Herausforderungen bei der Duroplastverarbeitung erfolgeich meistern
Die Kunststoffindustrie hat in den letzten Jahren einschneidende Veränderung erlebt – sowohl auf Makro- als auch auf Mikroebene. Wir haben die aktuellen Branchentrends in zwei Webinaren genauer betrachtet und die Herausforderungen bei der Verarbeitung duroplastischer Werkstoffe näher erläutert. Die vielfältigen Möglichkeiten der Digitalisierung und Zusammenarbeit ermöglichen die Umwandlung der heutigen statischen Fertigungsabläufe in hocheffiziente Prozesse.
In diesem Zusammenhang spielen künstliche Intelligenz und Cloud-Anwendungen eine entscheidende Rolle und verhelfen den Unternehmen zu vollständiger Transparenz in ihren Prozessen. Lernen Sie das KI-Konzept von sensXPERT® kennen und erfahren Sie, warum Labormessungen zur Prozessoptimierung nur an der Oberfläche der tatsächlichen Möglichkeiten kratzen.
1. Die Auswirkung globaler Trends auf die Kunststoffindustrie
Wir leben in einer Zeit beispielloser Veränderungen. Das hört sich vielleicht nach einem Klischee an, aber es ist tatsächlich so. Wir befinden uns mitten in der sogenannten 4. industriellen Revolution mit verschiedensten Entwicklungen und Einflüssen in unterschiedlichen Bereichen, einschließlich neuer Technologien. Unternehmen in der Kunststoffindustrie stehen dadurch zunehmend unter Druck, ihre Geschäftsabläufe an die globalen Trends anzupassen:
- Nachhaltigkeit durch Reduzierung von Ausschuss, Verwendung von Recyclingmaterialien und Initiativen zur Reduzierung bzw. Eliminierung von Abfällen
- Bioharze und umweltfreundliche Additive in der Entwicklung, d. h. biologisch abbaubare Kunststoffe
- Additive Fertigung für den Prototypenbau, Kleinserienfertigung sowie neue Designkonzepte
- Prozessoptimierung durch Automatisierung und Industrie 4.0
- Schlankere, leichtere Bauteile und Werkzeuge zur Erfüllung der neuen Anforderungen der E-Mobilität
Leichtere Bauteile und Komponenten mit verstärkten Kunststoffen gewinnen zunehmend an Bedeutung und haben deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien. Abgesehen von der gestalterischen Flexibilität können verstärkte Kunststoffe eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen wie Korrosion, Zersetzung, Ermüdung und hohen Temperaturen erzielen.
Um die positiven Effekte solcher Verbundwerkstoffe, die Fasern mit duroplastischen Materialien verbinden, zu nutzen, muss zunächst ein geeigneter Kontrollmechanismus entwickelt werden, um die Verarbeitungshürden zu bewältigen.
2. Herausforderungen von Duroplasten
Vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt sind duroplastische Werkstoffe durch Lagerung, Transport und Umweltbedingungen ständig Feuchtigkeit ausgesetzt, was sich ganz erheblich auf die Fertigungsstabilität und somit die Qualität des fertigen Teils auswirkt. Darüber hinaus können der Transport und die Lagerung wie auch andere Umwelteinflüsse zu Feuchtigkeit im Material selbst führen, was dessen Verarbeitungsfähigkeit stark beeinträchtigt.
Was sind Duroplaste?
In der Materialwissenschaft ist ein wärmehärtendes Polymer, oft auch Duroplast genannt, ein Kunststoff, der durch irreversible Härtung eines weichen festen oder viskosen flüssigen Vorpolymers (Harz) gewonnen wird. Duroplaste sind aufgrund ihres dreidimensionalen Netzwerks an Bindungen (Vernetzung) in der Regel stärker als thermoplastische Werkstoffe. In Verbindung mit Fasern bilden duroplastische Harze faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe.
Die Herausforderungen hängen nicht nur mit den Bedingungen vor der Fertigung zusammen. Mehrere Faktoren wie Temperatur und Wärmedämmung der Produktionseinrichtung – des Werkzeugs – müssen kontinuierlich überwacht werden, um eine stabile Produktion sicherzustellen.
