Unsere Forschungsbereiche

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Smarte Materialsysteme

Smarte Materialen aus Formgedächtnislegierungen (SMA) oder Dielektrischen Elastomeren (DEs) sind insbesondere für energieeffiziente, kostengünstige oder auch einfach nur neue, bisher noch nicht existierende technische Lösungen relevant geworden. Innovative, hochenergieeffiziente und klimaneutrale Kühltechnologien werden ebenso wie energiesparende Antriebsysteme in Zukunft unser tägliches Leben verändern.

Anwendungen smarter Materialsysteme ziehen sich dabei vielseitig durch die Bereiche der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Chemieindustrie, Smart Home bis in die Biomedizin.

Wissenschaftler arbeitet an Demonstrator

Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki

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Dr.-Ing. Sophie Nalbach

Bereichsleiterin Smarte Materialsysteme

sophie.nalbach@zema.de

+49 (681) 85787 – 910

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Shape Memory Alloys

Im Bereich der Formgedächtnislegierungen (engl. shape memory alloy, SMA) spezialisiert sich die Arbeitsgruppe auf Forschungsaktivitäten ausgehend von Grundlagenuntersuchungen zur Materialcharakterisierung von Formgedächtnislegierungen (FGL) bis hin zur Entwicklung von innovativen und effizienten Aktor-Sensor-Systemen.

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Anwendungsgebiete reichen von druckluftfreien energie-effizienten Greif- und Handhabungssystemen in der industriellen Produktion bis hin zu maximal kompakten intelligenten Stellaktoren im Automotivebereich.

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Electroactive Polymers

Die Arbeitsgruppe Electroactive Polymers (EAP) beschäftigt sich mit der Entwicklung von Aktor- und Sensorsystemen auf Basis dielektrischer Elastomere sowie ionischer Polymere in den Bereichen Grundlagenforschung sowie anwendungsnahe Forschung und Entwicklung industrieller Systeme.

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Potenzielle Anwendungsfelder umfassen die Ventiltechnik, wo effiziente und proportional regelbare EAPs elektromagnetische Aktoren ersetzen, aber auch hochfrequente Anwendungen wie Pumpen, Haptik, Lautsprecher oder Ultraschall. Ein weiteres schnell wachsendes Forschungsfeld für EAP Systeme ist die sogenannte „softe“ Robotik.

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Elastocalorics

Elastokalorisches Kühlen und Heizen ist eine disruptive neue Technologie, die auf dem mechanischen Be- und Entlasten von superelastischen Nickel-Titan-Legierungen (NiTi) beruht, welche dabei extrem große Wärmemengen freisetzen und absorbieren können.

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Dieses tun sie um ein Vielfaches effizienter als gegenwärtig übliche Kältekompressionsverfahren, und darüber hinaus wird durch die Verwendung von Metallen die Freisetzung schädlicher Klimagase in die Atmosphäre vollständig vermieden. Zu dieser Technologie wurden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP1599 “Ferroic Cooling” entscheidende Beiträge, u.a. in Form eines weltweit ersten Luft-/Luft-Maschinendemonstrators, geliefert.

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Smart Materials Modeling & Control

Intelligente Materialien wie beispielsweise Formgedächtnislegierungen oder Dielektrische Elastomere weisen typischerweise ein stark nicht-lineares Materialverhalten auf, oftmals mit großer Hysterese verbunden.

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Das Verständnis dieses Materialverhaltens und seine mathematische und physikalische Beschreibung bildet die Grundlage für effizientes Aktor- und Sensordesign. Die Arbeitsgruppe entwickelt analytische und numerische Modelle, welche bei der Auslegung von Prototypen unterstützen. Aufgrund der Nichtlinearität stellt auch die Ansteuerung und eventuelle Regelung der Materialien eine weitere Herausforderung dar. Neue Regelstrategien und -konzepte erlauben den optimierten Betrieb der intelligenten Aktoren in der Anwendung.

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Smart Material Electronics

Ziel dieser Arbeitsgruppe ist die integrierte Ansteuerung von Systemen auf Basis smarter Materialien. Die Schaltungsentwicklung spielt besonders bei dem zur Verfügung stellen, der für die Materialien benötigten, (Hoch-)Spannungen und Ströme eine zentrale Rolle.

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Zusätzlich sind spezielle Elektroniklösungen zur simultanen Erfassung von sensorischen Größen erforderlich. Die entwickelten Lösungen werden kompakt in Gesamtsysteme integriert, sowohl in Anwendungen mit begrenztem Bauraum als auch in flexiblen Systemen. Ebenso ist die Microcontroller-Programmierung ein wichtiger Bestandteil der Forschungsarbeiten.

