Hogyan alakítja át a Fraunhofer ILT a szinkrotron sugárzással az ipari folyamatokat
A hamburgi Német Elektron-Szinkrotron (DESY) interdiszciplináris „Laser Meets Synchrotron” csapatában a Fraunhofer Lézertechnik Intézet (ILT) és a RWTH Aachen – Lézertechnikai Tanszék szorosan együttműködik; alapvető tudományos kérdéseken dolgoznak, amelyekből ipari innovációk születnek. A konzorciumhoz a két partner mellett a Friedrich-Alexander-Egyetem Erlangen-Nürnberg, a Stuttgarti Egyetem, az Ilmenaui Műszaki Egyetem, valamint a Bécsi Műszaki Egyetem is tartozik.
A projektvezető, Christoph Spurk az RWTH Aachen-tól koordinálja az eszközök, lézerek és optikai komponensek szállítását és felállítását, valamint a feladatokat a fizika, IT, anyagtudomány és gépészet területén dolgozó szakemberek között osztja szét. A kutatócsoport 24/7-es három műszakos rendszerben dolgozik, és hét nap alatt összesen 700 különböző kísérletet végez. Ezek az ipari lézerfolyamatokat, mint például hegesztés, fúrás és vágás, célozzák meg azzal a céllal, hogy jobban megértsék az anyagok tulajdonságait és viselkedését, végül pedig optimalizálják a folyamatokat.
»A szinkrotron sugárzással a DESY-ben valós idejű lézerfolyamatokat tudunk vizualizálni, gőzkapillárisokat, olvadási mozgásokat vagy pórusok keletkezését figyelhetjük meg« - magyarázza Spurk.
Precizitás valós időben: Optimalizált lézerfolyamatok ipar és kutatás számára
A kutatási eredmények azt mutatják, hogy a lézerbeállítások célzott módosításával jelentős mértékben csökkenthető a feszültségi repedések száma, minimalizálható a porozitás és növelhető az elektromos vezetőképesség. A gőzkapillárisok és az olvadási mozgások, amelyek gyakran hibákhoz vezetnek, először nagy felbontásban lettek vizualizálva, ami lehetővé teszi a nagy teljesítményű akkumulátorok hegesztési folyamatainak optimalizálását.
Kiemelkedő fényességének és intenzitásának köszönhetően a szinkrotron sugárzás lehetővé teszi a mikrométeres és akár nanométeres felbontású vizsgálatokat, betekintést nyújt a legfinomabb anyagszerkezetekbe és dinamikus folyamatokba. Az optikai rendszerek célzottan fókuszálják a lézersugárzást az anyagokra; a vizualizációhoz nagy sebességű kamerákat használnak, amelyek akár 50.000 képkocka/másodperc sebességet is elérnek – Spurk és csapata már dolgozik egy rendszeren, amely a jövőben 200.000 Hz-t fog elérni. A fáziskontraszt vizualizálásához a csapat szcintillátorokat használ, amelyek a röntgensugárzást látható fényre alakítják át.
Ha a kontraszt még mindig túl alacsony, a kutatók volfrám- vagy volfrám-karbid részecskéket adnak az anyaghoz. A részecskék a felvételeken fekete pontokként láthatók, és információt nyújtanak az olvadási mozgásról.
Az autóiparban, a repüléstechnika területén, a hidrogéntechnológiában vagy a mikroelektronikában például elengedhetetlen a réz- vagy alumíniumkapcsolatok hibátlan hegesztése, ez vonatkozik a fém- és műanyagkapcsolatokra is. Csak a valós idejű vizualizáció révén lehet azonosítani a legkisebb anyaghibákat, amelyek hagyományos módszerekkel nem lennének láthatók.
Innovatív anyagkapcsolatok: Új perspektívák az elektromobilitás, a repüléstechnika és a mikroelektronika számára
»A komplex anyagkombinációk, mint például a réz-alumínium kapcsolatok vizsgálata rendkívül fontos az elektromobilitás számára, ahol ezeket nagy teljesítményű akkumulátorokban és más kritikus komponensekben használják« - magyarázza Dr. Alexander Olowinsky, a Fraunhofer ILT Fűzés és Vágás Osztályának vezetője. »A DESY-n nyert adatoknak köszönhetően ilyen kapcsolatok nagyobb szilárdsággal és megbízhatósággal készíthetők. A könnyűszerkezetes építés területén más struktúrázó folyamatokat is vizsgálunk, és az eredmények közvetlenül beépülnek új technológiák fejlesztésébe.«
A szinkrotron sugárzás lehetővé teszi a feszültségi repedések és a nem kívánt struktúrák korai észlelését alumínium-titán kötéseknél a légiközlekedési iparban, valamint a gyártási folyamat optimalizálását. Ezen kívül a lézeres porhegesztés nikkel alapú szuperötvözetek esetében, például turbinapalákhoz, a nagy sebességű felvételek segítségével javul. A mikroelektronikában a nagy pontosságú kapcsolási folyamatok elengedhetetlenek. Az ultravékony rézvezetékekben zajló olvadási mozgások elemzése segít elkerülni a rövidzárlatokat és az anyagfáradást, ami különösen fontos a félvezetők és nyomtatott áramkörök gyártásában.
A Big Data-tól a Smart Data-ig: Precíz elemzések ipari innovációkhoz
A „Laser Meets Synchrotron“ partnerek szakértelme kulcsszerepet játszik e technológia alkalmazásában. A nyert adatok speciális elemzéseket igényelnek, amelyek csak alapos szakértelemmel és dedikált szoftverrel lehetségesek – a kutatócsoport akár 50 terabyte adatot hoz vissza az intézetekbe.
»Erősségünk nemcsak abban rejlik, hogy ezeket a kísérleteket elvégezzük, hanem elsősorban az eredmények megértésében és értelmezésében, a komplex adatok feldolgozásában és hasznosításában« - magyarázza Christoph Spurk. »A Big Data-ból Smart Data-t csinálunk.« Ez csak a csapat interdiszciplináris irányultságával lehetséges; csak így lehet az szinkrotronnal nyert adatokat a gyakorlatba átültetni.
A gazdasági előnyök az ügyfelek és partnerek számára messze túlmutatnak a folyamatoptimalizáláson: a megszerzett adatok és felismerések teljesen új üzleti modellek alapját képezik, például az adatvezérelt anyagfejlesztés területén. Így a vállalatok a pontos elemzési eredmények alapján testreszabott anyagokat fejleszthetnek specifikus alkalmazásokhoz, ami döntő versenyelőnyt biztosít számukra. Olyan vállalatok, mint az Audi, a Bosch Research és a Denso a együttműködés révén hatékonyabbá tudták tenni termelési folyamataikat és lerövidíteni a fejlesztési ciklusokat.
Kapcsolat:
