Jak Fraunhofer ILT transformuje průmyslové procesy pomocí synchrotronového záření
V interdisciplinárním týmu »Laser Meets Synchrotron« na Německém elektronovém synchrotronu (DESY) v Hamburku úzce spolupracují Fraunhoferův institut pro laserovou techniku ILT a RWTH Aachen – Katedra laserové techniky; zkoumají základní vědecké otázky, z nichž vznikají průmyslové inovace. K tomuto konsorciu patří vedle obou partnerů také Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Stuttgart, Technische Universität Ilmenau a Technische Universität Wien.
Projektový vedoucí Christoph Spurk z RWTH Aachen koordinuje přepravu a instalaci zařízení, laserů a optických komponentů a rozděluje úkoly specialistům z oblastí fyziky, IT, materiálových věd a strojírenství. Výzkumný tým pracuje ve třísměnném provozu 24/7 a během sedmi dnů provádí celkem 700 různých experimentů. Tyto experimenty pronikají do průmyslových laserových procesů, jako je svařování, vrtání a řezání, s cílem lépe porozumět vlastnostem a chování materiálů a nakonec optimalizovat procesy.
»S pomocí synchrotronového záření můžeme na DESY vizualizovat realistické laserové procesy v reálném čase, pozorovat párové kapiláry, pohyby tavení nebo vznik pórů«, vysvětluje Spurk.
Přesnost v reálném čase: Optimalizované laserové procesy pro průmysl a výzkum
Výzkumné výsledky ukazují, že cílenou úpravou nastavení laseru je možné dosáhnout významného snížení napěťových trhlin, minimalizovat poréznost a zvýšit elektrickou vodivost. Párové kapiláry a pohyby tavení, které často vedou k vadám, byly poprvé vysoce rozlišeně vizualizovány, což umožňuje optimalizaci svařovacích procesů pro vysoce výkonné baterie.
Díky své vynikající brilanci a intenzitě umožňuje synchrotronové záření vyšetření s rozlišením v mikro- a dokonce nanometrovém rozsahu, pohledy do nejjemnějších materiálových struktur a dynamických procesů. Optické systémy cíleně zaostřují laserové záření na materiály; pro vizualizaci se používají vysokorychlostní kamery, které dosahují snímkových frekvencí až 50 000 snímků za sekundu – Spurk a jeho tým již pracují na systému, který v budoucnu dosáhne 200 000 Hz. Pro vizualizaci fázového kontrastu používá tým scintilátory, které přeměňují rentgenové záření na viditelné světlo.
Pokud je kontrast stále příliš nízký, vědci přidávají do materiálu částice wolframu nebo wolfram-karbidu. Částice jsou na snímcích viditelné jako černé tečky a poskytují informace o pohybu tavení.
V automobilovém sektoru, letectví, vodíkové technologii nebo mikroelektronice je bezvadné svařování měděných nebo hliníkových spojů zásadní, to platí také pro kovové a plastové spojení. Teprve díky vizualizaci v reálném čase lze identifikovat nejmenší materiálové defekty, které by nebyly viditelné konvenčními metodami.
Inovativní materiálové spojení: Nové perspektivy pro elektromobilitu, letectví a mikroelektroniku
»Zkoumání složitých materiálových kombinací, jako jsou měděno-hliníkové spojení, je extrémně důležité pro elektromobilitu, kde se používají ve vysoce výkonných bateriích a dalších kritických komponentech«, vysvětluje Dr. Alexander Olowinsky, vedoucí oddělení spojování a oddělování na Fraunhofer ILT. »Díky datům získaným na DESY mohou být taková spojení vyráběna s vyšší pevností a spolehlivostí. V oblasti lehké konstrukce zkoumáme také další strukturovací procesy a výsledky přímo přispívají k vývoji nových technologií.«
Synchrotronové záření umožňuje včasné odhalení napěťových trhlin a nežádoucích struktur v hliníko-titanových spojích v leteckém průmyslu a optimalizaci výrobního procesu. Navíc je zlepšováno laserové práškové svařování niklových superlegur, například pro turbínové lopatky, pomocí vysokorychlostních snímků. V mikroelektronice jsou vysoce přesné spojovací procesy nezbytné. Analýza pohybů tavení v ultratenkých měděných drátech pomáhá předcházet zkratům a únavě materiálu, což je zvláště důležité pro výrobu polovodičů a desek plošných spojů.
Od Big Data k Smart Data: Přesné analýzy pro průmyslové inovace
Odbornost partnerů »Laser Meets Synchrotron« hraje klíčovou roli při využívání této technologie. Získaná data vyžadují specializované analýzy, které jsou možné pouze s fundovanými znalostmi a dedikovaným softwarem – výzkumný tým se vrací do institutů s až 50 terabajty dat.
»Naší silou není jen provádění těchto experimentů, ale především porozumění a interpretace výsledků, zpracování komplexních dat a jejich zpřístupnění«, říká Christoph Spurk. »Z Big Data děláme Smart Data.« To je možné pouze díky interdisciplinární orientaci týmu; pouze tak lze data získaná na synchrotronu převést do praxe.
Ekonomický přínos pro zákazníky a partnery přesahuje optimalizaci procesů: Získaná data a poznatky tvoří základ pro zcela nové obchodní modely, například v oblasti daty řízeného vývoje materiálů. Tak mohou společnosti vyvíjet na míru šité materiály pro specifické aplikace na základě přesných analytických výsledků, což jim poskytuje rozhodující konkurenční výhodu. Společnosti jako Audi, Bosch Research a Denso mohly díky spolupráci učinit své výrobní procesy efektivnějšími a zkrátit vývojové cykly.
Kontakt:
