Selbstoptimierende Produktionsprozesse
| Vision |
Steigerung der Kontrollierbarkeit der Fertigungsprozesse, um eine hohe Produktqualität und Prozessproduktivität mit Hilfe von modellbasierter Selbstoptimierung zu gewährleisten |
| Ziele Phase 2 | (1) Realisierung eines multidimensionalen, modellbasierten Controll-Systems (bis hin zur Selbstoptimierung) (2) Erweiterung der Transparenz der Produktionssysteme auf ein Niveau, dass das Verhalten des Systems zu jedem Zeitpunkt beschrieben werden kann (3) Schaffung eines umfassenden Demonstrators für zukünftige integrative und interdisziplinäre Forschung |
Das Projekt befasst sich mit selbstoptimierenden Fertigungsverfahren und deren prototypischer Umsetzung in den Fertigungstechnologien Zerspanen, Schweißen, Laserschneiden, Spritzgießen, Weben und Flechten. Das Teilprojekt ist – nicht nur bezogen auf die Technologie – weit gefächert und deckt die Bereiche von der Simulation, über die Sensorik, Überwachung und Regelung bis hin zur Qualitätsprüfung ab. Der Fokus der einzelnen Arbeiten ist speziell auf die jeweilige Technologie und Anwendung ausgerichtet. Allen gemein ist jedoch das Ziel einer selbstoptimierenden Fertigung und die Konzepte zu deren Umsetzung. Die modellbasierte Regelung bildet eine zentrale Schnittstelle der Demonstratoren. Diese wurde auf das Fräsen, das Kunststoffspritzgießen, sowie das Weben und Flechten übertragen. Hier konnte vielfach die interdisziplinäre Ausrichtung des Exzellenzclusters genutzt werden.
Die Selbstoptimierung arbeitet mit Prozessmodellen die nummerisch optimiert werden, um das Optimum des realen Fertigungsprozesses zu bestimmen. In den letzten beiden Jahren konnten alle Demonstratoren deutliche Fortschritte hin zur selbstoptimierten Fertigung erreichen.
Für das Laserstrahlschneiden wurde eine Achssteuerung aufgebaut, um die Schnittgeschwindigkeit anhand der thermischen Emission zu regeln. So kann der thermische Eintrag in das Material optimiert werden. Beim Metallschutzgasschweißen wurde ein Softwaretool entwickelt, das empirischen Prozessmodells halbautomatisch erstellt. Die Modelgüte wird mittels statistischer Kennwerte abgeschätzt. Beim Tiefbohren konnte mit einem selbstentwickelten Sensor ein Überwachungssystem für den Spanabtransport umgesetzt werden. Die Arbeiten und Ergebnisse wurden in Form einer Dissertation dokumentiert und wurden 2016 veröffentlicht.
Die Zerspankraftsimulation wurde um die Mikrosimulation und variable Vorschubgeschwindigkeiten erweitert. Sie kann bei der modellbasierten prädiktiven Kraftregelung beim Fräsen eingesetzt werden. Hier wurde eine online Identifikation des Übertragungsverhaltens entwickelt, welche nun ein sich kontinuierlich aktualisierendes Prozesskraftmodell erstellt. Dieses dient der vorausschauenden Überwachung der Fräskraft durch einen Regler. Auf einem Bearbeitungszentrum konnte eine deutliche Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems gegenüber bestehenden Lösungen nachgewiesen werden. Auch hier konnte die Arbeit als Dissertation fertiggestellt werden. Das gleiche Regelungskonzept jedoch mit gänzlich anderen technologischen Parametern wird auch beim Kunststoffspritzguss untersucht. Hier konnten materialbedingte Viskositätsschwankungen kompensiert werden. Eine genauere Prozessregelung wird von einem neu entwickelten Werkzeug mit integrierten Drucksensoren im Heißkanal erwartet . Mit der Übertragung auf eine zweite Maschine konnte gezeigt werden, dass dieser Ansatz generisch ist. Für den selbstoptimierenden Radialflechtprozess konnte 2015 ein kommerzielles Kamerasystem weiterentwickelt werden, dass die Vermessung der Faserorientierung in Echtzeit ermöglicht und als Regelgröße genutzt werden kann. Beim Weben konnte der Algorithmus zur Offline-Optimierung validiert und die Steuerung in eine Android-App übertragen werden. Eine bessere Ausnahmenbehandlung bei plötzlichen Maschinenstillständen wurde ebenfalls entwickelt.
Das flexible Prüfsystem wurde um ein kinematisches Modell und ein umfassendes Bahnplanungssystem erweitert. So können nun Simulationsexperimente für die Suche nach Zeit- und Energieoptimalen Trajektorien durchgeführt werden.
Im vergangenen Jahr wurden einige Weiterentwicklungen in allen Bereichen geplant; auch wurden einige größere Investitionen getätigt.
Insbesondere steht die Intensivierung der interdisziplinären Zusammenarbeit mit dem IRT im Fokus der Forschungsarbeit. Konkret soll z.B. für das Laserstrahlschneiden die Echtzeitfähigkeit der Regelung erreicht werden. Die Erkenntnisse beim Tiefbohren sollen durch die entwickelten Modelle in eine neue Regelung einfließen. Die Kraftregelung beim Fräsen wird auf ein moderneres Bearbeitungszentrum übertragen. Hier sollen die maschineninternen Signale zur Prozessidentifikation genutzt werden. Die Simulationsmodelle werden um eine Prognose des abrasiven Verschleißes erweitert. Des Weiteren sind Validierungsversuche an Spritzgießmaschinen und Webmaschinen geplant. Zur Erhöhung der Autonomie des flexiblen Prüfsystems, wird diese um eine automatische Prüfobjekt- und Prüfmerkmalserkennung erweitert.
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Demonstrator "Selbstoptimierende Fertigungssysteme für das Laserschneiden"
Demonstrator "Modellgestützte Bausteine für die Selbstoptimierung beim Metall-Schutzgasschweißen"
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