Der weltweite Markt für Kunststoffe in der Automobilindustrie hatte 2019 einen Wert von rund 36 Milliarden USD [1]. Wie in den meisten Branchen hatte die COVID-19-Pandemie jedoch auch in der Automobilindustrie verschiedene Auswirkungen. Dazu gehören unter anderem Unterbrechungen der Lieferkette, Werksschließungen und eine rückläufige Verbrauchernachfrage. Diese Auswirkungen führten zu einem Rückgang des Marktwerts um 29,50 Milliarden USD im Jahr 2022 [2].
Da sich die Branche jedoch in einer Phase der Erholung nach der Pandemie befindet, ist ihr Marktwert bis 2023 auf 30,44 Milliarden USD gestiegen [2]. Darüber hinaus wird für den Zeitraum von 2023 bis 2030 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 5,2 % erwartet [2]. Zu den Überlegungen, die das Wachstum der Branche beeinflussen, gehören die zunehmende Konzentration auf den Fahrzeugleichtbau und die Verringerung der Fahrzeugemissionen.
Die Umstellung des Marktes auf die Verwendung von leichteren Materialien und alternativen Kraftstoffantrieben in der Automobilproduktion stellt die Hersteller vor Herausforderungen. Die Hersteller müssen herausfinden, wie sie diese neuen Werkstoffe und Energiequellen am besten integrieren können, ohne ihre Produktionseffizienz zu beeinträchtigen. Erfreulicherweise gibt es gerade in der automobilen Kunststofffertigung technologische Fortschritte, die die Kunststoffproduktion optimieren, den Einsatz neuer Materialien erleichtern und die Prozesseffizienz erhöhen.
sensXPERT Digital Mold ist ein Beispiel für solche Fortschritte und durch die Integration in die Fertigungsprozesse konnte der Automobilzulieferer ZF Friedrichshafen AG sowohl die Nachhaltigkeit als auch die Effizienz in seinem Fertigungsprozess stärken, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Die sensXPERT Digital Mold Lösung
sensXPERT Digital Mold kombiniert sowohl Hardware- als auch Software-Komponenten, um Kunststoffherstellern eine Prozesskontrolle in Echtzeit zu ermöglichen. Die Lösung umfasst Sensoren zur Materialcharakterisierung, die mittels dielektrischer Analyse das Materialverhalten einer Reihe von Materialien messen, darunter Duroplaste, Thermoplaste, Elastomere und Verbundwerkstoffe. Durch die Kombination der im Prozess gesammelten dielektrischen Daten ist die Lösung in der Lage, den Grad der Aushärtung/Kristallisation, die Glasübergangstemperatur oder andere relevante thermische und mechanische Eigenschaften eines Polymers vorherzusagen.
Die Sensoren sind außerdem mit verschiedenen Herstellungsverfahren kompatibel, darunter (Reaktions-)Spritzguss, Thermoformen, Formpressen, Transfer-Molding-Verfahren, Vakuuminfusion und Aushärtung im Autoklaven.
Die Datenströme der Materialcharakterisierungssensoren werden von einem Randgerät erfasst, das außerhalb, aber in der Nähe der Maschinen, in denen der Formgebungsprozess stattfindet, aufgestellt wird. Das Randgerät kommuniziert mit der Maschine durch den Austausch von Herstellungsparametern und Materialeigenschaften, während es Auslösesignale sendet und empfängt. Darüber hinaus ist das Edge Device in der Lage, eine Verbindung zu anderen Druck- und Temperatursensoren von Drittanbietern herzustellen und Echtzeitdaten von diesen zu empfangen.
Das Edge-Device verfügt über eine Schnittstelle, über die Hersteller ihre Prozesse visualisieren können, so dass sie ihre Prozessparameter bei Bedarf effektiv anpassen können. Das Edge-Gerät beherbergt auch die Machine-Learning-Modelle (ML) von sensXPERT, die auf alle vom Gerät erfassten Echtzeitdaten angewendet werden. Diese Modelle sind in der Lage, das Materialverhalten genau vorherzusagen, um eine dynamische Prozesssteuerung zu ermöglichen und eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts zu gewährleisten.
Der sensXPERT Digital Cloud Service ist die letzte Komponente der Digital Mold Lösung und dient der Validierung, Speicherung und Visualisierung aller zuvor gesammelten und analysierten Prozessdaten. Die Cloud ermöglicht es vernetzten Maschinen an allen Fertigungsstandorten, voneinander zu lernen und dem Anwender wertvolle Prozesstrends zu liefern.
Die Zusammenarbeit zwischen sensXPERT und ZF Friedrichshafen AG
Im Jahr 2020 startete sensXPERT eine Kooperation mit dem Automobilzulieferer ZF Friedrichshafen AG. Das Unternehmen produziert in seinem Unternehmensbereich Synergy Group Electronics kritische elektronische Hochleistungskomponenten, die in elektrischen Antriebssystemen (Powertrain) für die Elektromobilität eingesetzt werden. Bei dem betreffenden Verfahren werden hochwertige elektrische Komponenten mit reaktiven Duroplastharzen umspritzt, um die Geräte gegen Staub, Feuchtigkeit, Chemikalien, schwankende Temperaturen und Luftfeuchtigkeit sowie mechanische Stöße in der Endanwendungsumgebung zu verkapseln und abzudichten. Durch die höhere elektrische Integrität werden Produkte wie Elektrofahrzeuge zuverlässiger, da die Lebensdauer verlängert und die Wartungskosten gesenkt werden.
