Druck machen für die Produktion der Zukunft

Adaptronik-Highlights des Fraunhofer IWU auf der Hannover Messe 2019

Ein exakt baugleiches Fahrzeug wird bei Premium-Automobilherstellern nur einmal pro Jahr gefertigt. Tendenz weiter sinkend. Zu individuell sind die Kundenwünsche nach bestimmten Ausstattungen wie Fahrer-Assistenzsystemen, Bedienelementen oder Innenraumbeleuchtungen. Deren Stromversorgung funktioniert bisher über Kabel, die aufwändig konfektioniert und als immer komplexere Kabelbäume von Hand verlegt werden müssen, beispielsweise in Autotüren. Die steigende Variantenvielfalt lässt sich so nicht mehr beherrschen. Eine Lösung haben jetzt Wissenschaftler des Fraunhofer IWU gemeinsam mit verschiedenen Partnern im Projekt GoBeyond 4.0 entwickelt: Leiterbahnen und Bedienelemente werden direkt auf die Bauteile gedruckt. So wird nicht nur die Flexibilität erhöht, auch das Gewicht des Endproduktes reduziert sich durch den Wegfall der Kabel deutlich. Diese und weitere Lösungen für die intelligente Produktion zeigen die Forscher auf der Hannover Messe, vom 1. bis 5. April 2019 am Stand der Fraunhofer-Allianz Adaptronik (Halle 2, Stand C22).

Das Prinzip der neuen Technologie ähnelt der des Tintenstrahldruckers, wie André Bucht, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU erklärt. Nur dass statt Tinte spezielle Pasten eingesetzt werden, die sich nach dem Trocknen je nach Zusammensetzung als Leiterbahn oder als Sensor nutzen lassen. Mit einem so genannten Jet-Dispenser, einer speziellen Düse, werden diese Pasten entweder als Strang oder als Punkte auf dem Bauteil abgelegt. Und noch eins ist anders als beim heimischen Drucker: Ein Roboter, dessen Einsatz für diesen Zweck nach Aussage von André Bucht neu ist, führt die Düse über das Werkstück. Auf diese Weise wird die Variantenvielfalt handhabbar. Denn dank ihm ist es jetzt möglich, nicht nur Flächen, sondern auch große dreidimensionale Bauteile schnell, effizient und völlig individuell mit Leitungen, Sensoren oder Tasten zu bedrucken.

Das vom Fraunhofer IWU und Projektpartnern entwickelte Verfahren ersetzt unter anderem das aufwändige Konfektionieren und Verlegen von Kabelbäumen, beispielsweise in Autotüren. Leiterbahnen und Sensoren werden stattdessen von einem Roboter auf die entsprechenden Komponenten der Tür gedruckt und so die Bauteile, individuell, schnell und effizient mit elektronischen Funktionen versehen (© Fraunhofer IWU)

Neuartig ist auch, dass die Pasten nach dem Auftragen sofort mit einem vom Projektpartner Fraunhofer ILT entwickelten Laser getrocknet werden. Das beschleunigt den Prozess so stark, dass er je nach Aufgabe den schnellen Takt einhalten kann, den die Automobilindustrie vorgibt. Wie leistungsfähig der neue Prozess ist, zeigen die Wissenschaftler auf der Hannover Messe 2019 unter anderem anhand eines Bauteils, das mit Hilfe der neuen Drucktechnologie als Bedienelement funktionalisiert wurde. Einsetzen lässt es sich beispielsweise in Autotüren für die Bedienung des elektrischen Fensterhebers.

Hochleistungsbearbeitung durch Ultraschallunterstützung

Ein weiteres Highlight intelligenter Produktionstechnik zeigen die Adaptronik-Spezialisten des Fraunhofer IWU mit PermaVib, einer Gruppe von Schwingsystemen für Bohr- und Fräswerkzeuge. Diese versetzen die Werkzeuge mithilfe von Ultraschall so in Schwingung, dass die Bearbeitung von Metallen wesentlich erleichtert wird. Nach Aussage von André Bucht, lässt sich mit PermaVib der Werkzeugverschleiß um bis zu 50 % reduzieren. Zudem wird dafür gesorgt, dass bis zu 40 % weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden müssen. Beides verringert die Produktionskosten. Die Besonderheit hierbei ist, dass sich bestehende Werkzeugmaschinen ohne großen Aufwand mit den Systemen nachrüsten lassen, da sie als Modul in beliebige Bearbeitungszentren integriert werden können. 

