POLYLINE | Integrierte Linienanwendung von polymerbasierten AM-Technologien

Digitalisierte Fertigungslinien für die Automobilbranche

Das Projekt POLYLINE bringt 15 Industrie- und Forschungspartner aus Deutschland zusammen, um eine digitalisierte Fertigungslinie der nächsten Generation zu entwickeln. Mit dieser sollen Kunststoffbauteile für die Automobilbranche hergestellt werden. Ziel ist es, die konventionellen Fertigungstechniken (z. B. Zerspanen, Gießen etc.) durch Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) in Form von durchsatzstarken Linienproduktionssystemen zu ergänzen. So soll eine durchgängige digitale Prozesskette von der Konstruktion bis zur Produktfertigung geschaffen werden.

Additive Fertigungsverfahren in der Linienproduktion

Bisher ist die vertikale und horizontale Integration von Additiven Fertigungsverfahren in konventionelle Linien nur begrenzt umgesetzbar. Dies ist einerseits auf AM-spezifische Produktionsschritte (z. B. Produktionszeit im „Batch-Prozess“) und auf den allgemein niedrigen Automatisierungsgrad der Bearbeitungs- und Transportprozesse zurückzuführen. Das Resultat sind isolierte Produktionsschritte und ein großer manueller Aufwand. Andererseits existiert entlang der horizontalen Prozesskette an vielen Schnittstellen keine durchgängige digitale Datenkette, was wiederum zu mangelnder Transparenz, hoher Fehleranfälligkeit und einem begrenzten Monitoring entlang der Prozesse führt. Effektive Produktionsplanung und -steuerung wird dadurch erschwert. Das große Potenzial von Additiven Fertigungsverfahren kann durch solche Einschränkungen stark gehemmt werden.

Ziel von POLYLINE ist es, die Additive Fertigung mit polymerbasiertem Laser-Sintern (LS) zu einem automatisierten und effizienten Produktionsprozess weiterzuentwickeln. Die Additive Fertigungstechnologie soll somit klassischen Prozessen in durchsatzstarken Linienproduktionssystemen auf Augenhöhe begegnen können. Dadurch kann am Standort Deutschland eine flexiblere Produktion mit Teileproduktion begünstigt werden, was am Beispiel von Serienteilen aus der Automobilindustrie gezeigt werden soll.

Das Projekt POLYLINE wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
© Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Das Projekt POLYLINE wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 10,7 Millionen Euro gefördert. Die Projektlaufzeit beträgt drei Jahre.
Schematische Darstellung einer Laser-Sinter-Produktionslinie
© G. Katsimitsoulias, Fraunhofer IML
Schematische Darstellung einer Laser-Sinter-Produktionslinie

Ganzheitlicher Lösungsansatz für automatisierte und integrierte Produktionslinien

Im Projekt POLYLINE wird daher ein digitaler und physischer Systemdurchstich verfolgt. Vom CAD-Modell bis zur fertigen Komponente werden dabei alle wichtigen Parameter und Qualitätskriterien (einschließlich Kennzeichnung, Historie und Messwerte) erfasst und dokumentiert. Von der Prozessvorbereitung über den Laser-Sinter-Prozess, das Abkühlen und Auspacken bis hin zur Reinigung und Nachbearbeitung der Teile werden alle Teilprozesse der Produktion automatisiert und in die geplante Produktionslinie integriert, in der alle Gewerke einer LS-Fertigungskette vollständig verknüpft sind.

POLYLINE nutzt damit einen neuen Lösungsansatz, der alle benötigten Prozesse ganzheitlich betrachtet und implementiert. Die angestrebte Fertigungslinie soll dabei entsprechend der Anforderungen seitens des Anwendungspartners mit einem hohen Reifegrad umgesetzt werden. Die Anwendungsfälle umfassen personalisierte Komponenten sowie Serienbauteile in großen Stückzahlen.

