Pilotfabrik Linz

Smarte Kunststoffverarbeitung und Recycling

Die Pilotfabrik in Linz, die sogenannte „LIT Factory“ ist am Campus der Johannes Kepler Universität gemeinsam mit dem Open Innovation Center (OIC) errichtet worden.

LIT Factory

LIT ist das fachbereichsübergreifende Linz Institute of Technology an der Johannes Kepler Universität (JKU). Die LIT Factory beschäftigt sich als smarte verfahrenstechnische Industrie 4.0 Forschungsfabrik mit der Digitalen Transformation von Kunststoffverarbeitungsprozessen

von der Bauteilentwicklung bis zur Wiederverwertung von Kunststoffen. Ein Schwerpunkt ist dabei die Entwicklung und Fertigung wiederverwertbarer endlosfaserverstärkter Leichtbauteile für Anwendungen z.B. im Bereich einer energieeffizienten Mobilität, in der Medizintechnik, im Maschinen- und Roboterbau sowie bei Sportgeräten. Um trotz Leichtbau herausragende mechanische Eigenschaften zu erhalten, werden diese Bauteile maßgeschneidert mittels sogenannter unidirektional-faserverstärkten Tapes in mehreren Schichten aufgebaut. Die Produktionsprozesse von solchen Verbundwerkbauteilen sind deutlich komplexer als jene aus homogenen Kunststoffen. Neben dem Leichtbau und den damit verbundenen Optimierungsbestrebungen ist die Forschung an der Kreislaufwirtschaft ein zentrales Thema in der LIT Factory. Eine hochmoderne Recyclinganlage macht aus Kunststoffabfällen aus der Produktion neue wertvolle Rohstoffe. 

 

Um die komplexen Produktionsprozesse zu optimieren, werden digitale Zwillinge der Anlagen entwickelt. Dazu werden Messdaten benötigt, die mit modernsten Inline-Messverfahren aufgezeichnet werden. Die entstehenden großen Datenmengen werden einerseits für Forschungszwecke in eine hoch performante Cloud gespeichert. Andererseits werden die hochfrequenten Daten möglichst nahe bei der Maschine vorverarbeitet (Edge Computing) und nur die Kennwerte werden in die Cloud übertragen. 
 

Siemens engagiert sich in dieser Pilotfabrik mit einem Schwerpunkt auf Hightech-Simulationstechnologien: von Finiten-Elementen-Technologien für die Festigkeits- und Schwingungssimulation, über die Simulation der Eigenschaften von zähflüssigen Kunststoffschmelzen während des Produktionsprozesses, der dynamischen Multi-Physik-Simulation, bis zum idealen Platzieren der Faserbänder um die gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten; darüber hinaus auch bei Optimierungs-Tools für das automatische Verbessern der Konstruktion und Fertigung der faserverstärkten Composite-Bauteile, der vorausschauenden Fehlerkennung und Wartung (Predictive Maintenance) von Leistungsantrieben via Edge/Cloud-Computing, bis hin zum Überwachen und Optimieren der Energieeffizienz; zusätzlich an der Zusammenschaltung aller drei Pilotfabriken zu einer virtuellen gemeinsamen Fabrik via MindSphere.

Showcases

Hier finden Sie die einzelnen Showcases im Detail
Automatische Designoptimierung

Ein digitaler Zwilling ermöglicht es, tausende Varianten durchzuprobieren und nur die beste real aufzubauen

Misst man die mechanischen Spannungen von Fahrzeugteilen auf einem dafür gebauten Prüfstand, dann sollten die dort gemessenen Spannungen möglichst gleich jenen Spannungen sein, die dann auch im echten Fahrzeug bei diesem Fahrzeugteil auftreten. Klassische Prüfstände sind jedoch fest am Boden verankert, ein Auto hat hingegen Räder, die Stöße abfedern. Die Aufgabe war daher einen Prüfstand auf elastischen gebogenen Stahlbändern so zu lagern, dass die gemessenen Spannungen am Prüfstand jenen am Fahrzeug entsprechen.

