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Unter dem Begriff "Industrie 4.0" wurden im letzten Jahrzehnt Ansätze der Dateninfra-struktur in Produktionen entwickelt und in großem Umfang angewendet. Dennoch kann das volle Potenzial datengetriebener Analysen kaum ausgeschöpft werden, da viele Produktionsanlagen durch eine hohe Komplexität und Prozessvielfalt gekennzeichnet sind. Zudem ist die Datenmenge in der Praxis meist zu gering, um selbstlernende Me-thoden anzuwenden. Die Integration von Anwenderwissen in datengetriebenen Metho-den ist bisher nicht ganzheitlich erforscht. In dieser Dissertation werden Ansätze zur Anomalieerkennung in verschiedenen hochflexiblen Produktionsmaschinen und die In-tegration von Domänenwissen eines Anwenders vorgestellt. Während sich bestehende Methoden auf das Modelltraining von sich wiederholenden gleichen Prozessen kon-zentrieren, besteht der neuartige Ansatz dieser Arbeit darin, ein Konzept zur Fehlerer-kennung mit einer sehr geringen Datenmenge zu entwickeln. Eingriffsgrenzen sind va-riabel und lassen sich durch selbstlernende Algorithmen im Falle einer Prozess- oder Produktänderung anpassen. Die Prozessdifferenzierung basiert auf einer Prozessseg-mentierung mit Methoden der Mustererkennung. Nach der Segmentierung historischer Datenströme und der Bestimmung repräsentativer Muster werden die Segmente in On-line-Signalen wiedererkannt. Nachdem ein ähnliches Segment erkannt wurde, wird eine unüberwachte Anomalieerkennung durchgeführt. Eine Anomalie-Klassifikation mit Hilfe selbstlernender Methoden und des formalisierten Domänenwissens ermöglicht die Ausgabe von Handlungsempfehlungen für den Benutzer oder Maschinenbediener. Alle entwickelten Methoden werden an drei ausgewählten industriell relevanten Anwen-dungsbeispielen validiert. Die Methoden werden in einer App implementiert.

Der Einsatz von Industrierobotern in der Additiven Fertigung erhöht die nutzbaren Freiheitsgrade und das verfügbare Bauvolumen gegenüber konventionellen additiven Fertigungssystemen deutlich, sodass der Prozess auch auf gekrümmten Flächen ausführbar ist und größere Bauteile gefertigt werden können. Aus dem Vergleich zwischen der Genauigkeit moderner Industrieroboter und den üblichen Schichthöhen des Fused Deposition Modelings wird deutlich, dass Prozessfehler aus der Ungenauigkeit des Industrieroboters resultieren können. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher eine Methode zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings entwickelt. Dazu werden zunächst die Grundlagen dieses Prozesses, der Flexibilisierung der Additiven Fertigung durch Industrieroboter und des robotergeführten Fused Deposition Modelings aufgearbeitet und Anforderungen, die es zu berücksichtigen gilt, abgeleitet. Weiter werden veröffentlichte Methoden zur Überwachung des Fused Deposition Modelings und zur Korrektur robotergeführter additiver Fertigungsprozesse betrachtet und deren Anwendbarkeit auf die untersuchte Problemstellung überprüft. Aufbauend auf den Grundlagen und den betrachteten Methoden wird die Methode zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings entwickelt. Diese besteht aus den drei Schritten: Erfassung von Messdaten, Berechnung des Düsenabstands sowie Identifikation und Korrektur von Abweichungen. Zur Erfassung des laufenden Prozesses werden zwei Laserlinientriangulationssensoren eingesetzt, die seitlich neben der Druckdüse am Flansch des Roboters montiert sind. In den erfassten Messdaten, die anhand der Bewegungsrichtung des Industrieroboters reduziert werden, wird aus dem Oberflächenprofil des Bauteils und der Intensität der reflektierten Laserstrahlen die Kante der aktuellen Schicht lokalisiert. Aus den in den Messdaten beider Sensoren lokalisierten Druckschichtkanten wird auf den aktuellen Abstand der Druckdüse zum zu bedruckenden Untergrund geschlossen. Abweichungen werden im Abgleich mit den Planungsdaten des Prozesses erkannt und mithilfe der Roboterführung korrigiert. Die entwickelte Methode wird auf dreiValidierungsexperimente angewendet und deren Eignung zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings anhand der Bewertung der erzielten Ergebnisse mittels der gestellten Anforderungen festgestellt.

Gedruckte optoelektronische Bauteile versprechen eine kostengünstige Herstellung von Solarzellen, Displays, Transistoren, Sensoren und Laserdioden. Organik-Metallhalogenid- (OMH-) Perowskite eignen sich aufgrund ihrer hohen Absorption, langen Ladungsträgerlebensdauern und hohen Lichtverstärkungsfaktoren hervorragend für die Verwendung in einer Vielzahl solcher Bauelemente. Sie können in Form von gedruckten Dünnschichten als Solarzellen und Laserdioden auch auf mechanisch flexiblen Substraten Anwendung finden. Um aus den Dünnschichten die unterschiedlichen Bauteile zu formen sind materialspezifische Strukturierungsprozesse nötig. Deren Umsetzung mittels Laserstrahlung verspricht eine hohe Präzision, schnelle Anpassungen der Strukturierungsgeometrien und eine gute Integrierbarkeit in industrielle Druckprozesse. In dieser Arbeit werden daher hochpräzise Ultrakurzpuls- (UKP-) Laser für die Manipulation der OMH-Perowskitschichten aus Methylammoniumbleiiodid $(MAPbI_{3})$ und aus dem Mischperowskit $Cs_{0.10}(FA_{0.83}MA_{0.17})_{0.90}Pb_{0.84}(I_{0.84}Br_{0.16})_{2.68}$ eingesetzt. Zunächst wird ein Überblick über die nötigen Pulsenergien zur Oberflächenstrukturierung und zur vollständigen Abtragung der $MAPbI_{3}$-Schicht für Wellenlängen des sichtbaren Bereichs gegeben. Anschließend wird die Photolumineszenz (PL) des $MAPbI_{3}$ ausgenutzt, um einen in-situ Kontrollprozess für das vollständige Abtragen des $MAPbI_{3}$ ohne Beschädigung der darunterliegenden Schichten zu entwickeln. Über die Rot-Verschiebung des PL-Maximums sowie über den Anstieg der PL mit der verwendeten Pulsenergie des Lasers kann die optimale Pulsenergie für das vollständige Abtragen des $MAPbI_{3} $ermittelt werden. Mithilfe der Oberflächenstrukturierung werden erstmals Laserkavitäten direkt in die Schicht des Mischperowskits geschrieben. Dabei werden Interferenzen der Laserpulse an der Mischperowskitoberfläche ausgenutzt, um Gitter mit Perioden, die kleiner als die Laserwellenlänge sind, in die Mischperowskitschicht zu schreiben. Die Gitterperiode lässt sich über die Laserwellenlänge anpassen. Die Gitter bilden horizontale Kavitäten auf der Schicht, wodurch die Mischperowskitschicht nach optischer Anregung Laserstrahlung emittiert. Mit schwächeren Laserpulsen, die keine Oberflächenstrukturierungen bewirken, konnten die ferroelektrischen Domänen des $MAPbI_{3}$ in der Ausrichtung ihrer Polarisation beeinflusst werden. Die UKP-Strahlung führt zu einer schnellen Erwärmung in der Schicht, die zu Umorientierungen der Domänen führt. Anhand von Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopiebildern werden Theorien entwickelt, die diese Umorientierungen erklären, und eine daraus resultierende mögliche Reduzierung der Verspannungen im Kristall wird diskutiert. Die in dieser Arbeit erforschten gezielten Manipulationen helfen, die für Solarmodule und Laserdioden nötigen Strukturierungsschritte in kontinuierlichen Herstellungsverfahren umzusetzen. Weiterhin können die entwickelten Strukturierungsprozesse in der Herstellung von Displays, Transistoren und Sensoren aus $MAPbI_{3}$ und ähnlichen Materialien Anwendung finden.

Managing agricultural processes with significant logistics sub-processes is a challenge because coordinating a distributed fleet in a dynamic environment is difficult without proper oversight in terms of qualitative and quantitative process information. Digital assistance systems are thought to aid agricultural practitioners by providing process-related information and thus support operational decision-making or even control the logistic flow (semi-)automatically. However, their development is currently stifled by a lack of monitoring capabilities during process execution. This thesis concerns the topic of online process monitoring for ongoing agricultural logistic processes. It discusses how to extract process knowledge from the telemetry of agricultural machines by applying spatio-semantic reasoning techniques. Our method combines spatial analysis for identifying spatial relationships between machines and their environment with semantic inference to derive formal process knowledge through ontological and rule-based reasoning. To test our concepts, we implemented a domain-agnostic semantic mapping framework and applied it in the context of forage maize harvesting. We present custom-made ontological models and rules to represent agricultural environments and to reason about machine actors and their process states. Based on our prototype, we demonstrate how to implement automated process and service tracking in near-real-time. Finally, we discuss the role of online process analytics systems in the context of other agricultural assistance systems for farm and fleet management.