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Biomedical Systems

In der Biomedizin wird an smarten minimalinvasiven Chirurgiewerkzeugen und neuartigen Implantatlösungen geforscht. So werden beispielsweise durch Mikroaktoren aus Formgedächtnislegierungen neuartige, steuerbare Führungsdrähte zur optimierten, patientenfreundlichen Katheterverlegung erforscht.

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In einem von der Werner-von-Siemens-Stiftung geförderten Verbundprojekt mit Universitätsklinikum und Universität des Saarlandes, sowie dem Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) werden neuartige, smarte Implantate entwickelt, die patientenspezifisch die Heilungszeiten bei Knochenfrakturen dramatisch verkürzen werden.

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Applied Simulations

Die Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung von (numerischen) Simulationswerkzeugen für innovative mechatronische Aktoren, Sensoren und Klimatisierungssysteme.

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Im Fokus stehen elektrische und elektro-mechanische Feldsimulationen sowie gekoppelte multiphysikalische Analysen thermo-mechanischer und fluidischer Systeme. In Zusammenarbeit mit den Gruppen der unterschiedlichen Themenfelder werden die entwickelten Modelle und Werkzeuge experimentell validiert. Diese werden zur Auslegung und Anpassung von anwendungsorientierten Systemlösungen genutzt. Ziel ist die Optimierung der entwickelten Systeme für verschiedenste Anwendungsgebiete.

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Smart Fluidics

Aufgrund ihrer für das Anwendungsfeld der Fluidik attraktiven Eigenschaften wie Energieeffizienz, kompakte und leichtgewichtige Bauformen sowie hochfrequenter und geräuschfreier Betrieb werden smarte Materialien wie Formgedächtnislegierungen (FGL) und Elektroaktive Polymere (EAP) häufig in Ventil-, Pumpen- und Fluidsensorik-Systemen (Druck, Volumenstrom) eingesetzt.

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Dort ersetzten sie konventionelle Antriebssysteme wie Elektromagneten oder aber nutzen hydraulische Konzepte in Kombination mit ihren speziellen Materialeffekten.

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Smart Textiles

Die Integration von Aktoren und Sensoren auf Basis hauchdünner Nickel-Titan Drähte oder silikonbasierter Polymerfolien in Textilien ermöglicht die Funktionalisierung von Kleidung und Ausrüstung wie beispielsweise Werkerhandschuhe oder Arbeitswesten.

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Die integrierte Sensorik ermöglicht die präzise Erfassung von Bewegung und Vitalparametern. Gleichzeitig bieten Eingabeflächen und aktive Bereiche die Möglichkeit zur direkten Interaktion mit dem digitalen oder virtuellen Umfeld. Durch haptisches Feedback oder akustische Signale können textilbasierte Systeme für industrielle, medizinische und auch Gaming-Anwendungen entwickelt werden.

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Projekte der Gruppe

Multimodal Smart Sensing

Der Forschungsbereich Multimodal Smart Sensing entwickelt und forscht an Dünnschichttechnologien, statistische Signalauswertekonzepte zum Condition Monitoring, Fluidtechnik und Fluidüberwachung sowie Systemmodellierung und Regelungstechnik.

Ziel der Forschung ist die Entwicklung mechatronischer Komponenten sowie deren Integration in innovative Produkte und Anlagen in den Bereichen Industrie und Forschung.

Prof. Dr. Andreas Schütze

Lehrstuhl für Messtechnik UdS & Forschungsbereich Data Engineering &Smarte Sensorik am ZeMA

andreas.schuetze@zema.de
+49 (681) 302 4663

Foto: Oliver Dietze

Tizian Schneider

Verantwortlicher Gruppenleiter

tizian.schneider@zema.de
+49 (681) 85787 – 48

Tizian Schneider

Sensorik und Dünnschichttechnologien

Moderne Verfahren der Beschichtungstechnik und der Laserstrukturierung ermöglichen die Entwicklung von sensorischen Dünnschichten mit sehr vorteilhaften Eigenschaften. Die Arbeitsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik erforscht hochsensitive Funktionsschichten für die Sensorik mechanischer Größen wie Druck, Dehnung, Kraft, Gewicht und Drehmoment. Die Anwendungsexpertise umfasst Dehnungsmessstreifen für verschiedene Aufnehmer sowie Drucksensoren.

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Zu den Forschungstätigkeiten gehört:

  • vielfältige Schicht-Deposition mittels Sputter-Technologie,
  • flexible Probenstrukturierung mittels Laserablation,
  • Aufbau und Kontaktierung verschiedenster Kraft- und Druckaufnehmer,
  • präzise Charakterisierung unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen.

