Qualität und technische Sauberkeit

Reinigen bedeutet nach DIN 8592 das Entfernen unerwünschter Stoffe (Verunreinigungen) von der Oberfläche von Werkstücken bis zu einem erforderlichen, vereinbarten oder möglichen Grad. Die technische Sauberkeit wird dabei vom Endnutzen oder vom Folgeprozess bestimmt.

Um Bauteile zu reinigen, verwendet das Fraunhofer IGCV in Abhängigkeit der Sauberkeitsanforderungen verschiedene Verfahren. Dabei werden zahlreiche Reinigungsanalgen im Haus genutzt, wie beispielsweise eine Ultraschallreinigungsanlage, Strahlanlage, CO2-Schneestrahlenanlage, Niederdruckplasmareinigung oder Pinselwaschtische. Sollten wir dennoch eine Anlage benötigen, welche nicht in unserem Bestand vorhanden ist, so können wir auf ein großes Partnernetzwerk zurückgreifen. So ist es uns möglich, anwendungsspezifische Lösungen zu konzipieren.

Produktionsbedingte Verschmutzungen werden somit effizient minimiert, um einen erfolgreichen Folgeprozess durchführen zu können. Beispiele für solche Verschmutzungen sind Öl-Rückstände, die den nachfolgenden Schweißvorgang beeinträchtigen, oder Öl-Fett-Rückstände, die die nachfolgende Lackierung beeinflussen.

Als Beispiel für die allgemeine Bauteilreinigung dient das Projekt Ultrarein.

Im Bereich der additiven Fertigung befassen wir uns überwiegend mit den Verfahren Laser-Strahlschmelzen (Laser-based Powder Bed Fusion, kurz LPBF) und Kaltgasspritzen (DED Verfahren). Als Werkstoff werden ausschließlich Metalle und keine Kunststoffe verwendet. Darüber hinaus gehen wir intensiv auf die Multimaterialverarbeitung ein.

Die große Herausforderung ist dabei, dass der Werkstoff auch die Verschmutzung darstellt. Bei der additiven Fertigung verschmelzen die Werkstoffpartikel mit der Oberfläche. Dabei kann es am Ende des Fertigungsprozesses vorkommen, dass sich nicht alle Partikel (vollkommen) mit dem Werkstück verbunden haben. Diese können sich lösen und stellen somit eine Verschmutzung in den weiteren Produktionsschritten dar. Eine weitere Herausforderung birgt die Bauart der meisten Bauteile. Viele sind sehr komplex gebaut, sodass die Reinigungsmechanismen nicht alle Flächen innerhalb des Werkstücks erreichen können. Die aktuellen Reinigungstechnologien stoßen bereits hier an ihre Grenzen.

Unser Ziel ist deshalb, mit unserer Forschung diese Strukturen zu analysieren, um optimale Reinigungsverfahren zu erarbeiten. Dafür entwickeln wir Analysemethoden, die überprüfen, ob der gewünschte Reinigungszustand erreicht wurde. So wird sichergestellt, dass der Pulverwerkstoff später die Nutzung nicht gefährdet, Schäden am Bauteil entstehen oder sogar gesundheitliche Risiken für Mitarbeitende und Kunden auftreten. Darüber hinaus werden so Ressourcen geschont, Geld wird gespart und Ausschüsse werden verringert.  

Weiterhin nutzen wir Technologien aus dem Umfeld der zerstörungsfreien Prüfung, um die Qualität des Bauteils bereits während des Prozesses überwachen zu können. Dadurch wird es möglich, fehlerhafte Bauteile direkt zu erkennen und frühzeitig aus dem Prozess zu schleusen.

Wir beschäftigen uns im Bereich der Batterieproduktion mit verschiedenen Reinigungsverfahren und der Qualitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Dabei untersuchen wir sowohl die Elektrodenoberflächen als auch die Batterieseparatoren.

Partikuläre Verunreinigungen auf der Elektrodenoberfläche von Lithium-Ionen-Batteriezellen lassen sich mittels aktiver Thermografie erkennen. Fertigungsbedingte Kontaminationen müssen zielgerichtet, effizient und beschädigungsfrei von den Batterieseparatoren entfernt werden. Die Detektion der Verunreinigungen geschieht durch verschiedene optische Prüfverfahren. Diese Verfahren werden ständig evaluiert und weiterentwickelt, um die Qualität in der Batteriefertigung zu sichern.

Informationen zur Forschungsfertigung Batteriezelle  

Die Verbindungstechnik beschreibt die konstruktiven Methoden des Zusammenbaus von technischen Gebilden aus ihren Einzelteilen. Dabei können Verbindungen lösbar, nicht lösbar oder bedingt lösbar sein. Verbindungstechniken können nach physikalischen Wirkprinzipien eingeteilt werden: formschlüssig, kraftschlüssig und stoffschlüssig.

Der Fokus unserer Arbeit liegt hier besonders auf der Vorbereitung von verschiedenen Oberflächen zum Löten, Schweißen und Kleben. Dabei müssen die Flächen zwingend frei von Verunreinigungen, wie beispielsweise durch Öle und Fette, sein. Ansonsten kann es passieren, dass sich die Schweißnähte nicht richtig ausbilden oder der Kleber nicht richtig wirkt. Dies hat zur Folge, dass der weitere Verarbeitungsprozess möglicherweise nicht erfolgreich durchgeführt werden kann.

Unter dem Begriff Oberflächentechnik versteht man allgemein alle Technologien, die Oberflächeneigenschaften verändern können. Dabei muss die Oberfläche der Bauteile entsprechend dem Nachfolgeprozess angepasst werden.

Je nach Anforderungsprofil kann die Oberfläche auch noch viele weitere Funktionen erfüllen. In unserem Forschungsbereich sind beispielsweise eine gute Korrosionsbeständigkeit, Benetzbarkeit oder Lackierbarkeit wichtig.

Als Refabrikation (engl.: remanufacturing) wird der industrielle Prozess der Aufarbeitung gebrauchter Produkte bezeichnet. Dabei werden Lösungen erarbeitet, um beispielsweise Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge kostengünstig und ressourcenschonend mit Ersatzteilen höchster definierter Sauberkeitsgrade und ursprünglicher Funktion zu versorgen. Die dabei zur Verfügung gestellte Produktleistung soll gleichwertig einer äquivalenten Neufertigung sein.

Trotz der vielfältigen etablierten Anwendungsfelder bestehen bei der Refabrikation Optimierungspotenziale hinsichtlich Kosten und Qualität. Ursache dafür sind oftmals kleinste Verunreinigungen, welche zu einer Beeinträchtigung der Produktqualität bis hin zu Systemausfällen führen können. Beispielhaft kann hier ein Motorschaden als Ergebnis unzureichender technischer Sauberkeit eines Zylinderkopfs genannt werden. Beispiele und Analysen zeigen, dass durch die Refabrikation von Altteilen im Einzelfall bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten eingespart und die Materialverbräuche bis zu knapp 90 Prozent reduziert werden können.

Typische Produktsegmente der Refabrikation sind mechanische, mechatronische und elektronische Kfz- und Lkw-Teile bzw. Baugruppen, wie z. B. Anlasser, Lichtmaschinen, Motoren, Getriebe und Bremssättel.

Weitere Informationen zur Auslegung von Reinigungsprozessketten in der Refabrikation bietet unser Projekt ASPIRE.