Два года назад Константин Хефнер стал новым директором Института лазерных технологий Фраунгофера (Fraunhofer ILT), крупнейшего в Европе исследовательского центра прикладных лазерных технологий. В интервью Андреасу Тоссу Хефнер рассказал о технологических тенденциях и своем стратегическом ответе.

Андреас Тосс: Если мы посмотрим на современные тенденции, цифровое производство или Интернет производства (IoP) выделяются. Как с этим бороться в Fraunhofer ILT?

Константин Хефнер: Лазер — идеальный инструмент; его пучок безмассовый и неизнашиваемый. В то же время лазер позволяет намного точнее наблюдать за процессами производства. При этом генерируется огромное количество данных. Разобраться в этом «озере данных» — одна из задач в производстве цифровой фотоники.

Вторая задача состоит в том, чтобы всесторонне отобразить реальность в виртуальный мир; т. е. спецификацию конструкции, свойства материала и физику взаимодействия лазера с материалом. В прошлом мы в основном разрабатывали процессы с помощью человеческого ноу-хау и множества испытаний. Это становится все более сложной задачей во все более сложном и ускоряющемся мире. Однако сегодня у нас больше вычислительных возможностей, инструментов моделирования и более глубокое понимание лежащей в основе физики, но настоящим ускорителем является сбор и объединение в сеть всеобъемлющих и высококачественных данных в сочетании с современным машинным обучением и искусственным интеллектом. Люди освобождаются, а производство может стать более эффективным, гибким и устойчивым.

Это одно из преимуществ цифрового производства: в разработке процессов помогает искусственный интеллект. Цифровое фотонное производство позволяет «с первого раза» приступить к производству.

Кроме того, производительность производственных машин различается даже в пределах одной модели, но чаще всего из-за опыта оператора. Понимание этих отклонений и их предвидение путем включения в наши модели процессов — одна из главных вещей, которые нас интересуют. Речь идет о точности, воспроизводимости и работоспособности. Другими словами, цифровое фотонное производство должно позволить вам использовать машину одинаково, независимо от окружающей среды или того, кто на ней работает.

Мы достигаем этого с помощью распределенного машинного обучения. Озеро данных, поступающее со всех машин, обеспечивает расширенные аналитические и прогнозные возможности для разработки, улучшения или управления процессом. Численное моделирование основано на базовой физике и обеспечивает направляющую основу; Затем контуры ИИ берут эти симуляции и добавляют обучение на основе реальных данных, что позволяет интерпретировать данные в режиме реального времени и давать рекомендации контурам управления машинами по оптимизации процессов. Успешные операционные предписания затем автоматически распространяются на родственные машины в облаке. Экономия времени колоссальная.

Вот почему цифровое производство является очень важной темой для Fraunhofer ILT, а также для Кластера передового опыта в области Интернета производства — части Инициативы передового опыта RWTH Aachen University. И именно здесь, в Аахене, у нас есть эта структура — это озеро данных между институтами производственных технологий. Мы разрабатываем лазеры и датчики, а также коды и алгоритмы машинного обучения, которые, в свою очередь, оценивают процессы. В конце концов, мы можем оптимизировать цепочки создания стоимости быстрее и точнее.

AT: Следующей большой тенденцией является аддитивное производство (AM). Ваш институт установил там настоящую веху с техникой EHLA. Что будет в AM?

КХ: Мы только что отпраздновали 25-летие патента Fraunhofer ILT на процесс плавления металлического лазера в слое порошка, поданного тремя учеными ILT в 1996 году (см. рис. 1). 3D лазерная печать была и остается для нас большой темой. Это также большая часть производства цифровой фотоники.

Прелесть 3D-печати, безусловно, заключается в гибкости дизайна, разнообразии материалов и меньшем расходе материала по сравнению с процессами субтрактивной обработки. Однако, когда мы думаем об устойчивой экономике, нам также необходимо учитывать ресурсоэффективность 3D-печати на протяжении всего ее цикла, то есть от руды к порошку, от порошка к продукту, и мы активно это исследуем.

Адаптивные методы во время производства необходимы для обнаружения и исправления дефектов и изменений в топологии детали. Таким образом, мы сокращаем брак и обеспечиваем более высокую среднюю наработку до отказа. Это приносит дивиденды не только в первую очередь, но и в производительность 3D-печати.

Предиктивный анализ также является частью этого. Вы можете делать прогнозы о том, когда и как что-то будет работать или давать сбои, или какую реакцию оно вызовет. Другими словами, вы можете запрограммировать свойства детали. Это открывает совершенно новую гибкость дизайна, которая сегодня доступна только в очень ограниченном объеме. Мы также используем это в нашей программе разработки лазеров для аэрокосмических платформ.

