Mikro- und Nanostrukturen beeinflussen die optischen, mechanischen, haptischen und biologischen Eigenschaften von Oberflächen. So wirken zum Beispiel Kunststoffoberflächen im Automobil griffiger und hochwertiger, wenn sie mit Mikrostrukturen versehen sind, und bei Triebwerkskomponenten kann die richtige Oberflächenbearbeitung den Luftwiderstand erheblich reduzieren.

In diesem Kontext ist das Laserstrukturieren als ein vergleichsweise neuer und vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Strukturen auf frei geformten Oberflächen von besonderem Interesse. Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl schnell und präzise über die Bauteiloberfläche geführt. Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsmethoden wie dem Beschichten oder Ätzen erweist sich das Laserstrukturieren als umweltfreundlicher und präziser und bietet darüber hinaus ein erweitertes Spektrum an gestalterischen Möglichkeiten.

Die Erzeugung großflächiger Mikro- und Nanostrukturen stellt sich im Computer-Aided Manufacturing (CAM)-System allerdings als eine erhebliche Herausforderung dar. Denn dabei entstehen massive Datenvolumina, insbesondere, wenn traditionelle Bahnplanungsalgorithmen angewendet werden sollen. Bei großen Bauteilen – zum Beispiel einer Turbinenschaufel von 5 m Länge und 0,4 m Breite – würde ein derartiges Netzwerk ungefähr 8 x 1016 Flächen beinhalten und im STL-Format 8 Terabyte an Speicher beanspruchen. Dies stellt eine nahezu unüberwindliche Hürde für moderne Rechensysteme dar.

Effiziente Bahnplanung

Die prozedurale Darstellung einer Funktionsstruktur umgeht die Notwendigkeit eines derart umfangreichen Dreiecksnetzwerks und ermöglicht eine weitaus effizientere Bahnplanung. Hierbei werden die Strukturdaten anhand mathematischer Formeln, Gleichungen und Algorithmen definiert. Diese Beschreibungen erlauben eine präzise und systematische Gestaltung von Oberflächenstrukturen, ohne auf Bild- oder pixelbasierte Repräsentationen angewiesen zu sein. Prozedurale Oberflächenstrukturen erzeugen zudem kompaktere Datensätze und verhindern jegliche Verzerrungen, die bei der Verwendung von Graustufenbildern aufgrund von Skalierung oder Transformationen auftreten könnten.

Ein weiterer Vorteil prozeduraler Strukturen besteht darin, dass sie die Berechnung der Oberflächenstrukturen in Echtzeit während des Prozesses ermöglichen. Dies ist insbesondere in Anwendungen, bei denen schnelle Anpassungen erforderlich sind, von großem Wert.

Robotergestützt arbeiten

Bestehende Laserstrukturieranlagen arbeiten zwar hochpräzise und liefern gute Ergebnisse, sind jedoch aufgrund ihrer begrenzten Arbeitsfläche in Bezug auf die Größe der zu bearbeitenden Bauteile eingeschränkt. Um große Oberflächen mit den beschriebenen prozeduralen Strukturen zu versehen, sind große, hochpräzise Anlagen erforderlich, was mit entsprechend hohen Investitionskosten verbunden ist, die nicht jedes Unternehmen tragen kann oder möchte.

Am Fraunhofer IPT wurde daher ein Verfahren entwickelt, bei dem ein Industrieroboter genutzt wird, um großflächige Bauteile mit dem Laser zu strukturieren. Die systembedingten Ungenauigkeiten des Roboters werden durch einen neu entwickelten intelligenten Laserstrukturierkopf kompensiert, der Positionsabweichungen automatisch erkennt und korrigiert. Dieses Werkzeug verfügt über eine zweidimensionale Positioniervorrichtung mit hochpräzisen Motoren, um die erforderliche Genauigkeit für Mikro- und Nanostrukturen zu gewährleisten.

