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Smarte Materialsysteme
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Montagesysteme
Fertigungssysteme
Industrial Security
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.
Dielectric Elastomer Technology
Die Arbeitsgruppe Dielektrische Elastomere beschäftigt sich mit der Entwicklung von Aktor- und Sensorsystemen auf Basis dielektrischer Elastomere in den Bereichen Grundlagenforschung sowie anwendungsnahe Forschung und Entwicklung industrieller Systeme.
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Die Forschungsaktivitäten lassen sich in die folgenden Hauptbereiche unterteilen:
• Herstellung von dielektrischen Elastomeren
– Herstellung im eigenen Reinraum
– Industrietaugliche, skalierbare Prozesse (z. B. Siebdruck)
– Flexibles, projektbezogenes Membrandesign
– Kontaktierung und Stapelung von mehreren Membranen
• Experimentelle Charakterisierung des elektromechanischen Materialverhaltens
– Charakterisierung mit zum Teil selbst entwickelten modernen Testgeräten
– Zugversuche bei diversen elektrischen (Hoch-)Spannungen
– Dielektrische Durchschlagsmessungen
– Dauerversuche unter verschiedenen klimatischen Bedingungen
– Schwingungscharakterisierungen mittels Laservibrometrie
• Entwurf von Aktor- und Sensorsystemen
– Integration des Self-Sensing Effektes zum Aufbau kompakter, sensorloser DE‑Aktorsysteme (DEA)
– Gestaltung flexibler DE-Sensorsysteme (DES) zur Messung von Hub, Winkel oder Druck
– Entwicklung fortgeschrittener Ansteuerkonzepte für DEA/DES
– Aufbau von Technologiedemonstratoren
• Elektronikentwicklung
– Miniaturisier- und integrierbarer Hochspannungselektronikkonzepte
– Messkonzepte zur Auswertung der Sensorsignale
Intelligente Materialsysteme können ihr volles Potenzial in Kombination mit innovativer Ansteuerung zur Realisierung intelligenter Operationen, energieoptimaler Eigenschaften, autonomer Umgebungswahrnehmung und Industrie 4.0-Verträglichkeit in realen Anwendungen optimal ausschöpfen. Dazu arbeitet die Arbeitsgruppe Dielektrische Elastomere eng mit der Gruppe Smart Materials Modeling & Control zusammen. Beispiele für relevante Bereiche, die von solchen Technologien profitieren und auch im Fokus der Arbeitsgruppe stehen, sind industrielle Aktoren, Soft-Robots, Wearables und kooperative Mikroaktoren. Um die Kommerzialisierung DE-basierter Systeme voranzutreiben wurde 2019 aus der Arbeitsgruppe heraus das Start-Up Unternehmen Desaar GmbH gegründet.
Für weitere Informationen zu Dielektrischen Elastomeren und den aktuellen Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe klicken Sie bitte hier.
Formgedächtnis-Technologie
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 Aktor-Sensor-Systemen.
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Die Aktivitäten lassen sich hierbei in folgende Hauptaufgabenbereiche unterteilen:
• Experimentelle Charakterisierung des thermo-elektro-mechanischen Materialverhaltens
– Charakterisierung mit einem modernen, selbst entwickelten Mikrodraht-Prüfstand
– Untersuchung des thermischen Verhaltens mittels Thermographie/IR-Kamerasystem
– Dauerversuche unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (bis 120 °C)
• Entwurf von Aktor-Sensor-Systemen
– Konzeptionierung, Entwicklung sowie Optimierung von FGL-Aktorsystemen
– Integration des Self-Sensing Effektes zum Aufbau kompakter, sensorloser Systeme
– Aufbau von Technologiedemonstratoren und funktionalen Prototypen
• Entwicklung fortgeschrittener Ansteuerkonzepte für FGL-Aktoren
– Modellierung FGL-basierter Aktor-Sensor-Systeme
– Entwicklung miniaturisier- und integrierbarer Elektronikkonzepte
• Anwendungsnahe Forschung im Bereich der Elastokalorik
– Entwicklung neuartiger elastokalorischer Kühlaggregate, Wärmepumpen und Wärmekraftmaschinen
– Grundlagenforschung und Untersuchung des elastokalorischen Verhaltens mittels Thermographie Verfahren
Neben der Entwicklung neuartiger elastokalorischer Kühlaggregate, Wärmepumpen und Wärmekraftmaschinen beschäftigen wir uns speziell mit der Entwicklung neuartiger Aktorikkonzepte. Hier stehen neben Endoskopen zum Einsatz in Industrierobotik und Medizintechnik speziell schnelle und energieeffiziente Greiftechnologien im Fokus. Speziell durch antagonistische Konzepte lassen sich mit diesen Materialien kompakte und kostengünstige Antriebe realisieren, die aufgrund der Self-Sensing Eigenschaft sogar ohne weitere Sensorik einen geregelten Betrieb zulassen. Durch die Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Exist-Programms konnte 2020 ein Ausgründungsvorhaben in diesem Bereich in Angriff genommen werden.
