CaproPULL

Entwicklung von Anlagen- und Werkzeugtechnik mit Prozessdatenanaylse für die Pultrusion von nachhaltigen, rezyklierbaren Leichtbaustrukturen.

Projektübersicht

Zur Herstellung kontinuierlich faserverstärkter thermoplastischer Profile wird im Projekt CaproPULL ein Fertigungsprozess mit zugehöriger Anlagen- und Werkzeugtechnik sowie leistungsfähiger Prozessdatenanalyse entwickelt. Die auf diese Weise hergestellten Profile sollen im Vergleich zum Stand der Technik qualitativ hochwertiger und gleichzeitig recyclingfähig sein. Sie erschließen damit das Potential, um energie- und ressourcensparende Bauteile für viele Anwendungen herzustellen. Das Konsortium bildet die Bauer Systeme GmbH für die Anlagentechnik, die Alfred Härer GmbH für die Werkzeugtechnik, die Selfbits GmbH zur Produktionsdatenerfassung und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT für die Prozessentwicklung und die Projektleitung.

Projektlaufzeit

November 2021 – Oktober 2023

Gefördert durch:

Motivation

Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz sind neben den Kosten die wesentlichen Treiber für die Wettbewerbsfähigkeit neuer Produkte. Für die Reduktion umweltschädigender Emissionen sind neue Werkstoffe und Verfahren notwendig, um Bauteilgewicht einzusparen und eine geschlossene Kreislaufführung zu ermöglichen. Großes Potential zur Lösung dieser Herausforderungen haben leistungsfähige, kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix aus Polyamid 6. Ein neuartiges Verfahren, solche Hochleistungsverbunde herzustellen, bietet die »in-situ-Pultrusion« (Pultrusion = Strangziehverfahren) mit dem Monomer ε-Caprolactam. Das niederviskose Monomer ε-Caprolactam bietet entscheidende Vorteile gegenüber vergleichbaren Matrixsystemen und polymerisiert bei der Verarbeitung zu Polyamid 6. Somit lassen sich mit diesem kontinuierlichen Verfahren leistungsfähige Profile auf Basis eines kreislauffähigen thermoplastischen Materials kosteneffizient und hochproduktiv herstellen.

Projektziel & Vorgehen

Ziel des Forschungsprojekts CaproPULL ist es, für das in-situ- Pultrusionsverfahren eine geeignete sensorgestützte Anlagen- und Werkzeugtechnik mit Prozessdatenanalyse für eine prozesssichere Verarbeitung des Monomers ε-Caprolactam zu entwickeln. Damit können thermoplastische endlosfaserverstärkte Profile robust und zuverlässig hergestellt werden, die den derzeit Stand der Technik bildenden duromeren Profilen in Qualität und Eigenschaften mindestens ebenbürtig sind. Durch die hinzu gewonnene Recyclingfähigkeit dieser Profile und der erwarteten Wirtschaftlichkeit des neuen Materials und Prozesses wird ein deutlicher Wettbewerbsvorteil gegenüber dem Stand der Technik erwartet. Pultrudierte Profile haben ein großes Anwendungsspektrum, z.B. in der Fahrzeugindustrie, als Trägersysteme bei erneuerbaren Energien, im Bausektor bis hin zur chemischen Industrie. Mit Unterstützung assoziierter Partner sollen die Projektergebnisse auch in diese Branchen transferiert werden.

Innovation & Perspektiven

Die Innovation im Vorhaben CaproPULL besteht vor allem aus der prozesssicheren Verarbeitung und den damit verbundenen Anforderungen. Durch die niedrige, wasserähnliche Viskosität des ε-Caprolactams und der zwingend erforderlichen Vermeidung von Feuchtigkeitskontakt bei der Verarbeitung ergeben sich Herausforderungen hinsichtlich der Verarbeitungsanlage, der Werkzeugtechnik und der Datenverwertung. Die Innovation des Projektes liegt damit in einem stabilen und großserienfähigen Prozess. Gestützt wird der Pultrusionsprozess durch Datenerfassung, -management und -verwertung, was die Integration in die digitalisierte Produktion der Zukunft erleichtert und eine Verbesserung und Nachverfolgung der Qualität der hergestellten Profile sicherstellt.

