Werkstofftechnik der Zukunft 19.11.2021, 07:30 Uhr

Leistungsfähige Kunststoffe aus der digitalen Werkstofffabrik

Das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) entwickelt neuartige polymere Werkstoffe mit hochaktuellen Methoden: Es setzt dazu auf ein Manufacturing Execution System (MES), das auf Künstlicher Intelligenz basiert.

Die wissenschaftliche Zielsetzung des Dresdener Instituts im Bereich Polymere und technische Kunststoffe ist anspruchsvoll: Es gilt, ein Verständnis für die Ungleichgewichte bei der Produktentstehung aufzubauen. Grafik: IPF Dresden

Die wissenschaftliche Zielsetzung des Dresdener Instituts im Bereich Polymere und technische Kunststoffe ist anspruchsvoll: Es gilt, ein Verständnis für die Ungleichgewichte bei der Produktentstehung aufzubauen. Grafik: IPF Dresden

Gerade bei der Kunststoffverarbeitung werden die Eigenschaften des Werkstoffs durch die Prozessbedingungen erst maßgeblich festgelegt. Die prozessübergreifende Datenanalyse macht in der „digitalen Werkstofffabrik“ Wechselwirkungen sichtbar und liefert völlig neue Einblicke in die Produktentstehung. Das Ziel der Forschenden sind neuartige, hochperformante Polymerwerkstoffe sowie optimale Verarbeitungsprozesse.

Kooperationspartner liefert das Software-Know-how

Die Symate GmbH, Spezialist für Industrial IoT (Internet of Things), Big Data und den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in der Fertigung, unterstützt den Aufbau einer digitalisierten Werkstofffabrik am Dresdner Leibniz-Institut für Polymerforschung. Die Wissenschaftler haben damit begonnen, die Fertigungshalle mit wichtigen Schlüsseltechnologien einzurichten. Sie dient künftig der Entwicklung von neuen Materialien sowie fortgeschrittenen Produktionstechnologien – und nutzt dazu eine Vielzahl von hochmodernen Systemen und Komponenten.

Für das ambitionierte Projekt mit dem Namen „PolyDigMa – Polymers by Digital Material Science“ kommt die skalierbare KI-Plattform „Detact“ zum Einsatz, die alle Funktionen eines modernen MES (Manufacturing Execution System), aber auch intelligente datenbasierte Möglichkeiten für die nachhaltige Optimierung von Prozess und Qualität umfasst. Die Forschenden erzielen dadurch ein detailliertes Verständnis für die entscheidenden Wechselwirkungen zwischen einzelnen Komponenten und deren Einfluss auf die Vorgänge im Werkstoff. Die Lösung der Firma Symate sammelt, analysiert und verarbeitet Produktions- sowie Qualitätsdaten zur systematischen Überwachung und Optimierung von Prozessen. Das System übernimmt verschiedene Aufgaben eines klassischen MES, kann aber sogar an ein bestehendes MES, ein BDE (Betriebsdatenerfassungs)- oder ein CAQ (Computer-Aided Quality)-System angebunden werden. Zahlreiche Firmen aus den Bereichen Automobil, Kunststoff, Maschinenbau, Luftfahrt, Leichtbau, Medizintechnik und Additive Fertigung nutzen die Lösung bereits.

Im Fokus stehen die Daten

Ein wichtiger Schwerpunkt des IPF-Projektes liegt auf dem Thema Daten. Denn: Die Forscher möchten mithilfe ihrer neuen Werkstofffabrik ein tief greifendes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Rohstoff, Prozessbedingungen, Konstruktion und Werkstoffeigenschaften gewinnen. Somit legen sie die Basis für eine optimale Prozessgestaltung sowie nachhaltig effiziente, wirtschaftliche Prozesse. Um das zu erreichen, wird das Team um Prof. Dr.-Ing. Markus Stommel umfangreiche Daten aus dem gesamten Produktentstehungsprozess, den Werkstücken sowie der Umgebung erfassen und systematisch analysieren. Die nun in der Dresdner Werkstofffabrik genutzte Software von Symate bietet viele Perspektiven für die Materialentwicklung: Sie arbeitet systemübergreifend, „intelligent“, lässt sich individuell anpassen und liefert objektive Analysen in Echtzeit.

Die Forschenden am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) erhalten jetzt ein deutlich tieferes Verständnis für die gesamte Prozesskette und sämtliche Wechselwirkungen.

