Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
© Satoshi Kawase for IBM
Forschungsprojekt »QUASIM«
Quantencomputing beschleunigt die Erstellung digitaler Zwillinge
Die Hochleistungszerspanung ist eine der wichtigsten Technologien zur Fertigung von High-Tech-Komponenten in Industrien wie Triebwerksbau, Halbleiterindustrie und Medizintechnik. Obwohl moderne Zerspanprozesse sehr effizient sind, liegen die Produktkosten, je nach Bauteil, oftmals bei mehreren Tausend bis Hunderttausend Euro. Ein erheblicher Anteil dieser Kosten entsteht bei zeit- und kostenintensiven Produktionsanläufen, durch Qualitätsmängel des Bauteils, die aufwändig nachgebessert werden müssen sowie durch Ausschussproduktion.
Digitale Zwillinge sind virtuelle, datenbasierte Repräsentationen der Bauteile sowie der Fertigungsumgebung. Da Digitale Zwillinge präzise den Fertigungsprozess und seine Auswirkungen auf das Bauteil abbilden, ist die Prozessauslegung, -optimierung und -überwachung auf Basis eines Digitalen Zwillings ein vielversprechender Weg, um den Fräsprozess noch effizienter zu gestalten und Ausschuss zu minimieren. Die Erstellung eines vollständigen Digitalen Zwillings erfordert den Einsatz anspruchsvoller numerischer Simulationsmodelle und Algorithmen des Machine Learning. Die Modelle zu erstellen ist derart rechenintensiv, dass die Anwendung in der Industrie heute noch kein gängiger Standard ist. Da in vielen Unternehmen die benötigte leistungsstarke digitale Infrastruktur fehlt, werden – falls überhaupt Digitale Zwillinge erstellt werden – viele relevante physikalische Größen entweder vernachlässigt oder nur in Form grober Abschätzungen einbezogen. Darunter leiden die Qualität des Digitalen Zwillings und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse und Entscheidungen.
Berechnung komplexer Modelle auf Quantencomputer-Hardware
Das Ziel des Forschungsprojekts »QUASIM – Quantum Computing Enhanced Service Ecosystem for Simulation in Manufacturing« ist die Entwicklung und Erprobung von Lösungen des Quantencomputings (QC) in der Fertigung am Beispiel von Zerspanprozessen. Die Projektpartner möchten herausfinden, inwiefern eine QC-Unterstützung die Erstellung eines digitalen Zwillings in der Zerspanung beschleunigen und damit die Ergebnisqualität verbessern kann.
Das Fraunhofer IPT hat sich zum Thema »Digitaler Zwilling« eine weitreichende Expertise erarbeitet, die sich unter anderem in dPart® wiederfindet, ein am Fraunhofer IPT entwickeltes Industrie-4.0-Rahmenwerk für den Digitalen Zwilling in der Zerspanung. Zur Erstellung der Digitalen Zwillinge kommen im dPart- Rahmenwerk unter anderem komplexe Modelle und Algorithmen aus der Numerik und dem Maschinellen Lernen zum Einsatz, mit denen sich beispielsweise Kräfte und Prozessschwingungen dynamisch simulieren und visualisieren lassen.
QUASIM-Software wird auf realer Quantencomputer-Hardware getestet
Um die aufwändigen Berechnungen zu beschleunigen, wird das dPart®-Rahmenwerk im QUASIM-Projekt um eine sogenannte »Quantum-as-a-Service« -Komponente (QaaS) erweitert. »Quantum as a Service« ist ein Cloud-Dienst, der über das Internet Zugang zu Quantencomputerplattformen bietet. Die Forscherinnen und Forscher erproben, beziehungsweise entwickeln QC-Algorithmen für verschiedene kritische, rechenaufwändige Simulationssituationen. Tritt eine kritischer Simulationssituation ein, soll das Rahmenwerk automatisch auf das QaaS-Back-End zugreifen, 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 der »IBM Q System One« im »Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg«. Die QaaS-gestützte Software zur Erstellung des digitalen Zwillings wird dort in die industrielle Praxis überführt und getestet. Nach den praktischen Demonstrationen ist ein Transfer der Ergebnisse in Form einer Know-how-Lizenzierung geplant. Die Ergebnisse und Einsatzmöglichkeiten von QC werden darüber hinaus produzierenden Unternehmen über die exzellenten Industrienetzwerke der Projektpartner in Workshops und Symposien vermittelt.
Forschungsergebnisse ebnen den Weg zur Implementierung von QC-Anwendungen im industriellen Umfeld
Mit QUASIM wird erforscht und demonstriert, wie das Quantencomputing praktisch eingesetzt werden kann, um die zerspanende Fertigung noch effizienter zu gestalten. Mit den im Rahmen des Projekts entwickelten Algorithmen und Technologien des Quantencomputings öffnen die Projektpartner industriellen Endanwendern die Tür zum Einsatz von QC-Anwendungen in existierenden digitalen Infrastrukturen und treiben die Nutzung von QC im industriellen Umfeld voran. QUASIM setzt damit einen Meilenstein in der Innovation für den zukünftigen Erfolg des deutschen Maschinenbaus.
Projektpartner
- Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI), Saarbrücken (Projektkoordinator)
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Forschungszentrum Jülich (FZJ), Jülich
- ModuleWorks GmbH, Aachen
- TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Ditzingen
Assoziierte Partner
- Ford-Werke GmbH, Köln
- MTU Aero Engines, München
Projektträger
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR)
Förderung
Das Forschungsprojekt »QUASIM« wird im Rahmen des Förderprogramms »Quanten-Computing – Anwendungen für die Wirtschaft«, einem Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), gefördert.
Förderkennzeichen: 01MQ22001A
Publikationen aus diesem Projekt
| Jahr Year | Titel/Autor:in Title/Author | Publikationstyp Publication Type |
|---|---|---|
| 2024 | An optimization approach for a milling dynamics simulation based on Quantum Computing Schröder, Stefan; Danz, Sven; Kienast, Pascal; König, Valentina; Ganser, Philipp; Bergs, Thomas |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica
This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica