Materialbearbeitung via Laser: Informatiker erschließen neue Methoden für die Industrie

Werkstoffe 06. 03. 2023
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Ein neuartiger Ansatz aus Saarbrücken verspricht, eine ganze Reihe von Verfahren der Lasermaterialbearbeitung zu verbessern: Forschende des Max-Planck-Instituts für Informatik haben dazu eine Methode auf Basis künstlicher Intelligenz entwickelt, die einige Zwischenschritte in der Produktion erheblich beschleunigt. Dazu besteht eine Industrie-Kooperation mit Trumpf. Das Hochtechnologieunternehmen bietet Fertigungslösungen in den Bereichen Werkzeugmaschinen und Lasertechnik. Zudem wird das Team nun im Rahmen des EXIST-Gründerprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit rund 800 000 Euro gefördert, um ihre Entwicklung zur Marktreife zu bringen.

Der neuartige Ansatz basiert auf einem so genannten evolutionären Algorithmus in Kombination mit einem maßgeschneiderten Sortierverfahren. Wie Vahid Babaei, Leiter der Forschungsgruppe Artificial Intelligence ­aided Design and Manufacturing (AIDAM) am Saarbrücker Max-Planck-Institut für Informatik am Saarland Informatics Campus, erläutert, wurde damit die erste computergestützte, automatisierte Lösung für eine ganze Reihe von hochkomplexen Problemen der Lasermaterialbearbeitung entwickelt, die bisher noch manuell durch Ausprobieren gelöst werden mussten.

Ein Beispiel für eine derartige Produktionsmethode ist das so genannte Color Laser Marking, ein Verfahren, bei dem metallische Oberflächen durch Erhitzen mit einem Laser eingefärbt werden. Durch Hitze erzeugte Farben lassen sich nur schwer vorhersagen, da sie von zahlreichen Prozessparametern abhängen, beispielsweise von der Art des erhitzten Metalls, der Geschwindigkeit, mit der es erhitzt wird, der Heizleistung oder der Dauer eines einzelnen Laserpulses.

Sollte bisher Metall auf einen bestimmten Farbton erhitzen werden, so Vahid Babaei, bestand die einzige Lösung darin, die entsprechenden Parameter einzeln zu bearbeiten, bis das gewünschte Ergebnis erreicht war. Dieser sehr ungenaue und ineffiziente Ansatz sorgte dafür, dass das Color Laser Marking und ähnliche Produktionsverfahren, die von dem optimierten Zusammenspiel einer Vielzahl von Laserparametern abhängen, von der Industrie bisher weitgehend außenvorgelassen wurden.

Zusammen mit seinen Kollegen Sebastian Cucerca (Max-Planck-Institut für Informatik), Piotr Didyk (Professor an der Universität Lugano) und Hans-Peter Seidel (Wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Informatik) hat Vahid Babaei einen Algorithmus entwickelt, der diesen Prozess der Para­meter-Exploration so weit automatisiert und beschleunigt, dass eine ganze Reihe von Methoden der Materialbearbeitung via Laser für den industriellen Einsatz praktikabel werden. Im Hinblick auf das Color Laser Marking können mithilfe der neuartigen Methode zum Beispiel gesättigte, hochauflösende, ­farbige Bilder auf Metall gedruckt werden – ohne Farbstoffe zu verwenden, nur durch Erhitzen des Materials.

Detaillierte, farbige Bilder, die mithilfe der neuen Methode nur durch Erhitzen des Materials hergestellt wurden – ohne Einsatz von Tinten und Farben (Bild: AIDAM)

 

Die Methode verwendet einen sogenannten evolutionären Explorationsalgorithmus in Kombination mit einer angepassten Sortiermethode. Der Explorationsalgorithmus wiederholt dabei dieselben Schritte, bis er das bestmögliche Ergebnis gefunden hat: Zunächst beginnt er damit, dass der Laser auf der Grundlage zufällig ausgewählter Parameter Markierungen anbringt. Der Algorithmus misst dann die Eigenschaften (hier Farbe und Auflösung) dieser Markierungen und berechnet auf dieser Grundlage den nächsten Satz von Parametern, die der Laser zum Markieren verwenden soll. Dabei kommt der maßgeschneiderte Sortieralgorithmus zum Einsatz: Dieser sortiert die leistungsstärksten Prozess­parameter der zuvor markierten Farben auf Grundlage verschiedener Metriken, wie zum Beispiel Auflösung oder Farbsättigung. Der evolutionäre Algorithmus wiederum erzeugt aus diesen Sortierergebnissen eine neue Generation von Farben, welche die besten Eigenschaften der Elterngeneration enthält. Dieser iterative Prozess wird so lange fortgesetzt, bis keine nennenswerte Verbesserung des Ergebnisses mehr eintritt und somit das bestmögliche Resultat gefunden wurde.

Der neue Ansatz für diese Arten von Optimierungsproblemen ist derzeit weltweit einzigartig und lässt sich auf verschiedene Arten von Lasern und Substraten, und auch auf andere Eigenschaften als die Farbe übertragen. Wir sind der festen Überzeugung, dass die Farbmarkierung nur die Spitze des Eisbergs ist und unser Algorithmus viele verschiedene Prozesse beschleunigen kann, die mit der Oberflächenaktivierung durch Laser zu tun haben, wie zum Beispiel die Veränderung der Haptik eines Materials, führt Vahid Babei aus. Um die Entwicklung zur Marktreife zu bringen, wird ein Team unter Leitung von Vahid Babaei, bestehend aus Azadeh Asadi, Sebastian Cucerca und Mojtaba ­Bemana (alle Max-Planck-Institut für Informatik), nun durch das EXIST-Gründerprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 800 000 Euro gefördert.

Darüber hinaus konnten die Forschenden bereits einen der weltweit führenden Anbie­ter von Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung und für industrielle Laser, das Unternehmen Trumpf mit Sitz in Ditzingen bei Stuttgart, als Industriepartner gewinnen. Paul Stumpf, Business Development Manager bei Trumpf, ist davon überzeugt, dass diese Technologie einen großen Einfluss auf die Lasermarkierungsindustrie und darüber hinaus haben kann. Die Technologie ­behandelt nach seiner Ansicht das physikalische Zusammenspiel zwischen Laser und Material als Blackbox und nutzt die Leistungsfähigkeit von Daten und Algorithmen der künstlichen Intelligenz.

Nähere Informationen zu AIDAM finden Interessierte unter der Homepage

EXIST unterstützt seit 1998 erfolgreich Gründungsnetzwerke, Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen. Ziel ist es, die Zahl von innovativen Ausgründungen mit Hilfe gründungsunterstützender Angebote in Lehre, Forschung und Verwaltung zu erhöhen. Unter dem Dach von EXIST-Gründungskultur hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) daher in den vergangenen Jahren die Förderwettbewerbe EXIST I – IV durchgeführt. Aktuell läuft die Wettbewerbsrunde EXIST-Potentiale, die insgesamt 142 öffentliche und private Hochschulen unterstützt. Seit 2000 unterstützt EXIST außerdem Hochschulabsolventen, Wissenschaftler und Studierende bei der Entwicklung ihrer Gründungsvorhaben mit finanziellen Zuschüssen und Know-how.

Das Max-Planck-Institut für Informatik (MPI) in Saarbrücken zählt zu den weltweit führenden Forschungsinstituten in der Informatik. Seit der Gründung des Instituts im Jahr 1990 konzentriert es sich auf die Erforschung der mathematischen Grundlagen der Informa­tionstechnologie in den Bereichen Algorithmen und Komplexität sowie Logik der Programmierung. Wissenschaftler am Institut entwickeln auch Algorithmen für verschiedene Anwendungsbereiche wie Programmverifikation, Datenbanken und Informationssysteme sowie Bioinformatik. Die Forschung im Bereich Visual Computing, also Computergrafik und Computer Vision, an der Grenze zu künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen, ist ebenfalls ein wichtiger Forschungsschwerpunkt am Institut. Mit Publikationen auf höchstem Niveau und der Ausbildung exzellenter Nachwuchswissenschaftler trägt das MPI für Informatik wesentlich dazu bei, die Grundlagenforschung in der Informatik voranzutreiben.

900 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler (darunter 400 Promovierende) und rund 2500 Studierende aus mehr als 80 Nationen machen den Saarland Informatics Campus (SIC) zu einem der führenden Standorte für Informatik in Deutschland und Europa. Vier weltweit angesehene Forschungsinsti­tute, nämlich das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Max-Planck-Institute für Informatik und für Softwaresysteme, das Zentrum für Bioinformatik sowie die Universität des­Saarlandes mit drei vernetzten Fachbereichen und 24 Studiengängen decken das gesamte Themenspektrum der Informatik ab.

Das Hochtechnologieunternehmen Trumpf mit Sitz in Ditzingen bei Stuttgart ­bietet Fertigungslösungen in den Bereichen Werkzeugmaschinen und Lasertechnik. Die digitale Vernetzung der produzierenden Industrie treibt Trumpf durch Beratung, Plattform- und Softwareangebote voran. Das Unternehmen ist Technologie- und Marktführer bei Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung und bei industriellen Lasern. 2021/22 erwirtschaftete es mit rund 16 500 ­Mitarbeitenden einen Umsatz von 4,2 Milliarden Euro. Mit mehr als 80 Tochtergesellschaften ist die ­Gruppe in fast allen europäischen Ländern, in Nord- und Südamerika sowie in Asien vertreten. Produktionsstandorte des Unternehmens befinden sich in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Österreich und der Schweiz, in Polen, Tschechien, den USA, Mexiko und China.

 
Text zum Titelbild: Dr. Vahid Babaei, Leiter der Forschungsgruppe Artificial Intelligence aided Design and Manufacturing(Bild: Saarland Informatics Campus/Ph. Zapf-Schramm)

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