The increasing amount of available data in production systems is associated with great potential for process optimization. Due to lack of a data analytics methodology and low data quality within production these potentials often remain unused. Therefore, in this paper we present a model for data acquisition and data preparation including feature engineering for characteristic sensor signals of production machines. The model allows the extraction of relevant process information from the signal, which can be used for monitoring, KPI tracking, trend analysis and anomaly detection. The approach is evaluated on an industrial turning process.

The development of ceramic matrix composites, with their increasing use in high temperature and corrosive environment applications, is still restricted to ‘trial and error’ approach in comparison to other conventional materials like metals. The main reason behind that is the lack of experimental data due to high manufacturing costs of CMCs which generally includes a chain of several complex processes. This adds to the complexity of this material class and thus, makes it a difficult task to establish a relationship between a component with desired properties and the manufacturing parameters required to realise it. In the current work, the digital aspects are investigated from two point of views to use numerical methods to support the material design process: ‘material’ and ‘manufacturing process’. The case ‘material’ is the focus of this work where, ‘process-structure-property-performance’ (PSPP) relationship is established to study the entire life cycle of a CMC component, starting from the intermediate products, such as fibre preforms or green bodies prior to siliconization process, used in the processing to the mechanical performance of the final machined component under operating conditions. Each aspect of the PSPP relationship is discussed in detail and its implementation is demonstrated with the help of a numerical example. Cohesive zone elements at micro-level and homogenous damage development at macro-level were used to define the non-linear behaviour of the material under mechanical loading. Experimental results obtained for different CMCs such as C/C-SiC, C/SiCN, SiC/SiCN and Al2O3/ Al2O3 were used to validate the results obtained for the finite element models at different scales ranging from micro to macro. With the help of data analysis techniques like image segmentation and machine learning algorithm, computationally inexpensive data-based surrogate models were generated from accurate but computationally expensive physics-based models. A detailed review of the available numerical methods to model the manufacturing process and the process monitoring techniques is given. Based on the data and information obtained from the modelling of the material and the manufacturing process, a concept is proposed for optimized development of a CMC part. The concept combines the generated data with quantified expertise in the fields of material science to realise a manufacturing process chain to facilitate the material design process for CMCs. With the implementation of such an approach, the production cost of CMCs can be reduced by knowledge-based selection of the CMC constituents and manufacturing parameters. This will open the door for new applications of CMCs which would enable the material community to extend their use to other cost-efficient high temperature applications. Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, die zunehmend bei hohen Temperaturen und in korrosiven Umgebungen zum Einsatz kommen, ist im Vergleich zu anderen herkömmlichen Werkstoffen wie Metallen noch immer auf ein "Versuch-und-Irrtum"-Konzept beschränkt. Der Hauptgrund dafür ist der Mangel an experimentellen Daten aufgrund der hohen Herstellungskosten von CMCs, die im Allgemeinen eine Prozesskette aus mehreren komplexen Verfahrensschritten umfassen. Dies trägt zur Komplexität dieser Werkstoffklasse bei und macht es somit schwierig, eine Beziehung zwischen einem Bauteil mit gewünschten Eigenschaften und den Herstellungsparametern herzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden die digitalen Aspekte aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln untersucht, um numerische Methoden zur Unterstützung der Werkstoffauslegung einzusetzen: 'Werkstoff' und 'Herstellungsprozess'. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der "Werkstoff", bei dem die "Process-Structure-Property-Performance"-Beziehung (PSPP) hergestellt wird, um den gesamten Lebenszyklus eines CMC-Bauteils zu untersuchen. Angefangen bei den Zwischenprodukten, wie z. B. den Faser-Vorkörpern (Preform)vor dem Silizierverfahren, die die Basis der Verarbeitung bilden, bis hin zur mechanischen Belastungsgrenze des fertig bearbeiteten Bauteils unter Betriebsbedingungen. Jeder Aspekt der PSPP-Beziehung wird im Detail untersucht und ihre Umsetzung anhand eines numerischen Beispiels demonstriert. Kohäsive Zonenelemente auf der Mikroebene und homogene Schädigungsentwicklung auf der Makroebene wurden verwendet, um das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs unter mechanischer Belastung zu definieren. Experimentelle Ergebnisse, die für verschiedene CMCs wie C/C-SiC, C/SiCN, SiC/SiCN und Al2O3/ Al2O3 erzielt wurden, dienten zur Validierung der Ergebnisse der Finite-Elemente-Modelle auf verschiedenen Skalen von Mikro bis Makro. Mit Hilfe von Datenanalysemethoden wie Bildsegmentierung und ‚Machine-Learning-Algorithmen‘ wurden aus genauen, aber rechenintensiven physikalischen Modellen zeiteffiziente datenbasierte Ersatzmodelle erstellt. Es wird ein detaillierter Überblick über die verfügbaren numerischen Methoden zur Modellierung des Fertigungsprozesses und der Prozessüberwachungstechniken gegeben. Auf der Grundlage der Daten und Informationen, die aus der Modellierung des Materials und der Herstellungsprozesse gewonnen wurden, wird ein Konzept für die optimierte Entwicklung eines CMC-Bauteils vorgeschlagen. Das Konzept kombiniert die generierten Daten mit quantifiziertem Fachwissen in den Bereichen der Materialwissenschaft, um eine Fertigungsprozesskette zu realisieren, die die Werkstoffauslegung für CMCs erleichtert. Mit der Umsetzung eines solchen Ansatzes können die Produktionskosten von CMCs durch eine wissensbasierte Auswahl der CMC-Bestandteile und Herstellungsparameter gesenkt werden. Dies wird die Tür für neue Anwendungen von CMCs öffnen, die es der Materialgemeinschaft ermöglichen wird, ihre Verwendung auf andere kosteneffiziente Hochtemperaturanwendungen auszuweiten.

Die additive Metallfertigung ist durch Vorteile wie Geometriefreiheit, werkzeuglose Fertigung ”on-demand“ sowie hohen Bauteilfestigkeiten eine Schlüsseltechnologie zur dezentralen, digitalisierten Fertigung. Eine breite industrielle Nutzung dieser Technologie wird bislang aber durch mangelnde Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit eingeschränkt. In dieser Arbeit wird deshalb der Einsatz einer Flächen-Hyperspektralkamera zur Prozessüberwachung beim laserbasierten Pulverbettverfahren untersucht. Dazu wird die Funktionsweise der hyperspektralen Bildgebung analysiert und die spektrale Auflösungsfähigkeit der Sensorik charakterisiert. Die Kamera wird in die Fertigungsanlage integriert, sodass Prozessaufnahmen bei der Verarbeitung der Magnesium-Legierung WE43 erhoben werden können. Zur Auswertung der Daten werden Methoden des maschinellen Lernens, insbesondere Convolutional Neural Networks, verwendet, die mit den Prozessaufnahmen trainiert werden. So kann die Oberflächenrauheit Rz, die im Probensatz mit einer mittleren absoluten Abweichung von 14,3 μm schwankt, mit einem mittleren absoluten Fehler von 4,1 μm vorhergesagt werden. Durch die Entwicklung eines Akquise-Systems können Prozessaufnahmen mit der Position des Laserspots im Pulverbett sowie weiteren Maschinendaten verknüpft werden. Dadurch können durch Eisenspäne künstlich erzeugte Prozessfehler mit einem F-Maß von 91% erkannt werden.