 

Durch die Sputter-Deposition – einschließlich reaktiver und co-gesputterter Prozesse – können unterschiedlichste Materialien und Materialkombinationen erzeugt werden. Dünnschichten aus nanoskaligen Partikeln in verschiedenen Matrixsystemen (granulare Metalle) werden für fortschrittliche Sensorik nutzbar gemacht. Auch Metall-Schichten mit bestimmten Zusätzen können hervorragende Sensoreigenschaften besitzen. Beispiele für unsere Schichtsysteme sind:

• Metall-Kohlenstoff-Schichten (bspw. Ni-C). Sie besitzen ähnlich wie die bekannten piezoresistiven Halbleiter eine erhöhte Sensitivität. Durch geeignete Zusätze wie Chrom lassen die Schichten sich auch für sehr hohen Umgebungstemperaturen stabilisieren. Das Verhalten unter harten Umgebungsbedingungen wird dabei umfassend untersucht. Für Messaufnehmer relevante Eigenschaften wie das Signalkriechen werden präzise charakterisiert.

• Spezielle antiferromagnetische Metall-Legierungen. Diese ermöglichen neben einer hohen Sensitivität auch besonders hohe Stabilität und Robustheit bei einstellbarem Temperaturverhalten.

In Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit Partnern aus der Wirtschaft werden die Funktionsschichten für konkrete Sensorentwicklungen eingesetzt. Die vorhandene physikalische Analytik (Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie u.a.) und unsere Expertise für Laserfeinbearbeitung (Ultrakurzzeitlaser), Beschichtungstechnik (Sputteranlagen) und Sensoraufbau (Laserschweißen, Ultraschall-Bonden u.a.) kann auch im Rahmen von Dienstleistungsaufträgen genutzt werden.

Intelligentes Condition Monitoring, Fluid- und Prozessüberwachung

Die systematische Analyse von verknüpften Sensorsignalen und Maschinenparametern mit Methoden des maschinellen Lernens bieten ein enormes Potential, Produktions- und Prüfprozesse sowie die Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit zu optimieren. Die Gruppe DESS deckt dabei das gesamte Spektrum von Design of Experiment und Modelltraining bis hin zu Modellinterpretation, -validierung und Messunsicherheitsbetrachtung ab.

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Die Aktivitäten lassen sich hierbei in folgende Hauptaufgabenbereiche unterteilen:

• Design of Experiment für Zustandsbewertung mit maschinellem Lernen

– Beratung bei und Erstellung von Versuchsplänen und dem optimalen Kompromiss zwischen vielen, statistisch unabhängigen Trainingsdaten und Versuchskosten

– Beratung bei Sensorik und Datenerfassung und Unterstützung mit Hilfe eines modularen Messkoffers zur Trainingsdatenerfassung

– Versuchsbegleitende Datenauswertung zur ständigen Überwachung der Datenqualität und des Versuchsverlaufs

 

• Automatisierte Machine Learning Toolbox für die Zustandsbewertung industrieller Maschinen

– Vorhersage verbleibender Lebensdauer von Maschinenkomponenten

– Erkennung von Sensorfehlern wie Offset, Drift, ungewöhnliches Rauschen oder Signalausreißer durch die Ausnutzung von (Teil-)Redundanzen in Sensornetzen

– Frühzeitige Erkennung von Ausschuss

– Soft Sensing

– Schadenserkennung zur Unterstützung von Wartungspersonal

 

• Sensornahe Signalverarbeitung

– Datenreduktion direkt am Sensor durch Merkmalsextraktion und -selektion

– Spezielle Algorithmen für sensornahe Signalverarbeitung und Inferenz mit wenig Ressourcenbedarf

– Einsatz spezieller Hardware-Chips für ML-Inferenz (mit Partnern)

 

• Explainable AI

– Physikalische Interpretation automatisiert gelernter Schadenssymptome, um zufällige Korrelationen zu vermeiden und ML-Entscheidungen nachvollziehbar zu machen

– Robustheits- und Übertragbarkeitsanalysen durch physikalisch motivierte Kreuzvalidierung für maximale Zuverlässigkeit der gelernten Modelle

 

• Messunsicherheitsbetrachtung von maschinellem Lernen

– Messunsicherheitsbetrachtungen basierend auf GUM für präzise Einschätzungen der Zuverlässigkeit von Vorhersagen

– Durchgehende Rückführbarkeit von Lebensdauer

 

• Anomalieerkennung

– Erkennung unbekannter Maschinenschäden

– Plausibilitäts-Checks für ML-Inferenz

– Ausreißererkennung zur Verbesserung von Trainingsdaten

Digitale Automatisierungssysteme

Die Arbeitsgruppe Digitale Automatisierungssysteme erarbeitet Automatisierungslösungen im Design und systemtechnischen Umsetzung von Applikationen von Mess-, Steuerungs- und Regelungs­prozessen für innovative Produktions- und Fertigungsverfahren.

