Produktionsassistenzsystem zur Regelung der Viskositätskurve bei der Compoundierung mit PCR

Datengetriebene In-line-Vorhersage und adaptive Rezepturanpassung zur Stabilisierung der Schmelzeviskosität

Der zunehmende Einsatz von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) erhöht die Komplexität der Verarbeitungsprozesse erheblich, da die Materialeigenschaften der PCR von Charge zu Charge sehr unterschiedlich sein können. Insbesondere Viskositätsschwankungen führen zu Herausforderungen und bestehende Kunststoffverarbeitungsprozesse müssen immer wieder angepasst werden. Im Projekt ViscAssist wurde daher ein datengetriebenes Assistenzsystem entwickelt, das im Compoundierprozess die Viskosität von Kunststoffschmelzen in-line vorhersagt und darauf basierend geeignete Rezepturanpassungen zur Erreichung einer möglichst konstanten Zielviskosität vorschlägt, die in den folgenden Verarbeitungsprozessen zu einer leichteren Prozessführung führt.

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Zunächst wurde für die In-line-Vorhersage ein Softsensor in Form eines neuronalen Netzes entwickelt, der aus den Parametern Drehzahl, Druck, Temperatur und Drehmoment die Viskositätskurve vorhersagt. Ergänzend wurde ein rezepturbasiertes Modell entwickelt, das den Einfluss der Materialzusammensetzung auf die Viskosität mithilfe etablierter Mischungsregeln beschreibt. Die Datenbasis umfasst 120 Polypropylencompounds mit variierenden Polymer- und PCR-Typen (MFR 3,5 – 47 g/10 min), sowie verschiedenen Peroxidanteilen.

Durch die Kombination beider Modelle kann mithilfe des Softsensors aus Prozessdaten eine aktuelle Ist-Viskositätskurve bestimmt werden und mit einer aus den Mischungsregeln berechneten Zielkurve verglichen werden. Darauf aufbauend werden mittels eines Empfehlungsmodells gezielte Anpassungen der Materialanteile zur Annäherung an die Zielkurve abgeleitet. Die Ist-Viskosität kann für bekannte Rezepturen mit R² = 0,92 prognostiziert werden, während das Rezepturmodell eine Modellgüte von R² = 0,98 erreicht. Das Empfehlungsmodell ist in der praktischen Testphase und liefert bisher plausible Empfehlungen.

Das Assistenzsystem soll dann Viskositätsschwankungen des Compounds erkennen und Empfehlungen zur Anpassung der Rezeptur geben. Dadurch werden homogene Materialeigenschaften für Folgeprozess erlangt, sodass eine effizientere und nachhaltigere Produktion möglich wird.

Projektdaten und Förderung

Wir danken dem BMWE für die Förderung des IGF-Projekts (Förderkennzeichen 23179 N) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.