IPROguss

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Einführung eines innovativen Verfahrens für die effektive und schnelle technische Prozessführung in Gießereien. Es kombiniert die auf Prozess-Simulation basierte virtuelle Optimierung von Gießprozessen (VO) mit der aus laufenden Prozessdaten selbstlernenden prognosebasierten Optimierung (PbO). Mit der Integration dieser vollkommen neuartigen Methodik in Gießereien können die komplexen und vielfach segmentierten Fertigungsprozesse einer Gießerei in hohem Maße effektiver geplant, gesteuert und optimiert werden. Im Wesentlichen geschieht dies

1.         durch die Minimierung des Aufwands in der standardmäßig empirisch geführten Prozessentwicklungs- und Anlaufphase von Neuteilen durch konsequentes softwarebasiertes Frontloading von Wissen aus der Fertigung,

2.         durch eine kontinuierliche adaptive Prozessverbesserung während der laufenden Fertigung, sowie

3.         durch die Verknüpfung  der Fertigungsregelung mit einer wissens- und regelbasierten Prozesssteuerung.

Erreicht wird die Kopplung von virtuell und real erzeugtem Wissen durch die Kombination von simulations- und prognosebasierten Optimierungsmethoden, die adaptiv in einem kontinuierlichen Kreislauf so miteinander kommunizieren, dass die jeweiligen Simulations- und Prognoseergebnisse gegenseitig als Eingabegrößen und kontinuierlich wieder für nächste Optimierungsschleifen verwendet werden.

Das Projekt leistet damit einen vollkommen neuen Ansatz für die Entwicklung und Umsetzung von INDUSTRIE 4.0 in Gießereien. Die angestrebte Lösung geht weit über das aktuelle Verständnis der Gießereiindustrie zu INDUSTRIE 4.0 hinaus, der sich im Wesentlichen über das Sammeln und Speichern von Daten sowie über Datenaustauschkonzepte definiert. IPROguss generiert aus diesen Daten Wissen und regelt Prozesse intelligent in optimalen Fenstern.

Das Ergebnis ist die Möglichkeit zur fortlaufenden in-situ Optimierung der laufenden Prozesse im Betrieb. Deren Regelung erfolgt auf der Grundlage einer intelligenten Verknüpfung der Optimierungsvorschläge mit den individuellen Regelwerken der Prozessrandbedingungen in einer Gießerei.

Diese wissensbasierte, adaptive Prozessregelung stellt für Gießereien einen vollkommen neuartigen Ansatz dar, der es erstmals ermöglicht, Fertigungsparameter nicht wie üblich nur individuell auf statistischer Basis zu messen und zu steuern, sondern die komplexen Wirkzusammenhänge zwischen den einzelnen Parametern vollständig mit zu berücksichtigen.

 

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Adaptive Optimierungskette durch Verknüpfung von virtueller Prozessoptimierung und prognosebasierter Optimierung

Anwendung und Nutzen können diese Konzepte in jeder modernen Gießerei finden, die mit der Regelung einer komplex hochvernetzten Fertigung, sei es im Maschinen- oder Handformguss, im Druck- oder Kokillenguss, eine schnelle und unter technisch-wirtschaftlichen Gesichtspunkten stabile und robuste Verfügbarkeit anforderungsgerechter Gussteile sicherstellen muss.

Die im Rahmen des Projektes entwickelten Methoden zur Prozessoptimierung bieten gegenüber dem augenblicklichen Stand der Technik einen völlig neuartigen Ansatz. Daraus ergeben sich folgende wesentliche Vorteile:

Nutzen für die Gießerei:

