Verlagspublikationen

Im 21. Jahrhundert gehören optische Systeme zu den Schlüsseltechnologien und spielen eine entscheidende Rolle im technischen Fortschritt. Hochgenaue optische Linsen finden sich u. a. in Astrospiegeln, Lasergyroskopen oder Lithographie-Linsen und die Anforderungen an Stückzahl und Qualität steigen kontinuierlich. Einer der letzten Prozessschritte in der Fertigungskette von Glas Hochleistungsoptiken ist in der Regel die Politur. Von diesem Prozessschritt hängt maßgeblich die Bauteilqualität ab. Trotz langer Tradition und Verwendung in der Industrie herrscht immer noch kein umfassendes Prozessverständnis. Zwar sind empirische Parametersätze vorhanden, jedoch gibt es keine Erkenntnis, inwiefern sich eine Änderung einzelner Parameter auf den Materialabtrag auswirkt. Während zahlreiche Untersuchungen empirische Prozessmodelle betrachteten, blieb der Einsatz von datengetriebenen Poliermodellen bislang weitgehend unbeachtet. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines datengetriebenen Poliermodells für die Robotergestützte-Politur von Optiken. Durch den Einsatz von Sensoren am Bearbeitungskopf werden alle relevanten Prozessparameter aufgezeichnet. Durch Datenanalyse können Anomalien und Muster im Prozess detektiert und darauf reagiert bzw. für weitere Analysen genutzt werden. Des Weiteren wird auf Grundlage der Daten ein maschinenlernendes Modell zur Vorhersage von Materialabtrag auf gekrümmten Flächen erstellt und validiert. Das vorliegende Machine learning Modell bildet den betrachteten Polierprozess ab und Einflüsse auf diesen werden durch den Sensoreinsatz abgebildet. Das Modell erreicht eine Vorhersagengenauigkeit des Abtrages von 99,22 % (R2-Wert), welches bei Prozessvorhersagen als sehr gut bewertet wird.

Diese Arbeit befasst sich mit dem dynamischen Verhalten von Strömungsstrukturen in turbulenter Mischkonvektion. Zu deren Untersuchung wurden Experimente in einer quaderförmigen Rayleigh-Bénard-Zelle, welche durch Luftein- und -auslässe an der oberen und unteren langen Kante auf einer Seite der Zelle erweitert wurde, durchgeführt. Um die Mechanik hinter den verschiedenen Dynamiken der Strukturen zu verstehen, wurden die Geschwindigkeitsfelder für zwei Typen unterschiedlichen dynamischen Verhaltens mit der tomographischen Particle Image Velocimetry (PIV) für den linken Teil der Zelle erfasst. Da das dynamische Verhalten, welches mit niedrigeren Einströmgeschwindigkeiten verbunden ist, selten und nicht periodisch auftrat, wurde eine automatisierte Methode entwickelt, um die Messungen mit dem Eintreten der Dynamik zu starten. Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder und ihre Zerlegung in orthogonale Moden ergaben, dass unterschiedliche Mechanismen das dynamische Verhalten der beiden Fälle antreiben: Für den niedrigen Luftdurchsatz dominieren thermische Prozesse und das dynamische Verhalten hängt mit einer Akkumulation warmer Luft innerhalb des vorliegenden Wirbelsystems zusammen, die in unregelmäßigen Abständen zur Freisetzung von Plumes führt. Im Gegensatz dazu dominieren bei höheren Luftdurchsätzen trägheitsgetriebene Prozesse. Insbesondere werden die dynamischen Prozesse in diesem Fall durch Taylor-Görtler-artige Wirbel angetrieben. Der initiale Widerspruch des für beide Fälle beobachteten Umklappens der Rollenstrukturen mit dem Translationsmechanismus aus früheren Untersuchungen wurde durch stereoskopische PIV-Messungen über die gesamte Zelllänge aufgelöst: Sie zeigen, dass der Klappmechanismus primär das Verhalten der Strömung im Seitenwandbereich beschreibt. Um den Beitrag Taylor-Görtler-artiger Wirbel zum Wärmetransport zu untersuchen, wurde die Methode der kombinierten stereoskopischen Particle Image Velocimetry und Thermometrie angewandt, um die Berechnung messebenennormaler Wärmeströme zu ermöglichen. Die Ergebnisse daraus zeigen, dass die Temperatur und die vertikale Geschwindigkeitskomponente korreliert sind, obwohl die Taylor-Görtler-artigen Wirbel durch Trägheitskräfte erzeugt werden. Weitere Analysen zeigen, dass der statistische Fußabdruck dieser Strukturen es erlaubt, sie von z.B. Plumes an der Frontwand zu unterscheiden.

