Angewandte Digitalisierung: Grundlagenforschung in der Druckindustrie
Effizienter produzieren dank digitaler Simulation
von Michael Schüle,
Nachwuchsgruppenleiter Florian Wallburg, Professor Stephan Schönfelder und Doktorandin Ulrike Käppeler (v.l.) an einer Prägemaschine im Werkstofflabor der HTWK Leipzig. (Bild: Lizette Ardelean/HTWK Leipzig)
Eine interdisziplinäre Nachwuchsforschungsgruppe an der HTWK Leipzig entwickelt seit Januar 2020 in dem dreijährigen Projekt »SmartKMU« digitale Simulationswerkzeuge speziell für kleine und mittelständische Unternehmen der verarbeitenden Industrie. Als Anwendungsbeispiel dient der Gruppe der für die Verpackungsindustrie wichtige, aber aufwändige und teure Prägeprozess von Karton. Optimierungen und Veränderungen in diesem Prozess sollen künftig erst digital simuliert werden, bevor sie in Produktion gehen.
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Testfeld »Prägeprozess in der Druckindustrie«
Wie tief ein Prägestempel eingedrückt werden muss, bestimmen Druck- und Verpackungsunternehmen bislang indem sie ausprobieren, was am besten funktioniert. Prägungen sind deshalb aufwändig und teuer. In den kommenden drei Jahren werden die Mitglieder der Nachwuchsforschungsgruppe an der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (fünf wissenschaftliche Mitarbeiter, vier Professoren) Prägeprozesse in Karton digital nachbilden und soweit vereinfachen, dass die entstehende Software auf konventionellen Arbeitsrechnern nutzbar und an die individuellen Anforderungen mittelständischer Unternehmen leicht anpassbar ist. Optimierungen und Veränderungen im Prägeprozess könnten dann künftig erst digital simuliert werden, bevor sie in Produktion gehen. Ein Transfer der Methodik auf andere Materialien und Branchen wäre zudem denkbar. Gefördert wird das Projekt vom SMWK (Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus) mit rund 1,3 Mio. Euro aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF).
Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder, wissenschaftlicher Leiter der Forschungsgruppe, und Prof. Dr. Lutz Engisch, Direktor des iP3 Leipzig (Institute for Printing, Processing and Packaging) an der HTWK Leipzig, skizzieren im Gespräch mit print.de, wie die Gruppe dabei vorgehen wird.
print.de: Professor Schönfelder, was genau will die HTWK-Nachwuchsforschungsgruppe in den drei Jahren erreichen?
Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder: Mit unserem Projekt verfolgen wir im Endeffekt zwei Ziele – ein übergeordnetes und eines mit einem sehr pragmatischen Ansatz. Zum einen wollen wir übergeordnet die Vorhersagbarkeit und die Digitalisierung von Produktion und Prozessen nach vorne bringen – vor allem im Umfeld kleiner und mittelständischer Unternehmen. Denn im Gegensatz zu Großbetrieben, wo digitale Simulationen schon eine wichtige Rolle spielen, ist das Thema für KMUs eine große Herausforderung. Denn dort will und kann man nicht mit Technologien arbeiten, die unerreichbare Investitionen voraussetzen. Die Idee war deshalb, für solche Betriebe mit einem Grundlagenforschungsprojekt einen Schritt vorauszugehen, »Handreichungen« von Methodiken zu entwickeln und in eine Software zu »gießen«, die die Ingenieure dann für sich weiterentwickeln und an ihre individuellen Prozessschritte anpassen können.
Pragmatisch ist natürlich die Auswahl des Anwendungsgebiets zu sehen. Das iP3-Institut von Professor Engisch beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit der Prägung. Der Prägeprozess in Karton hat eine große Bedeutung für einerseits die Verpackung, etwa für die Darstellung von 3D- bzw. haptischen Elementen, aber auch im dekorativen Bereich (zum Beispiel bei Tapeten). Allerdings ist der Aufwand, der für die Prägewerkzeuge betrieben wird, schon enorm. Ein ideales Terrain also für die digitale Simulation.
print.de: Können Sie das bitte etwas konkretisieren, Professor Engisch? Warum ausgerechnet der Prägeprozess?
