Diagnosemethoden
Leitung
M. Sc. Rahul Sharma
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
Kernziel der Arbeitskreisgruppe Diagnosemethoden ist die Bündelung von Erkenntnissen aus dem Bereich der Analyseverfahren und Beobachtungsmethoden. Lag zu Beginn der Arbeiten im SFB1120 der Schwerpunkt auf der Nutzbarmachung und Weiterentwicklung fortgeschrittener Diagnosemethoden, um eine hochauflösende Prozessbeobachtung zu ermöglichen, so wurde in der zweiten Förderphase der Schwerpunkt in Richtung der projektübergreifenden Absicherung von Diagnosemethoden mit Komplementärmethoden gesetzt. So konnten die Verfahren gezielt zur Unterstützung der Simulationsmethoden genutzt werden, die innerhalb des SFB als zentrale Werkzeuge zum Aufbau von Prozessverständnis dienen. Neben einer skalenübergreifenden Validierung von Simulationsergebnissen konnten so physikalische Phänomene in der notwendigen Auflösung quantitativ erfasst werden.
In Phase 3 wird die Bedeutung der Diagnosemethoden insbesondere für die aktive Kompensation der präzisionsbeeinflussenden Größen ansteigen. Neben einer fortgesetzten Nutzung und Weiterentwicklung der hochgenauen und in ihrer Vielfalt einzigartigen in-situ-Messmethoden ist eine Ableitung von prozessintegrierten Sensorprinzipien eine wesentliche Aufgabe der Arbeitskreisgruppe. So werden die bildbasierten Messverfahren in der dritten Phase insbesondere für eine echtzeitnahe Ausführung ertüchtigt, so dass hierdurch Regelkreise gespeist werden können. Die Struktur der Arbeitskreise wurde den neuen Erfordernissen bereits zum Ende der zweiten Phase hin entsprechend der nachfolgenden Aufteilung angepasst.
Die Arbeitskreise
D1: Effiziente Prozessbeobachtung und -diagnostik
Der Arbeitskreis 'Effiziente Prozessbeobachtung und -diagnostik' befasst sich mit der automatisierten quantitativen Analyse der Schmelzeentstehung und -dynamik. Hierfür werden zur Überwindung der "Big Data"-Problematik maschinelle Lernalgorithmen entwickelt und angewendet. Dies führt zu einer Reduktion von anwenderverursachten Fehlauswertungen und ermöglicht die Analyse deutlich größer Datensätze. Einen wesentlichen Inhalt der Arbeiten des Arbeitskreises stellt die Entwicklung von ML-Algorithmen zur automatisierten Bildauswertung dar, die in der zweiten Phase des SFB bereits in den Teilprojekten genutzt wurden. Basis der Datenauswertung ist weiterhin die fortgeschrittene Erfassung von Prozessbildern durch unterschiedliche optische Abbildungsverfahren (Hochgeschwindigkeitsvideographie und -thermographie)
- Ein automatisiertes Auswertungstool für Bildsegmentierung wurde entwickelt und wird in verschiedenen Teilprojekten eingesetzt.
- Verschiedene Ansätze zur Bildanalyse auf Basis neuronaler Netze wurden verwendet und hinsichtlich ihrer Effizienz und Präzision bewertet.
