Durch Simulation zu mehr Performance

Wenn sich Produktionsanforderungen ändern und mehr Performance benötigt wird, werden Maschinen oft mit neuer Hardware ausgestattet. Das ist kostspielig, zeitaufwendig und – im Zeitalter von digitalen Zwillingen und virtueller Inbetriebnahme – unnötig. Niigon hat bewiesen, dass die richtige Kombination aus Automatisierungstechnik und Simulation mehr aus bestehenden Maschinen herausholen kann als gedacht – ganz ohne neue Hardware.

Die neue Spritzgießmaschine von Niigon hatte die Produktion eben erst aufgenommen, als der Maschinenbetreiber eine neue Anforderung stellte: Die Maschine sollte einen wesentlich höheren Durchsatz erzielen als ursprünglich geplant. In der bestehenden Konfiguration erzeugt die Maschine jedoch bei höheren Geschwindigkeiten unerwünschte Schwingungen beim Schließen der Form. Eine Möglichkeit dies zu vermeiden, wäre der Tausch der hydraulischen Komponenten durch servoelektrische Gegenstücke. Dieser Lösungsansatz würde jedoch enorme Kosten für neue Teile, Hunderte von Entwicklungsstunden und erhebliche Verluste durch einen Maschinenstillstand verursachen. Niigon entschied sich schließlich für eine virtuelle Maschineninbetriebnahme als Lösung für die Kundenanforderung.

Mit dem Ziel, die Performance der Spritzgießmaschine zu erhöhen, wandte sich Niigon an Maplesoft, einen führenden Anbieter für Simulationslösungen und virtuelle Inbetriebnahme. Zudem arbeitet das Modellierungs- und Simulationswerkzeug MapleSim von Maplesoft nahtlos mit der Entwicklungsumgebung Automation Studio von B&R zusammen.

Die Niigon-Ingenieure waren somit in der Lage, verschiedene Optimierungsstrategien an einem virtuellen Modell der Maschine zu testen – und zwar in ihrer gewohnten Entwicklungsumgebung und ohne Risiko, die Maschine zu beschädigen. Nachdem die Ingenieure die geeignete Strategie gefunden hatten, konnte die physische Maschine ganz einfach per Fernzugriff mit der neuen Software aktualisiert werden. Um so schnell wie möglich Ergebnisse zu erhalten, setzte Niigon dabei auf die Unterstützung der Experten von Maplesoft. Am Ende erwies sich die Entwicklung und Implementierung des simulationsbasierten Maschinen-Upgrades als spielend einfach.

Um die physische Maschine originalgetreu zu simulieren, wurden die Schlüsselkomponenten einschließlich der hydraulischen und mechanischen Systeme in der Multi-Domain-Umgebung MapleSim modelliert. Anhand der Betriebsdaten der physischen Maschine konnte Maplesoft ein dynamisches Modell erstellen, das das Verhalten der physischen Maschine einschließlich der problematischen Schwingungen exakt nachbildete. Mit diesem Modell – einem sogenannten digitalen Zwilling – ließen sich die Ursache der Schwingungen untersuchen und verschiedene Strategien zu deren Beseitigung simulieren.

Niigon konnte nun das Simulationsmodell nutzen, um einen neuen, optimierten Steuerungscode für die Maschine zu entwickeln. Da das Unternehmen Automation Studio von B&R für den Reglerentwurf verwendete, war es einfach, die MapleSim-Modelle für die virtuelle Inbetriebnahme zu importieren. Mit dem MapleSim Connector von B&R, der das MapleSim-Modell mit Automation Studio verbindet, erstellt Niigon einen digitalen Zwilling. Mit diesem lässt sich der Steuerungscode in Echtzeit simulieren.

Nach der Implementierung von zwei wichtigen Optimierungsstrategien reduzierten die Ingenieure von Niigon die Zykluszeit der Maschine um mehr als 25 % und beseitigten die Schwingungsprobleme während der Produktion. „Wir dachten anfangs, dass dies mit der Software allein nicht möglich sei“, erinnert sich Yongchuan Fan, der leitende Steuerungsdesigner des Projekts. „Als wir jedoch die Ergebnisse sahen, waren wir schnell vom Gegenteil überzeugt.“

Innerhalb weniger Monate entwickelte sich die Maschinensimulation von einer kaum beachteten Option zu einem wichtigen Werkzeug für zukünftige technische Entwicklungen bei Niigon. Marc Ricke, Steuerungstechniker und IT-Manager bei Niigon, ist von der zusätzlichen Performance, die die Simulation für die Produktlinie bringt, überzeugt: „Wir haben die Zykluszeit der Maschine um 25 % reduziert, und das zu weniger als einem Viertel der Kosten einer Hardwarelösung. Für mich besteht kein Zweifel: Ohne Simulation wäre dies nicht möglich gewesen.“

Bei zukünftigen Projekten mit virtueller Inbetriebnahme wird Niigon wieder auf Maplesoft für Beratung, Schulung und Software setzen. Auch B&R wird wieder eine zentrale Rolle bei der Automatisierung der nächsten Generation von Spritzgießmaschinen spielen. „Durch den hervorragenden Service von Maplesoft und dem einfachen Workflow zwischen MapleSim und Automation Studio können wir unseren Kunden Maschinen anbieten, die mit weniger teurer Hardware höhere Geschwindigkeiten erreichen“, sagt Ricke.

In Zukunft werden Simulation und digitale Zwillinge eine zentrale Rolle in der Entwicklung bei Niigon spielen. „Zu den Anfangszeiten der CAD-Modellierung gab es Unternehmen, die dachten, sie würden ohne diese Technologie auskommen. Heute steht ihre Notwendigkeit außer Frage“, bemerkt Ricke. „Ich bin davon überzeugt, dass Ingenieure in zwei Jahren genauso über Simulation denken werden.“