Come il Fraunhofer ILT trasforma i processi industriali con la radiazione di sincrotrone.
Nel team interdisciplinare "Laser Meets Synchrotron" presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) di Amburgo, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT e la RWTH Aachen - Cattedra di tecnologia laser collaborano strettamente; ricercano questioni scientifiche fondamentali da cui nascono innovazioni industriali. Oltre ai due partner, il consorzio comprende anche l'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg, l'Università di Stoccarda, l'Università Tecnica di Ilmenau e l'Università Tecnica di Vienna.
Il project manager Christoph Spurk dell'RWTH Aachen coordina il trasporto e l'installazione degli impianti, dei laser e dei componenti ottici, e distribuisce i compiti a specialisti nei settori della fisica, dell'IT, della scienza dei materiali e dell'ingegneria meccanica. Il team di ricerca opera in turni di tre turni 24 ore su 24, 7 giorni su 7, e conduce in sette giorni un totale di 700 esperimenti diversi. Questi esperimenti riguardano processi laser industriali come la saldatura, la perforazione e il taglio, con l'obiettivo di comprendere meglio le proprietà e il comportamento dei materiali e, infine, ottimizzare i processi.
«Con la radiazione di sincrotrone possiamo visualizzare in tempo reale processi laser realistici al DESY, osservare le colonne di vapore, i movimenti di fusione o la formazione di pori», spiega Spurk.
Precision in real-time: Optimized laser processes for industry and research
I risultati della ricerca mostrano che, attraverso un'adeguata regolazione delle impostazioni del laser, è possibile ottenere una significativa riduzione delle fessure da tensione, minimizzare la porosità e aumentare la conducibilità elettrica. Le cappillari di vapore e i movimenti di fusione, che spesso portano a difetti, sono stati visualizzati per la prima volta ad alta risoluzione, consentendo un'ottimizzazione dei processi di saldatura per batterie ad alte prestazioni.
Con la loro straordinaria brillantezza e intensità, la radiazione di sincrotrone consente indagini con una risoluzione nell'ordine del micro e persino del nanometro, offrendo approfondimenti sulle più fini strutture materiali e processi dinamici. I sistemi ottici focalizzano in modo mirato la radiazione laser sui materiali; per la visualizzazione vengono utilizzate telecamere ad alta velocità, che raggiungono tassi di acquisizione di fino a 50.000 fotogrammi al secondo – Spurk e il suo team stanno già lavorando a un sistema che in futuro dovrebbe raggiungere i 200.000 Hz. Per la visualizzazione del contrasto di fase, il team utilizza scintillatori che trasformano la radiazione X in luce visibile.
Se il contrasto è ancora troppo basso, i ricercatori aggiungono particelle di tungsteno o carburo di tungsteno nel materiale. Le particelle sono visibili nelle immagini come punti neri e forniscono informazioni sul movimento di fusione.
Nel settore automobilistico, nell'aviazione, nella tecnologia dell'idrogeno o nella microelettronica, ad esempio, la saldatura senza difetti di connessioni in rame o alluminio è essenziale, e ciò vale anche per le connessioni in metallo e plastica. Solo attraverso la visualizzazione in tempo reale è possibile identificare i minimi difetti materiali che non sarebbero visibili con metodi convenzionali.
Innovative connessioni di materiali: Nuove prospettive per la mobilità elettrica, l'aviazione e la microelettronica
«L'indagine su complesse combinazioni di materiali come le leghe rame-alluminio è estremamente importante per la mobilità elettrica, dove vengono utilizzate in batterie ad alte prestazioni e in altri componenti critici», spiega il Dr. Alexander Olowinsky, responsabile del dipartimento di giunzione e separazione presso il Fraunhofer ILT. «Grazie ai dati ottenuti al DESY, tali leghe possono essere realizzate con maggiore resistenza e affidabilità. Nel campo della costruzione leggera stiamo anche esaminando altri processi di strutturazione e i risultati vengono direttamente integrati nello sviluppo di nuove tecnologie.»
La radiazione di sincrotrone consente di rilevare precocemente fessure da tensione e strutture indesiderate nelle leghe di alluminio-titanio nell'industria aeronautica e di ottimizzare il processo di produzione. Inoltre, la saldatura laser a polvere di superleghe a base di nichel, ad esempio per le pale delle turbine, viene migliorata grazie a riprese ad alta velocità. Nell'elettronica microelettronica, i processi di connessione ad alta precisione sono essenziali. L'analisi dei movimenti di fusione in sottili strisce di rame aiuta a evitare cortocircuiti e affaticamento del materiale, il che è particolarmente importante per la produzione di semiconduttori e circuiti stampati.
Da Big Data a Smart Data: Analisi precise per innovazioni industriali
L'expertise dei partner di "Laser Meets Synchrotron" gioca un ruolo chiave nell'utilizzo di questa tecnologia. I dati ottenuti richiedono analisi specializzate, possibili solo con competenze consolidate e software dedicato: il team di ricerca torna negli istituti con fino a 50 terabyte di dati.
«La nostra forza non risiede solo nell'eseguire questi esperimenti, ma soprattutto nel comprendere e interpretare i risultati, nel preparare e rendere utilizzabili i dati complessi», spiega Christoph Spurk. «Da Big Data creiamo Smart Data.» Questo è possibile solo grazie all'orientamento interdisciplinare del team; solo in questo modo i dati ottenuti al sincrotrone possono essere trasferiti nella pratica.
Il beneficio economico per clienti e partner va ben oltre le ottimizzazioni dei processi: i dati e le conoscenze acquisiti costituiscono la base per modelli di business completamente nuovi, ad esempio nel campo dello sviluppo di materiali basato sui dati. In questo modo, le aziende possono sviluppare materiali su misura per applicazioni specifiche grazie ai risultati di analisi precisi, conferendo loro un vantaggio competitivo decisivo. Aziende come Audi, Bosch Research e Denso sono riuscite a rendere i loro processi produttivi più efficienti e a ridurre i cicli di sviluppo grazie alla cooperazione.
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