EU-Interreg-Projekt Smart Production

Effiziente Kleinserien-Fertigung

Das Projekt „Smart Production“ bringt neue Technologien im Bereich 3D-Druck und Tiefziehen auf ein neues Niveau im industriellen Maßstab.

3D-gedrucktes, scharfkantiges Inlet. © Netzwerk Oberfläche

Die Produktion und Qualitätssicherung von Kleinserien gewinnt in verschiedenen Bereichen zunehmend an Bedeutung – so zum Beispiel in der Medizintechnik, im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in Luft- und Raumfahrt. Zurzeit ist dies aber meist teuer und umständlich, da sich erst die Produktion größerer Chargen lohnt. Die notwendige Vereinfachung der Produktion von Kleinserien setzte sich ein EU-Projekt zum Ziel.

Das EU-Interreg-Projekt „Smart Production“ wurde als Projekt 2016 vom Netzwerk Oberfläche NRW mit Sitz in Münster initiiert und vereint insgesamt 15 deutsche und niederländische Projektpartner aus Industrie und Forschung. „Es ist uns gelungen, 3D-Drucker mit einem Druckvolumen größer als 1 m3 und die individuelle Fertigung in Tiefziehprozessen mit einer variablen Mould zu realisieren sowie die vollautomatische zerstörungsfreie Qualitätssicherung zu ermöglichen“, sagt der Projektleiter Martin Gründkemeyer zum erfolgreichen Abschluss des Projektes im Juli.

Die Fertigung von Teilen in Kleinserien stellt in etablierten Produktionsverfahren, vor allem aus wirtschaftlicher Sicht, eine besondere Herausforderung dar. Zum größten Teil ist das auf die anfallenden Fixkosten zurückzuführen, die zum Beispiel für die Entwicklung und Erstellung von Tiefziehformen anfallen. Angesichts der stetig steigenden Nachfrage nach individuellen Lösungen und Produkten sowie dem steigenden Bedarf an Prototypen durch immer kürzere Innovationszyklen gibt es zudem seit einigen Jahren einen starken Trend hin zu flexiblen Produktionssystemen. Vor diesem Hintergrund konzentrierte sich das multilaterale Projekt „Smart Production“ auf die Optimierung von 3D-Drucktechniken mit der Verwendung von flexiblen Kunststoffen („thermoplastische Elastomere“, TPE), die Entwicklung eines Großraum-3D-Drucker-Prototypen und auf die Entwicklung eines flexibel programmierbaren Tiefziehwerkzeugs, die zur Fertigung von individualisierten Kleinserien eingesetzt werden können. Die dritte Säule des Projekts stellte die Herstellung und Optimierung eines zerstörungsfreien Messsystems auf nichtmetallischen Oberflächen mittels der THz-Technologie für die Qualitätssicherung dar.

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3D-Druck in neuen Dimensionen

Im ersten Teilprojekt „additive Fertigung“ wurde ein kompakter 3D-Drucker entwickelt, der auf einem Förderband theoretisch endlos lange Teile in einem Stück fertigen kann. So konnten zum Beispiel lange Dichtungen aus flexiblem TPE in Shore 90 hergestellt werden. Zudem konnte durch die Entwicklung eines Extruders mit variabler Anpressdruckkontrolle die Prozesssicherheit des FFF/FDM-Verfahrens signifikant gesteigert werden. Eine weitere Maßnahme des Teilprojekts bestand in der Entwicklung von Techniken zur effizienten Realisierung von Großraum-3D-Druckern mit Druckvolumina von einem bis mehreren Kubikmetern. Hierzu wurde eine größenskalierbare Automatisierungsplattform entwickelt, die für die erforderlichen großen Abstände eine hinreichend hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit der Position des 3D-Druckkopfs ermöglicht. Für eine detaillierte Charakterisierung und Überprüfung der Positionierung während der Inbetriebnahme großvolumiger Drucker wurde ein kamerabasiertes Verfahren erfolgreich getestet. Die Erkenntnisse aus dem Teilprojekt haben die Realisierung eines 3D-Druckers mit einem Druckfläche von circa 2 m2 für Forschungsanwendungen ermöglicht. Solche Großraumdrucker werden die Fertigung von größeren Bauteilen in Kleinserie zukünftig erheblich vereinfachen.

