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Eine Spielwiese für Industrie 4.0

Das SKZ als Industrie 4.0-Testumgebung – Chancen für Unternehmen
Spielwiese für Industrie 4.0

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Das BMBF hat das Kunststoff-Zentrum SKZ als offizielle Testumgebung für Industrie 4.0 klassifiziert. Mittelständler können Know-how und Infrastruktur nutzen, um ihre Digitalisierung anzupacken. Wie das aussehen kann, zeigen Beispiele.

Christoph Kugler, Dr. Johann Erath,
Dr. Thomas Hochrein, Prof. Martin Bastian
Kunststoff-Zentrum SKZ, Würzburg

Begriffe wie Industrie 4.0, Digitalisierung und Big Data sind in aller Munde. In jüngster Vergangenheit ergänzt durch Themen wie künstliche Intelligenz und Deep Learning. In all diesen Bereichen arbeiten viele Unternehmen an konkreten, branchen- oder prozessspezifischen Lösungen. Diese Unternehmen verfügen oft aber nicht über die Infrastruktur für industrienahe Tests. Die Erprobung neuer Technologien bei späteren Kunden wird häufig durch Restriktionen hinsichtlich der Daten- oder Prozesssicherheit verhindert. An dieser Stelle bieten unabhängige Forschungseinrichtungen wie das Kunststoff-Zentrum SKZ eine ideale Testumgebung. Durch die Vernetzung mit anderen Instituten unter dem Dach der Zuse-Gemeinschaft lassen sich auch komplexe und interdisziplinäre Fragestellungen bearbeiten.

Das SKZ betreibt an zwei großen Standorten in Würzburg sowie an verschiedenen kleineren Niederlassungen in Horb, Halle, Peine und Selb technische Versuchsanlagen auf industriellem Niveau. Alleine am Technologiezentrum in Würzburg verfügt das SKZ über Technika mit einer Gesamtfläche von mehr als 2000 m². Diese können als Spielwiese zur Erprobung neuer Anlagen und Technologien – insbesondere auch im Kontext von Industrie 4.0 – genutzt werden.

Die Infrastruktur des SKZ glänzt mit einer herausragenden Maschinenausstattung für die Kunststoffverarbeitung, um die aktuellen Herausforderungen der Kunststoffindustrie angehen zu können. Für die Compoundierung stehen aktuell sechs unterschiedliche Doppelschneckenextruder sowie zusätzliche Sondermaschinen wie Kokneter und Planetwalzenextruder zur Verfügung.

Für die Weiterverarbeitung der Compounds befinden sich im Moment drei Extrusionslinien für Rohre und Profile, sechs Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 500 und 5000 kN sowie acht unterschiedliche additive Fertigungsanlagen (3D-Drucker) im Portfolio. Darüber hinaus existiert ein weitreichender Gerätepark für das Schweißen und Kleben sowie die Oberflächenbehandlung von Kunststoffen. Weiter sind unzählige unterschiedliche Peripheriegeräte, Werkzeuge und Messgeräte zur Qualitätssicherung im Prozess und am Bauteil verfügbar.

Der Großteil der Anlagen am SKZ ist bereits digital vernetzt

Um dem Trend zur Digitalisierung gerecht zu werden, ist der Großteil der Anlagen bereits digital vernetzt und ihre Prozessdaten sind einfach zugänglich. Mit geringem Aufwand lassen sich weitere Anlagen in das Netzwerk integrieren und komplexe datenbasierte Sensorkonzepte, Assistenzsysteme und Regelkreise erproben. Diese bereits heute vielfältigen Möglichkeiten wachsen mit der sukzessiven Ergänzung der Ausstattung. Weiterhin existieren verschiedene Konzepte zum Umgang mit Big Data, insbesondere um relevante Daten aus den Daten-Mengen der Maschinen und Sensoren zu separieren.

Somit bieten die SKZ-Technika ein industrienahes Testfeld zur Erprobung jeglicher Technologien im Kontext der Kunststoffverarbeitung. Dabei nehmen Technologien zu Industrie 4.0 bei den Forschungen des SKZ einen großen Stellenwert ein. Beispiele gibt es viele: Qualitätssicherung zur 100-%-Kontrolle, additive Fertigung, Entwickeln von Assistenzsystemen, Simulation von Verarbeitungsprozessen, Bauteile-Auslegung, Einsatz künstlicher Intelligenz, neue Geschäftsmodelle… Um die weitreichenden Erfahrungen am SKZ zu illustrieren, sind im Folgenden einige Beispielprojekte dargestellt. Wobei die Interpretation und Ausgestaltung von Industrie 4.0 sehr vielfältig ist.

