Два роки тому Костянтин Хефнер став новим директором Інституту лазерних технологій Фраунгофера (Fraunhofer ILT), найбільшого у Європі дослідницького центру прикладних лазерних технологій. В інтерв'ю Андреасу Тоссу Хефнер розповів про технологічні тенденції та свою стратегічну відповідь.

Андреас Тосс: Якщо ми подивимося на сучасні тенденції, цифрове виробництво чи Інтернет виробництва (IoP) виділяються. Як з цим боротися у Fraunhofer ILT?

Костянтин Хефнер: Лазер – ідеальний інструмент; його пучок безмасовий і не зношується. У той самий час лазер дозволяє набагато точніше спостерігати процеси виробництва. У цьому генерується дуже багато даних. Розібратися в цьому «озері даних» – одне із завдань у виробництві цифрової фотоніки.

Друге завдання полягає у тому, щоб всебічно відобразити реальність у віртуальний світ; тобто специфікацію конструкції, властивості матеріалу та фізику взаємодії лазера з матеріалом. У минулому ми в основному розробляли процеси за допомогою людського ноу-хау та безлічі випробувань. Це стає все більш складним завданням у все більш складному та прискорюваному світі. Однак сьогодні у нас більше обчислювальних можливостей, інструментів моделювання та більш глибоке розуміння фізики, що лежить в основі, але справжнім прискорювачем є збір та об'єднання в мережу всеосяжних та високоякісних даних у поєднанні з сучасним машинним навчанням та штучним інтелектом. Люди звільняються, а виробництво може стати більш ефективним, гнучким та стійким.

Це одна із переваг цифрового виробництва: у розробці процесів допомагає штучний інтелект. Цифрове фотонне виробництво дозволяє «з першого разу» розпочати виробництво.

Крім того, продуктивність виробничих машин відрізняється навіть у межах однієї моделі, але найчастіше через досвід оператора. Розуміння цих відхилень та їх передбачення шляхом включення до наших моделей процесів — одна з головних речей, які нас цікавлять. Йдеться про точність, відтворюваність та працездатність. Іншими словами, цифрове фотонне виробництво має дозволити вам використовувати машину однаково, незалежно від навколишнього середовища або того, хто працює на ній.

Ми досягаємо цього за допомогою розподіленого машинного навчання. Озеро даних, що надходить з усіх машин, забезпечує розширені аналітичні та прогнозні можливості для розробки, покращення або керування процесом. Чисельне моделювання засноване на базовій фізиці та забезпечує напрямну основу; Потім контури ІІ беруть ці симуляції та додають навчання на основі реальних даних, що дозволяє інтерпретувати дані в режимі реального часу та давати рекомендації контурам керування машинами щодо оптимізації процесів. Успішні операційні приписи потім автоматично поширюються на родинні машини у хмарі. Економія часу величезна.

Ось чому цифрове виробництво є дуже важливою темою для Fraunhofer ILT, а також Кластера передового досвіду в галузі Інтернету виробництва — частини Ініціативи передового досвіду RWTH Aachen University. І саме тут, в Аахені, ми маємо цю структуру — це озеро даних між інститутами виробничих технологій. Ми розробляємо лазери та датчики, а також коди та алгоритми машинного навчання, які, у свою чергу, оцінюють процеси. Зрештою, ми можемо оптимізувати ланцюжки створення вартості швидше та точніше.

AT: Наступною великою тенденцією є адитивне виробництво (AM). Ваш інститут встановив справжню віху з технікою EHLA. Що буде в AM?

Ми тільки що відсвяткували 25-річчя патенту Fraunhofer ILT на процес плавлення металевого лазера в шарі порошку, поданого трьома вченими ILT у 1996 році (див. рис. 1). 3D лазерний друк був і залишається для нас великою темою. Це також більшість виробництва цифрової фотоніки.

Принадність 3D-друку, безумовно, полягає у гнучкості дизайну, різноманітності матеріалів та меншій витраті матеріалу в порівнянні з процесами субтрактивної обробки. Однак, коли ми думаємо про стійку економіку, нам також необхідно враховувати ресурсоефективність 3D-друку протягом усього її циклу, тобто від руди до порошку, порошку до продукту, і ми активно це досліджуємо.

Адаптивні методи під час виробництва необхідні виявлення та виправлення дефектів і змін у топології деталі. Таким чином, ми скорочуємо шлюб і забезпечуємо вищу середню напрацювання вщерть. Це приносить дивіденди не лише в першу чергу, а й у продуктивність 3D-друку.

Предиктивний аналіз також є частиною цього. Ви можете робити прогнози про те, коли і як щось працюватиме чи даватиме збої, чи якусь реакцію воно викличе. Іншими словами, ви можете запрограмувати властивості деталі. Це відкриває нову гнучкість дизайну, яка сьогодні доступна тільки в дуже обмеженому обсязі. Ми також використовуємо це у нашій програмі розробки лазерів для аерокосмічних платформ.

Дизайн, специфічний для AM, як і раніше, залишається однією з найбільших проблем. Більшість інженерів навчилися мислити у термінах абляційних процесів. Університетам необхідно на ранньому етапі включити методи проектування адитивного виробництва до навчальної програми інженерів-конструкторів, щоб вони могли повною мірою використовувати та застосовувати можливості 3D-друку.

AM зараз знаходиться в дуже цікавому положенні, коли ми маємо цілу низку машин на ринку. Ми, безумовно, маємо знизити витрати та підвищити ефективність. Має бути ще багато досліджень і розробок, і не тільки у важливих інженерних галузях, таких як аерокосмічна промисловість або медичні імплантати.

AT: Всі говорять про клімат та стійкість. Який внесок можуть зробити лазерні технології?

CH: Багато з того, що я сказав раніше, сприяє стійкому розвитку, у тому числі ефективний 3D-друк та IoP. Насправді йдеться про використання підвищення ефективності. Йдеться не так про абсолютно нові процеси, як про набагато ефективнішу роботу в ланцюжках процесів і, таким чином, економію ресурсів.

В даний час уряд Німеччини просуває технології, які вирішують проблему зміни клімату або сприяють сталому виробництву. Технології зберігання енергії, такі як водень або технологія акумуляторів є основними темами тут, в ILT. Лазер відіграє у всіх цих виробничих процесах.

Наприклад, зараз йдеться про виведення ринку цієї водневої технології. Темою дослідження для нас є біполярні пластини для електролізерів чи паливних елементів. Як ми можемо виробляти їх з високою надійністю та екстремальною продуктивністю? Водень - це дуже маленький атом, який легко дифундує. Тому важливими є 100% герметичні зварні шви. Знову ж таки, висока точність, правильність з першого разу та високі стандарти якості – ось де лазер дійсно показує свою силу.

Наші лазери для спостереження Землі також відіграють важливу роль у захисті клімату. Наприклад, ми вбудовуємо лазери в супутники, щоб дуже точно вимірювати швидкість вітру з космосу і робити точніші прогнози погоди. Гази, що впливають на клімат, такі як CO2 чи метан, також можуть бути виявлені з космосу за допомогою наших лазерів. Йдеться не лише про просте лазерне джерело, але, звичайно ж, про системну технологію та ноу-хау, як зробити щось подібне.

Це те, що рухає нами, і всі вони сприяють стійкості, якої ми відчайдушно потребуємо майбутнього.

AT: Які ключові питання у списку завдань Fraunhofer ILT на наступні три роки?

CH: Наша команда з приблизно 600 співробітників Fraunhofer ILT віддана нашій основній місії: контрактним дослідженням та передачі технологій. Ми продовжимо виконувати нашу місію завдяки досконалості, глибині знань та пошуку тенденцій. З технологічного боку ми систематично просуватимемо розробку лазерних процесів і технологій для стійкого виробництва цифрової фотоніки, особливо в їх застосуванні в машинобудуванні та промисловому машинобудуванні, зберіганні енергії, аерокосмічній, медичній техніці або мобільності.

Ми продовжуємо розвивати наші високопродуктивні лазерні системи для виробництва та все частіше для космічних платформ. Крім того, ми створюємо нові компетенції в галузі фотонних рішень для квантових технологій та створюємо великий центр квантової науки та технологій в Аахені з нашими партнерами для наших промислових клієнтів. Разом із нашим партнером QuTech у Делфті ми хочемо реалізувати перший вузол квантового Інтернету у Німеччині (див. рис. 2).

Але йдеться також про відкриття інших нових областей, таких як вторинні джерела. Це високоенергетичні лазери, які можуть окупитися на нових дослідних ринках. Високояскраві промені рентгенів або пучки частинок можуть генеруватися лазерами і долати обмеження сучасних традиційних джерел. Саме тут лазери можуть відкрити нові обрії.

Нарешті, ми спостерігаємо зростання попиту на інтегровані рішення. Це потребує високого ступеня системної інженерії. У контексті наших аерокосмічних проектів ми встановили суворі процеси проектування систем, які тепер можна порівняти з іншими проектами. Знову ж таки, йдеться про ефективність та дієвість: зробити все правильно з першого разу.

AT: Зрештою, яким ви бачите майбутнє лазера?

CH: Лазер у 21 столітті є частиною нескінченного числа ланцюжків створення вартості. І саме ноу-хау в цих ланцюжках створення вартості дозволяє цілеспрямовано використовувати лазер, щоб знайти виграш для виробника або забезпечити процеси, які інакше були б немислимі.

Звісно, ​​акцент дедалі більше зміщується із розробки джерела пучка на технологію процесу чи системи. Тут ILT спирається на багатий досвід розробки індивідуального вирішення низки проблем, що виникають у галузі. Епоха лазерів тільки почалася, і я впевнений, що вона триватиме ще довго.