Im industriellen Kontext ist der Laserstrukturierkopf lediglich eines von vielen Werkzeugen, das je nach Bedarf ausgetauscht wird. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt erfolgt der Werkzeugwechsel manuell, wobei das Konfigurieren der Software erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordert. Dies umfasst die Gewährleistung der Kompatibilität verschiedener Steuerungssoftware, die Integration der Laserkopfsteuerung in die Robotersteuerung sowie die Einrichtung zusätzlicher Schnittstellen.

Microservices als Basis

Architektur der Microservice-basierten Laserstrukturierung mittels prozeduraler Strukturen.

© Fraunhofer IPT

Um die Herausforderung sowohl bei der Berechnung prozeduraler Strukturen als auch bei der Steuerung robotergestützter Laserstrukturierprozesse zu bewältigen, entschied sich das Fraunhofer IPT für einen auf Microservices basierenden Ansatz. Microservices werden hauptsächlich in großen Serversystemen eingesetzt, um Anwendungen wie Webseiten, Webdienste, E-Mail-Server oder Datenbanken schnell und flexibel zu betreiben und zu orchestrieren. Dabei werden die Dienste in kleinste Komponenten aufgeteilt und in separaten Containern ausgeführt, was eine hohe Modularität der Dienste ermöglicht.

Dieser Ansatz ist für zukünftige Produktionstechnologien interessant, die eine steigende Anzahl individualisierter Produkte erfordern: Mit diesen geht die Notwendigkeit einher, Produktionsmaschinen flexibel anzupassen und Produktionsprozesse anpassungsfähig zu gestalten. Allerdings gelten in der Automatisierungstechnik strenge Anforderungen an industrielle Anwendungen, sowohl hinsichtlich der Plattformen zur Datenverarbeitung als auch in Bezug auf die Kommunikation. Beides erfordert echtzeitfähige, ausfallsichere, hochverfügbare und niedriglatente Technologien, um die erforderlichen Qualitätsparameter zu erfüllen.

Daher wurde am Fraunhofer IPT eine auf die Anforderungen der Industrie zugeschnittene Echtzeit-Microservice-Architektur entwickelt, die die Priorisierung von containerisierten Anwendungen und somit die Trennung von kritischen und nicht-kritischen Workloads ermöglicht. So können echtzeitkritische Anwendungen auf derselben Plattform wie nicht-kritische Anwendungen betrieben werden – dies führt zu erheblicher Ressourceneffizienz, da die Rechenressourcen nur dann genutzt werden, wenn sie auch benötigt werden.

Kubernetes ist die Grundlage

Grundlage für die Architektur bildet Kubernetes, eine in der IT-Welt etablierte Technologie für die Orchestrierung einer Vielzahl von Anwendungen. Kubernetes ermöglicht die automatisierte Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Containern in einer dynamischen Umgebung. Damit wird die effiziente Ausführung und Koordination von Microservices und Anwendungen in einem Cluster ermöglicht. Um Kubernetes im industriellen Umfeld einzusetzen, sind spezifische Anpassungen mit Hinblick auf eine höhere Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit nötig. Das Kubernetes-Cluster am Fraunhofer IPT wurde daher so konfiguriert, dass zunächst echtzeitkritische Anwendungen von nicht-kritischen Anwendungen durch CPU-Pinning und Priorisierung auf Prozessebene isoliert werden.

Echtzeit-Anpassung des Prozesses

Die Microservice-basierte Laserstrukturierung mittels prozeduraler Strukturen eröffnet neue Möglichkeiten in der photonischen Produktion, denn durch die Nutzung prozeduraler Strukturen können großflächige Mikro- und Nanostrukturen effizient und zur Laufzeit des Prozesses erzeugt werden. Dadurch wird eine Echtzeit-Anpassung des Laserstrukturierprozesses möglich. Die Entwicklung einer maßgeschneiderten Echtzeit-Microservice-Architektur, basierend auf Kubernetes, zeigt, wie zukünftige Produktionstechnologien von flexiblen und hochverfügbaren Lösungen profitieren können.