Industrie 4.0 in der Kunststofftechnik

Der nächste Schritt in die Zukunft

„Industrie 4.0“ bietet durch die Digitalisierung von Geschäfts-und Produktionsprozessen neue Möglichkeiten der Vernetzung innerhalb der Wertschöpfungsketten, aber auch die Chance, Wertschöpfungsketten neu zu gestalten. Die horizontale Integration als Verknüpfung verschiedener Prozessschritte, Business Units und Unternehmen der gesamten Wertschöpfungskette sowie die vertikale Integration als Verbindung einzelner Teilsysteme der Fertigungszellen zu einem gesamten, ganzheitlich steuerbaren Produktionssystem lassen die Vision selbstregelnder hochintegrierter und komplexer Produktionsprozesse näher rücken. Die automatisierte Analyse großer Datenmengen und deren Abbildung in Modellen ermöglichen neuartige Formen der wissenschaftsgeleiteten Erkenntnis einerseits und der industriellen Prozessregelung andererseits.
Das IKV arbeitet in diesem Themenfeld im Rahmen des Aachener Exzellenzclusters „Internet of Production“ das inhaltlich an das vorherige Exzellenzcluster "Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer" anknüpft. In rund zehn Jahren haben sich aus dieser Expertise umfangreiche Kompetenzen und Netzwerke entwickelt.

Was bedeutet 4.0 für die Kunststoffindustrie?

Die traditionell engen Kunden-Lieferantenbeziehungen zwischen Kunststoffverarbeiter, Maschinenbau und Rohstoffhersteller bieten ideale Voraussetzungen der digitalen Vernetzung. Hier bieten sich erhebliche Potentiale zur Flexibilisierung in der Produktion. Für die Produktion individualisierter Bauteile eröffnen sich neue Spielräume und die  Verkürzung von Entwicklungs-, Anfahr- und Rüstzeiten bieten Einsparpotenziale. Dadurch können auch kleine Losgrößen wirtschaftlich hergestellt werden.

Massenfertigung individualisierter Bauteile

Die horizontale Integration ermöglicht die kostengünstige Fertigung individualisierter Bauteile. Dazu werden sämtliche an der Wertschöpfung beteiligten Elemente auf maximale Wandlungsfähigkeit ausgelegt und informationstechnisch verknüpft.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Die effiziente Suche nach einem optimierten Betriebspunkt für neue Spritzgießprozesse bedeutet eine von Fertigungsbeginn an hohe Formteilqualität und eine geringe Nutzung von Maschinenkapazität für die Werkzeugabmusterung bzw. Prozesseinrichtung. Eine Minimierung des Aufwands für die Datenerzeugung kann hierbei durch Transferlernen mit KNN erfolgen.

Anstatt für jeden Spritzgießprozess eine große Datenmenge zu erheben, sollen bereits vorliegende Daten verwandter Prozesse bzw. bereits trainierte KNN-Prozessmodelle als Ersatz genutzt werden. Ziel ist es, hierdurch die durchzuführende Versuchsanzahl zur Prozesscharakterisierung zu senken, um schneller und kostengünstiger zu optimierten Maschineneinstellungen zu kommen.

In erfolgten Versuchen konnte bereits gezeigt werden, dass für wenige durchgeführte Versuche an der Spritzgießmaschine die Datenbasis durch Prozessinformationen aus Simulationen ergänzt werden kann. Dies führt zu einer Verbesserung der Approximationsqualität des KNN, z. B. für verschiedene Bauteilmaße oder das Formteilgewicht. In aktuellen Forschungsprojekten wird weiterführend untersucht, inwiefern die Daten über Spritzgießprozesse unterschiedlicher Bauteile zur Modellbildung genutzt werden können. Die Untersuchungen umfassen momentan Simulationsdaten, wobei die Methodik mit experimentell ermittelten Daten validiert werden soll.

Die horizontale Integration ermöglicht die kostengünstige Fertigung individualisierter Bauteile. Dazu werden sämtliche an der Wertschöpfung beteiligten Elemente auf maximale Wandlungsfähigkeit ausgelegt und informationstechnisch verknüpft.