Zu guter Letzt ist auch der Materialfluss ein weiterer wichtiger Punkt. Insbesondere bei gefülltem Rohmaterial ist die Bestimmung der vorgesehenen Faserorientierung von entscheidender Bedeutung, da das Bauteil nur durch Ausrichtung der Fasern in der gewünschten Richtung den angestrebten mechanischen Einwirkungen widersteht.
Duroplaste sind bei der Verarbeitung höchst instabil, weshalb Unternehmen bisher einen statischen Fertigungsansatz verfolgen, der bei Umstellung fortgeschrittene Fähigkeiten sowie die Unterstützung von Experten erfordert. Angesichts des zunehmenden Mangels an Fachkräften und eines begrenzten Verständnisses der Chemie von Duroplasten ist dies jedoch immer schwieriger zu erreichen. Die Zukunft erfordert eine grundlegende Veränderung unserer bisherigen Ansätze und neue Technologien helfen dabei, diese Herausforderungen zu bewältigen.
3. Chancen durch Prozessdigitalisierung und Zusammenarbeit
„Wir müssen den für den Fertigungsprozess verantwortlichen Mitarbeitern ein Tool an die Hand geben, das Prozessabweichungen bestimmen kann – nicht nur, wenn diese unmittelbar auftreten sondern auch in Form von vorausschauende Aussagen für die restlichen Teile einer Charge“, erklärt Dr. Alexander Chaloupka, technischer Direktor von sensXPERT®.
Um dies zu erreichen und die Umwandlung der Branche voranzutreiben, ist eine enge Zusammenarbeit entlang der Liefer- und Wertschöpfungskette entscheidend, wie bei der Zusammenarbeit zwischen sensXPERT® und der Schwarz Plastic Solutions GmbH.
„Digitalisierung ist eines der kommenden großen Themen in der Prozessautomatisierung, um Sicherheit und Kontrolle, aber auch einen finanziellen Mehrwert für die Fertigungsindustrie zu gewährleisten. Und das ist nicht ganz einfach zu erreichen, es funktioniert nur, wenn verschiedene Technologien, Unternehmen und Experten zusammenarbeiten“, unterstreicht Ingo Schwarz, Geschäftsführer der Schwarz Plastic Solutions GmbH.
Wir haben die Grenze der Digitalisierung einzelner Prozesse und Produkte erreicht! Jetzt müssen wir zusammenarbeiten, um ihr volles Potenzial zu entfalten. Wir müssen verstehen, wie unsere Technologien und Produkte miteinander interagieren und Synergieeffekte erzielt werden können, um ganzheitliche Konzepte für eine echte Digitalisierung zu entwickeln und umzusetzen – d. h. mit künstlicher Intelligenz (KI) und Cloud-Anwendungen.
4. Künstliche Intelligenz und die Cloud in der Fertigungsumgebung
Bei der Herstellung von Duroplastteilen passieren viele Dinge in einem kurzen Zeitraum. Sensoren erfassen Daten, fungieren als Fenster in einen Prozess und schaffen Transparenz, um die richtigen Entscheidungen zur Anpassung von Parametern in den Zyklen treffen zu können. Künstliche Intelligenz hat sich in vielen Bereichen bei der Optimierung von Prozessen bewährt. Jetzt findet sie auch ihren Weg in die Kunststoffproduktion.
Was ist KI?
Künstliche Intelligenz simuliert menschliche Denkprozesse durch Maschinen, insbesondere Computersysteme. Zu den spezifischen Anwendungen von KI gehören Expertensysteme, Verarbeitung natürlicher Sprache, Spracherkennung und maschinelles Sehen. Deep Learning und maschinelles Lernen sind beides Teilbereiche der künstlichen Intelligenz.
