Kognitive Produktion

Lösen wir das Problem der Kartonumformung mit dem Projekt viProSys?

Bei der Herstellung von Kartonbechern besteht eine Herausforderung darin, den Materialbedingungen angepasste Sollwertvorgaben für die Prozessschritte zu erreichen. Diese Aufgabe gleicht einem komplexen Puzzle und dreht sich um das Verständnis der komplizierten Abhängigkeiten zwischen den Prozessparametern und dem umzuformenden Material. Was, wenn die Lösung des Puzzle durch den Einsatz virtueller Inbetriebnahme und neuronaler Regler gelingt?
Wie kann durch die Kombination dieser Methoden die Herstellung kartonbasierter Produkte neu gedacht werden? Welche zusätzlichen Module werden im Fertigungsprozess benötigt? Welche Rolle spielen digitale Zwillinge bei dieser Perspektive? Würde dieser Lösungsansatz das Produktionssystem intelligent machen? Ist das dann nachhaltig? Wenn Sie genauso neugierig auf die Antworten sind wie wir, könnte dieser Beitrag rund um das Projekt viProSys genau das Richtige für Sie sein.

Was ist viProSys?

Forschende am Fraunhofer IWU entwickeln in Zusammenarbeit mit Kollegen der TU Dresden das viProSys-Konzept. Dabei steht das Akronym für virtuelle Inbetriebnahme intelligenter Produktionssysteme. Ziel der Initiative ist die Entwicklung neuronaler Regler für die Inbetriebnahme eines Umformprozesses zur Herstellung von Kartonbechern. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Einsatz eines digitalen Zwillings der Anlage. Dieser wird zur Generierung synthetischer Daten und für das Training des neuronalen Reglers genutzt. Im weiteren Projektverlauf wird der digitale Zwilling für die virtuelle Inbetriebnahme der Anlagensteuerung eingesetzt. So kann der Regler ausgiebig bis in die Grenzbereiche ohne die Gefahr die Hardware des Produktionssystems zu beschädigen, getestet werden. Die Kartonbecheranlage, die für das Vorhaben als er Demonstrator dient, ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Abb. 1: Kartonbecheranlage als Demonstrator für viProSys, © Fraunhofer IWU
Wie funktionieren die einzelnen Komponenten in der Papierbechermaschine?

Die Maschine zur Herstellung von Kartonbechern besteht aus drei miteinander verbundenen Modulen: Schneid-, Umform- und Siegelmodul. Aus einer Kartonbahn werden in einem ersten Schritt Zuschnitte hergestellt. Diese werden im zweiten Schritt in einen Becher umgeformt und in einem dritten Schritt mit einem Deckel verschlossen. Zwischen dem Umform- und dem Siegelmodul befindet sich eine Bauteilerfassung. Hier werden die Falten am erzeugten Kartonbecher gezählt und dessen Qualität bewertet. Neben Eingangsgrößen der Materialeigenschaften, der Faltenhalterkraft und der Temperatur hat sich in der Forschung auch eine definierte Materialfeuchte als Schlüsselfaktor für einen stabilen Kartonziehprozess herausgestellt. Daher ist in der Anlage ein zusätzliches Befeuchtungssystem unbedingt zu berücksichtigen.

Abb. 2: Übersicht über den Prozessablauf der Anlage, © Fraunhofer IWU
Was ist das viProSys-Konzept?

Im viProSys-Konzept nutzen wir die Daten aus Experimenten und Simulationsrechnungen, um prozessschrittübergreifende Wirkzusammenhänge in der Anlage zu erkennen. Darauf aufbauend werden die Sollwerte für die Materialkonditionierung und die Kartonbecherproduktion abgeleitet. Die generierten Daten bilden dabei die Grundlage für die Entwicklung von Regelungsalgorithmen, für das Training eines Metamodells und dem Technologieregelungsmodell (TRM). Dieses TRM wird anschließend genutzt, um einen neuronalen Regler zu implementieren und an den digitalen Zwillingen der zentralen Prozessschritte zu testen. Die Implementierung des Modells auf der Steuerung des Produktionssystems und deren Anbindung an den digitalen Zwilling der Gesamtanlage ermöglicht dabei eine virtuelle Inbetriebnahme des TRM.