Mit Blick auf Leichtbauanwendungen ist der Bedarf an thermoplastischen Strukturbauteilen sowohl in der Automobil- als auch in der Luftfahrtindustrie in den letzten Jahren deutlich angestiegen. Das quasi-simultane Laser-Durchstrahlschweißen ist ein etabliertes Kunststoffschweißverfahren, welches jedoch zur Herstellung von tragenden und sicherheitsrelevanten Bauteilen bislang kaum in Betracht gezogen wird. In der vorliegenden Arbeit wird die Korrelation zwischen dem Prozessablauf und der Schweißnahtfestigkeit beim quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißen von Polyamid 6 (Ultramid B3s) erstmalig untersucht. Zur Prozessanalyse wird ein 3D-Scanner mit integriertem Pyrometer realisiert und für die Messaufgabe kalibriert. Es wird gezeigt, dass die detektierte Wärmestrahlung dem Kern der Schweißnaht zuzuordnen ist. Die Kerntemperatur in der quasi-stationären Prozessphase steht in direkter Korrelation mit der Schweißnahtfestigkeit. Mit steigender Kerntemperatur bzw. Molekülbeweglichkeit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Molekül-Verschlaufungen in der Fügeebene. Zur Ermittlung der Kerntemperatur ist sowohl die in dieser Arbeit entwickelte Temperaturmesstechnik als auch die realisierte numerische Prozesssimulation nutzbar. Die Erkenntnisse in dieser Arbeit sind für eine festigkeits- und zeitoptimierten Prozessführung des quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißens nutzbar., The demand on thermoplastic components for lightweight constructions is continuously rising in the automotive as well as in the aerospace industry. The quasi-simultaneous laser transmission welding is an established joining technique in industry, but so far, it is usually not used for high strength applications as well as for safety-relevant components. This is caused by the lack of process understanding in case of producing high strength joints. Especially the temperature in the joining zone is a crucial process characteristic. Up to now, it was not measured in the needed precision. The quasi-simultaneous laser transmission welding of polyamide 6, especially the correlation between process characteristics and the joint strength is analyzed in this work. Therefore, a 3D-scanner with integrated pyrometer was realized and calibrated for the measurement task. It is shown, that the detected heat radiation is mainly coming from the core of the weld seam. The core temperature in the quasi-stationary process state is in direct correlation with the joint strength. The core temperature represents the mobility of the macromolecules in the polymer. An increased mobility leads to a better diffusion, relaxation or retardation of the macromolecules across the joining interface. A process window is defined on basis of the core temperature. The process setting which leads to a high joint strength as well as to the shortest irradiation time is found on the upper corner of the process window. The temperature can be measured with the needed precision by using the herein shown 3D-scanner with integrated pyrometer as well as by using the developed numerical process model. In conclusion, these tools for process diagnostics and the results of this work are useful for the production of welds with high joint strength and short welding times., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 406

Infrarotmesstechnik bietet eine Möglichkeit, ultradünne Beschichtungen deutlich unter 100 nm Dicke schnell, genau und zerstörungsfrei nachzuweisen und zu vermessen. Im Gegensatz zu anderen Methoden ist dies auch auf dreidimensional geformten Oberflächen möglich und kann leicht zu einer parallelisierten Prozessüberwachung in der Linie ausgebaut werden.

Das additive Fertigungsverfahren Laserstrahl-Schmelzen von Metallen im Pulverbett bietet aufgrund von Freiheitsgraden im Design, vorteilhafter Materialeigenschaften, Umsetzungs-Geschwindigkeit und Flexibilit��t in der Produktion ein breites Anwendungsspektrum f��r die Herstellung von Metall-Erzeugnissen. Zur Industrialisierung sind die Handlungsfelder Gesamtanlageneffizienz, Erweiterung der Werkstoffpalette, Simulationsmethoden, fachliche Ausbildung bez��glich Anlagentechnik und Design sowie die Prozess-��berwachung und -Regelung im Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Die in dieser Arbeit gezeigten Untersuchungen zur Prozesscharakterisierung und Erweiterung eines ��berwachungssystems identifizieren typische Prozessfehler und zeigen das Potential von lateralen und koaxialen Prozess��berwachungs-Systemen. Bei der Betrachtung des koaxialen Schmelzbad-��berwachungssystems wurden hierf��r mittels Grundlagenversuchen Erkenntnisse zur Signalverarbeitung erarbeitet. Darauf aufbauend werden Anwendungsm��glichkeiten f��r beide Systeme erarbeitet. F��r das laterale ��berwachungssystem wird eine automatisierte Auswertungsm��glichkeit auf Basis des maschinellen Lernens entwickelt um Schichtbilder zu klassifizieren. F��r das koaxiale ��berwachungssystem werden M��glichkeiten zur Nutzbarmachung bez��glich der Oberfl��chenrauheit auf belichteten Bauteilfl��chen, in Folgeschichten von Kanalverschl��ssen und bei Spritzer-Ereignissen betrachtet. Gegenma��nahmen zur Verminderung von Oberfl��chenrauheit mittels Laserpolieren werden motiviert und Ergebnisse vorgestellt., The demand for customized products and the pressure to accelerate product development are accelerating the industrialization of material-efficient, laser-based additive manufacturing [1]. As a result, prototypes can be produced quickly and cost-effectively with material properties equivalent to those conventionally manufactured [2]. The resulting accelerated development process significantly improves competitiveness, especially for complex products [3]. In mold and tool making, near-contour cooling increases the possible yield rate and the life-time of tools [4] and new applications in medical technology enable a highly individualized manufacturing of implants [5]. There are currently numerous fields of activity [6] for the technology laser powder bed fusion (LPBF) of metals. These concern the insufficient training opportunities for personnel [7], the reproducibility of component quality [8], the lack of design guidelines and the inadequate communication of these guidelines [9], scientifically based application research [10] and strict framework conditions for occupational safety [P1], as well as legal issues [6].Despite intensive research in the simulation of laser-based additive manufacturing processes, the understanding of the physical interaction processes has not yet been sufficiently developed. Therefore, real-time monitoring systems are required to generate new knowledge [11]. To monitor the interaction zone of laser beam and powder, coaxial setups have been sold since 2016. These allow a high temporal and spatial resolution of the entire manufacturing process and thus theoretically enable a component data set comparable to an ex-situ computed tomography. Coaxial melt pool monitoring (CMPM) systems are still insufficiently investigated and underrepresented in research institutions. This thesis deals with the process monitoring of the LPBF and aims to extend the process understanding and the signal understanding of a CMPM and to derive possible applications for the process monitoring as well as an outlook on a controlled process., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 382

Montagesysteme sind integraler Bestandteil des verarbeitenden Gewerbes, vor allem im deutschen Fahrzeug- und Maschinenbau. Im Fokus dieser Arbeit stehen komplexe Montageprozessketten (MPK) in der Großserienfertigung, die in jedem Prozessschritt mit mehreren Parametern in engen Prozessfenstern definiert sind und dort robust liegen. Dennoch treten Serienfehler auf, die nur sehr schwer zu entdecken sind. Einerseits liegen alle Parameter entlang der MPK innerhalb der Grenzen und weisen einen guten bis sehr guten Cp-Wert auf. Andererseits existieren Ereignisse in MPK, die zu Ausschuss führen, obwohl jeder Einzelprozess und deren Kennwerte hervorragend innerhalb der Toleranzgrenzen liegen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der prozessschritt-übergreifenden, datengetriebenen Auswertung von MPK. Im Rahmen von E|ASY-Class und E|ASY-Pat ist die Entdeckung von Wissen in Prozesskurven adressiert und die Prozessvisualisierung E|ASY-Heat erlaubt eine laufende Änderungsanalyse des Prozessverhaltens. Für die Analyse von MPK visualisiert E|ASY-Inter komplexe Wechselwirkungen zwischen Montageprozessen und den geprüft defekten Erzeugnissen in der Funktionserfüllung, um Fehlerursachen zu identifizieren. Spontane Änderungen mit schadhafter Auswirkung auf die Funktionserfüllung des montierten Erzeugnisses erkennt E|ASY-Event anhand der Signalausbreitung entlang komplexer Montagesysteme. Für die Detailanalyse unterstützt E|ASY-Curves mittels 3D-Darstellung die visuelle Auswertung von Prozesskurven. Assembly systems are an integral part of the manufacturing industry, especially in the German automotive and mechanical engineering sectors. The focus of this work is on complex assembly process chains (MPK) in large-scale production. In these systems every single process step is defined with several parameters in narrow process windows and they are robustly located there. Nevertheless, serial defects occur which are very difficult to detect. On the one hand, all parameters along the MPK are within the limits and have a good to very good Cp value. On the other hand, there are events in MPK that lead to rejects, although each individual process and its parameters are excellently located within the tolerance limits. The focus of this work is on the cross-process, data-driven analysis of MPK. In the context of E|ASY-Class and E|ASY-Pat, the discovery of knowledge in process curves is addressed and the process visualization E|ASY-Heat allows for a continuous change analysis of the process behavior. For the analysis of MPK, E|ASY-Inter visualizes complex interactions between assembly processes and the tested defective products in function fulfillment to identify the causes of faults. E|ASY[1]Event recognizes spontaneous changes with a damaging effect on the functional fulfillment of the assembled product by means of signal propagation along complex assembly systems. For detailed analysis, E|ASY-Curves supports the visual evaluation of process curves by means of 3D representation.

