Kako Fraunhofer ILT s sinkrotronskim sevanjem transformira industrijske procese
V interdisciplinarnem timu »Laser Meets Synchrotron« na Nemškem elektronskem sinkrotronu (DESY) v Hamburgu tesno sodelujeta Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT in RWTH Aachen - Katedra za lasersko tehnologijo; raziskujejo temeljna znanstvena vprašanja, iz katerih izhajajo industrijske inovacije. Konzorcij poleg obeh partnerjev vključuje tudi Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Univerzo Stuttgart, Tehnično univerzo Ilmenau in Tehnično univerzo Dunaj.
Projektni vodja Christoph Spurk iz RWTH Aachen usklajuje transport ter postavitev naprav, laserjev in optičnih komponent ter razporeja naloge specialistom iz področij fizike, IT, materialne znanosti in strojništva. Raziskovalna ekipa deluje v triizmenskem sistemu 24/7 in v sedmih dneh izvede skupno 700 različnih poskusov. Ti preiskujejo industrijske laserske procese, kot so varjenje, vrtanje in rezanje, z namenom boljšega razumevanja lastnosti in obnašanja materialov ter optimizacije procesov.
»S sinkrotronskim sevanjem lahko v DESY realno vizualiziramo laserske procese v realnem času, opazujemo pare kapilar, gibanja taline ali nastanek por,« pojasnjuje Spurk.
Natančnost v realnem času: Optimizirani laserski procesi za industrijo in raziskave
Raziskovalni rezultati kažejo, da je z usklajenimi nastavitvami laserja mogoče doseči znatno zmanjšanje napetostnih razpok, minimizirati poroznost in povečati električno prevodnost. Pare kapilar in gibanja taline, ki pogosto vodijo do napak, so bila prvič visoko ločljivo vizualizirana, kar omogoča optimizacijo procesov varjenja za visoko zmogljive baterije.
S svojo izjemno briljantnostjo in intenzivnostjo sinkrotronsko sevanje omogoča raziskave z ločljivostjo v mikro- in celo nanometrskem območju, vpoglede v najfinejše materialne strukture in dinamične procese. Optični sistemi usmerjajo lasersko sevanje natančno na materiale; za vizualizacijo se uporabljajo visoko hitrostne kamere, ki dosegajo hitrost do 50.000 sličic na sekundo - Spurk in njegova ekipa že delajo na sistemu, ki naj bi v prihodnosti dosegel 200.000 Hz. Za vizualizacijo faznega kontrasta ekipa uporablja scintilatorje, ki rentgensko sevanje pretvarjajo v vidno svetlobo.
Če je kontrast še vedno prenizek, raziskovalci v material dodajo delce volframa ali volframovega karbida. Delci so na posnetkih vidni kot črne pike in dajejo vpogled v gibanje taline.
V avtomobilski industriji, letalstvu, tehnologiji vodika ali mikroelektroniki je brezhibno varjenje bakrenih ali aluminijastih povezav bistvenega pomena, to velja tudi za kovinske in plastične povezave. Šele z vizualizacijo v realnem času je mogoče identificirati najmanjše materialne napake, ki z običajnimi metodami ne bi bile vidne.
Inovativne materialne povezave: Nove perspektive za elektromobilnost, letalstvo in mikroelektroniko
»Raziskava kompleksnih materialnih kombinacij, kot so bakro-aluminijaste povezave, je izjemno pomembna za elektromobilnost, kjer se uporabljajo v visoko zmogljivih baterijah in drugih kritičnih komponentah,« pojasnjuje dr. Alexander Olowinsky, vodja oddelka za varjenje in ločevanje pri Fraunhofer ILT. »Zahvaljujoč podatkom, pridobljenim na DESY, je mogoče takšne povezave izdelati z večjo trdnostjo in zanesljivostjo. Na področju lahke gradnje preučujemo tudi druge procesne strukture, rezultati pa neposredno vplivajo na razvoj novih tehnologij.«
Sinkrotronsko sevanje omogoča zgodnje odkrivanje napetostnih razpok in nezaželenih struktur v aluminij-titanovih povezavah v letalski industriji ter optimizacijo proizvodnega procesa. Poleg tega se lasersko prašno varjenje superlegur na osnovi niklja, na primer za turbinske lopatice, izboljšuje s pomočjo visoko hitrostnih posnetkov. V mikroelektroniki so visoko natančni procesi povezovanja nujni. Analiza gibanja taline v ultratankih bakrenih vodilih pomaga preprečiti kratkostične in materialne utrujenosti, kar je še posebej pomembno za proizvodnjo polprevodnikov in tiskanih vezij.
Od Big Data do Smart Data: Natančne analize za industrijske inovacije
Strokovno znanje partnerjev »Laser Meets Synchrotron« igra ključno vlogo pri uporabi te tehnologije. Pridobljeni podatki zahtevajo specializirane analize, ki so možne le z ustreznim znanjem in namensko programsko opremo - raziskovalna ekipa se vrne v institute s podatki do 50 terabajtov.
»Naša moč ni le v izvajanju teh poskusov, temveč predvsem v razumevanju in interpretaciji rezultatov, obdelavi kompleksnih podatkov in njihovi uporabnosti,« pojasnjuje Christoph Spurk. »Iz Big Data delamo Smart Data.« To je mogoče le z interdisciplinarnim usmerjanjem ekipe; le tako je mogoče podatke, pridobljene na sinkrotronu, prenesti v prakso.
Gospodarska korist za stranke in partnerje sega daleč preko optimizacije procesov: Pridobljeni podatki in spoznanja predstavljajo osnovo za povsem nove poslovne modele, na primer na področju podatkovno usmerjenega razvoja materialov. Tako lahko podjetja z natančnimi analitičnimi rezultati razvijajo prilagojene materiale za specifične aplikacije, kar jim daje odločilno konkurenčno prednost. Podjetja, kot so Audi, Bosch Research in Denso, so s sodelovanjem lahko izboljšala svoje proizvodne procese in skrajšala razvojne cikle.
Kontakt:
