Projekt RoboFill 4.0 – Das Produkt steuert den Abfüllprozess

Shutterstock, 190290473, Brent Hofacker

Kann der Konsument künftig sein individuelles Getränk konzipieren? Das Projekt RoboFill 4.0 zeigt wo die Reise hingehen kann, wenn es um individualisierte Getränkeherstellung und -abfüllung geht. Das Projekt wird mit einem eigens für die Messe konzipierten Exponat auf dem Stand des VDMA in Halle B3 Stand 113 vorgestellt.

Zahlreiche Startups und Internet Angebote machen es vor: die gezielte Ausmischung von Produktkomponenten gemäß der Bestellung des einzelnen Konsumenten. Produkte, wie das individuelle Müsli, nach dem eigenen Geschmack kombinierte Marmelade oder individuell gestaltete Bierflaschen sind Beispiele. In Online Zutatenlisten kann der Verbraucher die gewünschten Zutaten kombinieren. Online Gestaltungstools unterstützen dann bei der Gestaltung eines eigenen Designs für das Produkt. Keine Vision, sondern schon Realität.

Die Zeichen sind eindeutig: Die Individualisierung von Produkten und die Entwicklung des Vertriebswegs Internet werden auch in der Getränke- und Lebensmittelindustrie bei der Entwicklung künftiger Technik berücksichtigt werden müssen.

Individualisierung sorgt für Paradigmenwechsel in der Getränkeabfüllung
Einzelne Aktivitäten in der Forschung von Maschinenbauunternehmen haben diesen Trend schon aufgegriffen. So stellte ein Hersteller von Etikettiermaschinen bereits 2013 einen Prototyp für den individuellen Direktdruck auf Getränkeflaschen vor. Mit Kleinchargen in Losgröße 1, einer hohen Variantenvielfalt bei der Verarbeitung von Behältern ohne mechanischen Umrüstaufwand und einer kurzen "Time to Market" zeigt der Digitaldruck auf Getränkeflaschen wie Individualisierung funktionieren könnte.

Ergänzend dazu können Robotik und Mechatronik gezielt einzelne Abläufe im Produktionsablauf flexibilisieren. Auf einer Produktionslinie können unterschiedliche Güter mit diesen Funktionen sicher gegriffen und transportiert werden, die Gestaltung des Materialflusses wird damit flexibilisiert und mechanische Umrüstungen sind weitgehend überflüssig. Zudem bietet die heute bestehende Vernetzung von Maschinen, Automatisierungskomponenten oder Werkstücken mit Diensten und Apps neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Produktionsabläufen.

Auf der Produktseite werden die komplette Wertschöpfungskette und die Rückverfolgbarkeit der Produkte bereits realisiert und durchgängig verfügbare Produktinformationen sind nutzbar.

Die Frage ist nun: Wie kann der Maschinenbau diese einzelnen Bausteine der Vernetzung miteinander kombinieren und die Produktionsszenarien umgestalten, um die Herausforderungen der Individualisierung umzusetzen?

Agenten steuern den Produktionsablauf
Cyber physische Produktionsnetzwerke führen die physisch vorhandenen Maschinen- und Produktionstechniken zusammen und eröffnen den Spielraum der virtuellen Welt. Vernetzte Maschinen und vernetzte Produktionsstätten sind längst Realität. Wie kann das Produkt in diese Vernetzung mit eingebunden werden? Dieser Frage stellt sich das Forschungsprojekt RoboFill 4.0. Ein Modellprojekt, das ein für die Abfüll- und Getränketechnik völlig neuartiges, flexibles und einfach um weitere Produktionsmodule erweiterbares Automatisierungskonzept zur industriellen Bereitstellung von kundenindividuellen Getränkeflaschen bzw. -gebinden entwickeln soll. Das von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderte Projekt besteht aus einem Zusammenschluss mehrerer Industrieunternehmen und Forschungsinstituten. Die wissenschaftliche und administrative Koordination erfolgt in kooperativer Zusammenarbeit der TUM durch den Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie (Projektleitung), dem Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik sowie dem Fraunhofer IWU (Projektgruppe IGCV) und mehreren Industriepartnern.

