Machine learning algorithms for efficient process optimisation of variable geometries at the example of fabric forming

Für einen optimalen Betrieb erfordern moderne Produktionssysteme eine sorgfältige Einstellung der eingesetzten Fertigungsprozesse. Physikbasierte Simulationen können die Prozessoptimierung wirksam unterstützen, jedoch sind deren Rechenzeiten oft eine erhebliche Hürde. Eine Möglichkeit, Rechenzeit einzusparen sind surrogate-gestützte Optimierungsverfahren (SBO1). Surrogates sind recheneffiziente, datengetriebene Ersatzmodelle, die den Optimierer im Suchraum leiten. Sie verbessern in der Regel die Konvergenz, erweisen sich aber bei veränderlichen Optimierungsaufgaben, etwa häufigen Bauteilanpassungen nach Kundenwunsch, als unhandlich. Um auch solche variablen Optimierungsaufgaben effizient zu lösen, untersucht die vorliegende Arbeit, wie jüngste Fortschritte im Maschinenlernen (ML) – im Speziellen bei neuronalen Netzen – bestehende SBO-Techniken ergänzen können. Dabei werden drei Hauptaspekte betrachtet: erstens, ihr Potential als klassisches Surrogate für SBO, zweitens, ihre Eignung zur effiziente Bewertung der Herstellbarkeit neuer Bauteilentwürfe und drittens, ihre Möglichkeiten zur effizienten Prozessoptimierung für variable Bauteilgeometrien. Diese Fragestellungen sind grundsätzlich technologieübergreifend anwendbar und werden in dieser Arbeit am Beispiel der Textilumformung untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit (Kapitel 3) diskutiert die Eignung tiefer neuronaler Netze als Surrogates für SBO. Hierzu werden verschiedene Netzarchitekturen untersucht und mehrere Möglichkeiten verglichen, sie in ein SBO-Framework einzubinden. Die Ergebnisse weisen ihre Eignung für SBO nach: Für eine feste Beispielgeometrie minimieren alle Varianten erfolgreich und schneller als ein Referenzalgorithmus (genetischer Algorithmus) die Zielfunktion. Um die Herstellbarkeit variabler Bauteilgeometrien zu bewerten, untersucht Kapitel 4 anschließend, wie Geometrieinformationen in ein Prozess-Surrogate eingebracht werden können. Hierzu werden zwei ML-Ansätze verglichen, ein merkmals- und ein rasterbasierter Ansatz. Der merkmalsbasierte Ansatz scannt ein Bauteil nach einzelnen, prozessrelevanten Geometriemerkmalen, der rasterbasierte Ansatz hingegen interpretiert die Geometrie als Ganzes. Beide Ansätze können das Prozessverhalten grundsätzlich erlernen, allerdings erweist sich der rasterbasierte Ansatz als einfacher übertragbar auf neue Geometrievarianten. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass hauptsächlich die Vielfalt und weniger die Menge der Trainingsdaten diese Übertragbarkeit bestimmt. Abschließend verbindet Kapitel 5 die Surrogate-Techniken für flexible Geometrien mit variablen Prozessparametern, um eine effiziente Prozessoptimierung für variable Bauteile zu erreichen. Hierzu interagiert ein ML-Algorithmus in einer Simulationsumgebung mit generischen Geometriebeispielen und lernt, welche Geometrie, welche Umformparameter erfordert. Nach dem Training ist der Algorithmus in der Lage, auch für nicht-generische Bauteilgeometrien brauchbare Empfehlungen auszugeben. Weiter zeigt sich, dass die Empfehlungen mit ähnlicher Geschwindigkeit wie die klassische SBO zum tatsächlichen Prozessoptimum konvergieren, jedoch kein bauteilspezifisches A-priori-Sampling nötig ist. Einmal trainiert, ist der entwickelte Ansatz damit effizienter. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie ML-Techniken gegenwärtige SBOMethoden erweitern und so die Prozess- und Produktoptimierung zu frühen Entwicklungszeitpunkten effizient unterstützen können. Die Ergebnisse der Untersuchungen münden in Folgefragen zur Weiterentwicklung der Methoden, etwa die Integration physikalischer Bilanzgleichungen, um die Modellprognosen physikalisch konsistenter zu machen