Meist zielen die Vorhaben darauf ab, Prozesse, Produkte und die dazugehörigen Daten zu vernetzen. Dazu müssen unterschiedliche Bausteine realisiert werden. Dies beginnt in der Kunststoffindustrie häufig mit dem Erzeugen von Produkt- und Prozessdaten durch integrierte Messverfahren, die heute nicht Stand der Technik sind, und reicht bis hin zu Cloudlösungen zur weltweiten Kommunikation.

Farbmanagement in der Industrie 4.0

Entsprechend unterschiedlich sind die Projekte, mit denen sich KMU auf den Weg in Richtung Industrie 4.0 machen. Farbe ist eines der komplexesten Qualitätsmerkmale in der heutigen Kunststoffverarbeitung. Es existieren zwar viele etablierte Messverfahren. Diese sind jedoch nach wie vor an physische Proben gebunden, was eine digitale Kommunikation erschwert. In Kooperation mit einem schwedischen Unternehmen konnte das SKZ zeigen, dass sich mit modernen Cloudtechnologien nicht nur die Kommunikation der Farbe – also der Austausch von Farbwerten mit Kennzahlen – sondern auch die Abstimmung unterschiedlicher Messgeräte untereinander erheblich verbessern lässt (Skizze). Es gelang, die Geräteabweichungen über eine Profilierung so zu reduzieren, dass ein digitaler Workflow insbesondere für opake Muster möglich wird. Umfangreiche Praxistests am SKZ und in der Folge auch in der Automobilindustrie haben diese Ergebnisse bestätigt.

Nach der Geräteprofilierung können global alle relevanten Appearance-Daten über eine Cloud kommuniziert werden. Es stehen sowohl Module für die Farbentwicklung als auch für die reguläre Qualitätssicherung zur Verfügung. Der Benutzer muss sich bei der täglichen Arbeit mit den Farbmessgeräten nicht umstellen, da er mit der jeweiligen Qualitätssicherungssoftware des Geräteherstellers weiter arbeitet. Die Verbindung mit der Cloud-basierten Lösung kann anschließend über einen Datenabgleich oder auch während der Messung online erfolgen.

Neue Optionen durch additive Fertigung

Die additive Fertigung schafft völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten bei der Fertigung von Kunststoffbauteilen. Beispielsweise zu „Losgröße 1“ wurden und werden am SKZ verschiedenste Projekte durchgeführt wie zu individualisierter Automobiltechnik, Sportartikeln, anderen Konsumgütern und auch zu Orthesen oder Prothesen in der Medizintechnik. Weitere Themen im Hinblick auf smarte Produkte am SKZ sind Integration von Mikroelektronik, Aufbau hybrider Strukturen, additives Fertigen von Ersatzteilen oder „intelligente“ Verpackungen. Untersucht werden auch die Möglichkeiten, die Vorteile der additiven Fertigung und des etablierten Spritzgießens zu kombinieren – also die Gestaltungsvielfalt des 3D-Drucks mit den großen Stückzahlen des Spritzgusses zu verbinden. Die Kombination beider Technologien ermöglicht es zum Beispiel, Spritzgieß-Bauteile additiv zu ergänzen und auf diese Weise zu individualisieren.

Ein weiterer spannender Hybridansatz, der zusammen mit Unternehmen erforscht wird, ist die additive Fertigung von Werkzeugeinsätzen für das Spritzgießen. Dieser Ansatz ermöglicht es Unternehmen, Werkzeuge für Kleinserienbauteile kostengünstig und in kurzer Zeit zu fertigen, verglichen mit der konventionellen Herstellmethode. Ein dafür geeignetes Verfahren ist Digital Light Processing (DLP), das verschiedene Harze (Duroplaste) vernetzen kann.

Mehr sehen als mit bloßem Auge

Das SKZ beschäftigt sich schon seit vielen Jahren und unabhängig vom Trend Industrie 4.0 damit, die Qualitätssicherung in den Prozess zu integrieren. Zum Einsatz kommen hierfür bevorzugt optische Messsysteme, da sie in vielen Belangen dem menschlichen Auge überlegen sind. Sie sind objektiv, ermüden nicht und können zusätzliche Informationen in Wellenlängenbereichen generieren, die für das menschliche Auge nicht zugänglich sind.

So wird zum Beispiel die passive Thermografie bereits seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt, um die Qualität von Spritzgussteilen nach der Entformung zu bewerten und so eine 100-%-Qualitätskontrolle zu ermöglichen – basierend auf einem thermischen Fingerabdruck. Ein Handlingsystem führt das Bauteil einer IR-Kamera vor. Das System vergleicht die Temperaturmessung mit einer Referenzmessung und entscheidet anhand von Auswertekriterien, ob es sich um ein Gut- oder ein Schlechtteil handelt.

