DIREKT

Digital-rekonfigu­rierbare Herstellung...

...von Faserverbundbauteilen in einer resilienten Produktionsumgebung.

Ihr Ansprechpartner

Dr.-Ing. Stefan Carosella

Institut für Flugzeugbau / Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Stefan Carosella ist Experte für Faserverbundwerkstoffe und -fertigungsverfahren, sowie stellvertretender Bereichsleiter im Bereich Leichtbau.

DIREKT

Eine neue Produktionsumgebung

Das Projekt DIREKT hat zum Ziel, eine schnell rekonfigurierbare, sich selbst überwachende und sensorisch gestützte Produktionsumgebung für Komponenten aus Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen zu erarbeiten.

Digital unterstützte Produktion

Hierfür kommen unter anderem neue, verschnittarme (Ziel: max. 5% Verschnitt) Legeverfahren für kohlenstofffaserbasierte Halbzeuge zum Einsatz, sowie formadaptive Werkzeuge, deren Geometrie sich automatisiert an ein digitales Modell anpasst. Dadurch kann das kostenintensive Leichtbaumaterial CFK ressourcenschonend eingesetzt werden. Neue Bauteile können auf direktem Weg aus dem digitalen Arbeitsraum heraus produziert werden, ohne die Notwendigkeit einer Herstellung bauteilspezifischer Formwerkzeuge. Das konkrete Ziel hierbei ist die Möglichkeit zur Realisierung einer neuen Bauteilgeometrie innerhalb eines Tages. Die Integration verschiedener Sensoren in die Produktionsumgebung erlaubt es dabei, den Zustand des Systems kontinuierlich zu überwachen und so frühzeitige Interventionsmöglichkeiten zu bieten.

Ob Fehler im Produktionsprozess erfolgt sind und ggf. direkt korrigiert werden können, soll durch eine direkte Datenanalyse in der Nähe der Datenquelle (Edge/Fog Computing), ohne zeitaufwändige Datentransfers in die Cloud, erfolgen. Die Eigenschaften einer komplexen Produktionsumgebung, dabei robust auf Störungen zu reagieren und so stets in einem optimalen Bereich zu arbeiten, wird auch als Resilienz bezeichnet. Langfristig ist durch eine Kombination aus digitaler Produktionstechnologie und formadaptiven, automatisierten Herstellungsverfahren eine deutliche Reduktion der Produktkosten bei kleinen bis mittleren Stückzahlen von mindestens 50% zu erwarten. Dies ermöglicht die Fertigung kundenindividueller Bauteile, kurzfristige Anpassungen der Bauteilgeometrie und die Nutzung des Leichtbauwerkstoffes CFK in einem breiten Anwendungsspektrum.

Hebelwirkung durch Verknüpfung mit Verbundprojekten

Das Projekt ist inhaltlich eng mit den Verbundprojekten von ARENA2036 verknüpft, um eine Hebelwirkung zu erzeugen:

Das Projekt Digitaler Fingerabdruck hat zum Ziel, eine offenen Datenarchitektur von Bauteilen entlang ihres gesamten Lebenszyklus aufzubauen. DIREKT wird mit dem Projekt verknüpft über die Nutzung der Datensemantik zur Verarbeitung der prozess- und produktspezifischen Bauteildaten.

Das Ziel des Projekts FlexCAR ist, eine offene Fahrzeugplattform aufzubauen. DIREKT will Demonstratorbauteilen umsetzen und bildet hierüber die Verbindung zu FlexCAR.

Fluide Produktion will ein menschzentriertes, cyperphysisches Produktionskonzept aufzubauen, DIREKT wird mit FluPro über intelligente und fluide Betriebsmittelmodule verknüpft.

Internationale Zusammenarbeit

Ein weiterer Schwerpunkt im Rahmen der InterSpiN-Förderinitiative liegt auf dem wissenschaftlichen Austausch mit dem australischen Global Innovation Linkage der Swinburne University of Technology in Melbourne. Dieses Projekt beschäftigt sich mit dem Thema der automatisierten Industrie 4.0-Fertigung von Faserverbundbauteilen für große Stückzahlen. Im Rahmen des Projekts wurde bis Mitte 2021 in Zusammenarbeit mit der CSIRO (Australiens National Science Agency, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) das neue I4.0 Testlab eingerichtet – eine Einrichtung für innovative Forschung im Bereich der Fertigung von Verbundwerkstoffen. Neben dem gegenseitigen Austausch von Informationen und Projektergebnissen wird die bestehende internationale Kooperation durch die gemeinsame Betreuung von fünf Doktoranden im Rahmen des GIL-Projekts durch Professor Fox (Swinburne University of Technology) und Prof. Dr.-Ing. Middendorf (IFB, Universität Stuttgart) weiter intensiviert.

Erwartete Ergebnisse von DIREKT

Es wurden fünf konkret erwartete Ergebnisse für das Fokusprojekt definiert:

  1. Eine virtuelle Engineering-Umgebung für das flexible Produktionssystem
  2. Systemfähig lernendes Produktionssystem für die resiliente Produktion von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen
  3. Drei validierte Demonstratoren
  4. Wirtschaftlichkeit, Produktionskonzepte, -strategien & -szenarien der Zukunft
  5. Einführungsstrategien und Anwendungsszenarien der flexiblen Produktionssysteme

Schlüsseltechnologien im Projekt DIREKT

Umformen

In der Fertigungstechnik stellt das Umformen von bspw. kohlenstoffbasierten, textilen Halbzeugen einen der grundlegendsten Prozesse dar. Im klassischen Handlaminat werden Textilien wie Gewebe oder Gelege manuell in die Werkzeugform eingelegt und der Geometrie angepasst. Für eine gesteigerte Produktivität des Umformprozesses gibt es zunehmend automatische Membran- oder Stempelverfahren, um die gewünschte dreidimensionale Form des Bauteils zu erhalten.

Formadaptives Werkzeug

Formwerkzeuge zur Herstellung vor Faserverbundbauteilen können mit hohen Kosten verbunden sein. Vor allem Änderungen bspw. der Geometrie des Werkzeugs gehen meist mit einer Neukonstruktion und -beschaffung einher. Durch den Einsatz eines formadaptiven Werkzeugs, basierend auf der DYNAPIXEL-Technologie, ist eine schnelle Anpassung der Formgeometrie möglich.

Siebdrucktechnik

Ein bewährtes Verfahren im Bereich der Drucktechnik stellt der Siebdruck dar. Basierend auf dem Ausgangsmaterial einer leitfähigen Silberdruckpaste wird die kostengünstige und reproduzierbare Herstellung von Sensorik evaluiert. Hauptaugenmerk liegt in der Integration der Sensorik in den Umformprozess zur kontinuierlichen Datenaufzeichnung.

Edge Analytics

Die fertigungsnahe Datenanalyse in unmittelbarer Nähe zur Produktionsstätte liefert eine frühzeitige Eingriffsmöglich in den Herstellungsprozess eines Bauteils. Die Datenübertragung von der Frontende-Elektronik zur Auswertung der prozessnahen Sensorik wird übern den industriellen Kommunikationsstandard IO-Link realisiert.

„Das interdisziplinäre Arbeiten und die Möglichkeit, jederzeit neue Inspirationen zu erhalten, sind Teil der Kernkompetenz der ARENA2036.“

M.Sc. Michael Liebl

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart