Projektträger

Bayerische Forschungsstiftung

Projektzeitraum

2024-2027  

Projektbeschreibung

Die Erstellung von Produktionsketten, in denen die Maschinen über Firmengrenzen hinweg miteinander reden und sich selbstständig an neue Erfordernisse anpassen ist eine Aufgabe von herausfordernder Komplexität. Dieser Aufgabe stellt sich der Verbund FORinFPRO mit der Kombination traditioneller Steuerung und Regelung und moderner KI- Methoden.

Nachhaltige Produktion fordert Ressourcen- und Energieeffizienz, geringe Emissionen, die Reduktion von Ausschuss und die Verwendung von Recyclingmaterial. Jedoch kann die Qualität von Recyclingmaterial von Charge zu Charge stark schwanken. Gleichzeitig rückt auch die effiziente Produktion von Kleinserien mit ihren häufigen Änderungen der Anforderungen in den Fokus der Anwender. Fertigungsprozesse hingegen sind oft nicht auf all diese Erfordernisse ausgelegt.

Die Projektpartner des Projekts FORinFPRO werden es Fertigungsprozessen ermöglichen, selbstständig auf neue Erfordernisse, schwankende Materialqualität, knappe Ressourcen und schwankende Energiepreise zu reagieren. Als Beispiel dient ihnen ein Bauteil, das in einem mehrstufigen Prozess aus recycelten Kohlefasern und verschiedenen Kunststoffen hergestellt wird. Daran erforscht FORinFPRO die Anwendung einer Kombination des klassischen ingenieurwissenschaftlichen Ansatzes einer modellbasierten Steuerung und Regelung, andererseits legt die hohe Komplexität einen auf Big Data und Machine Learning basierenden Ansatz nahe.

Als Ergebnis entsteht eine generelle Herangehensweise, mit der komplexe Fertigungsprozesse auch über Firmengrenzen hinweg robust und flexibel gegenüber neuen Anforderungen und die Verwendung nachhaltiger Materialien und Energiequellen attraktiv gemacht werden.

Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2023 - 2025 

Projektbeschreibung

Mikroaktoren erreichen schnelle und präzise Bewegungen im Mikro- und Millimeterbereich durch effiziente Wirkprinzipien wie Piezoelektrizität, Elektrostatik und Magnetismus. Im Gegensatz zu makroskopischen Aktoren ist deren Bewegungsraum allerdings aufgrund von Rückstellkräften durch mechanische Federn in der Regel stark beschränkt. Um diese Restriktion zu umgehen, wurden im DFG-Projekt Kick & Catch zwei auf frei beweglichen Massen basierende Mikroaktorsysteme untersucht, welche jeweils große lineare oder rotatorische Bewegungen ermöglichen. Die Aktorsysteme beruhen dabei auf kooperativer Zusammenarbeit mehrerer Mikroaktoren und sind multistabil, benötigen also keine Energiezufuhr, um mehrere vordefinierte Ruhelagen stabil halten zu können. Multistabile Aktorsysteme mit großem Arbeitsbereich stellen die Grundlage für die Entwicklung fortgeschrittener Anwendungen und Einsatzgebiete von Mikroaktoren dar.

Das ebenfalls durch die DFG geförderte Folgeprojekt ADOPT baut auf den Ergebnissen der ersten Projektphase auf und erforscht die Integration der linearen und rotatorischen Aktoren zu einem komplexen Aktorsystem. Dieses soll als Mikrospiegel fungieren und sowohl große rotatorische Bewegungen erzielen, als auch in seiner vertikalen Position verstellbar sein können. Durch den Zusammenschluss mehrerer dieser Aktoren zu einem Array entsteht dadurch ein Mikrospiegelsystem – ähnlich dem Hauptspiegel des James-Webb-Teleskops – welches durch die Anpassung der Krümmung insbesondere Terahertzstrahlung sowohl refokussieren als auch gezielt umlenken kann. Die Herausforderungen zu Design, Modellierung, Untersuchung der Kopplungseffekte, sowie der effizienten Regelung wird in Kooperation mit Projektpartnern der Universitäten Freiburg und Bochum, sowie der Jade Hochschule bewältigt. Der Lehrstuhl für Regelungstechnik der Universität Augsburg entwickelt hierfür insbesondere Algorithmen zur Systemidentifikation und Regelung, welche klassische Methoden mit denen aus dem Bereich des maschinellen Lernens kombiniert.

