Industrie 4.0 in einer Formanlage zum Laufen bringen 

Die Computerintegration von Kunststoffverarbeitungsbetrieben ist seit einiger Zeit in Arbeit. Zum Beispiel präsentierte Arburg bereits auf der K-Messe 1986 ein vollautomatisches Produktionssystem, das aus mehreren miteinander verbundenen Spritzgussmaschinen bestand, die mithilfe einer zentralen Computersteuerung die manuelle Einrichtung nahezu eliminierten. Dieses System, das eine frühe Version des Arburg-Host-Computer-Systems enthielt, wurde als “Computer Integrated Manufacturing” (CIM) bezeichnet, ein grundlegender erster Schritt in Richtung der heutigen “Industrie 4.0” oder der “vierten industriellen Revolution”.

Computer-Integrated Manufacturing “(CIM) der 1980er und 1990er Jahre war ein früher erster Schritt in Richtung Industrie 4.0.

Das Gerätedesign sowie die Informations- und Kommunikationstechnologie haben sich in den letzten 30 Jahren erheblich weiterentwickelt und es ermöglicht, sich immer komplexere Prozesse vorzustellen, um die Nachfrage nach höherer Produktivität zu befriedigen.

Diese Systeme müssen flexibel und leicht zu handhaben sein. Der zunehmende Effizienzdruck und der Mangel an qualifizierten technischen Mitarbeitern sprechen lautstark für mehr Automatisierung und Ausrüstung, die mit einem Minimum an menschlichem Eingreifen betrieben werden kann. Dies erhöht wiederum die
Wichtigkeit der engen Integration von Elementen wie Maschinen, Robotern, anderen Peripheriegeräten und Host-Computer-Systemen in den Produktionsprozess unter Verwendung der heutigen fortschrittlichen Kommunikations- und Konnektivitätstechnologien. Einige der innovativsten Formenbauer nutzen diese Industrie 4.0-Technologien bereits, um Mehrwert zu schaffen, die Produktionseffizienz zu steigern und die Prozesszuverlässigkeit zu verbessern.

INDUSTRIE 4.0 IN DIE ARBEIT BRINGEN

Die heutige typische Spritzgussanlage konzentriert sich hauptsächlich auf die Herstellung von Teilen mit ausreichender Qualität bei gleichzeitiger Kostenbegrenzung. Zu diesem Zweck untersucht das Verarbeitungspersonal die aktuellen Betriebsbedingungen und identifiziert Probleme, damit der Prozess optimiert und die Formkapazität am effektivsten genutzt werden kann, um einen gesunden Gewinn sicherzustellen.

Formenbauer, die das breite Konzept von Industrie 4.0 annehmen, folgen ebenfalls diesen grundlegenden Praktiken, müssen jedoch in der Lage sein, den noch so komplexen Produktionsprozess intuitiv anzupassen und zu steuern, ohne spezielle Kenntnisse zu benötigen. Ziel ist es, „intelligente“ Maschinen einzusetzen, die Peripheriegeräte mühelos integrieren, Prozessparameter analysieren und regulieren, das Datenmanagement zentralisieren und weitreichende Unterstützungs- und Unterstützungsfunktionen bereitstellen. Es ist noch ein langer Weg, bis wir diese Ziele vollständig erreichen, aber jeden Tag werden Fortschritte erzielt.

Als Technologie- und Systemanbieter hat Arburg an mehreren schlüsselfertigen Systemen gearbeitet, die nicht nur Spritzgießmaschinen und Robotersysteme, sondern auch die zentrale Überwachung und Steuerung von Spritzgussmaschinen und Peripheriegeräten umfassen, um Prozessdaten zu erfassen und eine teilespezifische Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Zum Beispiel verwendet Plastikos Inc., ein erstklassiger Spezialformer in Erie, Pennsylvania, integrierte Arburg-Formmaschinen und -Roboter. In einer komplexen medizinischen Anwendung produzieren rund
4 Millionen Teile pro Jahr, ABS-Teile werden in einem ersten Schritt in einer Presse hergestellt. Die Teile werden von einem linearen Roboter aufgenommen, der vom Steuerungssystem der Einspritzmaschine gesteuert wird. Der Roboter legt sie in eine zweite Presse, um sie mit TPU zu überformen, und entfernt dann die fertigen Teile. Diese automatisierte Sequenz spart wertvolle Zykluszeit. Die Formen sind mit Hohlraumdruckmesssystemen sowie thermografischen und visuellen Kamerasystemen zur kontinuierlichen Qualitätsüberwachung ausgestattet.

