Modellbasierte Steuerung und Regelung des Vertical-Gradient-Freeze-Kristallzüchtungsprozesses mit Hilfe verteiltparametrischer Methoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Christiane Frank-Rotsch; Dr.-Ing. Jan Winkler
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276805057

Ein sehr wichtiger Prozess zur Herstellung einkristalliner Werkstoffe ist das sogenannte Vertical-Gradient-Freeze (VGF) Verfahren. Bei diesem wird polykristallines Ausgangsmaterial in einem senkrecht stehenden Tiegel aufgeschmolzen und anschließend langsam von einem am Boden befindlichen Keimkristall aus erstarrt. Dazu wird ein Temperaturfeld so gesteuert, dass die Schmelzpunktisotherme langsam nach oben über die im Tiegel befindliche Schmelze wandert. Die hierfür nötigen Stelleingriffe werden bspw. durch Widerstandsheizer realisiert, die um den Tiegel angeordnet sind. Um den Prozesses zu beherrschen, ist es erforderlich, Informationen über den momentanen Zustand des Systems in Echtzeit zu erhalten. Insbesondere die Kristallisationsrate des Kristalls ist von Interesse. Diese lässt sich jedoch nicht direkt erfassen. Dies hängt mit den hohen Temperaturen, der Reaktivität der verwendeten Materialien und den Reinheitsanforderungen zusammen, die eine Platzierung von Messeinrichtungen innerhalb des Tiegels verbieten. Lediglich die Temperaturen der Heizelemente stehen als Messinformation zur Verfügung. Damit ist es derzeit ausgeschlossen, mittels einer Rückführung (Regelung) direkt auf den Prozess einzuwirken, er wird nur gesteuert black box betrieben. Aus regelungstheoretischer Sicht handelt es sich bei dem Prozess um einen typischen Vertreter aus der Klasse der sog. verteiltparametrischen Systeme mit konzentriertem Stelleingriff (Heizer) und teilweise freiem Rand (Phasengrenze Schmelze-Kristall). Gegenstand des Projektes ist die theoretische und praktische Entwicklung von Methoden zur Etablierung einer Regelung des Prozesses. Dies beinhaltet auch Verfahren zur Rekonstruktion des Systemzustandes aus den zur Verfügung stehenden oder neu einzuführenden Messgrößen. Hierzu sollen verteiltparametrische Methoden, die am Institut für Regelungs- und Steuerungstheorie (TU Dresden) seit vielen Jahren untersucht und maßgeblich entwickelt wurden, genutzt und weiterentwickelt werden. Der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn liegt hier vor allem in der Etablierung von theoretischen Verfahren zur Realisierung einer Regelung für diese Modellklasse. Bislang lag der Fokus weitgehend auf der Steuerung und Parameteridentifikation. Dies ist gepaart mit sehr umfangreichen Arbeiten zur Modellbildung am Institut für Kristallzüchtung Berlin (IKZ). Diese Modelle werden zum einen für den eigentlichen Regler- und Beobachterentwurf benötigt, als auch zur Validierung der entworfenen Regelungskonzepte, um so den Experimentalaufwand zu reduzieren. Die Herausforderung ist dabei, mathematische Modelle des Prozesses aufzustellen, die für die Regelungsaufgabe hinreichend genau, echtzeitfähig und für die vorgesehenen regelungstheoretischen Methoden strukturell geeignet sind. Die entwickelten Verfahren sollen eingebettet in einem theoretisch anspruchsvollen Rahmen streng auf die praktische Verwertbarkeit entwickelt und letztendlich am realen Prozess am IKZ getestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen