Genetisch optimierte Produktgestaltung mechatronisch integrierter Bauteile (GoProMID)

Problemstellung
Durch die zunehmende Digitalisierung und die Entwicklung hin zu Cyber-Physischen-Systemen (CPS) steigt der Bedarf an integrierten Funktionalitäten und einer stärkeren Vernetzung. Innovative Technologien, wie Mechatronic Integrated Devices (MID), schaffen die geforderte Integration von Mechanik und Elektrik/Elektronik, erfordern jedoch einen aufwändigen Entwicklungsprozess. Es bedarf neuer Ansätze, welche Designvarianten unter Einbeziehung aller Disziplinen und Restriktionen ressourcenschonend entwickeln. Naturanaloge Prinzipien, vor allem sogenannte genetische Algorithmen, zeigen vielversprechende Potenziale. Diese werden jedoch aktuell vorwiegend in der Architektur, Kunst oder Mechanik-Entwicklung angewendet. Um die Potenziale zu erschließen, bedarf es einem Transfer mitsamt der Entwicklung softwarebasierter Unterstützungssysteme.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts GoProMID ist die Erschließung der Potenziale biologisch inspirierter Methoden in der Produktentstehung von MID. Der Fokus liegt dabei auf dem Transfer von biologischen Prinzipien, welche die naturanaloge Evolution von MID-Bauteilen auf Basis einer Produktspezifikation – ähnlich der genetischen Kodierung von Lebewesen – gestatten. Neben der maschinenverwertbaren Formalisierung des Designwissens werden erste Softwarebausteine prototypisch umgesetzt und im Rahmen aussagekräftiger Anwendungsfälle aufgezeigt.

Vorgehensweise
Um biologische Evolutionsprinzipien in die Produktentstehung von MIDs zu transferieren, wird initial die systematische Verknüpfung von Prinziplösung und Geometrie erarbeitet. Hierzu werden Ansätze des Systems Engineering verwendet, um die Abhängigkeiten von Funktion, Lösungselement und Geometrie zu modellieren und essenzielles Designwissen maschinenverwertbar zu formalisieren. Es folgt der Transfer biologischer Prinzipien auf den Design-Prozess. Hierzu werden evolutionsanaloge Vorgehensmodelle und Algorithmen entwickelt, welche neue Designvarianten explorieren. Die prototypischen Algorithmen werden tooltechnisch erprobt, um die Eignung biologischer Prinzipien (bspw. Ranking der „Fitness“) bewerten zu können. Den Abschluss bildet die Zusammenfassung der entwickelten Systematik, Teillösungen und weiteren Forschungsbedarfe in Form eines Projektdemonstrators.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Durch die Anwendung naturanaloger Evolutionsprozesse in der Produktentstehung können MID bzw. generell komplexe, hochintegrierte Produkte schneller entwickelt und auf den Markt gebracht werden. Im Zuge der Machbarkeitsanalyse wird der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt, um perspektivisch eine Integration in bestehende rechnergestützte Entwicklungswerkzeuge umzusetzen. Ziel ist es, dass diese neuartige Konstruktionsmethodik in die Breite transferiert wird und somit zur Entwicklung hochintegrierter CPS führt.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg