Adaptive Prozessregelung und KI-Modelle: Stabilisierung von Post-Consumer-Rezyklaten im Spritzgießen

Die steigende Nutzung von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) in technischen Bauteilen wird durch neue gesetzliche Vorgaben angetrieben. Gleichzeitig führen die unvermeidlichen Chargen- und Viskositäts-Schwankungen zu erhöhtem Ausschuss und zu wirtschaftlichen Risiken im Spritzgießprozess. Aktuelle Forschungsprojekte zeigen, wie Echtzeit-regelung und KI-gestützte Vorhersagen diese Herausforderung meistern können.

Regulatorischer Druck durch die EU-Altfahrzeug-Verordnung (ELVR)

Die EU-Altfahrzeug-Verordnung (Regulation (EU) 2026/1738) legt verbindliche Mindestrezyklatquoten für Kunststoffe in Neufahrzeugen fest:

• 15 % Rezyklatanteil ab 2032
• 25 % Rezyklatanteil ab 2036 (Ziel 2036, Quelle S1)
• Mindestens 20 % des Rezyklatanteils muss aus geschlossenen Fahrzeugkreisläufen stammen (Closed-Loop-Anteil, Quelle S1)

Diese Vorgaben erhöhen den Druck auf Automobilzulieferer, PCR nicht nur in nicht-kritischen, sondern auch in sicherheits- und oberflächenrelevanten Bauteilen wie Stoßfängern prozesssicher einzusetzen.

Herausforderungen bei Post-Consumer-Rezyklaten im Spritzgießen

Steigende PCR-Quoten führen zu:

• Variablen in Schmelzeviskosität und Werkstoffeigenschaften von Schuss zu Schuss
• Erhöhte Defektdichte und Schwankungen in Schlagzähigkeit, besonders bei lackierten Polypropylen-Compounds mit 25 % PCR (Ergebnisse von PIAE 2026)
• Traditionelle starre Umschaltung zwischen Einspritz- und Nachdruckphase kann Unter- oder Überfüllung, Gratbildung und ungleichmäßige Schwindung verursachen (FAQ)

Die Konsequenz ist ein signifikanter Ausschuss, der die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gefährdet.

Phasenübergreifende Werkzeuginnendruckregelung des IKV Aachen

Technisches Konzept

Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen hat ein phasenübergreifendes, werkzeuginnendruckbasiertes Regelungskonzept entwickelt. Statt einer starren Trennung von Einspritz- und Nachdruckphase wird der Werkzeuginnendruck über den gesamten Schusszyklus hinweg kontinuierlich geregelt (MPC-Ansatz, 2025).

• Modellprädiktive Regelung (MPC) steuert den Druck in Echtzeit
• Bayes’sche Optimierung kompensiert Viskositätsabweichungen bereits während des Schusses
• Regelgröße: Werkzeuginnendruckverlauf, durchgängig über beide Phasen (Datapunkt 2025)

Durch die direkte Abbildung der Kavitätenfüllung im Werkzeuginnendruck wird die Prozessstabilität unabhängig von der Rezyklatqualität erhöht.

KI-gestützte Ausschussprognose im Projekt Rezi-KI (SKZ & plus10)

Funktionsweise und Ergebnisse

Im Projekt Rezi-KI nutzen das Kunststoff-Zentrum (SKZ) und die plus10 GmbH neuronale Netze, um aus zyklusgenauen Daten – Maschinen-, Heißkanal-, Formteilgewichts- und Werkzeugwanddaten – die Ausschusswahrscheinlichkeit vor der Entformung zu berechnen. Auf Basis dieser Prognose werden adaptive Parameterempfehlungen generiert.

• Reduzierung der Zykluszeit um 6 % bis 18 % im industriellen Betrieb (2024, Quelle S2)
• Messbare Senkung von Ausschussraten durch proaktive Parameteranpassung
• Volldigitalisierte Spritzgießzelle ermöglicht Echtzeit-Datenerfassung

Die Kombination aus Daten- und KI-Analyse schafft eine dynamische Prozessoptimierung, die über die reine Regelung von Druckgrößen hinausgeht.

Wirtschaftliche Vorteile und Effizienzsteigerungen

Die adaptive Prozessregelung liefert mehrere betriebswirtschaftliche Mehrwerte:

• Stabilisierung der Bauteilqualität trotz variabler Rezyklatchargen
• Optimierung der Zykluszeit (6 %-18 % schneller) erhöht den Durchsatz
• Reduzierter Energieverbrauch durch präzisere Druck- und Temperatursteuerung
• Erfüllung gesetzlicher Vorgaben ohne zusätzliche Materialaufbereitung

Für mittelständische Spritzgießereien bedeutet dies eine Möglichkeit, die geforderten Rezyklatquoten wirtschaftlich zu realisieren.

Risiken und Grenzen der adaptiven Regelung

• Hoher Sensorik- und Retrofit-Aufwand: Viele Bestandsmaschinen verfügen nicht über einheitliche OPC-UA-Schnittstellen oder integrierte Werkzeuginnendrucksensorik, was die Digitalisierungskosten erhöht.
• Grenzen bei Kontamination: Während rheologische Schwankungen effektiv kompensiert werden, können partikuläre oder chemische Verunreinigungen (Fremdpartikel, Feuchtigkeit, Abbauprodukte) zu Gefügedefekten führen, die reine Druck- oder KI-Regelungen nicht beheben.

Eine sorgfältige Bewertung der bestehenden Anlagenlandschaft und eine ergänzende Qualitätskontrolle bei Rohmaterialien bleiben daher notwendig.

FAQ – Häufige Fragen

Warum reicht die traditionelle Umschaltung von Einspritz- auf Nachdruck bei Rezyklaten nicht mehr aus?

Schwankende Schmelzeviskosität von Schuss zu Schuss führt bei einem starren Umschaltpunkt zu Unter- oder Überfüllung, Gratbildung und ungleichmäßiger Schwindung. Der Werkzeuginnendruck bildet die reale Kavitätenfüllung rezyklatunabhängig ab und ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung.

Welche gesetzlichen Fristen treiben den Rezyklateinsatz im Automobilbau?

Die EU-Altfahrzeug-Verordnung verlangt ab 2032 einen Rezyklatanteil von 15 % und ab 2036 von 25 % bei Neufahrzeugen. Mindestens 20 % dieses Anteils muss aus geschlossenen Fahrzeugkreisläufen stammen.

Fazit

Der kombinierte Einsatz von phasenübergreifender Werkzeuginnendruckregelung und KI-gestützter Ausschussprognose stellt eine praxisnahe Antwort auf den regulatorisch bedingten Bedarf an hohen PCR-Quoten dar. Durch die Echtzeit-Komensation von Viskositäts- und Prozess-abweichungen können Hersteller nicht nur die geforderten Quoten einhalten, sondern gleichzeitig Ausschuss reduzieren, Zykluszeiten um bis zu 18 % verkürzen und den Energieverbrauch senken. Gleichzeitig zeigen die identifizierten Risiken – insbesondere der Aufwand für Sensorik-Retrofit und die Grenzen bei materiellen Kontaminationen – dass die Technologie kein Allheilmittel ist, sondern Teil eines ganzheitlichen Qualitäts- und Digitalisierungsansatzes bleiben muss. Unternehmen, die diese adaptiven Lösungen frühzeitig integrieren, sichern sich einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil im sich wandelnden Markt für nachhaltige Kunststoffbauteile.