Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Q&A

Dominik Nemec

»Wie lässt sich die Übertragung digitaler Signale automatisieren?«

»Durch die Anwendung neuer Materialien, die die Herstellungs- und Montageprozesse vereinfachen.«

Nehmen wir das Beispiel Automobilindustrie. Trotz hoher Automatisierung in der Fahrzeugindustrie werden Kabelbäume immer noch manuell gefertigt und verlegt. Das ist zeitintensiv und kostet Geld. Ein neues Verfahren soll Abhilfe schaffen: Zum einen durch die Substitution von Kupfer – stufenweise durch elektrisch leitfähige Polymere, basierend auf ternären Kompositen. Zum anderen durch die automatisierte Roboterextrusion mit Kontaktierung und Isolierung – am Beispiel einer Autotür.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Herstellung und der gleichzeitig automatisierte Einbau von Leitungen und Bordnetzen aus Kunststoff wirken sich kosten- und zeitsparend auf die Produktion aus. Durch die Automatisierung der Herstellungs- und der Montageprozesse verbessern sich die Prozesssicherheit und die Reproduzierbarkeit. Und ganz nebenbei werden Komplexität, Gewicht, Umweltbelastung und Ressourcenverbrauch spürbar reduziert.

Im Rahmen von Entwicklungsprojekten unterstützen wir bei der Auswahl der richtigen Matrixmaterialien, Additiven, Stabilisatoren und Verarbeitungsprozessen. Somit können die benötigten Eigenschaften von Dispersions- und Verbundwerkstoffen erreicht werden.

Dirk Schlenker

»Miniaturisierung bis ultimo:
Wie viel ist überhaupt noch möglich?«

»Wir können Bauteile, die kleiner als ein halber Millimeter sind, schonend vereinzeln, zuordnen und den weiteren Prozessschritten zuführen.«

Neben neuen Materialien, der Erfordernis höchster Präzision beim Umgang mit kleinsten Bauteilen sowie dem immer größeren Bedürfnis nach definierten Umgebungsbedingungen, ist das Verständnis und das Knowhow über die Gesetze im »Mikrokosmos« unerlässlich. Der Wandel von im Mikrobereich vermeintlichen Störgrößen und Effekten, wie beispielsweise Adhäsion oder Elektrostatik, in nutzbare Technologien, lässt uns stets neue Stufen der Miniaturisierung erklimmen.

Mit dem »IPA.FluidSorting« ist es gelungen, die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten gezielt auszunutzen und damit Bauteile unter einem halben Millimeter Größe schonend zu vereinzeln, zu ordnen und den weiteren Prozessschritten zuzuführen. Das Potenzial, mit neuen Ansätzen neue Montagelösungen zu finden, neue Wege zu beschreiten und somit neue Produkte zu schaffen, ist groß und steckt in vielen Bereichen sprichwörtlich in den Kinderschuhen.

Oliver Schöllhammer

»Was macht Prüflabore noch effizienter und zuverlässiger?«

»Die Implementierung einer konsequenten Verbesserungs- und Führungskultur im Unternehmen.«

Labore in Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben einen zentralen Anteil an der Wertschöpfung. Ihre Prozesse (Experimente, Kontrollen und Messungen) tragen wesentlich dazu bei, dass neue Technologien gewinnbringend entwickelt und vermarktet werden können. Mit Ansätzen des Lean Management werden die Leistungsfähigkeit sowie Wirtschaftlichkeit der Laborprozesse gewährleistet. Ansätze findet man in der Veränderung des Labordesigns, der Optimierung von Arbeitsinhalten und Arbeitsprozessen sowie des Einsatzes neuer Planungs- und Steuerungsansätze, zum Beispiel für den Umgang mit schwankenden Prüfaufträgen.