Prof. Dr. Lutz Engisch: Im Rahmen verschiedener aktueller Promotionen haben wir uns schon stark in den Prägeprozess eingearbeitet und ein Embossing-Management-System entwickelt, um vorhersagbare Ergebnisse zu haben. In diesem Umfeld war es stets ein zentrales Thema, diesen Prozess zu simulieren, um einen »digitalen Zwilling« zu benützen. Karton ist ein sehr komplexes Material, unter anderem wegen der Faserstruktur und der Verleimung. Für uns stellt sich die Ausgangslage so dar: Wenn ich erst einmal Karton berechnen kann, dann sollte ich auch in der Lage sein, diese Methodiken im Sinne einer schnellen Adaption auf andere Materialklassen, die in anderen Branchen verwendet werden, übertragen und skalieren zu können. Das ist das eigentlich übergeordnete Ziel des Forschungsprojekts: Für KMUs in der verarbeitenden Industrie grundsätzlich digitale Simulationswerkzeuge zu entwickeln. Das Applikationsfeld »Prägeprozess« wurde stellvertretend gewählt, vor allem weil wir es hier direkt an der Hochschule selbst abbilden und somit die Wege zwischen Experiment und Simulation abkürzen können. Zudem wurde im Bereich Kartonprägen bisher wenig mit Simulation gemacht, vermutlich auch, weil das Feld bei weitem noch nicht vollständig beschrieben ist! Doch auch wir werden das Ganze jetzt natürlich nicht bis auf die molekulare Ebene herunterbrechen, denn die Simulationswerkzeuge sollen ja für KMUs nutzbar und auf herkömmlichen PCs lauffähig – also nicht zu teuer – sein.
Prof. Dr. Lutz Engisch, Direktor des iP3 Leipzig (Institute for Printing, Processing and Packaging) an der HTWK Leipzig.
print.de: Wie kann man sich denn als Außenstehender den Ablauf des Projekts ungefähr vorstellen?
Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder: Eine digitale Simulation kann am Ende nur so gut sein wie die einzelnen Größen, die man »hineingibt«. Gerade im Bereich der werkstofflichen Kennzahlen fehlt hier im Bereich Karton wie gesagt noch viel Input, da ist experimentell als Basis noch viel zu entwickeln.
Grundsätzlich kann man das Thema Simulation ungefähr so sehen: Wenn man alle Fertigungsschritte einer Prozesskette virtualisieren und digital veränderbar machen will, dann muss man Material und Prozess vollkommen durchdrungen haben. Insbesondere wenn die bisherige »analoge« Try & Error-Methode schon gute Prozesse hervorgebracht hat. Es gilt also zunächst zu verstehen, was da im Detail im Material- und Prozessschritt genau passiert. Ein denkbarer Ablauf könnte also sein: Der Karton wird als Materialmodell mit mechanischen Belastungsgrenzen beschrieben, dann werden Umformungsprozesse gerechnet. Der Prägeprozess wird im Anschluss experimentell validiert und es wird versucht, diesen 1:1 im digitalen Modell abzubilden, damit das Modell dann auch das gleiche vorhersagt. Anschließend wird die Komplexität im Modell immer weiter gesteigert, etwa durch die Berücksichtigung von Richtungsabhängigkeiten der Kartonfasern. So kann man das Verhalten peu à peu besser abbilden. Diesen sehr komplexen und zeitintensiven Aufwand betreibt man einzig und allein, um einen Verständnisgewinn für die Abläufe zu erhalten. Und danach heißt es: Wie kann ich diese Berechnung jetzt iterativ beschleunigen, das Verhalten einfacher beschreiben, ohne Information zu verlieren? Sprich: Ich habe einen Prägeprozess in seiner vollen Komplexität der Faserstrukturrichtungen, wie kann ich diesen (auch unter Nutzung anderer mathematischer Modelle) jetzt anstatt in zwei Tagen in zwei Minuten am PC durchrechnen – mit gleichem Ergebnis bei höchstens 5% Genauigkeitsverlust?
