QUAR – Künstliche Intelligenz für die Industrie 4.0

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Pressemeldung der Universität Passau vom 21.02.2018

Motorblöcke werden bereits weitgehend vollautomatisiert produziert. Das Institut FORWISS an der Universität Passau entwickelt ein intelligentes System, um die Überwachung eines Teils dieser Prozesse ebenfalls zu automatisieren: Mit Hilfe von maschinellem Lernen soll das System genaue Vorhersagen über den Verschleißzustand von Bearbeitungsmaschinen treffen können.

Die Fertigung von Motorblöcken aus Aluminium funktioniert ohne menschliche Handgriffe: Nach dem Guss entkernen und bearbeiten Roboter die Gussteile vollautomatisiert. Mehrere Bearbeitungsstationen gehören zu einer Anlage, die jeweils auf Teilaufgaben spezialisiert sind.

Bei der Vorentkernung beispielsweise schlagen zwei Presslufthämmer gleichzeitig auf ein Bauteil ein, um den Sand der innen liegenden Sandkerne zu lockern. „Diese Hämmer arbeiten stets an ihrer eigenen Belastungsgrenze und der des Bauteils“, erklärt Dr. Erich Fuchs, Geschäftsführer des Instituts für Softwaresysteme in technischen Anwendungen der Informatik (FORWISS Passau). Und die Arbeit muss exakt erfolgen. „Wenn die Hämmer nur fünf Millimeter daneben einschlagen, beschädigt das womöglich den Motorblock.“

Hinzu kommt ein weiteres Risiko: Sollte eine der in der Prozessreihe liegenden Maschinen ausfallen, steht die gesamte Anlage mit all ihren 13 Stationen still, in der mehrere Motorblöcke gleichzeitig bearbeitet werden. Es kommt also zu kostenintensiven Ausfällen.

Intelligentes System wird auf bestimmte Signale trainiert

Hier setzt das Projekt „Vorausschauende Instandhaltung und Qualitätssicherung in der Rohteilbearbeitung – QUAR“ an: Die Forscherinnen und Forscher wollen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz ein voll automatisiertes Überwachungssystem entwickeln. Das System soll durch Methoden des maschinellen Lernens darauf trainiert werden, genaue Vorhersagen zu treffen, wann womöglich beispielsweise die Hämmer nicht mehr korrekt arbeiten oder ausfallen könnten.

Dazu identifizieren die Forscherinnen und Forscher Signale, die auf solche Ausfälle hindeuten könnten. Mechanische Veränderungen bei den Presslufthämmern geschehen schleichend und sind schwer zu beobachten. Sie führen aber auch zu Abweichungen in den Prozessen. Die Forscherinnen und Forscher versuchen, diese mit Hilfe von Vibrationssensoren oder über die Stromaufnahme oder weitere Sensoren messbar zu machen.

Das Team trägt also alle verfügbaren Informationen zusammen und füttert das intelligente System damit. So sollen in der Rohteilbearbeitung zukünftig ungeplante Stillstandszeiten vermieden werden. Das System soll optimale Zeitpunkte ermitteln, zu denen kritische Komponenten ausgewechselt werden müssen. Das Projekt QUAR trägt mit diesem intelligenten Überwachungs- und Instandhaltungssystem einen Baustein zur Digitalisierung des gesamten Produktionsprozesses bei.

Beteiligte und Förderung

Prof. Dr. Tomas Sauer, Inhaber des Lehrstuhls für Mathematik mit Schwerpunkt Digitale Bildverarbeitung, leitet das Projekt zusammen mit FORWISS-Geschäftsführer Dr. Erich Fuchs. Das Institut bearbeitet den theoretischen Teil, also etwa die Auswahl und Umsetzung geeigneter Lernverfahren und deren mathematische Modellierung. Projektpartner aus der Industrie ist die Firma R. Scheuchl GmbH mit Sitz in Ortenburg, die als Hersteller von Spezialmaschinen für den kompletten Aufbau und den Testbetrieb der Anlage zur Rohteilverarbeitung zuständig ist. Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie fördert das Vorhaben mit Mitteln aus dem Forschungs- und Entwicklungs-Programm „Informations- und Kommunikationstechnik“ des Freistaates Bayern. (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de

Materialforscher entwickeln neue Klasse metallischer Gläser – Leichtbauanwendungen möglich

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 01.02.2018

Drei junge Forscher der Universität des Saarlandes haben eine neue Klasse so genannter amorpher Metalle entwickelt. Da diese Legierungen, auch metallische Gläser genannt, ganz andere Eigenschaften als ihre Ausgangsmaterialien haben, eignen sie sich hervorragend beispielsweise für Leichtbauteile in Luft- und Raumfahrt. Die Forscher des Lehrstuhls für Metallische Werkstoffe konnten in jahrelanger Arbeit eine Legierung aus Titan und Schwefel erzeugen, die sehr leicht ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit besitzt. Für ihre Erfindung sind sie von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Universität mit dem Erfinderpreis ausgezeichnet worden.

