Aus der Branche

Der Maschinenbau ist eine Stärke der deutschen Industrie. In Leitbranchen, deren Produkte in einem globalisierten Umfeld starker Konkurrenz ausgesetzt sind, kann der Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) dazu beitragen, Industriekapazitäten und Knowhow in Deutschland zu halten, im Maschinenbau und nachgelagerten Branchen. Doch erst durch praxisnahe Anwendung in der Industrie kann KI seine Stärken für Unternehmen voll entfalten. Wie das mit dem Beitrag angewandter Forschung geht, zeigen Textilindustrie und -maschinenbau ebenso wie die Kunststoffbranche.

Mit der Corona-Krise sind Vliesstoffe über die Fachwelt hinaus bekannt geworden, denn sie bilden das Ausgangsmaterial für Schutzmasken. Die aufgetretenen Engpässe am Markt 2020 zeigten, wie stark Deutschland hier von Lieferungen aus dem Ausland abhängig ist. Zugleich ist Deutschland in anderen Vliesstoff-Segmenten und bei Maschinen für die Vliesstoffherstellung eine wichtige Größe auf den Weltmärkten. Damit das so bleibt, arbeitet die Branche an Innovationen. Ein zentraler Baustein dafür: Die Nutzung Künstlicher Intelligenz (KI).

Das Auge auf der lernenden Maschine

Am ITA Augsburg hat man dafür Grundlagen in einem Projekt gelegt, auf denen sich nun aufbauen lässt. Die Vision: Die Maschine zur Vliesstoffproduktion passt die Parameter entsprechend den Erfordernissen im laufenden Betrieb autonom an. Etwaig auftretende Fehler werden von der Maschine selbstständig diagnostiziert, die Drehzahlen entsprechend angepasst. „Wir haben im Projekt EasyVlies gezeigt, wie sich mit der Nutzung von Algorithmen für die Vliesstoffproduktion Material- und Energiekosten einsparen lassen. Zusammen mit Partnern aus der Industrie haben wir erreicht, dass die Maschine zentrale Parameter wie Drehzahlen und Abstände, von denen eine große Kombinationsmenge für das Erreichen der gewünschten Produktqualität notwendig sind, durch das entwickelte KI-Modell vorhergesagt werden. „Die Abstände der bis zu 40 Arbeitselemente in der Maschine bestimmen dabei in Kombination mit den Drehzahlen der beteiligten Walzen die Öffnung der Faserflocken bis zur Einzelfaser und die Bildung des Vlieses“, erläutert ITA-Augsburg Geschäftsführer Prof. Stefan Schlichter. Die naturwissenschaftlichen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den Drehzahlen und den Qualitätsparametern der Vliesstoffproduktion sind nicht eindeutig bekannt. Gerade deshalb kann KI hier seine Vorteile ausspielen. „Denn Künstliche Intelligenz kann auch diffuse Zusammenhänge modellieren und simulieren“, betont Schlichter. Die Algorithmen dafür hat Maschinenbauingenieur Dr. Frederik Cloppenburg aus dem Aachener ITA-Stammhaus entwickelt, 280 Versuche wurden im Zusammenspiel mit der KI-Entwicklung durchgeführt.

In der unternehmerischen Praxis lernen die Algorithmen nun hinzu. Das zeigt  bei einem Vliesstoffbetrieb der Fahrzeugbranche bereits erste Erfolge in der betrieblichen Praxis. Im nächsten Schritt arbeiten die ITA-Forschenden daran, Messtechnik wie Kamerasysteme und strahlungsbasierte Messsysteme für die Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs in die Maschinen zu integrieren. Ziel: Fehler so prognostizieren, dass sie gar nicht erst auftreten. Das Aufkommen an Vliesstoff-Ausschuss soll so um 30 bis 50 Prozent sinken. Angesichts von bislang jährlich allein in Deutschland anfallender Ausschussware im Wert von 150 Mio. Euro, das entspricht 10 Prozent des Branchenumsatzes, ein erheblicher Anreiz. „Die hoch qualifizierten Facharbeiter beaufsichtigen sozusagen die lernende Maschine“, erklärt Schlichter.

