Fraunhofer IAPT startet KI-Projekt zu Material-Recycling in der Additiven Produktion
Künstliche Intelligenz (KI) soll bei der Additiven Produktion mit
recycelten, thermoplastischen Kunststoffen Qualität und Profitabilität
verbinden. Die Fraunhofer-Einrichtung für Additive
Produktionstechnologien IAPT startet ein Forschungsprojekt zu
Profitabilität und Recycling in der Additiven Produktion (auch Additive
Fertigung bzw. englisch Additive Manufacturing – kurz AM). Das Vorhaben
zielt darauf, recycelte Materialien als Ressource für den industriellen
3D-Druck qualitativ hochwertiger Bauteile zu erschließen.
Aktuell erzeugt die Additive Produktion mit recycelten Rohstoffen vielfach
Ausschuss oder hohen Aufwand in der Nachbearbeitung. Ein neues Projekt des
Fraunhofer IAPT legt die Basis für den profitablen Einsatz recycelter,
thermoplastischer Kunststoffe und den Ausbau der Produktionsumgebungen zu
industriellen Druckerfarmen. Intelligente In-Process-Kontrolle (IPC),
digitale Zwillinge und weitere Anwendungen von Künstlicher Intelligenz
(KI) sollen den 3D-Druck mit den recycelten Rohstoffen stabilisieren und
für Wirtschaftlichkeit sorgen.
Herausforderungen bei der Additiven Fertigung mit Recycling-Rohstoffen
Recycelte Polymere eröffnen Kosteneinsparungen und eine nachhaltigere
Produktion. Doch die Recycling-Materialien unterscheiden sich von Charge
zu Charge und potenzieren dadurch zwei Herausforderungen der Additiven
Produktion: Einerseits folgen die meisten 3D-Drucker einem statischen
G-Code. Nach dem Start eines Auftrags führt die Maschine einen definierten
Werkzeugweg und eine Reihe festgelegter Parameter aus. Das Geschehen im
Druckprozess bleibt unberücksichtigt. Doch Fließverhalten,
Feuchtigkeitsgehalt und Reinheit der recycelten Rohstoffe – und damit das
Druckergebnis – variieren.
Andererseits führt auch die individuelle Abnutzung von Maschinen zu
schwankenden Ergebnissen. Beispielsweise erzeugen Verschleiß der Düsen,
Verunreinigungen und andere maschinenspezifischen Eigenschaften eine
instabile Extrusion und Maßabweichungen.
Die fehlende Berücksichtigung der Varianz recycelter Materialien wie auch
der Unterschiede von Maschine zu Maschine steigern die Ausschussraten. Der
negative Effekt statischer Abläufe auf die Wirtschaftlichkeit potenziert
sich beim Skalieren der Produktionsumgebung.
Paradigmenwechsel vom offenen zum geschlossenen Kreislauf
In dem neuen KI-Projekt zu Nachhaltigkeit und Profitabilität im
industriellen 3D-Druck kombinieren die Experten des Fraunhofer IAPT Know-
how zu Virtualisierung, digitalen Zwillingen und industrieller KI. Ziel
ist der Paradigmenwechsel von einem offenen Ablauf (open loop) ohne
Berücksichtigung des Druckprozesses zu einem geschlossenen Kreislauf
(closed loop).
Im geschlossenen Kreislauf fließen Beobachtungen zu Materialqualität oder
abnutzungsbedingten Abweichungen im Verhalten der Maschinen in Echtzeit in
den Druckprozess ein. Der »Closed-Loop-Druck« nutzt die erfassten Daten
und passt die Prozessparameter innerhalb einer Druckschicht an die
Qualität des Recycling-Materials an.
Adaptive, datengesteuerte Prozesse statt statischer G-Codes
Auf dem Weg zum »Closed-Loop-Druck« statten die Forschenden des Fraunhofer
IAPT 3D-Drucker mit Sensoren und Computer Vision aus. Die Systeme
überwachen den Druck in Echtzeit und erfassen beispielsweise Schichthöhe,
Raupenbreite, Vibration und Extrusionsverhalten. KI-Algorithmen
analysieren die Daten während der Produktion und passen Parameter wie
Extrusionsrate, Geschwindigkeit, Temperatur oder Laserleistung an. Im
»Closed-Loop-Druck« verarbeitet der 3D-Drucker Analyseergebnisse im
laufenden Produktionsprozess. Abweichungen, etwa durch verschlissene
Düsen, Umwelteinflüsse oder Materialschwankungen bei recycelten
Rohstoffen, werden kontinuierlich ausgeglichen.
