27.07.2017
erschienen in GIESSEREI Heft 7/2017

Eingegossener RFID-Chip als Schnittstelle zwischen Gussteil und Prozesssteuerung

Franz-Josef Wöstmann (im Bild rechts), Abteilungsleiter Gießereitechnologie am Fraunhofer IFAM, und sein Stellvertreter Christoph Pille standen der GIESSEREI zu dem neuen Verfahren Rede und Antwort.

Gussteile mit RFID-Chip sind eindeutig identifizierbar, Prozessparameter können bauteilbezogen gespeichert und Fehlerursachen lückenlos nachvollzogen werden. Mit Chip im Gussteil könnten die bisher in Gießereien allgegenwärtigen Laufzettel bald der Vergangenheit angehören, weil dort alle Daten über die Produktion gespeichert oder zentral abgelegt und durch den individuellen Bauteilcode zugeordnet werden können. Interessanter Nebeneffekt: der integrierte Datenspeicher erhöht die Kopiersicherheit. Das Bremer Fraunhofer IFAM hat nun im Rahmen eines EU-Projekts bei Audi erstmals erfolgreich RFID-Chips unter seriennahen Bedingungen in Strukturbauteile eingegossen. Fazit: Das Verfahren ist marktreif. Ein Interview mit Franz-Josef Wöstmann, Abteilungsleiter Gießereitechnologie am Fraunhofer IFAM, und seinem Stellvertreter Christoph Pille.

Wie genau können wir uns das Eingießen von RFID-Chips in Gussteile vorstellen?
Pille: Zunächst gilt es zu prüfen, ob für einen RFID-Chip (in der RFID-Branche wird im Regelfall von „Transponder“ gesprochen) ein geeigneter Platz am bzw. im Gussteil gefunden werden kann, sofern es sich um eine Bestandsgeometrie handelt, die nicht wesentlich verändert werden darf. Dabei dürfen weder Bauteil- noch Prozesssicherheit beeinträchtigt werden. Bei neuen Geometrien ist der Weg einfacher, da hier bereits von Anbeginn an die Platzierung des Chips in die Konstruktion mit einfließt. Weiterhin gilt es, einen für die Geometrie sowie Kundenanforderungen geeigneten RFID-Transponder auszuwählen, der zugleich auf bzw. in Metall funktioniert. Wesentliche Aufgabe ist es jedoch dann, eine zum Gießprozess und Bauteil passende Schutzkapsel zu entwerfen, die den Chip während des Gießens vor den hohen Temperaturen der Metallschmelze sowie den hohen Nachverdichtungsdrücken beim Druckgießen schützt, bis das Gussteil erstarrt ist.

Welches Potenzial haben RFID-Chips bei Gussteilen überhaupt?
Wöstmann: Stand der Technik zur Gussteilkennzeichnung sind Barcode und Data-Matrix-Codierung (DMC). Diese werden auf die Oberfläche des Gussteils aufgebracht und zur Bauteilerkennung optisch ausgelesen. Bei Verschmutzung oder Beschädigung ist diese Art der Codierung nicht mehr identifizierbar. Eine Bearbeitung oder Lackierung der Oberfläche gefährdet die Lesbarkeit, wie zum Beispiel bei Lasercodierung, ebenso die Alterung von z. B. Aufklebe-Etiketten als auch Korrosionserscheinungen eingravierter DMC-Codes. Die RFID-Technologie basiert auf Funk und umgeht somit die Nachteile einer optischen Codierung. Der Chip kann analog zu Barcode oder DMC auf die Oberfläche appliziert werden. Wird der RFID-Chip darüber hinaus auch noch direkt eingegossen, wie durch uns entwickelt, bietet sich der Vorteil der frühestmöglichen Codierung bereits bei Herstellung – quasi von der Geburt bis zum Tod individuell gekennzeichnet. Das größte direkt zu Wertschöpfung beitragende Potenzial liegt im sogenannten „Tracking und Tracing“ der Gussteile durch die Produktionsschritte. Durch die individuelle Kennzeichnung sind jedem einzelnen Bauteil zu jeder Zeit alle Produktionsdaten zugeordnet und es wird die Basis für Industrie 4.0 gelegt. Weiterhin können auch nachträglich z. B. im Reklamationsfall alle Daten dem individuellen Bauteil zugeordnet werden und somit eine rückwirkende Qualitätssicherung betrieben werden. Im Fall eines Bauteilrückrufs wird dieser auf die wirklich betroffenen Bauteile begrenzt und nicht für vollständige Chargen durchgeführt, wie es aktuelle Kennzeichnungsmethoden erfordern.