Wie wollen wir das viProSys-Konzept umsetzen?

Die für die Implementierung des viProSys-Konzeptes notwendigen Schritte sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abb. 3: viProSys Prozessübersicht, © Fraunhofer IWU
  • Daten: Es wird eine Datenbasis auf der Grundlage des gesamten Fertigungsprozesses mit den zusätzlich integrierten Funktionen (Befeuchtung, Qualitätsbewertung) durch Experimente und die entsprechenden Simulationsrechnungen, einschließlich Finite-Elemente-Methode (FEM), erarbeitet.
  • TRM: Die gesammelten Daten werden mit Techniken des maschinellen Lernens trainiert. Diese werden in Form des Open Neural Network Exchange (ONNX)-Formats implementiert. Dieses trainierte Modell mit Eingängen und Ausgängen auf der Grundlage von Material- und Prozesseigenschaften wird als Technologieregelungsmodell (TRM) bezeichnet.
  • Digitaler Zwilling: Um die korrekte Funktionsweise des TRM zu überprüfen und unvorhergesehene Änderungen in der realen Maschine zu vermeiden, wird das TRM zunächst in der digitalen Nachbildung der Maschine, d. h. dem digitalen Zwilling der Kartonbecheranlage, getestet.
  • Steuerung: Abschließend wird die Steuerung mit dem getesteten TRM an der realen Anlage betrieben.

Für die Validierung des TRM und des lernenden Reglers kann zur Herstellung unterschiedlicher Eingangsbedingungen das Befeuchtungssystem eingesetzt werden. Durch die definierte Konditionierung des Materials können die notwendigen Anpassungen der Sollwertvorgaben zur Steuerung der komplexen Prozessen durch den neuronalen Regler getestet werden. Die Validierung des Reglers am digitalen Zwilling ermöglicht den Verzicht auf ressourcenintensive Tests bei der realen Inbetriebnahme komplexer Produktionsanlagen und erleichtert die Optimierung des Entwicklungsprozesses.

Wie in der Abbildung durch die Sternebewertung dargestellt, wird erwartet, dass durch den Einsatz eines integrierten TRM beim Kartonumformprozess eine Effizienzsteigerung erreicht werden kann. So kann letztendlich die Produktion von hochwertigen Katonbechern sichergestellt werden.

Fazit

Mit den Schwerpunkten Nachhaltigkeit, TRM und Digitaler Zwilling konzentriert sich das viProSys-Konzept auf die Bereitstellung eines übertragbaren Konzepts für die Inbetriebnahme intelligenter Verpackungssysteme. Durch die Verwendung von naturfaserbasierten Materialien werden gleichzeitig Innovationen in der Verpackungsindustrie angeregt. Unser Fokus liegt auf der Unterstützung von kleinen und mittelständischen Unternehmen entlang der gesamten Produktionskette, einschließlich Herstellern von Verpackungsmaschinen, Lieferanten von Automatisierungskomponenten und Verpackungsunternehmen.

Wenn Sie daran interessiert sind, weitere Einzelheiten über dieses Konzept und seine potenziellen Auswirkungen zu erfahren, bitten wir Sie, sich an MSc. Muhammad Faisal Yaqoob unter muhammad.faisal.yaqoob@iwu.fraunhofer.de zu wenden. Wir freuen uns darauf, Ihnen umfassende Einblicke zu geben und Sie bei der Weiterentwicklung Ihrer Produktionsprozesse zu unterstützen.

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Muhammad Faisal Yaqoob

M.Sc. Muhammad Faisal Yaqoob
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
IIOT-Steuerungen und Technische Kybernetik

Fraunhofer IWU
Pforzheimer Str. 7a
01189 Dresden

E-Mail: muhammad.faisal.yaqoob@iwu.fraunhofer.de

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