TU Darmstadt

Walzprofilieren im Industrie 4.0 Zeitalter – Einladung zu einer Umfrage

| Redakteur: Frauke Finus

Spaltprofil mit während dem Umformvorgang gefügtem RFID-Element. [6]
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Spaltprofil mit während dem Umformvorgang gefügtem RFID-Element. [6] (Bild: TU Darmstadt)

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Techn. Universität Darmstadt Inst. f. Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU)

Mit Industrie 4.0 halten vermehrt digitale Aspekte Einzug in die Umformtechnik. Beim Walzprofilieren, das als Massenfertigungsverfahren sehr gut automatisierbar und überwachbar ist, zeigen sich heute jedoch nur vereinzelte Digitalisierungsansätze. Durch eine Umfrage werden Beweggründe für den Einsatz von Industrie 4.0 beim Walzprofilieren identifiziert – beteiligen Sie sich!

Walzprofilieren ist eines der bedeutendsten Fertigungsverfahren zur Herstellung von Stahlprofilen. Der umfangreiche Anlagenaufbau, bestehend aus bis zu 70 Walzprofiliergerüsten [1], und die daraus resultierenden umfangreichen Einstellmöglichkeiten verursachen derzeit jedoch lange Phasen zum Anlauf des Prozesses. Benchmark-Untersuchungen haben ergeben, dass bis zu 40 % der Anlagenbelegungszeit für Rüst- und Einstellvorgänge aufgewendet werden müssen [2]. Ferner verursachen Schwankungen im Produktionsprozess, wie sie beispielsweise aufgrund von Chargenschwankungen beim Wechsel des Coils hervorgerufen werden, aufwändige Anpassungsprozesse, um die Geometrie der Profile und somit die Produktqualität sicherzustellen. Insbesondere bei hochfesten Werkstoffen können selbst innerhalb eines Coils Schwankungen in Materialkennwerten oder Blechdicke auftreten, die zu einer signifikanten Änderung der Rückfederung führen. Bislang erfolgt die Ein- und Nachstellung vor allem erfahrungsbasiert und zeitverzögert, da es kaum Möglichkeiten gibt, Abweichungen frühzeitig zu erfassen und entsprechend systematisch auf diese zu reagieren.

Beherrschung der Komplexität von Walzprofilierprozessen

Erste Ansätze in Forschungsprojekten konnten nachweisen, dass der systematische Einsatz von Sensorik und Aktorik den Anpassungsprozess an geänderte Randbedingungen beschleunigen und die Produktqualität erhöhen kann. Beispielsweise entwarfen und realisierten Groche, Beiter und Henkelmann eine Regelstrecke zur Kompensation der Rückfederung beim Walzprofilieren hochfester Werkstoffe [3]. Durch den geschickten Einsatz von Sensorik ermöglicht dieser Ansatz zunächst, die aktuelle Rückfederung zu erfassen. Die Verarbeitung dieser Rückfederungsdaten durch einen Smith-Predictor-Regler erzeugt die benötigten Stelldaten für ein anschließendes adaptives Kalibriergerüst, das durch gezielte Überbiegung den Biegewinkel einstellen kann. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass der systematische Einsatz von Mess- und Aktortechnik zu einer signifikanten Verbesserung der Maßhaltigkeit führt. Selbst zufällig eingebrachte Prozessschwankungen wie sie zum Beispiel durch einen Chargenwechsel hervorgerufen werden, können durch die direkte Reaktion auf die festgestellten, veränderten Prozessbedingungen kompensiert werden. Durch die automatisierte Kompensation der Rückfederung wird die Produktqualität gewährleistet und gleichzeitig die zur Fehlersuche und –behebung benötigte Anlagenbelegungszeit minimiert. Aktuelle Fragestellungen beschäftigen sich damit, ob sich diese Kompensation der Rückfederung auf weitere Fehlerbilder im Profilierprozess übertragen lässt. Dabei kann die voranschreitende Digitalisierung in Verbindung mit einer stetig wachsenden Verbreitung der Datenerfassung und Datenanalyse gezielt beim Walzprofilieren eingesetzt werden.

Entwicklungsmöglichkeiten beim Walzprofilieren durch Digitalisierung

Das Schlagwort Industrie 4.0 beschreibt seit dem erstmaligen Auftauchen der Bezeichnung vor einigen Jahren die vierte industrielle Revolution. Unter diesem Begriff wurden in den vergangenen Jahren die Entwicklungsaufgaben aus dem Bereich der Digitalisierung in vielen Bereichen der Produktion zusammengefasst. Während die vorangegangenen industriellen Revolutionen das Aufkommen der Industrialisierung, Mechanisierung und Automatisierung als tiefgreifende Einschnitte beschreiben, entfaltet die vierte industrielle Revolution ihre Wirkung durch Vernetzung und Digitalisierung und legt so die Grundlage für neue Produkte und Dienstleistungen bis hin zu autonomen Prozessen [4].

Die wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) schlägt zur Gliederung der Einführung von Industrie 4.0 in Unternehmen ein fünfstufiges Modell vor [5]. Abbildung 2 veranschaulicht dieses Modell anhand des Walzprofilierens und zeigt ausgewählte Anwendungsbeispiele der einzelnen Stufen.

Die erste Stufe bezeichnet das systematische Sammeln und Analysieren von Daten. Der flächendeckende Einsatz von Messtechnik zur Erfassung von Umformlasten (Kräfte und Momente) sowie Geometriedaten (sowohl Eingangs- als auch Ausgangsseitig) könnte zur Realisierung dieser ersten Stufe beitragen. Aufbauend auf den Daten aus Stufe 1 werden in der zweiten Stufe Assistenzsysteme erstellt, die beispielsweise in Form von Arbeitsanleitungen oder IT-Tools verbreitet werden. Die entwickelten Systeme können dazu beitragen, dass die bisher stark auf den Erfahrungen der Anlagenbediener beruhende Fehlersuche und Einstellung der Anlage systematisiert wird. Die Vernetzung der Walzprofilieranlage mit weiteren Prozessen der Wertschöpfungskette (Stufe 3) wie beispielsweise der Halbzeugherstellung bietet das Potential, bereits präventiv auf sich ändernde Chargenwerte reagieren zu können. Eine Weitergabe der erfassten Geometriedaten an den Nutzer der Profile ermöglicht durch eine explizite Zuordnung eines bestimmten Profils zu anderen Bauteilen aus dem angrenzenden Bauraum, Toleranzen aufweichen zu können. Auch eine Weitergabe von individuellen Kennwerten wie tatsächlicher Werkstofffestigkeit oder Oberflächenbeschaffenheit zum einzelnen Profil an den Anwender erscheint sinnvoll. Dieser könnte durch eine gezieltere Auswahl einzelner Profile passend zum Anwendungszweck eine gezielte Ausnutzung von Chargenschwankungen erreichen. Die vierte Stufe fasst die Erkenntnisse der Stufen eins bis drei zusammen und nutzt diese, um autonome Prozesse zu gestalten. Das Ziel dieser autonomen Prozesse ist, dass sich der Walzprofilierprozess selbstständig an veränderte Randbedingungen anpasst und auf diese reagiert. Veränderungen können dabei einerseits aufgrund des Eingangsmaterials entstehen (zum Beispiel veränderte Materialdaten, Blechdicke) oder andererseits durch den Prozess bzw. das Umfeld selbst verursacht werden (zum Beispiel Verschleiß oder Temperaturschwankungen). Die fünfte Stufe zielt auf Dezentralisierung und Serviceorientierung. Ein Anwendungsbeispiel für diese Stufe ist die Einbindung von elektronischen Speichermedien in Profile. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für ein Profil, in welches während des Profiliervorgangs ein RFID-Element gefügt wurde [6]. Auf den eingefügten RFIDs können Informationen zum Herstellungsprozess oder Produkt hinterlegt werden und somit den Informationsfluss zum Anwender erleichtert werden. Die automatische Nutzung der gespeicherten Daten bietet dann die Möglichkeit zur Verknüpfung der Daten für neue, dezentrale Dienstleistungen, wie beispielsweise die Nachverfolgung in der Logistik oder die Erstellung und den Abgleich von Stücklisten (Stufe 5).

Aufruf: Beteiligung an einer Umfrage zur Identifizierung des Handlungsbedarfs

Die Gedanken von Industrie 4.0 eröffnen neue Möglichkeiten in der Gestaltung und Steuerung von Prozessen. Bedingt durch den vielschichtigen Aufbau ist es jedoch ein langer Weg, bis sämtliche Aspekte dieser Entwicklung in einem Produktionsumfeld wie dem des Walzprofilierens umgesetzt sind. Erste Ergebnisse aus vorangegangenen oder laufenden Forschungsprojekten zeigen, dass es auch beim Walzprofilieren Möglichkeiten gibt, Prozesse durch Digitalisierung effizienter zu gestalten. Gleichzeitig stellt sich jedoch die Frage, welche Handlungsfelder aus Sicht der Anwender der Walzprofiliertechnologie am interessantesten sind und ob eine Implementierung aller fünf vorgestellten Stufen überhaupt erstrebenswert ist. Aus diesem Grund bittet die TU Darmstadt Unternehmen aus der Walzprofilierbranche, ihre Ansichten durch Teilnahme an einer Umfrage zum Thema „Industrie 4.0 beim Walzprofilieren“ mitzuteilen. Den Fragebogen finden Sie hier.

Quellenverzeichnis:

[1] Groche, P.; Müller, C.: Walzprofilieren von Flacherzeugnissen aus Stahl. Stahl-Informations-Zentrum, Merkblatt 180, 2013

[2] Groche, P., Götz, P.: Improvement of Manufactering Processes by Process Chain Benchmarking. Production Engineering Vol. XIII/2, Annals of the WPG, Hannover, 2006

[3] Groche, P.; Beiter, P.; Henkelmann, M.: Prediction and inline compensation of springback in roll forming of high and ultra-high strength steels. Production Engineering 2.4, 2008, S. 401-407

[4] Sendler, U. (Hrsg.): Industrie 4.0 – Beherrschung der industriellen Komplexität mit SysLM. Wiesbaden: Springer-Vieweg-Verlag, 2013

[5] Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik WGP e.V. (Hrsg.): Wgp-Standpunkt Industrie 4.0.

[6] Groche, P.; Hohmann, J.; Kessler, T.; Schreiner, J.; Krech, M.; Duschka, A.; Monnerjahn, V.; Coric, M.: Industrie 4.0. Forschung am PtU. 12. Umformtechnisches Kolloquium Darmstadt »Industrie 4.0 in der Umformtechnik«, 2015

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