Die ressourcenschonende Ermittlung eines optimierten Einstelldatensatzes im Spritzgießprozess stellt aktuell noch eine Herausforderung dar. Maschinelle Lernverfahren bieten großes Potenzial, bereits generiertes Wissen aus der Fließsimulation zu nutzen.

Kombinierte Nutzung von Simulations- und realen Versuchsdaten

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

DOE-Software

Qualitätsmethoden

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Digitaler Zwilling

Schneller zum optimalen Betriebspunkt

Hochwertige Robotsysteme zeichnen sich durch effiziente Motoren und gewichtsoptimierte Achsen aus. Die Auswahl der verwendeten Materialien richtet sich nach dem Einsatzzweck und den Hublängen der Entnahmeroboter.

Die Robotsteuerung R9 zeigt hier eine mit ihr verbundene Arbeitszelle an

Nützliche Standardfunktionen der Wittmann-Robotsteuerung

Steuerungen (Hardware und Software)

Automatisierungstechnik

Linearroboter für die Kunststoffverarbeitung

Handling, Handhabungstechnik

Multiaxialroboter für die Kunststoffverarbeitung

Mit fliegendem Start zur kürzesten Entnahmezeit

Automatisierungsspezialist Kuka stellt die neue Version seiner smarten Simulationssoftware vor. Kuka.Sim 4.0 beeindruckt bei der Offline-Programmierung und der virtuellen Inbetriebnahme.

Mit Kuka.Sim 4.0 können Details und Abläufe von Roboterapplikationen schon vor der Inbetriebnahme realistisch simuliert werden

16:9

Roboterzellen leichter planen

Wie digitale Kundenservices und vernetze Maschinen Mehrwerte schaffen.

arburgXvision 6: Benjamin Franz, Gruppenleiter Digital Solutions (links) und Stephan Reich, Abteilungsleiter IT-Anwendungsentwicklung (Mitte), diskutierten mit Moderator Guido Marschall die zentralen Erkenntnisse in Sachen digitale Kundenservices. Ralf Kube war aus dem Loßburger Schulungscenter zugeschaltet

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Spritzgießmaschinen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

TV-Sendung zur arburgXworld

Charakteristisch für Industrie 4.0 sind autonome Produktionssysteme, in der die „Dinge“, sogenannte Assets, miteinander kommunizieren und selbstständig entscheiden. Realisierbar ist dies durch digitale Zwillinge als virtuelle Repräsentanz dieser Assets und digitale Schatten als Entscheidungsunterstützer. Der folgende Beitrag demonstriert die Anwendung digitaler Zwillinge für Spritzgießwerkzeuge durch Integration von Track- und Trace-Technologien für die Datenerhebung.

Ein RFID-Lesegerät erfasst, ob ein Spritzgießwerkzeug an der Maschine  für den Rüstvorgang bereitsteht

Wie Track- und Trace-Technologien das Werkzeugmanagement unterstützen können

RFID

Fertigungsautomation

Identtechnik

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

RFID Teileidentifikation

Der digitale Werkzeug-Zwilling

Wittmann zeigt auf der Fakuma 2021 eine Studie zu intuitiven Interaktionsmöglichkeiten zwischen Bediener sowie Spritzgießmaschine und Entnahmeroboter. In einem Forschungsvorhaben wurden die Grundlagen zur Sprach- und Gestensteuerung einer mit B8-Steuerung ausgerüsteten Maschine und eines Roboters mit R9-Steuerung geschaffen.

Darstellung der 3D-Roboter-Sicherheitsbereiche (verbotene Fahrzonen) rund um die Holme

Messe Fakuma

kunststoffe.de

Augmented Reality für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Sprachsteuerung und Mixed Reality an der Spritzgießmaschine

Der digitale Schatten ist das Kernkonzept des Exzellenzclusters „Internet of Production“ an der RWTH Aachen. Im Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) werden digitale Schatten genutzt, um Prozesse unter Berücksichtigung des Realverhaltens zu optimieren und die Simulationsgüte zu ermitteln.