Manufacturing Metrology

Metrology is the science of measurement, which can be divided into three overlapping activities: (1) the definition of units of measurement, (2) the realization of units of measurement, and (3) the traceability of measurement units. Manufacturing metrology originally implicates the measurement of components and inputs for a manufacturing process to assure they are within specification requirements. It can also be extended to indicate the performance measurement of manufacturing equipment. This Special Issue covers papers revealing novel measurement methodologies and instrumentations for manufacturing metrology from the conventional industry to the frontier of the advanced hi-tech industry. Twenty-five papers are included in this Special Issue. These published papers can be categorized into four main groups, as follows: Length measurement: covering new designs, from micro/nanogap measurement with laser triangulation sensors and laser interferometers to very-long-distance, newly developed mode-locked femtosecond lasers. Surface profile and form measurements: covering technologies with new confocal sensors and imagine sensors: in situ and on-machine measurements. Angle measurements: these include a new 2D precision level design, a review of angle measurement with mode-locked femtosecond lasers, and multi-axis machine tool squareness measurement. Other laboratory systems: these include a water cooling temperature control system and a computer-aided inspection framework for CMM performance evaluation

Fabricate 2020

Fabricate 2020 is the fourth title in the FABRICATE series on the theme of digital fabrication and published in conjunction with a triennial conference (London, April 2020). The book features cutting-edge built projects and work-in-progress from both academia and practice. It brings together pioneers in design and making from across the fields of architecture, construction, engineering, manufacturing, materials technology and computation. Fabricate 2020 includes 32 illustrated articles punctuated by four conversations between world-leading experts from design to engineering, discussing themes such as drawing-to-production, behavioural composites, robotic assembly, and digital craft

Proceedings of the 2021 DigitalFUTURES

This open access book is a compilation of selected papers from 2021 DigitalFUTURES—The 3rd International Conference on Computational Design and Robotic Fabrication (CDRF 2021). The work focuses on novel techniques for computational design and robotic fabrication. The contents make valuable contributions to academic researchers, designers, and engineers in the industry. As well, readers encounter new ideas about understanding material intelligence in architecture

Inverse Dynamics Problems

The inverse dynamics problem was developed in order to provide researchers with the state of the art in inverse problems for dynamic and vibrational systems. Contrasted with a forward problem, which solves for the system output in a straightforward manner, an inverse problem searches for the system input through a procedure contaminated with errors and uncertainties. An inverse problem, with a focus on structural dynamics, determines the changes made to the system and estimates the inputs, including forces and moments, to the system, utilizing measurements of structural vibration responses only. With its complex mathematical structure and need for more reliable input estimations, the inverse problem is still a fundamental subject of research among mathematicians and engineering scientists. This book contains 11 articles that touch upon various aspects of inverse dynamic problems

Fabricate

Bringing together pioneers in design and making within architecture, construction, engineering, manufacturing, materials technology and computation, Fabricate is a triennial international conference, now in its third year (ICD, University of Stuttgart, April 2017). Each year it produces a supporting publication, to date the only one of its kind specialising in Digital Fabrication. The 2017 edition features 32 illustrated articles on built projects and works in progress from academia and practice, including contributions from leading practices such as Foster + Partners, Zaha Hadid Architects, Arup, and Ron Arad, and from world-renowned institutions including ICD Stuttgart, Harvard, Yale, MIT, Princeton University, The Bartlett School of Architecture (UCL) and the Architectural Association

Modern Applications in Optics and Photonics: From Sensing and Analytics to Communication

Optics and photonics are among the key technologies of the 21st century, and offer potential for novel applications in areas such as sensing and spectroscopy, analytics, monitoring, biomedical imaging/diagnostics, and optical communication technology. The high degree of control over light fields, together with the capabilities of modern processing and integration technology, enables new optical measurement systems with enhanced functionality and sensitivity. They are attractive for a range of applications that were previously inaccessible. This Special Issue aims to provide an overview of some of the most advanced application areas in optics and photonics and indicate the broad potential for the future

Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results