Як Fraunhofer ILT трансформує промислові процеси за допомогою синхротронного випромінювання
У міждисциплінарній команді «Лазер зустрічає синхротрон» у Німецькому електронному синхротроні (DESY) у Гамбурзі тісно співпрацюють Інститут лазерних технологій Фраунгофера ILT та кафедра лазерних технологій RWTH Ахен; вони досліджують основні наукові питання, з яких виникають промислові інновації. До консорціуму, окрім двох партнерів, входять Університет Фрідріха-Александра Ерланген-Нюрнберг, Університет Штутгарта, Технічний університет Ільменау та Технічний університет Відня.
Керівник проекту Христоф Спурк з RWTH Aachen координує транспортування та встановлення обладнання, лазерів і оптичних компонентів, а також розподіляє завдання між фахівцями з фізики, ІТ, матеріалознавства та машинобудування. Дослідницька команда працює в три зміни 24/7 і протягом семи днів проводить в цілому 700 різних експериментів. Ці експерименти охоплюють промислові лазерні процеси, такі як зварювання, свердління та різання, з метою краще зрозуміти властивості та поведінку матеріалів і, зрештою, оптимізувати процеси.
«Завдяки синхротронному випромінюванню ми в DESY можемо візуалізувати реалістичні лазерні процеси в реальному часі, спостерігати за паровими капілярами, рухами плавлення або утворенням пор.» — пояснює Спурк.
Точність в реальному часі: Оптимізовані лазерні процеси для промисловості та досліджень
Дослідження показують, що шляхом цілеспрямованого налаштування лазерних параметрів можливо значно зменшити кількість напружених тріщин, мінімізувати пористість та підвищити електричну провідність. Парові капіляри та рухи розплаву, які часто призводять до дефектів, вперше були візуалізовані з високою роздільною здатністю, що дозволяє оптимізувати процеси зварювання для високопродуктивних батарей.
Завдяки своїй видатній яскравості та інтенсивності синхротронне випромінювання дозволяє проводити дослідження з роздільною здатністю на мікро- і навіть нанорівні, надаючи можливість заглянути в найдрібніші матеріальні структури та динамічні процеси. Оптичні системи точно фокусують лазерне випромінювання на матеріалах; для візуалізації використовуються високошвидкісні камери, які досягають швидкості зйомки до 50 000 кадрів на секунду – Спурк та його команда вже працюють над системою, яка в майбутньому має досягти 200 000 Гц. Для візуалізації фазового контрасту команда використовує сцинтилятори, які перетворюють рентгенівське випромінювання на видиме світло.
Якщо контраст все ще занадто низький, дослідники додають до матеріалу частинки вольфраму або вольфрамового карбіду. Частинки видно на знімках як чорні точки і дають уявлення про рух плавлення.
У автомобільному секторі, авіації, водневих технологіях або мікроелектроніці, наприклад, безпомилкове зварювання мідних або алюмінієвих з'єднань є суттєвим, це також стосується металевих і пластикових з'єднань. Лише завдяки візуалізації в реальному часі можна виявити найменші дефекти матеріалу, які не були б видимі за допомогою традиційних методів.
Інноваційні матеріальні з'єднання: Нові перспективи для електромобільності, авіації та мікроелектроніки
«Дослідження складних матеріальних комбінацій, таких як з'єднання мідь-алюміній, є надзвичайно важливим для електромобільності, де вони використовуються в високопродуктивних акумуляторах та інших критичних компонентах», пояснює доктор Олександр Оловінський, завідувач відділу зварювання та різання в Fraunhofer ILT. «Завдяки даним, отриманим в DESY, такі з'єднання можуть виготовлятися з більшою міцністю та надійністю. У сфері легкобудування ми також досліджуємо інші процеси структуризації, а результати безпосередньо впливають на розробку нових технологій.»
Синхротронне випромінювання дозволяє рано виявляти напружені тріщини та небажані структури в алюміній-титанових з'єднаннях в авіаційній промисловості та оптимізувати процес виробництва. Крім того, лазерне порошкове зварювання суперсплавів на основі нікелю, наприклад, для лопаток турбін, покращується за допомогою високошвидкісних зйомок. У мікроелектроніці високоточні з'єднувальні процеси є незамінними. Аналіз рухів розплаву в ультратонких мідних доріжках допомагає уникнути коротких замикань і втоми матеріалу, що особливо важливо для виробництва напівпровідників та друкованих плат.
Від Big Data до Smart Data: Точні аналізи для промислових інновацій
Експертиза партнерів «Laser Meets Synchrotron» відіграє ключову роль у використанні цієї технології. Отримані дані вимагають спеціалізованого аналізу, який можливий лише за наявності ґрунтовних знань та спеціалізованого програмного забезпечення – дослідницька команда повертається в інститути з даними обсягом до 50 терабайт.
«Наша сила полягає не лише в проведенні цих експериментів, але, перш за все, у розумінні та інтерпретації результатів, обробці складних даних і їх використанні», - пояснює Крістоф Спурк. «З великих даних ми робимо розумні дані». Це можливо лише завдяки міждисциплінарному підходу команди; лише так дані, отримані на синхротроні, можуть бути перенесені в практику.
Економічна вигода для клієнтів і партнерів виходить далеко за межі оптимізації процесів: отримані дані та знання становлять основу для зовсім нових бізнес-моделей, наприклад, у сфері матеріалів, що розробляються на основі даних. Таким чином, компанії можуть за допомогою точних аналітичних результатів розробляти спеціалізовані матеріали для конкретних застосувань, що надає їм вирішальну конкурентну перевагу. Компанії, такі як Audi, Bosch Research і Denso, змогли завдяки співпраці зробити свої виробничі процеси ефективнішими та скоротити цикли розробки.
Контакт:
