Thesis Committee:
Prof. Riedel (ISW), Prof. Weihe (IMWF)
Problemstellung:
Die additive Fertigung bietet ein flexibles Verfahren, das gut geeignet für die Herstellung individueller Bauteile ist. Sie eröffnet vielfältige Potenziale für eine flexible und individualisierte Produktion komplexer Bauteile. Darüber hinaus bieten additive Verfahren die Möglichkeit einer endkonturnahen Herstellung von Bauteilen, wodurch der Rohstoffeinsatz minimiert und Ressourcen geschont werden können.
Für die Entwicklung von Produktionsmaschinen und -anlagen und deren Steuerung hat sich die Methode der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) etabliert, bei der Tests und Optimierungen vor der realen Inbetriebnahme durchgeführt werden. Der Fokus der VIBN liegt auf dem kinematischen Verhalten mit Starrkörpern, wodurch das Verhalten vieler Maschinen und Robotern abgebildet werden kann. Auch additive Fertigungsprozesse sollen in der VIBN getestet werden, insbesondere zur kontinuierlichen Kollisionsüberwachung mit dem sich schichtweise aufbauenden Bauteil. Dafür sind die bisher eingesetzten Modelle ebenso wenig geeignet wie klassische Simulationsmodelle, die in der additiven Fertigung eingesetzt werden.
Relevanz der Themenstellung:
Die wachsende Komplexität additiver Fertigungsprozesse sowie die steigenden Anforderungen an Prozesssicherheit, Qualität und Durchlaufzeit erfordern eine fundierte Prozessmodellierung. Die virtuelle Inbetriebnahme bietet ein hohes Potenzial, um Fertigungsprozesse bereits vor der realen Umsetzung zu testen, zu optimieren und potenzielle Fehlerquellen frühzeitig zu identifizieren. Dies ist insbesondere in der additiven Fertigung relevant, da dort eine Vielzahl an voneinander abhängigen physikalischen, thermischen und mechanischen Phänomenen abläuft, deren Wechselwirkungen zu vielschichtigen Zusammenhängen führen. Die Forschung an der Modellentwicklung für die VIBN trägt somit wesentlich zur Effizienzsteigerung, Qualitätssicherung und zur besseren Integration additiver Fertigungstechnologien in bestehende Produktionsumgebungen bei.
Wissenschaftliche Fragestellung:
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger Modellansätze für die virtuelle Inbetriebnahme von additiven Fertigungssystemen. Additive Prozesse werden in besonderem Maße durch materialspezifische Eigenschaften wie Dichte, Viskosität oder Wärmeleitfähigkeit beeinflusst. Darüber hinaus spielen thermische Effekte wie die absolute Temperatur in Bezug auf die materialabhängigen Prozessgrenzen, Schmelz- und Erstarrungsverhalten und die Wärmeübergänge eine zentrale Rolle für den Gesamtprozess und die resultierende Bauteilqualität. Im Mittelpunkt des Vorhabens steht daher die Frage, welche physikalischen Effekte relevant für die Inbetriebnahme im Produktionskontext sind und wie sich diese durch geeignete Modelle so abbilden lassen, dass sie in simulationsgestützte Inbetriebnahmeprozesse integriert werden können. Additive Prozesse weisen im Vergleich zu subtraktiven Prozessen eine starke Zeitabhängigkeit und Geometrieabhängigkeit auf. Die Prozessdynamik wird wesentlich durch den schichtweisen Aufbau des Bauteils bestimmt, wodurch thermische, mechanische und materialflussbezogene Effekte kontinuierlich miteinander interagieren. Diese Charakteristika führen zu einer starken Kopplung zwischen Prozessparametern, Maschinenbewegungen und der fortschreitenden Bauteilgeometrie. Basierend auf diesen Besonderheiten sollen Modellarchitekturen konzipiert werden, bei denen durch den Einsatz von Methoden der künstlichen Intelligenz die Anforderungen der VIBN erfüllt werden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Frage wie die Architekturen aufgebaut werden können, damit verschiedene Prozesskonfigurationen abgebildet werden können. Die entwickelten Modellansätze werden schließlich in eine geeignete Simulationsumgebung integriert und anhand experimenteller Prozessdaten validiert.
Jetzt bewerben! Ihre Bewerbung wird zeitnah nach Eingang bearbeitet.