Im Forschungsprojekt „CFK-Werkstatt – Interaktive Reparaturwerkstatt der Zukunft für Elektromobile in CFK-Bauweise“ wird so beispielsweise die Produktion von individuellen, schadensangepassten Reparatur-Patches für FVK-Strukturbauteile ermöglicht.

In Zusammenarbeit mit einem Industriekonsortium erforschte das IKV die Realisierbarkeit der Produktion von spritzgegossenen Bauteilen in einer bedarfsgerechten Variantenvielfalt. Dabei kommen vernetzte informationstechnische Systeme zum Einsatz, die es den Messebesuchern erlauben, individuelle Produktionsaufträge an unterschiedlichen Standorten selbst zu initiieren und nachzuverfolgen.

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Modulare, flexible Zellenlösungen und der Einsatz additiver Verfahren ermöglichen die Herstellung noch stärker individualisierter Bauteile. In einer hybriden Fertigungszelle werden verschiedene Fertigungsverfahren kombiniert und so hochindividuelle Bauteile produziert.

Effiziente und flexible Produktion

Durch die Weitergabe und Nutzung aller relevanten Informationen im Sinne der vertikalen Integration wird eine autonome Optimierung bestehender Produktionsprozesse ermöglicht. Im Exzellenzcluster „Internet of Production“ werden an der RWTH Aachen seit 10 Jahren Kernaspekte von Industrie 4.0 behandelt. 

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Durch die Errichtung des Plastics Innovation Center 4.0 (PIC4.0) entsteht am Campus Melaten eine vollständig digitalisierte Forschungsinfrastruktur zur umfassenden und praxisnahen Forschung an Themen der Digitalisierung in der Kunststoffproduktion und der dazu notwendigen Infrastruktur. Die Smart Factory verhilft dem IKV dazu, Wirkzusammenhänge in vernetzten Wertschöpfungsketten datenbasiert zu analysieren und durch Methoden der Digitalisierung praxisnah zu unterstützen. Die smarte Demonstrationsfabrik eröffnet damit das Potenzial, neue Forschungsbereiche der Digitalisierung zu erschließen und die Industrie durch ganzheitliche Ansätze zu unterstützen.

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Im Exzellenzcluster Internet of Productionder RWTH Aachen wurde mit der Modellbasierten Selbstoptimierung (MBSO) eine Struktur für selbstoptimierende Produktionssysteme entwickelt. Ziel ist, im Spritzgießprozess eine konstante Formteilqualität zu erreichen, trotz unterschiedlicher Störgrößen und Randbedingungen wie Materialchargenschwankungen oder dem Verschleißzustand von Maschine und Werkzeug. Dazu wird eine auf den Kunststoff zugeschnittene Prozessführung, die den Zusammenhang zwischen druckspezifischem Volumen und Temperatur (pvT-Verhalten) nutzt, mit einer viskositätsregulierenden Arbeitspunktoptimierung kombiniert. Diese Qualitätsmodelle werden mit Informationen aus der Sensorebene versorgt und liefern an den aktuellen Betriebszustand im Werkzeug angepasste Drucksollwerte. Durch die Realisierung Diese Sollwerte können mithilfe einer modellprädiktiven Regelung (MPC) realisiert werden, sodass ein vorgegebener pvT-Verlauf trotz auftretender Störungen reproduzierbar ist. Selbstoptimierungsstrategien in der Kunststoffverarbeitung erhöhen die Prozessstabilität gegen externe Streueinflüsse und reduzieren Ausschuss. Dies gilt insbesondere für Anfahrausschuss, da sich der Prozess auf die aktuellen, noch nicht eingeschwungenen Bedingungen anpasst.

Der Einsatz eines Inline-Qualitätssicherungssystems wird die zur verfahrenstechnischen Anpassung der Prozessparameter notwendige Zeit verringern und damit auch die Menge an produziertem Ausschuss reduzieren. Die Kombination von Sensordaten mit Prozessmodellen bietet sich zum Beispiel auch in der kontinuierlichen Kautschukverarbeitung an, um den Aufheizprozess und dessen Homogenität zu optimieren.