Der Bau des PIC 4.0 schreitet voran und wirft seinen Schatten auf den Campus Melaten

Teil 7 der Serie: Wie der digitale Schatten im PIC 4.0 den realen Prozess belichtet

Sensorik für Kunststoff-Verarbeitungsmaschinen

Aus dem Schatten ins Licht

Die Digitalisierung kommt zur rechten Zeit. Mehr und mehr entpuppen sich smarte Lösungen als Geburtshelfer ressourcenschonender Technologien und Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft. Digitale Assistenten für Prozessregelung und -bewertung sind längst Standard, und auch Messeaussteller ziehen einen besonderen Nutzen aus der Digitalisierung.

„Augmented Reality“ eingeblendet: Temperaturen der Schneckenzylinder-Regelzonen von  der Einzugszone bis zur Düse (beginnend rechts), sowie Animation des zukünftigen Programmablaufs

Trendige Spritzgießanwendungen auf der Fakuma 2021

Doriat, Clemens, Dr.

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Spritzprägen

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Lasermarkieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Kunststoff-Rezyklat

Kunststoff Werkstoffe

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Kreislaufwirtschaft

Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft

Das Forschungsprojekt AutoEnSys befasst sich mit dem Einsatz eines KI-basierten Expertensystems zur automatischen Positionierung von Auswerfern im Entformungssystem. Ein selbstlernender Algorithmus soll langfristig auch weitere Teile des Entformungssystems auslegen.

Die Teilautomatisierung des Entformungssystems stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer vollständigen Automatisierung der Konstruktion von Spritzgießwerkzeugen dar.

Automatisierte Auslegung der Entformungssysteme von Spritzgießwerkzeugen

Werkzeugkonstruktion

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Machine Learning

Datenanalyse

Analysetools, FEM

Machine Learning für die Qualitätssicherung

Vorgriff auf eine größere Systemlandschaft

Wie das Spritzgießunternehmen Hauff die Herstellung von Oberkorbrollen für Spülmaschinen automatisiert hat.

Ein KR Quantec entnimmt simultan zum Spritzzyklus die Oberkorbrollen aus dem unteren Teil des Würfels und setzt sie in die Steckbuchsen in der oberen Hälfte ein, um die fertigen Teile danach zu entnehmen.

Autonome Produktion von der Maschine bis zur Palette

Handhabungsroboter

Montagetechnik

Industrieroboter

Elektrohaushaltsgeräte, Weiße Ware

Elektrotechnik, Elektronik

Palettierroboter

Im Doppelpass mit dem Zauberwürfel

Mit der webbasierten Plattform iSLM geht die Spritzgießsimulation einen großen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit und Wissensmanagement. Ein Gespräch.

Die webbasierte Plattform iSLM ermöglicht es, systematisch an Referenzprojekte der Vergangenheit anzuknüpfen und die eigene Kompetenz und Effizienz in der Bauteilentwicklung stetig zu verbessern.

Interview mit SimpaTec-Geschäftsführer Cristoph Hinse

Datenbanken

„Wir sprechen von der Digitalisierung der Digitalisierung“

Arburg arbeitet an der Vision, dass mithilfe von KI jede Spritzgießmaschine in Zukunft nicht nur die Prozesse, sondern auch die Produkte kennt, die sie herstellt.

Problem beim Machine Learning im Spritzgießen: Das aufwendig Erlernte gilt nur für den einen, ganz spezifischen Prozess. Oder anders gesagt: Die ermittelten Regeln oder Algorithmen sind nicht einfach auf andere Prozesse übertragbar.

Arburgs Vision: In Zukunft soll die Maschine die Produkte kennen, die sie herstellt

Steuern, Regeln

KI-Modelle für die Spritzgießsimulation

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein animiertes und steuerbares 3D-Modell einer Spritzgießmaschine entwickelt und in einer Lern-App implementiert.

Virtuelles Bedienpanel zum Einüben der wichtigsten Fahrbewegungen in den verschiedenen Betriebsarten einer Spritzgießmaschine und Visualisierung des Prozessablaufs in einem animierten Zykluszeitdiagramm.

