AdaptAl - Adaptiv Control of Aluminium Manufacturing

30 års forskning gir grønnere aluminiumsprodukter Ved bruk av kunstig intelligens har stolene fra Flokk blitt 200 gram lettere. Dermed spares energi, materialbruken går ned og stolene blir rimeligere i butikken. CO2-avtrykket har sunket fra 35 til 14 kg per stol ved å benytte resirkulert aluminium. En årlig produksjon på 30.000 — 60.000 stoler, betyr kutt på opptil 1.260 tonn CO2 årlig, sier Ole Runar Myhr, forsker og professor fra Hydro. FNs mål er å forhindre at den globale oppvarmingen stiger mer enn 1,5 grader, for å unngå alvorlige konsekvenser som ekstremvær, tap av biomangfold og matmangel. Å kutte CO2-utslipp i industrien er essensielt for å nå dette målet innen 2050. Stort behov for klimavennlig produksjon av aluminium Verdens aluminiumsproduksjon har nesten doblet seg på ti år. Aluminium er en nøkkelindustri i Norge, brukt i alt fra biler til møbler og emballasje. Takket være sin styrke og letthet, er metallet etterspurt, spesielt i transportsektoren. Aluminium er også ideell for gjenvinning. Siden aluminiumsproduksjonen øker, får vi mer "post consumer scrap" (forbruksavfall). Forbruksavfall er aluminium som har vært i bruk, for eksempel i en brusboks i aluminium. Med 2 prosent av verdens produksjon, har Norge en viktig rolle i en industri som vokser raskt og med stadig større behov for miljøvennlige metoder. Langsiktig forskning gir store samfunnsgevinster I innovasjonsprosjektet AdaptAl samarbeider Hydro, Flokk, Raufoss Teknologi, IDT Solutions, NTNU og Sintef med å utvikle en teknologi som skal sørge for mer bærekraftig produksjon, og bedre utnyttelse av aluminium og forbruksavfall. Målet er å få ned CO2-utslippet ved å optimalisere produksjonen, øke andelen "post consumer scrap", og dermed redusere energi- og materialbruk, som igjen fører til lettere produkter. Dette kan igjen sørge for rimeligere produkter i butikken. Teknologien bygger på over 30 års forskning der vi har samarbeidet tett med Sintef og NTNU og med betydelig finansiering fra Forskningsrådet. Det ligger altså en lang og målrettet forskningsinnsats bak, forklarer Myhr. Den langsiktige forskningen har vært avgjørende for å utvikle teknologien som er benyttet i AdaptAl-prosjektet. Digital Tvilling: veien til optimalisering I AdaptAl brukes den digitale tvillingen PRO3 til å optimalisere produksjonsprosessen, inkludert resirkulering av aluminiumslegeringene. PRO3 er et digitalt verktøy som kan forutsi og forbedre produksjonseffektiviteten. Verktøyet tar hensyn til produksjonskostnader og CO2-utslipp og har kapasitet til at produkter basert på forbruksavfall møter de stadig økte kravene på kvalitet fra kundene, sier forskningssjef Trond Furu i Hydro Corporate Technology Office. Furu har stor tro på at dette digitale verktøyet kan bidra til at vi kan håndtere og utnytte en stadig større andel forbruksavfall i fremtiden. I praksis vil PRO3 analysere data for å anbefale justeringer i produksjonsprosessen. For eksempel, hvis systemet merker at en bestemt legering kan produseres mer effektivt ved en høyere temperatur, vil den foreslå denne endringen. Dette sikrer at hvert produkt — enten det er en stol eller en bilkomponent — både vil være solid og pålitelig, og i tillegg produsert med minst mulig miljøbelastning til lavere kostnad. Investering i bærekraftig materiale Når aluminium smeltes om, brukes det bare 5 prosent av energien sammenlignet med produksjonen av det jomfruelige metallet. Uansett om sluttproduktet er en bildel eller en stol, stilles det strenge krav. Hvis for eksempel den geometriske formen ikke er nøyaktig nok med tanke på produktkravene som forlanges, må delen ofte vrakes og sendes til resirkulering. Det kan bety store økonomiske tap for produksjonsbedriftene. Hydro og samarbeidspartnerne jobber derfor med å utvikle PRO3-teknologien, som gjør at flere aluminiumsdeler kommer gjennom nåløyet, og ender opp som et ferdig produkt som tilfredsstiller kravene til kundene. Det bidrar igjen til at færre deler må vrakes. Med PRO3 gjør vi beregninger ved hjelp av avanserte matematiske modeller, for å se om produksjonen går bra eller ikke. Kantinestol med rekordlavt CO2 avtrykk Møbelprodusenten Flokk har i samarbeid med Hydro, SINTEF og NTNU benyttet den digitale tvillingen PRO3 for å designe en kantinestol i aluminium. Målet var å redusere CO2-avtrykket vesentlig, ved å bruke mest mulig forbruksavfall. De valgte Hydros merkevare Circal 75R, som garanterer at minimum 75 prosent av materialet skal være resirkulert fra forbruksavfall. Ved hjelp av den digitale tvillingen PRO3 kunne stolen lages 200 gram lettere enn utgangspunktet, samtidig med at CO2-avtrykket ble redusert fra 35 til 14 kg per stol uten at dette gikk ut over stolens egenskaper. Denne optimaliseringen gjør at vi får en solid og lett stol laget av resirkulert aluminium, og med lavt CO2-avtrykk, sier Christian Lodgaard, senior vice president i Flokk.

