Zwar ist die Software schon länger bedeutend beim Produkt- und Formentwickeln, und ein Automatisieren war von jeher eine Möglichkeit zum Steigern der Produkteffizienz. Allerdings bieten, im Gegensatz zu früher, Design-Software heute Hightech-Funktionen wie 3D-Simulation und -Analyse oder die virtuelle Realität (VR). Diese Möglichkeiten unterstützen Anwender beim Entwickeln und Optimieren der Produktion von Teilen und Formen, noch bevor Geld in einen Stahlzuschnitt fließt. Außerdem lassen sich digitale Zwillinge von Produktionslinien und Fabrikauslegungen erstellen, um eine verbesserte Produktivität, effiziente Produktströme und günstige Bedingungen bei sekundären Arbeits­gängen zu ermöglichen.
Der Automatisierungstrend betrifft hauptsächlich Formhersteller und andere Produzenten, die immer preisgünstigere Roboter in ihre Produktionslinien integrieren. Über viele Jahre waren Roboter große, spezialisierte Systeme, die aus Sicherheitsgründen in streng von den Mitarbeitern getrennten Bereichen arbeiteten, teuer im Einkauf waren und Fachwissen beim Programmieren erforderten. Eine Art „Demokratisierung der Automatisierung“ hat inzwischen jedoch die Kosten vieler Roboter gesenkt. Auch die Programmierung wird simpler und erfolgt in vielen Fällen per Smartphone oder Tablet auch von außerhalb der Produktionsbereiche oder des Fabrikgeländes. Ein weiterer großer Entwicklungsschritt sind kollaborative Roboter, die neben menschlichen Arbeitskräften sicher arbeiten und einfach zu programmieren sind.

Der Bedarf an unkonventionellen Formen wächst

Digitales Design und Automatisierung fördern

Die Digitalisierung bietet Potenziale, um Betriebsabläufe zu optimieren, die Time-to-Market zu verkürzen und die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. (Bildquelle: Sergey Nivens – Fotolia)

Verschiedene Faktoren beeinflussen die Zuwächse bei Designsoftware und Robotertechnik: Einer davon ist die digitale Revolution, die das Vernetzen von Maschinen und Daten innerhalb einer Fabrik bis hin zur smart factory fördert. Bei diesem Konzept sind alle Betriebsbereiche und Standorte eines Unternehmens miteinander vernetzt, mit Möglichkeiten zum Echtzeitüberwachen, zur Fehlerdiagnose sowie zum Qualitäts-Reporting und anderen Funktionen, welche die Produktivität steigern sollen. Ein weiterer Faktor ist der zunehmende Einsatz moderner Materialien, die scheinbar widersprüchliche Eigenschaften zusammenführen, beispielsweise hohe Festigkeit und geringes Gewicht. Da sich das Potenzial dieser Materialien häufig nur mit unkonventionellen Designs ausschöpfen lässt, brauchen die Entwickler Software mit der sie an diese Ansprüche angepasste Formen erstellen können. Der Bedarf ist so groß, dass ein US-amerikanischer militärischer Forschungsverbund, die Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa), ein Programm namens Transformative Design (Trades) aufgelegt hat. Es dient dem Entwickeln von mathematischen Grundlagen und Algorithmen für verbesserte strukturelle und funktionale Designpotenziale solcher Materialien. „Wir sind an den absoluten Grenzen dessen angelangt, was unsere computergestützten Entwicklungstools und -prozesse leisten können, und brauchen revolutionäre Tools, die die Anforderungen menschlicher Entwickler aufnehmen. Sie sollen Konzepte, Formen und Strukturen entwickeln, auf die selbst die heutigen Designprogramme nicht kommen würden, ganz zu schweigen von Menschen alleine“, sagt Jan Vandenbrande, ein Darpa Programm Manager, in einer Stellungnahme zur Initiative im April 2016. Während es noch nicht abzusehen ist, wann eine Software aus dem Programm hervorgeht, könnte sich die Entwicklung dennoch bald für die Kunststoffindustrie auswirken.
Werkzeuge in 3D planen
und testen
Zu den Anbietern, die moderne Entwicklungs- und Produktionswege verfolgen, gehört Siemens, Berlin, dessen PLM-Software NX ist eine Plattform, auf der Entwickler sowie Form- und Werkzeughersteller mit integrierter Software für Anwendungen beim Entwickeln von Produkten aufsetzen können. Zu den Programmen gehören Entwicklungsmodule mit 3D-Simulationen sowie Software zum Berechnen von Verziehen, Schrumpfen und Verformen bei der Werkzeugentwicklung. Außerdem sind enthalten: Produktionssoftware für die Formentwicklung, Kalkulationstools, NC-Software für Maschinen, CAM-Software für die Produktion und Programme für die Qualitätskontrolle.
Laut dem Konzern verkürzt das Programm die Entwicklungszeit um durchschnittlich 30 Prozent. Paul Brown, Senior Marketing Director für den Bereich NX Product Engineering, erklärt, dass die Software­integration den Anwendern den einfachen Übergang vom Konzept über das Designqualifizieren und Formentwickeln bis hin zur Maschinenproduktion ermöglicht. Insbesondere eine gesteigerte Effizienz und eingesparte Kosten beim Herstellen der Formen sollen die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber ausländischen Lieferanten verbessern.