„Unsere Maschinen arbeiten fünf Tage die Woche rund um die Uhr“, sagt Robert Cooney, Produktionsleiter von Plastikos, „und wir können bei Bedarf auch am Wochenende weitermachen.“ Mit einem Host-Computer-System aus Arburg fügt er hinzu: „Wir erfassen die Maschinenparameter, die für die Qualitätskontrolle und Dokumentation erforderlich sind, und archivieren alle Datensätze. Dank dieses Systems und der Hohlraumdruckmessung in unserer gesamten Produktion können wir Qualität und Effizienz durchgängig überwachen und frühzeitig reagieren, bevor Ausschussteile hergestellt werden. “

Ein weiteres Beispiel ist die Vorwerk & Co. KG in Wuppertal, die zwei schlüsselfertige Arburg-Systeme zur Herstellung von Lagerwellen verwendet, die Schlüsselkomponenten in den Thermomix-Multifunktionsmischern des Unternehmens sind. Die Zellen sind um zwei vertikale Einspritzmaschinen mit Formen mit vier Kavitäten aufgebaut, von denen eine mit einem Drehtisch arbeitet. Zu den Systemen gehören außerdem ein sechsachsiger Roboter, ein Einsatzvorschub sowie eine Vorheiz- und Übergabestation. Der Roboter ist die zentrale Handhabungsvorrichtung in der Zelle. Er nimmt Welleneinsätze von der Vorheizstation auf, legt sie in die Formen, entfernt die umspritzten Wellen und legt sie in Paletten an der Übergabestation ab. Elektrische Barrieren an den Spanneinheiten stellen sicher, dass der Roboter nicht im Weg ist, bevor sich die Formen schließen. Ein einzelner menschlicher Bediener lädt leere Paletten und entfernt volle.

NUR DER ANFANG

Mit den hochautomatisierten schlüsselfertigen Systemen von Plastikos und Vorwerk können diese Formenbauer schnell und kostengünstig kritische Präzisionskomponenten herstellen. Angesichts dieser Integration von vor- und nachgelagerten Vorgängen, der Kombination von Spritzguss und anderen Prozessen mit zentraler Steuerung und Prozessüberwachung über ein zentrales Host-Computer-System sind diese Unternehmen auf dem besten Weg, Industrie 4.0 umzusetzen. In der Realität haben jedoch selbst diese innovativen Formenbauer erst begonnen, das volle Potenzial von Industrie 4.0 auszuschöpfen.

Während der Tag der offenen Tür der Technologietage im März dieses Jahres demonstrierte Arburg mehrere mögliche Anwendungen der Industrie 4.0-Technologie bei der Herstellung „intelligenter“ Gepäckanhänger. Es umfasste die sequentielle Fertigung an räumlich verteilten Standorten, die Massenanpassung von großvolumigen Teilen durch die Kombination von Spritzguss und additiver Fertigung sowie die End-to-End-Rückverfolgbarkeit einzelner Teile mithilfe eines Host-Computer-Systems.

Die Betriebssequenz begann in einer schlüsselfertigen Produktionszelle, in der sich eine Spritzgießmaschine und ein sechsachsiger Roboter zusammenschlossen, um Gepäckanhänger in großen Mengen herzustellen. Am Ende jedes Formzyklus entfernte der Roboter zwei Halbschalen, setzte einen NFC-Chip (Near Field Communication) ein und montierte dann den Körper des Etiketts.