Projektträger

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Projektzeitraum

2022 - 2025  

Projektbeschreibung

Gemeinsam mit der ATOMA GmbH erforscht der Lehrstuhl für Regelungstechnik in der Ingenieurinformatik die Anwendung moderner KI-Methoden für Kombinationswaagen. Kombinationswaagen werden eingesetzt, um Güter wie beispielsweise Lebensmittel schnell und präzise zu portionieren. Dazu werden in mehreren Wägezellen Teilmengen erfasst und vorteilhaft zu einer Gesamtmenge kombiniert.

Hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessgeschwindigkeit und der breite Einsatzbereich machen Kombinationswaagen zu einem herausfordernden Anwendungsgebiet lernender Verfahren.  Das breite Güterspektrum, das mit Kombinationswaagen portioniert wird, macht die Nutzung qualitativer Messungen im Regelprozess notwendig. Die Verbindung dieser qualitativen Daten mit quantitativen Größen stellt eine große Herausforderung für lernende Regelverfahren dar. Trotz dieser Heterogenität muss Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit der Waage durch die Regelung gewährleistet werden.  

Für alle geplanten Vorhaben wird eine umfangreiche Datenbasis benötigt, die ebenfalls im Rahmen des Projektes entstehen soll. Dazu müssen die bestehenden Maschinen um die notwendige Infrastruktur erweitert und eine geeignete Datenaufbereitung entwickelt werden.

Zusätzlich soll ein Framework zum Training eines digitalen Zwillings entwickelt werden, der es ermöglichen soll, die Entwicklung und Wartung solcher Maschinen zu optimieren und als Testumgebung für neue Regelungsansätze für Kombinationswaagen dienen soll.

Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2022 - 2024  

Projektbeschreibung

Die berührungslose Manipulation von Flüssigkeitstropfen und sensiblen Festkörpern durch akustische Levitationsmethoden hat zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Pharmazie, Biologie und Mikroelektronik. In den letzten Jahren haben aktuelle Fortschritte in der akustischen Levitation die kontrollierte Bewegung schwebender Objekte in 3D ermöglicht, aber unerwünschte Schwingungen behindern einige Anwendungen, die eine hohe Präzision der Bewegung erfordern. Um die Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen und unerwünschte Schwingungen zu reduzieren, werden wir die Anwendung von Steuerungs- und Regelungssystemen im Zusammenhang mit der akustischen Levitation untersuchen. Bei dieser Untersuchung wird das Fachwissen der deutschen Gruppe auf dem Gebiet der Regelungstechnik mit dem Fachwissen der brasilianischen Gruppe auf dem Gebiet der akustischen Levitationssysteme kombiniert. In dieser Studie werden flüssige und feste Objekte durch ein akustisches Levitationssystem, bestehend aus einem phasengesteuerten Array von Ultraschallwandlern geringer Leistung, levitiert und manipuliert. Es werden regelungstechnische Methoden wie Feed Forward Control und H-Infinity Control angewandt, um sowohl die Oszillation zu reduzieren als auch die Bewegungsgeschwindigkeit des levitierenden Objekts zu erhöhen.Die Untersuchung gliedert sich in drei Teile. Zunächst wird ein geeignetes akustisches Levitationssystem entworfen und ein entsprechendes White-Box-Modell erstellt, dessen Parameter mit Hilfe von Systemidentifikationsmethoden experimentell bestimmt werden. Anschließend verwenden wir das erstellte Modell, um ein Steuerungssystem zur Manipulation von Festkörpern und Flüssigkeiten zu entwickeln. Diese Ergebnisse werden für die Entwicklung einer kamerabasierten Echtzeit-Positionsregelung genutzt, um Modellfehler und Prozessstörungen wie akustische Strömungen zu behandeln. Die Verbesserungen des geregelten Prozesses werden anhand von Kriterien wie dem absoluten Positionsfehler, der Maximalgeschwindigkeit und der Schwingungsamplitude bewertet. Schließlich wird das neue Levitationssystem in eine SAXS-Anlage (Small-Angle X-ray Scattering) integriert, um levitierte Substanzen in der Luft handhaben, mischen und analysieren zu können.

Link zur Website der DFG