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Forschungsprojekt TopLamp mit Fraunhofer und Südkorea

Seit 2020 ist BBW Lasertechnik Projektleiter des im Rahmen des Förderprogramms „Eureka Eurostars“ stattfindenden Forschungsprojekts TopLamp. Zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT), dem südkoreanischen Scannerhersteller K-Lab und dem Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM) entwickeln wir eine Plattform für die flexible Fertigung metallischer Bipolarplatten.

Das TopLamp-System geht dabei wesentlich über den reinen Aufbau einer Anlage hinaus und umfasst neben der Erforschung der Schweiß- und Schneidprozesse auch die intelligente Auswertung der Prozesssignale. Das Herzstück der Plattform ist ein von K-Lab  entwickeltes 2D-on-the-Fly-System, das eine kombinierte Bewegung der Scannerspiegel und der Achsen ermöglicht. Sobald das 2D-on-the-Fly-System im Frühjahr bei uns eintrifft, upgraden wir es zu einer vollständigen Laseranlage, stellen einen 2kW Singlemode-Laser zur Verfügung und integrieren eine Prozessüberwachung.
 

Entwicklung einer intelligenten Prozessüberwachung

Anschließend nutzen wir die Anlage, um uns intensiv mit dem Schweißprozess und der Auswertung der Prozesssignale mit maschinellem Lernen zu beschäftigen. Damit einhergehend bauen wir eine große Datenbank auf, in der Prozessparameter mit der resultierenden Schweißnahtgeometrie und den Prozesssignalen verknüpft werden. Letztlich ist es unser Ziel, anhand des Prozesssignals eindeutig auf die Nahtform und die Schweißnahtqualität rückschließen zu können. Darüber hinaus werden wir untersuchen, ob es möglich ist, den umgekehrten Weg zu gehen und ausgehend von einer gewünschten Nahtform, die Prozessparameter und die Toleranzgrenzen für das Überwachungssystem generieren zu können. Sollte dies gelingen, sind in Zukunft keine Versuche mehr notwendig, um die Schweißnahtgeometrie einzustellen und Toleranzgrenzen festzulegen.
 

Erforschung der Schweiß- und Schneidprozesse

Parallel zu unseren Untersuchungen wird am ILT der Schweißprozess erforscht, um bislang nicht erreichte Prozessgeschwindigkeiten bei gleichzeitig heliumdichten Schweißnähten zu realisieren. So entstehen aktuell bei hohen Prozessgeschwindigkeiten aufgrund des sogenannten Humping-Effekts unregelmäßige Schweißnähte (siehe Abbildung 1), welche das ILT in Zukunft verhindern möchte. Zudem kommt eine neue Überwachungstechnik zum Einsatz. Mit der optischen Kohärenztomografie (englisch optical coherence tomography, OCT) kann die Tiefe der Dampfkapillare direkt gemessen werden. Die OCT-Prozessüberwachung ist bereits verfügbar, kann allerdings noch nicht für das Scanner-Schweißen mit Singlemode-Lasern eingesetzt werden. Dieses Defizit möchte das ILT in Zusammenarbeit mit K-Lab beheben.

Abbildung 1: Schweißnaht mit Humping-Effekt (Quelle: ILT)

Am südkoreanischen Institut KIMM wird der Schneidprozess untersucht. Hier stehen sowohl das Remote-Schneiden und das Schneiden mit Gasdüse im Fokus. Die Erforschung des Schneidprozesses mit Gasdüse verfolgen wir mit besonderem Interesse. Üblicherweise ist die Gasdüse direkt an der Optik befestigt. Da wir in unserem Fall jedoch mit einem Scanner arbeiten, beträgt der Abstand zwischen Düse und Scanner über 300 mm und die beiden Komponenten müssen synchron bewegt werden. Ein solcher Prozess wird bisher nirgends eingesetzt.

Wenn die individuellen Untersuchungen im kommenden Jahr abgeschlossen sind, werden sämtliche entwickelte Hardware, Software und das gewonnene Prozesswissen in unser System integriert. Sind alle Projektuntersuchungen erfolgreich beendet, verfügen wir bei BBW Lasertechnik über das weltweit fortschrittlichste System zur flexiblen Fertigung metallischer Bipolarplatten.

Auch wenn bis dahin noch einige Herausforderungen zu meistern sind – zum Beispiel organisatorischer Art aufgrund der Corona-Krise – freuen wir uns auf die weitere und hoffentlich auch bald persönliche Zusammenarbeit mit unseren südkoreanischen und deutschen Partnern.

 

Ein Beitrag von Florian Hugger 

 

Links:

ILT: https://www.ilt.fraunhofer.de/

K-Lab: http://www.k-lab.co.kr/

KIMM: https://www.kimm.re.kr/eng

Eureka Eurostars: https://www.eurostars.dlr.de/

 

Weitere Informationen zu unseren Forschungsprojekten finden Sie hier.

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