Sonderforschungsbereich 653 Leibniz Universität Hannover Informationen aus der Nutzungsphase Garbsen, 15. Januar 2015 Prof. Dr.-Ing. R. Lachmayer Leibniz Universität Hannover
Vision Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus Intelligente Produkte sind Informationsträger und über alle Lebenszyklusphasen adressier- und identifizierbar Gentelligente Bauteile liefern Daten aus allen Lebenszyklusphasen Erst im Kontext des Gesamtsystems werden aus Daten Informationen und Mehrwert generiert Leibniz Universität Hannover Seite 2
Szenario Radträger Bauteil Neues Bauteildesign Instandhaltung Bauteilkennung Datenerfassung Entwicklung Sensorischer Radträger Mg-Legierung Zustandsbewertung Gestaltoptimierung Leibniz Universität Hannover Seite 3
Individuelle Bauteilinformation Enabler: Sensitive Werkstücke und Schreib-, Lesetechnologie Identifikation während des gesamten Lebenszyklus Bauteil Speicherung inhärent in der Bauteilrandzone 2D/3D Auswertung fertigungsbedingter Oberflächenstrukturen Schreiben in die Bauteilrandzone mittels: Magnetischer Effekte bei ferromagnetischem Material Laserdispergieren von Magnetwerkstoffen Bauteilkennung Härten, Anlassen (Martensit/Austenit) Leibniz Universität Hannover Seite 4
Individuelle Bauteilinformation Das magnetische Datenspeicherungssystem 1 0 Magnetischer Schreibkopf Kern und Spulen Magnetischer Lesekopf mit Feldsensor Magnetspur Hartmagn. Partikel Feldsensor 300 µm Schreibkopf Streufeld Datendichte 100 bit per cm 2 3D Datenspeicherung in der Randzone Auslesen mittels Wirbelstromtechnik Mg Leibniz Universität Hannover Seite 5
Bauteilinhärente Belastungserfassung Enabler: Sensitive Werkstücke mit ferromagnetischen Eigenschaften Bauteil F F F F Bewertung der Belastungshistorie anhand plastischer Materialveränderungen Erfassung dynamischer Belastungsdaten am Radträger aus magnetischen (Mg/Co) Magnesium mittels Wirbelstrommesstechnik Datenerfassung Co-reiche Phasen Ausrichtung der magnetischen Domänen Neues Bauteildesign Sensorischer Radträger Mg-Legierung Leibniz Universität Hannover Seite 6
Bauteilinhärente Belastungserfassung Enabler: Lokal thermisch konditionierte (laserstrukturierte) Bauteile Erzeugung richtungsempfindlicher Dehngrenzwertsensoren durch lokales Anlassen metastabiler austenitischer Stähle Auf den Anwendungsfall einstellbare Sensor-Empfindlichkeit Auslesen der Belastungshistorie mittels: Wirbelstromtechnik Induktions-Thermographie Spurstange mit Dehngrenzwertsensoren F F ohne Belastung Nach einer Grenzwertbeanspruchung Leibniz Universität Hannover Seite 7
Zustandsbasierte Instandhaltung Bauteil Überwachung dynamisch hochbelasteter ermüdungsgefährdeter Bauteile Verhindern von teuren Spontanausfällen durch Auswerten des Ermüdungszustands Planbarkeit von proaktiven Instandhaltungszeitpunkten durch Prognose der Restlebensdauer Kostenersparnis durch eine Restpotenzialausschöpfung sowie eine effiziente Ersatzteillogistik Instandhaltung Neues Bauteildesign Zustandsbewertung Leibniz Universität Hannover Seite 8
Zustandsbasierte Instandhaltung Echtzeitnahe Auswertung von Belastungsdaten Kumulierte Schädigung [-] 1 Ausfallwahrscheinlichkeit MPa t P krit N krit N Daten des überwachten Bauteils Schädigungsverlauf des überwachten Bauteils Bereich der Ausfallzeitpunkte der Vergleichsbauteile Daten von Bauteilen, die ihren Lebenszyklus bereits abgeschlossen haben Prognostizierte Restlebensdauer N aktuell Schwingspielzahl N Leibniz Universität Hannover Seite 9
Produktgenerationsentwicklung Bauteil Datenanalyse Datenanalyse Generation Generation Generation n+1 Entwicklungsprozess 1. 2. Entwicklungsprozess Entwicklungsprozess Herstellung Verkauf Anwendung Nutzung Instandhaltung Herstellung Verkauf Anwendung Nutzung Instandhaltung Herstellung Verkauf Anwendung Nutzung Instandhaltung Recycling Recycling Recycling Entwicklung Neues Bauteildesign Gestaltoptimierung Leibniz Universität Hannover Seite 10
Gewicht [kg] Spannung [N/mm²] Kraft [N] Produktgenerationsentwicklung Datenanalyse Modelle Optimierung Gestaltevolution Gestaltelemente Lastfälle Wirkflächen Zielfunktion Lastfall 2 Generation n+1 Zeit [s] Signale/Daten Genetischer Algorithmus Lösung Generation n Fertigungsgerecht Funktionsgerecht Signifikante Lastfälle Strukturgestalt Belastungsgerecht Generation Leibniz Universität Hannover Seite 11
Modelle Funktionsentwicklung und Optimierung Generative Partialmodelle Aufteilung eines Bauteiles in seine Gestaltung und Verknüpfung über Skeleton Integration von explizitem Konstruktionswissen in Form von Parameter und Restriktionen Fallbasierte Modelle Auswahl eines Best-fit aus eines Fallbasis Rekonfiguration des Fallbasis zur Lösungsfindung Leibniz Universität Hannover Seite 12
Optimierung und Gestaltevolution am Beispiel Radträger Optimierungsstrategie basierend auf genetischen Algorithmen Lastfälle 23 17-5 23 17-5 23 17-5 23 17-5 Zielfunktion Selektion 23 17-5 23 17-5 Genetischer Algorithmus Parametersatz Randbedingungen Masse 0,74 kg Masse 0,66 kg 86-1 35 23 17-5 Variationsoperatoren Generatives Gestaltmodell 86 17-5 Rekombination Analysemodelle 86 17-5 Ziel nicht erfüllt Fitness 86-9 -5 Mutation Ziel erfüllt Lösung Masse 0,61 kg Masse 0,55 kg Leibniz Universität Hannover Seite 13
Vision Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus Produktgenerationsentwicklung Metamodell Austauschformat (GIML) Gentelligente Bauteile (Effekte) Gentelligente Bauteile liefern über inhärente Effekte Daten GIML unterstützt den Austausch von prozess- und bauteilspezifischen Informationen Lebenszyklusinformationen für Entwicklung und Planung sind Schlüssel des Produkterfolges Entwicklungs- und Planungsumgebungen müssen situativ adaptiert und implementiert werden Leibniz Universität Hannover Seite 14
Demonstrator: Rennwagen HorsePower Rp09 Szenario: Informationen Sammeln, Ein-/Auslesen, Nutzen Gentelligente Bauteile Individuelle Bauteilinformation Bauteilinhärente Belastungserfassung Gentelligentes System Datenaufbereitung Kommunikation der Teilsysteme Regelung und Informationstransfer Zustandsbasierte Instandhaltung Datenrückführung Optimierte Instandhaltungsprozesse Optimierte Bauteilgeometrie Informationsrückführung in die Entwicklung Produktgenerationsentwicklung Leibniz Universität Hannover Seite 15
Übersicht der Live Demonstration Stationen Versuchsfeld des IFW Verwertung von Informationen aus der Nutzungsphase Prozessinformationen für die Fertigung / Arbeits- und Prozessplanung Inhärente Sensorik und Kommunikation Prozessinformationen für die Fertigung / Bewertung und Optimierung Eingang Visionäre und alternative Technologien Leibniz Universität Hannover Seite 16