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Die Forschungstätigkeiten lassen sich in die folgenden Schwerpunkte gliedern:

• SPS-basierte Applikationen
– Steuerung und Regelung mit SPS-Systemen
– Prozessvisualisierung
– Motion-Control und Antriebslösungen
– Prototypentwicklung
– Training und Weiterbildung

• Prozessentwicklung
– Regelung und Prozessoptimierung von Laserschweißprozessen
– Automatisierte Kontaktierung von FGL-Materialien mit elektrisch leitenden Materialien
– Prozessanalyse von PECM-Anlagen
– Automatisierte Archivierung von Dokumenten

• Digitale Automatisierungssysteme
– Standardisierte Projektierung von Automatisierungssystemen
– Einbindung und Verarbeitung von Planungsdaten zur automatisierten Konfiguration von Automatisierungslösungen

Basierend auf Erfahrungen und aktuellen Entwicklungen der Automatisierungstechnik werden neue und innovative Anwendungen entwickelt und in produktionsnahen Demonstratoren konzipiert und verifiziert. Aktuelle Trends und neue Lösungen, insbesondere bei der Digitalisierung von Produktionsprozessen, fließen in Methoden, Konzepte und Lösungen mit ein. Die Arbeitsgruppe forscht in nationalen Verbundprojekten mit Kooperationspartnern aus Forschung, Verbänden und Industrie und leistet Beiträge zum Technologietransfer für regionale und überregionale KMU-Unternehmen.

Wasserstoffresistente Sensorik

Eine sichere – wasserstoffresistente – Sensorik ist für die breite Anwendung von Wasserstoff in vielen Bereichen der Industrie und des Mobilitätssektors notwendig. Die Arbeitsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik bietet sowohl Testmöglichkeiten für bestehende Sensorprodukte unter Wasserstoffdruck als auch die Kompetenz zur Entwicklung von verlässlichen, ausfallsicheren und kostengünstigen wasserstofftauglichen Sensoren.

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Verschiedene Teststände können für die Langzeitprüfung von Sensoren unter Wasserstoffdruck und erhöhter Temperatur eingesetzt werden. Dabei werden die Sensorsignale registriert und Ausfälle erkannt.

Ein Beispiel zeigt die Überprüfung von Drucksensoren unter Wasserstoffbeanspruchung. Da Wasserstoff die Eigenschaft hat, Metalle, insbesondere dünne Stahlmembranen von Drucksensoren zu verspröden (Wasserstoffversprödung) sowie zu durchdringen (Wasserstoffpermeation) können physikalische oder chemische Reaktionen die Messbrücken beeinflussen, sodass falsche Messsignale entstehen und Sensoren ausfallen. Die Graphik zeigt den Ausfall von Drucksensoren in einem Test über mehr als zwei Jahre. Der vollständige Bericht zum Forschungsprojekt H2DruckSens ist hier verfügbar.

Hier geht es zum Bericht.

Projekte der Gruppe

Montagesysteme

Der Forschungsbereich Montageverfahren und -automatisierung entwickelt und erforscht modulare und skalierbare Lösungen für die wandlungsfähige und digitalisierte Montage von Morgen. Ausgehend vom ganzheitlichen Ansatz Produkt – Prozess – Betriebsmittel, analysieren wir zunächst das zu montierende Produkt, um anschließend die Montageprozesse zu entwickeln und erforderliche Technologien als Betriebsmitteln auszuwählen.

Schwerpunkte:

• Einsatz und Weiterentwicklung wissenschaftlicher Methoden sowie Softwarewerkzeuge aus dem Bereich der Digitalen Fabrik

• Vernetzung wandlungsfähiger Systeme und Realisierung eines durchgängigen Datenaustauschs zwischen produktionsnahen Unternehmensbereichen für die digitalisierte Produktion

• Anwendung von Methoden der Künstlicher Intelligenz für Engineering-, Wissens- und Prüfprozesse als auch zur Planung und Ausführung robotergestützer Prozesse

• Erforschung und Anwendungsentwicklung neuer Technologien zur Unterstützung des Menschen in der Produktion, wie der Mensch-Roboter-Kooperation und intelligenter kognitiver Assistenzsysteme

• Entwicklung eines prozessorientierten Toleranzmanagements und Vorgehensweisen zur funktionellen Absicherung sowie effizienten Inbetriebnahme automatisiert fahrender Fahrzeuge

Ziel unserer Forschungsaktivitäten ist den Menschen als handelnde Person und Entscheider auch in der zukünftigen Produktion optimal zu unterstützen, um eine Produktivitäts- und Qualitätssteigerung unter Einsatz innovativer Prozesse und Technologien zu realisieren. Unser Fokus liegt dabei u.a. auf Vor- und Endmontagen in der Automotive-, Flugzeug-, Weißware- und Konsumgüterproduktion als auch im Sondermaschinenbau.

