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

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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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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.

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

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.

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.

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

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.

• 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.

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