Digitalisierung – Umfassende Lösungsansätze für die Kunststoffverarbeitung

Die Kunststoffindustrie steht vor der stetigen Herausforderung, immer wirtschaftlicher und qualitativ hochwertiger produzieren zu müssen. Bei den komplexen Prozessen und Prozessführungen sind digitale Lösungen auf vielen Ebenen eine wertvolle Unterstützung:

• Sie beschleunigen operative Prozesse wie Freigaben oder die Logistik.
• Sie ermöglichen es, Informationen wie Produktionsaufträge oder statistischen Auswertungen effizient bereitzustellen und weiterzureichen.
• Sie stellen Wissen in Form von Assistenzsystemen zur Verfügung.
• Sie helfen bei der Analyse und beim Monitoring komplexer Prozesse.
• Sie unterstützen die Entwicklung von Maßnahmen zur Prozessoptimierung

Uneinheitliche Standards in Schnittstellen und Datenstrukturen erschweren jedoch die effiziente Einführung digitaler Methoden und Tools in der Breite. Das hemmt auch die Erforschung, Entwicklung und Einführung neuer, richtungsweisender und mehrwerterzeugender Lösungen. Das IKV hat sich in den vergangenen Jahren im Bereich Digitalisierung breit aufgestellt, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Es erforscht und entwickelt Schlüsselthemen für die die Digitalisierung in der Kunststoffverarbeitung, die jetzt und zukünftig die Grundlage für den technischen, monetären und gesellschaftlichen Mehrwert bilden. Drei Großprojekte, an denen das IKV maßgeblich beteiligt ist, geben einen Einblick in die Aktivitäten.

Plastics Innovation Center 4.0 – Vollständig digitalisiere Forschungsinfrastruktur

Mit dem in diesem Jahr in Betrieb genommenen Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) hat das IKV ein neues Technikum mit einer modernen Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur für neue Ansätze der Digitalisierung geschaffen (Abbildung 1). Die Förderung des dreijährigen Projektes durch das Land NRW mit Mitteln der Europäischen Union im Rahmen der EFRE-NRW Förderung erlaubte es, das PIC 4.0 so auszubauen, dass neben der modernen baulichen Infrastruktur eine Anlagentechnik zur Verfügung steht, die über eine große Bandbreite etablierter sowie moderner Komponenten verfügt und somit anwendungsnahe Entwicklungen in einem heterogenen Arbeitsumfeld ermöglicht (Abbildung 2). Darüber hinaus wurde eine völlig neue digitale Infrastruktur aufgebaut. Damit können sehr diverse Datenquellen miteinander verknüpft und Daten, Objekte oder logische Verbindungen über lange Zeit, insbesondere über einen Programmabbruch hinaus, bereitgehalten werden (Datenpersistierung), um sie später für Anwendungen zu nutzen, die heute noch gar nicht bekannt sind. Bei der Datenverarbeitung kann das PIC 4.0 auf modernste, u. a. KI-basierte, Methoden zugreifen.

Ergänzt wird diese Infrastruktur durch inhaltliche Forschung zur semantischen Datenstrukturierung sowie zur Implementierung von Kernkomponenten für die Entwicklung und Programmierung neuer digitaler Tools. Durch die Verfügbarkeit dieses strukturierten Systems können für zukünftige Arbeiten aufwendige Grundlagenarbeiten eingespart werden und neue Funktionalitäten effizient entwickelt werden. Von der flexiblen Infrastruktur profitieren daher nicht nur laufende und zukünftige Forschungsprojekte, sondern auch die anwendungsnahe Entwicklung.

Start-up aus dem Exzellenzcluster „Internet of Production“

Inhaltlich eng verknüpft mit dem Plastics Innovation Center 4.0 sind die Aktivitäten des IKV im DFG-geförderten Exzellenzcluster „Internet of Production“, in dem ein Konsortium von mehr als 35 teilnehmenden Instituten der RWTH die Digitalisierung von Produktionsprozessen disziplinübergreifend erforscht. Das IKV ist seit 2019 aktiver Partner und vertritt in diesem Exzellenzcluster die Forschung für die Kunststoffverarbeitung in den Teilbereichen Infrastruktur, Material, Prozesstechnik und Produktionsplanung (Abbildung 3).