Das übergeordnete Forschungsziel der vorliegenden Dissertationsschrift liegt in einer umfangreichen Untersuchung des Funktionalisierungsprozesses von aerosolbasierten Drucktechnologien und kann in zwei zentrale Themenkomplexe untergliedert werden. Der erste Forschungsschwerpunkt behandelt die Evaluierung der Druckqualität applizierter Strukturen auf technischen Oberflächen. Hierfür wurde eine Methodik erarbeitet, die die aktuellen Verfahren erweitert und dadurch nicht nur Wechselwirkungen zwischen Qualitätsparametern berücksichtigt, sondern vor allem auch die Substratqualität als Einflussfaktor in die Analysen mit aufnimmt. Im zweiten Forschungsschwerpunkt wurde ein Laser‐Transmissions‐Messsystem für eine Echtzeit‐Charakterisierung des Aerosolstrahls entwickelt. Dies ermöglicht für aerosolbasierte Drucktechnologien eine in situ Prozessüberwachung des Massenstroms. Das verwendete Aerosol‐Jet‐Drucksystem ist den funktionalen Drucktechnologien zuzuordnen und wurde für die Applikation von Leiterbahnen eingesetzt. Mit der Zielstellung zur partiellen Substitution des Kabelbaums in der Luftfahrt soll dabei die Signal‐ und Leistungsvernetzung im Bereich der Flugzeugkabine durch eine Funktionalisierung der Verkleidungselemente realisiert werden. Hierzu wurde untersucht, inwieweit der Druck von Leiterbahnen auf Sandwichbauteilen in Leichtbauweise möglich ist. The primary objective of the presented thesis is an extensive investigation of aerosol‐based printing technologies and can be divided into two main topics. Within the first research topic, the printing quality of applied structures on technical surfaces is evaluated. For this purpose, a methodology for analyzing the printing quality was developed which not only considers interdependencies between quality parameters but also includes the substrate quality as an influencing factor. The focus of the second research topic is on the development of a laser transmission measuring system for characterizing the aerosol beam in real‐time. This novel approach enables an in situ process monitoring of the mass flow for aerosol‐based printing technologies. The utilized aerosol‐jet printing system can be assigned to the functional printing technologies and was used for the application of electroconductive paths. With the aim of partially substituting the cable harness in aerospace applications the presented concept examines if cabin interior components can be functionalized by directly printing conductive tracks on lightweight sandwich structures.

Die voranschreitende Digitalisierung und Automatisierung industrieller Prozesse führt in der Kunststondustrie zu steigenden Anforderungen an die Prozessüberwachung und -optimierung. Im Kontext dazu befasst sich die vorliegende Masterarbeit mit dem Einsatz ultraschallbasierter Messsysteme und prüft deren Anwendung im Bereich des Spritzgießens. Im Zuge dessen wurden die nötigen Grundlagen mittels eingehender Literaturrecherche und der bisherige Kenntnisstand am Institut für Polymer - Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung der Johannes Kepler Universität Linz aufgearbeitet. Physikalische Eekte und deren Auswirkung auf das Ultraschallsignal werden gezeigt und diskutiert. Ausgehend davon wurden Versuche, unterteilt in drei Experimentalblöcke, vorgenommen und deren Resultate im Kapitel Ergebnisse I präsentiert. Der erste Block befasst sich mit dem Standard - Thermoplastspritzguss von teilkristallinen (PE und PP) und amorphen (PS und PC) Polymeren. Neben dem Material wurde die Werkzeuggeometrie und Sensorposition, der Nachdruck, die Werkzeugtemperatur und das Umschaltvolumen variiert. Im zweiten Block wurde Polypropylen durch ein chemisches Treibmittel im Niederdruckverfahren geschäumt und vermessen. Dabei wurde der Einuss des CBA - Gehalts, der Einspritzgeschwindigkeit, Schmelze- und Werkzeugtemperatur geprüft. Der letzte Experimentalblock untersuchte den Vernetzungsvorgang von Liquid Silicone Rubber anhand eines dafür angefertigten Messaufbaus. Es wurden sowohl Aufheizvorgänge, als auch Messungen bei aufgeheiztem Versuchsaufbau durchgeführt. Der Fokus der Messmethodik lag dabei auf Reexionsmessungen am Spritzgießwerkzeug, also Messungen mit einem Ultraschallsensor, und der Auswertung der ersten Hauptreexion der Grenzäche Stahl/Polymer. Zusätzlich wurde bei geschäumten Formteilen der Dämpfungsfaktor und bei LSR - Prüfkörpern die relative Laufzeit im Transmissionsmodus bestimmt. In weiterer Folge wird auch genau auf die Signalverarbeitung und -interpretation eingegangen. Eine eingehende Analyse der Messdaten führte zu einer erfolgreichen Korrelation des Ultraschallsignals mit zugehörigen Forminnendruckdaten, sowohl für konstante als auch variable Temperaturen. Des Weiteren wird auch eine Abschätzung der Randschichtwachstumsgeschwindigkeit von teilkristallinen Kunststoen in Ergebniskapitel II präsentiert. Abschließend werden die Vor- und Nachteile der Ultraschallsensorik im Spritzgussprozess abgewogen, mögliche Ansatzpunkte zukünftiger Projekte und ein Ausblick für diese Art der Messtechnik geliefert. eingereicht von Lukas Hofmair Universität Linz, Masterarbeit, 2020 (VLID)5763024

Illustrationen, Diagramme

Das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF), das Institut für Spanende Fertigung (ISF) und das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) entwickeln zusammen mit drei Industriepartnern ein schwingungsdämpfendes Composite- Bohrrohr mit strukturintegrierter Sensorik zur Prozessüberwachung für Tiefbohrprozesse.

In der additiven Fertigung fehlen aufgrund unzureichender Standards zur prozessbegleitenden Fertigungs- und Qualitätskontrolle derzeit entscheidende Voraussetzungen, die für eine industrielle Serienproduktion erforderlich sind. Neben zahlreichen Bemühungen verschiedener Normungsgremien den additiven Fertigungsprozess schrittweise zu standardisieren, beschäftigt sich auch die vorliegende Arbeit mit grundlagenwissenschaftlichen Methoden zur referenzierten in-Prozess Überwachung sowie daraus abgeleiteten Ansätzen zur Analyse geometrischer Fertigungs- und Messabweichungen. Dadurch soll ein Beitrag für ein einheitliches Vorgehen bei der Prozessüberwachung zur Sicherstellung der Konformität geometrischer Produktspezifikationen in der additiven Fertigung geleistet werden. Um die erfassten geometrischen Abweichungen prozessbegleitend mit entsprechenden Regelstrategien zu korrigieren, bedarf es neben einer ausreichenden Steuerbarkeit der Fertigungsanlage einer exakten Zuordenbarkeit der Messdaten zu jedem Zeitpunkt des Fertigungsprozesses. Um diese geforderte Beobachtbarkeit der Messgrößen besser beurteilen zu können, wird ein neuartiges Referenzierungskonzept zur exakten Lagebestimmung der Schmelzbadkonturen am Beispiel eines pulverbettbasierten selektiven Laserstrahlschmelzprozesses bereitgestellt. Durch die Erfassung von vier im Pulverbett integrierten Referenzierungsrohren kann mit einer Verkürzung des Messkreises die Genauigkeit der Messdatenerfassung erhöht werden. Dadurch ist eine bessere Zuordenbarkeit der Entstehungsursachen von Fertigungs- und Messabweichungen möglich. Basierend auf der referenzierten Konturanalyse des Schmelzbades und der Erfassung der durchschimmernden Wärmestrahlung der Bauteilkonturen nach dem Pulverauftrag, werden messtechnische Nachweise lateraler Konturverlagerungen erbracht. Due to insufficient standards for in-process manufacturing and quality control, decisive prerequisites are still missing in additive manufacturing that are necessary for industrial series production. In addition to numerous efforts of various standardisation committees to standardise the additive manufacturing process gradually, the present work also deals with basic scientific methods for referenced in-process monitoring as well as derived approaches for the analysis of geometric manufacturing and measurement deviations. The aim is to contribute to a consistent procedure for process monitoring to ensure the conformity of geometric product specifications in additive manufacturing. In order to correct the detected geometric deviations during the process with appropriate control strategies, an exact allocation is necessary to be able to assign the measurement data precisely at any time of the manufacturing process in addition to a sufficient controllability. For a better assessment of the required comprehensive observability of the measured variables, a novel referencing concept for the position determination of the melt pool contours is provided, based on a powder bed based selective laser beam melting process. The acquisition of four referencing pipes, integrated in the powder bed, cause a shortening of the measuring circuit and increase the accuracy of the measurement data acquisition. This allows a better allocation of the causes of manufacturing and measurement deviations. Based on the referenced contour analysis of the melt pool and the detection of the shining heat radiation of the component contours after powder application, a metrological verification of lateral contour displacements is provided.

Um komplexe Bauteile herstellen zu können, benötigen produzierende Unternehmen adaptive Prozesse. Derzeitige Herstellungsprozesse und Steuerungstechniken lassen sich nur begrenzt in Bezug auf Sensorik, Adaptivität und Prozessvisualisierung anpassen und stoßen an ihre Grenzen.

Die Komplexität von Produktions- und Logistiksystemen erzeugt die Nachfrage nach industrieller Transformation: mit Sensortechnologie, die eine effiziente, flexible und zuverlässige Prozessüberwachung und -steuerung unter Verwendung einer 5G-Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht. Im Projekt "5GSensPRO" entwickelt das Fraunhofer IPT in Aachen ein modular erweiterbares Sensorwolkensystem für bestehende Maschinen. Das weltweit erste 5G-Mobilfunknetz bietet in einer einzigartigen Forschungsumgebung die Möglichkeit, Anwendungen von 5G in der Produktionstechnik zu untersuchen und zu implementieren.

Brennstoffzellen werden durch Stapelung präziser Bipolarplatten mit komplexer Struktur von Fließkanälen für Flüssigkeiten und Leitungen für den Transfer von Gasen hergestellt. Die für derartige Platten notwendigen Bleche werden durch Stanzen und Umformen erzeugt. Dabei haben neben der Einrichtung von Presse und Werkzeug (z. B. Hubzahl, Stößelverstellung) auch deren Zustand Einfluss auf die Qualität der Platten (Ebenheit, Materialspannungen/Rissbildungen, Gratbildung). Obwohl moderne Pressen heute im Wesentlichen auf servoelektrischen Antrieben basieren, erfolgt die Kraftübertragung auf den Stößel vornehmlich über mehrere Antriebsdruckpunkte. Spezifische Schneide- und Umformwerkzeuge erzeugen auf einer entsprechenden Presse bei definierten Presseneinstellungen und Materialparametern spezifische Kraft-, Moment- und Kippungsverläufe. Die am IWU entwickelte Überwachungslösung ist in der Lage, die genannten Größen hubabhängig zu erfassen. Mittels eines im IO-Zustand von Presse und Werkzeug generierten „Fingerprints“ werden im laufenden Prozess gemessene Abweichungen erkannt und in Echtzeit analysiert. Dies ist insbesondere beim Einsatz dünnster Bleche von enormer Bedeutung, da hier bereits kleinste anlagenbedingte Änderungen zu kostenintensiven Ausfällen an Werkzeug und Produkt führen können.

Digitale Zwillinge dienen als Verwaltungsschale zur Vernetzung und Visualisierung von Daten. Was beim Wetterbericht als Karte mit wechselnden Symbolen dargestellt wird, ist im virtuellen Leitstand einer Produktionsanlage ein 3D-Modell mit eingebundenen Daten. Neben Visualisierung liegt weiteres Potential in der Nutzbarmachung von Produktionsdaten bis hin zum Flugzeuggesamtentwurf. Am Beispiel einer Forschungs-Produktionslinie werden physische und virtuelle Schlüsseltechnologien zur Produktionstechnologie von Flugzeugstrukturen aus FVK demonstriert.

Ein Fehler passiert, und auf einmal steht die Produktion still. Was ist passiert? Das rückwirkend herauszufinden, ist oft schwierig. Genau hier kommt die SICK EventCam ins Spiel. Die gemeinsam von SICK und Fraunhofer IML entwickelte Kamera überwacht Prozesse und stellt beim Auftreten eines Fehlers eine Bildhistorie zur Verfügung, die nicht nur das Fehlerereignis dokumentiert, sondern auch zeigt, wie es dazu kam. Dies soll die Fehleranalyse industrieller Prozesse vereinfachen.

In a cooperation with Ericsson, Fraunhofer IPT in Aachen is developing the future of wireless aerospace production technology: adaptive process design in aerospace prototyping enabled by 5G.

17th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, 17th CIRP CMMO, Sheffield, UK, 13 Jun 2019 - 14 Jun 2019; Procedia CIRP 82, 296-301 (2019). doi:10.1016/j.procir.2019.04.028 special issue: "17th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations (17th CIRP CMMO) / Edited by Erdem Ozturk, Tom Mcleay, Rachid Msaoubi", Published by Elsevier, Amsterdam [u.a.]

Die Anforderungen an innovative Produkte werden zunehmend komplexer und die Angebotspalette kundenspezifischer. Dies erfordert eine Flexibilisierung und ständige Kontrolle der Produktionssysteme. Das ist ein Ziel der sogenannten vierten industriellen Revolution. Um dieses zu erreichen, ist eine exakte echtzeitfähige Bestimmung des Prozesszustandes Grundvoraussetzung. Mit dem Prozessüberwachungssystem "SensoTool" ist es erstmals möglich, den Zustand spanender Prozesse mittels wirkstellennaher Schnittkraftsensorik zu bestimmen.

12th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, 18-20 July 2018, Gulf of Naples, Italy / Edited by Roberto Teti, Doriana M. D'Addona 12th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, CIRP ICME 2018, Napoli, Italy, 18 May 2018 - 20 May 2018; Amsterdam [u.a.] : Elsevier, Procedia CIRP 79, 45-50 (2019). doi:10.1016/j.procir.2019.02.009, Published by Elsevier, Amsterdam [u.a.]

Die folgende Arbeit ermittelt den Einfluss der Temperatur, des Aushärtegrades und des Faservolumengehalts auf die im Aushärteprozess auftretende Schallgeschwindigkeitsänderung von Faserverbundkunststoffen. Die Einflussgrößen werden an Proben aus glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz untersucht. Zur Variation der Einflussgrößen wird ein geeignetes Formwerkzeug entwickelt. Die Messung der Schallgeschwindigkeit wird mithilfe von piezoelektrischen Keramiken durchgeführt, die am Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. entwickelt wurden. Anhand der Messergebnisse findet die Charakterisierung der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer Veränderlichen statt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse werden dreidimensionale Regressionsmodelle für die Schallgeschwindigkeit der Faserhalbzeuge in Abhängigkeit von zwei Veränderlichen entwickelt, die für zukünftige Laminatdickenmessungen im Fertigungsprozess genutzt werden können.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein kamerabasiertes System zur Prozessbeobachtung erprobt und zur detaillierten Untersuchung des Laserstrahlschweißens verzinkter Stahlbleche im Überlappstoß genutzt. Das System erlaubt nicht nur die direkte Beobachtung der Schmelze- und Gasströmungen im Inneren der Dampfkapillare, sondern, durch die Nutzung von Tracerpartikeln, auch erstmals die Messung der Verdampfung der Beschichtung verzinkter Bleche im Überlappstoß. Mithilfe moderner Bildverarbeitungsalgorithmen, welche bisher nicht zur Analyse von Lasermaterialbearbeitungsprozessen genutzt wurden, konnten die Verdampfung des Blech- und des Beschichtungsmaterials und die Schmelzeströmungen beim Laserstrahlschweißen verzinkter Bleche quantifiziert werden. Aus den gemessenen Daten konnte darüber hinaus ein analytisches Prozessmodell des Laserstrahlschweißens verzinkter Bleche im Überlappstoß aufgebaut werden. Mithilfe des durch die Messungen gestützten Modells konnte gezeigt werden, dass die Zinkbeschichtung und der Fügespalt zwischen den Blechen einen Einfluss auf die Schmelze- und Gasströmungen haben und sich dieser Einfluss in einer Änderung der Kapillaröffnungsgeometrie äußert. Diese Erkenntnisse wurden zur Konzeptionierung, dem Aufbau und der Erprobung einer, auf der Beobachtung der Kapillaröffnung beruhenden, Prozesssteuerung zur adaptiven Einstellung des Fügespalts während des Prozesses genutzt. In the present work a camera-based process observation system was evaluated and used for analyzing the welding of zinc-coated steel sheets in overlap configuration. Using this system, the melt and vapor flow around the interaction zone between laser and material could be monitored. Moreover, a measurement of the zinc evaporation inside the keyhole could be obtained using tracer particles. For quantifying the melt flow, the evaporation of the sheet material and the evaporation of the zinc coating image processing algorithms have been used. The resulting data was then used for the development of an analytical process model of the welding process of zinc-coated steel sheets in overlap configuration. By using this model, it could be shown that the zinc coating and the joining gap between the sheets have an influence on the pressures due to the melt and vapor flow inside the keyhole which in turn shows an effect on the keyhole geometry. These results led to the development of a new approach for the adaptive control of the joining gap during the welding process by imaging the keyhole opening length.

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In dieser Arbeit werden Ultraschallsensoren, Messverfahren und Auswertemethoden entwickelt, die die relevanten Bauteileigenschaften während der Imprägnierung und Aushärtung erfassen können. Diese stellen bei der Herstellung duroplastischer Faserverbundstrukturen wichtige Prozessschritte dar. Es werden ein kommerziell erhältliches Ultraschallmesssystem experimentell verifiziert und Ursachen für die geringe Eignung zur Prozessüberwachung identifiziert. Hieraus werden besser geeignete Sensoren entwickelt. Die Sensoren zeichnen sich durch hohe Leistung und Sensitivität, kleine Abmaße und niedrige Kosten aus. Zur Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Schallsignal und Bauteilzustand werden physikalische und empirische Modelle aufgestellt und numerische Berechnungsmethoden entwickelt. Zusammen mit zuvor gemessenen Materialkennwerten ermöglichen diese die Bestimmung des Bauteilzustands aus den Schallsignalen. Mit Hilfe des entwickelten Messsystems können die Ankunftszeit, die Form, die Geschwindigkeit und die Richtung der Fließfront ermittelt werden. Auch die veränderliche Bauteildicke kann abgeleitet werden. Schließlich können der Aushärtungsfortschritt der duroplastischen Matrix und die dabei auftretenden Gel- und Vitrifikationsübergänge erfasst werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene duroplastische Formmassen laboranalytisch hinsichtlich der rheologischen und thermischen Eigenschaften untersucht. Es wurde u.a. gezielt die absolute Materialfeuchte gesteigert, um den Einfluss dieser auf das Fließ­ Härtungsverhalten zu charakterisieren. Anschließend wurden die Materialien auf einer hochinstrumentierten Spritzgussmaschine mit einem Fließspiralenwerkzeug untersucht. Dabei konnte ein direkter Zusammenhang zwischen dem Rückfluss und dem Plastifizierdrehmoment in Abhängigkeit der Materialfeuchte und der Prozessparameter detektiert werden . Des Weiteren wurden über die Differenzdruckmessung im Fließspiralenwerkzeug die scheinbaren Viskositäten über den Fließweg ermittelt. Hierbei konnten unterschiedliche Aufschmelzeffekte über die Fließweglänge in Abhängigke it der duroplastischen Formmasse, der absoluten Materialfeuchte und der Prozessparameter detektiert werden . Durch Schererwärmung konnte die Formmassentemperatur teilweise die Werkzeugtemperatur übersteigen. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften (Schlagzähigkeit, Biegefestigkeit) konnten keine signifikanten Einflussgrößen detektiert werden. Hinsichtlich des Tg konnten systematischen Unterschiede detektiert und begründet werden. Die beste Möglichkeit zur Ermittlung des Tg lieferte die TMA. Die thermischen Glasübergänge korrelieren mit den in der DSC ermittelten Aushärtegraden , wobei mit steigender Materialfeuchte ein geringer Aushärtegrad detektiert wird. Within this paper, the rheologieal and thermie eharaeteristies of different thermosetting molding eompounds were investigated using lab analysis methods. Among others, the absolute moisture eontent was inereased purposefully to investigate its influenee on the flow-euring behavior. Subsequently, the materials were analyzed using a highly instrumented injeetion-molding maehine and a flow spiral tool. A direet link between the baekflow and the plastifieation torque dependent on the moisture eontent and proeess parameters was deteeted . Furthermore, a measurement of the differential pressure was eondueted within the flow spiral to deteet the apparent viseosity over the flow path. Within this proeess, different melting effeets over the flow eurve length depending on the molding eompound, the absolute moisture eontent and proeess parameters were deteeted. The shear heating lead to a material temperature inerease of the molding eompound, whieh was partly higher than the tool temperature . Coneerning the meehanieal eharaeteristies (impaet strength, flexural strength), no signifieant influeneing faetors eould be deteeted. In eontrast, systematie differenees of the glass transition temperature were deteeted and their eause eould be explained. The best way to determine the glass transition is the TMA. The glass transition temperatures eorrelate with the degree of eure determined with the DSC, whereas an inereasing moisture eontent is assoeiated with a lower degree of eure.

Energieeinspeisung von erneuerbaren Energien und intelligente Stromnetze führen dazu, dass Unternehmen zukünftig mit flexiblen Stromtarifen und neuen Lastmanagement-Programmen zu rechnen haben. Das Energiemanagement rückt daher in den Fokus des Qualitätsmanagements. Die Integration in ein Manufacturing Execution System verspricht eine gesamt-wirtschaftliche Optimierung der Produktionsplanung und -steuerung mit Kosteneinsparungen.

Die Prozessfenster beim Laserstrahlschweißen sind aufgrund vieler Einflussgrößen schmal. Daher spielt in der Großserienproduktion eine prozessnahe Überwachung der Fertigungsqualität eine große Rolle. Dies kann beispielsweise über die Detektion von elektromagnetischen oder akustischen Prozessemissionen realisiert werden. Beides hat bisher nicht zu zufriedenstellenden Überwachungskonzepten geführt. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag in den letzten Jahren vorwiegend auf der optischen Prozessüberwachung, da die Detektion resonanter akustischer Emissionen im niederfrequenten Bereich bisher keine verlässlichen Ergebnisse geliefert hat. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit die hochfrequenten Körper- und Luftschallemissionen von Laserschweißprozessen untersucht. Es wird die Fragestellung geklärt, ob ein Laserschweißprozess überhaupt hochfrequente Schallemissionen aussendet. Auch wird gezeigt, wie diese mit Stellparametern und Qualitätsmerkmalen einer Laserschweißnaht korreliert werden können und ein Prozessmodell gebildet werden kann. Auf Basis eines solchen Prozessmodells kann eine Fehlerdetektion erfolgen und ein Konzept für die Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen mittels hochfrequenten Schallemissionen für die Fertigung erarbeitet werden. Damit können zusätzliche Informationen über den Laserschweißprozess gewonnen werden, was einen wichtigen Beitrag im Hinblick auf die Realisierung eines robusten Prozessüberwachungskonzeptes für das Laserstrahlschweißen liefert. Process windows of laser welding are quite narrow due to different influences. Therefore, process-oriented quality control is a key in large-volume production. This can be realized by detection of electromagnetic or acoustic process emissions. Up to now, both variants were not leading to realization of satisfying concepts of process monitoring. In the last years, the key aspect in this development was mainly put on optical process monitoring, because the detection of resonant acoustic emissions in low frequency ranges were not delivering reliable results. Therefore, the high frequency structure- and air-borne emissions will be deeply investigated in this thesis. The first emphasis will be on the clarification of the existence of high frequency acoustic emissions in laser welding processes besides the already known low frequency resonant acoustic emissions. In the second step, the correlation of these emissions with the parameters and quality characteristics of laser welding seams will be developed. By means of this, a process model will be formed. Based on this process model, a defect detection, as well as a concept for process monitoring of laser welding processes by means of high frequency acoustic emissions, can be established. Using this concept, additional information about laser welding processes can be gained, which helps to realize a robust and stable concept for process monitoring of laser welding in industrial scale.

Weld defects, such as spatters, incomplete fusion and weld anomalies in gas-metal arc welding result from a process which has not been optimally set or from variations of the process boundary conditions, for example, from the material composition, the weld preparation, the positioning and also from variations of the electrical parameters. The consequences are welding rejects or expensive weld finishing work. In order to counteract this, systems for process monitoring and process control are applied which provide machine-readable information about the actual state of the process via sensor systems. Previous approaches of process control were differentiated with regard to their positioning in the actual process into pre-, post- and in-situ methods. The aim of this work is to expand the hitherto existing possibilities of in-situ sensor systems and to utilise them for process control. In this work, methods are described which use image evaluation for information acquisition in gas-metal arc welding. To this end, the work is, besides introducing and concluding chapters, divided into two main parts: In the chapters 4 and 5, image evaluation as a means of inline sensor systems is used while events occurring during the process (offline) are detected and compared with recorded transient data. In doing so, the process is recorded with an image acquisition rate of up to 20000 Hertz and subsequently analysed. Here, it can be demonstrated that the droplet detachment in the pulsed process can be assigned to a clear characteristic of the voltage signal; but also the length of the wire stick-out can be detected in high-speed recordings and mapped onto the transient data. It is also possible to determine drop characteristics, such as the circumference or the trajectory and speed of the droplet, by means of these high-resolution recordings. In the next part of the work, image evaluation is treated directly as a component of inline sensor systems. Here, it is the aim to provide information which has been acquired from the molten pool directly for process monitoring and control. Chapters 6 and 7 give a detailed description of the methods which are used for detecting and evaluating the characteristics from images and also of the extent to which this is possible. The algorithms for the evaluation have, at that, been chosen in a way that a practical image acquisition and image evaluation rate can be obtained. The investigated characteristics are the wire electrode, the groove, the arc and the molten pool. From these objects, information about incorrect positioning of the torch in relation to the groove, the arc behaviour and the molten pool width can be obtained. A subsequent data and weld seam analysis also gives information about the effects of incorrect positioning.

RWTH Aachen University, Diss., 2016; Aachen : Shaker Verlag, Aachener Berichte Fügetechnik ; Band 1/2017, Band 1/2017, 1 Online-Ressource (XV, 95, vii Seiten) : Illustrationen, Diagramme(2017). = RWTH Aachen University, Diss., 2016, Weld defects, such as spatters, incomplete fusion and weld anomalies in gas-metal arc welding result from a process which has not been optimally set or from variations of the process boundary conditions, for example, from the material composition, the weld preparation, the positioning and also from variations of the electrical parameters. The consequences are welding rejects or expensive weld finishing work. In order to counteract this, systems for process monitoring and process control are applied which provide machine-readable information about the actual state of the process via sensor systems. Previous approaches of process control were differentiated with regard to their positioning in the actual process into pre-, post- and in-situ methods. The aim of this work is to expand the hitherto existing possibilities of in-situ sensor systems and to utilise them for process control. In this work, methods are described which use image evaluation for information acquisition in gas-metal arc welding. To this end, the work is, besides introducing and concluding chapters, divided into two main parts: In the chapters 4 and 5, image evaluation as a means of inline sensor systems is used while events occurring during the process (offline) are detected and compared with recorded transient data. In doing so, the process is recorded with an image acquisition rate of up to 20000 Hertz and subsequently analysed. Here, it can be demonstrated that the droplet detachment in the pulsed process can be assigned to a clear characteristic of the voltage signal; but also the length of the wire stick-out can be detected in high-speed recordings and mapped onto the transient data. It is also possible to determine drop characteristics, such as the circumference or the trajectory and speed of the droplet, by means of these high-resolution recordings. In the next part of the work, image evaluation is treated directly as a component of inline sensor systems. Here, it is the aim to provide information which has been acquired from the molten pool directly for process monitoring and control. Chapters 6 and 7 give a detailed description of the methods which are used for detecting and evaluating the characteristics from images and also of the extent to which this is possible. The algorithms for the evaluation have, at that, been chosen in a way that a practical image acquisition and image evaluation rate can be obtained. The investigated characteristics are the wire electrode, the groove, the arc and the molten pool. From these objects, information about incorrect positioning of the torch in relation to the groove, the arc behaviour and the molten pool width can be obtained. A subsequent data and weld seam analysis also gives information about the effects of incorrect positioning., Published by Shaker Verlag, Aachen

Non-destructive monitoring of laser transmission welding of polymers is a crucial topic in different production areas. Process parameter deviation may result in product failure. Current monitoring often relies on post process or inline methods which are not able to give a qualitative process feedback. Optical Coherence Tomography (OCT) enables tomographic measurements of transparent material structures with a few microns resolution. It provides high accuracy for monitoring and quality assurance of pre, inline and post process situations.

18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII) / Edited by Masanori Kunieda, Akira Okada and Katsushi Furutani 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining, ISEM XVIII, Tokyo, Japan, 18 Apr 2016 - 22 Apr 2016; Amsterdam [u.a.] : Elsevier, Procedia CIRP, 42, 673-678 (2016). doi:10.1016/j.procir.2016.02.300, Published by Elsevier, Amsterdam [u.a.]

Das Fraunhofer IPA hat Anfang des Jahres das Geschäftsfeld "Prozessindustrie" gegründet. Dr. Michael Hilt leitet den Bereich. Im Interview äußert er sich zu der Neugründung und blickt auf Herausforderungen und Zukunftsperspektiven der Prozessindustrie.

Zur kostengünstigen Herstellung von großen Faserverbundstrukturen bieten sich Infusionsverfahren an, da hier nur eine feste, formgebende Formhälfte benötigt wird, während die zweite Formhälfte wird durch eine flexible Membran realisiert wird. Aufgrund vieler variierender Parameter wie u.a. dem lokal schwankenden Flächengewichts des Faserhalbzeugs, Fließeigenschaften des Harzes, Temperaturverteilung, können große Dickenschwankungen im Bauteil selbst bzw. von einem Prozess zum nächsten auftreten, somit auch das Bauteilgewicht. Diese großen Fertigungstoleranzen wirken sich negativ auf spätere Fügeprozesse und der Strukturauslegung und Leichtbaugüte der Struktur aus, da die Toleranzen hier berücksichtigt werden müssen. Die Dicke ist u.a. durch Regulieren der Menge des in das Fasermaterial infiltrierten Harzes und durch Druck beeinflussbar. Konventionelle Methoden zur Dickenmessung lassen sich häufig nicht in das industrielle Fertigungsumfeld, wie beispielsweise in einen Autoklaven, integrieren. Nach derzeitigem Stand der Technik kann die Dicke erst nach Durchlaufen des Infusions- und Aushärtungssprozesses am fertigen Bauteil gemessen werden. Die optimalen Prozessparameter zum Erreichen einer gezielten Bauteildicke muss also in einer aufwendigen Versuchsreihe gefunden werden. Aufgrund der unvermeidbaren Prozessschwankungen, welche nicht im laufenden Prozess erfasst und berücksichtigt werden können, werden die fertigungsbedingten Dickentoleranzen nicht vermindert, dies ist nur durch eine in-situ-Dickenmessung möglich. Es wird bereits Ultraschall verwendet, um die Aushärtung während des Prozesses zu überwachen. Dabei wird das Bauteil über seine Dicke durchschallt und aus der Laufzeit die aktuelle Schallgeschwindigkeit des Harzes berechnet, die mit zunehmender Vernetzung steigt. Bei den Infusionsprozessen wird jedoch die Schalllaufzeit ebenfalls von der variablen Laminatdicke beeinflusst, so dass aus dem Messsignal die Dickenänderung und Aushärtungsfortschritt nicht voneinander getrennt ermittelt werden können. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe beide Parameter während des gesamten Herstellungsprozesses gemessen bzw. berechnet werden können und erste Versuchsergebnisse vorgestellt.

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The presented thesis deals with the integration of monitoring and diagnostics applications into machine tool control. For this purpose, static and dynamic influences of a machine structure are analyzed, modeled and verified with an example process of a multi-blade milling cutter based on digital drive signals. Friction, inertia and the machine dynamic during the milling process are the major focuses which have a strong influence on the signal characteristics and therefore have to be identified. In order to realize a generic control integrated diagnostics, these influences have to be modeled and considered in-depth. A generic approach is developed based on the friction curve by Stribeck. The acceleration behavior is mainly characterized by the configuration of a machine axis cascaded controller and can be modeled by a simplified controller structure. Additionally, the characteristic of the machine structure during the machining process is studied. The dynamic transfer behavior between the axis drive shaft and the tool center point can be described based on metrological analysis and the controller characteristics. Using the results monitoring modules for overload and tool wear are developed. These modules are based on signals available in the numeric control structure. In order to monitor collision situations, a signal pattern is developed. This pattern defines the feed drive velocity area where a contact between the tool and the work piece is allowed. The pattern is based on the information about the tool and current velocities of all axes. Therefore, definitions of torque or force limits are unnecessary. In case of a collision, control internal safety mechanisms are triggered. Furthermore, TEAGER´S algorithm is applied on the digital drive signals to identify the signal amplitude. Since the process parameters often change during the life time of a milling tool, the identification of the current parameters is crucial. Hence, several approaches allowing the online identification of the feed per tooth and the radial depth are studied, presented and verified. Based on these investigations and on the identification of the signal amplitude, the tool wear state can be monitored. The presented methods are applied and verified on different machine tools. The results are verified and critically discussed at the end of this thesis.

Due to its flexible application lasers are used in many innovative areas. Especially in micro manufacturing tolerances are nerrow and thus make an automated, controlled and regulated process essential. The integration of sensors and the development of monitoring and control units in the process are an important part of current research. The aim of this work is to increase the process repeatability by analyzing acoustic emissions during micro laser ablation with UV picosecond lasers.