Industrie 4.0 wird in der Kunststoffbranche künftig auch benötigt, um das Ziel höherer Recyclingquoten zu erreichen. Denn eine weniger einheitliche Rohstoffbasis macht lernende Maschinen noch wertvoller. Das ist auch Ausgangspunkt des vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Verbundprojekts CYCLOPS des Kunststoff-Zentrums (SKZ) und namhaften Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft. Durch den Einsatz von KI sollen Materialströme automatisiert klassifiziert werden, damit sie sich optimal verwenden lassen. „Die Maschinen sollen künftig eigenständig erkennen, in welche Anwendungen produzierte Materialien eines bestimmten Typs gehen können“ erläutert SKZ-Gruppenleiter Digitalisierung, Christoph Kugler. Ein Faktor: Die Fließfähigkeit des Kunststoffs, seine Viskosität. Je kürzer die Polymerketten des Materials, desto größer, vereinfacht gesagt, ihre Fließfähigkeit. Für diese Fließfähigkeit spielt andererseits auch das Druckniveau in der Maschine eine Rolle. Hier kommt wiederum die KI ins Spiel: „Durch Künstliche Intelligenz können Materialeigenschaften und selbst lernende Maschinensteuerungen sehr gut ineinanderwirken, so unsere Erwartung“, erklärt Kugler. Grundlage für die angewandte Forschung im Projekt CYCLOPS sind sowohl Prozessdaten aus den Maschinen, welche die Materialqualität beschreiben können, als auch Daten entlang des Lebenswegs von Material und Produkt. Im Rahmen des Projektes werden damit die Transparenz und die Informationsdichte erhöht, welche nach wie vor einige der größten Hemmnisse der Kreislaufwirtschaft sind.

Neue Expertisefelder wie Erklärbare KI erschlossen

Das SKZ baut mit dem Projekt auf KI-Expertise auf, die über abgeschlossene und noch laufende Projekte erarbeitet wurde. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt in der Entwicklung sogenannter Softsensoren aus Prozessdaten zur Berechnung komplexer Qualitätskennwerte wie z.B. Viskosität oder Vernetzungsgrad des Kunststoffs. Durch die Weiterentwicklung der Technologie werden neue Expertisefelder erschlossen, so z.B. Optimierung der Prozessmodellierung durch KI, Prognose von Materialverhalten unter Last oder auch erklärbare KI (XAI), sie beschreibt den Weg, auf dem Algorithmen zu ihren Ergebnissen gelangen. In den letzten Jahren wurde ebenfalls der Einsatz von digitalen Technologien und KI im Kontext der Kreislaufwirtschaft am SKZ forciert, so in den noch jeweils bis ins nächste Jahr hinein laufenden Projekten Di-Plast und DiLinK. Während Di-Plast ein EU-Projekt ist, wird DiLink ebenfalls vom BMBF gefördert. Mit dem FIR e.V. ist ein weiteres Institut der Zuse-Gemeinschaft im DiLink-Projektkonsortium vertreten, mit dem Fokus auf dem Thema Geschäftsmodelle. Denn diese verändern sich durch das Vordringen der KI in immer mehr Aspekten des Maschinenbaus.

• ANDRITZ erhielt von Zhejiang Kingsafe, China, einen weiteren Auftrag für eine Hochgeschwindigkeits-Spunlace-Linie

Der internationale Technologiekonzern ANDRITZ erhielt von Zhejiang Kingsafe Hygiene Materials Technology Co., Ltd. in Hezhou, China, den Auftrag zur Lieferung einer neuen, kompletten neXline spunlace Linie. Die Montage und Inbetriebnahme der Linie sind für das zweite Quartal 2022 geplant.

Diese neXline spunlace eXcelle Linie mit hoher Kapazität wird entweder 100% biologisch abbaubare Fasern oder ein Gemisch aus Polyester und Viskose verarbeiten. Die Linie ist speziell für die Produktion von Vliesstoffen vorgesehen, die in den Bereichen Hygiene und Medizin verwendet werden. Die Endprodukte werden ein Flächengewicht von 30 bis 100 gsm aufweisen; die jährliche Produktionskapazität wird bis zu 18.000 Jahrestonnen betragen.