Die virtuelle Spritzgießmaschine

Durch kontinuierliches Nachtrainieren ist ein digitaler Zwilling des Spritzgießprozesses in der Lage, unbekannte Prozesseinflüsse zu lernen und Vorschläge für Prozessanpassungen zu errechnen. So lassen sich auch nach Beimischung von Rezyklat die Zielwerte der Bauteilqualität erreichen.

Auszug aus dem Python-Skript, das die relevanten Prozessgrößen über die OPC-UA-Schnittstelle aufzeichnet.

Steuerung der Bauteilqualität durch lernfähige neuronale Netze

Mehr Rezyklat dank digitalem Zwilling

Mithilfe eines strukturierten Vorgehens können viele Materialeigenschaften von Bahnkunststoffen und Folien gut modelliert, prognostiziert und mit einer modellgestützten Regelung auch exakt gesteuert werden.

Doppelschneckenextruder, Breitschlitzdüse und Walze mit Atline-Permeabilitätsmessung zur Gewinnung der Versuchsdaten

Durch Datenanalyse Barriereeigenschaften prognostizieren und steuern

Prozesssimulation

Flachfolien- und Plattenextrusion

Extrusion

Extruder

Extrusionsanlagen

Big Data für die Qualitätssicherung

Big Data

Big Data meistert die Barriere

Wie die Cloud hilft, chemische Reaktionen zu beherrschen

Digitaler Zwilling und Echtzeitsimulation mit High Performance Computing in der Cloud

Allcloud unterstützen den Carbon-Black-Spezialisten Orion dabei, seine Simulationen von chemischen Prozessen in die Cloud zu verlagern. Das Ergebnis: Bis zu 20 Prozent schnellere Kalkulationen.

Orion Engineered Carbons hat seine Simulationen von chemischen Prozessen in die Cloud verlagert. IT-Partner Allcloud bereitete den Weg vor und half beim Lösen von Security-Fragen. Das Ergebnis: Bis zu 20 Prozent schnellere Kalkulationen.

Orion Engineered Carbons ist ein globaler Anbieter von Carbon Black, einer festen Form von Kohlenstoff, der als Pulver oder Pellets angeboten wird. Der Werkstoff wird nach genauen Vorgaben der Kunden für Reifen, Beschichtungen, Tinte, Batterien, Kunststoffe und zahlreiche andere spezielle, leistungsstarke Anwendungen hergestellt. Carbon Black wird zum Tönen, Färben, Verstärken und zur Verbesserung der Leitfähigkeit eingesetzt, dient der Erhöhung der Beständigkeit verschiedenster Materialen und verbessert deren UV-Schutz.

Im Rahmen eines Projekts wollte das Unternehmen viele seiner Workloads in die Cloud zu migrieren. Bereits live gegangen ist der Bereich der Simulationen, der besonders viel Performance und Rechenleistung benötigt. Simulationen von chemischen Reaktionen tragen unter anderem dazu bei, die Produktionsprozesse und die Produktqualität zu optimieren. Für das dafür benötigte High Performance Computing (HPC) bietet sich die Cloud geradezu an, da hier je nach Bedarf Rechenkapazitäten gebucht werden können.

Schon in 2020 fing das Unternehmen an, über HPC nachzudenken, doch zunächst waren einige wichtige Fragen zu klären. „Die größte Herausforderung lag in der Frage, ob und wie wir unser Knowhow (IP) schützen können, wenn wir Berechnungen im operativen Produktionsumfeld in die Cloud verlagern“, erinnert sich Arndt-Peter Schinkel, Vice President Innovation bei Orion Engineered Carbons.

In den Simulationen kommt sehr viel Spezial- und Erfahrungswissen zum Tragen. „On-Premises war der Schutz unseres intellektuellen Eigentums gelöst. In der Cloud mussten hier erst einmal die passenden Verträge mit AWS und Providern umgesetzt und Vereinbarungen aufgesetzt werden“, erklärt Benjamin Scherer, Vice President Global IT at Orion Engineered Carbons.

„Wir betreiben sogenannte Rußreaktoren, das sind Strömungsreaktoren, in denen chemische Reaktionen ablaufen“, erklärt Schinkel. Hierbei gehe es darum, zu verstehen, wann und warum etwas in der Produktion nicht so läuft wie es das Unternehmen wollte, also zum Beispiel die Produkteigenschaften nicht so werden wie angestrebt.

Dabei sei es von entscheidender Bedeutung, den Hinweis auf potenzielle Probleme so schnell wie möglich zu bekommen: Nur dann lässt sich sofort in den Echtzeitprozess eingreifen. Immerhin sind hier extrem hohe Temperaturen von rund 2000 °C im Spiel – da kann im ungünstigsten Fall sogar ein Loch in den Reaktor gebrannt werden, weil die Strömung nicht stimmt.

Mittels Root-Cause-Analyse werden mögliche Ursachen für Abweichungen analysiert. Das Verfahren hilft auch dabei, im Vorfeld Schäden zu verhindern. Zuvor hatte der Carbon-Black-Spezialist diese Untersuchung On-Premises durchgeführt, doch es gab vor allem beim Thema Geschwindigkeit zunehmende Engpässe.

„Für diese Art von Berechnungen sind teure, große Server in unseren Rechenzentren notwendig. Zugleich nimmt der Bedarf an Simmulationen immer weiter zu. In der Cloud konnten wir mit diesen Workloads deutliche Geschwindigkeitsvorteile erreichen“, erläutert Scherer.

Zu Anfang habe die Performance in der Cloud um gut 20 Prozent höher gelegen. Zwar relativiere sich der zu Beginn sehr große Unterschied in der Geschwindigkeit über die Zeit, dennoch bringe die Cloud-Migration deutliche Vorteile: „In der Cloud nutzen wir kontinuierlich neue State-of-the-Art-Prozessoren und verlieren nicht an Performance, gemessen am technischen Fortschritt“, so der IT-Chef.

Das sei jedoch bei gekaufter Hardware über die mehrjährige Nutzungszeit hinweg anders. Durch das High Performance Computing in der Cloud entfallen vor allem die nicht unbeträchtlichen Beschaffungszeiten für Hardware, die insbesondere in der letzten Zeit weiter gestiegen sind. „Die Beschaffung, der nötige IT-Support für die Implementierung sowie das Sourcing Approval dauern im Schnitt oft bis zu sechs Monate On-Premises. In der Cloud braucht es nur wenige Sekunden und Mausklicks: Das ist ein erheblicher Vorteil.

„Hinzu kommt, dass wir flexibel hoch- und runterskalieren können, wie wir es brauchen“, nennt Scherer weitere Vorteile. Die benötigte Hardware ist jederzeit verfügbar. Während zuvor manche Kalkulationen mit weniger großer Dringlichkeit aufgeschoben werden mussten, ist jetzt die nötige Kapazität vorhanden, alles schneller zu rechnen.

Digitaler Zwilling von Produktionsanlagen

Die On-Prem-Maschinen werden jedoch weiterhin genutzt, um die Cloud-Simulationen vorzubereiten. „Es gibt eine Reihe von Kriterien, die eingehalten werden müssen, damit eine Simulation valide läuft. Dafür sind viele Parameter nötig: Zum Beispiel um zu sehen, dass sich die Strömung so entwickelt wie gedacht oder damit die Geometrien entsprechend spezifischer Fragestellungen adjustiert werden“, erklärt Schinkel. Und ergänzt: „Solche Fragestellungen lauten beispielsweise: Sind die Auflösungen so, wie wir uns das vorstellen, funktionieren Iterationen und Rechnungen so wie geplant?“ Erst nach dem Prüfen und Validieren werden die Daten in die Cloud geschickt, um ein Szenario zu rechnen. Somit entsteht praktisch ein digitaler Zwilling jedes Reaktors.

