Digitalisierung hat viele Gesichter

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Das Thema Industrie 4.0 spielt mittlerweile in sämtlichen Branchen eine zentrale Rolle. Im Interview gewährt Johann Erath, Oberingenieur für Bildung und Forschung am SKZ, Einblicke, welchen Stellenwert die Thematik für das SKZ besitzt.

Dr. Johann Erath, Oberingenieur für Bildung und Forschung am SKZ Foto: SKZ

Das Thema Industrie 4.0 ist allgegenwärtig. Auch in der Kunststoffbranche ist das Thema nicht mehr wegzudenken. Am Kunststoff-Zentrum SKZ wird bereits seit vielen Jahren an Prozessen und Technologien im Bereich der Industrie 4.0 für die kunststoffverarbeitende Industrie geforscht.

Im Interview mit der K-ZEITUNG verrät Johann Erath, Oberingenieur für Bildung und Forschung am SKZ, welchen Stellenwert das Thema Industrie 4.0 für das SKZ besitzt, wo genau die Forschungsschwerpunkte liegen und welche Folgen und Anwendungen sich dadurch für die kunststoffverarbeitende Industrie ergeben.

K-ZEITUNG: Herr Erath, welchen Stellenwert nimmt das Thema Industrie 4.0 mittlerweile in der Kunststoffbranche ein?
Dr. Johann Erath: In der Kunststoffindustrie zeigt sich ein relativ heterogenes Bild. Während einige Vorreiter – insbesondere größere Unternehmen – sich aktiv mit dem Thema beschäftigen und eigene Lösungen sowohl für sich als auch für ihre Kunden entwickeln, befassen sich viele andere Unternehmen noch kaum mit dem Thema. Die Bedeutung des Themas wird folglich auch völlig unterschiedlich eingeschätzt. Während manche Unternehmen selbst ihre Geschäftsmodelle darauf ausrichten, wird vielerorts weiterhin nur abgewartet. Hier besteht tatsächlich eine große Gefahr, dass sich insbesondere mittelständische Unternehmen beim Thema Digitalisierung völlig abhängen lassen. Diesem Problem widmen wir uns in unserer täglichen Arbeit, indem wir den Unternehmen helfen, die Chancen und Vorteile von Industrie 4.0 richtig einzuschätzen und zu nutzen.

K-ZEITUNG: Wie macht sich das Thema Industrie 4.0 im Detail am SKZ bemerkbar?
Erath: Bereits seit über zehn Jahren beschäftigen wir uns am SKZ zusammen mit unseren Kunden intensiv mit Technologien, die man heute unter Industrie 4.0 subsumiert. Im Bereich Forschung beschäftigt sich das SKZ mit allen Prozessen entlang der Wertschöpfungskette der kunststoffverarbeitenden Industrie sowie den notwendigen Mess- und Prüftechnologien zur Qualitätssicherung. Zunehmend gewinnt die Vernetzung aller Prozesse an Bedeutung. Dies und die 2011 gestarteten Aktivitäten im Bereich der Additiven Fertigungsverfahren leiten das SKZ in das Zeitalter des indus­triellen Internets der Dinge. Folglich nimmt das Thema Industrie 4.0 einen großen Stellenwert in der Strategieausrichtung des SKZ ein. Beispiele gibt es viele: Qualitätssicherung zur 100-Prozent-Kontrolle, Additive Fertigung, Entwicklung von Assistenzsystemen, Simulation von Verarbeitungsprozessen, Auslegung von Bauteilen, Einsatz von künstlicher Intelligenz oder neue Geschäftsmodelle. Wir am SKZ verringern dabei in Koope­ration mit unseren Kunden die Diskrepanz zwischen Anspruch und Wirklichkeit bezüglich des Einsatzes von Industrie-­4.0-Technologien.

Softsensoren auf Basis künstlicher neuronaler Netze werden zur Vorhersage von Materialeigenschaften aus den Prozessparametern eingesetzt. Foto: SKZ

K-ZEITUNG: Wie kann man sich Projekte im Kontext von Industrie 4.0 am SKZ vorstellen?
Erath: Neben diversen grundlegenden Forschungsaktivitäten liegen die Schwerpunkte im anwendungsnahen Forschungs- und Entwicklungsbereich. Neben vorwettbewerblicher Forschung stehen direkte Industriekooperationen im Fokus. Das Ziel ist hierbei die erfolgreiche Umsetzung neuer­ Technologien und Verfahren in die betriebliche Praxis. Beispiele hierfür sind die am SKZ entwickel­ten Verfahren zur thermografischen Inline-Prozesskontrolle beim Spritzgießen oder beim Schweißen, die Verarbeitung von Langglasfasern oder der Einsatz der Terahertztechnologie zur Prozesskontrolle.