Beim Aluminiumdruckgießen entstehen hohe Temperaturen. Wie kann der eingegossene Chip den Gießprozess überstehen?
Wöstmann: Ohne Weiteres gar nicht! Der Transponder wird mit einer von uns entwickelten Schutzhülle versehen, durch die der Transponder den Temperaturpeak übersteht. Die Geometrie der Schutzhülle dient dabei dem einfachen automatisierten Handling und der Positionierung in der Druckgussform. Auf dem aktuellen Entwicklungsstand haben wir bereits ein einfaches und robustes Halbzeug entwickelt, in dem der Transponder, der Hitzeschutz und eine Positionierungshilfe enthalten sind.

Überstehen alle Chips den Prozess?
Wöstmann: Eine 100 %-ige Lesequote ist unumgänglich, da jedes nicht lesbare Teil automatisch Ausschuss bedeutet. Deshalb ist eine sorgfältige Auswahl des ‚richtigen‘ Transponders in Kombination mit der Auslegung der Schutzkapsel gleichermaßen von Bedeutung. Im Rahmen eines EU-Projekts haben wir mit Audi einen Testlauf durchgeführt, bei dem ausnahmslos alle eingegossenen Transponder den Druckgießprozess gut überstanden haben, d. h. wir konnten eine 100%-Lesequote unter Serienbedingungen darstellen.

Wo fand der Testlauf statt und wie genau hat er ausgesehen?

Pille: Der Testlauf hat in der Versuchsgießerei bei Audi Ingolstadt stattgefunden. Es galt die vom Fraunhofer IFAM ausgewählten RFID-Chips, die für den Audi-Demonstrator entwickelte Schutzkapsel sowie die Lese-/Schreibhardware unter seriennahen Bedingungen inline zu testen. Zudem wurde ein spezieller Greifarm entwickelt und getestet, der automatisiert die RFID-Kapseln greift und in das Werkzeug einsteckt.

Welche Herausforderungen mussten Sie überwinden?
Pille: Die sicherlich größte Herausforderung waren eben die „seriennahen Bedingungen“, d. h. es gab mit der Federbeinstütze als Demonstrator eine Bestandsgeometrie, für die wir RFID-Chip und Schutzkapsel passend auslegen mussten. Zudem erfolgte das Gießen nicht in einem Laborbetrieb, bei dem händisch die Kapseln eingesteckt und arretiert werden können, sondern hier galt es einen prozesssicheren und automatisierten Ablauf zu gewährleisten.

Eignet sich das Verfahren für alle Werkstoffe? Und wenn nicht: Sind Weiterentwicklungen geplant?
 Wöstmann: Hinsichtlich der Verfahren haben wir das System für Druckgießanwendungen optimiert, aufgrund der vergleichsweise kurzen Temperatureinwirkzeiten. Aktuell arbeiten wir aber auch bereits an Lösungen für den Niederdruck- und Schwerkraftkokillenguss und wollen im Weiteren auch in höhere Temperaturbereiche für Kupfer, Eisen und Stahlguss vordringen, um für alle Gießereibereiche eine identische Lösung anbieten zu können. Hinsichtlich Weiterentwicklungen haben wir parallel unsere Aktivitäten zum direkten Eingießen von Sensoren ausgeweitet, z. B. um Überlastungen oder Missbrauchslasten im Gussteil detektieren zu können. Solche Sensoren sind natürlich mit Transpondertechnik kombinierbar, um die Daten kabellos aus dem Gussteil senden zu können. Nach dem Gießprozess werden viele Gussteile noch umfangreich bearbeitet.

