Fachartikel

26.03.2021
erschienen in GIESSEREI Heft 4|2021

Digitale Gießerei - Wunschdenken oder Zukunftsmodell?

Die Vernetzung der Anlagen in Gießereien steigt kontinuierlich. Eine autonome Fertigung ist allerdings nicht Ziel der anwendungsbezogenen Wissenschaft. Am Ende sollte immer noch der Mensch entscheiden, ob er an einer Schraube dreht, betont Prof. Dierk Hartmann von der HS Kempten (Foto: Fotolia).

Die digitale Transformation begeistert die Gießereibranche. Neue technische Lösungen versprechen Optimierungen der Gießereiprozesse und Wettbewerbsvorteile. Doch inwieweit haben digitale Produktionstechnologien inzwischen die Werkshallen deutscher Gießereien erobert und wie schätzt die Wissenschaft deren Potenziale ein? Eine Standortanalyse.

VON ROBERT PITEREK, DÜSSELDORF

Fällt das Wörtchen Digitalisierung, ist das Interesse in der Gießerei-Industrie groß wie nie. Die Vernetzung der Anlagentechnik, die Datenerhebung und die damit verbundenen Chancen elektrisieren seit nunmehr einem Jahrzehnt immer weitere Kreise der Branche. Die digitale Transformation gilt dabei als Zauberformel für eine Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit durch optimierte, schlanke Prozesse, deren Kosten etwa bei Energie und Ressourcen, CO2-Ausstoß, Wartung, Einkauf und Qualitätssicherung mittels digitaler Methoden massiv reduziert werden können.

Soweit die Theorie – doch wie weit ist die Gießerei-Industrie mit dem Zukunftsprojekt bisher vorangekommen? Bemühen wir zunächst die Zahlen, bevor wir einen Blick in den Betriebsalltag deutscher Gießereien werfen.

Mittelstand steht am Anfang

Dr. Kai Kerber, Leiter Smart Foundry Solutions von Oskar Frech, zeigte kürzlich auf einem Workshop des Bundeswirtschaftsministeriums über Zukunftstechnologien von Zulieferern anhand von Umfragedaten aus dem Mittelstand, dass die Unternehmen noch am Anfang eines langen Weges stehen.

Auf einer Skala von 1 bis 6, die von 1 - Computerisierung und 2 - Konnektivität über 3 - Sichtbarkeit und 4 - Transparenz bis zu 5 - Prognosefähigkeit und 6 - Adaptierbarkeit reicht, mühen sich fast zwei Drittel der Firmen noch mit den ersten beiden Digitalisierungsschritten ab. Interessant wird es eigentlich erst ab Schritt 3, wenn der Produktionsprozess durch die Datenanalyse eine gewisse Sichtbarkeit erhält – immerhin jedes fünfte mittelständische Unternehmen ist bereits so weit. In Schritt 4 kommt dann ein umfassendes Prozessverständnis durch Digitalisierung hinzu. Den Datenschatz heben können Unternehmen ab Schritt 5, wenn Fehler vorhergesagt und verhindert werden können, bevor sie auftreten. Mit Schritt 6 sind selbstoptimierende Systeme gemeint, die schlussendlich eine autonome Fertigung in Gießereien ermöglichen könnten.

„Mannlose“, autonome Prozesse erscheinen zum einen aus Kostengründen verlockend, bereiten andererseits aber auch Unbehagen: „Das Ziel ist, schnellere und bessere Entscheidungen zu treffen und nicht eine autonome Fertigung in der Gießerei zu etablieren“, betont Prof. Dierk Hartmann von der Hochschule Kempten, einer der Forschungspioniere der Digitalisierung in Gießereien. Er steht klar auf dem Standpunkt, dass am Ende immer noch ein Mensch entscheiden sollte, „ob er an einer Schraube dreht“. Eine Überzeugung, die er in einem Interview zum Stand von Forschung und Entwicklung bei der Digitalisierung vertritt, welches in der kommenden Ausgabe der GIESSEREI Special im Mai erscheint.

