Mould Condition Monitoring

Spritzgusswerkzeuge können sechsstellige Beträge kosten. Während der Produktion stehen je nach Maschine verschiedene Prozess- und Zustandsdaten zur Verfügung. Sobald das Werkzeug aber aus der Maschine genommen wird, fehlt häufig eine Aufzeichnung. Gerade beim Transport oder bei der Lagerung können Stösse und Kondenswasser Schäden verursachen. Im Nachhinein lässt sich dann nur schwer nachvollziehen, was mit dem Werkzeug passiert ist.

Aus dieser Problemstellung entstand die Idee, eine Art Fitness-Tracker für Spritzgusswerkzeuge zu entwickeln. Ein kleines Sensor-Modul, das dauerhaft am Werkzeug bleibt und die wichtigsten Zustände und Ereignisse aufzeichnet. Im Rahmen meiner Diplomarbeit habe ich einen funktionsfähigen Prototyp dafür entwickelt und aufgebaut.

Das Modul zählt Produktionszyklen, erkennt fünf verschiedene Werkzeugzustände sowie mechanische Schocks und berechnet aus Temperatur und Luftfeuchtigkeit ein Kondensationsrisiko.

Die Daten werden direkt auf dem Gerät gespeichert und können über eine Bedienoberfläche im Browser abgerufen werden. Eine Cloud oder eine Verbindung zum Firmennetzwerk ist dafür nicht erforderlich.

Vom Konzept zum Prototyp

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Ausgangslage und Zielsetzung

Die Idee für dieses Projekt stammt aus meiner Zeit im Werkzeugbau. Dort habe ich immer wieder festgestellt, dass man zwar vieles über den Produktionsprozess weiss, aber kaum Informationen darüber hat, was mit einem Werkzeug ausserhalb der Maschine passiert. Gerade bei teuren Spritzgusswerkzeugen wäre es hilfreich, solche Ereignisse später nachvollziehen zu können. Mein Ziel war deshalb nicht, ein weiteres System zur Überwachung des Spritzgussprozesses zu entwickeln, sondern ein eigenständiges Modul, das unabhängig von der Maschine funktioniert.

Vorgehen

Bevor ich mit der eigentlichen Entwicklung begonnen habe, habe ich mich mit den verschiedenen Betriebsphasen eines Spritzgusswerkzeugs und den typischen Schadensmechanismen auseinandergesetzt. Daraus habe ich die technischen Anforderungen abgeleitet. Bei der Bedienung wollte ich mich nicht nur auf meine eigenen Erfahrungen verlassen. Deshalb habe ich zwölf Stelleninserate aus dem Werkzeugbau ausgewertet, um besser einschätzen zu können, welche Kenntnisse bei den späteren Anwendern vorausgesetzt werden können. Die Auswahl der wichtigsten Komponenten erfolgte anschliessend über vier gewichtete Nutzwertanalysen.

Aufbau

Für die Hardware habe ich eine eigene Trägerplatine entwickelt, auf der ein FireBeetle 2 ESP32-E, die Sensorik und die notwendigen Anschlüsse untergebracht sind. Zusammen mit dem Akku und dem E-Ink-Display ist die Elektronik in einem selbst konstruierten und 3D-gedruckten Gehäuse verbaut. Ein Endschalter an der Formtrennung liefert die Signale für die Zykluszählung. Die Firmware umfasst mittlerweile rund 5'900 Programmzeilen.

Funktionsweise

Bei der Entwicklung der Firmware war mir wichtig, dass auch während anderen Programmabläufen keine Produktionszyklen verloren gehen. Deshalb werden die Signale über einen Hardware-Interrupt erfasst. Zusätzlich wertet ein Zustandsautomat die Signale der Sensoren und die Formstellung aus. Damit kann das Modul zwischen Produktion, Unterbruch, Transport, Lager und einem offenen Werkzeug unterscheiden. Schocks werden mit Zeitstempel protokolliert. Aus der gemessenen Temperatur und Luftfeuchtigkeit wird zudem der Taupunkt berechnet, um kritische Umgebungsbedingungen zu erkennen.