Darüber hinaus ist es möglich, diese Prozessdaten direkt zu verarbeiten und über einen Regelkreis die Stellgrößen für die Werkzeugtemperierung zu berechnen. In jedem Zyklus sorgt das System somit für eine automatisierte, optimale Temperaturführung. Es wird möglich, die Bauteilqualität nicht mehr nur zu überwachen, sondern über einen geregelten Prozess zu steuern. Die hierfür notwendige Software wurde vom SKZ entwickelt und ist über das SKZ kommerziell erhältlich.

Das SKZ hat diese Methode auch schon für das Schweißen von Bauteilen adaptiert. In einem Forschungsvorhaben wurde untersucht, ob sich der Prozess als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Schweißnähten nutzen lässt. Basierend auf diesen Forschungsergebnissen ist eine Software entstanden, die für den Einsatz von kommerziell erhältlichen Thermografiekameras in Schweißmaschinen optimiert ist, um Fehlstellen in den Nähten zu detektieren. Das Gesamtsystem lässt sich einfach in den Prozess integrieren. Auch hierbei wird das Differenzbild nach unterschiedlichen Kriterien bewertet, um einen Rückschluss auf die Qualität der Schweißung zu ziehen. Das System übernimmt folglich die Qualitätssicherung im Prozess und schleust Schlechtteile automatisch aus.

Integriert in ein übergeordnetes System erlauben es die Informationen beispielsweise, rechtzeitig und automatisch einen externen Recycler anzufordern, der den Kunststoffausschuss abholt. Damit ist ein Modell für ein kooperatives Recycling entstanden. Und es ist ein Beispiel dafür, wie ein Baustein für eine automatisierte Kommunikation entlang der Wertschöpfungskette aussehen kann. Grundsätzlich lässt sich über den Austausch solcher Daten viel besser mit Partnerunternehmen zusammenarbeiten und bei entsprechender Skalierung eine hohe Effizienzsteigerung erreichen.

Inline-Analytik für die Compoundierung

Sensorik spielt im Kontext von Industrie 4.0 eine zentrale Rolle. Nur durch geeignete Sensoren und die damit generierten Daten können Prozesse besser verstanden und optimiert werden. Aus diesem Grund wurde mit einem Hersteller für faseroptische Messsysteme eine preisoptimierte und gleichzeitig hochselektive Inline-NIR/VIS-Sonde entwickelt, die sich unmittelbar in Compundierprozessen einsetzen lässt. Das „ExtruSens“ genannte System ist ausgelegt für den industriellen Dauerbetrieb in Extrusionsprozessen.

Die in Echtzeit ausgegebenen Messwerte lassen sich zum Beispiel nutzen, um die Restfeuchte in der Kunststoffschmelze zu bestimmen, den Polymerabbau empfindlicher Materialien zu erkennen oder den Farbumschlag bei Spülvorgängen und Chargenwechseln zu überwachen. Die Feuchte hat besonders für hydrolyseempfindliche Polymere wie Polyamid (PA), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polylactid (PLA) einen hohen Einfluss auf die Materialqualität. Ein zu hoher Feuchtegehalt in der Polymerschmelze kann beim Verarbeiten zu Blasenbildung und einem hydrolytischen Polymerabbau führen. ExtruSens lässt sich darüber hinaus in der Materialentwicklung neuer Rezepturen und in der Wirksamkeitsprüfung neuer Stabilisatoren nutzen. Da eine Polymerdegradation erkannt und über ein einfaches Ampelsystem signalisiert wird, lässt sich umgehend gegensteuern.

Innovation am besten im Team

Wie aus den gezeigten Beispielen deutlich wird, können innovative Produkte und Verfahren am besten in einer engen Kooperation entwickelt werden. Hierzu steht das SKZ interessierten Unternehmen für ihre individuellen Anfragen offen.

Insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) bis etwa 250 Mitarbeiter eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, die helfen, gute Ideen in gute Produkte zu übersetzen und sich den Entwicklungsaufwand bezuschussen zu lassen. Gerade für die Themen Digitalisierung und Industrie 4.0 stehen große Fördervolumen zur Verfügung, die von den Unternehmen in Anspruch genommen werden können.

Das Förderprogramm i4KMU unterstützt zum Beispiel KMU-Projekte, in denen ein Produkt bis zur Serienreife entwickelt werden soll (www.i4kmu.de). Unternehmen können sich unkompliziert um die Fördermittel bewerben und Projekte mit kurzen Laufzeiten (sechs Monate und länger) schnell realisieren.

So steht das SKZ als industrienahe Testumgebung bereit für die Erprobung und Weiterentwicklung von Industrie-4.0-Technologien in der Kunststoffbranche. In den nächsten Jahren wird am SKZ zusätzlich eine Modellfabrik 2020 entstehen. Die neue Infrastruktur intensiviert die Forschung und Umsetzung von Industrie 4.0 noch und treibt den Technologietransfer in die Unternehmen weiter voran.

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