Der hauptsächliche Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer kostengünstigen Methode zur Produktion von auf Silizium basierenden Dünnschicht-Solarzellen durch Sprühbeschichtung. Hier wird untersucht inwiefern sich diese Methode für die Herstellung großflächiger photovoltaische Anlagen eignet. Als Grundsubstanz für entsprechende Lacke werden Mischungen aus Organosilizium und nanokristallines Silizium verwendet. Eine Idee ist das Verwenden von Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen als Si-Precursor (Cyclo-, Poly-, Oligo- und Monosilane). In jedem Fall, Organosilizium und Silizium- Nanopartikel, ist eine Umwandlung durch äußere Energiezufuhr nötig, um die Precursor-Substanz in photovoltaisch nutzbares Silizium umzuwandeln. Die Versuchsreihen werden mithilfe photothermischer Umwandlung (FLA-„flash lamp annealing“, einige 1 J/cm² bei Pulslängen von einigen 100 μs) unter N2-Atmosphäre durchgeführt. Zur Bereitstellung eines auf Laborgröße skalierten Produktionsprozesses wurden ein Spraycoater, eine Heizplatte, ein Blitzlampensystem und ein In-Line Ellipsometer in einem Aufbau innerhalb einer Glovebox unter N2-Atmosphäre kombiniert. Die Gewinnung von Proben und deren Charakterisierung fand in enger Zusammenarbeit mit den beiden Arbeitsgruppen der anorganischen Chemie und der Koordinationschemie an der TU-Chemnitz statt. Die eingesetzten Charakterisierungsmethoden sind Raman-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung, Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und elektrische Charakterisierung wie die Aufnahme von Strom- Spannungs-Kennlinien und Widerstandsmessung per Vierpunktkontaktierung.:I Bibliographische Beschreibung II Abkürzungsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Dioden und Photodioden 3 2.1.1 Schottky-Dioden 3 2.1.1.1 Schottky-Kontakt oder Ohmscher Kontakt 3 2.1.1.2 Schottky-Barriere 3 2.1.1.3 Arbeitsweise der Schottky-Diode 5 2.1.1.4 Ladungstransport durch eine Schottky-Diode 6 2.1.2 Schottky-Photodioden 8 2.2 Solarzellen 9 2.2.1 Aufbau einer Solarzelle 10 2.2.2 Charakterisierung einer Solarzelle 10 2.3 Moderne Photovoltaik 12 2.4 Transparente leitfähige Oxide (TCO) 13 2.5 Ultraschalldüse und Sprühnebel 14 2.6 Blitzlampenbehandlung (FLA) 17 3 Methoden zur Charakterisierung 18 3.1 Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIRS) 18 3.2 Lichtstreuung an Materie 20 3.2.1 Raman-Spektroskopie 20 3.2.1.1 Klassische Deutung des Raman-Effektes 21 3.2.1.2 Quantenmechanische Deutung des Raman-Effektes 22 3.2.1.3 Räumlich eingeschränkte Phononen 23 3.3 Änderung der Lichtpolarisation an Materie 26 3.3.1 Fresnel-Formeln 26 3.3.2 Jones-Formalismus 27 3.3.3 Spektroskopische Ellipsometrie (SE) 27 3.4 Röntgenbeugung (XRD) 29 3.4.1 Kalibrierung des Einfallswinkels 31 3.4.2 Kristallitgröße 31 3.5 Elektronenmikroskopie (EM) 31 3.5.1 Transmissionselektronmikroskopie (TEM) 32 3.5.2 Rasterelektronenmikroskopie (SEM und EDX) 33 3.6 Rasterkraftmikroskopie (AFM) 34 4 Experimentelles 37 4.1 Prozessaufbauten 37 4.2 Messgeräte 39 4.3 Probenherstellung 40 4.3.1 Lösungen und Dispersionen 41 4.3.2 Sprühlack 41 4.3.3 Substratreinigung 42 4.3.4 Drop- und Spraycoating 42 4.3.4.1 Dropcoating und Rohrofenprozess 43 4.3.4.2 Sprühen und Blitzlampenbehandlung 43 4.4 Infrarotspektroskopie 46 4.4.1 DRIFT-Spektroskopie an Silizium-Nanopartikeln im MIR 47 4.4.2 DRIFT-Spektroskopie an Silizium-Precursoren im MIR 48 4.4.3 Transmissions- und Reflexionsspektroskopie an Si-Schichten im FIR 49 4.5 Lichtstreuung 49 4.5.1 Mie-Streuung an Silizium-Nanopartikeln 49 4.5.2 Raman-Streuung an Silizium-Precursoren und –Schichten 50 4.6 AFM an Silizium-Schichten 51 4.7 Elektronenmikroskopie 51 4.7.1 SEM und EDX an Silizium-Schichten und –Folien 52 4.7.2 TEM an Silizium-Nanopartikeln und –Folien 53 4.8 XRD an Silizium-Folien 54 4.9 Elektrische Messungen an Silizium-Schichten und –Folien 55 5 Ergebnisse und Diskussion 56 5.1 Silizium-Nanopartikel als Pulver 56 5.1.1 Dispersionen von Silizium-Nanopartikeln 56 5.1.2 Oxidationsgrad von Silizium-Nanopartikeln 58 5.1.3 Verteilung von Silizium-Nanopartikeln in getrocknetem Ethanol 61 5.2 Gesprühte Silizium-Nanopartikel 64 5.2.1 Ellipsmetrie als In-Line Prozessmethode im Spraycoating 64 5.2.2 Oberflächenrauheit von Schichten von Silizium-Nanopartikeln 66 5.2.3 Effekt des FLA auf Schichten von Silizium-Nanopartikeln 69 5.2.4 Simulationen zum Phonon-Confinement 74 5.3 Organosilizium als Silizium-Precursoren 80 5.3.1 Vorversuche: Zersetzung von Phenylsilanen im Rohrofen 80 5.3.2 Photothermische Zersetzung von Monosilanen durch FLA 82 5.4 Monosilane als Haftmittel zwischen Silizium-Nanopartikeln 89 5.4.1 Bestandteile des verwendeten Lacks 90 5.4.2 Filme hergestellt von Si-Nanopartikeln gemischt mit Si-Precursor 92 5.4.3 Folien hergestellt von Si-Nanopartikeln gemischt mit Si-Precursor 106 5.5 Realisierung von Diodenstrukturen 120 6 Zusammenfassung 124 Literaturverzeichnis Anhang

Developing and improving online monitoring techniques for processes is always a matter of interest for industrial and research applications. Independent of kind and complexity of the reaction, measuring the heat generation (calorimetry) is a universal tool for process monitoring. Therefore, two new calorimetric measurement techniques (chip calorimeter and reactor calorimeter) for process monitoring in stirred tank reactors were developed, validated and applied to several biological systems. The validation was done by exhaust gas analysis and the application of the oxycaloric equivalent. By assuming the rule of Thornton, the enthalpy of combustion of organic compounds is linearly correlated to the relative degree of reduction (Thornton's rule: -115 kJ per mole accepted electrons). Since four moles of electrons are absorbed by one mole oxygen, a constant value for the oxygen related enthalpy of about -460 kJ mol-1 results. This is denoted as the oxycaloric equivalent. Consequently, if the enthalpy of the anabolic processes is neglected, the metabolic heat generation can be calculated based on the oxygen transfer rate. As a model organism for validating the calorimetric measurements, the genetic modified Escherichia coli strain VH33 was chosen. The genetic sequence of the phosphotransferase system (PTS) in the bacterial chromosome of this strain was deleted. The galactose permease (GalP), as an alternative uptake mechanism, was amplified on a genetic level to allow the passage of glucose across the plasma membrane. Therefore, this strain had a strictly reduced overflow metabolism and was the optimal organism for validating the calorimetric measurements of fermentations by exhaust gas analysis and the oxycaloric equivalent. One possibility for calorimetric monitoring of fermentations in stirred tank reactors is the chip calorimeter, developed by the TU Bergakademie Freiberg, which can be connected to every reactor system as long as a septum is available. The measurements of the device were validated by exhaust gas analysis (oxycaloric equivalent) of E. coli VH33 cultures. The measured results of the chip calorimeter were very precise (0.001 W L-1). However, the upper limit of the device was a heat generation of 1 W L-1 due to oxygen depletions in the measurement chamber at higher biomass concentrations. Therefore, the chip calorimeter was enhanced by an automatic sample dilution system, which mixed the sample with oxygen containing NaCl solution before measuring in the chamber. With this modification, the upper limit of the measurable heat generation was increased up to 4 W L-1. An alternative for measuring the heat generation of fermentations is to modify or design a whole stirred tank reactor as a calorimeter – the so called reactor calorimeter. This measurement principle based on the thermodynamic balancing of the cooling / heating water cycle of the reactor system. Consequently, all heat sources and sinks of the system should be known. In general, there are two ways for designing reactor calorimeters: 1) measuring the mass flow of the cooling liquid and the temperature difference between cooling cycle inlet and outlet; 2) determination of the heat transfer coefficient and the temperature difference between reactor inside and cooling cycle. Both methods were realized by modifying a 50 L stirred tank reactor and were validated and compared with each other by cultivating E. coli VH33. Ultimately, it could be shown that the second way, based on the determination of the heat transfer coefficient has a higher signal quality and should be chosen for all following applications. Finally, the modified reactor was used to investigate the potential of the calorimetric signal for online detection of product formation during fermentations. It could be demonstrated by determining the ratio between heat generation and oxygen consumption, that lysine formation of Corynebacterium glutamicum DM1730 and itaconic acid formation of Ustilago maydis can be online detected during fermentations in stirred tank reactors.

Produzierende Unternehmen in Deutschland stehen vor der Herausforderung, ihre bestehenden Produktionsanlagen für die Zukunft fit zu machen. Neben etablierten Zielen wie der Steigerung der Anlagenproduktivität steht dabei besonders die Verbesserung der Energieeffizienz aufgrund der stark steigenden Energiebezugskosten im Fokus. Dieser Beitrag zeigt ein Vorgehen zur messdatenbasierten Analyse von Produktionsanlagen, um die nötige Transparenz zur Ableitung maßgeschneiderter Produktivitäts- und Energieeffizienzoptimierungsmaßnahmen zu schaffen. Dieser Beitrag entstand im Forschungs- und Entwicklungsprojekt "Sustainability in Remanufacturing Operations" und wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Förderkennzeichen (01RS1204A) gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (PT-DLR) betreut.