  • Erschließung und effizienter Einsatz des in den Fertigungs- bzw. Prozessdaten liegenden impliziten Prozesswissens durch Erkennung von Mustern und Zusammenhängen in den komplexen Parameterwechselwirkungen bereits in der Entwicklungsphase (Frontloading)
  • Nutzung von individuellen gießereispezifischen Prozesscharakteristiken als Anfangs- und Randbedingungen in der Simulation auf Basis von realen Messdaten aus der laufenden Produktion. Damit wird bereits in der Phase der gießereitechnischen Bauteilauslegung und der Prozessplanung eine substanzielle Reduzierung der üblicherweise empirischen und durch aufwändige reale Prototypen geprägten Anlaufphase ermöglicht. Somit werden schnelle und sichere Prozessanläufe realisiert.
  • Prozesstransparenz entlang der gesamten Fertigungskette über unterschiedliche Teilprozesse  in Echtzeit
  • Adaptive Prozesskontrolle und  -führung in der laufenden Fertigung
  • Frühzeitige Ermittlung von optimalen Arbeitspunkten für Fertigungsbedingungen und robuste Prozessfenster durch systematische Analysen und Messungen
  • Angemessene und flexible Reaktion auf Fertigungsparameter vorgelagerter Prozesse
  • Wissensbasierte Handlungsempfehlungen machen Mitarbeiter zu qualifizierten Problemlösern.
  • Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Gießprozesse durch Reduktion minimaler Prozessentwicklungszeiten, Erhöhung der Prozessstabilität und Reduzierung des Energie-und Ressourcenverbrauchs

Nutzen für die Prozess-Simulation und virtuelle Optimierung:

  • Sicherstellung der Verfügbarkeit von gießereispezifischen unscharfen Prozessbedingungen für neu zu fertigende Gussteile
  • Etablierung von Wissen für gießereispezifische Zielfunktionen und Qualitätskriterien für die virtuelle Optimierung
  • Kontinuierliche Optimierung von Bibliotheken in der laufenden Fertigung durch die Verknüpfung mit den kontinuierlich lernenden Prognosetools
    Dadurch werden die gießereiindividuellen Simulationsergebnisse ständig verbessert.
  • Kopplung der offline Nutzung von Prozess-Simulationen mit einer Echtzeitregelung durch Metamodelle

Nutzen für die  prognosebasierte Optimierung:

  • Selbstlernende Systeme werden mit zunehmender Datenmenge genauer. Vor dem Produktionsanlauf eines neuen Gussteils sind zunächst keine Prognosen möglich. Die Verwendung von Daten aus virtuellen Experimenten der Prozessoptimierung bietet bereits vom ersten Bauteil an eine physikalisch und thermodynamisch abgesicherte Datenbasis zum Lernen.
  • Stark verbesserte Prognosequalität bereits vom Beginn der Fertigung durch Schließen von Lücken für nicht messbare Parameter
  • Prognosebasierte Optimierung hat einen Vertrauensbereich im messtechnisch erfassten Fertigungsfenster. Die Kopplung mit virtueller Optimierung ermöglicht die Erweiterung von Fertigungsgrenzen.
  • Integration von deterministischen und statistischen Daten in einem Meta-Modell ermöglicht Echtzeitregelungen von Prozessen in den Gießereien, die rein messtechnisch nicht erfassbar sind.

Die wesentliche Herausforderung bei der Realisierung dieser Methodenverknüpfung für den laufenden Fertigungsbetrieb einer Gießerei ist es, die Prozesse tatsächlich adaptiv regeln zu können, ohne dass dadurch eine unzulässig starke Regeldynamik instabil laufende Prozesse verursacht.

Deshalb sind die vorrangigen Ziele in diesem Projekt

  • die anforderungsgerechte Verknüpfung und Integration von virtueller Optimierung und selbstlernender prognosebasierter Prozessoptimierung zu einer wissensbasierten Prozessregelung in den Gießereien,
  • die Weiterentwicklung und Anpassung der von der Simulations- und Prognosesoftware verwendeten Modelle,  Algorithmen und Regeln zur Sicherstellung stabil und robust laufender Prozesse.

