Künstliche Intelligenz in der Oberflächentechnik

Vorbehandeln mit Plasmatechnologie und Entschichten mit Lasertechniken sind Präzisionsverfahren, um Oberflächen von Bauteilen für weitere Bearbeitungen in der Prozesskette, z. B. für Klebungen oder Lackierungen, vorzubereiten. Geringste Schwankungen in den Prozessparametern oder Ausgangsstoffen können schwerwiegende Folgen bis hin zum Bauteilversagen haben. Oberflächenvorbehandlungsprozesse müssen also äußerst kontrolliert erfolgen. Um Prozessschwankungen entgegenzuwirken, forscht das IFAM daran, diese Prozesse mit optischen und akustischen Überwachungsmethoden in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI) selbstjustierend zu gestalten und damit sicherer zu machen.

 

Vorbehandlungsprozesse mit KI steuern

In der Optimierung von Produktionsprozessen mit Automatisierung und Digitalisierung hat das Fraunhofer IFAM langjährige Erfahrung. Insbesondere Vorbehandlungsprozesse mit selbstlernenden Algorithmen zu steuern, ist ein Ansatz, den die Forscherinnen und Forscher in der Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« aktuell verfolgen und in unterschiedliche Anwendungsbereiche erfolgreich transferieren.

Hierbei werden im ersten Schritt charakteristische Emissionen dieser Prozesse, Ist-Werte der Prozessparameter und die resultierenden Produkteigenschaften erfasst. In einem zweiten Schritt werden diese Daten mit bestehenden Algorithmen der künstlichen Intelligenz verknüpft und Zusammenhänge zwischen diesen Daten erlernt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse lassen sich in Echtzeit Abweichungen im Prozess sicher erfassen und Gegenmaßnahmen einleiten, um schließlich auch bei variablen Eingangsgrößen (z. B. bei Prozessinstabilitäten oder variablen Ausgangszuständen) einen reproduzierbaren Oberflächenzustand zu erhalten.

 

Optische Überwachung bei der Lasermaterialbearbeitung

Laserentschichten ist ein Verfahren, bei dem Schichten mittels Lasertechnik von Oberflächen abgetragen werden. Dieser Prozess kann mit optischen – spektroskopischen oder bildgebenden – Methoden überwacht werden. Wenn diese mit KI-Methoden verknüpft werden, wird eine hochpräzise, automatisierte, selbstgesteuerte Regelung möglich.

Bei der Einstellung eines Lasers nach vorbestimmten Parametern (z. B. Laserleistung oder Abstand zur Oberfläche) wird die Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem zu behandelnden Bauteil oder das Behandlungsergebnis erfasst. Hinzu kommt ein genaues Verständnis der Behandlungseffekte. Am Fraunhofer IFAM stehen unterschiedliche Verfahren zur in-line Charakterisierung (z. B. optische Emission) zur Verfügung.

Anschließend werden mit KI-Methoden Zusammenhänge zwischen den Sensorsignalen und dem erwünschten Zustand der Oberfläche erlernt. Diese Daten indizieren den Soll-Zustand für spätere Behandlungsvorgänge. Abweichungen im Behandlungsprozess werden durch eine kontinuierliche Überwachung des Laserprozesses ermittelt und durch eine geeignete Steuerungstechnik im Sinne einer closed-loop Regelung („geschlossener Regelkreis“) angepasst.

 

Optische Überwachung der Plasmabeschichtung

In ähnlicher Weise lassen sich plasmatechnische Beschichtungsverfahren KI-gesteuert überwachen. Nachdem die Parameter für das ideale Plasma gefunden sind, wird dessen Lichtemission optisch charakterisiert. Die Charakterisierung der erwünschten Schichtdicke wird ebenfalls optisch z. B. durch Interferometrie ermittelt. Mittels KI-Methoden lassen sich auch hier Zusammenhänge zwischen Lichtemission und Oberflächeneigenschaften herstellen. Nach dem Lernprozess reicht eine Kamera, um den Plasmaprozess zu überwachen und steuern.

 

Akustische Überwachung von tribologischen Parametern

Der Prozess des Verschleißes bzw. des Abreibens einer Oberfläche lässt sich akustisch charakterisieren. Die Geräuscherfassung wird dabei mit tribologischen Parametern wie Anpressdruck und Reibkoeffizient korreliert. Mit KI-Methoden werden dann die Zusammenhänge hergestellt. Der tribologische Prozess lässt sich anschließend mit einem Mikrofon überwachen. Werden akustische Abweichungen gemessen, werden entsprechende Korrekturen automatisiert eingeleitet.

 

Forschung, Entwicklung und Beratung rund um die Nutzung von KI in Vorbehandlungsprozessen

Das Fraunhofer IFAM verfügt über ausgeprägte Kompetenzen in Vorbehandlungsprozessen mit Lasertechnik und Plasmatechnologie und verknüpft dieses Know-how mit Wissen der künstlichen Intelligenz, um Prozesse sicherer und effizienter zu machen. Schwerpunkte in der Auftragsentwicklung und Beratung sind:

• Konzeption von Vorbehandlungsprozessen mit Plasma- und Lasertechnik inkl. integrierter, KI-gesteuerter Überwachungsmethoden
• Auswahl von geeigneten Überwachungsmethoden, Plasma-Sensoren und KI-Methoden
• KI-gesteuerte Überwachung von Strahlverfahren und tribologischen Prozessen

Dr. Ralph Wilken leitet die Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« am Fraunhofer IFAM. Mit seinem Team von Forscherinnen und Forschern steht ein umfassendes Wissen rund um den Einsatz von Plasma-, Laser- und VUV-Technologien in der Oberflächentechnik zur Verfügung. Sie bieten besondere Expertise in der Steuerung und Überwachung von Vorbehandlungsprozessen mit digitalen Lösungen und künstlicher Intelligenz.