Referenzarchitektur für die Implementierung einer interoperablen Spritzgießfertigung

Sapel, Patrick; Schmitt, Robert H.; Hopmann, Christian

doi:HT031384731

Referenzarchitektur für die Implementierung einer interoperablen Spritzgießfertigung = Reference architecture for the implementation of an interoperable injection molding production

Sapel, Patrick^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Sapel

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00936
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1026513/files/1026513.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung (417810)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Digitaler Schatten (frei) ; Ontologie (frei) ; Referenzarchitektur (frei) ; Spritzgießen (frei) ; Verwaltungsschale (frei) ; asset administration shell (frei) ; digital shadow (frei) ; injection molding (frei) ; ontology (frei) ; reference architecture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Globale Märkte setzen Unternehmen in Hochlohnländern wie Deutschland unter enormen Kostendruck. Eine Strategie, um wettbewerbsfähig zu bleiben, ist die Einführung von Industrie 4.0, um durch digitale Technologien intelligente, vernetzte Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) zu etablieren, die autonom arbeiten und datenbasierte Entscheidungen unterstützen. Diese Arbeit liefert die Grundlage, um interoperable CPPS für die Spritzgießdomäne mit dem Fokus auf die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) zu implementieren. Zunächst wird eine modulare Referenzarchitektur vorgestellt, die aus vier Ebenen besteht: der Entscheidungsebene, die typische Produktionsfragestellungen adressiert; der Digitale-Schatten-Ebene, welche die für die Fragestellungen relevanten Modelle, Dienste und Daten identifiziert und verarbeitet; der Asset-Ebene, auf der physische und virtuelle Produktionsressourcen organisiert sind; sowie der Daten-Ebene, die sämtliche Rohdaten aller Assets semantisch beschreibt. Eine integrierte Wissensbasis gewährleistet einen reibungslosen Datenfluss zwischen diesen Ebenen. Die Schlüsselrolle für die Entscheidungsunterstützung spielt der Digitale Schatten, der eine Handlungsempfehlung aufgrund relevanter Modelle, Dienste und Daten darstellt und als Metamodell hergeleitet wird. Um interoperable Modelle, Dienste und Daten zu ermöglichen, wird die PPCinIM-Ontologie als zentraler Bestandteil der Wissensbasis modelliert, welche die Assets und deren Beziehungen in der Spritzgießdomäne mit Fokus auf die PPS formal beschreibt. Sie basiert auf etablierten Standards und ist nach dem FAIR-Prinzip erstellt. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Konzept des Modellkatalogs vorgestellt, dessen zentrales Element die Modell-Signatur ist. Sie charakterisiert ein Modell eindeutig, indem sie den Modellzweck oder erforderliche Eingangsdaten spezifiziert. Basierend auf der PPCinIM-Ontologie und dem Konzept des Modellkatalogs werden umfangreiche Verwaltungsschalen-Teilmodelle entwickelt. Dies sind die Teilmodelle einer Spritzgießmaschine, eines Spritzgießwerkzeugs, eines Temperiergeräts sowie eines Heißkanalreglers. Diese Teilmodelle sind in die Standardisierung überführt und deren Elemente sowie ihre Metadaten in den ECLASS-Datenkatalog integriert worden. Überdies sind Teilmodelle entstanden, welche die Modell-Signatur sowie Quellsysteme abbilden, sodass diese zu einem interoperablen Austausch mit anderen Entitäten fähig sind. Die Umsetzung der Architektur wird anhand zweier Anwendungsfälle der PPS aus der Spritzgießproduktion demonstriert und zeigt, dass standardisierte Verwaltungsschalen und Modelldefinitionen eine effiziente Entscheidungsunterstützung durch Digitale Schatten ermöglichen.

Global markets subject companies in high-wage countries such as Germany to immense cost pressure. One strategy for maintaining competitiveness is the adoption of Industry 4.0, leveraging digital technologies to establish intelligent, interconnected Cyber-Physical Production Systems (CPPS) that operate autonomously and support data-driven decision making. This contribution lays the groundwork for implementing interoperable CPPS in the injection molding domain with a focus on Production Planning and Control (PPC). First, a modular reference architecture is introduced that comprises four distinct layers: The decision layer, which addresses typical production queries; the Digital Shadow layer, which identifies and processes models, services, and data relevant to those queries; the asset layer, where both physical and virtual production resources are organized; and the data layer, which semantically describes the raw data from those assets. An integrated knowledge base ensures seamless data flow across these layers. The central role in decision support is played by the Digital Shadow, derived as a metamodel that issues action recommendations based on relevant models, services, and data. To enable interoperability of models, services, and data, the PPCinIM ontology is designed as a core component of the knowledge base, which formally describes the assets and their relationships in the injection molding domain with a focus on PPC. The PPCinIM ontology is built on established standards and adhering to FAIR principles. In addition, this contribution introduces the concept of a model catalog, whose central element is the model signature. It uniquely characterizes a model by specifying its purpose or required input data. Leveraging the PPCinIM ontology and the model catalog concept, extensive submodels for the Asset Administration Shell are developed for an injection molding machine, an injection mold, a temperature control unit, and a hot runner device. These submodels have been standardized and their elements and metadata integrated into the ECLASS data catalog. Furthermore, submodels that capture the model signature and source systems were developed, enabling interoperable exchange with other entities. The architecture’s implementation is demonstrated through two PPC use cases from injection molding production, showing that standardized Asset Administration Shells and model definitions facilitate efficient decision support via Digital Shadows.

OpenAccess:
PDF
(additional files)