Leitprojekt »Go Beyond 4.0«

Digitale Fertigung in der Massenproduktion – Innovation der Serienfertigung mit digitalen Druck- und Laserverfahren

Während viele Unternehmen Industrie-4.0-Konzepte in ihrer Produktion umsetzen, stehen wieder neue Herausforderungen vor der Tür: Der Bedarf an individualisierten Produkten steigt. Im Leitprojekt »Go Beyond 4.0« entwickeln Forscherinnen und Forscher Technologien, um diesen neuen Erfordernissen zu begegnen und Industrie 4.0 auf die nächste Stufe zu heben.

Die digitalen Fertigungsverfahren aus den Laboren in robotergestützte Produktionslinien zu bringen, ist eines der Hauptziele des Leitprojekts »Go Beyond 4.0«.
© Fraunhofer IWU / Steve Leisner

Die digitalen Fertigungsverfahren aus den Laboren in robotergestützte Produktionslinien zu bringen, ist eines der Hauptziele des Leitprojekts »Go Beyond 4.0«.

Will man einem Laien das Grundprinzip der individualisierten Massenproduktion erklären, kann man die Pizzeria um die Ecke als Beispiel nehmen. Da ist es üblich, dass ein Gast eine Pizza Napoli bestellt und Sonderwünsche äußert: keine Oliven, dafür Champignons und extra viel Kapern. Zehn Minuten später dampft die nach den Wünschen des Gastes belegte Pizza auf dem Teller.

Auch in der Industrie wird der Trend zur Individualisierung von Massenprodukten immer stärker. Die Herausforderung besteht darin, das Konzept von Industrie 4.0 mit seinen hochflexiblen und vernetzten Produktionsanlagen um die Möglichkeit zu ergänzen, individuelle Produkte zu fertigen. So schnell und zuverlässig wie vom Fließband, aber so individuell wie aus der Maßschneiderei.

Digitale Druck- und Laserverfahren für Industrie 4.0

IIn diese Richtung zielt die Initiative »Go Beyond 4.0«. Sie setzt auf zwei Technologien, die man nicht von vornherein mit der Industrieproduktion verbinden würde, nämlich digitale Drucktechniken wie Inkjet-, Dispens- und Aerosoljet-Druckverfahren sowie Laser-Sintertechnik. Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher nutzen sie, um beliebige Bauteile in der Fertigung mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Die zündende Idee für die Initiative »Go Beyond 4.0« hatten Prof. Reinhard Baumann und Dr. Ralf Zichner am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS schon 2014. Jetzt setzen sie ihre Forschungsarbeit im Leitprojekt »Go Beyond 4.0« um.

Unter der Federführung des kommissarischen Institutsleiters des Fraunhofer ENAS Prof. Thomas Otto arbeiten sechs Institute im Leitprojekt»Go Beyond 4.0« zusammen: die Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT, für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, für Silicatforschung ISC, für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

Komponenten für das additive Verfahren des Injket- Drucks, zum Beispiel für Lab-on-a-Chip-Systeme.
© Fraunhofer IOF

Komponenten für das additive Verfahren des Injket- Drucks, zum Beispiel für Lab-on-a-Chip-Systeme.

Auf Glasfasergewebe gedruckte Strukturen ermöglichen eine integrierte Heizung im Faserverbund.
© Kay Michalak / Fotoetage

Auf Glasfasergewebe gedruckte Strukturen ermöglichen eine integrierte Heizung im Faserverbund.

Gedruckte Funktionalisierungen werden am Fraunhofer IFAM in Faserverbundkunststoffe integriert.
© Kay Michalak / Fotoetage

Gedruckte Funktionalisierungen werden am Fraunhofer IFAM in Faserverbundkunststoffe integriert.

Teilprojekte für Luftfahrt, Automobilbau und Beleuchtung

Die Forscherinnen und Forscher haben sich für drei marktnahe Anwendungsbereiche entschieden. Das Teilprojekt »Smart Wing« zielt auf die Luftfahrtbranche, »Smart Luminaire« auf die Beleuchtungstechnik und »Smart Door« auf die Automobilbranche.
 

Teilprojekt »Smart Door«

Wie die digitale Drucktechnik bei »Go Beyond 4.0« funktioniert, lässt sich gut am Teilprojekt »Smart Door« anhand einer Autotür veranschaulichen. André Bucht, Abteilungsleiter Adaptronik am Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU: »Autotüren haben eine Vielzahl elektronischer Module und mechatronischer Funktionen eingebaut. Mit der Fraunhofer-Drucktechnik lassen sich Komponenten wie Sensoren, Schalter, LED oder Leiterbahnen aufbringen.«

Für die Leiterbahnen beispielsweise wird zuerst eine Isolationsschicht aus Polymeren aufgedruckt, dann die stromleitfähige Silberpaste und dann wieder eine Isolationsschicht. Alle Schichten kommen dabei aus dem Drucker und können mittels Laser ortsaufgelöst ausgehärtet werden. Roboterarme führen einen Dispenser oder eine Inkjet-Anlage sowie einen Laser über das Bauteil. Bei der klassischen Fertigungsmethode müssen Arbeiter ins Auto hineinkriechen, wenn sie Kabelbäume verlegen.
 

