Unreife Prozesse schnell zur Serienreife bringen

Die Karlsruher Forschungsfabrik

Von Olaf Sauer, Fraunhofer IOSB

Dr.-Ing. Olaf Sauer / © Fraunhofer IOSB

Deutschland und das Land Baden-Württemberg verdanken einen Großteil ihres Wohlstandes der Fähigkeit, schnell und immer wieder innovative Produkte auf den Weltmarkt zu bringen. Die in der Karlsruher Forschungsfabrik zu entwickelnde Methodik zielt direkt darauf ab, solche Vorsprünge bei neuen, herausfordernden Fertigungsverfahren systematisch auszubauen. Schon sehr früh, wenn die für ein neues Produkt erforderlichen Fertigungsprozesse noch nicht vollständig verstanden und beherrscht werden, sollen trotzdem qualitativ hochwertige Produkte hergestellt werden. Die in der Forschungsfabrik zu entwickelnde Methodik soll es ermöglichen, den unreifen Fertigungsprozess auf Basis von Sensor- und Messdaten zu einem prozesssicheren und profitablen Prozess zu entwickeln. Mit der signifikant kürzeren ‚Time-to-Market‘ können die Zielmärkte neuer Produkte schon sehr viel früher als heute mit einer üblichen kostengünstigen Serienfertigung erobert werden.

Die beteiligten Partner

In Karlsruhe sind die Fraunhofer Institute ICT und IOSB und das KIT Teil des sog. Digital Hub. In den Hubs vernetzen sich Startups, Wirtschaft und Wissenschaft, um gemeinsam digitale Innovationen zu schaffen. Innovationen entstehen heute hauptsächlich an den Nahtstellen von Disziplinen. Darum arbeiten das Institut für Produktionstechnik (wbk) am KIT, das Fraunhofer ICT mit dem Schwerpunkt Materialwissenschaften und das Fraunhofer IOSB mit den Schwerpunkten Informationstechnik für die Automatisierung und Maschinelles Lernen zusammen daran, neue Produktionsverfahren zur Verarbeitung neuer Materialien und Werkstoffe schnell zur Serienreife zu bringen. Dafür bietet die Informatik neue Methoden und Werkzeuge, und zwar datengetriebene Modelle und maschinelle Lernverfahren, deren Analyse sowie innovative Mess- und Regelungsverfahren. Anwendungsfelder für die schnelle Serienreifmachung in der Karlsruher Forschungsfabrik sind innovativer Leichtbau und die Montage von Batteriemodulen für die Elektromobilität.

Das Fraunhofer ICT forscht und entwickelt seit vielen Jahren an Technologien für den Hybriden Leichtbau, z. B. im Bereich ‚Polymer Engineering‘. Durch die Vernetzung in Fraunhofer-Themenverbünden, die exzellenten Kontakte ins Ausland sowie die Zusammenarbeit mit dem wbk am KIT bietet das ICT Forschungsdienstleistungen von der Idee über die Produkt-, Material- und Verfahrensentwicklung bis hin zur Prototypenherstellung. Das ICT ist u.a. Partner des Innovationsclusters KITe hyLITE mit dem Fokus auf Forschung zu Faserverbundtechnologien für den hybriden Leichtbau. Ziel ist dabei die konsequente Umsetzung eines Multi-Material-Designs (MMD) zur intelligenten Kombination von Faserverbundkunststoffen mit weiteren Werkstoffgruppen,die sich an den jeweiligen Anwendungserfordernissen orientieren. In der Produktion von Hybridem Leichtbau arbeiten das wbk und das ICT daran, bereits etablierte oder neue Faserverbundtechnologien in die industrielle Anwendung zu überführen. Der Fokus liegt dabei auf der Reduzierung von Zykluszeiten, der Steigerung der Funktionsintegration durch Hybridisierung und der Sicherung der reproduzierbaren Bauteilqualität mittels durchgängig automatisierter Produktionsabläufe.

Aufbauend auf den laufenden Aktivitäten wird in der Karlsruher Forschungsfabrik das neue Thema der ‚Intrinsischen Hybridisierung‘ und der Gewinnung von Daten daraus bearbeitet.

Zum Thema Batteriemodule für die Elektromobilität arbeitet das ICT an neuen Konzepten zur effizienten Energiespeicherung. Sowohl in hybrid-elektrischen und batterieelektrischen als auch in durch Range-Extender ausgestatteten Fahrzeugen spielt die Batterie als Energiespeicher eine zentrale Rolle. Das ICT untersucht u.a. thermische Einflüsse auf die Fahrdynamik, die Reichweite und das Ladeverhalten. Für die Elektromobilität werden neuartige Speicher benötigt, die gegenüber bestehenden Systemen Vorteile wie z. B. eine höhere Energiedichte oder geringere Kosten aufweisen. Das Fraunhofer ICT forscht an zahlreichen aussichtsreichen Materialkombinationen wie z.B. Lithium-Schwefel-Zellen, Natrium-Schwefel-Zellen, Siliziumanoden und Solid-State Systemen mit dem Ziel, diese einsatzreif zu machen und dann auch mit geeigneten Fertigungsverfahren serientauglich produzieren zu können.

Aufbauend auf den laufenden Arbeiten, die sich eher mit der Speichertechnologie, den Werkstoffen und den daraus herzustellenden Batteriezellen befassen, sollen in der Karlsruher Forschungsfabrik die erforderlichen Prozesse zur Montage von Batteriezellen zu fahrzeugspezifischen Batteriepacks erprobt und bis zur Serienreife gebracht werden. Hierzu zählen neue Prozesse wie das Stapeln von Zellen und die Konfiguration einer zugehörigen Kühlung, das Verbinden und Fixieren der Zellen sowie deren anschließende Integration mit Sensorik und Steuergerät und die Endmontage in einem geeigneten Gehäuse.

Für das Fraunhofer IOSB waren Aufgaben rund um die produktionsnahe Informationstechnik schon immer wichtige FuE-Themen: Von der Mess- und Regelungstechnik über Embedded Systems bis zu komplexen Leit- und MES-Systemen hat das IOSB wegweisende Beiträge für die industrielle Anwendung konzipiert, entwickelt und geliefert. Das IOSB steht für funktionierende Systemlösungen auf allen Ebenen der industriellen Automatisierung mit der Vision eines durchgängigen Managements von Daten und Informationen. In der Karlsruher Forschungsfabrik entstehen neue Algorithmen und Verfahren an der Nahtstelle zwischen Werkstoff-, Produktions- und Informationstechnik, mit denen die drei Institute in Zusammenarbeit mit der Industrie ‚unreife‘ Prozesse zur Serientauglichkeit entwickeln.

Überblick über den Karlsruher Forschungsansatz

Das Hochlohnland Bundesrepublik Deutschland und das Land Baden-Württemberg verdanken einen Großteil ihres Wohlstandes der Fähigkeit seiner mittelständisch geprägten Industrie, schnell und immer wieder innovative Produkte auf den Weltmarkt zu bringen. Dabei ist es entscheidend, permanent einen wissenschaftlichen und technologischen Vorsprung zu internationalen Wettbewerbern und potenziellen Nachahmern aufrecht zu erhalten.

Die in der Karlsruher Forschungsfabrik zu entwickelnde Methodik zielt geradezu direkt darauf ab, solche Vorsprünge bei neuen, herausfordernden Fertigungsverfahren systematisch zu erarbeiten und auszubauen. Ausgangspunkt ist die immer häufiger anzutreffende Beobachtung, dass neue Fertigungsprozesse nicht mehr wie bisher von Ingenieuren vollständig ausspezifiziert werden. Vielmehr muss es möglich sein, qualitativ hochwertige neue Produkte schon zu produzieren, wenn parallel dazu noch die Fertigungsprozesse entstehen. ‚Unreife Prozesse‘ bezeichnen also Fertigungsprozesse, die noch nicht vollständig verstanden und beherrscht werden, weil sie entweder neu sind, neue Werkstoffe verarbeiten oder weil man nicht genau versteht, welche Prozessparameter eigentlich für die Produktqualität verantwortlich sind. Somit erforscht der Ansatz der Karlsruher Forschungsfabrik, an welchen Schrauben im Prozess man ‚drehen‘ muss, damit die Qualität der Produkte gleichmäßig hoch ist und bleibt. Wenn sich die hier beschriebene Lösungsidee der angewandten Forschung als zielführend erweist, kann der Markt schon sehr viel früher mit den neuen Produkten bedient werden, weil unreife Prozesse schneller industrialisiert werden können.

Wie kann man nun aber den scheinbaren Widerspruch zwischen unreifen Prozessen und einer darauf fußenden Produktion auflösen und gleichzeitig den Prozess zur Reife führen? Die Antwort liegt zum einen in der generischen Grundidee, den unreifen Prozess zunächst massiv mit Sensorik, Messtechnik und Eingriffsmöglichkeiten zu instrumentieren. Zum anderen liegt die Antwort in der disziplinübergreifenden Zusammenarbeit von drei starken Instituten: dem Institut für Produktionstechnik (wbk) am KIT und den beiden Fraunhofer Instituten ICT und IOSB. Sie vereinen die einschlägigen Kompetenzen in der Werkstoff-, Fertigungs- und Verfahrenstechnik sowie in der Automatisierungs-, Sensor- und in der Informationstechnik, die notwendig und hinreichend sind, die wissenschaftlich anspruchsvolle Zielsetzung zu erreichen.

An zwei herausfordernden Fertigungsprozessen, die große Aktualität und hohe wirtschaftliche Bedeutung für die Industrie unseres Landes haben, soll in der Forschungsfabrik der Nutzen der vorgeschlagenen neuen IKT-basierten Methodik beispielhaft gezeigt werden und dabei gleichzeitig zwei innovative Fertigungsprozesse entstehen. Zum einen sollen Fertigungsprozesse für Leichtbauteile und zum anderen ein Fertigungsprozess zur Montage von Batteriemodulen möglichst praxisnah und nahe zur Serienreife ausgereift werden. Der Leichtbau gehört zu den wichtigsten Zukunftstechnologien im Fahrzeug- und Maschinenbau. Zur Königsdisziplin entwickelt sich dabei der hybride Leichtbau. Darunter wird die Kombination von verschiedenen Werkstoffen verstanden, die im Verbund die besten Gesamteigenschaften für ein betrachtetes System hervorbringen, nach dem Motto: „das richtige Material an der richtigen Stelle“. Die Karlsruher Forschungsfabrik hat u.a. die Aufgabe, gemeinsam mit Industriepartnern grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet des faserverbundbezogenen hybriden Leichtbaus zu betreiben, speziell um die zur Verarbeitung erforderlichen Fertigungsprozesse schnell marktreif zu machen.

Dem Einsatz von Batterien auf Basis der Li-Ionen Technologie kommt eine besondere Bedeutung zu, denn keine andere Speichertechnologie hat sich in den letzten 15 Jahren nur näherungsweise mit vergleichbaren Wachstumsraten entwickelt. Der Markt der modernen Hochleistungsbatterien wird heute von der Li-Ionen Technologie dominiert, der zukünftig noch erhebliche Leistungssteigerungen zugetraut werden: Die maximalen theoretischen Energiedichten liegen im Bereich von 2.600 Wh/kg (Li-S) bis 11.100 Wh/kg (Li-O2). Damit sind die theoretischen Werte in derselben Größenordnung wie die Energiedichten fossiler Energieträger. Ein vielversprechender Einsatzbereich moderner Hochleistungsbatterien ist die Elektromobilität. Allerdings sind zur effizienten und industriellen Serienherstellung von Batteriesystemen neue Fertigungsprozesse und -verfahren zu entwickeln, die dann schnell in industrielle Fabriken einziehen können. Dies ist eine weitere Aufgabe der Karlsruher Forschungsfabrik.

Simultan zu den beiden exemplarischen Anwendungsfeldern sollen beide Prozesse schon parallel zur Entwicklungsphase produktiv werden. Im Kontext von „Industrie 4.0“ adressiert die Karlsruher Forschungsfabrik ganz selbstverständlich die vollständige Vernetzung der Fertigungsprozesse sowie der Echtzeitverarbeitung und Nutzung aller verfügbaren Daten, die in den Fertigungsteilprozessen sowie bei der Gestaltung und (Um-)Strukturierung von Leichtbau und Batteriemodulmontage anfallen.

Für die vielen innovativen kleinen und mittelständischen Unternehmen in Baden-Württemberg ist die in der Forschungsfabrik Karlsruhe zu entwickelnde Methodik von größtem Wert, um deren internationale Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu unterstützen und auszubauen. Im Spannungsfeld zunehmender Individualisierung der Produktion, hoher Variantenvielfalt, neuer Technologien und komplexen Fertigungsprozessen kann die Forschungsfabrik unseren Unternehmen entscheidende Vorteile im globalen Wettbewerb bieten. Selbstverständlich sollen schon von Anfang an interessierte Unternehmen aktiv eingebunden werden, um einen zielgerichteten und schnellen Transfer der Ergebnisse zu gewährleisten.

Die Infrastruktur der Forschungsfabrik

Gemeinsam mit dem Land Baden-Württemberg und dem KIT wurde ein Grundstück auf dem Campus-Ost des KIT als Standort für die Forschungsfabrik Karlsruhe festgelegt. Der Baukörper der Forschungsfabrik konzentriert sich in einem L-förmigen Gebäude, der in weiteren Ausbaustufen kammartig erweitert werden kann. Das Gebäude der Forschungsfabrik besteht aus zwei Teilgebäuden: einem KIT-Gebäudeteil und einem Fraunhofer-Gebäudeteil. Beide Gebäudeteile sind durch einen repräsentativen Foyerriegel miteinander verbunden. Der KIT-Gebäudeteil enthält den Leichtbau mit allen erforderlichen Maschinen und Anlagen. Aus Gründen der Verdichtung ist das Fraunhofer-Teilgebäude zweigeschossig: im Erdgeschoss ist die E-Mobilität, im Obergeschoss die Fläche für die Industrie 4.0-Forschungsarbeiten angeordnet. Das Gebäude und seine Einrichtung sind so flexibel bzw. wandlungsfähig, dass die Fertigungsprozesse einfach umgebaut oder ausgetauscht werden können. Ausstellungs- und Präsentationsflächen sind ebenfalls vorgesehen. Die geplanten Besprechungs- und Seminarräume werden für Schulungen und Trainings genutzt; Technologietransfer in die Unternehmenscluster
der Region findet schon heute statt und soll mit der mit der Forschungsfabrik verstärkt werden.

www.mes.fraunhofer.de

Quelle: OEM&Lieferant – Ausgabe I/2018