Slicing für den industriellen 3D-Druck in einer geschützten Cloud-Umgebung

Die Digitalisierung in einer globalen Welt hat weitreichende Auswirkungen auf unsere produzierende Wirtschaft. Ein enormes Entwicklungspotenzial birgt die zunehmende, länderübergreifende Vernetzung durch den Austausch von Daten, Informationen und Wissen. Im Fokus der Forschungsarbeit stehen dabei zukünftig wandlungsfähige Produkte, Produktionsausrüstungen und Dienstleistungen für eine länderübergreifende Zusammenarbeit. Mittels des Aufbaues von gemeinsamen Forschungs-, Lern- und Demonstrationsfabriken wird die Grundlage für eine nachhaltige wirtschaftliche Kooperation geschaffen.

Der Forschungsschwerpunkt „Intelligente Fertigung (Industrie 4.0) und Smart Services“ trägt zur Strategie zur Internationalisierung von Wissenschaft und Forschung, der China-Strategie des BMBF 2015 bis 2020 sowie des BMBF-Dachprogramms "Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ bei. Deren Ziele sind u. a. die Stärkung der Technologiekompetenz, die Vertiefung des wissenschaftlichen Austauschs zwischen Deutschland und China und Internationalisierung von Forschung und Lehre. Mit der Förderung deutsch-chinesischer Partnerschaften sollen neue Impulse gesetzt werden, um auf Veränderungen im globalen Wettbewerb rasch reagieren und den erforderlichen Wandel aktiv mitgestalten zu können.

Die industrielle Additive Fertigung (eng. Additive Manufacturing, AM) ermöglicht produzierenden Unternehmen, rasch auf Veränderungen im globalen Wettbewerb zu reagieren. So werden längst nicht mehr nur Prototypen aus Metall bzw. Kunststoffen hergestellt, sondern auch individualisierte Serienbauteile additiv gefertigt.

Die Konstruktionsdaten 3D-gedruckter Bauteile sind besonders schützenswert, da das Vorliegen eines digitalen Modells genügt, um eine physische Kopie zu erzeugen. Darüber hinaus muss gewährleistet sein, dass nur die tatsächlich erforderliche Anzahl an Komponenten hergestellt wird und diese auch dem digitalen Modell entsprechen.

Das Ziel des Verbundvorhabens ist es, eine cloud-basierte Plattform zu entwickeln, auf der dezentral und verschlüsselt sämtliche zur Vorbereitung des 3D-Druck-Prozesses erforderlichen Schritte automatisiert durchgeführt werden. Die resultierenden Steuerungsdaten werden im Anschluss den Anlagen beim Dienstleister in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. So ist sichergestellt, dass die schützenswerten, digitalen Modelldaten zu keinem Zeitpunkt vollständig beim Dienstleister vorliegen.

Entsprechend der Zielsetzung werden ein Web-Frontend,  eine Technologiedatenbank mit Prozessparametern, der Postprozessor für die Generierung des Anlagencodes entsprechende Hardware- und Softwareschnittstellen für die Kommunikation der Plattform mit den 3D-Druckern und eine übergeordnete Sicherheitsinfrastruktur entwickelt.

Es entsteht eine Wertschöpfungskette, die über ein übergreifendes Lizenzmanagement alle erforderlichen Datentransfer- und Prozessschritte zwischen den beteiligten Parteien autorisiert, steuert und kontrolliert. Ein Demonstrator zur Darstellung des gesamten Workflows vom digitalen 3D-Modell über die Cloud zum 3D-Druck-Dienstleister wird aufgebaut.

Im Rahmen des Vorhabens werden die Charakteristiken des 3D-Druck-Prozesses genutzt, um seitens potenzieller Endanwender die Bereitschaft zu erhöhen, externe Dienstleister im Bereich des industriellen 3D-Drucks in Anspruch zu nehmen, ohne einen Verlust ihres geistigen Eigentums und somit eines Wettbewerbsvorteils befürchten zu müssen.