Simulationen sparen Zeit

Ein weiterer Anbieter von Planungs-Software ist Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Frankreich. Mit seinen 3D-Simulationsprogrammen wie Catia, Material-Software wie Solidworks und Delmia, einem Digital-Twin-Programm für den Bau von Produktionslinien, bietet das Unternehmen inte­grierte Lösungen, die die Produktentwicklungszeit reduzieren. Bei Solidworks beispielsweise um 20 bis 50 Prozent, erläutert Lotfi Derbal, Senior Product Portfolio Manager. Das Programm ermöglicht Simulationen, die bei der Formentwicklung Kühlkanäle testen, Komponenten austarieren, das Fließverhalten in der Form überprüfen und die Teilequalität bewerten. Catia bietet prozessorientierte 3D-Simulationsprogramme, wie Fabrice Agnes, Engineering Portfolio Management Director der Software, erklärt. Dazu gehören der Plastic Mechanical Designer, der Designs schnell iteriert, Merkmale wie Gitter, Rippen, Verstärkungen sowie Bossen kompensiert und zeigt, wie Modifikationen sich auf Füll- und Fließvorgänge und andere Arbeitsschritte auswirken. Mit der Anwendung Mold and Tooling Designer, können Anwender mit Einsätzen, Ausstoßern, Kühlsystemen, Trennlinien, Trennebenen und anderen Formmerkmalen experimentieren.

Kollegiale Roboter streben auf

Digitales Design und Automatisierung fördern

In der nordamerikanischen Kunststoffindustrie geht der Trend zu kollegialen Robotern. (Bildquelle: Jim – Fotolia)

Die meisten Roboter am Markt sind schnell und liefern reproduzierbare sowie gleichmäßige Ergebnisse. Allerdings arbeiten sie aus Sicherheitsgründen getrennt vom Bedienpersonal. „Ein robuster Roboter, der sich schnell bewegen kann, ist für die Arbeit neben Menschen nicht geeignet“, erklärt Sonny Morneault, U.S. National Sales Manager bei Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österreich. Die Firma verkauft Roboter und Primärausrüstungen wie Spritzgießmaschinen. Morneault sieht eine wachsende Nachfrage nach Robotern. Meist geht es dabei um Hilfssysteme zum Platzieren von Einsätzen in Formen, das Etikettieren oder die Hochgeschwindigkeits-Entnahme von Teilen.
Es gibt zudem einen Trend in Richtung kollaborative Roboter, also leichte Plattformen für die Montage, das Beladen und Entnehmen sowie Verpacken, die sicher mit Menschen interagieren. Zu den Unternehmen, die solche Roboter produzieren gehört Rethink Robotics, Boston, USA, mit den Modellen Baxter und Sawyer. Das Programmieren erfolgt indem Anwender Armbewe­gungen teachen und an einem Steuergerät die Eingabetaste drücken. Zum Funktionsumfang der Roboter gehören: Das Erkennen der eigenen Position und automatisches Einrichten für Aufgaben. Sie sind ausgestattet mit federgetriebenen Aktuatoren zum Regeln der Kraft, Armsensoren, die den Federweg während der Bewegung messen und den Armmotor entsprechend anpassen sowie einer Selbstprogrammierung. Sie haben zudem Sensoren, die erfassen, wenn sich ein Mitarbeiter zu stark nähert. In diesem Fall stoppt der Roboter seinen Betrieb. Laut Unternehmen amortisieren sich die Roboter in der Regel binnen weniger Monate.
Fortschritte bei Designsoftware und Robotertechnik sind nur ein kleiner Ausschnitt der aktuellen Aktivitäten in der nordamerikanischen Kunststoff­industrie. Ihre Wirkung und die Potenziale, die sie für Entwicklungen schaffen, sind erheblich. Diese Möglichkeiten, die auf der K 2016 präsentiert werden, sind möglicherweise der Grundstein für eine gesteigerte Produktivität und eingesparte Kosten, die in der Industrie auch zukünftig gefordert sind.

Über den Autor

Sabrina Giewald

gehört zum Pressereferat K 2016 der Messe Düsseldorf.