Gleichwohl sind in der Branche erste Anwendungen dieser Art seit einiger Zeit im Einsatz, zum Beispiel mannlose Transportsysteme in der Smart Foundry in Hasloch, ein virtueller Assistent in den neuesten Druckgießanlagen von Oskar Frech, der autonom Fertigungskorrekturen bei Toleranzabweichungen durchführt (mehr hierzu in unserem Bericht über eine Expertenrunde zu Künstlicher Intelligenz in Gießereien ab S. 20) oder per ERP-System „chaotisch“ organisierte Lager. Das sind allerdings nur Einzelaspekte. Einen Algorithmus, der eine Produktion selbstständig führt, gibt es (noch) nicht. Was es gibt, sind beachtliche Entwicklungen in der Branche, die zeigen, dass die Gießerei-Industrie den Weg in Richtung Digitalisierung mitgeht und bereits davon profitiert.

Die digitale Administration

So ist die automatisierte Administration ein früher Digitalisierungsschritt mit großen Auswirkungen. Christen Guss im schweizerischen Bergdietikon ist den Schritt schon vor mehreren Jahren gegangen: Rechnungen werden eingescannt, mit Kundendaten verglichen und automatisch verbucht. Die Buchhaltungskosten sanken in kurzer Zeit um 50 Prozent, zugleich sind nun Bilanz-Erfolgsrechnungen in Realtime möglich, die den Überblick über das Geschäftsgeschehen massiv verbessern und von Elon Musk-Fan Florian Christen regelmäßig zurate gezogen werden. „Wir wollen agieren, nicht reagieren“, sagt der Unternehmer. Die Digitalisierung steht bei Christen deshalb hoch im Kurs (die GIESSEREI berichtete in Ausgabe 7-2017).

Die automatisierte Administration wirkt bis in den Einkauf hinein. Bei Karl Casper Guss in Remchingen ist mithilfe von Sonden die Verbrauchsentwicklung von Harz und Sand schon so transparent, dass die Bestellungen von Hilfs- und Betriebsstoffen nun weitgehend automatisiert sind. Transparent im Minutentakt ist auch die Auftragslage für den Kunden. Sendet er darüber hinaus regelmäßige Liefervorschauen, erhält er seine Gussteile schon einen Tag nach der eigentlichen Bestellung.

Getüftelt wird auch an Online-Preisermittlungen, etwa von Florian Christen, der Kunden und Interessenten eines Tages im Anschluss an das Hochladen ihrer CAD-Daten automatisch eine Preisvorstellung bieten möchte. Bei einer cloudbasierten Rohstoffhandelsplattform, die die Professoren Hartmann und Gottschling u. a. gemeinsam mit Lohmann Guss entwickeln, funktioniert etwas ähnliches schon: mit einem sogenannten Simplex-Algorithmus wird das kostengünstigste Angebot angezeigt. Administrative Optimierungen hat es inzwischen bei weit über zwei Dritteln der mittelständischen Unternehmen gegeben, zeigen Kerbers Zahlen.

Prozessoptimierung

Die Optimierung von Produktionsprozessen mittels digitaler Methoden kann viele Ausprägungen haben und Prozesse über den ganzen Fertigungszyklus hinweg betreffen. Beim Armaturengießer Düker in Laufach wurde 2018 mit JOKS-Gatt eine neue Prozessleittechnik eingeführt, die das Gattieren massiv vereinfacht und so zu Energie- und Ressourceneinsparungen geführt hat. Kontrolliert wird die Technik vom Leitstand des Magnetkrans aus. Zunächst wird ein Rezept eingegeben. Anschließend fährt der Magnetkran von Metallschacht zu Metallschacht, greift die angegebene Menge an Schrott oder Masseln und entleert sie dann in der Vibrationsrinne.