Ziele für zukünftige Arbeiten in der dritten Phase sind:
- Entwicklung von Strategien zur Prozessüberwachung und –regelung auf Basis von optischen Prozessinformationen
- Integration von Sensortechnik zur Erfassung der Prozessemissionen
- Erzeugung von "Smart Data" durch die Signifikanzerhöhung der Prozesssignale zur echtzeitfähigen, latenzarmen Datenverarbeitung
Aktive Mitglieder: A01 , A02 , A05, A07 , A08 , A11, B08
D2: Datenreduktion und Datenauswertung
Die Gewinnung von Prozessverständnis auf Basis von gezielter Messdatenerfassung und der sich anschließenden Messdatenanalyse stellt aufgrund der Vielzahl der erarbeiteten Analysemethoden eine große Herausforderung dar. Die Verarbeitung umfangreicher Daten aus heterogenen Datenquellen wie Hochgeschwindigkeitsvideografiebildern oder Messwerten aus der digitalen Bildkorrelation, sowie transienten elektrischen Messdaten erfordert eine gezielte und bedarfsgerechte Datenreduktion zur nachfolgenden Auswertung. Die Analyse der reduzierten Datensätze stellt hierbei bereits den ersten Schritt hin zu aktiven Beherrschungsansätzen dar, die sich aufgrund der notwendigen Rechenleistung überwiegend nur mit vereinfachten Modellen und reduzierten Daten ausführen lassen. Die in einzelnen Teilprojekten bereits in Phase 2 entwickelten Methoden der Datenreduktion und –auswertung sollen in diesem Arbeitskreis gesammelt und weiterentwickelt werden. Im Wesentlichen lassen sich die Ziele des Arbeitskreises folgendermaßen darstellen:
- Entwicklung von Handlungsrahmen für den Umgang mit großen Datenmengen
- Austauschplattform für neu entwickelte Methoden und getestete Ansätze für die Datenreduktion und Datenauswertung
- Vermittler zwischen Teilprojekten für die effiziente Nutzung von Ressourcen für die Datenauswertung
- Gezielte Suche und Sammlung von projektübergreifend wichtigen Ergebnissen und Erkenntnissen zum Umgang mit Datenauswertungsmethode
Aktive Mitglieder: A01, A02, A05, A06, A08, A09, A10, A11, B03
D3: Zustandsvalidierung präzisionsbeeinflussender Größen
In der dritten Phase der Förderung ist für die Beherrschung der schmelzbasierten Prozesse eine Validierung der resultierenden Zustandsgrößen notwendig. Der Arbeitskreis D3 beschäftigt sich daher mit Messmöglichkeiten, um die Beherrschung verschiedener Eigenschaften der resultierenden Erzeugnisse zu belegen. Hierbei werden Geometrie, Maßhaltigkeit, chemische Zusammensetzung, Eigenspannungen, innere sowie Oberflächenstruktur durch messtechnische Erfassung mit Soll-Werten vergleichbar gemacht. Die in den Teilprojekten untersuchten unterschiedlichen Skalen und ihre korrespondierenden Messmethoden werden hier zusammengeführt.
Aktive Mitglieder: A02, A05, A06, A07, A08, A10, B01, B08
D4: In-situ-Experimente an Großforschungseinrichtungen
Die Beobachtung von Werkstoffveränderungen in Folge des Ablaufes schmelzbehafteter Fertigungsprozesse erfordert Analysemethoden, die oftmals nur an Großforschungseinrichtungen verfügbar sind (hochenergetische Röntgenstrahlung und Neutronenstrahlung). Da die Nutzerbasis solcher Anlagen regelmäßig das vorhandene Angebot an Messzeit für Experimente weltweit überschreitet, ist die effiziente Vorbereitung und Nutzung der beantragten Messzeiten wesentlich für erfolgreiche Experimente. Der Arbeitskreis bündelt die gewonnenen Erfahrungen aus dem vorhergehenden Förderphasen an solchen Großforschungseinrichtungen und dient als Austauschplattform für Methoden und Technologien. Die Bündelung von Fragestellungen in gemeinsamen Experimenten (in Förderphase 2 zwischen A01/A03/A07/A08 sowie zwischen A02 und A07) wird durch den Arbeitskreis ermöglicht. Zusammenfassend können die Ziele des Arbeitskreises wie folgt aufgestellt werden:
- Sammlung von Erfahrungen zu in-situ-Experimenten an Großforschungseinrichtungen
- Darstellung der Möglichkeiten an den Großforschungseinrichtungen und Entwicklung von Versuchskonzepten
- Beratung bei der Erstellung von Messzeitanträgen