Foto: Sven Döring / Agentur Focus

KI optimiert Workflow für die zukunftsgerichtete Polymerfertigung

Da alle Daten in der zentralen Detact-Cloud verarbeitet und abgeglichen werden, erlaubt das System die übergreifende Analyse der Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen und Werkstoffeigenschaften. Somit entwickeln die Forscher nicht nur einen optimierten Workflow für die Herstellung von neuartigen, hochperformanten Polymerwerkstoffen. Es entsteht außerdem auch ein praxistaugliches Modell für das gezielte Management von Prozessen, mit denen sich optimale Werkstoffeigenschaften erzeugen lassen – oder kurz gesagt: ein nachhaltiger Ansatz für die digitalisierte Kunststoffverarbeitung der Zukunft.

Hierzu erläutert Prof. Dr.-Ing. Markus Stommel, Leiter des Instituts für Polymerwerkstoffe am Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF) in Dresden: „Die Materialforschung ist die tragende Säule unseres Instituts, und vor allem im Bereich der Polymere verfügen wir über umfangreiches Wissen. Dennoch war es in der Vergangenheit für uns nur begrenzt möglich, Rückschlüsse von Prozessparametern auf den zugrunde liegenden Werkstoff zu ziehen oder ausgewählte Eigenschaften als Teil eines interaktiven Systems zu analysieren. Mit Detact ist das jetzt anders. Daher können wir in unserer neuen Werkstofffabrik völlig anders forschen als bisher. Denn die einzelnen Maschinen, Geräte und Werkstoffe liefern kontinuierlich Daten, die wir nun erstmals prozessübergreifend und in Echtzeit auswerten können.“

Software macht die Zusammenhänge transparent

Bei Kenntnis der Wechselwirkungen entlang der gesamten Prozesskette lassen sich für die Forschenden noch enorme Optimierungspotenziale erschließen. Stommel: „Diese Chancen konnten wir mit den bisherigen Technologien nur ansatzweise nutzen. Mit den neuen technischen Möglichkeiten ist das aber völlig anders: Jetzt können wir die Material‐ und Werkstoffdaten (fach-)disziplinübergreifend sowie aus unterschiedlichsten Datenquellen fusionieren. Der Polymerwerkstoff lässt sich entlang seines gesamten Lebenszyklus analysieren und wir können vollständig neue industrielle Planungs- bzw. Steuerungssysteme im Sinne der vierten industriellen Revolution realisieren.“

Über das Leibniz IPF und seine Forschungsaufgaben

Das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden ist eine der größten Polymerforschungseinrichtungen in Deutschland (www.ipfdd.de). Es betreibt anwendungsorientierte Grundlagenforschung und verfügt über eine State-of-the-art-Geräteausstattung sowie Anlagentechnik einschließlich Technika zur Bearbeitung von Forschungsthemen unter industrienahen Bedingungen. Ein Forschungsschwerpunkt sind polymere Funktionsmaterialien und Werkstoffe, denn diese stehen oft am Anfang der Entwicklung neuer Technologien und sind unverzichtbare Bestandteile von Systemlösungen – u.a. für Medizin, Kommunikationstechnik, Datenspeicherung und -verarbeitung, Mobilität, Energieeffizienz sowie Energiegewinnung und -speicherung. Das IPF ist über sechs gemeinsame Professuren und zahlreiche Kooperationen mit der Technischen Universität Dresden verbunden. Hinzu kommen vielfältige Kooperationen auf nationaler und internationaler Ebene in Verbundprojekten mit Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen.

Die wissenschaftliche Zielsetzung des IPF im Bereich Polymere und bei den darauf aufbauenden technischen Kunststoffen ist anspruchsvoll. Denn: Kunststoffe verändern sich während der Produktentstehung und befinden sich währenddessen in einem Ungleichgewicht. Um die Abläufe für die Materialforschung dennoch vollständig digital zu charakterisieren, benötigen die Forscher zwingend digitale Informationen aus derartigen Nichtgleichgewichtssystemen – und vor allem auch Daten zu den vorliegenden Randbedingungen (z.B. Umgebungstemperaturen, Klimatisierung etc.). Erst die Fusion all dieser Daten liefert eine bisher unerreichte Qualität an Werkstoffinformationen für die Materialforschung und somit ein vollständiges Bild des Werkstoffs.

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