Das übergeordnete Projektziel des Verbundvorhabens ProCloud3D war die Entwicklung und Erprobung einer cloudbasierten Plattform, auf der unter Beteiligung von Anlagen- und Softwareherstellern sowie Forschungseinrichtungen von deutschen und chinesischen Projektpartnern dezentral und verschlüsselt sämtliche Schritte zur Vorbereitung und Durchführung des 3D-Druck-Prozesses abgebildet werden sollten.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine neuartige Plattform entwickelt, mittels derer die Produktionsdaten schichtweise und basierend auf materialspezifischen Prozessparametern erzeugt und geschützt an den 3D-Drucker weitergeben werden sollten. Die erzeugten Schichtdaten wurden hierfür so aufbereitet, dass sie für verschiedene 3D-Drucker inklusive einer übergeordneten Sicherheitsinfrastruktur zur Verfügung gestellt werden können. Dadurch entstand eine geschützte Wertschöpfungskette, deren übergreifendes Lizenzmanagement alle erforderlichen Datentransfer- und Prozessschritte zwischen den beteiligten Parteien autorisiert, steuert und kontrolliert. Anhand von zwei nationalen Demonstratoren wurde abschließend gezeigt, wie Endkunden unter Wahrung ihrer Unternehmensinteressen und Alleinstellungsmerkmale bei Dienstleistern Bauteile mittels additiver Fertigung herstellen lassen können.

Das übergeordnete Projektergebnis von ProCloud3D für Wibu-Systems war die Entwicklung einer durchgängigen, echtzeitfähigen Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der Daten entlang der gesamten Daten- und Prozesskette der additiven Fertigung, einschließlich der Absicherung des Datenaustauschs, der Verwaltung von digitalen Rechten und der Kontrolle der Anzahl von gedruckten Teilen in der Produktion. Hierfür wurden die nachfolgenden Komponenten entwickelt:

• Digital-Rights-Management (DRM)
• Lizenzierungsmodell für Daten und Software auf Basis der CodeMeter-Technologie von Wibu-Systems
• Verbesserte Softwareschutzmaßnahmen gegen Reverse Engineering
• Integrationskonzepte des Lizenzmanagements und des DRM-Systems in die Plattform
• Schutzkonzept für die Streaming-Daten inkl. Risikoanalyse
• Verschlüsselungsbibliotheken für die Cloud-Plattform und für die 3D-Drucker, die mit einem manipulationssicheren Zähler arbeiten
• Integration von digitalen Zertifikaten für die Authentifizierung des 3D-Druckers

Durch die Umsetzung des Projekts ProCloud3D konnten Produktverbesserungen u.a. in folgenden Bereichen erzielt werden:

• Verbesserungen in der CodeMeter Core API sowie bei der Integration von libcurl und bei der Erkennung der Umgebung für Merkmale, die für die Bindung der Lizenzen verwendet werden können.
• Verbesserungen in AxProtector JavaScript, beim Schutz von .NET-Anwendungen und in AxProtector Python.
• Anpassungen von den Gateways und WebDepot der CodeMeter License Central für die Verteilung von kryptografischen Schlüsseln, digitalen Zertifikaten und Lizenzen sowie von CodeMeter Runtime und CodeMeter Embedded für die Unterstützung der Hardware-Plattformen sowie in der CodeMeter-Firmware.
• Entwicklung Integration DRM: Tools für die Erzeugung von digitalen Zertifikaten wurden verbessert. Die Protection-Tools CodeMeter API und AxProtector wurden integriert.
• Der Schutz in Docker-Umgebungen konnte verbessert werden.

Durch die Projektergebnisse werden zukünftig neue Geschäftsmodelle auf dem 3D-Druck-Markt ermöglicht, die aktuell nicht möglich sind oder nur mit Verlust des geistigen Eigentums und Verlust der Kontrolle in der Produktion.

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