KMU-innovativ Hybride-Prozess-KI für die schneckenbasierte Kunststoffverarbeitung basierend auf numerischen Simulationen und nichtinvasiven Ultraschall-Messungen (KI-KULT)

Problemstellung
Die Extrusion ist eine formgebende Verfahrenstechnik, bei der Kunststoffe aufgeschmolzen und unter Druck durch eine formgebende Öffnung, das Werkzeug, gepresst werden. Die Ermittlung der richtigen Einstellgrößen zur Erzielung eines optimalen Produktionsergebnisses ist Gegenstand aufwändiger Versuche. Bislang erfolgt diese durch Trial-and-Error-Verfahren mit hohem Ressourcenverbrauch. Durch die Dekarbonisierung müssen derzeit viele Kunststoffproduktionsprozesse angepasst oder gänzlich neu entwickelt werden. Die Entwicklung neuer Recyclingverfahren, die Umstellung auf Rezyklate und Biopolymere sowie die Entwicklung von Kunststoffkomponenten für Brennstoffzellen sind nur einige Beispiele. Messverfahren, wie die Ultraschalltechnik, und Digitalisierungsstrategien, wie CFD-Simulationen, bieten das Potenzial, Prozessabläufe in den Anlagen „sichtbar“ zu machen und so den Versuchsaufwand zu reduzieren. Dazu sind diese Techniken weiterzuentwickeln und ihre Anwendbarkeit zu verbessern.

Zielsetzung
Ziel des Forschungsprojektes KI-KULT ist die Entwicklung eines KI-Assistenzsystems zur Auslegung und Optimierung von extrusionsbasierten Produktionsprozessen. Dieses Assistenzsystem soll präzise Echtzeit-Vorhersagen über die Verweilzeit und das Aufschmelzverhalten des Kunststoffs im Extruder ermöglichen.

Vorgehensweise
Zunächst werden dazu ein nicht-invasives, von außen am Extruder anzubringendes Ultraschallsystem, eine numerische Simulationsumgebung und eine auf künstlichen neuronalen Netzen basierende KI-Umgebung entwickelt. In das Training und die Weiterentwicklung dieser KI fließen die Ergebnisse der numerischen Strömungssimulationen, punktuelle, aus den Ultraschall-Messdaten abgeleitete Massenstromwerte und konventionelle Messdaten des Extrusionsprozesses, wie Massetemperatur und -druck an der Schneckenspitze sowie Drehzahl und Drehmoment des Extruders, ein. Das so trainierte KI-Assistenzsystem wird im Labor und auf geeigneten Produktionsanlagen assoziierter Partner erprobt. Basierend auf kontinuierlich erfassten Ultraschalldaten und wenigen konventionellen Messdaten werden dabei der Aufschmelzverlauf und die Verweilzeit mit hoher Genauigkeit vorhergesagt und überwacht.

Ergebnisse und Anwendungspotential
Bei erfolgreicher Umsetzung des Projekts wird die Überwachung von Extrusionsprozessen durch den Einsatz von KI-Methoden deutlich verbessert und so deren Effizienz gesteigert. Darüber hinaus kann das Verfahren auf ähnliche Thematiken z. B. in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie ausgeweitet werden, so dass sich ein breites Anwendungsfeld ergibt.

• IANUS Simulation GmbH
• Institut für Automation und Kommunikation e.V.
• Katronic Aktiengesellschaft & Co. KG
• SKZ - KFE gGmbH