Bericht über das 40. Ulmer Gespräch - eine Veranstaltung der Deutschen Gesellschaft für
Galvano- und Oberflächentechnik (DGO) und des Zentralverbandes Oberflächentechnik (ZVO)
in Zusammenarbeit mit dem VDI Technologiezentrum
Die mittelständischen Unternehmen stehen vor einem deutlichen Umbruch durch die zunehmende Nutzung von digitalen Techniken in der Produktion. Dabei sind die Unternehmen gefordert, die Technologien ihren Bedürfnissen anzupassen und damit ihre Geschäftsmodelle zu festigen. Förderungen durch den Bundunterstützen die Unternehmen. Insbesondere im Bereich der Anlagentechnik sind die Grundlagen für die Einführung neuer digitaler Technologien in Form der häufig sehr umfangreichen und komplexen Anlagensteuerungen gelegt. Nachholbedarf besteht beim Einsatz von Messverfahren zur Prozesssteuerung und der Qualitätssicherung.
- Fortsetzung aus WOMag 6/2018
Digitalisierung für den Mittelstand
Dr. Stefan Hallerstede richtete den Blick auf die Umsetzung des derzeitigen Trends Industrie 4.0 im Mittelstand. Eingangs wies er darauf hin, dass Digitalisierung kein Trend ist, der vorbeigeht und anschließend von anderen Trends abgelöst wird. Ein Grund für diese Situation ist, dass Maschinen immer stärker mittels neuronaler Netzwerke arbeiten, also näher an das menschliche Denken kommen. Unterstützt wird diese Situation durch die drastisch gestiegene Hardwareleistung sowie die ständig wachsenden Speicherkapazitäten. In der Folge hat die Zunahme an Unternehmen mit einem Marktwert von mehr als 1 Milliarde US-Dollar drastisch zugenommen, von denen viele ihren Erfolg auf die Technologie der Digitalisierung zurückführen.
In der täglichen Praxis erleben wir derzeit in immer stärkerem Maße die Auswirkungen der Digitalisierung, vom schnellen Informationsaustausch per E-Mail über die starke Zunahme von Programmen (Apps) bis hin zur stark digital basierten Warenauslieferung. Dabei ist zu bedenken, dass neue Unternehmensstrukturen entstehen, zum Beispiel Unternehmen, die sich zwischen bewährte Beziehungen zwischen Kunden und Lieferanten schieben und dadurch neue Aufgaben übernehmen, die deutlich veränderte Arbeitsweisen bei einem Lieferanten bewirken können. Mittelständische Unternehmen haben hier durch ihre hohe Flexibilität Vorteile gegenüber großen Unternehmen, da sie wesentlich schneller reagieren und neue Strukturen einführen können. Um die Herausforderungen der Digitalisierung bewältigen zu können, müssen Kreativität, Beweglichkeit und unkonventionelles Denken gefördert werden.
Ansatz zur Entwicklung einer digitalen Strategie für mittelgroße Unternehmen (Bild: Hallerstede)
Zu den elementaren Aufgaben der Umsetzung gehört die Zielfestlegung; diese besteht zum einen darin, was als digitales Ziel festgelegt werden soll und zum anderen, wie dieses umgesetzt werden kann. Eines der wichtigen Elemente zur Erreichung der Ziele ist die Offenheit für Partnerschaften, aber auch die Gewinnung von geeigneten Fachleuten zur Realisierung der Aufgaben.
Fördermöglichkeiten zur Digitalisierung am Beispiel Materialforschung
Einen Einblick in die Fördermöglichkeiten zur Digitalisierung in der Oberflächentechnik gab Dr. Stefan Pieper. Die Digitalisierung wird nach seiner Meinung eine zunehmend stärkere Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung erfordern und so ein ganzheitliches Denken erzeugen. Hierbei ist es besonders wichtig, dass Deutschland den Standard dieser Technologie setzt, um beispielsweise auch den Trend zur kontinuierlichen Kostensenkung zu durchbrechen und seine derzeit gute Position unter den Fortschrittsländern halten kann.