Die Technologie von sensXPERT wurde aufgrund ihrer Leistung bewertet, die dazu beiträgt, die Zykluszeit und den Materialabfall zu reduzieren, den Energieverbrauch zu senken und die nachhaltigen Praktiken des Automobilzulieferers zu bereichern (und damit die Anforderungen der EU-Taxonomie zu erfüllen).
Vor der Zusammenarbeit richtete das ZF-Geschäftsfeld Elektroniksysteme zahlreiche neue Verarbeitungslinien für den Verguss von Leiterplatten für ein neues Programm mit einem großen europäischen Automobilhersteller ein. Die neuesten Anlagen und Verarbeitungslinien sollten eine neue Sorte reaktiver Epoxidharze aufnehmen, die wegen ihrer niedrigen Viskosität während des Vergusses und der verbesserten Formfüllung ausgewählt wurde.
Das sensXPERT Prozessüberwachungssystem bot eine einzigartige Gelegenheit, neue Ansätze zur Verfeinerung der Prozesse und zur Reduzierung der Investitionskosten zu erproben. Das System wurde an einem der Vergusswerkzeuge installiert, um die Auswirkungen der Parameter innerhalb und außerhalb des Werkzeugs auf das Materialverhalten besser zu verstehen. So konnte das ZF-Team die Konsistenz des Materialverhaltens untersuchen und die zuverlässige Qualität der umspritzten elektronischen Bauteile überwachen, die auf der neuen Produktionslinie hergestellt werden.
Eine andere Strategie bestand darin, das Materialverhalten und seine Beziehung zu Veränderungen in der Verarbeitungsumgebung sowohl innerhalb als auch außerhalb der Form besser zu verstehen. Anstatt den Prozess zu kontrollieren, würde ein Gießer versuchen, das Materialverhalten zu kontrollieren, indem er eine kritische Eigenschaft auswählt, die das Materialverhalten erklärt und die Qualität der produzierten Teile anzeigt.
Das gemeinsame Team von ZF und sensXPERT führte eine Reihe von Umspritzungsstudien mit dem neuen Kunststoff durch, der in eine instrumentierte Form in einer neuen Transferpresse eingespritzt wurde. Die Form wurde mit integrierten dielektrischen Sensoren sowie Temperatur- und Drucksensoren von sensXPERT instrumentiert. Die Auswirkungen von DoC auf die umspritzten Teile wurden anhand klassischer Prozesskontrollrichtlinien untersucht.
Ergebnisse der Zusammenarbeit
Nachdem die sensXPERT Applikationsspezialisten die vorläufigen Prozessdaten überprüft und die DoC-Messungen der dielektrischen Sensoren beobachtet hatten, fielen ihnen mehrere Dinge auf. Bei einer Ziel-DoC von 90 % härteten alle Teile in weniger als ein paar Minuten aus. Beim Vergleich der Aushärtungszeiten zeigte sich jedoch, dass einige Teile deutlich weniger Zeit benötigten, um die Ziel-DoC zu erreichen, als andere. Dieses Potenzial zur Zeitersparnis geht verloren, wenn eine feste Aushärtezeit mit einer Sicherheitsspanne für schwankende Materialchargen und Prozessdrift angewendet wird. Mit den SensXPERT-Sensordaten und den Vorhersagen der maschinellen Lernmodelle wurden die Zykluszeiten bis an die Grenze getrieben, da die Sensoren Alarm schlugen, wenn die Ziel-DoC erreicht war.
In Übereinstimmung mit diesen Beobachtungen konnte die Aushärtezeit um durchschnittlich 4 % reduziert werden. Eine volldynamische Anpassung der Aushärtezeit birgt das Potenzial für Einsparungen von bis zu 9 % in Zyklen, die die schnellste Aushärtung aufweisen.
Rico Zeiler, Spezialist für Verfahrenstechnik bei ZF, sagte, dass die sensXPERT Technologie einen besseren Einblick in das Materialverhalten während des gesamten Formprozesses ermöglicht. Letztendlich hat ZF durch die Zusammenarbeit mit sensXPERT die Nachhaltigkeit und Effizienz seines Spritzgießprozesses erhöht. sensXPERT hat das Potenzial für eine reduzierte Zykluszeit, einen geringeren Energieverbrauch und geringere Herstellungskosten in der Teileproduktion aufgezeigt.
Basierend auf den Ergebnissen der sensXPERT Technologie hat sich die ZF Synergy Group Electronics entschieden, alle Werkzeuge in allen Pressen der neuen Produktionslinie mit den Prozessüberwachungssystemen von sensXPERT auszustatten.
