Hur kan massproduktionsmetoder tillämpas på individualiserade produkter? Ett svar är att använda en kombination av digital tillverkningsteknik, till exempel genom att integrera digitaltryck och laserbearbetning i traditionella tillverkningsprocesser. Detta banar väg för in-line produktanpassning. Sex Fraunhofer-institut har slagit samman sin expertis för att ta den nya processen till nästa nivå.

Termen massproduktion antyder i allmänhet ett stort antal identiska produkter som rullar av ett löpande band. Dock, de senaste trenderna kräver individualiserade produkter. Bilindustrin är ett exempel på denna trend:Volkswagen, till exempel, producerar endast en eller två identiska Golf-modeller per år. Ändå pressar denna strävan mot individualisering också massproduktionstekniker till sina gränser. Fraunhofer Lighthouse Project Go Beyond 4.0 syftar till att möta denna utmaning genom att möjliggöra massproduktion av individualiserade produkter. Det är ett samarbete mellan fyra olika Fraunhofer-grupper och sex Fraunhofer-institut:Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM, Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC och Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU. Projektet leds av Fraunhofer ENAS i Chemnitz.

"Just nu, individualisering inom fordonsindustrin innebär i princip att förbereda varje fordon för varje möjlig version och sedan lägga till de specifika funktioner som varje kund har beställt i slutet av raden. Detta betyder, till exempel, att varje bil måste vara utrustad med hela ledningsnätet, " säger projektledaren professor Thomas Otto. Professor Reinhard Baumann, som arbetar på Fraunhofer ENAS och är ansvarig för att koordinera Lighthouse Project, förklarar det nya konceptet:"Genom att kombinera traditionella tillverkningsmetoder med framväxande digital teknik och produktionsprocesser, vi har hittat ett sätt att integrera produktindividualisering i massproduktionsmiljöer. Vår tyngdpunkt ända från början har legat på produkt- och produktionssäkerhet, men vi har fortfarande en lång väg kvar att gå."

Utskrift på två- och tredimensionella komponentytor av vilken form som helst

Grundkonceptet är enkelt:Precis som en bläckstråleskrivare på kontoret, forskarna använder bläckstråle- och dispenseringsteknik för att skriva ut geometriska mönster. Men istället för att använda färgat bläck – med andra ord, bläck som har funktionen "färg" - de använder bläck med funktioner som elektrisk konduktivitet, halvledning och isolering. Denna teknik kan användas för att skapa både enskikts- och flerskiktssystem. Även sensorer och transistorer är möjliga. "Och jag kan göra allt detta inte bara på smidigt, jämna ytor som ett pappersark men också, använder robotar, på tredimensionella böjda arbetsstycken som djupdragna bildörrar, " säger Baumann. Den andra digitala tillverkningstekniken som spelar in är lasern. Forskare vid de sex Fraunhofer-instituten har kombinerat de två metoderna. Som ett resultat, laserstrålen följer exakt linjen som tas av skrivaren, tillåter det, till exempel, för att bota tidigare tryckta fotopolymerer eller sintra nanopartikelfärger. Många robotar används redan för monteringsändamål på verkstadsgolvet, ändå är den nya metoden väldigt annorlunda. "Vi har uppnått förbättringar av storleksordningen i utskriftens rumsliga upplösning med radbredder ner till cirka 50 mikrometer, säger Baumann.

Från bil och flyg till optik

För att demonstrera den universella tillämpningen av deras tillvägagångssätt, Fraunhofer-forskarna har redan genomfört tre demonstratorer för de viktigaste framtida marknaderna för fordonsteknik, flyg och optik. Användningen av digital tillverkningsteknik öppnar dörren för att producera små partier av individualiserade massprodukter. Bilar, till exempel, innehåller vanligtvis upp till åtta kilometer kopparledningar, väger motsvarande cirka 160 kilo. Experter kan använda digitaltryck för att skriva ut signalbärande ledningsbanor på kroppsdelar som dörrar, därigenom ersätta några av de tunga koppartrådarna med tryckta ledarspår. Detta gör fordonen lättare och minskar bränsleförbrukningen.

I flygplan, forskargruppen fokuserar på sensorer som för närvarande är limmade eller fastskruvade. "Vi tar den typ av beprövade fiberkompositmaterialtekniker som används i lättviktskonstruktioner och införlivar sedan digitala produktionsprocesser, "säger Baumann. Med denna metod, forskarna skriver digitalt ut både enskilda ledarbanor och hela sensorsystem på glasfiber- eller kolmattor. De impregneras sedan med ett syntetiskt harts som integrerar dem direkt i den lätta komponenten. I ett första steg, forskarna lyckades använda denna metod för att införliva temperatur, kapacitiva och slaggivare i vingelementen i ett kommersiellt flygplan samt UHF -antenner och lysdioder.

Optiska komponenter som strålkastarlinser för bilar är vanligtvis tillverkade av polerat glas eller plast. De nya teknologierna som utvecklats i Go Beyond 4.0 Lighthouse Project öppnar för ytterligare möjlighet att tillverka friformad optik som kombinerar egenskaperna hos tre linser inom ett enda element istället för bara egenskaperna hos en enda lins. Denna friformsoptik kan också innehålla lysdioder, och därmed signalfunktioner. "Detta gör det möjligt för oss att producera komplexa optiska element som tidigare skulle ha varit otänkbara, "säger Baumann. Huvudfokus ligger på potentiella nya applikationer. Optik i fri form kan projicera information som genereras av fordonet på vägen utan att kräva någon form av skärm-till exempel projicera en stoppskylt innan den riktiga stoppskylten ens syns. fordonet kan hämta den nödvändiga informationen från internet eller från nätverksmiljön.

En av teknikens största fördelar är att den kan användas för att bearbeta arbetsstycken "in-line" i tillverkningsmiljön. Istället för det nuvarande systemet att ta bort produkter från produktionslinjen för individualisering och sedan mata in dem igen efteråt kan de helt enkelt stanna kvar i produktionslinjen från början till slut. Detta är redan möjligt i laboratorieskala, och forskarteamen försöker nu uppnå cykeltiderna för verkliga produktionslinjer. På samma gång, de fortsätter att optimera själva teknologierna och förbättra hur de fungerar i kombination. "Detta Lighthouse Project har sammanfört ett utomordentligt högpresterande team av människor som verkligen vet hur man samarbetar effektivt, " säger Baumann. "De resultat vi har uppnått hittills gör det möjligt för oss att ta oss an ytterligare marknader och arbeta på dem tillsammans, säger Otto.