Dabei wird die erforderliche Gattierungsmenge wie bei einem Videospiel heruntergezählt. Der Kranführer hat den Gattierungsprozess also rund um die Uhr unter Kontrolle. Die Qualitätssicherung erfolgt mit einem an JOKS-Gatt angeschlossenen Funkenspektrometer. Die 100 000 Euro-Investitionssumme wurde von der Technischen Geschäftsführung damals nicht nur getätigt, um das Gattieren zu optimieren, sondern galt mit der Vielzahl von verknüpften Prozessparametern auch als wichtiger Schritt auf dem Weg zur Digitalisierung. Sie steht damit im Einklang mit der modernen Forschung: „Wir wollen für alle Belange in Gießereien oder der Prozessindustrie auf Basis von Daten optimierte Prozesse steuern und die Informationen dafür ermitteln, wie man Optimierung erreichen kann“, definiert Prof. Johannes Gottschling die Ziele der anwendungsbezogenen Wissenschaft. Prof. Gottschling hat gemeinsam mit Prof. Hartmann die Digitalisierungsforschung in der Branche entscheidend mitgestaltet und wird im gleichen Interview wie Prof. Hartmann im nächsten GIESSEREI Special zu Wort kommen. Er unterrichtet Mathematik für Ingenieure an der Universität Duisburg-Essen.

Ein weiteres Beispiel für einen digital optimierten Prozess ist etwa der Qualimaster AT1 von Eirich, der die Sandaufbereitung optimiert und als Teil der neuen Formanlage HWS III-Hybrid bei Ohm & Häner in Olpe zum Einsatz kommt. Das Gerät misst im Anschluss an den Mischer Charge für Charge die Gasdurchlässigkeit, den Spring-Back und die Verformbarkeit des Sands. Mit den kontinuierlich erhobenen Daten wird die Qualität des Sands verbessert und die Präzision von Form und Guss erhöht. Das hilft, engere Toleranzen zu erfüllen und die Nacharbeit deutlich zu verringern. Damit wird auch der Sandkreislauf in die digital überwachbare Prozesskette eingereiht und dient damit u. a. der Rückverfolgbarkeit von Gussteilen.

Vorausschauende Wartung

Eine Prozessoptimierung, die den Wartungsaufwand passgenau auf den erfolgten Verschleiß abstimmt, ist ebenfalls bei Düker in Laufach zu beobachten. Ihr Einsatz ist aber mittlerweile in den Schmelzbetrieben zahlreicher Gießereien gang und gäbe. Beim sogenannten OCP-System (Optical Coil Protection) von Otto Junker ermitteln zahlreiche Sensoren an den Öfen permanent Füllstand und Gewicht im Aggregat. Zugleich misst ein Lichtwellenleiter die Temperaturverteilung auf der Innenseite der Induktionsspule und beobachtet so den Ofenfutterverschleiß. Die visuelle Übersetzung am Bildschirm lässt so gut auf den Zustand des Feuerfestmaterials schließen. Die Neu-Zustellung erfolgt dann, wenn sie erforderlich ist. Das spart Kosten und erhöht zugleich die Sicherheit im Schmelzbetrieb.

Wartung mittels digitaler Methoden wird bei ABP Induction Systems mittlerweile auch ortsunabhängig durchgeführt, was besonders in Corona-Zeiten hilfreich ist. Servicetechniker können Techniker vor Ort mithilfe eines Headsets mit kleinem Videobildschirm und Kamera virtuell unterstützen. So können während der Wartung Schaltpläne eingespielt und Anweisungen gegeben werden. Damit ist die Technik ein Schritt in Richtung Augmented (Erweiterte) Reality, mit der schlussendlich jeder Handgriff bei der Wartung technisch unterstützt und mit wertvollen Zusatzinformationen angereichert werden kann.

Rückverfolgbarkeit und Fehlervermeidung

An der Rückverfolgbarkeit von Gussteilen arbeiten Gießereien schon länger. War sie zunächst eine Forderung der Automobilhersteller, um reproduzierbare Fertigungsschritte und hohe Qualität sicherzustellen, verbinden mit der Rückverfolgbarkeit, z. B. über RFID-Chips, viele Gießer mittlerweile auch die nahezu vollständige Durchdringung der einzelnen Prozessschritte und damit auch die Verringerung des Fehlerpotenzials. „Das Gussteil weiß am besten, was mit ihm passiert ist, wir müssen es zum Reden bringen“, bringt es Prof. Hartmann auf den Punkt.