Дизайн, специфичный для AM, по-прежнему остается одной из самых больших проблем. Большинство инженеров научились мыслить в терминах абляционных процессов. Университетам необходимо на раннем этапе включить методы проектирования аддитивного производства в учебную программу инженеров-конструкторов, чтобы они могли в полной мере использовать и применять возможности 3D-печати.

AM сейчас находится в очень интересном положении, когда у нас есть целый ряд машин на рынке. Мы, безусловно, должны снизить затраты и повысить эффективность. Предстоит еще много исследований и разработок, и не только в важных инженерных областях, таких как аэрокосмическая промышленность или медицинские имплантаты.

AT: Все говорят о климате и устойчивости. Какой вклад могут внести лазерные технологии?

CH: Многое из того, что я сказал ранее, способствует устойчивому развитию, в том числе эффективная 3D-печать и IoP. На самом деле речь идет об использовании повышения эффективности. Речь идет не столько о совершенно новых процессах, сколько о гораздо более эффективной работе в цепочках процессов и, таким образом, экономии ресурсов.

В настоящее время правительство Германии продвигает технологии, которые решают проблему изменения климата или способствуют устойчивому производству. Технологии хранения энергии, такие как водород или технология аккумуляторов, являются основными темами здесь, в ILT. Лазер играет важную роль во всех этих производственных процессах.

Например, сейчас речь идет о выводе на рынок этой водородной технологии. Темой исследования для нас являются биполярные пластины для электролизеров или топливных элементов. Как мы можем производить их с высокой надежностью и экстремальной производительностью? Водород — это очень маленький атом, который легко диффундирует. Поэтому важны 100% герметичные сварные швы. Опять же, высокая точность, правильность с первого раза и высокие стандарты качества — вот где лазер действительно показывает свою силу.

Наши лазеры для наблюдения Земли также играют важную роль в защите климата. Например, мы встраиваем лазеры в спутники, чтобы очень точно измерять скорость ветра из космоса и делать более точные прогнозы погоды. Газы, влияющие на климат, такие как CO2 или метан, также могут быть обнаружены из космоса с помощью наших лазеров. Речь идет не только о простом лазерном источнике, но, конечно же, о системной технологии и ноу-хау, как сделать что-то подобное.

Это то, что движет нами, и все они способствуют устойчивости, в которой мы отчаянно нуждаемся в будущем.

AT: Каковы ключевые вопросы в списке задач Fraunhofer ILT на следующие три года?

CH: Наша команда из примерно 600 сотрудников Fraunhofer ILT привержена нашей основной миссии: контрактным исследованиям и передаче технологий. Мы продолжим выполнять нашу миссию благодаря совершенству, глубине знаний и поиску тенденций. С технологической стороны мы будем систематически продвигать разработку лазерных процессов и технологий для устойчивого производства цифровой фотоники, особенно в их применении в машиностроении и промышленном машиностроении, хранении энергии, аэрокосмической, медицинской технике или мобильности.

Мы продолжаем развивать наши высокопроизводительные лазерные системы для производства и все чаще для космических платформ. Кроме того, мы создаем новые компетенции в области фотонных решений для квантовых технологий и создаем крупный центр квантовой науки и технологий в Аахене с нашими партнерами для наших промышленных клиентов. Вместе с нашим партнером QuTech в Делфте мы хотим реализовать первый узел квантового Интернета в Германии (см. рис. 2).

Но речь также идет об открытии других новых областей, таких как вторичные источники. Это высокоэнергетические лазеры, которые могут окупиться на совершенно новых исследовательских рынках. Высокояркие рентгеновские лучи или пучки частиц могут генерироваться лазерами и преодолевать ограничения современных традиционных источников. Именно здесь лазеры могут открыть новые горизонты.

Наконец, мы наблюдаем растущий спрос на интегрированные решения. Это требует высокой степени системной инженерии. В контексте наших аэрокосмических проектов мы установили строгие процессы проектирования систем, которые теперь мы можем сопоставить с другими проектами. Опять же, речь идет об эффективности и действенности: сделать все правильно с первого раза.

AT: Наконец, каким вы видите будущее лазера?

CH: Лазер в 21 веке является частью бесконечного числа цепочек создания стоимости. И именно ноу-хау в этих цепочках создания стоимости позволяет целенаправленно использовать лазер, чтобы найти выигрыш для производителя или обеспечить процессы, которые в противном случае были бы немыслимы.

Конечно, акцент все больше смещается с разработки источника пучка на технологию процесса или системы. Здесь ILT опирается на богатый опыт для разработки индивидуального решения ряда проблем, возникающих в отрасли. Эпоха лазеров только началась, и я уверен, что она будет продолжаться еще долго.