Fortschrittliche Lösungen für Spritzgießindustrie

Anwendung von künstlicher Intelligenz und additiver Fertigung zur Verbesserung von Produktionsverfahren.

Die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 erfordert eine umfassende Forschung, industrielle Innovationen, strategische Planungen und die Integration ingenieurwissenschaftlicher Konzepte. Im Rahmen der Systemwissenschaft zu Industrie 4.0 arbeiten der Lehrstuhl für Produktentwicklung der Universität Siegen und das wissensbasierte Unternehmen SmartyX GmbH (das Startup sitzt in Summit Siegen) zusammen, um fortschrittliche Technologien zur Verbesserung der traditionellen Spritzgießprozesse einzusetzen. In einem aktuellen Forschungsprojekt geht es um die Entwicklung eines wissensbasierten Systems zur Unterstützung der Spritzgießindustrie bei der Anwendung fortschrittlicher Lösungen.

Das Spritzgießen als eines der führenden Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen wird häufig für die Massenproduktion identischer Teile mit engen Toleranzen eingesetzt. Das intelligente System kann für verschiedene Spritzgießmaschinen zur Herstellung unterschiedlicher Produkte eingesetzt werden, und auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) können durch den Einsatz die Effizienz des Produktionsprozesses verbessern. „In diesem Projekt haben wir uns auf die Anwendung von Technologien wie der additiven Fertigung und der künstlichen Intelligenz konzentriert, um die Produktion zu optimieren und die Produktivität zu steigern“, erklärt Prof. Tamara Reinicke, Leiterin des Lehrstuhls für Produktentwicklung. Am Lehrstuhl für Produktentwicklung der Universität Siegen stehen verschiedene 3D-Drucker zur Verfügung, um polymere und metallische 3D-gedruckte Teile herzustellen.

Dr. Mohammad Reza Khosravani, Postdoc und Senior Researcher am Department Maschinenbau an der Universität Siegen, erklärt, dass in dieser Forschungsarbeit der 3D-Druck mittels Stereolithographie (SLA) zur Herstellung von Einsatzformen für das Spritzgießverfahren verwendet werden. „Formen werden normalerweise aus Metallen wie Stahl und Aluminium hergestellt, aber 3D-gedruckte Formen bieten eine kostengünstige Alternative.“ 3D-gedruckte SLA-Formen haben eine hohe Festigkeit und sind isotrop, und das für die Herstellung der Formen verwendete Material kann der Hitze und dem Druck des Spritzgussverfahrens standhalten. „Einmal hergestellte Metallformen können nur sehr schwer verändert werden“, so Dr. Khosravani. „3D-gedruckte Formen stellen eine attraktive Alternative dar, da sie wirtschaftlich sind und man sie im Vergleich zu Formen aus Metall leicht an veränderte Geometrieanforderungen anpassen kann.“

In dem Forschungsprojekt wurden 3D-gedruckte Formen und Klammern entworfen, hergestellt und verwendet.  Die Verwendung einer 3D-gedruckten Schelle hat beispielsweise zu einer Kostenersparnis von 95 Prozent und einer Zeitersparnis von 85 Prozent geführt. Die in der Studie entwickelten 3D-gedruckten Spritzgussformen haben sich als ideal für das Spritzgießen von Teilen mit besonderen Eigenschaften, wie Leitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit, erwiesen. Diese Technik kann für die Herstellung geometrisch komplexer Formen verwendet werden, und es fallen keine zusätzlichen Kosten für die Komplexität an, da der 3D-Druck ein werkzeugloses Herstellungsverfahren ist.

Dr. Sara Nasiri, Gründerin und Geschäftsführerin der SmartyX GmbH, erklärt, dass der entwickelte Prozess die drei Ebenen Planung, Ausführung und Kontrolle umfasst. Diese Ebenen basieren wiederum auf den Hauptstufen: Datenmanagement, Werkzeugkonstruktion und -fertigung, Produktions- und Qualitätsmanagement und Wissensverarbeitung (Knowledge Engineering). „In der Ausführungsebene werden die Daten erstellt, gesammelt, analysiert, übertragen und durch einen intelligenten Spritzgussprozess in eine Wissensbasis umgewandelt“, erklärt Dr. Nasiri. Dann wird die Produktion entsprechend den Produkt- und Prozessparametern auf der Grundlage einer Kombination von fall- und regelbasierten Schlussfolgerungen durchgeführt, die durch ähnliche traditionelle Prozesse mit intelligenten Lösungen verbessert werden können. Die Forschungsergebnisse können nicht nur für eine bessere Produktion, sondern auch für eine vorausschauende Analyse, Planung und proaktive Wartung genutzt werden.

Einzelheiten dieser Forschungsarbeit wurden im Journal of Industrial Information Integration veröffentlicht, einer der führenden Fachzeitschriften auf diesem Gebiet: https://doi.org/10.1016/j.jii.2021.100275