Werkzeugmaschinen mit Tastsinn

Vielversprechend ist des Weiteren SensoTool, ein intelligentes Werkzeug, das Werkzeugmaschinen gleichsam einen Tastsinn verleiht. Für den Menschen ist dieser überlebensnotwendig, denn er ermöglicht es ihm, gezielt mit seiner Umgebung zu interagieren. Ähnlich komplex wie die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt ist die Wechselwirkung moderner Hochleistungsprozesse mit Werkzeugmaschinen. Wie André Bucht in diesem Zusammenhang betont, mussten Werkzeugmaschinen bislang auf einen Tastsinn verzichten. Mit SensoTool ändert sich dies.

SensoTool erfasst Temperaturen und Kräfte dort, wo sie auftreten und erlaubt auf diese Weise eine direkte Prozessüberwachung und -anpassung. Kern des Systems ist ein Sensorelement mit piezoelektrischen Schichten, das direkt hinter der Wendeschneidplatte am Werkzeugträger positioniert ist. Die zu messende Kraft wird in eine Ladung gewandelt, die eine integrierte Elektronik anschließend vorverarbeitet. Die gewonnenen Daten überträgt das Werkzeug drahtlos an die Maschine. Somit ermöglicht das Sensorelement die prozessnahe Messung hochdynamischer Kräfte von wenigen Newton bis zu drei Schwingungen des rotierenden Werkzeugs nahe der Wirkstelle erfassen.

Paradigmenwechsel in der Prozessüberwachung

Bisher war es nicht möglich, Kenngrößen von Zerspanungsprozessen direkt im Prozess in ausreichender Qualität und Quantität zu erfassen. In der Zerspanung dominieren zur Prozessüberwachung bisher sensorlose Systeme. Die Kennwertermittlung erfolgt dabei nicht direkt in den kritischen Belastungszonen des Werkzeugs. Vielmehr werden Messgrößen wie das Drehmoment von Spindel und Vorschubachsen ausgewertet. Dadurch lassen sich oft nur sehr schwerwiegende Ereignisse wie ein Werkzeugbruch detektieren. Eine Echtzeit- Nachregelung des Prozesses ist nicht möglich. Bisher kommen sensorische Lösungen wegen hoher Kosten und eines großen Integrationsaufwands lediglich in Laboren zum Einsatz.

Piezokeramische Schichtsysteme direkt auf rotierenden Werkzeugen bedeuten hier nach Überzeugung von André Bucht einen Paradigmenwechsel. Denn mit SensoTool können komplexe Prozessgrößen nahe der Wirkstelle erfasst und drahtlos an eine übergeordnete Steuerung übergeben werden. So entstehen intelligente Produktionsanlagen, die auf kleinste Abweichungen zielsicher reagieren. Dadurch ist eine stabile und optimale Prozessführung für eine energie- und ressourceneffiziente Fertigung gewährleistet.

Als taktiles Werkzeug registriert SensoTool Prozessgrößen dort, wo sie auftreten – zum Beispiel direkt an den Wendeschneidplatten des Fräskopfes (im Bild unten) (© Fraunhofer IWU)

Notwendig sind solche Prozessanpassungen aufgrund immer höherer Anforderungen an Qualität und Produktivität moderner Fertigungssysteme. Zudem kommen immer öfter schwer zerspanbare Werkstoffe wie Kohlefaserverbunde oder Titan zum Einsatz. Eine sichere Fertigung erfordert deshalb zunehmend eine sehr exakte Einstellung aller relevanten Parameter. Schon geringe Abweichungen führen zum Verlassen des stabilen Prozessfensters. SensoTool erkennt diese Abweichungen frühzeitig, und die Maschine kann sich den veränderten Bedingungen anpassen.

Highspeed-3D-Druck und intuitive Mensch-Roboter-Kooperation

Die schnelle Anpassung einer Maschine an sich ändernde Bedingungen steht ebenfalls auf dem Stand des Fraunhofer IWU in Halle 2, Stand C28, im Fokus. Hier ist es ein Industrieroboter, der die Fähigkeit besitzt, sich auf unterschiedliche menschliche Gegenüber einzustellen und der sich per Gesten steuern lässt. Wie dies funktioniert, können Besucher testen, indem sie vor Ort selbst mit einem Roboter in direkte Interaktion treten.

Ein Highlight der intelligenten und effizienten Produktion präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU auf dem Fraunhofer- Gemeinschaftsstand in Halle 2, Stand C22. Im Mittelpunkt steht hier der ultraschnelle 3D-Druck mit SEAM-HEX. Das Verfahren und System ist in der Lage, Kunststoffbauteile acht Mal schneller und 200 Mal preiswerter zu drucken als vergleichbare Anwendungen.

www.iwu.fraunhofer.de