Da das Modul auch ohne externe Stromversorgung funktionieren muss, habe ich drei verschiedene Betriebs- und Schlafstufen umgesetzt. Je länger das Werkzeug stillsteht, desto seltener wird gemessen und desto weniger Energie benötigt das Modul. Bei einem Schock kann der Beschleunigungssensor das Gerät wieder aufwecken. Für den angenommenen Deep-Sleep-Betrieb ergibt sich rechnerisch eine Akkulaufzeit von rund 189 Tagen. Diese Laufzeit konnte ich noch nicht direkt nachweisen. Ein Versuch über 14 Tage ohne Nachladen, bestätigt bisher nur die Grössenordnung.

Auch die Inbetriebnahme sollte möglichst einfach sein. Das Modul zeigt dazu einen QR-Code auf dem Display an. Dieser führt den Anwender zur Einrichtung über den Browser. Eine separate App oder die Eingabe einer IP-Adresse ist nicht notwendig. Die gespeicherten Daten lassen sich anschliessend über ein lokales Cockpit anzeigen oder über eine dokumentierte HTTP-Schnittstelle auslesen. Das funktioniert auch ohne Internetverbindung.

Test und Validierung

Für die Überprüfung habe ich mehrere Tests durchgeführt. Besonders wichtig war der Dauerlauf an einem selbst aufgebauten Maschinensimulator mit einem zweiten ESP32. Im ersten Versuch wurden zwar alle Zyklen korrekt gezählt, die simulierten Produktionsunterbrüche waren aber zu kurz, um den Zustandsautomaten tatsächlich zu prüfen. Das ist mir erst bei der Auswertung aufgefallen. Ich habe den Simulator deshalb angepasst und den Versuch über 75 Stunden wiederholt. Dabei wurden sämtliche 21'000 Zyklen und alle 170 relevanten Unterbrüche korrekt erfasst. Auch der Falltest und der anschliessende Transport- und Lagertest verliefen erfolgreich.

Ein wichtiger Teil war für mich der Bedientest bei der Ypsomed AG. Zwei Werkzeugbauer erhielten das Gerät im Auslieferungszustand und sollten es ohne zusätzliche Anleitung einrichten. Beide konnten die Aufgabe selbständig lösen. Damit konnte ich zumindest anhand dieser zwei Anwender zeigen, dass das Bedienkonzept für die Zielgruppe funktioniert.

Reflexion

Nicht alles hat auf Anhieb funktioniert. Auf der ersten Platine hatte ich zwei Fehler bei der Pinbelegung, zusätzlich war ein Footprint einer Steckverbindung gespiegelt. Die Fehler konnte ich zwar ohne neue Platine korrigieren, sie haben aber Zeit gekostet. Rückblickend hätte ich die Pinbelegung noch genauer prüfen müssen. Bei der Firmware habe ich auch KI als Unterstützung eingesetzt. Das hat das Schreiben des Codes beschleunigt, die eigentliche Prüfung aber nicht ersetzt. Viele Funktionen musste ich direkt am Gerät testen, korrigieren und erneut prüfen.

Grenzen des Systems

Der Prototyp hat auch Grenzen, die für einen späteren Einsatz wichtig sind. Die Erkennung eines Kondensationsrisikos basiert bisher nur auf den Luftwerten. Ob die Oberfläche des Werkzeugstahls tatsächlich unter dem Taupunkt liegt, kann das Modul noch nicht feststellen. Auch die Temperaturgrenze des Akkus muss beim Montageort berücksichtigt werden. Dazu kommt, dass die interne Uhr ohne Netzwerkverbindung mit der Zeit abweichen kann. Beim Test an einer Spritzgussmaschine hat sich ausserdem gezeigt, dass die Schwelle für die Schockerkennung auf das jeweilige Werkzeug abgestimmt werden muss.

Fazit und Ausblick

Mit dem Ergebnis bin ich zufrieden. Es ist ein funktionsfähiger Prototyp entstanden, der die festgelegten Anforderungen erfüllt und für weniger als CHF 100 an Material aufgebaut werden konnte. Ein fertiges Serienprodukt ist es aber (noch) nicht. Als nächsten Schritt empfehle ich einen Pilotversuch mit drei Werkzeugen über drei Monate. Dabei möchte ich vor allem herausfinden, ob die aufgezeichneten Daten im Alltag tatsächlich genutzt werden und bei der Ursachenfindung helfen. Für eine nächste Hardwareversion sind zudem ein zusätzlicher Temperaturfühler am Werkzeugstahl, eine unabhängige Echtzeituhr und ein für die Werkzeugumgebung geeignetes Gehäuse vorgesehen.