Als nächstes wurden die Individualisierungsinformationen – die Identität des Besitzers und das grafische Motiv des Tags – von einem Eingabeterminal auf den NFC-Chip im Gepäckanhänger übertragen. So wurde das Teil selbst zu einem Informations- und Datenträger, der sich an den verschiedenen Stationen identifizierte und nachfolgende Produktionsvorgänge leitete. Jedem Gepäckanhänger wurde auch eine eigene Website in der Cloud zugewiesen.

Die individualisierte Produktion – oder „Massenanpassung“ – ist eine Möglichkeit, mit der Industrie 4.0 neue Fertigungsmodi ermöglichen kann.

An der nächsten Station wurden die persönlichen Daten des Eigentümers – Name, Adresse, Telefonnummer usw. – im Klartext und als QR-Code per Laser auf das Etikett geätzt. Anschließend wurde das zuvor ausgewählte und auf dem NFC-Chip aufgezeichnete dekorative Motiv von Arburgs Freeformer Industrial Additive Manufacturing (3D-Druck) -System aufgebracht. Schließlich wurde eine durchgängige Rückverfolgbarkeit ermöglicht, als das fertige Tag mit seinem integrierten NFC-Chip verwendet wurde, um den zentralen Host-Computer anzuweisen, alle Prozess- und Qualitätsdaten zu seiner einzelnen Website in der Cloud zu übertragen. Von dort ist es jederzeit auf jedem digitalen Gerät verfügbar.

Diese Produktionssequenz mag relativ einfach erscheinen, umfasst jedoch eine Reihe wichtiger und komplexer Konzepte, die alle Teil von Industrie 4.0 sein können.

Die Formzelle demonstriert die Integration mehrerer Geräte, die autonom ein fertiges Bauteil herstellen (Etikett mit integriertem Chip). Das Produkt selbst verwaltet und steuert seinen eigenen Herstellungsprozess. In diesem Fall war es eine Formmaschine und ein Roboter, aber wie die Anwendungen bei Plastikos und Vorwerk zeigten, hätte die Zelle Einsatzzuführungen, Qualitätsprüfgeräte, Verpackungssysteme und vieles mehr enthalten können.

Schlüsselelemente von Industrie 4.0 sind die Integration von Peripheriegeräten über die Steuerung der Einspritzmaschine und die Vernetzung der Druckmaschinensteuerung mit einem zentralen Host-Computer.

Anweisungen, die zur Herstellung eines einzigartig individuellen Produkts (Losgröße 1) erforderlich sind, wurden offline eingegeben und über den NFC-Chip an die Fertigungsausrüstung übertragen. Mit anderen Worten, das Produkt selbst übermittelte die Informationen, die für die Steuerung seiner eigenen Herstellung erforderlich sind, durch verschiedene Vorgänge an verschiedenen Verarbeitungsorten.

Prozess- und Qualitätsdaten aus der Herstellung jedes einzelnen Produkts (Gepäckanhänger) wurden gesammelt und gespeichert, so dass sie mithilfe der Informationen im Produkt selbst sofort zugänglich sind. Dies gewährleistet eine 100% ige Rückverfolgbarkeit.

IT-NETZWERK UND ‘GROSSE DATEN’

Der Schlüssel zur effizienten Regulierung und Steuerung von Maschinen, Automatisierung und des gesamten Fertigungsprozesses aus Sicht von Industrie 4.0 ist die IT-Vernetzung der Produktion mit einem Hochleistungs-Fertigungsausführungssystem (MES), das direkt mit einem Unternehmensnetzwerk verbunden ist. Auf diese Weise können Formenbauer alle relevanten Daten zu Auftrag, Maschine, Einrichtung, Prozess und Qualität sammeln, verarbeiten, analysieren und archivieren.

Auf dem Arburg ALS-Hostcomputer können diese „Big Data“ in drei Informationsbereichen angezeigt werden: Maschinenstatus (Betriebsarten, Alarme und Fehlerursachen), Betriebsdaten (Teilezähler-, Programm-, Form- und Bestellinformationen) und Prozess Parameter (Istwerte aus dem Formzyklus).

