Gyorsabban beállítani és erőforrás-takarékosan gyártani

Szuperpontos forgácsolás egy mikrolencse szerkezeten © Fraunhofer IPT

Példa egy szúrt mikrolencse tömbre © Fraunhofer IPT

Orvosi technológia, fotonika, napelem: Számos alkalmazási területen a mikrostruktúrált alkatrészfelületek hozzájárulnak a csúcstechnológiás termékek funkcionalitásához. Ezeknek a rendkívül precíz gyártási folyamatoknak a gépeit gyakran hosszú évek tapasztalatával és különleges szakértelemmel kell beállítani. Egyidejűleg nőnek az elvárások a munkadarabok minősége és élettartama, valamint a hatékony és erőforrás-kímélő gyártási folyamat iránt. Az Aachenben működő Fraunhofer Gyártástechnológiai Intézet (IPT) az Innolite GmbH partnerrel közösen az „UP_Ramp-up” című BMBF-támogatású projektben azon dolgozik, hogy mesterséges intelligencia segítségével felgyorsítsa a gépek beállítási folyamatát, és ezáltal hatékonyabbá tegye a gyártást.

A mikrostruktúrákkal ellátott formális felületekből álló funkcionális termékek gyártása kihívást jelent: A geometriai struktúrák növekvő komplexitásával egyre gyakrabban érnek el határokat a rendkívül precíz gyártási eljárások, mint például a gyémántszerszámokkal történő megmunkálás. A mai napig a gyártó gépeket manuálisan és iteratívan állítják be, amíg a gyártási folyamat olyan optimális nem lesz, hogy eléri a kívánt felületi minőséget. A beállítási folyamat hatékonysága a hagyományos ramp-up esetében a kezelő tapasztalatától és szakértelmétől függ. A „UP_Ramp-up” projekt célja ezért, hogy a mesterséges intelligencia (MI) alkalmazásával teljes mértékben automatizálja a ramp-up folyamatot. Ez jelentősen csökkenti az anyagfelhasználást és a gyártási költségeket. A szakértők azt tűzték ki célul, hogy a mikrostruktúrákkal ellátott mikrolencse-összeállítások replikációs szerszámainak tervezési és gyártási idejét négyszeresére csökkentsék.

A nagy ismeretlenek: a szabályozási és irányítási technika paraméterei

A anyagfeldolgozás minősége közvetlenül összefügg a gépek tengelyeinek rendkívül precíz mozgásirányításával: ha a gép egyedi paramétereit összehangolják, a mozgások nagyon pontosan kivitelezhetők. Magas precizitású formák tartása és nagyon alacsony felületi érdességek érhetők el. Míg a komplex ultranagy precíziós gépek mechanikus összetevői már jól ismertek, a szabályozási és irányítási komponensek hatásait még nem elemezték kellő mélységben. Itt lépnek be a Fraunhofer IPT és az Innolite a mesterséges intelligencia segítségével, amely a modern megerősítéses tanulás (Reinforcement Learning) módszereit alkalmazza. Ez azt jelenti, hogy a tanult algoritmusok saját döntéseket hozhatnak. A cél az, hogy az MI alkalmazását a beállítási folyamat előtt a gyártási folyamatba integrálják, anélkül, hogy a géphez vagy a munkadarabhoz kellene kötni, és így automatikusan a legjobb paramétereket állítsa be.

Mesterséges intelligencia tanítása és a gyártási folyamatok pontos előrejelzése

A kutatók az MI-modellek betanításához olyan adatokat használnak, amelyeket a gyártási folyamat során, a munkadarab nélkül, automatizált módon generálnak légtömörítési (air-cutting) módszerekkel. Emberi szakértői tudás és valós gyártási adatok egészítik ki az adatbázist. További folyamatadatokat mintázatfelismerő módszerekkel dolgoznak fel. A mesterséges intelligencia hozzáfér minden, a gépben rögzített paraméterhez a gyártási folyamat során. Az adatgyűjtés és a következő, a gyártási folyamatnak optimalizált paraméterkészlet automatikusan történik, jelentősen felgyorsítva az összes szabályozási paraméter beállítását. A MI által számított modellezés lehetővé teszi olyan pontos előrejelzések készítését, hogy az első munkadarab már a tűrésen belül készül el.

A projektpartnerek továbbá egy általánosított modellt fejlesztenek, amely más alkalmazásokhoz is felhasználható a paraméteroptimalizálás terén. Különösen a kis- és középvállalkozások profitálnak az integrált MI-megoldásból, amellyel javíthatják gépvezérlésüket. Ez jelentősen csökkentheti a beállítási időt.

Alkalmazási példa: Mikrolencse-összeállítások

Az Innolite által gyártott gép segítségével, amely mikrolencse-összeállítások replikációs szerszámainak gyártására szolgál, bemutatják, milyen jól működik az MI az ipari alkalmazásban. A mikrolencse-összeállítások egyre fontosabbak a modern optikai rendszerek részeként. Alkalmazási területeik a optikai érzékelőktől a orvosi lézeres rendszerekig, valamint világítási rendszerekig, például LED-es lámpákig terjednek. Gyártási adatok, mint például a CAM-adatok, tűrések és analitikus referencia-vonalak rendelkezésre állnak, de a kívánt munkadarabtól függően generálhatók is. A megfelelő mérési technikák segítségével a projektpartnerek ellenőrzik a munkadarab minőségét. Így a szakértők meg tudják határozni a szabályozási és irányítási komponensek hatásait, valamint a folyamat hatékonyságát.

Az UP_Ramp-up projekt

A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium támogatja az „UP_Ramp-up – MI-alapú folyamat a komplex optikai struktúrák egyedi gyártásához szükséges paramétertér optimalizálására” című projektet az „MI4KMU” irányelv keretében, amely a „Módszerek kutatása, fejlesztése és alkalmazása mesterséges intelligencia területén kis- és középvállalkozások számára” témában nyújt támogatást. A projekt az 01IS21046B támogatási számon fut 2021 októberétől 2024 márciusáig, és a projektgazda DLR felügyeli.