ForschungForschungsbereiche
Forschungsbereich O

Optik der Zukunft

Die Arbeit des Forschungsbereichs O

© Alexander Wolf/IPeG

DER PHOENIXD-THINKTANK

Der Forschungsbereich O ist der virtuelle Ort für die Visionen des Clusters. Er funktioniert als Thinktank, in dem sich PhoenixD-Forscherinnen und -Forscher untereinander und mit Gästen über die neuesten weltweiten Entwicklungen in Forschung und Technik austauschen. Unabhängig vom Laboralltag werden hier die übergreifenden Visionen und Leitlinien des Clusters weiterentwickelt, konkretisiert und mit aktuellen internen und externen Entwicklungen abgeglichen.

UNSERE FORSCHUNGSARBEIT

Eine PhoenixD-Vision, die besonders eng mit dem Forschungsbreich M verknüpft ist, ist das Integrated Manufacturing Grid (dt. umfassende Produktionsumgebung; siehe Abbildung 1). Ein hoher Anteil an manuellen Arbeitsschritten ist heute noch typisch für die Fertigung vieler optischer Systeme.

Das Manufacturing Grid von PhoenixD stellt eine hochautomatisierte Fertigungsumgebung für optische Systeme dar. Insbesondere die Inline-Produktion mit Rolle-zu-Rolle-Systemen erlaubt eine kostengünstige Massenfertigung. Sie ist besonders für Prozesse geeignet, die geschlossen unter Vakuum oder Schutzgas ablaufen müssen. Im Manufacturing Grid werden aber auch Batch-Prozesse, die in eigenständigen Anlage ablaufen müssen in die automatisierte Prozesskette eingebunden.

Alle Fertigungsstationen im Manufacturing Grid sind hochgradig digitalisiert und liefern viele Sensordaten zum aktuellen Werkstück, aber auch zum Zustand der Anlagen. Diese Daten werden einerseits genutzt, um einen digitalen Zwilling des gefertigten optischen Systems zu erstellen. Andererseits dient das umfassende digitale Expertenwissen der Fertigungshistorie dazu, um mittels künstlicher Intelligenz Charakteristika der Fertigungsumgebung in die Entwicklung der nächsten optischen Systeme einfließen zu lassen. Dieser Ansatz erlaubt es, Zusammenhänge zu finden und zu berücksichtigen, die für menschliche Expertinnen und Experten nicht sichtbar sind.


© Reinhard Caspary/PhoenixD
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Integrated Manufacturing Grid (dt. umfassende Produktionsumgebung) von PhoenixD.


Eine PhoenixD-Vision, die besonders eng mit dem Forschungsbereich F verknüpft ist, ist der Smart Production Loop (dt. intelligenter Produtionszyklus; siehe Abbildung 2). Der Entwurf optischer Systeme erfolgt heute ausschließlich digital, in zunehmendem Maße unterstützt durch Computersimulationen. Ergebnis des Entwurfs sind Steuerungsprogramme für die Fertigungsmaschinen und Toleranzvorgaben für die Qualitätsprüfung.

PhoenixD strebt einen Paradigmenwechsel in der Optikfertigung an, weg von strikten Toleranzvorgaben vieler abstrakter Messgrößen und hin zu Funktionsvorgaben für einzelne Komponenten und ganze Systeme.

Ergebnis des Systemdesigns für die Smart Production Loop von PhoenixD ist eine Inline-Simulation, die eine Produktionsmaschine in Echtzeit steuern kann. Dazu wird die Produktionsmaschine mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet, die es der Inline-Simulation erlaubt, basierend auf dem aktuellen Zustand des individuellen Werkstücks die optimalen nächsten Fertigungsschritte zu berechnen.

Aus den umfangreichen Messdaten, die zusammen mit jeder einzelnen gefertigten Komponente anfallen, wird unter anderem ein virtueller Zwilling der jeweiligen Komponente und schließlich des optischen Systems erstellt.

Ergänzt durch Rechenleistung und eigene Sensorik bekommt jedes gefertigte optische System ein individuelles virtuelles Modell, das über die ganze Lebenszeit des Systems Daten bereitstellt und neue Daten erfasst. Auch hier ist das Ziel wieder die Generierung von digitalem Expertenwissen, das beim Entwurf zukünftiger Systeme genutzt wird.

© Reinhard Caspary/PhoenixD
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Smart Production Loop (intelligenter Produtionszyklus) von PhoenixD.


Eine PhoenixD-Vision, die besonders eng mit dem Forschungsbereich S verknüpft ist, ist das Comprehensive Simulation Framework (dt. übergreifende Simulationsumgebung; siehe Abbildung 3). Vor dem Hintergrund stetig wachsender Rechenkapazitäten nimmt die Bedeutung von Computersimulationen immer weiter zu.

Für die Forschung in PhoenixD kommt heute sowohl kommerzielle, als auch frei verfügbare und selbst entwickelte Simulationssoftware zum Einsatz. Jedes einzelne Softwarepaket deckt einen spezifischen Teilbereich eines großen multidimensionalen Parameterraums ab, der für Entwicklung, Produktion und Einsatz von optischen Systemen relevant ist.

Neue Materialien werden auf der Ebene von Atomen und Molekülen simuliert, während die funktionelle Beschreibung optischer Systeme meist auf der makroskopischen Ebene stattfindet.

Auf der zeitlichen Skala wird in PhoenixD die Wechselwirkung ultrakurzer Femtosekunden-Laserpulse mit Materie simuliert, aber auch die Materialermüdung optischer Komponenten über ihre ganze Lebensdauer hinweg. Immer wichtiger werden multidisziplinäre Simulationen, die beispielsweise optische, thermische und mechanische Eigenschaften eines Systems gleichzeitig umfassen.

Die Vision des Comprehensive Simulation Framework besteht darin, die vielen einzelnen Simulationsumgebungen miteinander zu einem Netzwerk mit einheitlichen Schnittstellen für Benutzung und Datenaustausch zu verweben. Langfristig soll das System Fragen in menschlicher Sprache beantworten können, nachdem im Hintergrund automatisch passende Simulationen gestartet und mit bereits vorhandenen Simulationsergebnissen verknüpft wurden.

© Reinhard Caspary/PhoenixD
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Comprehensive Simulation Framework (dt. übergreifende Simulationsumgebung) von PhoenixD.

 

 

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Reinhard Caspary
Beauftragte
Technologiekoordinator
Dr.-Ing. Reinhard Caspary
Beauftragte
Technologiekoordinator