Digitalisierung im Anlagenbau Digitaler Zwilling unterstützt prädiktive Wartung

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Magnesiumlegierungen werden in Schmelzöfen verarbeitet, in denen extreme Hitze und große Temperaturschwankungen herrschen. Versagt der sogenannte Tiegel, steht die gesamte Gusszelle still. Rauch Furnace Technology hat dieses Risiko drastisch gesenkt, indem ein digitaler Zwilling den Tiegelzustand detailliert überwacht.

Was verbindet Wasserkraft und Gießereitechnik? Es sind traditionsreiche Branchen, bei denen große Kräfte wirken. Sie gelten zudem als konservativ und werden bei Themen wie der digitalen Transformation gerne unterschätzt. Zu Unrecht allerdings, denn beispielsweise Verbund, der Betreiber großer österreichischer Wasserkraftwerke, sichert bereits seit Jahren die Einsatzbereitschaft seiner Anlagen digital ab.

Dazu versorgen reale Sensoren die Zustandsüberwachung kritischer Bauteile mit aktuellen Lastdaten. Virtuelle Sensoren an kritischen Stellen erlauben zudem die Auswertung der auftretenden Belastung und die Bewertung des Verschleißes. Werden definierte Grenzwerte erreicht, die einen Ausfall ankündigen, können sich die Techniker ohne Zeitverzögerung um Wartung oder Austausch kümmern.

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Digitale Zwillinge haben mehrere Väter

Die Vorstellung des Verbundprojekts auf der Cadfem Conference in Linz 2019 inspirierte Florian Sipek, als Physiker tätig beim österreichischen Spezialisten für Schmelztechnik Rauch-FT, so sehr, dass er die „lessons Learned“ auf die eigenen Lösungen übertrug. Dabei gilt es zu bedenken, dass es Schmelzöfen in sich haben: Wenn darin Metalle geschmolzen, recycelt und auflegiert werden, herrschen Temperaturen bis zu 2.000 Grad Celsius, Gasströme erreichen Geschwindigkeiten bis 1.000 km/h und Belastungswechsel sind die Regel.

Mehr Ausfallsicherheit der Schmelzanlagen ist für die Betreiber von hoher Bedeutung. Denn steht eine Anlage plötzlich still, drohen neben den Schäden am Ofen empfindliche Produktionsverzögerungen oder -ausfälle. Schlimmstenfalls kommt es zur Gefährdung der Mitarbeitenden.

Daher entstand die Idee, mit digitalen Zwillingen derartige Gefahren erheblich zu reduzieren, indem die Probleme frühzeitig sichtbar gemacht werden. Darüber hinaus will Rauch-FT den Kunden im laufenden Betrieb wertvolle Erkenntnisse liefern, das heißt, sie auf Wartungs- oder Reinigungsbedarfe hinweisen.

Download des Vortrags von der Cadfem Conference in Linz

Daten und Simulationswissen perfekt orchestriert

In der Gießereitechnik gab es bisher noch keine vergleichbaren Ansätze. Rauch-FT ist die Herausforderung – wie bereits der Impulsgeber Verbund – mit Itficient und Cadfem angegangen: Itficient für Datenmanagement, Geschäftsmodell- und IT-Architektur verantwortlich zeichnend, Cadfem für die Simulation – von der Strömung über verschiedene transiente und nichtlineare strukturmechanische Anwendungen und Sensitivitätsstudien bis hin zu Systemsimulationen inklusive Zustandsbewertung. Rauch-FT war somit gut gerüstet für den digitalen Zwilling.

Zum einen werden bereits viele Anlagen und Komponenten simuliert. Meist ging es dabei um Strömungsmechanik, wobei das Spektrum von transienten Abkühl- und Aufheizprozessen über Vorgänge in Dosier- oder Strömungspumpen bis hin zu chemischen Reaktionen reichte. Zum anderen ist neben einer leistungsfähigen IT-Infrastruktur über die Fernwartung bereits ein großer Datenpool vorhanden. Dessen Auswertung lieferte wertvolle Erkenntnisse zum Betrieb der Öfen.

Wie lange hält der Tiegel?

Das ideale Bauteil für die erste praktische Umsetzung ist der Tiegel. Die Schweißkonstruktion aus Stahl ist hoch belastet: „2.000 Grad Celsius heißes Rauchgas außen, korrosives Schutzgas und hydrostatischer Druck von bis zu 4 t schwerer Schmelze innen“, erklärt Florian Sipek. „Hinzu kommen extreme Temperaturgradienten, die Strahlungsleistung der Flamme und hohe Geschwindigkeiten bei einer inhomogen verteilten Strahlungsenergie.“ Versagt der Tiegel, steht das System still.

Die Wartung basiert üblicherweise auf Erfahrungswerten, was funktionieren kann – in einer idealen Welt. Sobald aber Unregelmäßigkeiten in den Prozessen oder bei der Handhabung auftreten, droht ein Versagen und damit Folgeschäden. „Genau dann zeigt sich der Mehrwert der prädiktiven Wartung“, fasst Florian Sipek zusammen.