Werden die eingegossenen Chips bei diesen Arbeitsschritten nicht zerstört?
Pille: Die eingegossenen Chips zeigen sich als überaus robust. Und genau das war ursprünglich die Intention der Technologie – die Kennzeichnung ins Bauteil zu integrieren, um eine robustere Kennzeichnung zu erreichen, die auch mechanischen Beschädigungen der Gussteiloberfläche standhält, nicht von Korrosionseffekten oder Umwelteinflüssen beeinträchtigt wird und bei der Kühlschmierstoffe keine aufgeklebten Labels ablösen. Doch eine Herausforderung bleibt aktuell noch: eine nachträgliche Wärmebehandlung, bei der die Temperaturen für einen zu langen Zeitraum wirken und die Schutzkapsel unwirksam machen.T5-Wärmebehandlungen können – je nach Transponder – noch zu bewältigen sein, bei einer T6-Wärmebehandlung wird jedoch die Schutzkapsel versagen und den Transponder zerstören.

Welche Effekte auf Qualität und Produktivität in Gießereien erwarten Sie durch den Einsatz eingegossener RFID-Chips?
Wöstmann: Bei der Produktivität erwarte ich keine direkte Steigerung durch den eingegossenen Chip, als sie bereits mit konventionellen Kennzeichnungen erreicht wird. Der wesentliche Effekt liegt in der Funktionsintegration und der besseren Qualitätssicherung, der lückenlosen individuellen Bauteilverfolgung bis hin zum Einsatz im Gesamtsystem. Insbesondere bei der Qualitätssicherung ergeben sich völlig neue Möglichkeiten, indem prozess-, kunden- oder qualitätsbezogene Daten direkt mit dem Gussteil gespeichert oder über den Code verknüpft und abgelegt werden können. Damit bietet die Integration der Transponder, bei uns „Casttronics“ genannt, einen maximalen Plagiatschutz und eine große Breite an zusätzlichen Funktionen für die Kunden – etwa hinsichtlich der Bauteillogistik, des Systemzusammenbaus und des Services. Damit lassen sich beim Kunden zusätzliche Mehrwerte bis hin zu neuen Geschäftsmodellen generieren.

Derzeit gibt es in der Branche einen Trend hin zur Gießerei 4.0, wie passen die eingegossenen RFID-Chips in eine Strategie zum Aufbau einer „intelligenten“ Gießerei?
Pille: Das Eingießen von RFID-Transpondern hat im Kern zunächst eine andere Stoßrichtung als das, was bisher typischerweise unter der Überschrift „Gießerei 4.0“ diskutiert wird. Dabei geht es ja meist um die Durchgängigkeit und Vernetzung der einzelnen Prozesse. Wir zielen mit dem Eingießen von RFID-Chips aber vor allem auf eine eindeutige Kennzeichnung einzelner Bauteile innerhalb einer Serie ab – und damit auf eine genaue Rückverfolgbarkeit sowie ein durchgehendes Tracking & Tracing in der Intralogistik. Das Gussteil mit integriertem Chip verstehen wir somit eher als „Enabler“, um Industrie 4.0-Konzepte überhaupt in der eigenen Gussteilproduktion umsetzen zu können und eine Schnittstelle zwischen dem Gussteil und der Prozesssteuerung zu realisieren. Die Gussteile werden zwar noch nicht ‚sprechen können‘, aber zumindest ein Stück weit mehr Intelligenz erhalten. Insbesondere wenn wir zukünftig die integrierte Sensorik mit in solche Konzepte einbinden, die uns über den Zustand der Gussteile informieren. Zum Beispiel, um während einer Wärmebehandlung den Verlauf zu protokollieren und sich von allein zu melden und den Prozess zu beenden, wenn gewünschte Werte erreicht sind.

