Exzellenzclusters PhoenixD - Task Group M4: Machines, Automation and Organization

Kürzere Produktlebenszyklen und kleine Stückzahlen stellen große Herausforderungen an die moderne Produktionstechnik. In der Optikfertigung kommen hohe Qualitätsanforderungen und der Einsatz komplexer, mehrstufiger Prozesse hinzu. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bedarf es automatisierter und selbstoptimierender Systeme. In PhoenixD werden diese mittels virtueller Modelle realisiert, an welchen die optischen Bauteileigenschaften bereits während der Fertigung simuliert werden können. Anhand dieser Simulationen können sowohl einzelne Fertigungsprozesse als auch die Prozessketten angepasst werden.

Zielsetzung

Zum Erstellen der virtuellen Modelle ist umfangreiches Wissen über das in der Fertigung befindliche Bauteil notwendig. Dazu müssen zum Beispiel im Prozess wirkende Kräfte gemessen werden. Zudem werden Aktoren zum Anpassen der Prozesse benötigt. Hierzu wird in der Arbeitsgruppe M4 ein magnetisch gelagerter Linearaktor entwickelt. Ähnlich wie bei einer Magnetschwebebahn (Transrapid) schwebt der Bauteilhalter und kann präzise in allen Raumrichtungen ausgerichtet werden. Die wirkenden Kräfte können präzise gemessen und angepasst werden. Der Aktor ist somit ideal zur Erfassung und Anpassung von einzelnen Fertigungsprozessen geeignet. Damit darüber hinaus eine Anpassung gesamtheitlicher Prozessketten gelingt, müssen alle zum Einsatz kommenden Produktionsprozesse flexibel und modular miteinander Verknüpft werden. In der Arbeitsgruppe M4 wird erforscht, wie ein solches Fertigungssystem aufgebaut werden muss.

Vorteile

Diese Forschung ermöglicht eine präzise und dynamische Ausrichtung von Bauteilen in der Fertigung, ähnlich einer Magnetschwebebahn. Die präzise Messung und Regelung von Kräften sowie Positionsabweichungen in Echtzeit werden durch die hohe Dynamik, Steifigkeit und Präzision des Linearaktuators gewährleistet. Übergeordnetes Ziel dieser Untersuchungen ist die Schaffung einer ganzheitlichen Prozesskette durch die flexible und modulare Verknüpfung aller Produktionsprozesse zur Unterstützung einer adaptiven Fertigung.

Vorgehen

Die adaptive Fertigung in PhoenixD sieht vor, dass die Fertigungsgenauigkeit etablierter Fertigungsmethoden durch eine Zustandsrückführung und Parameteranpassung im Prozess (Qualitätsregelkreis) gesteigert wird. Hierdurch können Bauteile sowohl präzise als auch produktiv und somit kostengünstig gefertigt werden. Ein Fertigungsverfahren mit besonders hoher Produktivität stellt zum Beispiel das in Arbeitsgruppe  M2 – Additive/Subtraktive Fertigung erforschte Flexodruckverfahren dar. Der Ansatz des Qualitätsregelkreises bedingt, dass der Zustand im Prozess durch eine Sensorik erfasst werden kann. Zur Anpassung der Prozessparameter bedarf darüber hinaus einer entsprechenden Aktorik.

Zu diesen Parameteranpassungen zählen die Druckkraft zwischen Druckrolle und Substrat sowie der Ausrichtung des Substrats gegenüber der Druckrolle. In den am Markt verfügbaren Flexodruckmaschinen gibt es momentan jedoch keine Möglichkeit, diese Parameteranpassungen während des Druckprozesses vorzunehmen. In Arbeitsgruppe M4 wird in diesem Zusammenhang ein flexibel einsetzbarer Linearaktor mit langem Verfahrweg in X-Richtung und elektromagnetischer Führung erforscht (siehe Abbildung 1). Die Führung besteht aus acht am Schlitten montierten Elektromagneten, die auf der Reluktanzkraft basieren Die Luftspalte zwischen den Magneten wird mit Wirbelstromsensoren erfasst. Zusätzlich erfolgt eine Messung der magnetischen Flussdichte mit Hallsensoren. Mit der magnetischen Führung kann der Aktuator neben einer Linearbewegung auch eine Feinpositionier in die verbleibenden fünf Freiheitsgrade (zwei translative und drei rotative) ausführen. Aus dem Luftspalt und Spulenstrom der Magnete sowie der magnetischen Flussdichte lassen sich zudem die Lagerkräfte abschätzen, aus denen anschließend die Prozesskräfte abgeleitet werden können. Die Forderung nach sensorischen und aktorischen Fähigkeiten ist somit erfüllt.

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