Materialforschung ähnelt einem Puzzle aus tausenden Teilen: Wenn man nicht das richtige Teil findet, mit dem man anfangen kann, stochert man mehr im Dunkeln als dass man ein zusammenhängendes Bild hinbekommt. Auf der Suche nach diesem Puzzleteil waren auch Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross. Die Doktoranden am Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe von Professor Ralf Busch haben nun in Zusammenarbeit mit dem Technologiekonzern Heraeus nach hunderten Versuchen und mehreren Jahren Forschung Legierungen entwickelt, die eine sehr hohe Festigkeit besitzen und gleichzeitig sehr leicht sind.

Gegenüber bisherigen Werkstoffen aus der Klasse der sogenannten amorphen Metalle haben die Legierungen mehrere entscheidende Vorteile: Die Verbindungen bestehen hauptsächlich aus Titan und Schwefel und damit aus Elementen, die sehr häufig auf der Erde vorkommen und industriell sehr gut nutzbar sind. Und anders als amorphe Metalle auf Basis von Zirkonium, Palladium oder Platin ist Titan verhältnismäßig günstig, ebenso wie der Schwefel, der darüber hinaus keine hochgiftige Wirkung hat wie die in solchen Legierungen bisher häufig verwendeten Elemente Beryllium oder Phosphor.

Dass Schwefel dabei das richtige Element ist, um das leichte Metall Titan so zu gestalten, dass es gleichzeitig eine hohe Festigkeit hat, ohne dabei spröde und brüchig zu werden, war dabei keine Selbstverständlichkeit. „Denn Schwefel hatte 20, 30 Jahre lang keiner auf der Rechnung, weil es in keinem Versuch zuvor funktioniert hat“, erläutert Oliver Gross. Und wenn es 30 Jahre lang nicht funktioniert hat, forscht keiner mehr mit Schwefel, um bessere Werkstoffe damit zu erhalten.

Die jungen Wissenschaftler hatten allerdings den richtigen Riecher und Schwefel dennoch als Beimischung verschiedener Metalle getestet. „Zuerst hatten wir dann mit Palladium, Nickel und Schwefel eine funktionierende Legierung gefunden, die gute Eigenschaften hatte“, erläutert Benedikt Bochtler. „Da sind wir dann drangeblieben und haben weiter mit dem leichten und günstigeren Titan experimentiert.“ Nach ungefähr 250 Experimenten, in denen Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross die Mischungsverhältnisse von Titan, Schwefel und weiterer Stoffe in feinsten Variationen miteinander kombinierten, fanden sie schließlich die richtige Abstimmung. Wie kompliziert die Suche nach dieser Abstimmung ist, verdeutlicht die Tatsache, dass schon ein Unterschied von einem Prozent mehr oder weniger eines Stoffes ausschlaggebend dafür sein kann, ob eine Legierung die gewünschten Eigenschaften aufweist oder nicht.

Die von ihnen entwickelten Legierungen sind etwa um das Doppelte fester als gängige Metalle auf Titanbasis derselben Dichte, also desselben Gewichts. Damit eignet es sich hervorragend zur Herstellung leichter, kleiner Bauteile, zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrt, wo jedes Gramm eingespartes Gewicht zählt und natürlich auch die Stabilität und Festigkeit des Materials entscheidend ist.

Das Verfahren, nach dem sie dieses so genannte Metallische Glas hergestellt haben, ist essenziell für diese Eigenschaften. Denn die über 1100 Grad Celsius heiße Schmelze wird blitzartig abgekühlt, so dass keine klassische Legierung entsteht, deren Atome sich während des lang andauernden Abkühlens in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen. Dadurch, dass die Schmelze in weniger als einer Sekunde herabgekühlt wird, erstarrt sie in der ungeordneten Atomstruktur der Schmelze. Dieser strukturelle Zustand wird auch als Glas bezeichnet. Dieses Chaos im Aufbau verleiht dem Metallischen Glas Eigenschaften, die ganz anders sind als der herkömmlichen Legierung derselben Ausgangsstoffe. Diese Metallischen Gläser sind fest wie Stahl, aber gleichzeitig elastisch wie Kunststoff.