Während es im Druckgießverfahren vergleichsweise einfach ist, ein Gussteil zu markieren, ist das beim Kernschießen und Sandgießen schon schwieriger. Im Projekt Castcode arbeitet Hartmann gemeinsam mit Franken Guss Kitzingen an der Markierung der Bauteile über die Form, indem eine Markierung in der Modellplatte eingebettet wird. Damit können dann aktuelle Daten der Schmelze, Formstoffdaten inklusive Maschinendaten (Formanlage, Kernschießmaschine) und z. B. die Abkühldaten abgerufen werden. Auch die Handformerei Karl Kasper Guss hat schon vor längerer Zeit RFID-Markierungen zur Formkastenverwaltung getestet.

In der Kernmacherei Inacore in bayerischen Ergoldsbach, die die BMW-Leichtmetallgießerei in Landshut mit anorganisch gebundenen Kernen beliefert, sind die RFID-Chips an den Stellagen angebracht. So kann man den Chargen Produktionsparameter zuordnen. Die Produktionszyklen sowie die damit verbundenen Daten sind per PC in Echtzeit abrufbar und können auch mit Altdaten abgeglichen werden. Inacore arbeitet mit der Universität Passau an einem System, um Fehler mithilfe des Datenschatzes eines Tages nicht mehr zuzulassen.

Datenqualität zählt

Dass allerdings viele Produktionsdaten automatisch gute Prognosen über die Qualität liefern, ist nicht selbstverständlich. „Ich kann einen Berg mit wenig Informationen haben oder 120 Datenzeilen mit hochbrisanten Informationen“, weiß Gottschling und Hartmann ergänzt: „Diese Datenstruktur im Unternehmen hinzubekommen ist das allererste, was stimmen muss, bevor Optimierungen möglich sind.“

Mit einem besonders kreativen Projekt hat Gottschling kürzlich unter Beweis gestellt, wie relevante Daten ermittelt werden können: Mit dem sogenannten Reibgenerator wird der Zustand des Formsands akustisch ermittelt und aus den Prognosedaten ein optimales Zeitfenster für die Sandregenerierung errechnet. Folge: ein besserer, energie- und ressourcenschonenderer Prozess. Mehr hierzu erfahren Sie in der GIESSEREI nach Abschluss des Projekts Ende 2021.

Zukunftssicherung durch Ausschussreduktion

Sehr viel Geld sparen kann eine Gießerei mit Ausschussreduktion. Die dänische Norican-Gruppe bietet Gießereien gemeinsam mit der südafrikanischen IT-Firma DataProphet neueste Systeme, die den Ausschuss in der Serienproduktion mittels autonomer Optimierung um bis zu 45 Prozent reduzieren sollen. In einer spanischen Gießereigruppe sowie der südafrikanischen Gießerei Atlantis ist die Technik bereits in Betrieb. In eine ähnliche Richtung geht das System des schwedischen Unternehmens pour-tech, das geringere Produktionskosten durch autonome Prozessoptimierung auf Basis von Laser- und Visualisierungstechnologien verspricht (siehe GIESSEREI 1-2021).

In Gießereien, in denen ein misslungener Abguss besonders teuer ist, z. B. in Walzengießereien, gibt es allerdings schon seit längerem IT-Systeme zur frühzeitigen Ausschussvermeidung. Computeralgorithmen ermitteln etwa bei Walze Irle in Netphen Liquidus- und Soliduswerte sowie Abstich- und Gießtemperatur per Probenkörper zur Vorbereitung auf den Abguss.

Das Rennen um die Zukunft der Branche im digitalen Zeitalter mit minimalem Ausschuss und höchster Prozesssicherheit ist also eröffnet. „Wenn wir alle Daten, alle Anfangsbedingungen und Naturgesetze kennen, können wir auch eine 100-prozentige Prognose abgeben“, antwortet Prof. Gottschling auf die Frage, wie genau die Prognosefunktion einmal sein könnte. Das dürfte zwar vorerst schwierig werden. Gießereien können aber in jedem Fall „flexibler, agiler, sicherer und robuster“ werden, wenn sie ihren Datenschatz richtig zu nutzen wissen, ist sich Prof. Hartmann sicher. Ein Vorteil für den Gießerei-Standort Deutschland, der genutzt werden sollte!