gefördert durch:

ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V.

Lichtbogenschweißen -Physik und Werkzeug-

TU Berlin - Füge- und Beschichtungstechnik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J. Wilden

AntragstellerWirtschaftliche AusgangssituationFabrik der ZukunftForschungsbedarfLösungsansatzRoadmap

Antragsteller

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe FüsselLehrstuhl für Fügetechnik und MontageInstitut für Oberflächen- und FertigungstechnikTechnische Universität Dresden

Prof. Dr.rer.nat. habil. Johannes KruschaFachbereich Informatik-Elektrotechnik- MaschinenbauFachhochschule Lausitz

Prof. Dr.-Ing. Uwe ReisgenInstitut für Schweißtechnik und FügetechnikRWTH Aachen

Prof. Dr. –Ing. Jochen Schein Institut für Plasmatechnik und Mathematik (LPT)Universität der Bundeswehr München

Dr. rer. nat. Dirk UhrlandtLeibniz-Institut für Plasmaforschung undTechnologie e.V. (INP),Greifswald

Prof. Dr. rer. nat. Klaus-Dieter Weltmann Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) Greifswald

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes WildenFachgebiet Füge- und BeschichtungstechnikTechnische Universität Berlin(Sprecher, Koordinator)

Beschäftigungszahlen Gesamtmetall 2008

Betriebe und Beschäftigte nach Branchen 2008

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

Zieh

erei

en, K

altw

alzw

erke

Schi

ffbau

Büro

mas

chin

enSc

hien

enfa

hrze

ugba

uNE

-Met

alle

rzeu

gung

Gieß

erei

enLu

ft- u

nd R

aum

fahr

t

Fein

mec

hani

k, O

ptik

, Uhr

enEl

ektro

tech

nik

Met

allv

erar

beitu

ngAu

tom

obilb

auM

asch

inen

bau

Bes

chäf

tigte

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Bet

rieb

e

BeschäftigteBetriebe

Branchen und Marktentwicklung für die Schweißtechnik [Fro 06]

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

E-Hand MIG/MAG UP Plasma Arc WIG

20032013

Marktentwicklung für Lichtbogenschweißanlagen [Fro 06]

Marktentwicklung für Lichtbogenschweißanlagen [Fro 06]

Bis 2020 werden Hersteller in der Lage sein, aus einer Idee in einem Bruchteil der heute notwendigen Zeit ein fertiges Endprodukt zu entwickeln. Der Grund: Selbst die komplex- esten Produkte und Fertigungsprozessewerden dann in der virtuellen Welt entworfen und so lange getestet, bis alles perfekt ist.

Anforderungen der Fabrik der Zukunft an die Fügetechnik

Pictures of the Future Siemens AG Szenario 2020

MANUFUTURE Schlüsselthemen

Digitalisierte Verfahren werden hochkomplexe Arbeitsabläufe bestimmen und erleichtern.Im produzierenden Gewerbe hat sich die vollständige Simulation und 3D- Visualisierung aller relevanten Prozessabläufe als ganzheitliches Planungs-, Realisierungs-, Steuerungs- und Optimierungsinstrument durchgesetzt.Sensorik zur Echtzeitsimulation und die erforderlichen Schnittstellen sind verfügbar.Die Produktion kann virtuell durchlebt werden

Zukunftsbild: Digitale Fabrik

Umfassende Simulation unterstützt Verbesserung der WertschöpfungsketteDurchgängige Simulation der Maschine und des Fertigungsprozesses sowie der Fertigungsplanung; Verfahrenskette mit allen Nebenzeiten bis zur Simulation der FabrikEntwicklung optimieren mit virtueller Realität (VR)Höhere Entwicklungsgeschwindigkeit in kmU durch VRIntelligenter Produzieren

VDMA Verlag, 2006/4

Zukunft in der digitalen Fabrik

Kosten, Produktivität, MarktwachstumKostenreduktion um 33%Erhöhung der Schweißanwendungen um 25%

ProzesstechnologieIntegration des Schweißens auf allen Ebenen mit anderenFertigungs- und Konstruktionsprozessen

WerkstofftechnologieEntwicklung neuer Schweißtechnologien im Hinblick auf neue Materialien, so dass entsprechende Fertigungstechnologienverfügbar sind

QualitätswesenSchweißtechnologien sind Teil einer 6 - sigma Umgebung

Energie und UmweltVerringerung des Energiebedarfs um 50%

Welding Technology Roadmap AWS

Strategische Ziele der Schweißindustrie

Integrierte Technologie Roadmap

Integration des Schweißens/Fügens in die Werkstoffentwicklung, Produktentwicklung und Fertigung als Schlüsselfaktor für die Produktqualität

Qualität als strategisches Ziel: - Zero Defect- 6-sigma- prozessbasierte Qualität