Das POLYLINE-Vorhaben kurz erklärt

Svenja Krotil und Philipp Scherwitz vom Fraunhofer IGCV erklären die Ziele des POLYLINE-Projekts:

Automatisierte Linienfertigung für das Laser-Sintern – Digitalisierung & Serienproduktion

Ein Schwerpunkt des Fraunhofer IGCV liegt im Rahmen des Vorhabens in der Entwicklung einer digitalen Prozesskette für additiv gefertigte Kunststoffbauteile. Für den Durchbruch der Additiven Fertigung in der Serienproduktion ist eine durchgängige Datenverfügbarkeit von elementarer Bedeutung. Das Ziel dieses Teilvorhabens ist es daher, die verschiedenen, eingesetzten Softwarelösungen über standardisierte Schnittstellen miteinander zu verknüpfen, um die Entscheidungsqualität zu verbessern.

Wichtige Teilziele sind dabei die Konzeption einer geeigneten Systemarchitektur für die Softwarelösungen sowie die Gestaltung der Schnittstellen zwischen den Softwaresystemen. Des Weiteren soll gemeinsam mit den Projektpartnern ein Vorgehen zur eindeutigen Identifizierung der Bauteile erarbeitet werden, um die Prozessdaten dem digitalen Zwilling zuordnen zu können. Auf dieser qualitativ und quantitativ besseren Datengrundlage kann anschließend ein neuartiger Ansatz zur Produktionsplanung und -steuerung unter Berücksichtigung der einzigartigen Eigenschaften der Additiven Fertigungstechnologien entwickelt und über ein Simulationsmodell auf seine Eignung für die Serienproduktion überprüft werden.

Feinstreinigung & Sauberkeitsanalyse

Im Bereich der Bauteilreinigung bzw. Veredelung liegt das Augenmerk auf der technischen Sauberkeit. Neben dem zunehmenden Bedarf an Additiver Fertigung sind die Anforderungen an die technische Sauberkeit im Hinblick auf Veredelungsprozesse in den letzten Jahren stark gestiegen. Durch den Vorteil der Additiven Fertigung, komplexe Strukturen erzeugen zu können, ergibt sich zugleich der Nachteil der prozessbedingten Ansammlung von Verunreinigungen in feinen und somit schwer zugänglichen Zwischenräumen bzw. Kanälen im Bauteil. Zudem stellt die Zunahme der Teilevielfalt eine Herausforderung für die Bauteilreinigung dar. Das vielfältige Spektrum an Produktgruppen, Baureihen und Qualitätsniveaus (z. B. Verschmutzungsgrad) erfordert jeweils spezifische Reinigungsschritte, wobei die damit zusammenhängenden Produktvarianten in vielen Prozessvarianten für die Additive Fertigung münden.

Obwohl besonders die Bauteilreinigung einen entscheidenden Prozess der Additiven Fertigung darstellt, wurde dieser Bereich – mangels eines fundierten Prozesswissens in der Forschung und Industrie – bisher meist vernachlässigt. Aus diesem Grund werden heute umfangreiche Innovationspotenziale (z. B. fehlende Spezifikationen, Grenzen eingesetzter Reinigungstechnologien, nicht etablierte Analysemethoden) sowie Einsparungspotenziale (z. B. Zeit, Kosten, Ausschuss) noch nicht vollends ausgeschöpft. Daher müssen Reinigungsprozessketten erarbeitet werden, welche prozessuale Lücken schließen und so ein durchgängiges Produkt-Engineering und effizienzgesteigerte Veredelungsprozesse der Bauteile für industrielle Anwendungen ermöglichen. Zudem gilt es, die technische Sauberkeit zu verbessern, Ressourcen einzusparen sowie die notwendige Arbeitssicherheit zu gewährleisten.

Reinigungstechnologien in der industriellen Produktion (Ultraschall)
© Fraunhofer IGCV
Reinigungstechnologien in der industriellen Produktion (Ultraschall)

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