Modellierung und Identifikation thermischer Systeme in der additiven Fertigung

Das BiTWerk-Konsortium erforscht die biologische Transformation technischer Werkstoffe. Dabei wird der gesamte Lebenszyklus eines Produktes holistisch betrachtet und hinsichtlich besserer Ressourcennutzung optimiert. Die Ziele dieses Projektes sind die Erforschung neuer Methoden zur Herstellung neuartiger Werkstoff- oder Schichtsysteme. Dabei steht die Erhöhung der Funktionalität der Einzelkomponenten durch chemische und physikalische Modifikationen im Fokus.

Die additive Fertigung wird aufgrund ihrer Vielseitigkeit für das BiTWerk-Projekt als gut geeigneter Prozess angesehen. Allerdings sind die ablaufenden physikalischen Prozesse und ihre Parameter nicht vollständig bekannt, welche die Materialeigenschaften und Qualität des Produktes beeinflussen. Das Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der datengetriebenen Modellierung (Systemidentifikation) solcher Fertigungsverfahren. Dadurch entstehen mathematische Modelle, die die Analyse, Regelung und Optimierung komplexer dynamischer Prozesse ermöglichen.

Im Rahmen des BiTWerk-Projektes soll die Temperaturumgebung während der additiven Fertigung einer Komponente mithilfe einer Thermokamera untersucht werden, um ein Modell für die Regelung des Prozesses zu entwerfen.

Das Fertigungsverfahren ist durch temperaturabhängige Materialeigenschaften, unbekannte Emissivitäten, Phasenänderung des Materials und komplexe Massen- und Energietransferphänomene charakterisiert. Die Analyse erfolgt mit einem Grey-Box-Ansatz, wobei physikalisch-basierte theoretische Modelle mit Experimentaldaten ergänzt werden. In diesem Teilprojekt wird das Fertigungsverfahren mit Finite-Elementen modelliert, um eine für die Systemidentifikation geeignete Modellstruktur zu selektieren. Mit einer guten Modellstruktur führt die Identifikation zu genauen oder besser interpretierbaren Modellen. Messdaten stehen aus vorarbeiten zur Verfügung sowie können durch Experimente am Großgerät LMD² neu gewonnen werden.
Ziel sind kompakte Modelle für den Reglerentwurf.

• Additive Fertigung (Direct Laser Deposition, 3D-Druck)
• Modellierung (White-box & Grey-box)
• Signalverarbeitung, Systemidentifikation

Goran Jelicic, Ph.D.

Massimiliano Pandolfo, M.Sc.

September 2022 - Dezember 2025

Land Hessen

1. Guilherme da Fonseca Pereira, Goran Jelicic, Andreas Kroll: Spatio-temporal LPV model of 2D workpiece temperature for Direct Laser Deposition, IFAC-PapersOnLine, vol. 56, no. 2, pp. 6606-6611, 22nd IFAC World Congress, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.10.359
2. Guilherme da Fonseca Pereira, Goran Jelicic, Andreas Kroll: Spatio-temporal temperature models for growing 2D workpieces during DLD with emissivity compensation for thermal imaging, 2024 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA), pp. 310-315, Newcastle, UK, https://doi.org/10.1109/CCTA60707.2024.10666539
3. Massimiliano Pandolfo, Guilherme da Fonseca Pereira, Andreas Kroll: Control-Oriented Spatio-Temporal Grey-Box Temperature Models for DLD Processes: Two Case Studies, Fifth International Conference on Simulation for Additive Manufacturing (Sim-AM 2025), Pavia, IT