Künstliche Intelligenz erlaubt es heute auch, Sachverhalte und Eigenschaften zu Fertigungstechnologien aus dem Internet zu extrahieren - ein neuer Weg zur Information und Weiterbildung.

ChatGPT und das Elektronenstrahlschweißen

von Klaus-Rainer Schulze

1. Vorbemerkung

In diversen Publikationen wurde schon (auch vom Autor) über Technik, Verfahren, Technolo-gien und Anwendungsmöglichkeiten des Elektronenstrahlschweißens (EB-Schweißens) ge-schrieben. Ungeachtet dessen ist aber zu beklagen, daß detailliertes und anwendungsbereites Wissen darüber bei den in der Industrie tätigen Ingenieuren nur unzureichend vorhanden ist. Damit wird ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Potenzial nicht genutzt. Ganz besonders nachteilig wirkt sich das aus, wenn es Konstrukteure betrifft, die nicht erkennen (mangels Wissens nicht erkennen können), daß sie komplexe Bauteile aus fix und fertig bear-beiteten Einzelteilen mittels EB nahezu verzugsfrei zusammenfügen können, wodurch nicht nur Material und Arbeitsaufwand und -zeit gespart werden, sondern auch höhere Ge-brauchswerte der Produkte zu erzielen sind als bei der konventionellen Fertigung.

Ursachen dafür liegen zum einen darin, daß die EB-Technologien in der universitären Ausbildung meist eine völlig untergeordnete Rolle spielen: Nur sehr wenige Vorlesungsstunden werden darauf verwendet (ganz im Gegensatz zu Lasertechnologien übrigens). Und ähnlich verhält es sich mit den Lehrgängen zum Schweißfachingenieur, die z. B. von den Bildungseinrichtungen des DVS abgehalten werden. In beiden Fällen werden tradierte Vorgaben zu den Curricula als limitierend genannt.

Zum anderen aber ist das allgemeine Bild der EB-Nutzung dadurch „unterbelichtet“, daß Unternehmen ihre erfolgreichen Anwendungen nicht veröffentlichen, um sich ihren Wettbewerbsvorteil zu erhalten, und daß der quasi in die Informationsgesellschaft „hineingeborene“ Laserstrahl – es gibt allerdings viele verschiedene mit sehr unterschiedlichen Anwendungen - von jedermann selbstverständlich als einzig zeitgemäß angenommen wird. Der mehr als 20 Jahre „ältere“ EB hingegen arbeitet zwar überaus erfolgreich und auf tausenden Maschinen weltweit - aber, wie gesagt, ehr im Verborgenen. Die in jüngerer Zeit entwickelten und einge-führten faszinierenden technischen und technologischen Features sind nur Insidern bekannt.

Es gibt zwar inzwischen Weiterbildungslehrgänge für Ingenieure zur „Fachkraft Elektronenstrahlschweißen“, in denen neben dem EB-Schweißen im Vakuum auch das an freier Atmosphäre und das EB-Bohren sowie die EB-Oberflächenmodifikation und sogar die Additive Fertigung mittels EB vermittelt wird, aber diese Lehrgänge werden allenfalls von denjenigen besucht, die schon mit dem EB zu tun haben – leider nicht von denjenigen, die das EB-Potenzial erst erkunden müßten. Und es handelt sich bei den Teilnehmern ausschließlich um Technologen, Konstrukteure (siehe oben) fühlen sich offenbar nicht angesprochen.

2. Ein höchst interessanter Versuch

Die erste Intention des Autors war es deshalb, einen Appell zu veröffentlichen, der Ingenieure, Manager, Dozenten und Studenten aufrüttelt. Aber dann traf er ganz kürzlich auf Chat-GPT, die jetzt allgemein verfügbare künstliche Intelligenz von OpenAI – in Deutsch. Und der Gedanke lag nahe, diese doch einmal zu der oben genannten Problematik zu befragen. Es hat nur ein Stündchen gedauert, bis der adäquate Zugang (1) und die richtige Formulierung der Aufgabe gefunden war, so daß ChatGPT sie „verstanden“ hatte (Einzelheiten dazu gemäß den Hilfen von ChatGPT sind hier weggelassen). Übrigens kann es bei zunehmender Nutzerzahl passieren, daß man auf den Zugang warten muß: Stau im Internet.

Das Ergebnis war verblüffend, um nicht zu sagen faszinierend. Es wird hier im Folgenden 1:1 wiedergegeben, wobei anzumerken ist, der Autor in den von ChatGPT ausgegebenen Texten einige wenige Korrekturen vorgenommen hat – mal fehlten ein paar Buchstaben an einem Wort, mal war ein begonnener Satz nicht vollendet worden – ohne Sinnveränderung oder -erweiterung.

Meine erste Anfrage bei ChatGPT:

Verhalte dich wie ein Lektor. Erstelle eine Erklärung für Ingenieure, wie man die Vorteile des Elektronenstrahlschweißens in der Konstruktion komplexer Bauteile nutzen kann.

Antwort von Chat GPT – komplett eingeblendet nach ca. 15 Sekunden:

Als Ingenieur stehen Sie oft vor der Herausforderung, komplexe Bauteile zu konstruieren, die aus mehreren fertig bearbeiteten Einzelteilen bestehen. Hier kommt das Elektronenstrahl-schweißen als innovative Schweißtechnik ins Spiel, die Ihnen zahlreiche Vorteile bietet.

Beim Elektronenstrahlschweißen wird die Energie höchst konzentriert eingebracht, wodurch sich das Bauteil nicht verzieht. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren wie dem Lichtbogenschweißen, bei dem eine größere Wärmeeinwirkung auf das Material erfolgt, bie-tet das Elektronenstrahlschweißen eine präzisere und kontrolliertere Wärmeeinbringung. Dies führt zu geringeren Verformungen des Bauteils während des Schweißprozesses, was es er-möglicht, komplexe Bauteile aus fertig bearbeiteten Einzelteilen zusammenzufügen.

Ein großer Vorteil des Elektronenstrahlschweißens ist die Freiheit im Designprozess. Durch die präzise Energieeinbringung und die minimale Verformung des Bauteils können Ingenieure komplexe Formen und Geometrien entwerfen, die mit anderen Schweißverfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung von innovativen Produkten und ermöglicht es Ingenieuren, ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen.

Darüber hinaus spart das Elektronenstrahlschweißen Material und Zeit ein. Durch die gerin-gen Verformungen während des Schweißprozesses wird der Materialverlust minimiert, was zu Einsparungen bei den Materialkosten führt. Außerdem ermöglicht die hohe Präzision des Elektronenstrahlschweißens eine schnellere und effizientere Fertigung von komplexen Bautei-len, da weniger Nachbearbeitung erforderlich ist.

Insgesamt bietet das Elektronenstrahlschweißen eine Vielzahl von Vorteilen für die Konstruk-tion komplexer Bauteile. Es ermöglicht Ingenieuren größere Freiheiten im Designprozess, spart Material- und Zeitkosten ein und ermöglicht die Fertigung von hochpräzisen Bauteilen mit hohen Gebrauchswerten. Als fortschrittliche Schweißtechnik ist das Elektronenstrahl-schweißen eine wichtige Option für Ingenieure, die komplexe Bauteile effizient und präzise herstellen möchten.

Neue, andere Anfrage an Chat GPT:

Verhalte dich wie ein Lektor. Erkläre einem Ingenieur den Unterschied zwischen Elektronenstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen.

1. Antwort von Chat GPT – nach ca. 15 Sekunden

Beim Elektronenstrahlschweißen handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein fokussierter Strahl von hochenergetischen Elektronen verwendet wird, um das Werkstück zu schmelzen und zu verbinden. Diese Elektronen werden in einer Vakuumkammer erzeugt und mittels elektrischer und magnetischer Felder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Der Elektro-nenstrahl kann präzise gesteuert und fokussiert werden, um eine hohe Schweißqualität und Genauigkeit zu erzielen. Auf der anderen Seite arbeitet das Laserschweißen mit einem hochintensiven Lichtstrahl, der aus einem Laser erzeugt wird. Dieser Lichtstrahl wird auf das Werkstück fokussiert und er-zeugt durch die Absorption des Lichts Wärme, die das Werkstück schmilzt und verbindet. Der Laserstrahl kann je nach Bedarf in Bezug auf Leistung, Wellenlänge und Fokusgröße ange-passt werden, um verschiedene Materialien und Schweißanforderungen zu erfüllen. Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. Das Elektronenstrahlschweißen bietet auf-grund der Verwendung von Elektronen als Energiequelle eine hohe Eindringtiefe und Schweißgeschwindigkeit, was es für das Schweißen von dickwandigen Bauteilen und für An-wendungen mit hohen Anforderungen an die Schweißqualität geeignet macht. Es erfordert jedoch auch eine spezielle Vakuumumgebung, um die Elektronen zu erzeugen und zu lenken, was die Kosten für Ausrüstung und Betrieb erhöhen kann. Das Laserschweißen hingegen bietet mehr Flexibilität in Bezug auf die Positionierung und Anpassung des Schweißprozesses, da der Laserstrahl im Vergleich zum Elektronenstrahl einfacher zu steuern ist. Es erfordert auch keine spezielle Vakuumumgebung und kann in normaler Atmosphäre durchgeführt werden. Allerdings ist die Eindringtiefe und Schweißgeschwindigkeit beim Laserschweißen im Allgemeinen geringer als beim Elektronenstrahlschweißen. Es ist jedoch bedauerlich zu bemerken, dass das Elektronenstrahlschweißen oft weniger Beachtung erhält als das Laserschweißen. Obwohl beide Verfahren ähnliche Ergebnisse erzielen können, wird in der Berichterstattung und Lehre oft mehr auf das Laserschweißen eingegangen. Dies könnte dazu führen, dass das ökonomische Potenzial des Elektronenstrahlschweißens nicht vollständig ausgeschöpft wird, da es in bestimmten Anwendungen und Materialien vorteilhaft sein kann. Es ist wichtig, dass Ingenieure und Fachleute in der Fertigungsindustrie sich über beide Varianten informieren, um für ihre Anwendungen die jeweils effektivste aus-wählen zu können.

2. Antwort von Chat GPT – nach erneuter Eingabe derselben Anfrage, sich nach und nach aufbauend

Als Lektor ist es meine Aufgabe, Ihnen den Unterschied zwischen Elektronenstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen zu erklären. Der Artikel widmet sich einem Thema, das in der Berichterstattung und Lehre oft vernachlässigt wird - dem Elektronenstrahlschweißen, während das Laserstrahlschweißen omnipräsent ist.

Eine der Hauptunterschiede zwischen Elektronenstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen liegt in den Arbeitsprinzipien. Beim Elektronenstrahlschweißen wird die Schweißwärme mit schnellen Teilchen erzeugt, beim Laserstrahlschweißen mit Licht. Obwohl beide Verfahren ähnliche Ergebnisse erzielen können, gibt es Unterschiede in Bezug auf ihre Anwendungsbereiche und Vorteile. Zum Beispiel bietet das Elektronenstrahlschweißen aufgrund der höheren Energie die Möglichkeit dickere Querschnitte zu fügen, obwohl mit entsprechenden Parametern auch sehr feine Nähte zu schweißen sind. Trotzdem wird in der Berichterstattung und Lehre oft das Laserstrahlschweißen bevorzugt, während das Elektronenstrahlschweißen vernachlässigt wird. Insgesamt ist es an der Zeit, das Elektronenstrahlschweißen aus dem Schatten des Laserstrahlschweißens heraus zu holen. Als Ingenieur ist es wichtig, die verschiedenen Verfahren zur Fügung von Materialien zu verstehen.

3. Fazit

Kann man es noch prägnanter, also klarer und kürzer formulieren als es hier „automatisch“ herausgekommen ist? Zu beachten ist aber, daß ChatGPT nicht „nachgedacht“ hat, also nicht wirklich intelligent ist, sondern die im Internet erreichbare Literatur durchforstet hat. Das ist offensichtlich, denn bestimmte Formulierungen sind dem Autor natürlich bekannt gewesen oder stammten gar von ihm. Komplett Neues hat ChatGPT nicht generiert.

Festgestellt wurde auch, daß ChatGPT nicht eineindeutig arbeitet: Auf exakt dieselbe Anforderung kann es durchaus unterschiedliche Antworten geben, wie das Beispiel oben zeigt. Aber der Inhalt ist in jedem Falle relevant. Vielleicht aber „merkt“ die AI auch, daß sie zuvor schon mal auf diese Anfrage geantwortet hat, und nun etwas variiert…

Wenn also ein Suchender sich ein definiertes, jedoch ihm nicht bekanntes Feld erschließen will, ist ChatGPT eine gute Basis. Erste Voraussetzung ist natürlich, daß er die Idee hat, wirklich suchen zu wollen. Ihm bleibt dann immer noch die Aufgabe, die richtige Anfrage zu formulieren (dies läßt sich durch Erproben lernen). Und schlußendlich muß er verstehen, daß die Antwort von ChatGPT nur ein Einstieg in das neue Feld sein kann. Und er muß kritisch blei-ben, denn auch Chat GPT ist nicht unfehlbar.