Bevor etwas live geht, erfolgen jedoch viele detaillierte Experimente, um sicherzustellen, dass die virtuellen Rechenmodelle auch in der physikalischen Welt funktionieren. Das Modellieren von Simulationen dient dem Gewinn von mehr Insights, aber auch der direkten Rekalibrierung in der Produktion, indem unterschiedliche Charakteristika verbessert werden.

„Die Auflösung ist bei diesen Kalkulationen deutlich größer als das, was sich ansonsten messtechnisch erfassen lässt. Deshalb bekommen wir ein ganz anderes Prozessverständnis, als es ohne High Performance Computing möglich wäre“, sagt der Leiter der Modellierungsabteilung. Denn aufgrund der hohen Temperaturen wird es auch mit der Messtechnik sehr schwierig. Simulationen hingegen erlauben es, andere Einblicke in den Prozess zu bekommen.

Die Produkteigenschaften sind immer das Ergebnis eines komplexen Strömungsprozesses. Zeichnet sich ab, dass sie nicht so ausfallen, wie gefordert, muss in dem Augenblick der Herstellung eingegriffen und die Parameter so eingestellt werden, dass es wieder passt. „Nur dann, wenn diese Entwicklung für uns sichtbar wird, lassen sich Ideen entwickeln, was geändert werden muss“, führt Schinkel aus. Dazu werden zum Beispiel an bestimmten Stellen Zusatzströme eingetragen oder die Position und Temperatur für die Zugabe von bestimmten Rohstoffen wie Öl anders organisiert. Auf diesem Weg soll nicht nur die Produktqualität, sondern auch die Ausbeute aus den verwendeten Rohstoffen erhöht werden – letztlich auch eine Frage der Nachhaltigkeit.

Die IT-Abteilung stellt ein User Interface für das Produktionsteam zur Verfügung, das dann alles verschlüsselt und über das Interface die Daten in Form von Templates in die Cloud schiebt. „Aus der Wartungs- und Deployment-Sicht hat sich der Aufwand erheblich reduziert, alles ist deutlich flexibler und agiler als zuvor“, berichtet Scherer.

Für die operativen Teams kommt zwar ein zusätzlicher Schritt hinzu, indem die Daten in die Cloud gebracht werden. „Allerdings steht dafür eine ausgedehnte Workbench in der Cloud zur Verfügung, die dabei hilft, das ideale Equipment zu identifizieren. Es gibt mehr Möglichkeiten, mehr Tools und Features“, sagt Scherer.

Dabei bringe die Cloud einen weiteren Vorteil mit: Ein eigener On-Prem-Server mit einer bestimmten Spezifikation ist nicht immer das beste Produkt für alle Simulationen. In der Cloud lasse sich mehr ausprobieren, um Kalkulationen oder Simulationen mit der jeweils besser geeigneten Hardware laufen zu lassen. Als Beispiel nennt Schinkel die Nachbehandlung des Produkts: „Manche Kunden möchten statt der Pulverform Perlen als Granulat. Für solche Fragestellungen ist ein anderes Hardware-Set vonnöten als für die Reaktorsimulation“.

Teilweise gehe es um Parallelisierbarkeit von Berechnungen, in anderen Fällen darum, die ganze Domäne abzuarbeiten: Wenn es sich um eine Wärmeübertragungs-Problematik handelt, ist eine andere Hardware nötig als bei der Strömungsberechnung. „Die verwendete Hardware hat einen deutlichen Einfluss auf die Laufzeit der Simulationen“, fasst Schinkel zusammen.

Orion nutzt den AWS Marketplace: Hier stehen beispielsweise bereits vorgefertigte Simulationsumgebungen zur Verfügung, anders als On-Prem, wo direkt auf einer Linux-Umgebung gearbeitet wurde. Darüber hinaus kommen eigene Container-Lösungen in der Cloud zum Einsatz. Der Quellcode eines Source-Programms wird so angepasst, dass die eigenen Features enthalten sind, und in einem Container zusammengefasst.

