KI soll Ausschuss und Nachbearbeitung reduzieren

Aktuell erzeugt die Additive Produktion mit recycelten Rohstoffen vielfach Ausschuss oder hohen Aufwand in der Nachbearbeitung. Ein neues Projekt des Fraunhofer IAPT legt die Basis für den profitablen Einsatz recycelter, thermoplastischer Kunststoffe in der Additiven Fertigung und den Ausbau der Produktionsumgebungen zu industriellen Druckerfarmen. Intelligente In-Process-Kontrolle (IPC), digitale Zwillinge und weitere Anwendungen von Künstlicher Intelligenz (KI) sollen den 3D-Druck mit den recycelten Rohstoffen stabilisieren und für Wirtschaftlichkeit sorgen.

Recycelte Polymere eröffnen Kosteneinsparungen und eine nachhaltigere Produktion. Allerdings unterscheiden sich die Recycling-Materialien von Charge zu Charge und potenzieren dadurch zwei Herausforderungen der Additiven Produktion. Die meisten 3D-Drucker folgen bislang einem statischen G-Code. Nach dem Start eines Auftrags führt die Maschine einen definierten Werkzeugweg und eine Reihe festgelegter Parameter aus, ohne das Geschehen im Druckprozess zu berücksichtigen. Gleichzeitig variieren Fließverhalten, Feuchtigkeitsgehalt und Reinheit der recycelten Rohstoffe – und damit auch das Druckergebnis.

Hinzu kommen Unterschiede durch die individuelle Abnutzung der Maschinen. Verschleiß der Düsen, Verunreinigungen und weitere maschinenspezifische Eigenschaften führen laut Fraunhofer IAPT zu instabiler Extrusion und Maßabweichungen. Die fehlende Berücksichtigung der Varianz recycelter Materialien sowie der Unterschiede zwischen einzelnen Maschinen steigert die Ausschussraten. Beim Skalieren der Produktionsumgebung verstärkt sich der negative Effekt statischer Abläufe auf die Wirtschaftlichkeit zusätzlich.

Digitale Zwillinge machen 3D-Drucker lernfähig

Im 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 Wandel von einem offenen Ablauf („Open Loop“) ohne Berücksichtigung des Druckprozesses hin zu einem geschlossenen Kreislauf („Closed Loop“).

In diesem 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.

Auf dem Weg zum „Closed-Loop-Druck“ statten die Forschenden des Fraunhofer IAPT 3D-Drucker mit Sensoren und Computer Vision aus. Die Systeme überwachen den Druck in Echtzeit und erfassen unter anderem 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 und gleicht Abweichungen – etwa verschlissene Düsen, Umwelteinflüsse oder Materialschwankungen bei recycelten Rohstoffen – kontinuierlich aus.

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 damit über die direkte Reaktion auf Abweichungen im „Closed-Loop-Druck“ hinaus, bauen Wissen auf und setzen es für zukünftige Bauprojekte ein.

Recycling-Materialien als Baustein nachhaltiger AM-Produktion

Mit Blick auf die langfristige Profitabilität und ein nahtloses Skalieren legt das Team des Fraunhofer IAPT die Steuerungsstrategien und das Datenframework des Projekts direkt für den Einsatz in großen Druckerfarmen aus. Edge-Geräte an jeder Maschine übernehmen die lokale Überwachung und Steuerung, während eine zentrale Plattform die Daten sämtlicher Systeme aggregiert. Dadurch lassen sich beispielsweise die Erkenntnisse eines 3D-Druckers über ein bestimmtes Recycling-Material auf zahlreiche weitere Maschinen übertragen. Kontinuierliche Optimierungen sollen so nicht nur für einzelne 3D-Drucker, sondern auf Flottenebene möglich werden.

Nach Angaben des Fraunhofer IAPT eröffnet die Konzeption des aktuellen KI-Projekts 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 soll recycelte Materialien über die gesamte AM-Kette hinweg als festen Bestandteil der industriellen Additiven Fertigung etablieren.

Dr. Matthias Brück kommentiert den Ausgangspunkt des Projekts: „Das Recycling in der Additiven Fertigung scheitert heute nicht an der Materialverfügbarkeit, sondern an der Prozessunsicherheit. Mit einer adaptiven, datenbasierten Steuerung verwandeln wir bisherige Unsicherheiten in beherrschbare Variablen. Nachhaltiger 3D-Druck wird planbar, zertifizierbar und wirtschaftlich rentabel.“