Unser Forschungsprojekt ist natürlich so etwas wie eine »Wette auf die Zukunft«, denn die Problematik besteht in vielen Branchen und die Grundlagenforschung ist die notwendige Basis für eine Lösung! Das geht nicht einfach so nebenbei in der täglichen Produktionspraxis und wäre von KMUs zeitlich und vom Aufwand her auch gar nicht zu stemmen. Nichtsdestotrotz ist es von größter Wichtigkeit für uns, Unternehmen aktiv mit einzubeziehen in die Forschung. Denn es gilt herauszufinden, wo genau denn der Produktionsprozess wie virtualisiert werden muss, damit es den Unternehmen auch wirklich etwas bringt. Wir wollen keinesfalls an der Problematik vorbeiforschen! Geplant sind jährliche Tagungen und Workshops (vor allem in der Druckindustrie, aber auch anderswo) mit Problemdiskussionen möglichst nah am Anwender. Denn der Erfahrungsschatz der Spezialisten ist von unschätzbarem Wert für die Prozessdigitalisierung.
Dass hier letztlich Expertenwissen vereinheitlicht wird, ist natürlich Chance und Konflikt zugleich. Es gilt, behutsame Gespräche mit den Experten zu führen, denn oft ist Skepsis in den Unternehmen da, dass jahrzehntelang erarbeitetes Know-how »einfach« in ein Programm geschrieben wird! Die digitale Transformation erfordert Vertrauen und Akzeptanz.
print.de: Wie setzt sich die Forschungsgruppe denn eigentlich genau zusammen?
Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder: Am Projekt beteiligt sind in Vollzeit zwei Maschinenbauer, die aus der werkstoffmechanischen Simulationsecke kommen und für die Nachahmung von Material- und Prozessverhalten verantworlich sind. Zudem eine Drucktechnik-Ingenieurin für die praktischen Untersuchungen im Labor sowie ein Mathematiker/Informatiker, der sich dem Prüfen und Involvieren mathematischer Methodiken in die Welt der Anwendung widmet. Außerdem ein Experte aus dem Bereich Bauingenieurwesen (samt Professor), der die Simulationssoftware programmiert.
Prägung eines Pyramidenstumpfes in Karton im überlagerten Vergleich zwischen Experiment (links) und Simulation (rechts), in der Draufsicht (oben mit Verformungsberechnung) und im Querschnitt (unten mit irreversibler Materialdehnung).
print.de: Wie könnte denn ein künftiger Prägeprozess in Karton aussehen und auf welche Branchen könnte die Simulationssoftware transferierbar sein?
Prof. Dr. Lutz Engisch: Es wird einen Material-, Prozess- und auch einen Designeinfluss geben, denn Prägeelemente beeinflussen sich gegenseitig, wenn sie in gewisser Nähe zueinander stehen. Die Idee ist, dass der Designer, der sich im grafischen Bereich die Prägung »ausdenkt«, definiert, was er denn eigentlich vom Endprodukt erwartet. Die Simulation berücksichtigt dann den jeweiligen Kartoneinfluss, es entsteht ein Werkzeug, das derart gestaltet wird, dass der Prägeprozess dem Wunsch entspricht. Und zwar »straight forward«: Man simuliert die einzelnen Elemente mithilfe der Materialkomponenten und bekommt die Information für die Werkzeugherstellung.
Der Unterschied zum heutigen Prozess wäre deutlich: Prägewerkzeuge werden derzeit oftmals im Qualitätsmanagement untersucht; es wird auch das Aussehen des Werkzeugs berücksichtigt und der Experte entwickelt mehr oder weniger aufgrund seiner Erfahrung ein Bewusstsein dafür, wie die Prägung aussieht.
Anderweitig einsetzbar im Prägebereich könnte die Software etwa für Folien sein, mit funktionalen Strukturprägungen für wasser- oder schmutzabweisende Oberflächen (Deko-Folien für Fenster). Oder auch für die sogenannten »Chiplabor-Systeme« im Bereich der Blutanalyse. In generativen Verfahren wie dem 3D-Druck ist die Simulation von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff oder Metall denkbar, weil auch hier die Materialeigenschaften stark vom Prozess abhängen. Oder denken Sie nur an die Blechumformung, wobei diese Branche in der Simulation schon sehr weit ist. Aber für Nischenanwendungen vielleicht?
Doch völlig egal für welche Branche – die Prämisse für unser Projekt wird stets »SmartKMU« heißen: Akzeptanz hochhalten, Anwenderschwelle möglichst weit heruntersetzen, damit die Anwendung in die große Breite kommt.
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Schwerpunkt: INNOVATIONS-OFFENSIVE 2020 +++ Innovationen im Bogenoffset- und Digitaldruck +++ Digitale Simulationsanwendungen für »smarte« KMUs +++ Neue AR-Plattform für Markenartikler