Insbesondere im Bereich der Prozesstechnik wurden hier die Grundlagen für einen neuen Ansatz der systematischen Prozesseinrichtung im Spritzgießen gelegt und bis in die Anwendungsnähe entwickelt. Derzeit befindet sich am IKV ein Start-up-Vorhaben in der Gründungsphase, das auf einem vielversprechenden KI-basierter Modellbildungsansatz aufbaut. Das Start-up industrif.ai entwickelt ein Assistenzsystem, das den Prozessingenieur und Anlagenbediener bei der Einrichtung neuer Spritzgießprodukte niedrigschwellig unterstützen soll. Es soll außerdem anschließend die Produktion überwachen und Handlungsempfehlungen für eine Prozessoptimierung geben können. Dadurch wird die Zeit, die für die Einrichtung des Prozesses benötigt wird, operativ verkürzt und der Prozess optimiert. Gleichzeitig wird die Einrichtung weniger abhängig von subjektiven Entscheidungen und überliefertem Erfahrungswissen, sodass auch nachhaltig eine qualitativ hochwertige Prozesseinrichtung ermöglicht wird.

KI-Anwendungshub Kunststoffverpackungen – KIOptiPack

Wie kann Künstliche Intelligenz (KI) dabei helfen, Abfallberge zu verringern? Wie kann sie dazu beitragen, wichtige Ressourcen im Kreislauf zu führen? Diesen Fragen widmet sich die Fördermaßnahme "KI-Anwendungshub Kunststoffverpackungen – nachhaltige Kreislaufwirtschaft durch Künstliche Intelligenz" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Der KI-Hub Kunststoffverpackungen setzt sich aus den beiden Innovationslaboren KIOptiPack und K3I-Cycling zusammen. Diese arbeiten auf das gemeinsame Ziel hin, die Wertschöpfungskette von Kunststoffverpackungen nachhaltiger zu gestalten. Von Design und Produktion bis hin zur Kreislaufschließung werden Methoden der KI in konkreten Anwendungsfällen getestet und in die Anwendung gebracht.

Der Anteil von Rezyklaten soll bei Verpackungen zukünftig bei mindestens 30 % liegen. Damit ein industriell sicherer Einsatz von Rezyklaten erfolgreich gelingt, ist es zunächst entscheidend die Materialqualitäten zu standardisieren. Hier setzt das Innovationslabor KIOptiPack – Design und Produktion an, dessen Konsortioalführer das IKV ist (Abbildung 4). Die rund 40 Projektpartner verfolgen das Ziel, praxisreife KI-gestützte Werkzeuge für das erfolgreiche Produktdesign sowie die qualitätsgerechte Produktion von Kunststoffverpackungen mit hohem Rezyklatanteil in einem KI-Anwendungs- und Datenraum bereitzustellen, zu validieren und in die Anwendung zu transferieren. Dies wird mit der Bildung einer zentralen Netzwerkplattform für das Wertschöpfungsengineering verknüpft. Das Projekt und die darin entwickelten Werkzeuge beziehen die gesamte Wertschöpfungskette vom Sekundärrohstoff, über die Material- und Verpackungsentwicklung, die Prozessauslegung, die Verpackungsproduktion bis hin zur Abfallsammlung und Aufbereitung sowie die Konsumierenden mit ein.

Digitalisierung beim 32. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik

Mit dem Thema Digitalisierung befassen sich beim Kolloquium die Session 2 (KI-getriebene Methoden zur Steigerung der PCR Nutzung), die Session 5 (Mehrskalensimulation von mehrphasigen Werkstoffen) und Session 10 (Assistenzsysteme im Spritzgießen) mit jeweils einer Keynote sowie zwei wissenschaftlichen Präsentationen aus dem IKV.

Das PIC 4.0 kann man im Rahmen von „IKV 360° – Forschung live“ in Aktion erleben. Die wissenschaftlichen MitarbeiterInnen stehen dann an verschiedenen Stationen mit zusätzlichen Informationen bereit.