KI für besseres, technisch modifiziertes Holz

(21.11.2019) Dr. Mark Schubert und sein Team nutzen die Möglichkeiten des maschinellen Lernens für holztechnische Anwendungen: Die Empa-Wissenschaftler entwickeln zusammen mit Swiss Wood Solutions eine digitale Holzauswahl- und Verarbeitungsstrategie unter Verwendung Künstlicher Intelligenz (KI).

Holz ist ein Leichtbauwerkstoff mit ganz spezifischen physikalischen Eigenschaften, die das Naturprodukt auch als Konstruktionsmaterial für etwa Musikinstrumente und Sportgeräte empfiehlt. Gerade dort sind die Qualitätsansprüche sehr hoch. Unglücklicherweise hat Holz eine sehr ungleichmäßige Materialstruktur, die sich über mehrere Dimensionen erstreckt. Bei der Verarbeitung braucht es daher oft große Sicherheitsmargen, die die Effizienz der Materialausnutzung einschränken. Mit Hilfe der Wissenschaft könnte sich dieses Manko bald lösen lassen. Eine Schlüsseltechnologie dafür ist Künstliche Intelligenz.

Diese Gitarre wurde aus modifiziertem Schweizer Eichenholz gefertigt. (Foto © Swiss Wood Solutions AG) 

Neuronale Netze sortieren Datenflut

Dr. Schubert arbeitet in der Forschungsabteilung „Cellulose & Wood Materials“ der Empa. In den vergangenen Jahren hat er sich u.a. intensiv mit maschinellem Lernen beschäftigt, um die Funktionalisierung von Holz zu optimieren. Diese Erfahrungen sollen nun auf weitere Bereiche der Holzverarbeitung ausgeweitet werden.

Das Problem, das jeder verarbeitende Betrieb hat, beginnt bei der Eingangskontrolle: Sie liefert Daten über Dichte, Feuchte, Faserrichtung und Jahrringlage des Rohholzes. Um dieses nun gewinnbringend zu verarbeiten, müssen die sequentiellen Produktionsschritte wie Trennung, Sortierung und Behandlung gut geplant und viele Prozessparameter richtig eingestellt werden. Am Schluss, bei der Qualitätskontrolle zeigt sich, ob die Einstellungen richtig und die Verarbeitung des Holzes erfolgreich waren. Mitarbeiter mit Augenmaß und jahrelanger Erfahrung können hier oft helfen, Fehler zu vermeiden. Doch ein ganzheitlicher Ansatz, der die Rohstoff- und Prozessparameter erfasst, analysiert und eine Vorhersage der Produktqualität in Echtzeit erlaubt, fehlt.

Premiere beim Startup-Unternehmen Swiss Wood Solutions

Künftig soll die Flut von Daten aus der Holzverarbeitung mit Hilfe tiefer neuronaler Netze analysiert werden und in den Herstellungsprozess einfließen. Um diesen Ansatz umzusetzen, arbeitet Dr. Schubert mit der Firma Swiss Wood Solutions zusammen. Das an der Empa entstandene Startup-Unternehmen unter der Leitung von Oliver Kläusler hat sich auf die Veredelung einheimischer Hölzer spezialisiert. Mittels einer Spezialpresse und jahrelang aufgebautem Knowhow wird etwa aus Fichten- oder Ahornholz ein harter, dichter Spezialwerkstoff, der tropisches Ebenholz ersetzen kann (Stichwort „technisch modifiziertes Holz“).

Modifiziertes Schweizer Holz kann in vielerlei Anwendungen Tropenholz ersetzen – ein Beitrag zur Erhaltung tropischer Wälder. (Foto © Swiss Wood Solutions AG) 

Die nachverdichteten Holzsorten wurden bereits erfolgreich für Violinen, Gitarren und Klarinetten, sowie für Übungsschwerter der asiatischen Kampfsportart Budo eingesetzt. Nun soll die bisherige Versuchsproduktion deutlich ausgeweitet werden. Dazu nahm die Firma im November 2019 ihre erste eigene Industriepresse in Betrieb.

Gemeinsam mit Swiss Wood Solutions will Dr. Schubert nun den Erfahrungsbereich erweitern, damit aus der wachsenden Menge des verarbeiteten Rohmaterials Hightech-Hartholzprodukte in gleichbleibender Qualität gefertigt werden können.