Mit der Implementierung einer konsequenten Verbesserungs- und Führungskultur wird die Labororganisation befähigt, sich anhand eines an der Unternehmensstrategie ausgerichteten Orientierungs- und Handlungsrahmen zielgerichtet und fokussiert weiterzuentwickeln. Und die Ergebnisse können sich sehen lassen: Beispielsweise reduzieren sich Turn-around-Zeiten für Probendurchläufe um bis zu 75 Prozent. Mit demselben Personaleinsatz lassen sich bis zu 30 Prozent mehr Proben bearbeiten. Der Platz- und Lagerbedarf sinkt um bis zu 50 Prozent.

Andreas Traube

»Automatisierung –
was habe ich davon? Durchsatz, Qualität oder Personalisierung?«

»Spart Geld, spart Zeit und eröffnet neue Perspektiven.«

Eine Erhöhung des Durchsatzes, von Reproduzierbarkeit und Qualität sowie die Verbesserung der Sicherheit – all das kann durch automatisierte Geräte und Anlagen erreicht werden. Es gibt sogar Verfahren, die ausschließlich automatisiert durchführbar sind.

Bei einem geschickten Einsatz von Automatisierung kann die Arbeit in einem Labor außerordentlich profitieren. Anforderungen und Ziele von Laboren unterscheiden sich jedoch teilweise stark. Daher muss die optimale Lösung gewissenhaft erarbeitet werden. Die Kombination verschiedener Optionen erlaubt eine individuelle Lösung, die exakt den Anforderungen entspricht.

Ihre Anforderungen sind unser Ansporn: Wir setzen uns für eine optimale Lösung ein. Und das langfristig, wertschöpfend und wertschätzend.

Oliver Tiedje

»Wie kann man dem hohen Energieverbrauch der Lackierung den Stecker ziehen?«

»Durch oversprayfreie Beschichtungsverfahren und intelligente Abluft- und Trocknerkonzepte.«

In vielen Fabriken benötigt die Lackierung über die Hälfte des Gesamtenergiebedarfs. Grund genug für das Fraunhofer IPA, gemeinsam mit Automobil-, Anlagen- und Lackherstellern die Prozessschritte Spritzlackieren und Trocknen näher anzuschauen. Denn in denen liegen die bedeutendsten Energie- und Ressourceneinsparpotenziale der Karosserielackierung. Das Ergebnis zeigt: Viele Wege führen nach Rom. Hier die Wege im Einzelnen: Im ersten Ansatz »Verlustfreie Lackierung« liegt der Schwerpunkt auf oversprayfreie Beschichtungsverfahren. Erforscht und in Prototypen umgesetzt werden dabei drei unterschiedliche Lösungsansätze für die verlustfreie Beschichtung. Dies spart Zeit sowie Personal-, Material- und Entsorgungskosten.

Im Fokus des zweiten Ansatzes »Energieeffiziente Trockner« stehen wirtschaftlich umsetzbare Maßnahmen in bestehenden Anlagen (»Brownfield«) und energieeffiziente Trocknerkonzepte in Verbindung mit der Planung neuer Lackieranlagen (»Greenfield«). Die größten Energieeinsparpotenziale zeigen sich im Bereich der Anlagentechnik zur Reinigung der Abluft aus dem Elektrotauchlack-, Füller- und Klarlacktrockner sowie in der skidlosen Karosseriefördertechnik. Der gezielte Wärmeeintrag in die Karosserie beschleunigt die Aufheizung dickwandiger Bereiche, ohne dass wärmeempfindliche Bereiche überhitzt werden.

Last but not least zeigen die Ergebnisse des dritten Vorhabens »Modulares Produkt-/Lackierkonzept«, dass sich durch ein modulares Karosserieproduktionskonzept die Lackierung wesentlich kompakter und effizienter gestalten lässt. Entscheidend ist dabei die konsequente Nutzung der energie- und materialrelevanten Vorteile der Einzelteilelackierung. So können beispielsweise alle Teile substratspezifisch optimierte Prozesse durchlaufen.

