Digitale Technologien zur selbstlernenden Optimierung von Verfahren der laserbasierten generativen Fertigung

BMBF, Digitale Optik, 2017

Konsortium: O.R. Lasertechnologie GmbH, mineway GmbH, Berliner Nanotest und Design GmbH, Nokra Optische Prüftechnik und Automation GmbH, Ruhr-Universität Bochum

Maßnahmenbeschreibung

Kennzeichen Generativer Herstellungsverfahren ist eine ressourcensparende Fertigung komplexer Bauteile. Diese können konturnah aufgebaut werden, sodass nötige Endbearbeitung stark reduziert wird. Der Nutzungsgrad des Ausgangsmaterials steigt im Vergleich zu Subtraktiven Verfahren erheblich. Bauteile, die konventionell als Bauteilgruppe konzipiert sind, können in einem Stück generiert werden und Werkstoffgradienten ermöglichen neue Konstruktionsmöglichkeiten. Durch das Ausbleiben weiterer Bearbeitungs- und Fügeschritte kann die Produktionszeit gesenkt werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Fertigung sind jedoch sowohl ein hohes Prozessverständis, als auch ausgedehnte Parameterstudien. Diese müssen für jedes Pulvermaterial bzw. jedes Bauteil durchgeführt werden und vervielfachen sich mit zunehmender Komplexität des Bauteiles. Eine große Anzahl an Prozessparametern erschwert die Reproduzierbarkeit gefertigter Bauteile. Manuelle Analysen während der Parameterfindung und nach Bauteilfertigung sind unerlässlich.
Das Verbundprojekt erweitert das Herstellungsverfahren mit einer ausgeprägten optischen Informationserfassung zahlreicher Prozesszustände und digitaler online und offline Informationsverarbeitung. Durch einen hohen Automatisierungsgrad werden zum heutigen Stand der Technik nicht generierbare Strukturen realisiert werden können. Folglich werden zukünftige Werkstücke und Baugruppen kostengünstiger und schneller mit Additiven Fertigungsverfahren produziert werden können.

Lösungsansatz des Verbundprojekts

Ziel des Verbundprojektes ist die wesentliche Verbesserung des Generativen Fertigungsverfahren Laserauftragschweißen. Die Lösungsstrategie basiert auf einer Kombination umfangreicher, prozessbegleitender Messdatenerfassung optischer bzw. thermischer Zustandsgrößen, digitaler Sensordatenfusion und der Anwendung maschinell lernender Regel- und Prozessplanungsalgorithmen. Eine Vielzahl an Sensoren ermöglicht die Überwachung des Aufbauprozesses und damit eine Echtzeitregelung der funktionsrelevanten Material- und Geometrieeigenschaften. Weitere Messdaten und die Reglereingriffe werden digital analysiert. Die Rückkopplung in die Prozessplanung optimiert die zuvor eingesetzten physikalischen und datengetrieben Modelle und damit die Parameterwahl für folgende Strukturen. Mit jeder geschweißten Struktur erhöht sich die Qualität der maschinell erlernten Prozessparameter. Durch die intelligente Komponente kann das System diese ebenfalls für neue Anforderungen in Geometrie und Werkstoff eigenständig erlernen, sodass keine manuellen Parameterstudien durchgeführt werden müssen. Das vom Anwender benötigte Prozessverständis wird minimiert.
Während im Forschungsprojekt eine prototypische Umsetzung vorgesehen ist, wird eine zukünftige Wertschöpfungskette bereits durch die beteiligten Partner vorgezeichnet. Diese umfasst insbesondere die notwendige Sensorik, IT-Hard- und Software und die Expertise zur Herstellung des Gesamtsystems. Nach Projektende soll zeitnah durch den Verbundkoordinator O.R. Lasertechnologie GmbH eine mit der neuen Technologie versehende Laserauftragschweißanlage auf den Markt gebracht werden. Bereits zur Projektlaufzeit wird untersucht werden, wie sich das selbstlernende System auf andere Fertigungsverfahren übertragen lassen wird.

Hoch präzises und flexibles UWB-Positionsbestimmungs-system für problematische Messumgebungen (FLEX GRID)

EFRE, ProFIT Brandenburg, 2018 (80174380)

Konsortium: SenSYS, B-TU

Maßnahmenbeschreibung

Heute gibt es mehrere zuverlässige lokal (z.B. Lasertracking) oder global (z.B. GNNS/GPS) nutzbare Systeme zur Positionsbestimmung, die verschiedene physikalische Messprinzipien verwenden. Diese Systeme können durchaus mit hoher Genauigkeit arbeiten. In widrigen Messumfeldern, in denen beispielsweise Gegenstände oder Wettereinflüsse den Kontakt zwischen Sender- und Empfängereinheiten eines Messsystems stören und unterbrechen, haben jedoch alle heutigen Systeme unzuverlässige Ergebnisse oder sind überhaupt nicht einsetzbar.

Das Gesamtziel des beantragten Projektes besteht deshalb darin, für die Positionsbestimmung in schwierigen Messumgebungen technisch neuartige Lösungsansätze zu erforschen und hieraus ein weltweit einmaliges und flexibel einsetzbares Positionsbestimmungssystem zu entwickeln. Als physikalische Basis soll das neuartige Prinzip der UWB Technologie eingesetzt werden. Als UWB wird ein Funkverfahren bezeichnet, das eine große Frequenzbandbreite zur Laufzeitmessung zwischen einem mobilen Modul und mehreren Referenzpunkten verwendet. Im Rahmen des Projektes werden dabei neuartige Hard- und Softwarekonzepte, eine flexible UWB Netzwerktechnologie, sowie komplexe statistische Algorithmen zur Bestimmung von Positionen in einem flexiblen Netzwerk erforscht.

