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Go Beyond 4.0: Fraunhofer-Projekt soll Massenfertigung individualisieren

Go Beyond 4.0
Fraunhofer-Projekt soll Massenfertigung individualisieren

Intelligente Beleuchtungskörper durch maßgeschneiderte Lichtverteilung. Bild: Fraunhofer IOF
Intelligente Beleuchtungskörper durch maßgeschneiderte Lichtverteilung für Beleuchtungsanwendungen.
Bild: Fraunhofer IOF
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Individualisierte Produkte, obwohl sie in Masse gefertigt werden? Sechs Fraunhofer-Institute haben im Projekt „Go Beyond 4.0“ ihr Know-how gebündelt, um ein neues Verfahren voranzutreiben. In diesem sollen die Fertigungstechnologien Digitaldruck und Laser-Bearbeitung in traditionelle Fertigungs-Verfahren integriert werden. Das Ergebnis: Produkte können inline individualisiert werden.

Bei der Massenfertigung laufen üblicherweise zahlreiche identische Produkte vom Band. Dass der Trend jedoch zu individualisierten Produkten geht, zeigt sich etwa im Automobilbau: Volkswagen beispielsweise stellt jährlich nur etwa ein bis zwei baugleiche Golf-Modelle her.

Bei der Individualisierung kommt die Massenfertigung bislang allerdings an ihre Grenzen. Sechs Fraunhofer-Institute aus vier verschiedenen Fraunhofer-Verbünden haben es sich jetzt im Projekt „Go Beyond 4.0“ zur Aufgabe gemacht, dies zu ändern. Dazu gehören die Fraunhofer-Institute für

  • Elektronische Nanosysteme ENAS
  • Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
  • Lasertechnik ILT
  • Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
  • Silicatforschung ISC
  • Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Die Projektleitung obliegt dem Fraunhofer ENAS in Chemnitz.

„Individualisierung im Automobilbau heißt bisher, jedes Auto für jede mögliche Variante prinzipiell vorzubereiten und letztendlich nur mit der gewünschten Ausstattung zu komplettieren“, erklärt Projektleiter Thomas Otto. Das bedeute etwa, dass jedes Auto mit dem kompletten Kabelbaum ausgestattet werden müsse.

Reinhard Baumann, Projektkoordinator des Leitprojekts aus dem Fraunhofer ENAS, ergänzt: „Wir verknüpfen traditionelle Fertigungsmethoden mit digitalen Zukunftstechnologien und Produktionsverfahren, um die Individualisierung der Produkte in Massenfertigungs-Umgebungen zu integrieren.“

Man habe dabei Wert auf Produkt- und Produktions-Zuverlässigkeit gelegt , sei aber noch lange nicht am Ziel.

Drucken – auf beliebig geformten Werkstückoberflächen

Per Inkjet und Dispens-Technologie drucken die Forscher geometrische Muster. Dabei setzen sie auf Tinten, die Funktionalitäten wie elektrische Leitfähigkeit, Halbleitfähigkeit oder Isolation besitzen.

Mit der Technologie lassen sich Ein- und Mehrschichtsysteme realisieren. Selbst Sensoren und Transistoren seien möglich.

Smart Door: Individualisierung und Funktionserweiterung in der Automobilindustrie.
Smart Door: Individualisierung und Funktionserweiterung in der Automobilindustrie. Bild: Fraunhofer IWU

„Genau dies kann ich nicht nur auf glatten, ebenen Flächen wie einem Blatt Papier machen, sondern per Roboter auch auf dreidimensional gekrümmten Werkstücken, etwa einer tiefgezogenen Autotür“, erläutert Baumann.

Als zweite digitale Fertigungstechnologie kommt der Laser ins Spiel. Beide Verfahren haben die Forscher miteinander gekoppelt.

Das Ergebnis: Der Laserstrahl fährt exakt die Linienführung des Druckers nach – und kann etwa zuvor gedruckte Photopolymere aushärten oder Nanopartikel-Tinten sintern.

Zwar werden bereits jetzt in den Fertigungshallen zahlreiche Roboter für Montagezwecke eingesetzt, doch: „Wir überspringen bei der Ortsauflösung des Druckens Größenordnungen – mit Linienbreiten bis ca. 50 Mikrometern„, konkretisiert Baumann.

