Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines digitalen Zwillings von Thermoformanlagen - Prozessnahe Vorhersage der Wanddickenverteilung von thermogeformten Formteilen

Das Thermoformen ist ein Umformverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Kunststoffteile aus extrudierten Halbzeugen. Im industriellen Umfeld werden thermogeformte Formteile in der Designphase vermehrt durch Simulationen optimiert. Das Ziel der Optimierung ist bspw. die Minimierung des Materialeinsatzes bei Erfüllung der qualitätsbestimmenden Eigenschaften des Formteils. Das Ergebnis dieser Optimierung ist in der Regel eine lastgerechte Wanddickenverteilung bei möglichst geringem Materialeinsatz und somit minimaler Wanddicke, die von einem Anlagenbediener eingestellt wird. In der Produktion kann jedoch bspw. eine Änderung der Umgebungstemperatur eine Veränderung der Wanddicke und damit der Formteileigenschaften bewirken. Damit steigt wiederum das Risiko für Ausschussformteile und somit auch der Materialeinsatz

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Vorhersage der Wanddickenverteilung unter Produktionsbedingungen durch einen digitalen Zwilling der Thermoformanlage umzusetzen. Der angestrebte digitale Zwilling ist eine Prozesssimulation, die die Wanddickenverteilung basierend auf physikalisch motivierten Modellen während der Produktion auf Basis von Live-Daten der Anlagensensorik in Echtzeit approximiert. Auf Basis dieser Daten kann die Auswirkung von Schwankungen im Prozess auf die Wanddickenverteilung vorhergesagt werden

Der digitale Zwilling wird in dem Forschungsvorhaben durch verschiedene Modelle umgesetzt, die hinsichtlich der benötigten Rechenzeit und der Genauigkeit bewertet werden. Eine geeignete und effiziente Konfiguration wird ausgewählt und damit die Vorhersage der Auswirkungen von Temperaturschwankungen untersucht. Das Ergebnis des Forschungsvorhabens ist eine Methodik zum Aufbau eines digitalen Zwillings einer Thermoformanlage zur Vorhersage der Wanddickenverteilungen produzierter Formteile. KmU können mit dem digitalen Zwilling die Effizienz ihrer Anlagen erhöhen, da Ausschuss frühzeitig erkannt und der Prozess angepasst werden kann.

Ergebniszusammenfassung:

Etwa 90 % der Kosten thermogeformter Produkte entfallen auf den Materialeinsatz, weshalb eine ressourcenschonende Produktion, gerade in Hochlohnländern, entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist. Schwankende Umgebungsbedingungen können zu inkonstanten Qualitätsparametern, wie z.B. der Wanddickenverteilungen aufgrund sich ändernder Verstreckwiederstände führen. Eine Herausforderung liegt in der durchgängigen Prozessüberwachung zur Detektion solcher Unregelmäßigkeiten, da eine Qualitätskontrolle oft nur stichprobenartig und zeitversetzt zum Produktionszeitpunkt durchgeführt werden kann. Das Forschungsvorhaben verfehlte deshalb das Ziel, einen Digitalen Zwilling zu entwickeln, welcher eine berührungslose und zeitnahe Prozesskontrolle am Beispiel der Prädiktion der Wanddickenverteilung ermöglichen soll. Dazu wurden zunächst verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Halbzeugtemperatur zum Umformzeitpunkt betrachtet. Dafür wurden Live-Daten aus einer thermografischen Messung im Produktionsprozess genutzt. Im Anschluss werden diese Temperaturprofile so korrigiert, dass die Temperaturverteilung im Halbzeug zum Zeitpunkt der Umformung bestimmt wird. Dazu wurde entweder eine vollständige dreidimensionale Wärmeleitungssimulation oder eine vereinfachte zweidimensionale Betrachtung des Halbzeugs herangezogen. Hierbei zeigt sich, dass die vereinfachte Betrachtung qualitativ vergleichbare Ergebnisse liefern kann und dabei eine Rechenzeit von ca. 50 ms benötigt. So kann auf Kosten eines etwa 10 % größeren Fehlers bei der Temperaturverteilung praktisch die gesamte Rechenzeit eingespart werden. Das so bestimmte Temperaturprofil zum Umformzeitpunkt dient als Eingangsgröße für die sich anschließende Umformsimulation, die die Wanddickenverteilung des Formteils bestimmt. Zur Charakterisierung des Materialverhaltens wurden mechanische Prüfungen auf einem Laborreckrahmen durchgeführt. Anhand dieser Messungen wird ein hyperelastisches und ein visko-hyperelastisches Materialmodell auf Basis des Yeoh-Modells kalibriert und gegenübergestellt. Die Umformsimulation kann mit beiden Modellen den resultierenden Wanddickenverlauf qualitativ gut wiedergeben. Abhängig vom Temperaturniveau zeigen sich jedoch deutliche Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Wanddicken von Formteilen. Das rein hyperelastische Modell liefert qualitativ ähnliche Ergebnisse und benötigt etwa 25% weniger Rechenzeit als das visko-hyperelastische Materialmodell. So kann die Wanddickenverteilung in einem beispielhaften Becherformteil in etwa 5 Minuten bestimmt werden. Die Automatisierung der Schnittstellen zwischen den einzelnen Schritten der behandelten Abläufe erfolgt mittels Python. Dadurch wird der digitale Zwilling in der Praxis prozessparallel einsetzbar. Der digitale Zwilling konnte in Validierungsversuchen hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit getestet werden. Sowohl Störungen der Halbzeugtemperierung, der Formlufthaltezeit sowie Fremdlufteinflüsse lassen sich mit dem digitalen Zwilling mit einer maximalen Abweichung von 0,085 mm detektieren. Die erzielten Forschungsergebnisse können in der gesamten Thermoformbranche genutzt werden. Neben den kmU-lastigen Thermoformbranchen profitiert auch der durch kmU geprägte Werkzeugbau, der die neue Technologie umsetzen und vertreiben kann, da simulative Prozesse ohnehin zur Formteilauslegung in der Werkzeugentwicklung zum Einsatz kommen. Auch Dienstleister zur Systemintegration bzw. Automatisierung und Ingenieurbüros mit Schwerpunkt Digitalisierung und Simulation profitieren als kleine bzw. mittelständige Unternehmen von der Weiterentwicklung und dem Vertrieb der Entwicklung. Somit können die Ergebnisse branchenübergreifend von einer großen Anzahl von kmU genutzt werden.