ANDRITZ wird eine komplette Linie von der Vliesbildung bis zur Trocknung liefern sowie auch zwei Hochgeschwindigkeits-TT-Krempeln, die renommierte Wasserstrahlverfestigungsanlage JetlaceEssentiel sowie einen neXdry Durchströmtrockner mit neXecodry S1-Energiesparsystem integrieren. Diese Kombination wird am Markt zum Maßstab für die Produktion leichter Spunlace-Vliesstoffe, die speziell für den Hygienemarkt vorgesehen sind.

„Wir sind stolz, die sehr verlässlichen und effizienten ANDRITZ-Vliesstofflinien zu betreiben. Sie helfen uns enorm bei der Produktion von Vliesstoffrollenware der Spitzenklasse und bringen uns weltweite Anerkennung als Schlüsselunternehmen unter den Vliesstoffproduzenten“, sagt Kingsafe-Geschäftsführer Huarong Yan.

Zhejiang Kingsafe Hygiene Materials Technology Co., Ltd. wurde 1987 gegründet und zählt mit mehreren in Betrieb befindlichen Spunlace-Linien zu den größten Produzenten Chinas für Spunlace- und Spunbond-Vliesstoffrollenware. Die Endprodukte werden weltweit exportiert und kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, wie beispielsweise in der Medizin, dem Gesundheitswesen, der hochtechnologischen Landwirtschaft sowie bei hochwertigen Konsum- und Haushaltsartikeln.

Die neue Linie ist nun bereits die neunte von ANDRITZ gelieferte Spunlace-Linie und die dritte mit Hochgeschwindigkeits-TT-Krempeln, wodurch die erfolgreiche Langzeitzusammenarbeit zwischen ANDRITZ und Zhejiang Kingsafe bestätigt wird. Der Auftrag beweist auch, dass die von ANDRITZ gelieferte Lösung als Maßstab in der Produktion von hochwertigen Spunlace-Rollenware anerkannt wird und die perfekte Kombination von Verarbeitungsmaschinen für Feuchttücher beinhaltet.

• Dr. Christoph Gürtler und Prof. Walter Leitner in der Kategorie Industrie nominiert
• CO₂ als Rohstoff wirtschaftlich nutzbar gemacht
• Technologie ist Basis für eine Vielzahl marktfähiger Produkte

Das Europäische Patentamt (EPA) hat die Nominierung der deutschen Chemiker Dr. Christoph Gürtler (Covestro AG) und Prof. Walter Leitner (Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion und RWTH Aachen) als Finalisten in der Kategorie „Industrie“ des Europäischen Erfinderpreises 2021 für ihre Rolle bei der Entwicklung einer neuen Technik zur Verwendung von Kohlendioxid (CO₂) bekanntgegeben. Die Technologie ermöglicht es, das schädliche Klimagas CO₂ als wertvollen Rohstoff für nachhaltige Kunststoffe zu nutzen. Das Verfahren verwendet chemische Katalysatoren, um Reaktionen zwischen CO2 und einem herkömmlichen Rohstoff anzutreiben. Dabei entstehen sogenannte Polymere  auf nachhaltigere und wirtschaftlich tragfähige Weise. Das CO₂ ist dabei fest eingebunden.

CO₂ geht nur sehr mühsam chemische Verbindungen ein. Dieses Problem musste das Team um Christoph Gürtler und Walter Leitner lösen. Der Durchbruch gelang durch die exakte Kontrolle der Reaktion zwischen CO₂ und dem Erdöl-basierten Propylenoxid in Gegenwart eines maßgeschneiderten Katalysatorsystems.

Das dabei entstehende so genannte Polyol wurde von Covestro unter dem Produktnamen cardyon® zur Marktreife  gebracht. Es wird bereits zur Herstellung von weichem Schaumstoff  für Matratzen, für Kleber in Sportböden, Polsterungen in Schuhen und in Autoinnenräumen eingesetzt. An der Schwelle zur Marktreife stehen elastische Textilfasern. Forschungsprojekte haben erfolgreich gezeigt, dass sich CO₂ auch für Dämmstoffe aus Hartschaum und für Tenside, zum Beispiel in Waschmitteln, nutzen lässt.