its control unit. This need for innovation is reinforced by rapid advances in information and communication technology and computer science, which enable rapid adaptation and continuous change within production systems. In particular, the increased performance of wireless communication technologies enables the adoption of cyber-physical production systems (CPPS), which interconnect the digital and physical worlds thereby enabling adaptable production and more effectively meeting individual market requirements. The resulting increase in complexity requires the use of digital twins (DTs) for bidirectional interactions within the CPPS. Automated machine tools in particular must meet high requirements in terms of the performance of the communication solution. The fifth mobile communications standard (5G) enables wireless control of machine tools, leading to decentralized, flexible and scalable operation. In this thesis, the potential of 5G-based communication for DTs of machine tools is investigated. The objective is to evaluate the performance of a 5G campus network in an industrial environment and to experimentally investigate the effects of 5G-based communication on the functionality of the DT and on the manufactured component quality. For this purpose, a framework for DTs depending on the performance characteristics of different stages of the 5G standardization process is developed. Then, the DT of the machine tool is systematically modelled and implemented. A requirements analysis is conducted, the structural design and information flows of the system are specified, and the functional units are described and specified. Depending on the performance of 5G, different levels of integration of the computerized numerical control (CNC) within the DT of the machine tool can be achieved. The functionality of the system is analyzed and validated with multiple full-factorial test series. Different variables such as latency, jitter, and transmission reliability are investigated. Moreover, the influence of 5G on the functions of the DT and the manufactured part quality are evaluated. The results show that 5G is sufficiently powerful for the wireless monitoring and control of machine tools. However, time-deterministic communication is required for virtualization and wireless integration of the CNC. This requirement can be met in the future, as defined in the specifications of the 5G standard. To sum up, 5G shows potential for wireless industrial communication and the realization of DTs of machine tools. Accordingly, 5G-based communication enables wireless applications for machine tools that previously relied on wired connections.