Einflüsse der Segregation

Der Ansatz der digitalen Zustandsüberwachung des Tiegels basiert auf einem Zusammenspiel aus realen Messwerten und virtueller Sensorik. Durch die in der Schmelze auftretende Segregation (Absetzung bestimmter chemischer Verbindungen) bildet sich ein „Sumpf“ am Tiegelboden. Er führt lokal zu einer Änderung der Strömungsbedingungen und der Materialparameter Wärmeleitung und Wärmekapazität, was den Wärmetransport am Tiegelboden vom Ofenraum zur Schmelze stört. In Verbindung mit der inhomogenen Temperaturverteilung an der Außenwand entstehen hohe Spannungen im Tiegel.

Die Sumpfmenge ist demnach eine wichtige Kenngröße für eine korrekte Aussage zur Echtzeitbelastung des Tiegels und damit auch für die Verlässlichkeit der prädiktiven Wartung. Aufgrund der Umgebungsbedingungen im Tiegel und im Ofen ist die Nutzung realer Sensorik für die Temperaturmessung kaum möglich. Daher sah das Konzept von Cadfem virtuelle Sensoren für die Simulationen vor. Zusammen mit einer aus den Temperaturen berechneten Sumpfmenge und den Prozessparametern kann so mit wenigen Messstellen und Eingangsgrößen auf eine lokale Belastung am Tiegel geschlossen werden.

Für die Vorhersage der verbleibenden Standzeit des Tiegels ist die präzise Modellierung der Temperaturverteilung im Ofenraum durch Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) und der Spannungen an den Schweißnähten (Strukturmechanik, FEM) essenziell. CFD-seitig wird für eine korrekte Vorhersage der Flammentemperatur, der Wärmestrahlung und des Impulseintrags eine Verbrennungssimulation des Brenners und des Ofenraums durchgeführt. Auf Basis der CFD-Ergebnisse werden eine Temperaturfeld- und eine Spannungsanalyse durchgeführt, mit der Schmelze als variabler Wärmesenke, um das Aufschmelzen eingeworfener Barren abzubilden.

IT-Integration und digitaler Zwilling

Der digitale Zwilling muss die individuellen Voraussetzungen beim Endkunden widerspiegeln – bei den abzubildenden Prozessen genauso wie bei der genutzten IT-Infrastruktur. Ein Konzept zur IT-Integration ist daher ein wichtiger Baustein bei der Umsetzung. Hier geht es um die Verarbeitung der Sensordaten, den Betrieb des digitalen Zwillings, Security- und Netzwerk-Themen. Itficient konnte auf einen Datenpool und einer IoT-Plattform aufsetzen. Die notwendigen Microservices – Entgegennahme der Sensor- und Maschinendaten, Berechnung der virtuellen Sensoren, Modelle und Prozesse, Datenhaltung und -auswertung sowie Visualisierung von Ergebnissen – wurden derart integriert, dass IT-Ressourcen optimal ausgeschöpft wurden, keine IT-Insellösungen entstanden und Rauch-FT die volle Kontrolle über alle Vorgänge in der Hand behalten hat, sodass es das System eigenständig weiterentwickeln kann.

Ein leistungsfähiger digitaler Zwilling umfasst zwei wesentliche Aspekte: akkurate Simulationen und eine zuverlässige IT-Infrastruktur. Erfolgreich wird das Projekt dann, wenn beide Aspekte ineinandergreifen. Dies ist bei Rauch-FT auch deshalb gelungen, weil mit Cadfem und Itficient zwei Partner eingebunden wurden, die in ihren jeweiligen Bereichen viel Erfahrung mitbringen. Gleichzeitig stehen sie untereinander in engem Austausch, sind sie doch beide als Teil der Cadfem Group auch organisatorisch miteinander verbunden.

Der Dritte im Bunde ist Rauch-FT, unterstützt von seinem Pilotkunden Georg Fischer Casting Solutions, der mit dem digital überwachten Schmelzofen mehr Arbeitssicherheit für die Mitarbeitenden erreicht. Fundiertes Produktwissen, Offenheit für Neues, viel Kommunikation, eine klare Vorstellung, was erreicht werden soll und die Einbindung aller Unternehmensbereiche in das Projekt waren der Schlüssel zum Erfolg. Vorhandene Kompetenzen wurden integriert, manche Aufgaben kooperativ durchgeführt, andere wiederum als reine Dienstleistung nach außen gegeben – immer im Sinne eines kompletten Wissenstranfers.

Erworbene Fähigkeiten zum digitalen Zwilling hochskalieren

Denn der Tiegel war nur der Startpunkt – Rauch-FT will die erworbenen Fähigkeiten zu Planung, Aufbau und Management eines digitalen Zwillings hochskalieren und künftig alle relevanten Bauteile wie Dosierpumpen, Beheizungssysteme oder Umwälzpumpen und ganze Anlagen mit digitalen Lösungen zur prädiktiven Wartung zur Verfügung stellen.

Diese Vision endet nicht bei den eigenen Produkten. Eine typische Druckgusszelle besteht ja nicht nur aus dem Schmelzofen, sondern aus weiteren Komponenten verschiedener Hersteller. Seien es Roboter, Pressen, Heiz-/Kühlgeräte oder die Druckgussmaschine selbst – in der Gießerei hat beinahe jedes Bauteil Potenzial für den digitalen Zwilling.

* Alexander Kunz ist Redakteur bei Cadfem Germany, Florian Sipek ist Head of R&D Department bei der Rauch Furnace Technology GmbH

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