Dr.-Ing. Tobias Meyer

Forschungsinteressen

Meine Forschungsinteressen ergeben sich aus Fragestellungen an der Schnittstelle von Dynamik, Regelungstechnik und Zuverlässigkeit. Grundlage dabei bilden die Abhängigkeiten zwischen dynamischem Systemverhalten und der resultierenden Zuverlässigkeit. Das Systemverhalten kann durch Wahl von Reglerparametern oder Vorgabe dynamischer Eigenschaften beeinflusst werden, was implizit auch eine Rückwirkung auf die Zuverlässigkeit hat. Daraus ergeben sich einige interessante Fragestellungen von der Verhaltensanpassung selbst mit ihren notwendigen Komponenten bis zur Simulation der Zuverlässigkeit derartiger Systeme.

Nutzung von Verhaltensadaption zur Steigerung der Zuverlässigkeit

Durch Auswahl des Betriebspunkts während der Laufzeit kann der Kompromiss zwischen Systemverhalten und Zuverlässigkeit verschoben werden. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich dazu ein Regelverfahren entwickelt, das automatisch die aktuelle Systemzuverlässigkeit evaluiert und den Betriebspunkt so wählt, dass eine vorgegebene Lebensdauer sichergestellt wird. Dieses geschieht während des Betriebs für ein einzelnes System individuell. Basis bildet dabei die vorab-Berechnung möglicher Betriebspunkte mittels modellbasierter Mehrzieloptimierung. Das Modell bildet dabei sowohl die Dynamik des Systems als auch die Lasten ab. Ziele in der Mehrzieloptimierung bewerten dann jeden Betriebspunkt hinsichtlich der entstehenden Lasten und der Leistungsfähigkeit. Typischerweise sind diese beiden Ziele gegenläufig. Während der Betriebsphase wird aus diesen Betriebspunkten lediglich ausgewählt und somit das Verhalten adaptiert. Die Trennung ermöglicht eine schnelle Reaktion selbst bei komplexen Systemen und orientiert sich an bereits bestehenden Verfahren der Selbstoptimierung technischer Systeme. Der aktuelle Zustand wird dabei mittels Condition-Monitoring-Verfahren, die eine Detektion des aktuellen Verschleißzustands und eine Abschätzung der Restnutzungsdauer ermöglichen, erkannt. Durch Einsatz solcher Verfahren kann die Lebensdauer eines Systems sehr viel genauer festgelegt werden. Zugleich wird die Leistungsfähigkeit des Systems so hoch wie möglich sein, Ressourcen werden optimal ausgenutzt. Die Arbeiten wurden bereits auszugsweise in Sondermann-Woelke2012b, Meyer2013, Meyer2013a, Meyer2013c, Meyer2014, Meyer2014b veröffentlicht. Meine Dissertation wird diese Arbeiten zusammenfassen und erweitern, ihre Publikation ist bis Ende 2016 geplant. Meine Verfahren zur Anpassung des Verhaltens eines Systems an seine Zuverlässigkeit fanden auch Anwendung im Bereich der Fertigung von Leistungshalbleitern. Beim Packaging werden dabei die eigentlichen Silizium-Halbleiter mit einem Gehäuse versehen und mit nach außen geführten Anschlüssen verbunden. Im Hochleistungsbereich werden diese Verbindungen derzeit überwiegend aus Aluminiumdraht hergestellt, doch ein Wechsel zu Kupferdraht wird aufgrund der besseren Materialeigenschaften angestrebt. Die Verbindungen werden mit einem Ultraschall-Reibschweißprozess, dem Bonden, gefertigt. Da meine Verfahren auf einer vorab-Berechnung möglicher Betriebspunkte beruhen, und dieser ein Modell des Systems zugrundeliegt, wurde ein Modell des Drahtbondens aufgebaut. Es bildet dabei den Prozess von der Dynamik der mechanisch bei etwa 60 kHz schwingenden Sonotrode bis hin zum Verbindungsaufbau in der Kontaktfläche ab. Dieses Modell habe ich gemeinsam mit Andreas Unger, Paul Eichwald und Simon Althoff, alle Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Dr.-Ing. Michael Brökelmann und Dr.-Ing. Matthias Hunstig, beide Hesse Mechatronics GmbH, sowie Karsten Guth, Infineon Technologies AG, aufgebaut. Unsere Arbeiten haben wir in Meyer2016, Althoff2016, Unger2015, Meyer2015b, Unger2014a, Unger2014 publiziert; eine weitere, umfassende Publikation ist in Arbeit. Mit meinen Verfahren haben wir einen Serien-Bondautomaten der Hesse Mechatronics GmbH erweitert. Dieser Prototyp ist nun in der Lage, sein Verhalten selbstständig an die erreichte Qualität der gefertigen Bondstellen anzupassen. Weitere Forschungsfragestellungen enstanden aus der Komplexität des modellierten Prozesses. Ich werde auch weiterhin mit meinen Kollegen daran arbeiten, diesen genauer zu verstehen und das Modell weiter zu detaillieren.

