Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellbasierte Qualitätsregelung zur fehlerfreien Bauteilproduktion und Anwendung im Thermoformprozess

Das Ziel des Vorhabens liegt in der Entwicklung einer drei-Ebenen Qualitätsregelung mit lernfähigen Modulen, die durch die Kombination geeigneter Sensoren und datenbankbasierten Erfahrungswerten eine flexible „Null-Fehler“ Fertigung im Bereich der Thermoformtechnik ermöglicht.

Die Innovation liegt darin, als Regelgröße die Bauteilqualität zu betrachten. Dabei werden die innere Bauteilqualität post-Prozess und die geometrischen Qualitätsparameter in-Situ geregelt. In diesem System kompensiert die Qualitätsregelung auftretende Abweichungen durch Parameterkorrekturen, sodass die Qualitäten der gefertigten Bauteile innerhalb der geforderten Toleranzen bleiben. Sensoren erfassen die Prozessparameter in-Prozess und die ermittelten Daten werden simultan im laufenden Prozess analysiert, um die in-Prozess-Regelungen zu realisieren. Durch einen Führungsgrößengeber, Qualitätsregler und Sensordaten wird die drei-Ebenen Prozessanpassung in ein System integriert, das reproduzierbare und hohe Bauteilqualitäten erwirkt. Gleichzeitig wird die Ausschussrate bei der Umstellung der Fertigung auf andere Geometrievarianten reduziert. Die Funktionsweise des modellbasierten Qualitätsreglers ist es, Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich die Prozessführung auf die Bauteilqualität auswirkt und bei Toleranzüberschreitungen automatisiert die Prozessparameter zu korrigieren.

Die Umsetzung und Demonstration des Ziels erfolgt am Beispiel eines Thermoformprozesses für die Fertigung thermoplastischer Faserverbundbauteile, deren komplexes Materialverhalten eine exakte Einhaltung der Prozessparameter erfordert.

Für KMU bedeutet die Anwendung des Qualitätsregelungs-Systems in der Produktion eine Verkürzung der Prozesseinlaufphasen sowie eine Reduzierung der Ausschussquoten. Dadurch wird die Material- und Zeiteffizienz von Fertigungsverfahren gesteigert. Bezogen auf den hier angewendeten Thermoformprozess, werden die Stückkosten um ca. 30% gesenkt, bei gleichzeitiger Steigerung der Bauteilqualitäten.

Ergebniszusammenfassung:

Die Qualitätsregelung wurde erfolgreich für den Qualitätsparameter Bauteilwinkel im Thermoformprozess eingesetzt. Durch die Anwendung als Einfahrhilfe konnten Winkelabweichungen von bis zu 2° ausgeregelt werden, dem vierfachen der Toleranz. Diese Abweichungen kamen durch Wahl eines ungünstigen Startpunktes zustande, welcher fehlendes Expertenwissen im Umgang mit dem Prozess zeigen soll.

Das generierte Prozessmodell kann zur Prozessvorhersage verwendet werden, wodurch bei einem Neuanlauf des Prozesses sofort Winkel innerhalb der festgelegten Toleranzen produziert werden konnten. In den weiteren Prozessläufen erfolgt ein erreichen des vorgegebenen Sollwertes. Hierdurch kann die Einfahrdauer bis zum erreichen der vorgegebenen Qualität verringert werden.

Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Qualitätsgröße als Regelgröße verwendet werden kann. Damit lässt sich der Regelkreis auf andere Prozesse anwenden, wenn die Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge zwischen Qualität und Prozessparameter bekannt sind.

Weiterhin wurden Schnittstellen Protokolle für unterschiedliche Fabrikate (SPS, Sensoren) und Software (MathLab) entwickelt, die allgemeine Verwendungen finden können.

Weiterhin wurden handlingsbedingte Defekte bestimmt und Modelle zur Simulation dieser aufgebaut. Dadurch lassen sich künftig Hinweise zum Handling von auf geschmolzenen Organoblechen ableiten und aussprechen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass diese Fehler durch technisch ausgereifte Greifer (beheizt und ohne Materialanhaftung der Matrix) zu fehlerfreien Bauteilen führen. Allerdings konnte mit den bestehenden Greifern nur CF/PPS fehlerfrei gehandhabt werden - CF/PEEK konnte durch die Anhaftung der Matrix an den Greifer keine gesicherte Ablage erfolgen.