Der Industrie-4.0-Ansatz des Projekts „iComposite 4.0“ liegt in dem intelligenten Produktionssystem, welches unter anderem durch eine Verknüpfung der einzelnen Komponenten mit einem regelnden Produktionsleitsystem realisiert wird. Ziel ist die Entwicklung einer flexiblen und selbst-regulierenden Produktionsanlage zur wirtschaftlichen und qualitätsüberwachten Serienproduktion von RTM-Strukturbauteilen mit 3D-fasergespritzten Preforms und bedarfsorientierter Endlosfaserverstärkung. Hierdurch wird neben einer bloßen Regelung der Prozessparameter auch eine Regelung der finalen Bauteileigenschaften ermöglicht – der Paradigmenwechsel von einer toleranzbasierten zu einer produktfunktionsgetriebenen Fertigung.

Vorhersage von Prozess- und Produktqualität

Die Bedeutung des digitalen Schattens von Verarbeitungsprozessen, zur Vorhersage und Optimierung der Bauteilqualität und des Prozessverlaufs nimmt immer weiter zu. Am IKV entwickelte Software-Tools verbessern die Vorhersagegenauigkeit von Qualitätsprognosen und ermöglichen so eine Optimierung des gesamten Produktlebenszyklus.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Im Forschungsbereich Extrusion wird im Rahmen des Exzellenzclusters eine Simulationsumgebung aufgebaut, die die Strömungssimulation und nachfolgende Geometrieoptimierung in additiv hergestellten Extrusionswerkzeugen erlaubt. So können kostenintensive Iterationsschleifen in der Auslegung reduziert werden.

Im Forschungsbereich Spritzgießen wird untersucht, ob die Berücksichtigung von inhomogenen Bauteileigenschaften zur Vorhersage von Schwindung und Verzug eine Optimierung des Designprozess für Spritzgießwerkzeuge ermöglicht. Dazu werden zum einen Kristallisationsprozesse auf der Mikroskalenebene berücksichtigt. Zum anderen wird im Sonderforschungsbereich „Präzision aus Schmelze“ in einem interdisziplinären Ansatz die erzielbaren Toleranzen von schmelzebasierten Fertigungsverfahren verbessert. Dazu wird zunächst ein Messverfahren entwickelt, welches die ortsaufgelöste Temperaturmessung in der Kavität ermöglicht und als Eingangsparameter für die genutzten Modelle dient. In einem Reverse-Engineering-Ansatz wird nachfolgend der tatsächliche Temperierbedarf für einen Prozess ohne Verzug ermittelt und so neue Maßstäbe hinsichtlich der Qualität spritzgegossener Bauteile gesetzt.

Sowohl die Kunststoff- als auch die Metallverarbeitung haben in Bezug auf die urformenden Verfahren gemeinsam, dass zunächst eine Schmelze in die abzuformende Kavität des Werkzeugs befördert wird und dort erstarrt. Temperaturausgleichsvorgänge zwischen Schmelze, sich ausbildenden Gefügestrukturen und Werkzeugform bestimmen hierbei die resultierenden Ordnungszustände auf molekularer und atomarer Ebene, die sowohl die Ausbildung der Morphologie als auch die Entstehung von Eigenspannungen entscheidend prägen. Diese inneren Eigenschaften führen bei Kunststoffbauteilen oftmals zu gravierenden Problemstellungen während des Herstellungsprozesses, wie zum Beispiel Schwindung und Verzug. Die zugrunde liegenden Mechanismen werden bisher in der Forschung zur Kunststoffverarbeitung in der Gesamtheit aufgrund unzureichender Modelle und fehlender Materialdaten jedoch noch nicht betrachtet.

In diesem Projekt werden Temperaturausgleichsvorgänge mit dem Ziel einer Verbesserung der Vorhersagegenauigkeitdes Verzugs von Kunststoffbauteilen untersucht und anschließend modelliert.