Kernpunkt des Projekts ist der Ansatz, die Produktionsprozesse nicht mehr durch eine übergeordnete Produktionsplanung zu steuern, sondern eine produktgesteuerte, individualisierte Getränkeproduktion zu erreichen. Die Produktionsaufträge der Kunden sollen dann als Steuerungsgröße der Produktion dienen. Eine Bestellung über ein Kundenportal würde in diesem System zunächst als digitales Abbild des Auftrags in der Datenbank abgelegt. Durch die Kommunikation dieses "digitalen Schattens" der Flasche werden alle im Produktionsprozess beteiligten Aggregate und ihre Verfügbarkeit für den Produktionsprozess abgefragt. Diese Konzeption basiert auf dem so genannten Agentensystem, wo jedes beteiligte Aggregat als Agent die eigene Kommunikation übernimmt und seine Verfügbarkeit meldet. So werden die einzelnen Aufgaben für den individuellen Auftrag zwischen den Aggregaten direkt abgestimmt und die Produktionssteuerung von den Aggregaten direkt übernommen.

 

 

Wir möchten mit diesem Projekt zeigen, dass sich das herzustellende Produkt selbstständig und intelligent durch den Produktionsvorgang steuert.

Was hat das Forschungsprojekt bisher erreicht?
Die Aufgabe im Forschungsprojekt ist es nun, ein Modell zu entwickeln, wie diese Produktionssteuerung durch das Produkt funktionieren könnte. Zunächst sind dafür standardisierte Kommunikationsschnittstellen erforderlich, die im Projekt gemäß den Vorgaben der OPC UA ausgeführt werden. Weiterhin werden standardisierte Kommunikationsparameter definiert, die eine selbständige Kommunikation zwischen den Komponenten – etwa dem Transportsystem – und dem Behälter bzw. dessen digitalem Schatten erlauben. Der derzeit erreichte Projektfortschritt wird als Exponat auf der drinktec 2017 in München vorgestellt. Das Exponat besteht aus dem XTS System der Firma Beckhoff Automation und einem Roboter der Firma YASKAWA Europe, welcher mit Greifern der Firma Zimmer GmbH ausgestattet ist. Ergänzt wird das Modell durch eine Simulation der virtuellen Inbetriebnahme. Hier wird zudem das neue Maschinenkonzept, beispielsweise mit der Einbindung des Direktdruckes der Firma Till in die Anlage, gezeigt.

Die bisher erarbeiteten Teilschritte befassen sich unter anderem mit dem Sortierproblem: Wie kann aufgrund der individuellen Merkmale jedes Auftrags schlüssig sortiert werden? Dazu sind zum Bespiel intelligente Greifmechanismen nötig, hierzu entwickelte die Firma Zimmer GmbH eigene Greifer. Zusätzlich wurde von der Firma Krones AG ein spezielles Füllventil zur Mischung von Bier und Limonaden entwickelt. Als weitere Frage im Projekt wurde bisher das Thema des Transports der einzelnen Produkte behandelt: Wie können die zugeordneten Merkmale des Produkts im Transport weiter verwaltet werden? Im Ergebnis des Projekts, das von 2015 bis 2018 terminiert ist, soll ein Modell zur flexiblen Produktionssteuerung durch das Produkt verfügbar sein. Damit sind sichere Konzepte für den Datenaustausch verknüpft, mit standardisierten Kommunikationsschnittstellen für die Maschinen und Dienste der Getränkeindustrie 4.0, die letztlich den Schritt hin zur flexiblen Abfüllung und individuellen Behälterausstattung ermöglichen. Projektpartner Dr.-Ing. Tobias Voigt vom Lehrstuhl Lebensmittelverpackungstechnik an der TU München: "Es gibt derzeit nicht viele Multiagentensysteme in der industriellen Anwendung. Wir möchten mit diesem Projekt zeigen, dass sich das herzustellende Produkt dabei selbstständig und intelligent durch den Produktionsvorgang steuert. Am Ende der Projektlaufzeit soll ein funktionsfähiger Demonstrator zur Verfügung stehen, in dem alle betrachteten Funktionalitäten integriert sind und der den Industrietransfer der erhaltenen Ergebnisse nachhaltig unterstützen soll."
Das Forschungsprojekt wird gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung als Projektträger und bindet die Lehrstühle Brau- & Getränketechnologie und Lebensmittelverpackungstechnik sowie das Fraunhofer Institut IGCV ein. Als Industriepartner sind die Krones AG, Beckhoff Automation GmbH, ProLeiT AG, infoteam software AG, Zimmer GmbH, Siemens AG, Till GmbH und Firma YASKAWA Europe GmbH sowie die Staatsbrauerei Weihenstephan beteiligt.

Ansprechpartner:  
Dr.-Ing. Tobias Voigt
Technische Universität München - Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik
Weihenstephaner Steig 22
D-85350 Freising
Telefon  +49 (0) 81 61/71-43 77
E-Mail: tobias.voigt@wzw.tum.de

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