(ausreichendes Prozess- und Werkstoffverständnis zur Vorhersage der Eigenschaften unter allen Bedingungen)

Gewinnen und Halten qualifizierter Mitarbeiter

Strategische Ziele der Schweißindustrie

Fügen von LeichtmetallenFügen von MischverbindungenFügen beschichteter hochfester StähleFügen Korrosionsbeständiger LegierungenFügen von Polymer/Komposit

Prozessgrundlagen -> Mikrostruktur-/Eigenschaftskorrelation Schweißdesign und Prozessmanagement ToolsProzess- und StrukturmodelleEchtzeitdiagnostik und adaptive Regelung

Optimierte Robotik und mechanisierte SchweißsystemeReparaturtechnologien

Vision for Welding Industry America

Übergang des Schweißens von einem empirischen zu einem physikalisch basierten Prozess

Welding Technology Roadmap AWS

Trends und Bedarfe der Schweißindustrie

ProzessverständnisPlasmaphysikalische Prozesse im Lichtbogen sowie an Anode und KathodeWirkung der Stoffe im Lichtbogen (Gase, Elemente im Schweißzusatz und im Grundwerkstoff, Methodenentwicklung zur Simulation, Visualisierung und Planung von Lichtbogen-Schweißprozessen

Steuerung des WärmeeintragsEnergiequellen, -transport und -verlusteEnergieeinkopplung: Grundwerkstoff und ElektrodeEnergiedichte und deren zeitliche Verteilung

Prozesssicherheit (-fähigkeit)Reproduzierbarkeit von Lichtbogenprozessen bei realen Bedingungen (Oberflächen,Schweißzusätze, Klimata ...)

RegelkonzepteIdentifikation signifikanter LichtbogensignaleDiagnostik, Mess- und SensorikprinzipienUmsetzung von Regelkonzepten

Vermeidung schädlicher EmissionenReduzierung der Entstehung von Rauchen und Stäuben, UV- und IR-Strahlung und SchallSchutz vor nicht vermeidbaren Emissionen

Neue Anwendungsfelder für das Werkzeug LichtbogenNeue Werkstoffe (auch nichtmetallische, Beschichtungen, ...)Neue kombinierte Methoden wie z. B. Mikrowellenanregung, Flächenplasmen, Oberflächenvorbehandlung, ...

Forschungsbedarf aus Sicht der deutschen Industrie

Leis

tung

sfäh

igke

it de

r Te

chno

logi

e

F&E-Aufwand

Reife Technologie

Prozessfähigkeit (Zero Defect)Prozessregelung (Sensorlos) EmissionenMetallurgie

Quantensprung?

Anwendung

Experimentelle Analyse

und Verstehen der Prozess-

zusammenhänge ProzessfähigkeitProzessführung

Metallurgie

Diagnostik ModellierungMathematisch- physikalische

Formulierung der Prozess-

zusammenhänge

Umsetzen des

Prozessverständnisses in:

„Zero Defect“ (Prozessfähigkeit)„Sensorlose“ ProzessregelungMetallurgische Effekte

Lichtbogenschweißen -Physik und Werkzeug-

Kopplung von inverser und direkter Modellierung

Prozessverständnis durch Modellierung und Visualisie-

rung der physikalischen ZusammenhängeDiagnostik zur Analyse des

Werkstoffübergangs

Entwicklung und Parametrisierung eines instrumentierten Modelllichtbogens

Plasmadiagnostik und –modellierung am MSG-Lichtbogen

Beeinflussung der Schmelzbaderstarrung

Ereignisorientierte Regelung zur robusten Prozessführung

Strömungstechnische Auslegung von Brennersystemen

Lichtbogenschweißen -Physik und Werkzeug-

Emissionsfreie Produktion

Fertigung individualisierter Produkte

Geringerer Energie-und Ressourcenbedarf bei erhöhter Produktivität

integriertephysikalische Prozess-,

Werkstoff- und Strukturmodelle

Aus

bild

ung

mit

Foku

s au

f Wer

ksto

ffvie

lfalt,

virt

uelle

R

ealit

ät u

nd w

andl

ungs

fähi

ge A

utom

atis

ieru

ng

Neue Sensorkonzepteund intelligente lernende Signal-

verarbeitung & Regelung

Hochautomatiserte FügetechnikAutomobilfertigung

Hohe Losgröße

2030

2020

2009Weitgehend manuelles Fügen

Chemie-, Stahl-, etc.. Losgröße Eins

Energierückgewinnung, 100 % Materialverwertung und -kreislauf

Handlingsysteme für eine wandlungsfähige Produktion

Integration in die virtuelleAbbildung des Lebenszyklus

Vollständige Integrationin Produktentstehungs- und

Herstellungsprozesse

Roadmap

05.10.2009