Für ihre Entdeckung wurden die drei jungen Erfinder mit dem Erfinderpreis der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ausgezeichnet. Die neue Legierungsklasse, die Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross mit Unterstützung des Technologiekonzerns Heraeus mit Sitz in Hanau entdeckt haben, wurde in Zusammenarbeit mit der Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen zum Patent angemeldet. Das global agierende Familienunternehmen Heraeus hat sich für den größten Teil der neuen Legierungen die Verwertungsrechte gesichert, so dass die Chancen gut stehen, dass diese ihren Weg in die industrielle Nutzung finden werden.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Ein Schritt in die Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen

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Presseinformation der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2018

Die Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen wird wohl nicht durch die eine große Entdeckung geschehen, sondern sich schrittweise vollziehen. Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen ist es gelungen, einen weiteren Schritt in diese Richtung zugehen. Auf Basis von Lignin, das zum Beispiel aus Pflanzenresten gewonnen werden kann, stellen die Wissenschaftler eine Grundierung für Lacke her, die ohne petrochemische Rohstoffe auskommt und dadurch eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz aufweist.

Fossile Rohstoffe sind begrenzt. Dennoch ist die Produktion zahlreicher Produkte abhängig von diesen endlichen – oft umweltschädlichen – Ressourcen. Entsprechend groß ist der Wunsch nach Rohstoffen, die nicht nur die petrochemischen Substanzen gleichwertig ersetzen, sondern auch eine bessere Umweltverträglichkeit und CO2-Bilanz aufweisen. Besonders interessant sind dabei Rohstoffe, die nicht in Konkurrenz zur Herstellung von Nahrungsmitteln oder Biobrennstoffen stehen und gleichzeitig in großen Mengen vorhanden sind. Wie beispielsweise Lignin, dem neben der Zellulose am häufigsten vorkommenden Naturstoff. Lignin ist unter anderem ein Nebenprodukt bei der Papierherstellung. Aber auch in Bioraffinerien fallen große Menge davon als Abfallprodukt bei der Herstellung von Bioethanol an. Für die Fraunhofer-Wissenschaftler lag daher der Gedanke nahe, durch die Verarbeitung von Lignin, das nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht, nachwächst und umweltfreundlich ist, eine Alternative zu petrochemischen Stoffen zu schaffen.

Bio-Bindemittel für Primer-Formulierung

Bei der Entwicklung von Alternativen zu petrochemischen Substanzen rückte Lignin schon häufig in den Fokus von Wissenschaftlern. Aufgrund seiner herausfordernden Eigenschaften konnte sich der Holzstoff bisher allerdings nicht durchsetzen. So ist die genaue chemische Zusammensetzung der Lignin-Masse zum Beispiel davon abhängig, ob sie aus der Papierproduktion stammt und mit anderen Stoffen versetzt ist oder, ob sie bei der Herstellung von Biokraftstoff angefallen ist. Dementsprechend komplex ist die Produktion eines stets gleich reagierenden Stoffes. »Die meisten bisherigen Ansätze basierten darauf, aus dem Lignin monomere Ausgangsstoffe herzustellen, die stets dieselben Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der Ausgangsmasse ist dies recht komplex«, erklärt Yvonne Wilke am Fraunhofer IFAM. »Wir haben einen anderen Ansatz gewählt und das Ganze standardisiert und modifiziert. So erhalten wir einen Grundstoff, von dem wir sagen können, dass er sich innerhalb bestimmter Grenzen immer gleich verhält.« Die Experten des Fraunhofer IFAM transformierten das Standardisierte-Gemenge weiter und konnten es so als Rohstoff für Bindemittel für Primer-Formulierungen einsetzen. Das Resultat ist ein Primer, der Schlüsseleigenschaften wie Korrosionsschutz, Haftung oder Applizierbarkeit aufweist, die mit Grundierungen, die auf petrochemischen Rohstoffen basieren, vergleichbar sind.

Grundierung aus Pflanzenresten

Gerade in Zeiten, in denen der Ruf – sowohl bei Herstellern als auch bei Endkunden – nach nachhaltigen Produkten immer lauter wird, sind solche biobasierten Lösungen besonders interessant. Beispielsweise in der Automobil-Industrie ist die CO2-Bilanz ein wichtiges Verkaufsargument. Durch den Einsatz von biobasierten Primern und Lacken kann diese deutlich verbessert werden. Und da die Grundierung auf Ligninbasis des Fraunhofer IFAM mit herkömmlichen Primern vergleichbare Eigenschaften aufweist, müssten auch hinsichtlich der Qualität keine Abstriche hingenommen werden.

»Die Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen ist ein großes Ziel. Vor allem, wenn man die Vielzahl von Produkten bedenkt, die noch auf fossilen Rohstoffen basieren«, sagt Wilke. »Mit unserem Projekt konnten wir ein paar Schritte vorankommen und zeigen, dass Lignin bei der Herstellung von Grundierungen oder Klebstoffen eine echte Alternative ist und uns der Unabhängigkeit von petrochemischen Stoffen näher bringt.«

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Februar 2018

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Innovation Leadership
Bill George (The Georgia Institute of Technology)
Start: 12.02.2018 / Arbeitsaufwand: 24-36 Stunden

Externer Link: www.edx.org