International Center for Networked, Adaptive Production

Aufnahme und Synchronisation von Maschinen- und Sensordaten

Umfassende Echtzeit-Informationen über den Bearbeitungsprozess haben sowohl in der Forschung als auch im industriellen Umfeld durch ihr signifikantes Potential zur Erhöhung des Prozessverständnisses sowie zur Sicherstellung der Bearbeitungsstabilität eine unbestreitbare Bedeutung. Geeignete Datenanalysen ermöglichen eine Früherkennung von Fehlerursachen, um ihnen rechtzeitig entgegenzuwirken oder um ihnen vorzubeugen. In immer komplexeren und verketteten Systemen sind auch die potenziellen Fehler, Störungen oder Defekte immer vielfältiger, was zu einer rapiden Erhöhung des notwendigen Informationsgehalts führt. Eine vollständige Entwicklung kausaler oder datengetriebener Modelle erfordert in modernen Produktionsumgebungen eine geschickte Aufnahme und Synchronisation diverser Daten rund um den Prozess und sein Umfeld. Eine besondere Herausforderung liegt hierbei in der echtzeitfähigen Akquise zur Synchronisation der vielfältigen Daten aus diversen Datenquellen: Neben der Überwachung des Prozessfortschritts mittels direkter Kommunikation mit der Maschinensteuerung werden verschiedene prozess- und maschinenrelevante Charakteristika durch eine große Vielfalt an Sensoren gesammelt. Dabei entstehen mitunter große Mengen ungeordneter Daten, wobei Datentyp, -rate und -architektur von ihrem Ursprung abhängig sind und sich oftmals stark voneinander unterscheiden. Mit intelligenten Algorithmen werden aus Big Data hochwertige und zweckvolle Daten generiert.

Nutzen der synchronen Datenakquise

  • Prädiktive Qualitäts- und Stabilitätsüberwachung komplexer Bearbeitungssysteme
  • Befähigung zur umfassenden Datenanalyse
  • Basis zur Echtzeitprozessregelung

Pilotlinie zum Einsatz einer synchronen Echtzeit-Datenerfassung

Anwendung in der UKP-Lasermaterialbearbeitung

Charakteristisch für die Strukturierung von Oberflächen mit Ultrakurzpulslasern (UKP) sind zum einen eine sehr große räumliche Präzision im Mikrometerbereich und zum anderen sehr hohe Geschwindigkeiten: Die Pulse im Ultrakurzpulsregime mit Pulsdauern kleiner als 10 ps werden mit einer Wiederholfrequenz von mehreren Megahertz auf die Werkstückoberfläche appliziert und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 m/s über das Werkstück abgelenkt, wobei eine Positionsmodulation für die Präzision sorgt. Aufgrund der daraus resultierenden hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Bearbeitung ist eine Echtzeit-Datenerfassung und -synchronisation der Sensordaten bei der UKP-Lasermaterialbearbeitung eine anspruchsvolle Herausforderung. Die bereits im industriellen Umfeld etablierten Oberflächenbearbeitungsprozesse dauern mitunter mehrere Tage oder gar Wochen. Aus diesem Grunde ist die Sicherstellung von konstanten Prozessbedingungen bzw. die Detektion von Defekten oder Schwankungen während der gesamten Bearbeitungszeit essentiell, um sowohl die Stabilität in der Produktion sicherzustellen, als auch zeitaufwendige Parameterstudien zu beschleunigen.

Das Fraunhofer ILT entwickelt Multisensorsysteme zur Überwachung der Maschinen- und Prozessstabilität während der UKP-Laserstrukturierung. Dabei werden diverse zu dem Prozess und seiner Umgebung gehörende Informationen aufgenommen und analysiert. Um den hohen Anforderungen an Geschwindigkeit gerecht zu werden, erfolgt die Datenaufnahme der Prozesscharakteristika mit einer hohen Datenrate von 100 kHz absolut synchron zur aktuellen Bearbeitungsposition. Unterstützend dazu werden weiterführende Informationen aus der Maschinensteuerung und Sensorik zur Maschinenzustandsüberwachung mit an die einzelnen Informationsquellen angepassten Datenraten gesammelt und zentral gespeichert. Das System ist mit diversen Hardware- und Softwareschnittstellen ausgerüstet und unterstützt somit mehrere Kommunikations- und Echtzeitschnittstellen welche im Labor- sowie Industrieumfeld gängig sind. Es ist damit skalierbar und für viele Anwendungen in der Lasermaterialbearbeitung wie auch in anderen Bearbeitungsprozessen einsetzbar.