Streaming for cyber-secure distributed additive manufacturing

Kolter, Moritz; Boos, Wolfgang; Schleifenbaum, Johannes Henrich

doi:HT031388482

Streaming for cyber-secure distributed additive manufacturing = Streaming zur cybersicheren dezentralen additiven Fertigung

Kolter, Moritz^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeMoritz Kolter

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-323-5

ReiheErgebnisse aus der additiven Fertigung

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Boos, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00557
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1025148/files/1025148.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (421510)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Additive Manufacturing (frei) ; Distributed Manufacturing (frei) ; Produktionsmanagement (frei) ; Produktionssystematik (frei) ; Prozesstechnologie (frei) ; cybersecurity (frei) ; laserstrukturieren (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie haben deutlich gemacht, wie anfällig globale Lieferketten für Störungen durch Schwankungen im Bedarf und Verfügbarkeit sind. Da die Volatilität aufgrund solcher Störungen zunimmt, ist die Widerstandsfähigkeit von Lieferketten von großer Bedeutung. Die verteilte Fertigung gewinnt daher an Bedeutung, da dadurch die Flexibilität in Lieferketten erhöht und Risiken vermindert werden können. Insbesondere die additive Fertigung (AM, aus dem Englischen Additive Manufacturing) lässt sich aufgrund ihrer nur schwachen Abhängigkeit von Skaleneffekten in der verteilten Fertigung einsetzen. Die Implementierung von AM in die verteilte Fertigung erfordert die Orchestrierung und Übertragung von Fertigungsinformationen über mehrere Produktionszentren hinweg. Dies wirft Bedenken hinsichtlich der Cybersicherheit und des möglichen Verlusts von vertraulichem geistigem Eigentum und Datenintegrität auf. Streaming bietet potentiell eine Lösung für den sicheren Austausch von Fertigungsinformationen für AM im Kontext der verteilten Fertigung. Erste Forschungsarbeiten haben die Machbarkeit von Streaming in AM-Anwendungen gezeigt. Die vorhandenen Studien konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Fertigungstechnologie der Materialextrusion. Darüber hinaus berücksichtigen die Studien den Kontext der verteilten Fertigung, bspw. durch unterschiedliche Lieferketten und zwischenbetriebliche Beziehungen nicht. Somit bleibt die Auswirkungen des Streamings auf die Stakeholder in Lieferketten und eine ganzheitliche Sicht auf die Cybersicherheit in AM unbekannt. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Streaming Protokoll eingeführt, das auf die AM Technologie Laser Powder Bed Fusion using a Laser Beam with Metals (PBF-LB/M) zugeschnitten ist. Funktionale und nicht-funktionale Anforderungen werden systematische abgeleitet und sind in der Entwicklung des Streaming Protokoll berücksichtigt. In drei verschiedenen Szenarien verteilter Fertigung wird das Streaming hinsichtlich Cybersicherheitsrisiken und Sicherheitsanforderungen untersucht. Eine Bedrohungsanalyse wird durchgeführt und identifiziert kritische Unzulänglichkeiten in der Cybersicherheit. Sicherheitsmaßnahmen werden gezielt in Hinblick auf die identifizierten Risiken entwickelt und in das Streaming-Protokoll integriert. Die Machbarkeit des Streaming Protokolls wird durch Software-in-the-loop- und Feldtests validiert. Sowohl die funktionalen als auch die nicht-funktionalen Anforderungen sind durch das Streaming Protokoll erfüllt. Im Weiteren wird erörtert, wie sich Geschäftsmodelle und Aufgabenverteilungen innerhalb von Lieferketten durch die Anwendung von Streaming verändern könnten. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit des Streaming-Protokolls auf andere AM-Technologien als PBF-LB/M analysiert. Zum Schluss wird analysiert wie weitere Anwendungen, zum Beispiel Closed-Loop Steuerungen und die Produktion im Weltall, vom eingeführten Streaming-Protokoll profitieren können.

The vulnerabilities of global supply chains to disruptions, due to volatilities in demand and supply have been highlighted by events, such as the COVID-19 pandemic. With increasing volatility, resilience within supply chains has become paramount. Therefore, Distributed Manufacturing (DM) is gaining traction as it enhances flexibility and mitigates risks in supply chains. Notably, Additive Manufacturing (AM) aligns well with DM principles because it is not primarily driven by economies of scale. However, implementing AM in DM requires the orchestration and transfer of manufacturing information across multiple dispersed production hubs. This requirement raises significant cybersecurity concerns regarding the potential loss of confidential intellectual property and data integrity. Streaming is a potential solution for securely sharing manufacturing information for AM within DM contexts. Initial research has demonstrated the feasibility of streaming in AM applications. However, existing studies primarily focus only on Material Extrusion (MEX). Moreover, the approaches do not consider the DM context, e.g., by means of different supply network structures or interfirm relationships. Thus, the effects of streaming on the stakeholders in the supply chain and a holistic view on cybersecurity of sharing AM manufacturing data in DM is missing. This thesis introduces a novel streaming protocol tailored for Powder Bed Fusion using a laser beam with metals (PBF-LB/M). Functional and non-functional requirements are systematically derived and taken into considerations in the design of the streaming protocol. Further, streaming is examined in three distinct DM scenarios, deriving cybersecurity risks and security requirements. A threat analysis is conducted and reveals critical inadequacies in cybersecurity. In response to these identified risks, targeted security measures are developed and integrated into the streaming protocol to effectively address each of the vulnerabilities uncovered during the analysis. The streaming protocol's feasibility is validated through software-in-the-loop and field tests. Both, functional and non-functional requirements are met by the streaming protocol. Furthermore, the thesis discusses the impact of the streaming protocol on business models and task distributions within the supply chain. In addition, the applicability of the streaming protocol to other AM technologies beyond PBF-LB/M is analyzed. Lastly, an outlook on additional applications that could benefit from the streaming protocol, such as closed-loop control and space production, is given.

OpenAccess:
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