Vom »Closed-Loop-Druck« zum lernenden System
Ein weiteres Projektziel ist der Ausbau der 3D-Drucker zu lernenden
Systemen. Digitale Zwillinge von Maschinen oder Maschinenteilen sollen im
laufenden Betrieb die optimalen Parameterkombinationen für bestimmte
Geometrien, unterschiedliche Materialqualitäten und Maschinenbedingungen
identifizieren. Eine intelligente Datenbuchhaltung verknüpft die im
digitalen Zwilling erhobenen Prozessdaten, Geometrieinformationen,
Slicing-Parameter und Qualitätsmetriken.
Anders als isolierte Daten in separaten Dateien, etwa .stl, G-Code oder
Protokolle, verwandelt die intelligente Buchhaltung jeden Druck – ob
erfolgreich oder nicht – in Trainingsdaten. Die lernenden Systeme gehen
über die direkte Reaktion auf Abweichungen im »Closed-Loop-Druck« hinaus,
bauen Wissen auf und setzen es für zukünftige Bauprojekte ein.
Skalierbare Architektur für industrielle Druckerfarmen
Mit Blick auf die langfristige Profitabilität und ein nahtloses Skalieren
legt das Team des Fraunhofer IAPT die Steuerungsstrategien und das
Datenframework des Projekts direkt für den Einsatz in großen Druckerfarmen
aus. Edge-Geräte an jeder Maschine übernehmen die lokale Überwachung und
Steuerung. Eine zentrale Plattform aggregiert die Daten sämtlicher
Systeme. So lassen sich beispielsweise die Erkenntnisse eines 3D-Druckers
über ein bestimmtes Recycling-Material auf Dutzende andere Maschinen
übertragen. Kontinuierliche Optimierungen gelingen nicht nur für einzelne
3D-Drucker sondern auf Flottenebene.
Anwendungsszenarien in der Industrie
Die Konzeption des aktuellen KI-Projekts am Fraunhofer IAPT eröffnet
Unternehmen unabhängig von der Größe ihrer Produktionsumgebung
Einstiegspunkte für den Einsatz von Recycling-Materialien und eine
nachhaltigere Produktion. Die Kombination von Echtzeitsteuerung,
virtuellem Prozessverständnis und strukturierten Daten etabliert recycelte
Materialien über die gesamte AM-Prozesskette hinweg als festen Bestandteil
der industriellen Additiven Fertigung.
Dr. Matthias Brück, Leiter der Abteilung Virtualisierung am Fraunhofer
IAPT kommentiert den Ausgangspunkt des Projektes: »Das Recycling in der
Additiven Fertigung scheitert heute nicht an der Materialverfügbarkeit,
sondern an der Prozessunsicherheit. Mit einer adaptiven, datenbasierten
Steuerung verwandeln wir bisherige Unsicherheiten in beherrschbare
Variablen. Nachhaltiger 3D-Druck wird planbar, zertifizierbar und
wirtschaftlich rentabel.«
Über das Fraunhofer IAPT
Die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in
Hamburg-Bergedorf erforscht die Additive Fertigung (englisch: Additive
Manufacturing, kurz: AM) und treibt die Technologie für nachhaltige
Innovationen zugunsten der Industrie voran. Die Lösungen des Fraunhofer
IAPT senken Produktionskosten, beschleunigen Produktentwicklungen,
schließen Lücken in Lieferketten oder automatisieren Arbeitsschritte bei
fehlendem Personal und Fachkräftemangel.
Das Portfolio des Fraunhofer IAPT umfasst Forschung und Entwicklung
entlang der kompletten AM-Fertigungsroute — von einzigartigen
Bauteildesigns und Systemlösungen, auch auf Prozess- und Materialebene,
bis hin zu Fabrikplanung und Virtualisierung. Von der grundlegenden Idee
und Machbarkeit bis zur industriellen Implementierung in neuen oder
vorhandenen Produktionsumgebungen betrachten die Experten des Fraunhofer
IAPT alle Aspekte der Additiven Fertigungsroute lückenlos end-2-end.
Ein besonderer Fokus gilt den gesellschaftlich relevanten
Zukunftsthemenfeldern Life Science, Energie, Mobilität sowie Security und
Defense. Unser übergeordnetes Ziel ist der industrielle Einsatz Additiver
Produktionstechnologien als signifikanter Beitrag zu steigender
Produktivität, Ressourcenschonung, Resilienz und Wohlstand.
Das Fraunhofer IAPT ist neben der TUHH und dem Verein IAMHH e.V.
Kernpartner des Fraunhofer-Leistungszentrum IAMHH® Industrialized Additive
Manufacturing Hub Hamburg.