Wissenschaftler arbeiten zusammen mit Roboter an Autoreifen

Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller

Lehrstuhl für Montagesysteme UdS & Forschungsbereich Montagesysteme am ZeMA

rainer.mueller@zema.de
+49 (681) 85787 – 15

Rainer-Müller

Christoph Speicher

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Montagesystemtechnik und Anlagenplanung

Die Forschungsgruppe Montagesystemtechnik und Anlagenplanung erforscht, entwickelt und wendet wissenschaftliche Methoden und innovative Zukunftstechnologien im Kontext von Industrie 4.0 und der Künstlichen Intelligenz im Produktionsumfeld an.

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Dies erfolgt mit dem Ziel neue effiziente, wandlungsfähige Montageprozesse und -systeme zu entwickeln, zu betreiben und zu steuern, die den Mitarbeitenden bei seiner wertschöpfenden Tätigkeit unterstützen.

Die Forschung und Entwicklung der Gruppe Montagesystemtechnik und Anlagenplanung konzentriert sich dabei auf:
• Ganzheitliche Systeme wie bspw. Planung- und Steuerungstools und Expertensysteme (KI) zur Komplexitätsbeherrschung in der Einzel- und Serienfertigung
• Digitalisierung von Produktions- und Geschäftsprozessen durch innerbetriebliche und unternehmensübergreifende Vernetzung
• Assistenzsysteme zur Unterstützung von Mitarbeitenden entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Entwicklung bis zur Produktion und Inbetriebnahme

Zu unserem Forschungsschwerpunkt zählen daher Themen wie:
Adaptive Produktionsplanung, -management und -steuerung
• Digitaler Zwilling und cyber-physische Produktionssysteme
• Virtuelle Fabrik und Product Lifecycle Management (PLM)
• Mensch-Technik-Interaktion mittels kognitiver Assistenzsysteme
• Künstliche Intelligenz und Big Data in der Produktion

 

Unsere Leistungen bei einer Forschungskooperation:

• Analyse von Montageprozessen sowie strukturierte Auswertung und Aufbereitung von relevanten Produkt- und Prozessdaten als Grundlage von Verbesserungsvorhaben
• Entwicklung und Anwendung wissenschaftlicher Methoden zur Planung von wandlungsfähigen Montagesystemen und –prozessen zur Komplexitätsbeherrschung der Produktion von morgen
• Entwicklung von Mensch-zentrierten Assistenzsystemen zur kognitiven Entlastung von Mitarbeitenden mittels zukunftsweisender Digitalisierungslösungen
• Konzeption von flexiblen Produktionsabläufen und modularen Montagesystemen
• Weiterentwicklung von Bestandsanlagen und Prozessen durch innovative Zukunftstechnologien im Kontext der Digitalisierung und Künstlicher Intelligenz
• Durchführung von Machbarkeitsstudien durch prototypische Entwicklungen, Versuchsanordnungen und softwaregestützten Planungstools
• Technische und wirtschaftliche Bewertung der Konzepte und Systemalternativen

Robotik und Mensch-Technik-Interaktion

Die Arbeitsgruppe Robotik und Mensch-Technik-Interaktion entwickelt technologische Konzepte und Prototypen für innovative Roboterprozesse mit Fokus auf Autonomie als auch einer menschzentrierten Interaktion.

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Die Forschungstätigkeiten lassen sich in die folgenden Schwerpunkte gliedern:

Industrierobotersysteme
– Steuerung und Regelung konventioneller Robotersysteme
– Einsatz sensitiver Systeme
– Grafische Simulation und Bahnplanung
– Prozesswerkzeugentwicklung
– Genauigkeitsbetrachtung und Kalibrierung von Robotersysteme

• Perzeption
– Messstrategieentwicklung und Objekterkennung
– Mensch-Tracking und Sicherheit
– Verhaltensprädiktion

• Interaktion
– Sichere Mensch-Roboter-Kooperation
– Anwenderorientierte Bedien- und Interaktionskonzepte
– Ad-Hoc Handlungsplanung
– Integration und Inbetriebnahme von Assistenzsysteme

Einsatz Künstliche Intelligenz
– Entscheidungsunterstützung / -prozesse, Assistenz
– Kommunikationsfreie Mensch-Roboter-Kollaboration basierend auf KI-ansätze
– Unkonventionellen Bahnplanung basierend auf Reinforcement Learning Algorithmen

 

Basierend auf verfügbaren Robotersystemen, Sensorik und Betriebsmitteln werden neue und innovative Anwendungen entwickelt und in produktionsnahen Demonstratoren validiert. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse fließen in Methoden, Konzepte und Lösungen ein. Die Arbeitsgruppe forscht in europäischen und nationalen Verbundprojekten mit Kooperationspartnern aus Forschung, Verbänden und Industrie und fokussiert sich auf einen industrienahen Transfer Ihrer Forschungsergebnisse durch Veröffentlichungen und wissenschaftlicher Beratung.