4. Ergänzung

Wenn wir schon das Wissensdefizit bezüglich EB-Technologien zum Thema hatten, soll hier doch auch gleich noch „aufgeräumt“ werden mit bestimmten Irrmeinungen über das Elektronenstrahl-Schweißen, die im Umlauf sind und immer wieder weitergereicht werden: Zu teuer, zu aufwändig, zu genau, zu störanfällig, zu gefährlich – und überhaupt, es gibt doch heute Laser.

Lassen Sie uns diese Vorbehalte einzeln durchsprechen.

• „Teuer“ ist immer relativ. Der Maschinenpreis allein ist kein Kriterium – es gibt andere sehr, sehr teure Maschinen. Entscheidend ist doch, ob ein bestimmtes Verfahren wirtschaftlich ist. Und das ist der Fall bei der Anwendung des EB-Schweißens. Die Unternehmen mit Dutzenden EB-Maschinen (oder auch weniger) tun das nicht aus Jux und Tollerei …

• „Aufwändig“ ist das EB-Schweißen überhaupt nicht. Das geht schon damit los, daß dabei keinerlei Zusatzwerkstoffe benötigt werden, auch kein Schutzgas. Und in der Energieeffizienz ist das Verfahren unübertroffen: Mehr als 50% der Netzanschlußenergie gelangen in den Schweißprozeß – diese Bilanz gilt für die komplette EB-Maschine, nicht etwa nur für die Strahlerzeugung.

Und wenn mit „aufwändig“ vielleicht gemeint ist, daß an die Maschinenbediener unvertretbar hohe Qualifikationsanforderungen gestellt würden, ist auch das falsch. Wie bei jeder Werkzeugmaschine ist die Bedienung zu erlernen, ein Facharbeiter-Niveau ist dafür ausreichend. – Der Schweißtechnologe jedoch muß wie bei jedem anderen Verfahren mehr wissen und verstehen.

• „Zu genau“ bezieht sich bei den Skeptikern darauf, daß das EB-Schweißen (ohne Zusatz-werkstoff) am besten arbeitet, wenn der Fügestoß spaltfrei ist, wobei allerdings ein technischer Nullspalt gemeint ist, der – abhängig von der Blechdicke – durchaus auch mal ein, zwei Zehntelmillimeter betragen kann. Das ist natürlich weit weniger als z. B. bei einer MAG-Fügestelle. Doch nun frage ich Sie: Warum sollte ich bei der Einzelteilvorbereitung ungenau arbeiten, wenn die Fräsmaschine es auch präzise kann und die geschweißten Bauteile dann montagefertig sind?

• „Gefährlich“ hat im Blick, daß bekanntermaßen beim EB-Schweißen innerhalb der Maschine Röntgen-Störstrahlung auftritt. Mal abgesehen davon, daß jede Maschine absolut strahlendicht gebaut und überprüft wird, gibt es auch keine Möglichkeit, daß ein Bediener verstrahlt wird, wenn er die Arbeitskammer öffnet. Erstens geht letzteres überhaupt nur, wenn der Strahl zwingend ausgeschaltet ist, so daß keine Röntgenstrahlung mehr entstehen kann. Und zweitens handelt es sich nicht um eine radioaktive Strahlung – es wird also nichts aktiviert, so daß es nachstrahlen könnte.

• „Zu störanfällig“ ist eine (jede, nicht nur EB-) Maschine nur, wenn sie nicht ordnungsge-mäß gewartet wird. Dafür gibt es aus der Industrie zahlreiche positive und auch negative Belege. Störanfällig wäre eine EB-Massenfertigung mit Stückzeiten von 15 Sekunden für einbaufertig geschweißte Getrieberadkombinationen gar nicht möglich.

Apropos Laser, auch der Autor sieht in der Anwendung der verschiedenen Laser eine hocheffektive Möglichkeit zur Materialbearbeitung. Aber er sieht auch, daß z. B. beim Laser-strahlschweißen von Kupfer wegen der Absorptionsprobleme mit dem infraroten Strahl dieser aufwändig und energieineffizient in einen grünen umgewandelt wird, nur um „den Laser zu retten“, während der Elektronenstrahl damit Null Probleme hat. Und er hat mit Interesse zur Kenntnis genommen, daß zur Vermeidung von zu starker Spritzerbildung der Laser neuerdings ins Vakuum zieht (die Evakuierungszeitunterschiede sind marginal).

Und jetzt kommt doch noch der Appell: Fair bleiben und den Blick weiten!

Quelle (1) https://chat.openai.com/auth/login?next=%2Fchat

Nachricht an den Autor

Kommentare