Hände weg! So sieht automatisierte Lasermaterialbearbeitung der Zukunft aus

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Technologie-Institut für Metall & Engineering GmbH

Viele Verfahren der Lasermaterialbearbeitung könnten jetzt verbessert werden. Forscher des Max-Planck-Instituts für Informatik haben nämlich eine Methode auf Basis künstlicher Intelligenz entwickelt.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Informatik haben eine Methode auf Basis künstlicher Intelligenz (KI) entwickelt, die einige Zwischenschritte in der Produktion bei der Lasermaterialbearbeitung erheblich beschleunigt, heißt es. Dazu gibt es auch eine Kooperation mit dem Laserspezialisten Trumpf. Das Unternehmen aus der Nähe von Stuttgart bietet Fertigungssysteme in den Bereichen Werkzeugmaschinen und Lasertechnik.

Der neuartige Ansatz basiert auf einem so genannten evolutionären Algorithmus in Kombination mit einem maßgeschneiderten Sortierverfahren.Damit liege die erste computergestützte, automatisierte Möglichkeit vor, hochkomplexe Probleme der Lasermaterialbearbeitung, die bisher noch manuell durch Ausprobieren gelöst werden mussten, automatisch auszumerzen. Das Projektteam im Rahmen des Exist-Gründerprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit rund 800.000 Euro gefördert, um ihre Entwicklung zur Marktreife zu bringen.

„Color Laser Marking“ ohne manuelles Rätselraten zur Farbe

Ein Beispiel für eine solche Produktionsmethode ist das so genannte „Color Laser Marking“, ein Verfahren, bei dem metallische Oberflächen durch die Energie des Laserstrahls eingefärbt werden. Durch diese Energie erzeugte Farben ließen sich aber bisher nur schwer vorhersagen, weil die Färbung von zahlreichen Prozessparametern abhinge – beispielsweise von der Art des erhitzten Metalls, der Geschwindigkeit, mit der es erhitzt wird, der Heizleistung oder von der Dauer eines einzelnen Laserpulses. Wollte man bisher Metall auf einen bestimmten Farbton erhitzen, bestand die einzige Chance darin, die entsprechenden Parameter einzeln zu anzupassen, bis das gewünschte Farbergebnis erreicht war, erklären die Forscher aus Saarbrücken. Dieser sehr ungenaue, zeitraubende und ineffiziente Ansatz sorgte dafür, dass das „Color Laser Marking“ und ähnliche Produktionsverfahren, die von dem optimierten Zusammenspiel einer Vielzahl von Laserparametern abhängen, von der Industrie bisher weitgehend ignoriert wurde, wie es weiter heißt.

Nun habe man aber einen Algorithmus entwickelt, der diesen Prozess der „Parameterexploration“ soweit automatisiert und beschleunigt, dass viele Methoden der Materialbearbeitung per Laser für den industriellen Einsatz praktikabel würden. Im Hinblick auf das „Color Laser Marking“ könnten mithilfe der neuartigen Methode zum Beispiel gesättigte, hochauflösende, farbige Bilder auf Metall „gedruckt“ werden – ohne Farbstoffe zu verwenden, nur durch gezieltes Erhitzen des Materials.

Automatische Iterationen bis die Wunschfarbe vorliegt

Die Methode verwendet einen sogenannten evolutionären Explorationsalgorithmus in Kombination mit einer angepassten Sortiermethode. Der Explorationsalgorithmus wiederholt dabei dieselben Schritte, bis er das bestmögliche Ergebnis gefunden hat, erklären die Forscher. Zunächst beginnt alles aber damit, dass der Laser auf der Grundlage zufällig ausgewählter Parameter Markierungen anbringt. Der Algorithmus messe dann die Eigenschaften (hier Farbe und Auflösung) der Markierungen und berechnet auf dieser Grundlage den nächsten Satz von Parametern, die der Laser zum Markieren verwenden soll. Dabei kommt der maßgeschneiderte Sortieralgorithmus zum Einsatz. Dieser sortiert die leistungsstärksten Prozessparameter der zuvor markierten Farben auf Grundlage verschiedener Metriken, wie zum Beispiel Auflösung oder Farbsättigung. Und der evolutionäre Algorithmus erzeugt aus diesen Sortierergebnissen eine neue Generation von Farben, die die besten Eigenschaften der „Elterngeneration“ enthält. Dieser iterative Prozess werde so lange fortgesetzt, bis keine nennenswerte Verbesserung des Ergebnisses mehr eintritt und somit das bestmögliche Resultat gefunden wurde.

Dieser neue Ansatz für diese Arten von Optimierungsproblemen sei derzeit weltweit einzigartig und ließe sich auf verschiedene Arten von Lasern und Substraten, und auch auf andere Eigenschaften als die Farbe übertragen. Die Erfolge bei der laserbasierten Farbmarkierung, sind sich die Experten sicher, ist nur die Spitze des Eisbergs. Die Idee könnte alle Oberflächenaktivierungen durch Laser verbessern, wie zum Beispiel die Veränderung der Haptik eines Materials.

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