Soll schnell mal etwas ausprobiert werden, greift man auf den Marketplace zurück. „Wenn wir sehen, es funktioniert und geht in die richtige Richtung, dann bilden wir Container und passen den Code mit unseren Modulen an“, berichtet Arndt-Peter Schinkel. Für die Simulationen wird beispielsweise OpenFOAM genutzt, ein freies Simulationssoftwarepaket unter anderem für Strömungsprobleme (CFD).

„Allcloud hat uns dabei geholfen, unseren Case aufzusetzen und uns den Weg in die Cloud aufzuzeigen und zu bereiten. Das war eine sehr wichtige Unterstützung für uns“, so Schinkel. Aus Sicht von IT-Chef Scherer kam insbesondere das Training für die rund 30 beteiligten Teammitglieder zur Basis-Cloud-Funktionalität sehr gut an: „Es ist wichtig, auf dem Weg in die Cloud nicht nur das technische Enablement im Blick zu haben, sondern auch die Befähigung der Mitarbeitenden aus unterschiedlichen Bereichen“. Neben der Basics-Schulung gab es AWS-Trainings zu den Themen SysOps, Developer und Security: Alle waren relevant für das HPC-Projekt, das noch einmal eine höhere Komplexität mitbrachte, als eine „normale“ Cloud-Migration.

Als Projektmethode wurde ein agiles Setup gewählt und in Sprints gearbeitet. „Wir bevorzugen Agile Delivery. Das hilft uns, Dinge in kleineren Blöcken und Iterationen zu machen und schon früh Resultate zu sehen. Die Zusammenarbeit und Kommunikation mit Allcloud war dabei immer besonders einfach und effizient“, sagt Benjamin Scherer. Tauche eine Frage auf, finde der Cloud-Dienstleister umgehend eine Lösung, bestätigt auch Schinkel.

AWS-Bordmittel unterstützen Security Policy

Um das Thema Cloud-Security zu managen und geistiges Eigentum zu schützen, wurde ein Framework mit entsprechender Policy aufgesetzt. In der Produktion wurde dann wiederum ein Prozess aufgesetzt, um dem Sicherheitskonzept zu folgen: keine triviale Aufgabe. „Ein wichtiger Part, den AWS zur Verfügung stellt, ist das Aufsetzen einer Landing Zone. Dazu gehört eine erhöhte Sicherheit mit Verschlüsselung und ein Channel Security Setup für die AWS-Mobilisierungsphase“, erläutert Benjamin Scherer.

High Performance Computing erfordere zudem eine erweiterte Security, bei deren Implementierung Allcloud viel Unterstützung gegeben habe – ebenso wie in der gesamten Mobilize-Phase. AWS folgt einem dreistufigen Konzept – assess, mobilize, migrate – mit dem die Migration von Business-Anwendungen so vorbereitet wird, dass sie stark beschleunigt und skaliert werden kann.

Für Security und Compliance kommen AWS-Services wie IAM (Identity and Access Management), Security Hub, Guard Duty, AWS Config, Event Bridge, Systems Manager, AWS SSO, Managed AD und Amazon Inspector zum Einsatz. Für das Thema Governance nutzt man AWS Organisations und Control Tower.

In den nächsten Monaten sollen noch weitere Bereiche in die Cloud umziehen, wie zum Beispiel die vorausschauende Wartung der Produktionsanlagen als KI-Thema. Am Ende steht noch eine SAP-Migration in die Cloud an. Mit dem ersten erfolgreich abgeschlossenen Schritt konnte jedoch gezeigt werden, dass sich die Mühe durchaus lohnt.

2023-04-24 - AllCloud

Chemische Reaktionen in der Cloud

Philipp Schlüter ist Marketing Director DACH bei AllCloud.

AllCloud ist ein weltweit aktiver Anbieter für Professional Services und Managed Services, der Unternehmen mit Tools für das Cloud Enablement und die Cloud Transformation unterstützt. Durch eine einzigartige Kombination aus Expertise und Agilität beschleunigt AllCloud das Potenzial von Cloud-Innovationen und hilft Unternehmen, den Wert der Cloud-Technologie voll auszuschöpfen.

<a href="https://allcloud.io/de/ " target="_blank">allcloud.io/de/</a>