Oppnådde og potensielle virkninger og effekter basert på prosjektets resultater Virkninger (på prosjektets deltagere og omgivelser) Endringer i kompetanse Kompetanse utviklet i prosjektet er forventet å bli videreført i bedriftene som har deltatt. Som et eksempel på kompetanse som er utviklet og implementert, er følgende sitat fra Christian Lodgaard, Senior Vice President i HÅG: «HÅG Celi, det første produktet som bygger på kunnskap, teknologi og materialer utviklet gjennom AdaptAl, er til dags dato det produktet i porteføljen med lavest klimafotavtrykk og høyest vekt-andel post-consumer materialbruk. På denne måten en demonstrator av hvor langt vi kan nå, og en spydspiss i bedriftens miljøarbeid». Endringer i adferd Nettverkene som er dannet er basert på et nært samarbeid mellom forskningsinstitutter, universitet og bedrifter. Nettverkene er forventet å bestå etter prosjektets avslutning, og det foregår allerede videreføring av samarbeid mellom flere av partnerne i prosjektet på nye case-studier. Dette betyr at det i fremtiden vil være enklere for bedriftene som har deltatt i prosjektet å kontakte forskere i SINTEF og NTNU med spørsmål knyttet til produkter og prosesser, og at kommunikasjonen forenkles ved at man kjenner hverandre og har erfaring med å jobbe sammen. Dette vil kunne initiere fremtidige forskningsprosjekter med deltagere fra både industri og forskningsmiljøer. Endringer i praksis Arbeidsmetodikken er endret for bedriftene i prosjektet. For noen av bedriftene, er dette et av de første skrittene i retning av utstrakt bruk av simuleringer i produktutviklingsfasen, mens for andre bedrifter i prosjektet som allerede benytter avanserte simuleringer, er metodikken som er videreutviklet i AdaptAl en metode som kan differensiere produktene som fremstilles fra konkurrentenes, og dermed gi en konkurransefordel. Effekter Langsiktige endringer på samfunnsnivå Effektene av prosjektet vil være en vedvarende forandring i produksjonsmetode under utvikling av nye produkter, ved at man baserer seg på avansert teknologi i stedet for kun å stole på erfaring. Innføring av avanserte simuleringsverktøy som PRO3 er nødvendig for at norske bedrifter skal være konkurransedyktige i fremtiden. Prosjektet har derfor bidratt til endringer på samfunnsnivå ved at bedriftene i prosjektet i fremtiden vil ha økt fokus på å optimalisere materialbruken og benytte brukt skrap («post consumer scrap») som råstoff i så stor grad som mulig. Dette vil kunne bidra til å redusere CO2-utslipp og dermed bidra til å redusere global oppvarming. I tillegg, vil metodikken som er videreutviklet, bidra til å redusere energi- og materialbruk, hvilket også har en positiv miljøeffekt.

The overall idea of the project is to develop and demonstrate a product-service-system that integrate multi-physics models, process models, advanced sensors, and virtual data through an optimizing software. The basis for the product-service system is a digital twin called PRO3, which operates through the aluminium process chain. PRO3 has been developed by Hydro during the last ten years and is presently used to simulate and optimize process parameters for internal and external customers in Hydro. In this project, the application of the software is extended to adaptive control. Each process step in the aluminium value chain is associated with process variations as well as variations in chemical composition of the alloy. Without an overall, predictive and adaptive process control system, these variations can accumulate outside tolerance specifications, which may lead to huge added production costs in terms of scrapped components and parts. The adaptive control system that is developed in the project will be demonstrated through extrusion and forming processes on products from the consortium companies within the markets automotive, furniture and sports. Hydro, Raufoss Technology, Flokk and IDT Solutions are all innovative Norwegian manufacturers, emphasizing added value sustainable products for global markets.