Durch KI-Integration zur verbesserten Schmelzebehandlung und präzisem Trennstoffauftrag im Druckguss

Motivation:

Das Teilprojekt des Fachgebiets Gießereitechnik der Universität Kassel (GTK) im Rahmen des ReGAIN-Verbundprojekts bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Effizienz und Qualität im Aluminium-Druckgießverfahren durch den Einsatz künstlicher Intelligenz erheblich zu verbessern. Durch die sensorische Erfassung und Digitalisierung der Schmelzereinigung und des Trennstoffauftrags können datengetriebene Optimierungen vorgenommen werden, die sowohl den Energie- und Ressourcenbedarf reduzieren als auch die Produktqualität steigern. Die Zusammenarbeit mit Projektpartnern zur kontinuierlichen in-situ Qualitätskontrolle und die Entwicklung einer benutzerfreundlichen Visualisierungsoberfläche ermöglicht eine präzise und automatisierte Impeller-Prozesssteuerung. Der innovative Einsatz von IR-Thermographie-Technologie zur Messung der Werkzeugoberflächentemperaturen bietet zusätzlich großes Potential für die Verbesserung der Gussteilqualität. Das Verbundprojekt wird einen Beitrag zur nachhaltigen Transformation der Gießereiindustrie leisten und zukunftsweisende Standards setzen.

Vorgehensweise:

Die Forschungsfelder, welche am GTK bearbeitet werden, teilen sich in die folgenden Handlungsstränge auf.

I Optimierung des Druckgießverfahrens durch Implementierung von KI in die Impeller-schmelzebehandlung

Bei der Entwicklung des KI-Modells für die Impeller-Schmelzbehandlung werden zunächst in praktischen Gießversuchen und simulativ mittels FLOW-3D umfangreiche Daten zu den Prozessparametern ermittelt und analysiert. Hierzu wird der Impellerprozess sensorisch erfasst und ein Simulationsmodell zur Beurteilung der Auswirkungen von Prozessparametern und unterschiedlichen Rotorgeometrien auf die Behandlungszeit entwickelt. Anschließend wird eine KI trainiert, die auf den ermittelten Daten basiert, um Muster und Korrelationen zu erkennen. Während der Schmelzbehandlung wird der Wasserstoffgehalt der Schmelze kontinuierlich und in Echtzeit mittels eines EMC Wasserstoffanalysators (HYCAL) erfasst und dient der KI als Zielgröße. Zur automatischen und bedienerunabhängigen Definition der idealen Impeller-Parameter werden die Schmelz-Prozessparameter in Echtzeit über entsprechende Schnittstellen an die KI übergeben. So ist eine genaue und effiziente Einstellung des Wasserstoffgehalts möglich.

II Optimierung des Druckgießverfahrens durch Implementierung von KI für einen bedarfsgerechten Trennstoffauftrag

In Druckgießprozessen ist die Temperatur der Werkzeugoberfläche maßgebend für die Gussteilqualität. Viele Gießereien nutzen den Sprühprozess daher zur Einstellung einer gewünschten Oberflächentemperatur. Die Programmierung der Sprühprozesse erfolgt erfahrungsbasiert und ist daher häufig nicht optimal dimensioniert. Die inhomogene Temperatur der Werkzeugoberfläche kann zumeist nur lokal und in der Regel diskontinuierlich mittels ReGAIN – Teilprojekt Thermoelemente erfasst werden. Daher werden die Oberflächentemperaturen in diesem Teilprojekt mittels IR-Kameras auf beiden Werkzeughälften vor und nach dem Sprühen global erfasst und über Emissionslandkarten in situ korrigiert, um als Zielgröße für die KI zu dienen. Anschließend trifft die KI eigenständig Entscheidungen darüber, wie lange und an welcher Stelle Trennstoff aufgetragen wird, um die Oberflächentemperatur zu regulieren.

Ziel:

Das Teilvorhaben des Fachgebiets Giessereitechnik (GTK) der Universität Kassel im Verbundprojekt ReGAIN adressiert insbesondere die Implementierung von künstlicher Intelligenz (KI) in den Gieß- und Schmelzprozess. Die Implementierung von KI in den Prozess der Schmelzebereitstellung in Aluminium-Druckgießverfahren hat eine signifikante Auswirkung auf den Energie- und den Ressourcenbedarf des Gießverfahrens sowie auf die Qualität der Gussteile. Ziel der Sensor- und KI-gestützten Schmelzebereitstellung ist die Einstellung eines definierten Wasserstoffgehalts in einer möglichst kurzen Behandlungszeit. Durch den Einsatz einer KI kann dieser Prozess automatisiert, bedienerunabhängig, effizienter und präziser gesteuert werden. Die Qualität von Druckgießteilen hängt maßgeblich von der Werkzeugoberflächentemperatur ab. Ziel ist daher, die globale Werkzeugoberflächentemperaturen mittels eines bedarfsgerechten Sprühprozesses gezielt einzustellen. Auf diese Weise können Fehler wie Porosität, Lunkerung oder unvollständiger Guss maßgeblich reduziert werden. Aufgrund der Prozessabläufe und der Anforderungen an das Werkzeug im Druckgießverfahren ist es derzeit nicht möglich, die globalen Oberflächentemperaturen der Kavität zuverlässig zu erfassen. Hierzu werden Strategien entwickelt und analysiert, um das Messergebnis der IR-Technologie zu verbessern und beispielsweise Emissionslandkarten in situ zu korrigieren.

Ergebnis:

Die entwickelten KIs ermöglichen eine herstellerunabhängige Anwendung, was eine weitreichende Implementierung in alle Gießereien ermöglicht. Durch die kontinuierliche Qualitätsprüfung der Aluminiumschmelze, die Auswertung der gewonnenen Qualitätsdaten mittels KI sowie die darauf aufbauende automatisierte Parametereinstellung des Impellerprozesses werden eine verbesserte Produktqualität, Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen angestrebt. Das Ziel ist dabei, die Technik so universell wie möglich zu entwickeln, sodass diese herstellerunabhängig in jedem bestehenden Impellerprozess integriert werden kann. Der entwickelte KI-gestützte Impellerprozess bietet ein großes Potenzial für die gesamte Aluminiumindustrie, indem er eine kontinuierliche Optimierung und Anpassung der Prozessparameter ermöglicht, was zu einer höheren Konsistenz und Qualität der produzierten Teile führt. Durch den bedarfsgerechten Formsprühprozess kann der Temperaturhaushalt des Werkzeugs präziser reguliert und der Verbrauch von Trennmitteln ggf. minimiert werden, was zur Ressourceneffizienz im Druckgießprozess beiträgt. Der KI-gestützte Formsprühprozess bietet ein großes Potenzial für die gesamte Aluminiumindustrie. Die präzise Steuerung des Sprühprozesses sorgt dafür, dass die Werkzeugoberflächentemperatur gezielt eingestellt werden kann. Dies kann unter anderem zu einer gesteigerten Lebensdauer der Werkzeuge führen, und die Qualität der Druckgießteile verbessern.