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 Künstliche Intelligenz für Maschinen hilft Mensch und Umwelt (c) SKZ
Vliesstoff-Kompaktanlage (DILO) zur Herstellung von Nadel-Vliesen aus Sonderfasern.
23.06.2021

Künstliche Intelligenz für Maschinen hilft Mensch und Umwelt

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

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.

Der neue Präsident der Zuse-Gemeinschaft, Prof. Dr. Martin Bastian (c) SKZ
Der neue Präsident der Zuse-Gemeinschaft, Prof. Dr. Martin Bastian
30.10.2019

Prof. Dr. Martin Bastian ist neuer Präsident der Zuse-Gemeinschaft

 

Berlin, 30. Oktober 2019. Die Mitgliederversammlung der Zuse-Gemeinschaft hat am 29. Okto­ber 2019 Prof. Dr. Martin Bastian einstimmig zu ihrem neuen Präsiden­ten gewählt. Er tritt die Nachfolge von Dr. Ralf-Uwe Bauer an, der seit der Gründung der Zuse-Gemeinschaft im Jahr 2015 an der Spitze des Verbundes gemeinnütziger Forschungseinrichtungen stand und nicht erneut für das Präsidentenamt kandidierte.

 

Berlin, 30. Oktober 2019. Die Mitgliederversammlung der Zuse-Gemeinschaft hat am 29. Okto­ber 2019 Prof. Dr. Martin Bastian einstimmig zu ihrem neuen Präsiden­ten gewählt. Er tritt die Nachfolge von Dr. Ralf-Uwe Bauer an, der seit der Gründung der Zuse-Gemeinschaft im Jahr 2015 an der Spitze des Verbundes gemeinnütziger Forschungseinrichtungen stand und nicht erneut für das Präsidentenamt kandidierte.

Bei der Mitgliederversammlung am 29. Oktober 2019 in Berlin fanden turnus­gemäß Neuwahlen des Präsidiums ebenso wie des Innovationsrates der Zuse-Gemeinschaft statt.  Prof. Bastian ist Direktor des Kunststoff-Zentrums (SKZ) in Würzburg und gehörte bislang schon dem Präsidium an. Er wurde einstimmig ins neue Amt gewählt. Dr. Bauer, Geschäftsführender Direktor des Thüringi­schen Instituts für Textil- und Kunststoff-Forschung (TITK), über­nimmt das Amt des Administrativen Vizepräsidenten. Wissenschaftli­cher Vizepräs­ident ist künftig Prof. Dr. Steffen Tobisch vom Institut für Holztechnologie in Dres­den (IHD). Neu in das Präsidium der Zuse-Gemeinschaft wurde Prof. Dr. Meike Tilebein von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Den­kendorf (DITF) gewählt. Prof. Wolfgang Nebel vom Informatikinstitut OFFIS, bis­heriger Wissenschaftlicher Vizepräsident, hatte nicht mehr für das Präsidi­um kandidiert.

Die Wahlen ergaben folgende Zusammensetzung des Präsidiums der Zuse-Gemeinschaft:

  • Prof. Dr. Martin Bastian, Präsident
  • Dr. Ralf-Uwe Bauer, Administrativer Vizepräsident
  • Dr. Friedrich-Wilhelm Bolle
  • Dr. Bernd Grünler
  • Anke Schadewald, Schatzmeisterin
  • Prof. Dr. Meike Tilebein
  • Prof. Dr. Steffen Tobisch, Wissenschaftlicher Vizepräsident

Prof. Bastian erklärte anlässlich seiner Wahl: „Ich danke den Mitgliedern für ihr Vertrauen und Dr. Bauer für die Grundlagen, die er für eine auch künftig erfolgreiche Arbeit unseres Verbundes gelegt hat. Künftig wollen wir unsere Forderungen für mehr Fairness in der Forschungsförderung mit einer deutlichen Stärkung des Transfers von der Wissenschaft in die Praxis noch stärker in die Politik tragen, um konkrete Verbesserungen für die gemeinnützigen, unabhän­gigen Forschungsinstitute auf Bundesebene konkret umzusetzen.“ Er dankte Dr. Bauer für die wertvolle im Präsidentenamt ehrenamtlich geleistete Arbeit, mit der er die Zuse-Gemeinschaft und ihr Profil nachhaltig geprägt hat.

Dr. Bauer erklärte: „Seit der Gründung der Zuse-Gemeinschaft mit ihren mehr als 70 Mitgliedsinstituten haben wir Wahrnehmung und Wertschätzung der gemeinnützigen, privatwirtschaftlich organisierten Forschung bereits merklich erhöht. Meinem Nachfolger wünsche ich eine glückliche Hand, damit wir im Team und mit unseren Mitgliedern gemäß unserem Motto „Forschung, die ankommt“ unseren zentralen Anliegen gemeinsam Geltung verschaffen.“

Neben dem Präsidium wurde bei der Mitgliederversammlung, die bei der Ge­sellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) stattfand, auch der Innovationsrat der Zuse-Gemeinschaft neu gewählt. Der Innovationsrat berät und unterstützt die übrigen Organe der Zuse-Gemeinschaft in wissenschaftlich-technischen, den Forschungstransfer betreffenden Fragen. Der Vorsitzende des Innovationsrates, Prof. Dr. Ulrich Jumar, wurde im Amt bestätigt. Prof. Jumar ist Geschäftsführer des ifak - Institut für Automation und Kommunikation e.V. in Magdeburg.

Das neu gewählte Präsidium der Zuse-Gemeinschaft: auf dem Foto von links: Prof. Dr. Ulrich Jumar (Vorsitzender Innovationsrat), Dr. Ralf-Uwe Bauer, Prof. Dr. Martin Bastian, Anke Schadewald, Prof. Dr. Meike Tilebein, Dr. Friedrich-Wilhelm Bolle, Prof. Dr. Steffen Tobisch

Quelle:

Pressestelle Zuse-Gemeinschaft