Als Beispiel für Förderprojekte führte der Vortragende GEP Grundlagen Elektrochemische Phasengrenze an. Durch Analyse von Daten und eine Kombination beziehungsweise Weiterentwicklung von Modellen soll hierbei eine Verbesserung zur Herstellung von Wasserstoff erzielt werden. Im Projekt Innovative Materialien für stationäre Blei-Säure-Batterien, die als Energiespeicher an Windkraftanlagen eingesetzt werden sollen, wird an der elektrochemischen Wirkung von funktionellen Materialien auf mikro- und makroskopischer Ebene geforscht. Ziel ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Batterien. Als drittes Projekt wird die Separation mit kapazitiven Elektroden unter Anwendung von elektrochemischen Grundprozessen begleitet. Im Projekt ELOBEV wird die elektrolytische Beschichtung für Verbindungselemente untersucht werden, wobei als Fügen das Nieten im Vordergrund steht. Damit sollen bisher auftretende Spannungsrisse vermieden werden und zukünftig noch höherfeste Stähle zum Einsatz gebracht werden.
Bei diesen Projekten sind Möglichkeiten zur Erfassung von großen Datenmengen und deren Verarbeitung wichtige Bestandteile, um nutzbare Ergebnisse zu erzielen. Dazu müssen auch einheitliche Sprachregelungen zwischen den unterschiedlichen Fachgebieten gefunden werden, was zum Teil ein erheblicher Aufwand ist und auch bisher schon viele Weiterentwicklungen gehemmt hat.
Industrie 4.0 in der Praxis
Am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart stehen derzeit vier zentrale Themen im Umfeld von Industrie 4.0 im Fokus: Automobilproduktion, allgemeiner Produktionsfluss, Industrie 4.0 in kleinen und mittleren Unternehmen sowie die Auswirkungen der Digitalisierung auf die zukünftige Arbeitsweise. Jessica Klapper wies eingangs darauf hin, dass der derzeitige demographische Wandel, der globale Wettbewerb oder gesellschaftliche Trends wichtige Größen sind, die einen hohen Anpassungsdruck auf die Arbeit bewirken. Erkennbar ist dies beispielsweise an einer stark gestiegenen Subjektivität der heutigen Produkte oder an neuartigen Interaktionsformen in der Arbeit und im täglichen Leben.
In Zukunft werden die Arbeitsplätze zunehmend vernetzt, wodurch die Transparenz der gesamten Prozesskette deutlich zunehmen wird, aber auch eine hohe Akzeptanz der betroffenen Mitarbeiter vorausgesetzt wird. In der Praxis kann dies beispielsweise erreicht werden, indem die Mitarbeiter direkt vor Ort (Tablet, Smart watch) mit Informationen zu Anlagen und Geräten versorgt werden und damit schnell und effizient bei Störungen reagieren können. Dazu müssen die Arbeitsplätze auf die Bedürfnisse der Mitarbeiter eingestellt werden. Umgesetzt wurde ein derartiges Konzept unter anderem bei Bosch in Form einer vernetzten, adaptiven U-Linie in der Montage.
Vernetzte, adaptive U-Linie in der Montage bei Bosch als Beispiel von kontextsensitiven Arbeitsplätzen (Bild: Klapper)
Durch derartige Neuerungen werden in Zukunft die Arbeitsplätze durch intuitive Bedienung so einfach zu bedienen sein, wie Smartphones. Dazu müssen Mitarbeiter in deren Arbeitsweise analysiert und gegebenenfalls weitergebildet werden. Ergänzt wird die Produktion durch betriebliche Assistenzsysteme, die dem jeweiligen Arbeiter alle Informationen zum bearbeiteten Produkt oder den weiterführenden Hintergrundinformationen liefern. Die Informationen können dazu beispielsweise über eine Datenbrille verfügbar gemacht werden, aber auch durch Scannen des Umfelds dazu beitragen, die Tätigkeiten zu vereinfachen und effizienter zu gestalten. Zur Weiterentwicklung derartiger Technologien stellt das Land Baden-Württemberg umfangreiche Fördermittel zur Verfügung, die insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen sehr interessant sind.
Industrieroboter für flexible Handhabung
Dr. Werner Kraus stellte den Einsatz von Handlingrobotern in der Oberflächentechnik vor, wie sie beispielsweise für die Bestückung von Galvanikgestellen eingesetzt werden könnten. Während für die Beschichtung mit Lacken der Einsatz heute bereits Standard ist, sind in der konventionellen Galvanotechnik, insbesondere in der Beschichtung mittels Gestelltechnik, heute noch kaum Roboter zu finden.
