Maschinelles Lernen zur Verbesserung der Zement- und Betonherstellung

Hinter unseren Produkten für die Zement- und Betonherstellung verbirgt sich grundsätzlich dieselbe Technologie; wir nutzen Maschinelles Lernen zur prädiktiven Qualitätsaussteuerung.

1/4 Datensammlung und -filterung

Während der Produktion von Zement und Beton werden große Datenmengen generiert, welche zur Zeit ungenutzt bleiben. Unsere Software strukturiert und verbindet Daten aus verschiedenen Systemen, z.B. LIMS und Produktionsdatenerfassung. Daraufhin säubern und filtern wir die Daten, damit Messfehler oder vertauschte Proben nicht die Modelle beeinflussen und somit die nachfolgenden Prozesse verfälschen.

2/4 Training und Evaluierung

Mit den gesammelten Daten trainieren wir Machine Learning Modelle, die verschiedene Qualitätseigenschaften von Zement und Beton vorhersagen können, wie z.B. Druckfestigkeit, Blaine oder Ausbreitmaß. Die Modelle werden nicht einmalig, sondern regelmäßig trainiert. Somit können sie die sich ändernden Bedingungen im Werk mit einbeziehen. Zudem werden unsere Modelle kontinuierlich evaluiert und verglichen, um jederzeit die bestgeeignetsten Modelle zu verwenden.

3/4 Vorhersage und Optimierung

Auf Basis unserer Vorhersagemodelle bestimmen wir optimale Sollwerte für Produktionsparameter, um die gewünschten Qualitätsziele für Beton oder Zement zu erreichen. Diese Sollwerte werden an die Leitstände der Zement- und Betonwerke übermittelt.

4/4 ML Infrastruktur

Unsere Machine Learning Pipeline und die Webanwendung laufen in einer modernen cloud-basierten Infrastruktur. Wir nutzen "Infrastructure as Code" mit Terraform, um Änderungen an unserem Produktivsystem sicher und schnell umzusetzen. Außerdem ermöglicht uns Terraform Testumgebungen zu erzeugen, die eine schnelle und flexible Softwareentwicklung ermöglichen.

Elektronenmikroskopie des Hydratationsprozesses

Beton ist keine stumpfe graue Masse. Es trotz wechselhafter Zutaten, Wetter- und Verkehrsbedingungen hinzubekommen, dass der Beton auf der Baustelle die richtige Konsistenz aufweist, weder zu zäh ist noch zum Entmischen neigt, zum vorgegeben Zeitpunkt erstarrt, die für die Baustatik benötigte Druckfestigkeit entwickelt, und schlussendlich mithilfe einer gezielten Porösität 50-100 Jahre Angriffen durch Tausalz oder Gülle standhält, gleicht der Tätigkeit eines Alchimisten in früheren Jahrhunderten, auf besondere Weise beschrieben im gleichnamigen Buch von Paolo Coelho.

Verantwortlich für die Entwicklung dieser Eigenschaften sind verschiedene Kristalle [1] im Zement, der zentralen Zutat von Beton. Sobald diese mit Wasser in Berührung kommen (i.d.R. im Betonwerk), beginnen die Kristalle [2] zu wachsen und damit die Eigenschaften des Betons zu bestimmen. Die Erforschung dieses Wachstums, in all seinen Facetten, gibt Aufschluss darüber, wie sich die Entwicklung der Eigenschaften von Beton besser verstehen bzw. sogar bewusst steuern lässt. Daher ist sie für unser Unternehmen von hoher Relevanz.
Das vorliegende Video wurde von Dr. Alexander Herb angefertigt, dem es in seiner Dissertation [3] unter einem speziellen Rasterelektronenmikroskop erstmalig gelungen ist, genau diese Kristalle während ihres Wachstums sowie ihrer teilweisen Umwandlung in andere Kristalle zu beobachten und als Fotoaufnahmen festzuhalten. Auch an anderen Stellen unseres Webauftritts haben wir Fotoaufnahmen von Dr. Herb verwendet, wofür wir uns an dieser Stelle herzlich bedanken möchten.

[1] Genannt Klinkerphasen, z.B. Tricalciumaluminat (3 CaO * Al2O3, bzw. C3A in Zement-Notation)
[2] Dann genannt Hydratphasen, hauptsächlich Calciumsilikathydrate (m CaO * SiO2 * n H2O)
[3] Dr.-Ing. Alexander Herb (2003). Indirekte Beobachtung des Erstarrens und Erhärtens von Zementleim, Mörtel und Beton mittels Schallwellenausbreitung. Dissertation, Universität Stuttgart, Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften.

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