Mit den Projektergebnissen könnte die Firma Sensys ein weltweit einmaliges Positionsmesssystem auf dem Markt einführen und im Land Brandenburg in einem innovativen Technologiegebiet Arbeitsplätze in den Bereichen Forschung und Entwicklung sowie der Produktion schaffen.

Elektrische Leiter auf Polymerbasis durch Funktionalisierung

EFRE, ProFIT Brandenburg, 2018 (80173313)

Konsortium:  Trevrira, Aertec, B-TU

Maßnahmenbeschreibung

Ziel des Vorhabens ist die Erforschung von Möglichkeiten einer Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie für mit Nanopartikeln funktionalisierte Polyesterfasern. Die funktionalisierten Polyesterfasern sollen durch Verspinnen als konfektionierbare Kabel hergestellt werden, welche die charakteristischen Eigenschaften metallischer Leiter mindestens erreichen oder übertreffen.

Diese Kabel sind neuartig und werden bisher nicht kommerziell angewendet. Es entstehen dadurch immense wirtschaftliche Vorteile für den Hersteller und Anwender von elektrischen Leitern durch niedrigere Herstellungskosten, durch geringeres Gewicht und einstellbare elektrische und Festigkeitseigenschaften der funktionalisierten Polyesterfasern. Bereits im Herstellungsprozess lassen sich die Fasern mit isolierenden Polymeren ummanteln, um Einzelleiter zu erhalten, oder erst nach dem Verspinnen. Damit lassen sich unterschiedliche Funktionen oder elektrische Leitfähigkeiten darstellen.

Als Erstanwendung ist der Einsatz der Kabel für die elektrische Installation in Drohnen für den zivilen Einsatz geplant. Ziel ist hier die Gewichtseinsparung im Bereich der Elektrik um ca. 20%. Gleichzeitig sollen mit dem Vorhaben die Nachweise für die luftrechtliche zivile und militärische Zulassung erarbeitet werden.

Mobiles Thermografie-Verfahren für den Außeneinsatz zur automatisierten Schadensanalyse und Reparatur von faserverstärkten Großbauteilen an Schienenfahrzeugen und Windkraft-Anlagen

BMBF, "WIR! - Wl+R - ThermRep, 2020 (03WIR2504E)

Konsortium:  RCS, Berliner Nanotest und Design GmbH,
                     FhG IAP - Pyco, B-TU

Maßnahmenbeschreibung

Faserkunststoffverbunde (FKV) stellen für Schienenfahrzeuge und Windkraftanlagen ein wesentliches Geschäftsfeld in der Lausitz dar. Ein Problem von Leichtbauverbundwerkstoffen ist deren im Vergleich zu Metallen geringere Schadenstoleranz. Schadenserkennung und Reparaturverfahren sowie deren Zuverlässigkeit und Automatisierbarkeit stellen große Herausforderungen in diesen Branchen dar.

Bei der Ausschreibung und Beschaffung von Schienenfahrzeugen ist der ganztägige Einsatz über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten zu erfüllen. Beschädigungen, die von einer kleinen Ursache (z.B. Steinschlag im Frontbereich) ausgehen, können in einem kosten- und zeitaufwendigen Verfahren resultieren, Ausfälle eines Fahrzeuges durch Schadensbefundung und Reparatur die Beförderung von Fahrgästen über einen langen Zeitraum gefährden. Die Analyse eines Schadens an FKV-Bauteilen ist bislang nur mittels Sichtprüfung oder Klopfprüfung möglich. Beide Verfahren sind langwierig, abhängig vom jeweiligen Prüfer sowie kaum dokumentierbar. Sie können daher in einer späteren Überprüfung nicht herangezogen werden. Ein automatisiertes zerstörungsfreies Verfahren zur Schadensanalyse würde diese Untersuchungen zuverlässiger, objektiver und besser dokumentierbar machen. Ähnlich ist die Situation bei Rotorblättern von Windkraftanlagen, hier wird dieses allerdings noch durch das Arbeiten in großen Höhen zusätzlich erschwert.

Die Analyse von Wärmebildaufnahmen (Thermografie) ist heute bereits ein bekanntes Verfahren zur Erfassung von Delaminationen und anderen Schädigungen in der Mikroelektronik, es gibt auch bereits gute Ansätze zur Schadensanalyse in Verbundwerkstoffen. Diese Untersuchungen beschränken sich jedoch bisher auf Laboruntersuchungen. Für den Einsatz außerhalb von Werkstätten und Labors, also am realen Bauteil im Feld, z.B. dem Rotorblatt einer Windkraftanlage oder einem Verbundwerkstoff-Bauteil an einem Schienenfahrzeug, sind noch eine Reihe von Fragestellungen zu lösen: Das Verfahren muss sowohl in der Durchführung als auch Auswertung automatisierbar sein, da eine manuelle/visuelle Auswertung der Wärmebildaufnahmen für große Bauteile zu zeitaufwändig ist. Ein entsprechendes Analysegerät muss robust genug für den Außeneinsatz, also z.B. beständig gegenüber Witterung und Erschütterungen sein. Ebenso muss das zugrunde liegende physikalische digitale Mess- und Auswerteverfahren robust gegenüber Außeneinflüssen sein. Weiterhin muss der Zusammenhang zwischen dem Thermografie-Bild und der Schädigung im Laminat möglichst eindeutig für alle auftretenden Schädigungsfälle bekannt bzw. verstanden sein.

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