Im Einzelnen sollen folgende Teilziele zur Realisierung der integrierten und adaptiven Prozessoptimierung und -regelung verfolgt werden:

  • Bestimmung der Zielfunktionen und Einflussgrößen auf Fertigungsebene sowie der in der Prozess-Simulation/Optimierung anzusprechenden Design- und Prozessgrößen und Modelle für die beteiligten Gießereien
  • Identifikation und Entwicklung geeigneter Methoden und Schnittstellen für die Übertragung und Zusammenführung von Daten aus der Fertigung, Prognose und Simulation/Optimierung
  • Entwicklung von Kriterien und Bibliotheken für Teileklassen zur rechnergestützten Bestimmung „ähnlicher“ Bauteile für die Übertragung von grundlegenden Erkenntnissen auf Einzelteile
  • Erarbeitung und Umsetzung von regelbasierten Methoden zur Verknüpfung von Prognosefunktionen und virtueller Optimierung mit den Fertigungsvorgängen einer Gießerei zur Ermittlung von konkreten Handlungsvorschlägen und direkter Prozesssteuerung
  • Entwicklung und Einführung einer Methode zur schnellen Parametervariation laufender Prozesse sowie zur Regelung relevanter Prozessgrößen auf Basis der Erkenntnisse von Simulationsergebnissen, Prognosefunktionen und bekannter Fertigungsregeln
  • Erstellung und Implementierung allgemeiner Richtlinien für die breitgefächerte Umsetzung der integrierten Prozessoptimierung in Gießereien

In dem Projekt wird erstmalig die auf physikalisch-thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten beruhender Prozess-Simulation mit prognosebasierter Optimierung, die auf der Grundlage von Data Mining Methoden auf realen Prozesskenndaten arbeitet, verknüpft. Damit wird es möglich, die gesamte Wertschöpfungskette einer Gießerei von der gießtechnischen Bauteilentwicklung über Fertigungsplanung und Fertigung bis zum fertigen Bauteil anzusprechen. Die Methodik erlaubt die Etablierung stabiler und an individuelle Anforderungen anpassbarer Prozesse. Ein geschlossener Prozessplanungs-, -regelungs- und -optimierungskreis wird realisiert, der in jeder Phase auf optimal geeignete Informationen zurückgreifen kann und eine tatsächlich wissensbasierte adaptive Prozessregelung möglich macht. In einem hochflexiblen aber dennoch stabilen Gesamtprozess können anforderungsgerechte und wirtschaftlich optimierte Gussteile realisiert werden.

Mit der Nutzung dieses Technologiesprungs schaffen sich deutsche Gießereien einen ganz entscheidenden Wettbewerbsvorteil: ein mit klassischer Prozessführung nur äußerst aufwändig zu erreichendes Niveau bezüglich Stabilität, Robustheit und gleichzeitiger Flexibilität in der Gussteilherstellung. Aus  der Anwendung dieser innovativen Optimierungs- und Steuerungsmethodik ergeben sich neben der direkten Verbesserung der technisch-wirtschaftlichen Leistungsfähig einer Gießerei unmittelbare Ansätze zur Verbesserung der gießereispezifischen Energie- und Ressourceneffizienz. Eine konsequente und ganzheitlich umgesetzte Anwendung dieser Werkzeuge wird einen ganz entscheidenden Beitrag zur Wertschöpfungssicherung und Effizienzsteigerung in Gießereien leisten. Insgesamt entsteht durch die Kopplung der genannten Optimierungsverfahren ein vollkommen neuer Weg zur Prozessoptimierung und Prozessregelung, der Effektivität und Effizienz hinsichtlich Energie- und Ressourceneinsatz, Fertigungszeiten, -kosten und Qualität auf ein überlegenes Niveau heben kann.

 

Partner:

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Hochschule Kempten

Kempten (Germany)

EIDOLOGIC_GmbH

EIDOLOGIC GmbH

Recklinghausen (Germany)

 

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Franken Guss Kitzingen GmbH & Co. KG

Kitzingen (Germany)

 

 

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MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Aachen (Germany)

 

 

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Karl Casper Guss GmbH & Co. KG

Remchingen (Germany)

 

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Universität Duisburg-Essen

Duisburg (Germany)

 

Gefördert durch:

 

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