K-ZEITUNG: Können Sie uns einen Einblick in einige dieser Beispiele aus der Praxis gewähren?
Erath: Ich kann Ihnen die Qualitätssicherung, neue smarte Produkte, die Entwicklung von Assis­tenzsystemen für die Kunststoffindustrie sowie Geschäftsmodelle­ als Beispiele nennen.

K-ZEITUNG: Mit was fangen wir an?
Erath: Beginnen wir mit der Entwicklung von an die Flexibilität der Produktion angepassten Qualitätssicherungskonzepten. Eine Sicherstellung von 100-Prozent-Kontrolle ist aufgrund der hohen Individualisierung von Produkten für die Produktion von morgen unabdingbar. Dafür werden schnelle und einfache Messsysteme­ benötigt, die im optimalen Fall in den Prozess integriert sind und automatisch eingreifen. Dies verknüpft die Prozessdatenanalyse mit einer automatisierten Regelung. Konkrete Projekte im Rahmen vorwettbewerblicher, aber auch direkter industrieller Forschung fanden dabei am SKZ zu Inline-Prüfverfahren, zum Beispiel mit Thermografie oder Farbmessung und der Geometrie- und Gewichtsbestimmung, statt.

K-ZEITUNG: Können Sie dies am Beispiel der Thermografie erläutern?
Erath: Zum Beispiel im Spritzgießen ermöglichen wir eine 100-Prozent-Qualitätskontrolle basierend auf dem thermischen Fingerabdruck eines Bauteils. Dabei werden mit Thermografie die Soll- und Isttemperatur eines Spritzgussteils nach der robotergestützten Entnahme aus dem Werkzeug abgeglichen. Über einen geschlossenen Regelkreis kann bei Abweichungen die Werkzeugtemperierung nachgeregelt und gegebenenfalls ein Schlechtteil aussortiert werden. Dieses System ist preiswert, nachrüstbar und nahezu auf allen am Markt vorhandenen Spritzgießmaschinen einsetzbar. Aktuell ist das System bereit über 50-mal am Markt im Einsatz. Weitere­ Einsatzmöglichkeiten des Systems finden sich zum Beispiel beim Extrudieren, der Additiven Fertigung oder beim Fügen.

Am SKZ fanden eine Vielzahl an Projekten zu vorwettbewerblicher und direkter Forschung statt, beispielsweise mit Thermografie oder Farbmessung. Foto: SKZ

K-ZEITUNG: Sie erwähnten vorher in unserem Gespräch die Terahertztechnologie. Können Sie diese in den Kontext von Industrie 4.0 bringen?
Erath: Die Terahertztechnologie kann Röntgen- und Ultraschalltechniken ersetzen. Hier sind wir innerhalb von circa zehn Jahren den kompletten Weg vom Labor an die Fertigungslinie gegangen. Die Methode wird heute in der Industrie etwa dazu eingesetzt, um Wandstärken von Roh­ren bei der Extrusion zu messen und gegebenenfalls die Prozessparameter nach­zuregeln. Die Vortei­le der Methode sind, dass keine gesundheitsgefährdenden Strahlen verwendet werden und die Messung kontaktlos möglich ist. Mehrere renommierte Hersteller wie Inoex oder Sikora nutzen diese Möglichkeit bereits kommerziell. Neben stetiger Verbesserung der Hardware steigern neue Auswertealgorithmen kontinuierlich die Leistungsfähigkeit derartiger Systeme.

K-ZEITUNG: Was für neue Produkte ermöglicht Industrie 4.0?
Erath: Bezüglich smarter Produkte­ wurden und werden verschiedenste­ Projekte am SKZ durchgeführt, etwa zu Produkten mit Losgröße eins wie individualisierte Automobiltechnik, Sportartikel und andere Konsumgüter, Medizintechnik wie etwa Orthesen oder Prothesen, Integration von Mikro­elektronik, Aufbau hybrider Strukturen, Fertigen von Ersatzteilen oder intelligente Verpackungen. Insbesondere erlaubt hier die Additive Fertigung völlig neue Konstruktionen.

