Additive Fertigung Wie KI bei der Additiven Fertigung von recycelten Kunststoffen hilft

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Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT

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Die Additive Fertigung mit recycelten Rohstoffen erzeugt aktuell vielfach Ausschuss. Ein neues Projekt des Fraunhofer IAPT will das mit Intelligente In-Process-Kontrolle (IPC), digitaler Zwillinge und Künstlicher Intelligenz (KI) ändern.

Recycelte Polymere eröffnen Kosteneinsparungen und eine nachhaltigere Produktion, doch sie unterscheiden sich von Charge zu Charge. Daraus ergeben sich 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.

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. Dazu statten die Forschenden 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.
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.