Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Experimentierbaren Digitalen Zwillings zur Analyse und automatisierten Adaption von Textilen

Fertigungsprozessen am Beispiel der Tuftingtechnologie

Die steigende Produktvielfalt in der deutschen Textilherstellung bei kleinen Losgrößen und hohem Aufwand in der Maschinenumrüstung erhöht die Preise der Textilien. Für Umrüsten und Einrichten der Produktionsmaschinen sowie Produktentwicklung ist Expertenwissen notwendig. Welches durch Fachkräftemangel und Personalfluktuation stetig abfließt. Steigende Anforderungen an Fertigprodukte erfordern hohe Reproduzierbarkeit der Herstellprozesse sowie kontinuierliche Prozessoptimierung.

Das Ziel ist es, einen Experimentierbaren Digitalen Zwilling (EDZ) als Demonstrator beispielhaft für eine Tuftingmaschine zu entwickeln, für die Steigerung der Effektivität und Effizienz des Einstellprozesses zu nutzen und für weitere Anwendungen an Textilmaschinen vorzubereiten.

Zur Umsetzung des Assistenzsystems wird die Interaktion der Tuftwerkzeuge analysiert. Dies führt zum Aufbau eines EDZ. Mit ihm werden die Abläufe visualisiert und ein Assistenzsystem für die Tuftingmaschine realisiert. Zudem wird eine automatisierte Adaption der Maschinenparameter mittels Simulation konzipiert und umgesetzt. Parallel werden Sensoren zur Erfassung der Lage der Tuftwerkzeuge entwickelt und integriert. Durch diese Zusammenschaltung von realem System und Digitalem Zwilling resultiert das Cyber-Physische System der Tuftingmaschine.

Der Nutzen für kmU ergibt sich durch die automatisierte Adaption des Herstellprozesses (verringert Umrüstkosten), ein bedienerfreundliches Assistenzsystem (verkürzt Einarbeitungszeiten), ein Sensorsystem zur Kontrolle der kinematischen Abläufe (erhöht Produktqualität und Prozesskontrolle), die Simulation des Herstellprozesses (verkürzt Entwicklungszeiten) sowie Grundlagen für die selbstjustierende Maschine, assistierte Störungsdiagnose und vereinfachte Fernwartung. Durch die Umsetzung der Ergebnisse in den kmU werden die Wettbewerbsfähigkeit erhöht, Kosten gespart und die Qualität gesteigert.

Ergebniszusammenfassung:

Um das Ziel, eine Tuftingmaschine zu digitalisieren, zu erreichen, wurde der Aufbau der Maschine erfasst und für die Visualisierung aufgearbeitet. Die für den Tuftingprozess ausschlaggebenden Bewegungskurven der Werkzeuge wurden mit Wegsensoren messbar gemacht. Weiter wurde die Hauptwelle mit einem Inkrementalgeber ausgestattet, sodass diese als Bezugsgröße für das Gesamtsystem fungieren konnte. Basierend auf den Konstruktionsdaten der Tuftingmaschine wurde eine Visualisierung entwickelt, die es ermöglicht, den Bewegungsablauf der Werkzeuge realitätsgetreu darzustellen. Darüber hinaus wurde eine Schnittstelle installiert, die es möglich macht, die Sensordaten auszulesen, zu speichern und auszuwerten. Mithilfe dieser Daten ist es möglich, die Einstellungen des Maschinentimings datenbasiert zu bewerten und gegebenenfalls anzupassen. Bisher war hierfür die subjektive optische Einschätzung des Maschinenführers notwendig. Diese war weder quantifiziert, messtechnisch erfasst noch reproduzierbar.

Der experimentierbare digitale Zwilling (EDZ) ermöglicht also die messtechnische Erfassung der Werkzeugbewegungen, bietet Hilfestellung für die Einrichtung der Tuftingmaschine und macht Einstellungen reproduzierbar. Er bietet eine Simulation der realen Maschine, die in der Lage ist, die Einstellungen eins zu eins darzustellen und bietet Blickwinkel auf Maschinenteile, die in der Realität aufgrund beispielsweise des Maschinenkörpers nicht möglich sind. Weiter ist es möglich, Einstellungen entweder händisch im Bedienpanel des EDZ anzupassen und die Auswirkungen simuliert darzustellen oder neue Parametersätze vom EDZ berechnen zu lassen. Diese können anschließend mit Hilfe des Einrichtungsassistenten auf den realen Zwilling übertragen werden.

Darüber hinaus kann der EDZ als Grundlage für eine virtuelle Trainingsumgebung für Textilmaschinen dienen.