STANDARD-SCHNITTSTELLE FÜR DEN DATENAUSTAUSCH

Arburg arbeitet derzeit mit anderen Steuerungs- und Softwareentwicklern führender Hersteller von Einspritzmaschinen an der neuen Euromap 77-Norm, mit der eine einheitliche internationale Host-Computer-Schnittstelle für den bidirektionalen Datenaustausch zwischen Einspritzmaschinen und MES geschaffen werden soll. Der Host-Computer kann einen Job initiieren, indem er ihn in das Maschinensteuerungssystem lädt. Umgekehrt werden auftragsspezifische Parameter in Bezug auf die in den Prozess integrierten Maschinen- und Automatisierungskomponenten an den Host-Computer zurückgemeldet.

Die einfache, standardisierte Vernetzung von Maschinen und Peripheriekomponenten ermöglicht einen noch schnelleren und effizienteren Datenaustausch zwischen der Formmaschine und dem Host-Computer-System. Im Vergleich zu Euromap 63, das es ersetzen wird, ist Euromap 77 viel flexibler. Es umfasst nicht nur Standard-Einspritzmaschinen, sondern je nach Bedarf auch Mehrkomponenten- und Drehtischmaschinen sowie sogar einzelne Einspritzeinheiten.

AUF DEM WEG ZUR ‘SMART FACTORY’

Die eventuelle Integration der Informationstechnologie in „intelligente“ Maschinen könnte die Kunststoffverarbeitung in dem Maße verändern, wie das Smartphone in den letzten Jahren den Alltag verändert hat. Im Gegensatz zu einem Smartphone ist Industrie 4.0 jedoch kein Standardprodukt.

Kunststoffverarbeiter müssen nicht über Nacht eine vollständig vernetzte „Smart Factory“ einrichten, um Industrie 4.0 in ihrem Unternehmen einzuführen. Stattdessen können sie die dahinter stehenden Konzepte und Technologien individuell bewerten, eine Strategie entwickeln, die den einzigartigen Kompetenzen und Betriebs- und Prozessanforderungen ihres Unternehmens entspricht, und diese schrittweise umsetzen.

Viele kleine und mittlere Unternehmen haben diesen Weg in Richtung Industrie 4.0 bereits angetreten und setzen einige Aspekte davon um. Beispielsweise:

• Produktionsplanung mit einem Host-Computer-System;
• Moderne Formmaschinen mit positionsgeregelten Schrauben und programmierbarer Druckregelung für Prozessstabilität und Qualitätssicherung;
• Flexibel automatisierte und vernetzte schlüsselfertige Systeme;
• Maschinenassistenzsysteme wie ein menügeführtes Setup-Programm.

Die digitale Fabrik der Zukunft wird sich selbst steuern und optimieren. Mit anderen Worten, Produktionsdaten werden nicht mehr zentral verwaltet, sondern mobil und dezentral über Tablets und andere intelligente Geräte angezeigt und ausgewertet. Der Mensch überwacht Prozesse und Abläufe und greift nur bei Bedarf ein. Die „Massenanpassung“ – die Individualisierung von Teilen mit hohem Volumen – wird relativ einfach und kostengünstig. Dies erfordert einen hohen Automatisierungsgrad und eine umfassende Vernetzung von Auftragsinformationen, Maschinen, Formen und Logistik. Einzelne Maschinen und Systeme müssen mit standardisierten Schnittstellen und Datenprotokollen gut koordiniert sein, bevor dies alles möglich ist.

In Wirklichkeit wissen wir noch nicht, was Industrie 4.0 letztendlich werden wird. In diesem Artikel haben wir einige der bereits vorhandenen Elemente untersucht und können uns vorstellen, was möglich sein wird, wenn diese Technologien verfeinert und implementiert werden. Es liegt jedoch an den Kunststoffverarbeitern, uns mitzuteilen, was sie für Industrie 4.0 benötigen.

ÜBER DEN AUTOR: Christoph Schumacher ist Leiter des globalen Marketings für Arburg in Lossburg. Ein Kommunikationsexperte mit einem Ph.D. An der Universität Aachen verfügt er über einen starken technischen Hintergrund, dank fast 20 Jahren Erfahrung in Kunststoffen, die meisten davon bei Arburg. Kontakt: [email protected]; arburg.com.

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