Alles was Licht ist: »Smart Luminaire«

Spannende Neuerungen bietet auch das Teilprojekt »Smart Luminaire«. Hier ist Dr. Erik Beckert als Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena zuständig. »Die Grundidee, optische Komponenten mithilfe von Inkjet-Verfahren herzustellen, hatte ich schon vorher am IOF«, sagt Beckert. Da kam das Leitprojekt Go Beyond 4.0 gerade recht. Ziel des Teilprojekts ist es, optische Komponenten aus Polymer in einem additiven Verfahren zu fertigen. Dabei wird beispielsweise eine vorhandene optische Komponente, etwa eine Kunststofflinse, durch den Inkjet-Druck veredelt, individualisiert und mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet. Als Tinte nutzen Beckert und sein Team das optische Hybrid-Polymer ORMOCER®, das vom ISC in Würzburg entwickelt wurde. Die optischen Eigenschaften des Materials reichen fast an die von guten optischen Gläsern heran und lassen sich für die jeweilige Anwendung anpassen.

Verschiedene Funktionen können beispielsweise in die Prozesskette für Flugzeugstrukturen aus Faserverbundkunststoffen integriert werden.
© Kay Michalak / Fotoetage

Verschiedene Funktionen können beispielsweise in die Prozesskette für Flugzeugstrukturen aus Faserverbundkunststoffen integriert werden.

Heizdrähte in der Tragfläche: »Smart Wing«

Jeder, der schon einmal im Winter ein Flugzeug bestiegen hat und vor dem Start aus dem Fenster sieht, kennt das: Da kommt ein Wagen mit einem großen Tank angefahren und besprüht die Tragflächen mit Enteisungsfl üssigkeit. Wenn das Teilprojekt »Smart Wing« sich durchsetzt, könnte dieser Anblick der Vergangenheit angehören. Davon geht das Team um Dr. Volker Zöllmer aus. Er ist Abteilungsleiter Smart Systems beim Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Den Forscherinnen und Forschern ist es gelungen, eine Heizstruktur in die Tragfl ächen zu integrieren, die die Tragfläche von innen her enteist. Die stromführenden Leiterbahnen sind dabei direkt in den Faserverbundwerkstoff der Tragfläche integriert. Auch hier sind wieder Drucker am Werk. Sie tragen Silberpaste als Leiterbahn auf.

Das ist aber nur eine der Anwendungen, an denen das »Smart-Wing«-Team arbeitet. Es kann beispielsweise auch Sensoren zur Messung von Temperatur oder Druck in die Tragfläche oder den Flugzeugrumpf integrieren. Die Funktionen sind tief im Verbundwerkstoff verankert, der im Flugzeugbau typischerweise aus mit Glasfaser oder Carbonfaser verstärkten Kunststoffen besteht. Die Sensoren können unter anderem Beschädigungen am Flugzeugrumpf registrieren, die durch Vogelschlag auftreten.

Gemeinsamkeiten der Teilprojekte

Trotz unterschiedlicher Anwendungen haben die drei Teilprojekte vieles gemeinsam. Bei allen geht es nicht allein um das Produkt, sondern auch um eine Technologie-Demonstration. Eine Technik, die beim Verlegen von Leiterbahnen in Autotüren zum Einsatz kommt, kann auch an anderen Stellen nützlich sein – etwa im Innenraum oder am Armaturenbrett, um beim Fahrzeug zu bleiben. Das gilt auch für »Smart Wing«: Die beschriebenen Technologien können beispielsweise in zivilen Drohnen oder auch in Windrädern sowie im Automobil- und Maschinenbau verwendet werden.

Zöllmer weist auf einen weiteren Aspekt hin: »Wir haben uns im Projekt Go Beyond 4.0 auch zum Ziel gesetzt, die Prozessketten in der Fertigung weiterzuentwickeln. Sie können dann höher getaktet und effizienter ausgeführt werden und dies bei einem sehr hohen Individualisierungsgrad.« Möglich wird dies vor allem durch die Kombination von klassischen Herstellungsverfahren mit digital gesteuerten Fertigungsansätzen. Oder salopp ausgedrückt: Fließband plus Roboter plus Drucker.
 

Das Team ist der Star

Zurückzuführen ist der Erfolg von Go Beyond 4.0 auch auf die gute Zusammenarbeit des Leitungsteams. Ralf Zichner, der Stellvertretende Projektkoordinator betont: »Es ging nie darum, dass ein Institut ein bestimmtes Ergebnis angestrebt hätte. Vielmehr ist das gleichberechtigte Zusammenspiel aller beteiligten Institute der Schlüssel zum Erfolg.« Alle Beteiligten sind zuversichtlich, dass die angestrebten Ziele zum Projektende im November 2019 erreicht werden. Baumann geht davon aus, dass die Technologien »in spätestens drei bis fünf Jahren in deutschen Unternehmen etabliert sein werden.« Und am Ende freuen sich auch die Verbraucher über Massenprodukte, die speziell für sie individualisiert werden – ganz wie in der Pizzeria um die Ecke.