Auswirkung von Systemdynamik auf die Zuverlässigkeit

Bei der Bewertung der Zuverlässigkeit technischer Systeme wird typischerweise ein Zuverlässigkeitsmodell aufgebaut, das die Lebensdauer einzelner Komponenten auf die Lebensdauer des Gesamtsystems abbildet. Dies kann ergänzt werden durch eine Wartungsstrategie und zur Bestimmung der Verfügbarkeit genutzt werden. Die Lebensdauer einzelner Komponenten wird dabei durch probabilistische Ansätze abgebildet, zumeist über Ausfallraten oder die Ausfallwahrscheinlichkeit $F(t)$. Benötigte Parameter für Verteilungsfunktionen werden empirisch durch Versuche bestimmt oder es wird ein Lebensdauermodell zugrunde gelegt. Sowohl das empirisch bestimmte als auch das mittels eines Lebensdauermodells berechnete Ausfallverhalten hängt dabei von den wirkenden Lasten ab, die wiederum vom dynamischen Systemverhalten abhängen. Somit hat ein Reglerentwurf oder die Wahl von dynamikbestimmenden Komponenten direkten Einfluss auf die bestimmte Gesamtsystem-Zuverlässigkeit, was aber in derzeit genutzten Analyseverfahren nicht oder nur unzureichend berücksichtigt wird. In Zusammenarbeit mit meinem Teamkollegen Thorben Kaul forsche ich daher derzeit an Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten für dynamische Systeme, die sowohl das dynamische Verhalten als auch die Zuverlässigkeit beinhalten. Diese basieren auf einer Erweiterung eines Dynamikmodells um Verlässlichkeits-Aspekte. Durch Analyse der Systemstruktur und entstehender Lasten kann so die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems analysiert werden. Unsere Arbeiten in diesem Bereich wurden bereits in Kaul2015, Kaul2015a, Kaul2016 veröffentlicht, werden aber weiterhin fortgeführt. Derzeit betrachten wir dabei die Auswirkung vom Systemverhalten auf das Ausfallverhalten des Systems, also auch auf den Verschleiß von Komponenten. Andere Forschergruppen befassen sich jedoch auch mit der direkten Auswirkung von Verschleiß, beispielsweise von Aktoren, auf das Reglerverhalten. In zukünftigen Arbeiten möchten wir diese beiden Ansätze verbinden, wodurch sich neuartige Fragestellungen durch den dann geschlossenen Kreislauf von Systemverhalten auf Verschleiß und zurück auf das Systemverhalten ergeben werden.

Condition Monitoring

Gemeinsam mit meinem Teamkollegen James Kuria Kimotho befasse ich mich mit der Eignung von Condition-Monitoring-Verfahren für die Verhaltensanpassung technischer Systeme. Dazu untersuchen wir etablierte Verfahren auf ihre Eignung zur Vorhersage der Restnutzungsdauer für spezifische Systeme und entwickeln die Methoden selbst auch weiter (Kimotho2013c, Kimotho2013a). Mit einer Anwendung für Systeme, die in Phasen der Nichtnutzung wieder heilen, haben wir damit 2014 die PHM Challenge gewonnen (Kimotho2014). Unsere gemeinsamen Arbeiten mündeten in eine Klassifikation verschiedener Methoden (Meyer2015). Diese ist dazu geeignet, eine Vorauswahl für die Anwendung von Condition Monitoring als Istwert-Erkennung einer Verhaltensanpassung zu treffen. Während der Arbeiten an meiner Dissertation habe ich zudem festgestellt, dass zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden können. Dies ist insbesondere die Dynamik eines Condition-Monitoring-Verfahrens, die typischerweise überhaupt nicht betrachtet wird. Gemeinsam mit einer Verhaltensanpassung in einem geschlossenen Regelkreis kann sie aber maßgeblich für die Dynamik und Stabilität des vollständigen Regelkreises sein. Meine zukünftigen Arbeiten werden daher eine weitere Untersuchung der Dynamik von Condition-Monitoring-Verfahren beinhalten.