Technologie und Prozessentwicklung

Bei einer detaillierten Analyse der Toleranzproblematik in Montageprozessen zeigt sich jedoch oft, dass die Funktion des Produktes in der angestrebten Qualität auch durch gut durchdachte und einfach gestaltete Montageprozesse wesentlich günstiger erzielt werden kann.

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In der industriellen Praxis ist häufig zu beobachten, dass Produkte konstruiert werden, die aufgrund ihrer Toleranzen nur durch äußerst komplexe Montageprozesse und damit einhergehende kostenintensive Betriebsmittel produzierbar sind.

Bei einer detaillierten Analyse der Toleranzproblematik in Montageprozessen zeigt sich jedoch oft, dass die Funktion des Produktes in der angestrebten Qualität auch durch gut durchdachte und einfach gestaltete Montageprozesse wesentlich günstiger erzielt werden kann.

Gemeinsam mit Herstellern und Anwendern von Montagesystemen analysieren wir das Produkt, den Montageprozess und die Betriebsmittel. Auf Basis dieser Analyse wird anschließend der vorhandene Montageprozess optimiert bzw. ein toleranzgerechter Montageprozess erstellt, so dass eine effiziente Realisierung der Funktion des Produktes in der angestrebten Qualität durch den Montageprozess gewährleistet wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine systematische, toleranzgerechte und effiziente Auslegung von Montageprozessen.

Unser Ansatz

Zur Analyse wird das Montagesystem in Teilsysteme aufgeteilt. Das Gesamtsystem kann so durch eine Toleranzkette beschrieben werden. Um die Toleranzketten aufstellen und optimieren zu können, werden verschiedenen Methoden zur Parameteridentifikation genutzt.

Für die Optimierung stehen die unten dargestellten Möglichkeiten zur Verfügung. Durch Identifikation von kinematischen und dynamischen Parametern sowie Gelenkelastizitäten können beispielsweise Handhabungsgeräte kalibriert und damit die Toleranzketten verkürzt werden. Durch Fügehilfen oder zusätzliche Messtechnik können sogar ganze Glieder der Toleranzkette eliminiert werden.

Unsere Leistungen

• Analyse von Produkten, Prozessen und Betriebsmitteln hinsichtlich der Toleranzen

• Identifikation relevanter Systemparameter

• Unterstützung bei der bedarfsgerechten Auswahl von Montage- und Handhabungssystemen

• Kompensation von Bewegungsfehlern durch Kalibrierung

Projekte der Gruppe

Fertigungstechnologien

Die Schwerpunkte in diesem Forschungsbereich liegen in den abtragenden Fertigungsverfahren und der Fertigungsprozessentwicklung.

Ziel ist es, sowohl Produkte zu entwickeln, als auch die benötigten Produktionsprozesse sowie die hierfür benötigten Betriebsmittel bereitzustellen.

Wissenschaftler forscht mit Roboter

Prof. Dr.-Ing. Dirk Bähre

dirk.baehre@zema.de
+49 (681) 85787 – 101
ZeMA - GF 2021

Thomas Hall

Verantwortlicher Gruppenleiter

thomas.hall@zema.de

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Photonische Fertigungsverfahren

Neueste photonische Fertigungsverfahren eröffnen durch ihre hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität ein großes Optimierungspotential für Prozesse der Materialbearbeitung.

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Neueste photonische Fertigungsverfahren eröffnen durch ihre hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität ein großes Optimierungspotential für Prozesse der Materialbearbeitung. Die hochdynamischen Fertigungsverfahren erfordern dabei meist eine optische Überwachung, um berührungslos und mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung den Bearbeitungsprozess in einem ersten Schritt kontrollieren und letztendlich auch regeln zu können.

Es gibt industriell bereits verfügbare Prozessüberwachungssysteme, welche Einfluss auf die Strahlführung nehmen bzw. einfache qualitative Wertungen über die Prozessqualität abgeben. Diese kommen aber an ihre Grenzen, wenn unter Produktionsbedingungen überlagernde Einflüsse auftreten, deren Auswirkungen nicht eindeutig dem Produktionsergebnis zuzuordnen sind. Für die Realisierung eines Regelungssystems müssen diese Daten aufgegriffen werden um eine konstante Qualität zu gewährleisten.