Projektbeitrag Selfbits

Die Selfbits GmbH bietet maßgeschneiderte MES Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette die den aktuellen Zustand von Produkten und Produktionsmitteln erheben. Mittels Echtzeitdaten können Produktqualität gesteigert und Durchlaufzeiten in der Produktion verkürzt werden. Damit bringt Selfbits für das Projekt umfassendes Wissen der Datenakquise, -verarbeitung und -analyse mit. Die Selfbits GmbH übernimmt im Forschungsprojekt CaproPULL die Erfassung von Produktionsdaten und deren Verarbeitung mithilfe geeigneter Analysealgorithmen.

Durch eine datenbasierte Steuerung und Auswertung können Fertigungsprozesse genau analysiert, Optimierungspotentiale aufgedeckt und im Sinne des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses Produktivitätssteigerungen realisiert werden. Diese Kompetenzen sind für die in-situ-Pultrusion besonders entscheidend, da die Qualität der hergestellten Profile unter anderem durch wechselnde Umgebungsbedingungen variieren kann. Eine datenbasierte Prozesssteuerung mit entsprechenden Handlungsempfehlungen soll die Qualitätsanforderungen an die Profile sichern.

Im ersten Schritt soll daher die Entwicklung einer digitalisierten Parametererfassung für die kontinuierliche Fertigung nachhaltiger Profilstrukturen derart flexibel gestaltet werden, dass die unterschiedlichen Komponenten der Fertigungslinie adaptiv und standardisiert hinsichtlich der Datenerfassung in einem zentralen Datenerfassungssystem zusammengeführt werden können. Die Einzelkomponenten sind

insbesondere die Pultrusionsanlage selbst,
ein darauf installiertes, formgebendes Werkzeug,
ein Misch- und Dosieranlage sowie
weitere Komponenten (Vortrocknungseinheit für die Verstärkungsfasern, Erfassung der Umgebungsbedingungen, etc.).

Eine zukünftige Erweiterung der Datenerfassung durch zusätzliche Anlagenmodule wird außerdem berücksichtigt (beispielsweise eine vollintegrierte zerstörungsfreie Online-Qualitätserfassung).

Aufbauend auf der Anlagentechnik definiert und implementiert Selfbits die Datenschnittstelle und -verarbeitung im Projekt. Große Datenmengen werden zunächst auf Plausibilität geprüft und vorverarbeitet, um die Bandbreite für den Transfer in eine Cloud-Datenbank zu reduzieren. Nach dem Transfer in ein Data-Warehouse werden die Prozessdaten analysiert und mittels statistischer Verfahren verarbeitet. Der Einsatz von KI-Methoden zur Datenauswertung wird im Falle großer Datenmengen evaluiert. Die Ergebnisse der Datenverarbeitung werden über ein Web-GUI in Form von Handlungsempfehlungen an die Produktionslinie zurückgegeben. Diese unterstützen den Anlagenführer bei der Qualitätssicherung und Optimierung der Prozessparameter.

Projektkonsortorium CaproPULL

Das Fraunhofer ICT untersucht seit Anfang der 2000er in mehreren Projekten die reaktive Verarbeitung von ε-Caprolactam. Die Forschungseinrichtung bringt langjährige Erfahrung bei der Koordination von nationalen und internationalen Verbundprojekten ein.

Die Selfbits GmbH ist ein Spin-off des KIT, das digitale Lösungen im Bereich Industrie 4.0 und IIoT für mittelständische Industrieunternehmen entwickelt. Damit bringt Selfbits für das Projekt umfassendes Wissen der Datenakquise, -verarbeitung und -analyse mit.

Die Firma Bauer Systeme GmbH bringt als mittelständischer Systemanbieter mit langjähriger Erfahrungen im Steuerungsbau, in Mess- und Regeltechnik sowie in der Prozesstechnik die benötigten Kompetenzen ein, eine Misch- und Dosieranlage für die in-situ-Pultrusion zu realisieren.

Die Firma Alfred Härer GmbH besitzt über 50 Jahre Expertise im Bereich der Entwicklung, Fertigung und Reparatur von Druck- und Spritzgießformen. Sie kann für die Entwicklung und Herstellung der Werkzeugtechnik für duromere Matrixsysteme auf breite Erfahrungen zurückgreifen.