Das Fügeverfahren "Rührreibschweißen" ermöglicht die Herstellung reproduzierbar hochwertiger Schweißverbindungen. Aufgrund der sehr hohen Prozesskräfte werden in der Produktion vorzugsweise Sonder- und Werkzeugmaschinen eingesetzt. In der automobilen Großserienfertigung wird jedoch der Einsatz von Standard-Industrierobotern für das Rührreibschweißen als kostengünstigere und flexiblere Alternative favorisiert. Im Rahmen der Arbeit werden die Leistungskenngrößen des Industrieroboters zunächst ohne Bearbeitungskräfte analysiert. In diesem Zusammenhang werden die Pose- und Bahn-Wiederholgenauigkeit des Industrieroboters an unterschiedlichen Referenzbahnen in der Ebene quantifiziert. Hier ist festzustellen, dass der Roboter den Genauigkeitsanforderungen des Schweißverfahrens genügt. Bei der Analyse der Wechselwirkungen zwischen Prozess und Roboterstruktur wird jedoch deutlich, dass die Arbeitsgenauigkeit des Industrieroboters durch die resultierenden Prozesskräfte beim Rührreib-schweißen signifikant beeinflusst wird; ohne ein "Nachteachen" oder eine Offline-Korrektur der programmierten Soll-Bahn werden die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung durch die mangelnde Arbeitsgenauigkeit des Industrieroboters negativ beeinflusst. Bei der Analyse kann nachgewiesen werden, dass die Abdrängung des Werkzeugs nicht nur von den resultierenden Prozesskräften abhängt, sondern auch signifikant durch die Richtung des Vektors der Bahngeschwindigkeit beim Bahnschweißen beeinflusst wird. Bei der Analyse der statischen und dynamischen Systemeigenschaften des Roboters wird gezeigt, dass die nichtlinearen Steifigkeiten der Roboterstruktur maßgeblich von den Gelenkstellungen und der Belastungsrichtung abhängen. Aus den Erkenntnissen der Systemanalyse wird eine modellbasierte Offline-Bahnkorrektur, die Nachgiebigkeiten und Wechselwirkungen zwischen Prozess und Roboter berücksichtigt, entwickelt.

Ansätze des werkstofflichen Leichtbaus mit dem Ziel der Gewichts- und Ressourcenoptimierung in elektrischen Verbindungen haben das Fügen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen zu einem stark verfolgten Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre gemacht. Im Rahmen von Elektromobilität sowie allgemeiner Erhöhung von Komfort- und Sicherheitsstandards ergeben sich hierfür hohe Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Der Zielzustand für elektrische Verbindungen besteht in großflächigen, duktilen Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand. Je nach Verfahren werden diese Ziele jedoch durch die Bildung spröder, intermetallischer Phasen oder erhöhte Grenzflächen- und Bauteilverformung nur zum Teil erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer genutzt, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt der Grenzflächen durch Fügedruck während des Rührreibpunktschweißens beschleunigt wird, findet die Vergrößerung und Benetzung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze statt. Diese bildet sich zwischen den Grundwerkstoffen, ohne dass diese in die flüssige Phase übergehen. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess hier erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Somit kann das Erstarrungsverhalten gezielt beeinflusst werden, während sich weitere Vorteile durch den Abtransport von Einschlüssen und Verunreinigungen ergeben. Durch eine angepasste Prozessführung können vollflächige Anbindungen in kurzer Prozesszeit von weniger als 0,5 s erzielt werden. Die Bildung weiterer Sprödphasen außerhalb des eutektischen Systems wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags verhindert. Zusätzlich kann die Schmelzebildung als Reduzierung des Materialwiderstands während des kraftgeregelten Prozesses detektiert und diese für weitere Prozessansätze genutzt werden. Weitere Optimierungsansätze zeigen sich beim Übertrag auf weitere Pressschweißverfahren und Bauteilgeometrien.

Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich - wie auch schon andere Entwicklungen zeigen - der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren. Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.