Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer multisensorbasierten Systemlösung zum Bestimmen der mechanischen Reinigungswirkung in Ultraschallanlagen als Voraussetzung für die zukünftige Integration von intelligenten Steuer- und Regelungskonzepten

Ultraschallreinigungsprozesse dienen der Konditionierung technischer Bauteile, indem filmische Verschmutzungen durch Hilfsstoffe aus Vorprozessen sowie partikuläre Fertigungsrückstände entfernt werden. Bislang ist die Ultraschallwirkungskette nicht zusammenhängend messtechnisch zugänglich und muss deshalb bei der Anlagenentwicklung und Prozessführung als Black-Box-Modell betrachtet werden. Die Ursache hierfür ist das Fehlen von Sensoren für die Erosionswirkung, praxistauglichen Systemlösungen zur Messwertverarbeitung sowie konstruktiven Lösungen zur Anlagenintegration.

Forschungsziele sind das Entwickeln eines Multisensor-Systems mit intelligenter Messdatenverarbeitung zur Überwachung der Ultraschallwirkungskette als Forschungsdemonstrator sowie das Eruieren seiner Eignung für den Anlageneinsatz. Der hierzu geplante Lösungsweg umfasst die Entwicklung und Anlagenintegration des Multisensor-Systems unter metrologischen Aspekten, das Realisieren eines modularen Systems zur intelligenten Verarbeitung der Multisensor-Daten sowie die exemplarische Eignungsanalyse im Anlageneinsatz.

Die im Rahmen des Vorhabens mit dem Multisensor-System ausgerüsteten Reinigungsanlagen werden KMU zusammen mit der Expertise der Forschungsstellen nach Projektende als Versuchsplattformen zur Verfügung stehen. Sie schaffen für deutsche Anlagenbauer und -betreiber, speziell für kleine Unternehmen ohne eigenes F&E-Technikum, einzigartige Versuchsbedingungen zum Optimieren der Qualität und Wirtschaftlichkeit ihrer Ultraschallreinigungsprozesse/-anlagen und dadurch einen internationalen Wettbewerbsvorteil. Zukünftig sind die Projektergebnisse die Grundlage innovativer Messsysteme, deren Einsatz in der Ultraschallreinigung die notwendigen Messdaten für adaptive Reinigungsprozesse der Industrie 4.0 liefert. Sie erschließen erhebliche Einsparpotenziale, beispielsweise durch die Echtzeit-Analyse der Reinigungswirkung bei der Anlagenentwicklung oder durch das beschleunigte Einfahren neuer Prozesse.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt UltraRein wurde ein Multisensorsystem zur Anwendung in der Überwachung und Parametrierung der Ultraschallreinigung entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass zur Sicherstellung einer zuverlässigen Reinigung weitere Sensoren im Anlageneinsatz erforderlich sind. Insbesondere konnte mit dem Einsatz des KaviMeters zur Messung des Kavitationsrauschens und eines Erosionssensors basierend auf einer Quarzkristallmikrowaage der Zustand des Ultraschallreinigungsbeckens charakterisiert werden. Weitere Messtechnik wie ein Oxymeter und ein System zur Messung der Impedanz der Ultraschallschwinger wurden eingesetzt, um den Funktionszustand der Anlage zu überprüfen. Es wurde außerdem ein Datenbanksystem basiertes Verfahren zum zentralen Erfassen und Speichern angefallener Messdaten erweitert und verwendet, auf dessen Grundlage eine Auswertung und Korrelation der Parameter durchgeführt werden kann. Als weiteres Ziel war die Entwicklung einer auf Bayes-Klassifikation basierenden KI geplant, die aber wegen diverser Ausfälle der Ultraschall-Reinigungsanlage nicht fertiggestellt werden konnte. Über das eigentliche Projektziel hinaus wurde zur räumlich aufgelösten Messung relevanter Größen im Ultraschallbad ein 3D-Positioniertisch entwickelt bzw. Portalroboter integriert. Die bisher marktverfügbaren Quarzkristallmikrowaagen und insbesondere existierenden Prototypen von Erosionssensoren waren zu Projektbeginn nicht für den Einsatz im Ultraschallbad geeignet und wurden konstruktiv umfassend überarbeitet. Zudem wurden die Quarze mittels eines angepassten Prozesses ertüchtigt, reproduzierbar, zuverlässig und kostengünstig beschichtet zu werden, sodass eine zuverlässige Funktion im Ultraschallbad gewährleistet wurde. Die Ergebnisse des Projektes können genutzt werden, um aus den verfügbaren und betrachteten Messsystemen und Sensoren einen Prototypen aus dem Forschungsdemonstrator aufzubauen, mit der die breite Überwachung eines Ultraschallreinigungsbades erfolgen kann.