Mit der Holzapfel Group wurden jetzt erste Projekte bearbeitet, um chaotisch angelieferte Teile auf ein Galvanikgestell aufzustecken. Eine Herausforderung ist hier zum Beispiel die Form der Haken, da diese im Gebrauch unterschiedlich stark verformt werden. Um solche Projekte realisieren zu können, werden optimale Kameras benötigt, die den Istzustand in kurzer Zeit und mit hoher Auflösung erfassbar machen. Für den industriellen Einsatz stellen beispielsweise Reflektionen bei glänzenden Teilen eine hohe Hürde dar. Für Galvanikgestelle wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich positionierte, das heißt verbogene Haken, erkannt werden. Hierzu wurden unterschiedliche, am Markt erhältliche Kamerasysteme geprüft und bewertet. Schwierigkeiten bereiten vor allem hochglänzende Teile, deren Lage nur bedingt korrekt erkannt werden kann.
Eine weitere Aufgabe ist die Bedienung des Greifers bei Anlieferung der Teile als Schüttgut. Dazu wurden spezielle Greifer mit schlanken Fingern und exzentrischer Fingeranordnung als geeignete Lösung ermittelt. Damit zusammenhängend ist die Auswahl der geeigneten Greifpunkte am jeweiligen Teil. Diese Greifpunkte werden in Vorarbeiten ermittelt und sinnvollerweise wird dem Roboter eine höhere Zahl an Greifpunkten (zehn bis 20) angeboten. Schwierig wird die Aufgabe, wenn nur noch eine Restmenge an Teilen in einem Transportbehälter vorliegt, oder Teile ineinander verhakt sind.
Neu entwickelter Zwei-Finger-Greifer, durch den die Griffzuverlässigkeit bei chaotisch angelieferten Teilen deutlich verbessert werden kann (Bild: Kraus)
Für die Bestückung und Entnahme von Teilen von Galvanikgestellen kann die selbe Software eingesetzt werden, wobei sich eine Anpassung der Kamerasicht empfiehlt. Verbesserungen sind bei der Bearbeitungsdauer erforderlich, die derzeit bei knapp 20 Sekunden liegt - angestrebt werden Zeiten von etwa zehn Sekunden. Eines der nächsten größeren Ziele ist nach den Ausführungen von Dr. Kraus die Automatisierung des Lernvorgangs für das Greifen von Teilen in Transportkisten.
Automatisierung von Galvanikanlagen
Zu Beginn seines Vortrags wies Dr. Siegfried Kahlich darauf hin, dass die Begrifflichkeit Industrie 4.0 als Start der Vernetzung von Geräten und Anlagen beziehungsweise die Verschmelzung von virtueller und reeller Welt gesehen wird. Sie folgt damit der Einführung von SPS nach und dementsprechend der Bezeichnung Industrie 3.0. Im Produktionsumfeld ergibt sich damit eine horizontale und vertikale Integration. Benennungen für die dafür erforderlichen Einheiten sind CPS, CPPS, Smart Products oder Smart Factory.
Auftragsoptimierung über einen digitalen Zwilling in Ergänzung zur bestehenden Steuerung für eine Galvanikanlage (Bild: Kahlich)
Bisher war die Automatisierung in der Oberflächentechnik klar durch unterschiedliche Ebenen gekennzeichnet, die jetzt nahezu vollständig aufgelöst werden. Dadurch müssen die in unterschiedlichen Einzelprozessen gesammelten Daten verknüpft und ausgewertet werden. Beim modernen Ansatz ist die Erstellung eines digitalen Zwillings sinnvoll und notwendig. Daraus folgt die Möglichkeit, die Arbeitsweise zu simulieren und dadurch den Gesamtprozess zu optimieren. Die virtuelle Welt wird mit der reellen Welt abgeglichen und so auch die Möglichkeit geboten, jeden einzelnen Arbeitsablauf als eine Art Bearbeitung mit Losgröße 1 zu betrachten.
Die früher üblichen separaten Programme sind somit hinfällig. Die Daten zu den Einzelprozessen einer Anlage (Belegung, Fahrwagendaten, Belegung von Gestellen, ausgeführte Beschichtungsprozesse) werden in einer verfügbaren Speicherebene abgelegt (z. B. Cloud) und bieten so die Möglichkeit, Wartungsarbeiten festzulegen. Damit wird die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.
Moderne Steuerungen werden ergänzt durch Zusatzprogramme (WebApps), mit denen Werte wie Durchsatz, Energieverbrauch oder Temperaturen separat dargestellt werden. Unterstützt wird die Bedienung durch Datenbrillen, die beispielsweise Arbeitsanweisungen für den Werker verfügbar machen, die aber auch bei der Fernwartung für eine bessere Kommunikation zwischen Werker vor Ort und Servicetechniker beim Steuerungshersteller sorgen.
