Jak Fraunhofer ILT przekształca procesy przemysłowe za pomocą promieniowania synchrotronowego
W interdyscyplinarnym zespole »Laser Meets Synchrotron« w Niemieckim Synchrotronie Elektronowym (DESY) w Hamburgu, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT oraz RWTH Aachen – Katedra Techniki Laserowej ściśle współpracują; prowadzą badania nad podstawowymi pytaniami naukowymi, które prowadzą do innowacji przemysłowych. Do konsorcjum, oprócz obu partnerów, należą Uniwersytet Fryderyka Aleksandra w Erlangen-Norymberdze, Uniwersytet w Stuttgarcie, Techniczny Uniwersytet Ilmenau oraz Techniczny Uniwersytet Wiedeński.
Kierownik projektu Christoph Spurk z RWTH Aachen koordynuje transport oraz montaż urządzeń, laserów i komponentów optycznych oraz przydziela zadania specjalistom z dziedzin fizyki, IT, nauk materiałowych i inżynierii mechanicznej. Zespół badawczy pracuje w systemie trzyzmianowym 24/7 i przeprowadza w ciągu siedmiu dni łącznie 700 różnych eksperymentów. Te badania przenikają przemysłowe procesy laserowe, takie jak spawanie, wiercenie i cięcie, mając na celu lepsze zrozumienie właściwości materiałów i ich zachowania oraz ostatecznie optymalizację procesów.
»Dzięki promieniowaniu synchrotronowemu możemy w DESY wizualizować realistyczne procesy laserowe w czasie rzeczywistym, obserwować kapilary parowe, ruchy topnienia lub powstawanie porów«, wyjaśnia Spurk.
Precyzja w czasie rzeczywistym: zoptymalizowane procesy laserowe dla przemysłu i badań
Wyniki badań pokazują, że poprzez celowe dostosowanie ustawień lasera możliwe jest znaczące zmniejszenie pęknięć naprężeniowych, minimalizacja porowatości oraz zwiększenie przewodności elektrycznej. Kapilary parowe i ruchy topnienia, które często prowadzą do wad, zostały po raz pierwszy wizualizowane w wysokiej rozdzielczości, co umożliwia optymalizację procesów spawania dla baterii o wysokiej wydajności.
Dzięki swojej wyjątkowej jasności i intensywności promieniowanie synchrotronowe umożliwia badania z rozdzielczością w mikro- i nawet nanometrach, wgląd w najdrobniejsze struktury materiałowe i dynamiczne procesy. Systemy optyczne celowo ogniskują promieniowanie laserowe na materiałach; do wizualizacji używane są kamery o wysokiej prędkości, które osiągają szybkość do 50 000 klatek na sekundę – Spurk i jego zespół już pracują nad systemem, który w przyszłości ma osiągnąć 200 000 Hz. Do wizualizacji kontrastu fazowego zespół używa scyntylatorów, które przekształcają promieniowanie rentgenowskie w światło widzialne.
Jeśli kontrast nadal jest zbyt niski, badacze wprowadzają do materiału cząstki wolframu lub węgliku wolframu. Cząstki te są widoczne na zdjęciach jako czarne punkty i dostarczają informacji o ruchu topnienia.
W sektorze motoryzacyjnym, lotnictwie, technologii wodorowej czy mikroelektronice, bezbłędne spawanie połączeń miedzianych lub aluminiowych jest niezbędne, dotyczy to również połączeń metalowych i plastikowych. Dopiero dzięki wizualizacji w czasie rzeczywistym można zidentyfikować najmniejsze wady materiałowe, które nie byłyby widoczne przy użyciu konwencjonalnych metod.
Innowacyjne połączenia materiałowe: nowe perspektywy dla elektromobilności, lotnictwa i mikroelektroniki
»Badanie złożonych kombinacji materiałów, takich jak połączenia miedzi-aluminium, jest niezwykle ważne dla elektromobilności, gdzie są one wykorzystywane w bateriach o wysokiej wydajności i innych krytycznych komponentach«, wyjaśnia dr Alexander Olowinsky, kierownik działu spawania i cięcia w Fraunhofer ILT. »Dzięki danym uzyskanym w DESY takie połączenia mogą być wytwarzane z większą wytrzymałością i niezawodnością. W obszarze lekkiej konstrukcji badamy również inne procesy strukturalne, a wyniki bezpośrednio wpływają na rozwój nowych technologii.«
Promieniowanie synchrotronowe umożliwia wczesne wykrywanie pęknięć naprężeniowych i niepożądanych struktur w połączeniach aluminium-tytan w przemyśle lotniczym oraz optymalizację procesu produkcji. Dodatkowo, spawanie laserowe proszków stopów na bazie niklu, na przykład do łopatek turbin, jest poprawiane dzięki zdjęciom o wysokiej prędkości. W mikroelektronice precyzyjne procesy łączenia są niezbędne. Analiza ruchów topnienia w ultracienkich ścieżkach miedzianych pomaga unikać zwarć i zmęczenia materiału, co jest szczególnie ważne dla produkcji półprzewodników i płytek drukowanych.
Od Big Data do Smart Data: Precyzyjne analizy dla innowacji przemysłowych
Ekspertyza partnerów »Laser Meets Synchrotron« odgrywa kluczową rolę w wykorzystaniu tej technologii. Uzyskane dane wymagają specjalistycznych analiz, które są możliwe tylko dzięki solidnej wiedzy i dedykowanemu oprogramowaniu – zespół badawczy wraca do instytutów z danymi sięgającymi nawet 50 terabajtów.
»Naszą siłą nie jest tylko przeprowadzanie tych eksperymentów, ale przede wszystkim zrozumienie i interpretacja wyników, przetwarzanie złożonych danych i ich udostępnienie«, wyjaśnia Christoph Spurk. »Z Big Data tworzymy Smart Data.« To możliwe tylko dzięki interdyscyplinarnemu podejściu zespołu; tylko w ten sposób dane uzyskane w synchrotronie mogą być przeniesione do praktyki.
Korzyści ekonomiczne dla klientów i partnerów wykraczają daleko poza optymalizację procesów: uzyskane dane i spostrzeżenia stanowią podstawę dla zupełnie nowych modeli biznesowych, na przykład w obszarze rozwoju materiałów opartych na danych. Dzięki precyzyjnym wynikom analiz firmy mogą opracowywać dostosowane materiały do konkretnych zastosowań, co daje im istotną przewagę konkurencyjną. Firmy takie jak Audi, Bosch Research i Denso mogły dzięki współpracy uczynić swoje procesy produkcyjne bardziej efektywnymi i skrócić cykle rozwoju.
Kontakt:
