Die integrierte Inlinemesstechnik von Pixargus ist an allen Produktionslinien von SGL im Einsatz. Foto: SGL Group

Carbongelege im digitalen Datenstrom

Industrie 4.0

Bei SGL in Wackersdorf trifft ein innovativer Werkstoff auf digitale Produktion.  Integriert ist darin eine Inlinemesstechniklösung auf Bildverarbeitungsbasis.

Industrie 4.0 gewinnt auch im Compositebereich zunehmend an Bedeutung. Im bayerischen Wackersdorf zeigen der Carbonfaserspezialist SGL, der Automobilbauer BMW und der Spezialist für optische Überwachungssysteme, Pixargus, gemeinsam, wie der Einsatz der neuen technischen Möglichkeiten für die Fertigung von Verbundwerkstoffen heute aussehen kann.

Der Startschuss fiel in Wackers­dorf 2011 mit einer Prototypenmaschine. Inzwischen hat die SGL Group im Joint Venture mit dem Autobauer BMW hier die größte Carbonfasergelege-Produktion der Welt aufgebaut. Aus ultrafeinen Fasern, gerade mal 7 μm stark und damit rund siebenmal dünner als ein menschliches Haar, werden hier Verbundwerkstoffe und Halbzeuge gefertigt. Diese Preforms aus Wackersdorf werden von BMW dann zu Karosseriebauteilen für die elektrische i-Serie sowie für den 7er BMW weiterverarbeitet.

„Automatisierung und zeit­gemäße digitale Erfassung der Produktionsprozesse waren uns beim Aufbau der Fertigung von Anfang an wichtig“, erinnert sich Iksan Bütün, Leiter Qualität bei SGL ACF in Wackersdorf. „Daher haben wir in Kooperation mit Pixargus bereits 2011 begonnen, maßgeschneiderte Überwachungssysteme aufzubauen.“ Zunächst in Pilotprojekten und dann überall in der Gelegefertigung in Wackersdorf.

Bis zu 560 Carbonfaserspulen kann das Wackers­dorfer Werk heute gleichzeitig verarbeiten. Jede Spule trägt 50.000 Filamente, die vollautomatisch abgewickelt und in parallelen Strängen zu flächigen Bahnen ausgerichtet werden.

Digitale Prozesse gehören beim Messtechnikhersteller Pixargus schon seit über 20 Jahren zum Kerngeschäft. Die Automobilindustrie ist seit Gründung als Spin-off des Instituts für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen ein wichtiger Kunde. Stephan Hennicken, technischer Projektleiter von Pixargus, kennt das Wackersdorfer Werk schon seit der Prototypenanlage. „Wir sind sehr stolz, dass wir SGL und BMW auf diesem innovativen Weg unterstützen konnten und wir das Produkt und den Prozess gemeinschaftlich optimiert haben“, erzählt der 36-Jährige. „Das macht uns zum Pionier in der Kohlefaserinspektion.“

Bis zu 560 Carbonfaserspulen kann das Wackersdorfer Werk heute gleichzeitig verarbeiten. Jede Spule trägt 50.000 Filamente, die vollautomatisch abgewickelt und in parallelen Strängen zu flächigen Bahnen ausgerichtet werden. Große Nähmaschinen verwirken Carbon- und Glasfaserlagen mit weiteren Fäden zu Gelegen. Sie werden durch einen Kunststoffbinder später thermisch ausgesteift. „Der Binder ist ein Kernelement des Prozesses“, so Hennicken. „Wir überwachen hier unter anderem die Fließkanalbreite, die für die Verteilung des Klebers eine wichtige Rolle spielt.“

Die Carbon-Gelege werden mit einem Kunststoffbinder ausgesteift. Hier im Bild zu sehen, wie die Inspektionssysteme von Pixargus mit traversierenden Kameras die Flieskanalbreite beim Auftrag des Binders überwachen. Foto: SGL Group
Die Carbon-Gelege werden mit einem Kunststoffbinder ausgesteift. Hier im Bild zu sehen, wie die Inspektionssysteme von Pixargus mit traversierenden Kameras die Flieskanalbreite beim Auftrag des Binders überwachen. Foto: SGL Group
Schwarze Farbe im Griff

Dass die dunklen Carbon­fasern das Licht absorbieren, ist für die optischen Systeme des Messtechnikherstellers aus Würselen bei Aachen kein Problem. „Mit unseren selbst designten und gefertigten LED-Leuchtsegmenten sind wir in der Lage, das Produkt so zu beleuchten, dass vom Kamerasensor die Charakteristika herausgestellt werden, die wir sichtbar haben und messen wollen“, sagt Hennicken. Auch die starke Reflexionsneigung des glänzenden Werkstoffs hat man im Griff. „Wir können durch eine ausgefeilte Algorithmik Reflexionen vermeiden, aber auch gezielt ausnutzen.“ Mit ihrer Hilfe könne man beispielsweise Flusen, Filamentbrüche, aber auch Abweichungen in der Faserstruktur sichtbar machen.

Aktuell wird in Wackersdorf an verschiedenen Produktionslinien gefertigt. Die Takt- und Zykluszeiten in der zunehmend automatisierten Großserienproduktion werden immer kürzer. „Damit steigen auch die Anforderungen an den eingesetzten Verbundwerkstoff“, weiß Qualitäts­leiter Bütün. „Um die konstant hohe Qualität zu gewährleisten, wird die Einhaltung der sehr engen Spezifikationsgrenzen flächendeckend mit automatisierten Inspektionssystemen überwacht.“

Die Pixargus-WCT Carbon­fasersysteme sind dabei mit den Produktionsanlagen vernetzt. „Unsere Kameras können praktisch mit dem Wickelautomaten am Ende der Anlage sprechen“, erklärt Hennicken. „Unser System weiß deshalb immer schon, wann eine Gelegerolle physisch gewechselt wird.“

Vernetzt sind die Pixargus-Systeme auch mit dem externen Sensormodul zur Flächengewichtsmessung. „Wir nehmen die Daten des externen Sensors mit auf und verarbeiten sie in unserem System“, sagt Hennicken.

Bei der Inspektionsarbeit der Pixargus-Kameras fallen jede Sekunde rund 1 Mio. Mess­daten an. „Diese enorme Anzahl müssen wir so reduzieren und aufbereiten, dass für den Kunden ein handhabbares Format entsteht.“ Die gewünschten Zielinformationen, Messgrößen, Toleranzen und Ausschusskriterien gibt der Kunde vor. Die Daten werden so aufbereitet, dass sie positionsgetreu dem Gelege zugeordnet werden können. „Wir generieren daraus eine Fehlerlandkarte“, so Hennicken. Pixargus hat außerdem Big-Data-Analyseverfahren entwickelt, durch die sich Hintergrundinformationen, die die hochauflösenden Kameras erfassen und speichern, für statistische Aussagen, Prognosen und die Prozessoptimierung nutzen lassen.

Rückverfolgbar per RFID

Wird eine Gelegerolle gewechselt, liest Pixargus die RFID-Information, den Tag aus, der die Rolle eindeutig identifiziert, und hängt die Fehlerlandkarte und den Statis­tikreport an die RFID-Datensätze an.

Die kompletten Daten zu jeder Carbonfasergelegerolle werden an den BMW Group Standorten Landshut und Leipzig dann bereits erwartet. Hier werden die Gelege im nächsten Schritt zu Leichtbau-Karosseriekomponenten aus CFK verarbeitet. „BMW kann über den RFID-Tag die entsprechenden Protokolldaten abrufen, um dann in seinem Prozess zu wissen, auf welchem Laufmeter, auf welcher Position das Produkt welche Qualität hat“, erklärt Hennicken.

„Unsere Kameras können praktisch mit dem Wickel­automaten am Ende der Anlage sprechen“, Stephan Hennicken, technischer Projektleiter, Pixargus

Der Datenschatz ist aber nicht nur für BMW wichtig. „Wir nutzen diese Daten, um uns ständig zu verbessern“, berichtet Bütün. „Auch unsere Kunden haben einen Mehrwert: Sie können immer nachvollziehen, welche Materialien wann und auf welcher Maschine bei uns gefertigt wurden.“ Das stärke die Qualitätspartnerschaft zwischen Hersteller und Kunden. Bütün: „Für den Bereich der Verbundwerkstoffe leisten wir da sicher Pionierarbeit in Hinblick auf Industrie 4.0.“

Die nächsten Ziele hat sich SGL ACF schon gesteckt: „Wir wollen beispielsweise die Nutzung der Daten für unsere Teams weiter verbessern, etwa durch Bereitstellung auf verschiedenen Geräten und durch automatisierte Analysen“, verrät Bütün.

Und der Qualitätsleiter hat auch die Zukunft im Blick: die noch stärkere Automatisierung der Systeme. So könnte das Steuerungssystem einer Produktionsanlage in Zukunft automatisch eingreifen, und zwar sowohl präventiv (Quality Forward Chain) als auch reaktiv (Quality Backward Chain). „In manch anderen Industrien sehen wir das schon in Ansätzen“, so der SGL-Experte. „Dies auf den Verbundwerkstoff-Bereich zu übertragen ist ein spannendes Feld, in das noch einige Entwicklungsarbeit fließen wird.“

 

Anlaufbild: SGL Group