Vom Autobau über die Luftfahrt bis hin zu Optiken

Die Wissenschaftler haben bereits Demonstratoren für den Automobilbau, die Luftfahrt und die Beleuchtung realisiert, um die Universalität des Ansatzes nachzuweisen.

Der Einsatz digitaler Fertigungstechnologien ermöglicht kleine Stückzahlen von individualisierten Massenprodukten.

Als Beispiel führen die Forscher das Auto an: Bis zu acht Kilometer Kupferkabel stecken in einem Fahrzeug. Das entspricht einem Gewicht von etwa 160 Kilogramm.

Indem die Experten signalübertragende Leitungen auf Karosserieteile wie Türen digital drucken, ersetzen sie die Kupferkabel teilweise durch gedruckte Leiterbahnen. Das Fahrzeug wird leichter, der Spritverbrauch sinkt.

In Flugzeugen widmen sich die Forscherteams den Sensoren, die bislang aufgeklebt oder festgeschraubt werden. „Wir setzen auf die bewährten Faserverbund-Werkstofftechnologien des Leichtbaus auf und fügen digitale Produktionsprozesse ein“, sagt Baumann.

Die Forscher drucken dabei sowohl die einzelnen Leitungen als auch die gesamte Sensorik digital auf die Glasfaser- oder Kohlenstoffmatten auf. Bei der anschließenden Durchtränkung mit einem Kunstharz werden sie direkt in das Leichtbauteil integriert.

Im ersten Schritt konnten so Temperatur-, kapazitive und Impact-Sensoren sowie UHF-Antennen und LEDs in Flügelelemente eines Verkehrsflugzeugs integriert werden.

Smart Wing: Integration von Smart Systems in Leichtbau-Verbundwerkstoffe. Bild: Fraunhofer IFAM
Smart Wing: Integration von Smart Systems in Leichtbau-Verbundwerkstoffe. Bild: Fraunhofer IFAM

Optische Bauteile, etwa Scheinwerfer-Optiken für Autos, werden üblicherweise aus Glas oder Kunststoff geschliffen. Mit den neuen Technologien des Leitprojekts „Go Beyond 4.0“ lassen sich nun auch frei geformte Optiken herstellen, die in einem Element statt der Eigenschaft einer Linse die Eigenschaften von drei Linsen vereinen.

In diese Freiform-Optiken können gleichfalls Leuchtdioden und damit Signalfunktionen integriert werden.

„Auf diese Weise lassen sich komplexe optische Elemente herstellen, die bisher gar nicht denkbar waren“, sagt Baumann.

Im Fokus stehen vor allem neue Anwendungsmöglichkeiten: Freiform-Optiken könnten Informationen vom Auto aus auf die Straße projizieren, beispielsweise ein Stopp-Schild, bevor das reale Stoppschild zu sehen ist. Die nötigen Informationen könnte das Auto aus dem Internet oder aus der Netz-Umgebung beziehen.

„Go Beyond 4.0“: Inline-Fertigung funktioniert bereits im Labormaßstab

Die Technologie ermöglicht es, die Werkstücke „inline“ in der Fertigungsumgebung zu bearbeiten. Das heißt, dass die Werkstücke in der Fertigungslinie bleiben können – und nicht mehr zur Individualisierung aus der Fertigungslinie ausgeschleust, individualisiert und wieder eingeschleust werden.

Im Labormaßstab funktioniert dies bereits, die Forscherteams arbeiten nun daran, auch die Takt-Geschwindigkeiten realer Fertigungslinien zu realisieren. Zudem optimieren sie die Technologien als solche sowie ihre Kombination weiter.

Am 2. September 2020, dem „Tag der Zukunftstechnologie: Go Beyond 4.0“, informieren die Forscher in einem Webinar über die neuen Technologien. Details dazu gibt es auf der Website von Go Beyond 4.0. (wag)


Kontakt zum Fraunhofer-Institut


Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Hansastraße 27 c
80686 München
Tel.: +49 89 1205 0
E-Mail: info@zv.fraunhofer.de
Website: www.fraunhofer.de

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