Sie haben das Verfahren im Rahmen des Projekts MUSIC entwickelt. Was hat es damit auf sich? Und gab es weitere Projektpartner?
Pille: Das Akronym „MUSIC” steht für „MUlti-layers control & cognitive System to drive metal and plastic production line for Injected Components”. Verständlich beschrieben geht es darum, für die Prozesse Aluminiumdruckgießen und Kunststoffspritzgießen eine autonome Inline-Qualitätsprüfung zu erreichen und somit nicht nur die produzierte Gussteilqualität vorhersagen zu können, sondern mithilfe kognitiver Berechnungen sowie umfangreicher Anlagensensorik die Druckgießmaschine dazu zu befähigen, Gussfehler autonom auszuwerten und zu beurteilen, die erforderlichen Stellschrauben im Prozess zu erkennen und eine Neuparametrierung vorzunehmen, um Gussfehler zu reduzieren bzw. vollständig zu eliminieren. An dem Projekt, das 2016 beendet wurde, waren insgesamt 16 Partner aus verschiedenen EU-Ländern beteiligt, unter anderem auch die Gießerei-Kollegen der Hochschule Aalen, die Gussteilhersteller Audi und RDS, die Anlagenhersteller Frech und RegloPlas, die Sensorikausrüster Electronics und Motul sowie der Simulationspartner MAGMA.

Für welche Gießereien eignet sich das Casttronic-Verfahren, also das Eingießen von RFID-Chips?
Pille: Eignen wird sich das Verfahren im Grunde für jede Gießerei, die die Vorteile der RFID-Technologie für sich nutzen möchte und wo es vom Kunden als Mehrwert des Produktes gefordert wird. Wirtschaftlich rentieren wird sich das Verfahren voraussichtlich für diejenigen Gussteile, die an sich bereits eine hohe Wertschöpfung aufweisen und bei denen die individuelle Kennzeichnung sowie die Möglichkeit zur Daten-/Informationsablage direkt auf dem Gussteil zu einem weiteren Mehrwert führen. Wir hatten jedoch auch bereits Partner, bei denen die Auftraggeber die RFID-Technolgie bereits von sich aus eingefordert und auch die Mehrkosten anteilig getragen haben.

Sind neben der Einführung der Casttronics-Technologie noch umfangreiche Anlagenanpassungen in Gießereien nötig, um das volle Potenzial eingegossener RFID-Chips zu nutzen?
Pille: Nein, die Installation der Lese-/Schreibsysteme und der zugehörigen Antennen ist recht einfach. Natürlich muss das Gießwerkzeug angepasst werden, damit ein Bereich entsteht, in den die Schutzkapsel für den Gießvorgang eingesteckt werden kann. Idealerweise ist dies ein einfacher Wechseleinsatz. Am aufwendigsten wird dabei dann wohl die Handlingeinheit sein, eine Art Roboter, der die Transponderkapsel greift und in das Werkzeug fährt, um sie dort einzustecken. Zuletzt haben wir dies gelöst, indem wir eine spezielle Handlingeinheit direkt auf dem Arm des Trennmittelroboters befestigt haben. Somit konnten wir den bestehenden Trennmittelroboter doppelt nutzen.

Ist schon absehbar, welche Investitionen auf Gießereien zukommen könnten, um das Verfahren einzuführen?
Wöstmann: Der Investitionsaufwand ist gegenüber den konventionellen Verfahren Barcode und DMC deutlich geringer. Denn bei RFID sind Lese- und Schreibgeräte zumeist eine Einheit, die im Idealfall auch gleich mehrere Antennen und somit mehrere Stationen gleichzeitig bedienen kann. Und die technische Ausrüstung an Lese-/Schreibeinheiten und Antennen ist gegenüber den Nadel- oder Lasergraviersystemen i.d.R. nicht nur günstiger, sondern auch robuster und langlebiger im Umfeld einer Gießerei. Weiterer Invest entsteht für das Handling-System, um den RFID-Chip ins Gießwerkzeug zu befördern und dort zu positionieren. Hier ist evtl. eine direkte Kombination mit dem Trennmittelsprühgerät denkbar. Zu prüfen sind jedoch die Kosten auf Einzelproduktebene, da jede einzelne Codierung einen Transponder und Material für eine Schutzkapsel erfordert. Beide zusammen dominieren den Preis der Kennzeichnung pro Produkt und sind individuell je nach Transpondertyp und der Masse/Geometrie der Schutzkapsel zu bestimmen. Das Einsetzen selbst ist dann – ein passendes Handlinggerät vorausgesetzt – jedoch nahezu kostenneutral, sofern die Taktzeit beibehalten wird.

www.ifam.fraunhofer.de