KI-gestützte Optimierung von Extrusionswerkzeugen

Die IANUS Simulation GmbH wurde 2006 als Spin-off-Unternehmen der TU Dortmund gegründet und ist heute ein Software- und Dienstleistungspartner für 3D-CF-Simulation von Strömungsprozessen. Diese numerischen Strömungssimulationen (CFD-Simulationen) werden beispielsweise in der Kunststoff-, Pharmazie- und Lebensmitteltechnik eingesetzt und ermöglichen einen detaillierten Einblick in die Prozesse und Vorgänge unterschiedlicher Maschinen, in denen Strömungen vorliegen. Mithilfe sogenannter digitaler Zwillinge, welche IANUS mit seinen mehr als 30 Mitarbeitenden der Kundschaft aus unterschiedlichsten Branchen anbietet, können Prozesse ressourcen- und energieeffizient ausgelegt und optimiert werden.

Ein Kunde des Unternehmens hat sich auf die Herstellung von Extrudaten, Eckenvulkanisationen und HTV-Formteilen, die in jedem gewünschten Farbton und auf der Grundlage von individuellen Mustern, Datensätzen oder Zeichnungen gefertigt werden können, spezialisiert. Ca. 250 Mitarbeitende verarbeiten Silikonkautschuk in vielfältigen Varianten. Die Firma verarbeitet diverse Profile, Schläuche, Schäume und Platten aus Silikonkautschuk für über zehn verschiedene Branchen unter höchsten qualitativen Ansprüchen. Da der Markt die Herstellung von qualitativ hochwertigeren und technisch anspruchsvolleren Produkten fordert, ist eine iterative Anpassung der formgebenden Extrusionswerkzeuge mithilfe von „Trial & Error“ üblich und oftmals sogar zwingend notwendig. Ein Extrusionswerkzeug hat die Aufgabe, die vom Extruder homogen bezogene Kunststoffschmelze in eine vom Kunden vorgegebene Profilform zu bringen. Dafür ist die entsprechende Werkzeugauslegung – also die Planung und Entwicklung der späteren Werkzeugform – ein signifikanter Faktor. Das Auslegen von Extrusionswerkzeugen ist sehr komplex sowie zeitaufwändig und erfolgt auf Grundlage von Erfahrungswerten. Durch die Komplexität der jeweiligen Werkzeuge besteht allerdings ein hohes Fehlerpotenzial. Fehler in der Werkzeugauslegung werden in der Einfahr- bzw. Bemusterungsphase durch „Trial&Error“-Versuche korrigiert. Dieser Vorgang ist besonders zeit- und kostenaufwändig.

Mithilfe modernster numerischer Methoden können die Strömungen in Extrusionswerkzeugen simulativ dargestellt werden. Damit ist es möglich, bestimmte Parameter in der Prozessverarbeitung zu generieren, welche Erkenntnisse über den Prozess bieten. Aufbauend auf diesen bereits bekannten numerischen Ansätzen für die Simulation von Strömungsprozessen hat IANUS ein System entwickelt, mit dem solche Strömungssimulationen auch speziell durch den Anwendenden schnell und einfach durchgeführt werden können. Die Simulation läuft dabei auf Hochleistungsrechenclustern ab, um eine größtmögliche Rechenleistung und schnelle Ergebnislieferung zu garantieren. Des Weiteren kann das System individuell an besondere Kundenwünsche, Anforderungen sowie die jeweiligen Prozesse angepasst werden. Mit einer Software-App ist der Kunde jederzeit über ein internetfähiges Endgerät in der Lage, eine Strömungssimulation innerhalb von Minuten zu definieren und zu beauftragen. Das System ist außerdem fähig, mithilfe schwacher KI eigenständige Lösungsvorschläge zu erarbeiten bzw. Werkzeugkonturen vorzuschlagen.

Ausgehend von ca. 100 neuen Werkzeugen pro Jahr bei dem betrachteten Kunden sind exemplarisch ca. acht Nacharbeitungsschleifen je neuem Werkzeug üblich. Damit ergeben sich insgesamt ca. 800 jährliche Anfahrprozesse, die einen entsprechenden Ausschuss verursachen. Zusammen mit einem Materialpreis von ca. 4,30 €/kg und einer Extruderfüllung von ca. 30 kg Material pro Anfahrversuch ergeben sich Verluste von ca. 103.000 € sowie 16.200 kWh Energiebedarf pro Jahr (ausgehend von einem normalen Energieverbrauch bei einem durchschnittlich eingesetzten Extruder). Im Schnitt wird die Anzahl der Anfahrprozesse mithilfe der KI-gestützten Optimierung von acht auf drei Iterationen verringert, was wiederum eine Gesamtersparnis von ca. 66.200 €/Jahr ergibt.