Felix Spenrath

»Wie vereinzele ich Bauteile in Rekordzeit?«

»Mit einem Zweiarm-Roboter und einer intelligenten Bildverarbeitung.«

Mit einem Zweiarm-Roboter und einer intelligenten Bildverarbeitung. Mehr dazu gleich. Denn: In nahezu jeder Produktion fällt Schüttgut an. Die einzelnen Bauteile werden ungeordnet in Kisten abgeworfen und an verschiedenen Stationen weiterverarbeitet. Dafür müssen sie der Kiste entnommen und in einer definierten Lage zugeführt werden. Dies erfolgt bisher von Hand oder durch aufwendige mechanische Verfahren. Gesundheitliche Risiken für die Mitarbeiter oder hohe Kosten für unflexible Vereinzelungsanlagen sind die Folge.

Mit »Rapid Dual Arm Bin Picking« ist es dem Fraunhofer IPA gelungen, ein Robotersystem zu entwickeln, das Bauteile in kürzester Zeit lokalisiert und gezielt positioniert. Dabei haben die Wissenschaftler auf die hauseigene Software »bp3™« (BinPicking3D) zurückgegriffen. Bisher wurde das System nur mit klassischen Industrierobotern eingesetzt. Durch die Verwendung der Software mit einem Zweiarm-Roboter können die Taktzeitanforderungen moderner Fertigungsanlagen nun noch besser erfüllt werden. Dem industriellen Einsatz zur Vereinzelung von Kleinteilen steht nichts mehr im Weg.

Jessica Horbelt

»Lost in Translation –Prozesstransfer als unüberwindbare Hürde?«

»Nein, keineswegs. Wir geben dem Ganzen eine Struktur – ohne Wenn und Aber.«

Eine steigende Prozesskomplexität erschwert nicht nur die hardwareseitige Umsetzung, sondern auch den Transfer des Prozesses in den automatisierten Betrieb. Detailliertes Wissen um die Einflussfaktoren und deren Auswirkungen innerhalb eines Prozesses sind daher Schlüsselfaktoren für einen erfolgreichen Prozesstransfer. Eine standardisierte und strukturierte Vorgehensweise kann den Transfer zusätzlich vereinfachen und die Vergleichbarkeit verschiedener Systeme garantieren.

Wir begleiten sie durch alle Phasen des Prozesstransfers und ermitteln das individuelle Potenzial für Ihren Prozess. Wir analysieren und optimieren alle Prozessschritte und betten neue Technologieinnovationen ein. So wird Laborautomatisierung zur Schlüsseltechnologie.

Joachim Montnacher

»Wie viel Power steckt in PowerCaps?«

»Enorm viel. Schnell, leistungsstark und robust – so präsentiert sich dieser neuartige Hybrid-Speicher.«

Ansätze, Bremsenergie zurückzugewinnen, gibt es bereits. Doch häufig scheitern diese, weil geeignete Speicherlösungen fehlen. Im Projekt »FastStorageBW«, das von einem Konsortium aus Industrie und Forschungseinrichtungen durchgeführt wird und unter Förderung des Ministeriums für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg läuft, entsteht derzeit ein ebenso schneller wie leistungsstarker Hybrid-Speicher, der dies ändern könnte. Sein Name: PowerCap. Die Neuheit: Die Kombination der Vorteile von Superkondensatoren und Batterien. PowerCaps zeichnen sich durch ihre hohe Zyklenfestigkeit und im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Systemen unter anderem durch hervorragende Sicherheitseigenschaften aus. Sie weisen eine vergleichbare Leistungsdichte und Schnellladefähigkeit wie SuperCaps auf sowie eine Energiedichte, die an die herkömmlicher Batterien heranreicht.

Gleichzeitig streben die Entwickler eine Lebensdauer von zehn bis fünfzehn Jahren an – für Batterien sind drei bis acht Jahre typisch. PowerCaps sollen zudem eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit haben als Batterien, hundert Mal mehr Ladezyklen überstehen und ihre Ladung über mehrere Tage ohne nennenswerte Verluste durch Selbstentladung halten können. Das Projekt ist eine große Chance für Deutschland, Vorreiter und Innovationstreiber zu sein, und ein wertvoller Baustein, um die Energiewende erfolgreich voranzutreiben.