Modellierung adaptiver Systeme

Während meiner Arbeiten zur Verhaltensanpassung hat sich herausgestellt, dass bestehende Methoden zur Simulation der Systemzuverlässigkeit nur eingeschränkt nutzbar sind. Die Problematik entsteht dabei primär aus der Notwendigkeit, die Verhaltensanpassung in das Modell zu integrieren. In Meyer2013b haben wir dazu gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Markus Siegle der Universität der Bundeswehr München das Systemverhalten in verschiedene Zustände klassifiziert und über die Hilfssprache LARES eine Markov-Kette aufgebaut. Diese bringt aber wieder eigene Einschränkungen mit sich, sodass eine Simulation adaptiver Systeme doch schnell die Grenzen der Methodik erreicht. In Meyer2015a haben wir einen anderen Simulationsansatz auf Basis vollständiger Systemsimulationen gewählt. Dieser Ansatz ermöglicht zwar die Integration von Ausfallverhalten und dynamischem Systemverhalten mit der Verhaltensadaption, braucht aber große Rechenleistungen und ist somit nur eingeschränkt für praktische Anwendungen geeignet. Stattdessen erscheint es vielversprechend, Ausfallverhalten und dynamisches Systemverhalten gemeinsam in neuartigen Simulationsverfahren zu vereinigen. Kooperierende Systeme könnten ad-hoc die aufzunehmenden Lasten aushandeln, um somit eine schädigungsgerechte Lastaufteilung zwischen ihnen zu ermöglichen. Dadurch wäre ein schwaches System in der Lage, Hilfe von einem starken System zu erhalten, um somit seine Lebensdauer zu verlängern. Diese Ansätze lassen sich auf Selbstoptimierung aufbauen, denn die benötigte Fähigkeit einer spontanen Zusammensetzung der zugrundeliegenden Modelle und Optimierung wurde bereits erforscht. Fragestellungen ergeben sich hierbei aber insbesondere durch das Aushandeln der Lasten auf verschiedene Systeme für die Gesamt-Zuverlässigkeit. Diese müsste mit einem modularen Zuverlässigkeitsmodell während des Aushandelns analysiert werden.

Veröffentlichungen

Journal Articles

Kimotho, J. K.; Sondermann-Woelke, C.; Meyer, T.; Sextro, W.: Machinery Prognostic Method Based on Multi-Class Support Vector Machines and Hybrid Differential Evolution – Particle Swarm Optimization. Chemical Engineering Transactions, volume 33, 2013. [bibtex] [pdf] [doi]
Kimotho, J. K.; Sondermann-Woelke, C.; Meyer, T.; Sextro, W.: Application of Event Based Decision Tree and Ensemble of Data Driven Methods for Maintenance Action Recommendation. International Journal of Prognostics and Health Management, volume 4, 2013. [bibtex] [pdf]
Meyer, T.; Sondermann-Wölke, C.; Kimotho, J. K.; Sextro, W.: Controlling the Remaining Useful Lifetime using Self-Optimization. Chemical Engineering Transactions, volume 33, 2013. [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Sondermann-Wölke, C.; Sextro, W.: Method to Identify Dependability Objectives in Multiobjective Optimization Problem. Procedia Technology, volume 15, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Brökelmann, M.; Unger, A.; Meyer, T.; Althoff, S.; Sextro, W.; Hunstig, M.; Biermann, F.; Guth, K.: Kupferbondverbindungen intelligent herstellen. wt-online, volume 7/8, 2016. [bibtex] [pdf]
Kaul, T.; Meyer, T.; Sextro, W.: Formulation of reliability-related objective functions for design of intelligent mechatronic systems. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability, volume 231, 2017. [bibtex] [pdf] [doi]