Digitalisierung für die Reinigungstechnik
Dr. Marc Mauermann stellte in seinem Beitrag die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung am Beispiel der industriellen Teilereinigung dar. Eine hohe Reinigungsqualität ist erforderlich, um die Folgeprozesse, insbesondere eine Beschichtung, mit hoher Qualität sicherzustellen. Für die Reinigung spielt hier die Tatsache eine Rolle, dass Facharbeiter für Reinigung eigentlich nicht verfügbar sind. Damit müssen die beauftragten Arbeitskräfte zur Erfüllung ihrer Arbeit stets mit den nötigen und zum Teil auch grundlegenden Informationen versorgt werden.
Ein genauerer Blick auf die Technologie zeigt, dass in den Reinigungsprozess verschmutzte Teile eingebracht werden, deren Verunreinigungsart und -grad zu wissen sehr vorteilhaft ist, und die nach dem Prozess eine definierte Sauberkeit aufweisen müssen. Schwierigkeiten bereitet heute noch, dass der Reinigungsprozess nicht vollständig durch Sensoren erfassbar ist. Hier muss in hohem Maße auf ein personengebundenes Wissen zurückgegriffen werden.
Die Reinigungstechnik ist aufgrund von zahlreichen Parametern mit bedingter Messbarkeit ein relativ komplexer Prozess mit allerdings hohen Qualitätsanforderungen (Bild: Mauermann)
Eine Datenerfassung ist derzeit bei den Eingangsgrößen vor einer Reinigung nicht möglich, da keine oder nur sehr bedingt Inline-Messtechnik verfügbar ist. Viele der Zustandsgrößen der Reinigungsverfahren können mangels Wirtschaftlichkeit nicht erfasst werden. Lediglich zur Kontrolle der Reinigungswirkung stehen teilweise Verfahrenstechniken zur Verfügung. Mit Hilfe der Digitalisierung sollte es nach Ansicht von Dr. Mauermann möglich werden, aus der Messung der Reinigungsqualität auf die Prozessführung und -modifizierung des Reinigungsvorgangs zu schließen, ohne die Medien direkt zu analysieren. Ergänzt werden die Daten durch Messwerte aus manuellen Analysen oder Kenntnisse eines Werkers, der diese mit möglichst einfachen Eingabeprogrammen beisteuert. Die ausgewerteten Daten liefern beispielsweise für den Werker Informationen zur Verbesserung der Kontinuität des Reinigungsprozesses.
Qualitätssicherung
Nach Erfahrung von Karl Morgenstern sind die Gründe für Qualitätsprobleme außerordentlich vielfältig, wodurch auch die Planung der Produktion schwieriger wird. Aufgrund der hohen Anzahl an Einflussgrößen wird es interessant, digitale Assistenten einzusetzen.
Heute verfügbare, moderne Systeme sind in der Lage, eine hohe Anzahl an Abläufen mit unterschiedlichen Prozessschritten oder unterschiedlichen Zahlen an Einzelteilen zu erfassen. Damit werden die einzelnen Produktionsabfolgen jeweils neu berechnet und so in der Regel auch die Gesamtausbringung in Bezug auf den Erlös maximiert, soweit dies als Ziel vorgegeben ist. Dabei läuft die Planung in Echtzeit ab.
Die Verbesserungen wirken sich im übrigen auf unterschiedliche Bereiche aus: So reduzieren sich die Wegstrecken für die Mitarbeiter oder die Feinstaubbelastung für die Mitarbeiter. Zwingend erforderlich ist dazu eine konsequente Führung der Mitarbeiter. Karl Morgenstern zeigte an konkreten Beispielen aus der Praxis, wie derartige Planungen durchführbar sind und welche Ergebnisse daraus folgen.
Ergänzt werden moderne Steuerungssysteme für die Produktion beispielsweise mit der Möglichkeit, produzierte Teile zu sperren oder aber das Wissen der Daten mit in die Prozesssteuerung aufzunehmen. Dies trägt zur Erhöhung des Wissenstandes im Unternehmen bei und damit zur Zukunftssicherung bei zugleich konstant hoher Produktivität und Effizienz.