KI bei sensXPERT
In-situ-Sensoren erfassen Materialdaten während des Fertigungsprozesses. Kombiniert mit unseren materialwissenschaftlichen Erkenntnissen aus Labormessungen können wir Hunderttausende Datensätze simulieren, um zu prüfen, wie sich das Material bei unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden verhält. Des Weiteren werden Sensordaten erzeugt, die mit diesen Abweichungen in Verbindung stehen. Mit diesen Daten trainieren und testen wir unsere Algorithmen für maschinelles Lernen. Ein Edge-Gerät führt die Algorithmen während des laufenden Prozesses dann aus, um das erwartete Materialverhalten in Echtzeit zu prognostizieren. Durch Verstärkung der Algorithmen mit Daten aus der Produktionsumgebung sowie Daten der einzelnen Fertigungszyklen wird die Zuverlässigkeit der sensXPERT®-KI kontinuierlich verbessert.
sensXPERT®-Sensoren erfassen das Materialverhalten während des Fertigungsprozesses in Echtzeit. Das maschinelle Lernen wird auf einem Edge-Gerät ausgeführt, das relevante Informationen zum aktuellen Materialzustand an den Kunden oder die Fertigungsanlage zurückgibt und dadurch Transparenz schafft und Prozessanpassungen ermöglicht. Alle Daten sind in der Cloud-Umgebung verfügbar, die als zentrale Dashboard-Schnittstelle fungiert.
„KI ist kein Tool, das Menschen direkt ersetzen kann. Es ist ein Tool, das ihnen hilft, ihr Leistungsniveau zu erhöhen und die Produktionseffizienz zu steigern.“
Dr. Alexander Chaloupka zur Fertigungsoptimierung mit KI.
Die Verwendung einer Cloud ist unerlässlich für eine nahtlose Interaktion zwischen der tatsächlichen Produktionsumgebung und den KI-Modellen – natürlich mit modernsten Sicherungsebenen für höchstmögliche Datensicherheit.
5. Warum das reale Materialverhalten während der Produktion für eine vollständige Prozesskontrolle unerlässlich ist
Die Verbesserung der Kunststoffverarbeitung durch künstliche Intelligenz ist nur mit einer soliden materialwissenschaftlichen Grundlage möglich – im diesem Fall: Zentrale Qualitätsparameter wie Aushärtungsgrad und Glasübergangstemperatur.
Die Produktion von heute stützt sich auf Labormessungen. Eine Simulationsumgebung prognostiziert mittels Temperaturveränderungen, wie ein Material auf veränderte Prozesseinstellungen reagiert. Dies wird auch als Reaktionskinetik bezeichnet. Diese kinetische Modelle liefern zwar die Basisinformationen, lassen allerdings verschiedene Einflüsse auf das Material wie etwa die Lagerungsumgebung oder die thermische Vorgeschichte unberücksichtigt. Diese Art von Information ist nur im Werkzeug während des eigentlichen Fertigungsprozesses verfügbar.
Die Lösung von sensXPERT® kombiniert beides – die Reaktionskinetik basierend auf grundlegenden materialwissenschaftlichen Erkenntnissen und das tatsächliche Materialverhalten – um ein klares Bild vom Zustand des Materials während des Fertigungsprozesses zu erhalten.
Die sensXPERT®-Technologie wird bereits von zahlreichen Kunden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt. Hier erfasst die Technologie Prozesseinstellungen wie Filmanguss, Einspritzgeschwindigkeit und Werkzeugtemperatur, die zu Materialveränderungen führen.
Einen tieferen Einblick in die Möglichkeiten der Lösung von sensXPERT® erhalten Sie in unseren beiden Webinaren:
Die Kunststoffindustrie: Trends, Materialien und der Bedarf an intelligenten Fertigungslösungen
Bewältigung von Fertigungsherausforderungen in Echtzeit mit der sensXPERT®-Technologie von NETZSCH
Unsere Experten, Dr. Alexander Chaloupka und Ingo Schwarz, freuen sich, von Ihnen zu hören! Werden Sie Teil unserer Community und heben Sie Ihre Produktionsprozesse auf ein neues Niveau!
Schreiben Sie uns unter info@sensxpert.com
Quellen