Konferenzbeiträge

Kaul, T.; Meyer, T.; Sextro, W.: Modeling of Complex Redundancy in Technical Systems with Bayesian Networks. Proceedings of the Third European Conference of the Prognostics and Health Management Society 2016, 2016. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Kaul2016preprint.pdf) [bibtex] [pdf]
Sondermann-Woelke, C.; Meyer, T.; Dorociak, R.; Gausemeier, J.; Sextro, W.: Conceptual Design of Advanced Condition Monitoring for a Self-Optimizing System based on its Principle Solution. Proceedings of the 11th International Probabilistic Safety Assessment and Management Conference (PSAM11) and The Annual European Safety and Reliability Conference (ESREL2012), 2012. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Sondermann-Woelke2012b.pdf) [bibtex] [pdf]
Meyer, T.; Hölscher, C.; Menke, M.; Sextro, W.; Zimmer, D.: Multiobjective Optimization including Safety of Operation Applied to a Linear Drive System. Proc. Appl. Math. Mech., volume 13, 2013. [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Keßler, J. H.; Sextro, W.; Trächtler, A.: Increasing Intelligent Systems' Reliability by Using Reconfiguration. Proceedings of the Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), 2013. [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Sondermann-Wölke, C.; Sextro, W.; Riedl, M.; Gouberman, A.; Siegle, M.: Bewertung der Zuverlässigkeit selbstoptimierender Systeme mit dem LARES-Framework. 9. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme (Jürgen Gausemeier, Roman Dumitrescu, Franz Rammig, Wilhelm Schäfer, Ansgar Trächtler, eds.), Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn, 2013. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Meyer2013b.pdf) [bibtex] [pdf]
Eichwald, P.; Sextro, W.; Althoff, S.; Eacock, F.; Unger, A.; Meyer, T.; Guth, K.: Analysis Method of Tool Topography Change and Identification of Wear Indicators for Heavy Copper Wire Wedge Bonding. Proceedings of the 47th International Symposium on Microelectronics, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Kimotho, J. K.; Meyer, T.; Sextro, W.: PEM fuel cell prognostics using particle filter with model parameter adaptation. Prognostics and Health Management (PHM), 2014 IEEE Conference on, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Sextro, W.: Closed-loop Control System for the Reliability of Intelligent Mechatronic Systems. Proceedings of the Second European Conference of the Prognostics and Health Management Society 2014, volume 5, 2014. [bibtex] [pdf]
Unger, A.; Sextro, W.; Althoff, S.; Eichwald, P.; Meyer, T.; Eacock, F.; Brökelmann, M.; Hunstig, M.; Bolowski, D.; Guth, K.: Experimental and Numerical Simulation Study of Pre-Deformed Heavy Copper Wire Wedge Bonds. Proceedings of the 47th International Symposium on Microelectronics (IMAPS), 2014. [bibtex] [pdf]
Unger, A.; Sextro, W.; Althoff, S.; Meyer, T.; Brökelmann, M.; Neumann, K.; Reinhart, R. F.; Guth, K.; Bolowski, D.: Data-driven Modeling of the Ultrasonic Softening Effect for Robust Copper Wire Bonding. Proceedings of 8th International Conference on Integrated Power Electronic Systems, volume 141, 2014. [bibtex] [pdf]
Kaul, T.; Meyer, T.; Sextro, W.: Integrierte Modellierung der Dynamik und der Verlässlichkeit komplexer mechatronischer Systeme. 10. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme (Jürgen Gausemeier, Roman Dumitrescu, Franz Rammig, Wilhelm Schäfer, Ansgar Trächtler, eds.), Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn, 2015. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Kaul2015.pdf) [bibtex] [pdf]
Kaul, T.; Meyer, T.; Sextro, W.: Integrated Model for Dynamics and Reliability of Intelligent Mechatronic Systems. European Safety and Reliability Conference (ESREL2015) (Podofillini et al., ed.), Taylor and Francis, 2015. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Kaul2015a.pdf) [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Kaul, T.; Sextro, W.: Advantages of reliability-adaptive system operation for maintenance planning. Proceedings of the 9th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety for Technical Processes, 2015. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Meyer2015a.pdf) [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Kimotho, J. K.; Sextro, W.: Anforderungen an Condition-Monitoring-Verfahren zur Nutzung im zuverlässigkeitsgeregelten Betrieb adaptiver Systeme. 27. Tagung Technische Zuverlässigkeit (TTZ 2015) - Entwicklung und Betrieb zuverlässiger Produkte, 2015. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Meyer2015.pdf) [bibtex] [pdf]
Meyer, T.; Unger, A.; Althoff, S.; Sextro, W.; Brökelmann, M.; Hunstig, M.; Guth, K.: Modeling and Simulation of the ultrasonic wire bonding process. 2015 17th Electronics Packaging Technology Conference, 2015. [bibtex] [pdf] [doi]
Unger, A.; Sextro, W.; Meyer, T.; Eichwald, P.; Althoff, S.; Eacock, F.; Brökelmann, M.; Hunstig, M.; Guth, K.: Modeling of the Stick-Slip Effect in Heavy Copper Wire Bonding to Determine and Reduce Tool Wear. 2015 17th Electronics Packaging Technology Conference, 2015. [bibtex] [pdf] [doi]
Meyer, T.; Unger, A.; Althoff, S.; Sextro, W.; Brökelmann, M.; Hunstig, M.; Guth, K.: Reliable Manufacturing of Heavy Copper Wire Bonds Using Online Parameter Adaptation. IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference, 2016. [bibtex] [pdf] [doi]
Althoff, S.; Meyer, T.; Unger, A.; Sextro, W.; Eacock, F.: Shape-Dependent Transmittable Tangential Force of Wire Bond Tools. IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference, 2016. [bibtex] [pdf] [doi]
Unger, A.; Schemmel, R.; Meyer, T.; Eacock, F.; Eichwald, P.; Althoff, S.; Sextro, W.; Brökelmann, M.; Hunstig, M.; Guth, K.: Validated Simulation of the Ultrasonic Wire Bonding Process. Wear Modeling in Copper Wire Wedge Bonding. IEEE CPMT Symposium Japan, 2016, 2016. (Preprint: https://groups.uni-paderborn.de/mud/publications/download/Unger2016.pdf) [bibtex] [pdf]

Buchbeiträge

Meyer, T.; Priesterjahn, C.; Sextro, W.: Conclusion and Outlook. Chapter in (Jürgen Gausemeier, Franz Josef Rammig, Wilhelm Schäfer, Walter Sextro, eds.), Springer Berlin Heidelberg, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Seifried, A.; Trächtler, A.; Kleinjohann, B.; Heinzemann, C.; Rasche, C.; Sondermann-Woelke, C.; Priesterjahn, C.; Steenken, D.; Ramming, F.; Wehrheim, H.; Keßler, J. H.; Gausemeier, J.; Stahl, K.; Flaßkamp, K.; Witting, K.; Kleinjohann, L.; Porrmann, M.; Krüger, M.; Dellnitz, M.; Iwanek, P.; Reinold, P.; Hartmann, P.; Dorociak, R.; Timmermann, R.; Korf, S.; Ober-Blöbaum, S.; Groesbrink, S.; Ziegert, S.; Xie, T.; Meyer, T.; Sextro, W.; Schäfer, W.; Müller, W.; Zhao, Y.: Methods of Improving the Dependability of Self-optimizing Systems. Chapter in (Jürgen Gausemeier, Franz Josef Rammig, Wilhelm Schäfer, Walter Sextro, eds.), Springer Berlin Heidelberg, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Trächtler, A.; Hölscher, C.; Rasche, C.; Sondermann-Woelke, C.; Priesterjahn, C.; Zimmer, D.; Keßler, J. H.; Stahl, K.; Flaßkamp, K.; Vaßholz, M.; Krüger, M.; Dellnitz, M.; Iwanek, P.; Reinold, P.; Hartmann, P.; Ober-Blöbaum, S.; Meyer, T.; Sextro, W.: Introduction to Self-optimization and Dependability. Chapter in (Jürgen Gausemeier, Franz Josef Rammig, Wilhelm Schäfer, Walter Sextro, eds.), Springer Berlin Heidelberg, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]
Trächtler, A.; Kleinjohann, B.; Heinzemann, C.; Rasche, C.; Sondermann-Woelke, C.; Priesterjahn, C.; Steenken, D.; Wehrheim, H.; Gausemeier, J.; Flaßkamp, K.; Kleinjohann, L.; Krüger, M.; Iwanek, P.; Hartmann, P.; Dorociak, R.; Ober-Blöbaum, S.; Groesbrink, S.; Ziegert, S.; Meyer, T.; Sextro, W.; Schäfer, W.: Case Study. Chapter in (Jürgen Gausemeier, Franz Josef Rammig, Wilhelm Schäfer, Walter Sextro, eds.), Springer Berlin Heidelberg, 2014. [bibtex] [pdf] [doi]

Dissertation

Meyer, T.: Optimization-based reliability control of mechatronic systems. Dissertation, Universität Paderborn, 2016. [bibtex] [pdf] [doi]

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