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.

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.

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.

Dies erfolgt mit dem Ziel neue effiziente, wandlungsfähige Montageprozesse und -systeme zu entwickeln, zu betreiben und zu steuern, die den Mitarbeiter 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 Mitarbeitern 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 Mitarbeiter 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

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.

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

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