Der Showcase zeigt, wie mit dem Finite Elemente Simulationsprogramm Siemens Simcenter 3D die Schwingungen und die dadurch entstehenden mechanischen Spannungen berechnet werden können. Dann wird mit dem Siemens Optimierungsprogramm HEEDS die Form dieser Stahlbänder so lange optimiert, bis die am digitalen Zwilling des Prüfstandes gemessenen Spannungen denen am Fahrzeug gleichen.

Energie-Effizienz

Energie-Effizienz-Label von Industrieanlagen wie beim Kühlschrank

Bei Haushaltsgeräten ist ein Energieklassen-Label vorgeschrieben - und nur bei sehr hoher Energie-Effizienz erreicht man das Label A+++. Es wird auch bei Industrieanlagen vom Auftraggeber immer öfter gefordert, dass gewisse Energie-Effizienz-Klassen eingehalten werden.

Bei Industrieanlagen hängt der Energieverbrauch noch viel stärker von den Betriebszuständen ab. Ein professionelles Energie-Effizienz-Monitoring muss daher die Betriebszustände berücksichtigen.

Bei diesem Showcase wird gezeigt, wie ein Energie-Effizienz-Monitoring für eine Kunststoff-Recycling-Anlage aufgesetzt wird und wie dieses Energie-Effizienz-Monitoring auch für eine Überwachung des Gesundheitszustandes der Anlage verwendet werden kann. Je hochfrequenter die Energiedaten ausgewertet werden, desto mehr Information erhält man über den Gesundheitszustand der Anlage.

 

Eine Erweiterung auf ein Energie-Effizienz-Monitoring der gesamten Fabrik ist in Planung.

Predictive Maintenance von Antrieben

Antriebe erkennen selbst, wenn die Lager erneuert werden müssen

Leistungsstarke Motoren und deren Ansteuerung sind Kernelemente von Industrieanlagen. Wenn ein zentraler Antrieb ausfällt, steht die ganze Maschine oder gar die ganze Fertigungslinie still. So ein Stillstand kann sehr hohe Kosten verursachen. Je nachdem, wie ein Motor beansprucht wurde, ist das Lager mehr oder weniger beansprucht worden und beeinträchtigt die Funktion des Motors daher früher oder später. Nimmt man immer den schlechtesten Fall an, dann entstehen sehr hohe Wartungskosten, da die Lager regelmäßig unnötig erneuert werden.
 

In dem Showcase wird gezeigt, wie einerseits mit Vibrationssensoren der Gesundheitszustand der Antriebe überwacht werden kann, aber andererseits dies auch ganz ohne extra eingebauten Sensoren erfolgen kann. Die Siemens SINAMICS Motoransteuerung weiß in jedem Moment, wieviel Strom durch die Motoren fließt. Dieser benötigte Strom ist auch ein Maß für die Reibungskräfte, die überwunden werden müssen. Werden diese Stromwerte mit Edge/Cloud-Computing ausgewertet, kann man sich anbahnende Ausfälle rechtzeitig erkennen und eine Wartung einplanen.

Kennt man die genaue Konstruktion des Motors, kann man auch virtuelle Sensoren mit Simulationsmodellen berechnen. So ist beispielsweise für die Lebensdauer des Lagers die Lagertemperatur sehr aussagekräftig, aber nicht wirtschaftlich im Lager messbar, sie kann aber aus anderen Werten über Finite-Elemente-Simulationsmodelle errechnet werden.

Die Fertigstellung ist für 2021 geplant.

Multi Physik Simulation

Risikominimierung mit Multi-Physik-Simulation

Die Festigkeit von Maschinenteilen wird heute mit 3D-Computersimulationen bereits im Vorhinein getestet. Dasselbe gilt für das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten. In einem Forschungsprojekt in der LIT-Factory mit Siemens NX Simcenter werden diese beiden Simulationsarten kombiniert.​ Mit einer getrennten Simulation würde man die auf die Leitung wirkenden Kräfte massiv unterschätzen. Denn beim Einspritzvorgang entsteht eine hohe Druckwelle und die auftretenden Kräfte sind doppelt so hoch, wie man es bei getrennter Simulation erwarten würde. Mit der richtigen Simulation kann von Beginn an die Dimensionierung der Maschinenteile korrekt erfolgen. 