Für weitere Informationen zu Formgedächtnislegierungen und den aktuellen Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe klicken Sie bitte hier.
Modellierung und Regelung
Die Arbeitsgruppe Modellierung und Regelung konzentriert sich auf die Entwicklung von Simulationswerkzeugen und intelligenten Regelungsalgorithmen für innovative mechatronische Aktoren, Sensoren und Geräte.
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Die Forschungsaktivitäten lassen sich in die folgenden Hauptbereiche unterteilen:
• Systemmodellierung und Simulation
– Konzentrierte- und Finite-Elemente-Modellierung
– Multiphysikalisch gekoppelte Simulationen
– Experimentelle Charakterisierung
– System-Identifikation
• Auslegungswerkzeuge
– KI-Methoden zur Optimierung des Systementwurfs
– GUI-Design-Schnittstellen auf Anwenderebene
• Regelung
– Algorithmen zur Bewegungs-/Kraftregelung
– Hysterese-Kompensationsmethoden
– Regelung von Systemen mit mehreren Freiheitsgraden
– Implementierung von Echtzeitreglern
• Sensorlose Methoden
– Sensorlose Echtzeitregelung
– Echtzeit-Zustandsschätzung
– Architekturen für sensorlose Bewegungs-/Kraftregelung
Die wichtigsten experimentellen Plattformen, die die Entwicklung der oben genannten Methoden motivieren, sind innovative Aktorsysteme auf der Basis intelligenter Materialien (Formgedächtnislegierungen, Dielektrische Elastomere). Funktionelle Werkstoffsysteme können ihr volles Potenzial in Kombination mit innovativer Ansteuerung zur Realisierung intelligenter Operationen, energieoptimierter Eigenschaften, autonomer Umgebungswahrnehmung und Industrie 4.0-Verträglichkeit in realen Anwendungen optimal ausschöpfen. Beispiele für relevante Bereiche, die von diesen Technologien profitieren und auch im Fokus der Arbeitsgruppe stehen, sind industrielle Aktoren, Soft-Robots, Wearables und kooperative Mikroaktoren.
Elastokalorik
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. 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 von der Arbeitsgruppe im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP1599 “Ferroic Cooling” entscheidende Beiträge, u.a. in Form eines weltweit ersten Luft-/Luft-Maschinendemonstrators, geliefert.
Smarte Industrieautomatisierung
In vielen Bereichen unserer Arbeitswelt und unseres täglichen Lebens werden Smarte Materialsysteme als energieeffiziente und hochkompakte Alternativen komplizierte Motoren, Pneumatik oder Hydraulik ersetzen. Beispiele hierfür sind druckluftfreie Industrie-4.0-Montagesysteme oder innovative Robotiklösungen, die mit smarten und soften Polymersystemen eine ungefährliche Mensch-Roboter-Kooperation ermöglichen. Innovative smarte Handschuhkonzepte mit integrierter Sensorik, haptischem und akustischen Feedback binden Werker in moderne Industrie-4.0-Umgebungen ein, und Greifsysteme mit weichen, bioinspirierten Funktionsoberflächen werden zukünftig energieeffiziente neue Handling-Konzepte verwirklichen.
Smarte BioMedizin
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. in einem von der Werner-von-Siemens-Stiftung geförderten Verbundprojekt mit Universitätsklinikum und Universität des Saarlandes, sowie dem Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) neuartige, smarte Implantate entwickelt, die patientenspezifisch die Heilungszeiten bei Knochenfrakturen dramatisch verkürzen werden.
Projekte der Gruppe
Data Engineering & Smarte Sensorik
Der Forschungsbereich Data Engineering/Smarte Sensorik 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
Tizian Schneider
Verantwortlicher Gruppenleiter
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.
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.
Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller
Lehrstuhl für Montagesysteme UdS & Forschungsbereich Montagesysteme am ZeMA
Christoph Speicher
Verantwortlicher Gruppenleiter
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
Fertigungssysteme
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.
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
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Gepulstes Elektrochemisches Abtragen (en. PECM – Pulse Electrochemical Machining)
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Photonische Technologien (Remote-Laserschweißen)
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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
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
Christian Siegwart
Verantwortlicher Gruppenleiter
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.