K-ZEITUNG: Das Thema Medizintechnik klingt sehr spannend. Können Sie uns hier ein Beispiel nennen?
Erath: Eine medizinische Herausforderung ist beispielsweise die lagerungsbedingte Schädeldeformation bei Säuglingen. Diese wird therapiert mittels sogenannter Kopforthesen. Probleme heutiger Kopforthesen sind lange Produktionszeiten und hohe Kosten durch Handarbeit. Weiterhin haben sie ein hohes Gewicht sowie Lüftungsprobleme. Das Ziel ist es, gemeinsam mit der Universität Würzburg individuell angepasste Orthesen zu entwickeln, die mittels Additiver Fertigung hergestellt werden. Nach einem 3D-Scan des Kopfes kann eine schnelle Fertigung der Orthese im 3D-Druck erfolgen. Dies ermöglicht eine verbesserte Passform, ein verringertes Gewicht, leichtere Handhabung und günstigere Herstellung.

K-ZEITUNG: Sie haben eingangs auch den Begriff Assistenzsysteme verwendet. Was darf man hierunter verstehen?
Erath: Assistenzsysteme werden eingesetzt zur Unterstützung des Bedieners in Form von Web-Services für Fernwartung, zustandsbasierte prädiktive Instandhaltung, Zugriff auf Statusdaten und zur Vorhersage und damit Optimierung der Produktionsprozesse. Wir setzen beispielsweise sogenannte Softsensoren auf Basis künstlicher neuronaler Netze zur Vorhersage von Materialeigenschaften aus den Prozessparametern ein. Damit soll dem Maschinenführer in der Compoundierung und Extrusion ein System zur Seite gestellt werden, das die Steuerung des Prozesses sowie die Ermittlung relevanter Qualitätskennwerte in Echtzeit vereinfacht. Für den Softsensor werden Daten aus dem Betrieb der Maschine verwendet. Mit diesen Daten wird das Modell erstellt, trainiert und getestet. Bereits in den 70er-Jahren liefen dazu erste Grundlagenunter­suchungen. Nun sind die Zeit und IT-Infrastruktur reif, das in der Breite umzusetzen.

Die Terahertztechnologie kann Röntgen- und Ultraschalltechniken ersetzen und wird heute in der Indus­trie dazu eingesetzt, etwa um Wandstärken von Rohren bei der Extrusion zu messen und gegebenenfalls die Prozessparameter nachzuregeln. Grafik: SKZ

K-ZEITUNG: Prozessmodelle, das klingt nach Simulation. Welche Rolle spielt Simulation am SKZ?
Erath: Wir setzen Simulation für Verarbeitungsprozesse (Füll­simulation oder Strömungs­simulation) und zur Auslegung von Bauteilen (Struktursimulation) in vielen unserer Forschungsvorhaben und Kundenprojekte ein. Die Zukunft wird der integrativen Simulation gehören. Weiterhin verwenden wir Simulationen zur Auslegung unserer Sensoren wie Terahertz und Ultraschall, etwa zur Simulation von Wechselwirkungen elektromagnetischer und mechanischer Wellen mit verschiedenen Kunststoffen.

K-ZEITUNG: Sie haben auch das Thema Geschäftsmodelle erwähnt. Wel­che neuen Geschäftsmodelle folgen aus Industrie 4.0 aus der Sicht des SKZ?
Erath: Auf Basis allgegenwärtiger digitaler Infrastruktur findet eine Neuausrichtung der Geschäftsmodelle von produkt- zu service­dominierten Modellen statt. Ein Beispiel hierfür ist das Zusammenführen von Daten zur Entstehung neuer Produkte und Produktplattformen wie etwa in einem unserer Projekte, das sich mit Geschäftsmodellen für ein kooperatives Recycling beschäftigt. Bei vielen Firmen laufen Produktionsabfälle der Kunststoffverarbeitung in sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen und geringen Einzelmengen auf. Diese wirtschaftlich, technisch und ökologisch sinnvoll zu verwerten ist das erklärte Ziel. Die Grundlage dieser Geschäftsmodelle­ sind Kooperationen kunststoffverarbeitender KMU entlang der Wertschöpfungskette. Diese gilt es über eine digitale Plattform zielführend zu steuern.

K-ZEITUNG: Wie bereitet sich das SKZ auf die Zukunftsaufgaben vor?
Erath: Am SKZ wird in den nächsten Jahren die Modellfabrik 2020 entstehen. In der neuen Infrastruktur wird die Forschung zur Umsetzung von Industrie 4.0 ausgebaut und vor allem an die kleinen und mittleren Betriebe weitergegeben. In Kürze wird das SKZ auch offizielle Testumgebung des Bundesministeriums für Forschung sein. Die Expertise des SKZ zum Thema Industrie 4.0 steht allen Firmen offen, die sich über neueste Möglichkeiten informieren möchten oder planen, eigene Verfahren zu entwickeln oder zu erproben.

db

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