Prozessanalytik
In zunehmendem Maße wird es erforderlich, unterschiedliche Arten der Analytik zur Vervollständigung des Datenstamms einer Produktion verfügbar zu machen. Daniel Schlak wies darauf hin, dass hierfür bevorzugt automatisierte Analyseverfahren genutzt werden sollten. Eine Herausforderung ist hierbei die Verfügbarkeit von geeigneten Sensoren, die im Falle der galvanotechnischen Verfahren nur bedingt erhältlich sind, insbesondere selektive Sensoren. In Betracht kommen Offline-, Atline- und Online-Ansätze. Bei Online-Messung ist es notwendig, die zu analysierende Lösung direkt dem Analysengerät zuzuführen, wobei aber Veränderungen bezüglich der Temperatur berücksichtigt werden müssen. Aufgrund längerer Standzeiten der Lösungen kommen zunehmend auch Atline-Systeme zum Einsatz. Hierfür werden Proben konventionell gezogen und dem Analysengerät verfügbar gemacht. Wird für die Analysen beispielsweise die Titration eingesetzt, so bietet sich atline an, da mit einem Gerät zahlreiche Messungen durchführbar sind.
Häufig zum Einsatz kommen photometrische Sensoren für Titrationen, thermische Sensoren zur Analyse von endo- oder exothermen Reaktionen (Säure-Base-Titration). Die dafür erhältlichen Messsysteme lassen sich in der Regel aus Modulen nach Bedarf zusammensetzen.
Verfügbare Arten der Messtechnik für den Einsatz in der Oberflächentechnik (Bild: Schlak)
Zur Analyse von organischen und anorganischen Ionen oder polaren Substanzen sind jetzt auch optimierte Chromatographieeinrichtungen erhältlich. Zukünftig vermehrten Einsatz wird die Nahinfrarotspektroskopie finden, die allerdings eine Kalibrierung erforderlich macht. Die mit den unterschiedlichen Geräten gewonnenen Werte können beispielsweise auch dafür eingesetzt werden, entsprechende Regelkarten zu erzeugen und damit eine längerfristige Qualitätssicherung zu betreiben.
Integration der Schichtdickenprüfung in automatisierte Produktionsprozesse
Die Reihe der Vorträge über das breite Umfeld zu Industrie 4.0 schloss Dr. Simone Dill ab. Sie befasst sich mit der Schichtdickenprüfung, wie sie für die galvanische Beschichtung nahezu unerlässlich ist. Im Unternehmen der Vortragenden werden hier vor allem Technologien auf Basis des magnetinduktiven Effekts sowie der Röntgenfluoreszenz angeboten.
Vor allem die Röntgenfluoreszenz ist seit vielen Jahren in zunehmendem Maße in Produktionslinien (z. B. in Bandgalvaniken) in Gebrauch. Die Geräte besitzen dazu entsprechende Schnittstellen, die auch für Kunden speziell angepasst werden können, aber auch angepasste Messköpfe beispielsweise für komplexe Geometrien der Proben. Mit neuen Geräten und entsprechender Zusatzausrüstung lassen sich sehr kleine Proben oder kleine Schichten vermessen. Eines der wichtigsten Bauteile solcher Systeme sind Polykapillaren, mit denen bei hoher Intensität eine starke Fokussierung erreicht wird.
Beim Einsatz in der Herstellung von Solarzellen werden beispielsweise zwei Messanordnungen kombiniert - eine im Beschichtungsprozess und eine weitere am Ende des Fertigungsprozesses. Diese Messsysteme tauschen ihre Daten aus und führen damit zu einer sehr hohen Ausbeute des gesamten Fertigungsprozesses.
Bei den taktilen Verfahren sind inzwischen Sensoren für Roboter erhältlich, sodass auch automatisierte Beschichtungsanlagen mit Unterstützung durch Roboter messtechnisch ausgerüstet werden. Eingesetzt werden die automatisierten Verfahren in der Automobillackierung oder der Leiterplattenfertigung.
Fazit
Das 40. Ulmer Gespräch zeigte auf der einen Seite das hohe Potenzial der unterschiedlichen Verfahren für die Bearbeitung von Oberflächen. Dabei wurde aber auch klar, dass trotz der langen Erfahrungen auf den verschiedenen Gebieten der Beschichtung und Oberflächenbehandlung erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht, um die stetig steigenden Anforderungen an die Produkte erfüllen zu können. Zum anderen wurde mit der Darstellung der unterschiedlichen Ansätze auf dem Gebiet der Industrie 4.0 aufgezeigt, dass die Anlagen- und Gerätetechniken in den nächsten Jahren zu einem erheblichen Umbruch in der Prozesstechnik führen werden. Mehr und mehr erkennen die Unternehmen der Oberflächentechnik den Nutzen und die Möglichkeiten einer stetig steigenden Automatisierung. Damit lässt sich der nach wie vor erhebliche Mangel an Fachkräften in der Oberflächentechnik teilweise kompensieren und die Effizienz der unterschiedlichen Produktionsverfahren weiter steigern.