Ansatz

Durch die Integration bereits bestehender Monitoring-Systeme in eine Fertigungszelle werden Online-Prozessdaten aufgenommen und die Messkurven mit Phänomenen korreliert, welche während des Prozesses auftreten. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend für die Entwicklung eines nichtlinearen MPC-Regelungssystems genutzt, welches online Einfluss auf den Prozess nimmt und dadurch die Produktqualität stabil hält.

Leistungen

• Online-Analyse von Bearbeitungsprozessen

• Wahl und Integration von Monitoring- und Regelungssystemen

• Metallographische Bewertung von gefügten Metallen

• Markierung von metallischen Oberflächen

Funkenerosion

Die Funkenerosion findet ihren Einsatz hauptsächlich im Formen- und Werkzeugbau sowie zur Fertigung von Teilen in der Flugzeugindustrie und Medizintechnik – das heißt bei konventionell meist nur schwer bearbeitbaren Werkstoffen.

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Die Funkenerosion findet ihren Einsatz hauptsächlich im Formen- und Werkzeugbau sowie zur Fertigung von Teilen in der Flugzeugindustrie und Medizintechnik – das heißt bei konventionell meist nur schwer bearbeitbaren Werkstoffen.

Verfahrensbedingt ergibt sich daraus der große Vorteil, dass die Härte der zu bearbeitenden Bauteile keinen Einfluss auf das Prozessergebnis hat. Jedoch entsteht in der Praxis ein Verschleiß an den Werkzeugelektroden, was in der funkenerosiven Senkbearbeitung zu der Herausforderung führt, dass für die Endbearbeitung immer wieder eine neue Elektrode zum Einsatz kommen sollte.

Unser Ansatz verknüpft verschiedene Fertigungsprozesse zur Herstellung von Werkzeugelektroden für die anschließende Oberflächenstrukturierung von Hartmetall.

Das Ziel der Entwicklung ist der Aufbau einer Prozesskette, die eine reproduzierbare Strukturierung von Oberflächen mittels funkenerosiver Senkbearbeitung zulässt, wobei die benötigten Werkzeugelektroden massentauglich elektrochemisch hergestellt werden.

Fertigungsprozessentwicklung

Der direkte Zugriff auf drei etablierte abtragende Fertigungsverfahren (gepulstes elektrochemisches Abtragen, photonische Technologien, funkenerosives Abtragen) ermöglicht es uns ein umfangreiches Portfolio im Rahmen der Fertigungsprozessentwicklung darzustellen.

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Die Verfügbarkeit und den direkten Zugriff auf die Anlagentechnik der drei etabliertesten, abtragenden Fertigungsverfahren
  • Gepulstes Elektrochemisches Abtragen (en. PECM – Pulse Electrochemical Machining)

  • Photonische Technologien (Remote-Laserschweißen)

  • Funkenerosives Abtragen

ermöglicht es uns, in Kooperation mit unseren Projektpartnern und Lehrstühlen an sowohl der Universität des Saarlandes als auch der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, ein umfangreiches Portfolio im Rahmen der Fertigungsprozessentwicklung darzustellen.

Unsere Leistungen:

• Die Betrachtung von Wechselwirkungen bei Kombination der abtragenden Verfahren untereinander als auch mit konventionellen Verfahren.

• Untersuchungen zur individuellen Prozessführung und Prozessauslegung.

• Untersuchungen der Vor- und Nachbehandlung

• Analyse der eingesetzten Materialien vor und nach der Bearbeitung.

Gepulstes elektrochemisches Abtragen

Im Bereich Fertigungsverfahren und -automatisierung liegt ein besonderer Schwerpunkt der Forschungs- und Industrietätigkeiten auf den abtragenden Fertigungsverfahren.

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Im Bereich Fertigungsverfahren und -automatisierung liegt ein besonderer Schwerpunkt der Forschungs- und Industrietätigkeiten auf den abtragenden Fertigungsverfahren. Speziell ist hier ein relativ neues und innovatives Fertigungsverfahren für metallische Bauteile, das gepulste Elektrochemische Abtragen (englisch: Pulse Electrochemical Machining – PECM), hervorzuheben, welches u.a. bereits in der Automobil- und Flugzeugindustrie sowie auch in der Medizintechnik Einzug gehalten hat und intensiv am ZeMA weiterentwickelt wird.

Das PECM-Verfahren ermöglicht eine berührungslose Oberflächenbearbeitung und die Einbringung von Raumformen als auch Mikrostrukturen in Werkstücken, wobei die Bearbeitung aller Metalle unabhängig von ihrem Gefügezustand ohne Bearbeitungsspannungen sowie ohne einen verfahrensbedingten Werkstoffverschleiß möglich ist.

Die PECM-Technik findet daher immer mehr Anwendungen bei der Metallbearbeitung, z. B. bei der Herstellung komplizierter Raumformen oder bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstücke oder bei Werkstücken, die bei der Bearbeitung keiner thermischen Belastung ausgesetzt bzw. nur gering mechanisch beansprucht werden dürfen.

Unsere Leistungen:

• Durchführung von Grundlagenuntersuchungen im Bereich der Elektrochemischen Materialbearbeitung mittels Zyklovoltammetrie und Chronoamperometrie

• Untersuchungen zur individuellen Prozessführung und Prozessauslegung

• Untersuchungen der Vor- und Nachbehandlung

• Analyse der eingesetzten Materialien vor und nach der Bearbeitung

• Erstellung statischer FEM Simulationen zur Berechnung von Stromdichteverteilungen

Projekte der Gruppe

Industrial Security

Die Digitalisierung im Bereich von Produktions- und Industrieanlagen erfordert zukünftig auf die Produktionswelt zugeschnittene Security-Lösungen zum Schutz der Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit der Anlagen.

Die Schwerpunkte in diesem Forschungsbereich liegen im Security Management und in Security Lösungen für die digitale Produktion.

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey

Lehrstuhl Automatisierungs- und Energiesysteme UdS & Forschungsbereich Industrial Security am ZeMA

georg.frey@zema.de
+49 (681) 85787 – 540

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Christian Siegwart

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Security Management

Ziel ist die Entwicklung von ganzheitlichen Konzepten zum möglichst einfachen Aufbau eines Informationssicherheitsprozesses im Unternehmen. Grundlage liefern bestehende anerkannte Standards im Kontext (Industrial) Security.

Ein Fokus liegt auf der Unterstützung kleiner und mittlerer Unternehmen zur Erhöhung des IT-Sicherheitsniveaus der KMU.

Security für die digitale Produktion

Die Schwerpunkte in diesem Bereich liegen in der Entwicklung von Lösungen zum Schutz von Produktionsanlagen. Dies betrifft sowohl Bestandanlagen als auch zukünftige Industrie 4.0 Umgebungen.

Der Fokus liegt auf automatisierten Analyseverfahren zur Bewertung der Anlagen aus Security Sicht.

Projekte der Gruppe

Biomechatronische Systeme

Der Bereich Biomechatronische Systeme bildet die Schnittstellen zwischen Biomedizin, Life Science Engineering, Informatik, Mechatronischen Systemen, Intelligenten Materialien und Bereichen wie der Mensch-Maschine/Roboter-Interaktion und sensorischer Immersion vorwiegend durch Einsatz digitaler Neurotechnologien ab.

Schwerpunkte sind die Neuroergonomische digitale Fabrik, Digitalisierung im OP-Saal und Immersive Mixed Reality.

Prof. Dr. rer. nat. Martina Lehser

Dr.-Ing. Eric Wagner

Verantwortlicher Gruppenleiter

eric.wagner@zema.de

EricWagner

CDNS Center for Digital Neurotechnologies Saar

Das Zentrum für digitale Neurotechnologien bündelt die Neurotechnologie-Kompetenzen im Saarland und stellt damit eine Querschnitt-Technologie für Biomedizin, Mensch-Maschine-Interaktion und sensorische Immersion dar.

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Das CDNS wurde im Jahr 2021 ursprünglich als interinstitutionelles Zentrum der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar), der Universität des Saarlandes (UdS) und des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) gegründet. Inzwischen bietet es ein übergreifendes und kollaboratives Umfeld für Wissenschaftler*innen und Technolog*innen aus verschiedenen Disziplinen aus der ganzen Welt. Zusammen mit seinen Firmenmitgliedern steht das CDNS für die Verknüpfung und Umsetzung neurotechnologischer Forschung in Industrie und Gesellschaft.

Das ZeMA und seine Kooperationspartner verfolgen im CDNS dabei das Ziel, Systeme zur neuroergonomischen, also „hirngerechten“ Interaktion zwischen Mensch und Maschine bzw. Mensch und emphatischem Roboter im Industrie-4.0-Umfeld zu entwickeln.
Dabei nimmt die Kopplung zwischen Neuro- und Physio-Ergonomie gerade in der hochdigitalisierten Produktion eine hohe Stellung ein. Die Gewinnung von Daten aus Maschinen und Prozessen zusammen mit den psychophysiologischen Daten des Menschen ermöglicht die Optimierung von Arbeitsplatzkonzepten nicht nur in der Produktion sondern auch im klinischen Arbeitsumfeld.

Projekte der Gruppe