Werkzeug für thermoplastische Tiefziehprozesse

Tiefziehmaschine mit eingebautem flexiblen Werkzeug © Netzwerk Oberfläche NRW

Für das Teilprojekt „Fleximould“ wurde ein neues thermoplastisches Umformverfahren erforscht, das die zeit-, kosten- und ressourceneffiziente Herstellung von Einzelstücken und Kleinserien ermöglicht. Mit der Fleximould ist es möglich, geeignete Materialien auf einer Fläche von 1.600 mm x 600 mm und 300 mm Höhe tiefzuziehen. Ausgehend vom 3D-CAD-Modell des Bauteils wird die gewünschte Form direkt mithilfe eines automatisierten Stellmechanismus erzeugt, der sich am Prinzip Pinart bzw. Nagelspiel orientiert. Durch das Thermo-Umformen sind großflächige Teile mit relativ dünner und einheitlicher Wanddicke in Zukunft schnell und kostengünstig herstellbar. Zur Darstellung scharfkantiger Strukturen werden 3D-gedruckte Inlets in der Form eingesetzt. Im Rahmen des Projektes wurde zudem die Fertigung von individuell dem Körper angepassten Sitzschalen, zum Beispiel für Rollstühle von Menschen mit multiplen körperlichen Einschränkungen ermöglicht. Ohne solche Hilfsmittel ergeben sich Druckstellen, die zu weiteren Erkrankungen, Muskelverspannungen oder anderen Problemen führen. Im Rahmen der Kooperation wurde mit dieser Technologie nachgewiesen, dass innerhalb von zwei Tagen eine entsprechende Schale zur Probe gefertigt werden kann. Damit wurde die Fertigungszeit zur Definitivversorgung erheblich verkürzt, so dass betroffene Personen nicht mehrere Wochen auf das angepasste Hilfsmittel warten müssen. Für die Zukunft ist geplant, die Anwendbarkeit dieser Technologie weiter zu untersuchen und in den Markt einzuführen.

Berührungslose Qualitätskontrolle auf nichtmetallischen Oberflächen

Eingestelltes Werkzeug der FlexiMould. © Netzwerk Oberfläche NRW

Im dritten Teilbereich „Monitoring“ wurden Analysemethoden zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung von Schutzlackierungen auf Kunststoffen und Faserverbundstoffen entwickelt. Die Projektpartner analysierten und konkretisierten Messmethoden auf Basis von Terahertzstrahlung, die auch auf nichtmetallischen Untergründen anwendbar sind und im Vergleich zu klassischen Methoden ein größeres Spektrum an Informationen bei der Untersuchung mehrlagiger Beschichtungen bieten. Anwendungen lassen sich beispielsweise für die zerstörungsfreie Mehrlagen-Schichtdickenmessung zur Qualitätskontrolle von Beschichtungssystemen finden.

In diesem Zusammenhang wurden Algorithmen für die Analyse der Schichtanzahl sowie der dielektrischen Materialeigenschaften von Beschichtungsstoffen erforscht. Spezielle Auswertalgorithmen für dynamische Anwendungen erlauben es, örtliche Defekte in dielektrischen Materialien zu lokalisieren und als Bild darzustellen. Hierfür wurde die THz-Technologie mit einem robotergestützten Positionierungssystem auf Basis eines Cobots kombiniert, sodass es zukünftig möglich sein wird, Messungen sowohl interaktiv durch Mensch-Roboter-Kollaboration durchzuführen als auch größere Flächen automatisiert zu vermessen. Im Rahmen dieses Teilprojekts wurde hierfür ein „Proof of Concept“-Demonstratorsystem erarbeitet. „Nachdem die Entwicklung der Anlagen abgeschlossen war, gab es bereits während der Projektlaufzeit zahlreiche Kooperationen, um die neuen Technologien in die bestehenden Produktionsverfahren zu etablieren“, berichtet Gründkemeyer und bietet an, auch anderen interessierten Unternehmen die Anlagen zum Testen zur Verfügung zu stellen. Außerdem stellt das Projekt einen weiteren wichtigen Schritt für die grenzübergreifende Zusammenarbeit zwischen Akteuren aus Deutschland und den Niederlanden dar und konnte nicht zuletzt wegen der breit gefächerten, fachspezifischen Expertise der beteiligten Wissenschaftler und Unternehmer erfolgreich abgeschlossen werden. Das Projekt Smart Production wird im Rahmen des Interreg-Programms Deutschland-Nederland mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), des Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes NRW, des Ministerie van Economische Zaken en Klimaat sowie der Provinzen Fryslân, Gelderland und Overijssel kofinanziert.

Netzwerk Oberfläche NRW, www.oberflaeche-nrw.de

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