Materialermüdungs Simulation

Berechnen, wie lange ein Werkstoff hält, bevor erste Schäden auftreten

Der Showcase der JKU Linz zeigt, wie man mit Siemens Simcenter 3D Durability Specialist Materialermüdungen im Voraus berechnen kann. 
 
In der LIT-Factory wird an carbonfaserverstärkten Kunststoffen geforscht, die für tragende Leichtbau-Teile in der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Diese Teile sind dabei Schwingungen ausgesetzt, die zu Materialermüdung führen. Auf dem Prüfstand lassen sich die gemessenen Materialeigenschaften eines Norm-Teils messen. In der Simulation werden diese auf anders geformte und belastete Bauteile „umgerechnet“. So kann man gut abschätzen, wie viel Belastung das Bauteil noch unbeschadet übersteht, bevor erste Schäden auftreten. Die Simulation ermöglicht es, die Formgebung des jeweiligen Teils noch vor dem Bau des ersten Prototyps zu verbessern. 

Carbonfaser Verstärkung

Wie man Fasertapes legt, um den Kunststoff partiell zu verstärken und sich keine Falten bilden

Korrektes Verlegen von Fasertapes ist keine einfache Sache. Ihre extreme Belastbarkeit ist nur in Faserrichtung gegeben. Quer zu Faserrichtung kann man die Tapes ganz leicht beschädigen.​ 
 
Die JKU-Linz zeigt in diesem Showcase, wie man die Tapes mit Siemens FiberSim optimal positioniert: dort, wo hohe Belastungen im täglichen Einsatz erwartet werden, liegen die Fasern in derselben Richtung wie die Belastung. Die Bauteile sind aber mehrfach gekrümmt und Faltenbildung muss jedenfalls vermieden werden.

 

Weil die korrekte Lage der Tapes für die Belastbarkeit des fertigen Produktes so außerordentlich wichtig ist, wird ihre Positionierung in der LIT-Factory in einer ENGEL Tape-Lege-Zelle mit Robotern durchgeführt.​

Multi-Factory

Drei Fabriken agieren gemeinsam als eine Großfabrik

Bei Großkonzernen mit Fabriken rund um den Globus ist eine Zusammenschaltung der Fabriken wünschenswert, so dass die Fertigung eines Produktes auch auf unterschiedliche Standorte verteilt werden kann. Mit Siemens Teamcenter sind solche Lösungen schon heute bei Kunden im Einsatz. Herausfordernder wird es, wenn sich unterschiedliche Unternehmen zu einer gemeinsamen Fabrik zusammenschalten wollen. Dort sind dann meist verschiedene Datenhaltungssysteme im Einsatz.
 

Am Beispiel der drei österreichischen Pilotfabriken in Wien, Graz und Linz wird gezeigt, wie drei Fabriken unterschiedlicher Unternehmen via MindSphere zu einer gemeinsamen Fabrik zusammengeschaltet werden. Das Szenario: ein Getriebe soll gefertigt werden. Die Fähigkeiten aller drei Fabriken sind bekannt. Nun wird die Anfrage gestellt, welche Fabriken man benötigt, um dieses Getriebe überhaupt produzieren zu können, bzw. wie der CO2-Fußabdruck minimiert werden kann. Der sogenannte Knowledge-Graph der drei Pilotfabriken, der das Wissen über die Fähigkeiten jeder einzelnen Fabrik enthält, wird kombiniert und ein Optimierungsalgorithmus ermittelt unter der Berücksichtigung von Transportkosten/Zeiten/CO2 jene Kombination der drei Fabriken, die am besten für die Produktion geeignet ist.