»Virtual Lab«

© Fraunhofer-Gesellschaft e.V., München.
Simulationstools ermöglichen eine Optimierung realer Bauteile oder Systeme.

Ergänzend zu den vier Handlungsfeldern, die alle Institute mit eigenen FuE-Kapazitäten bedienen, wird ein »Virtual Lab« aufgebaut. Ziel ist die geschlossene digitale Abbildung der Kompetenzen und Ausstattung der beteiligten Institute. Dazu wird jeder Entität – ob Maschine oder Produkt – ein »Digital Twin« zugeordnet und beschrieben. Unter einem Digital Twin wird der virtuelle Teil einer cyberphysischen Maschine oder eines größeren cyberphysischen Systems verstanden. Auf der Grundlage dieser Digital Twins können mittels Modellierung und Simulation reale Systeme optimiert werden. Dies dient beispielsweise der Fehlerdiagnose, der prädiktiven Analyse, der Produkt- und Prozessoptimierung oder der langfristigen Qualitätssicherung.

Zukünftig soll das System auch Daten zur Planung von neuen Produkten liefern, was Qualifizierungszeiten drastisch reduziert. Die Zuordnung von Produkten zu Maschinen, die Anpassung relevanter Prozessparameter im Produktionsablauf sowie die Berücksichtigung von Produktzielen wie Qualität und Produktionszielen wie Lieferzeiten können zunehmend autonom geschehen. Die Rolle des Menschen wandelt sich dabei weg von der heutigen zentralen Planungsinstanz hin zur Entscheidungs- und Überwachungsinstanz. Autonome Systeme innerhalb des virtuellen Labors unterstützen den Menschen vor Ort durch geeignete Auswerte- und Monitoring-Tools. Das »Virtual Lab« liefert somit eine vollständige digitale Transparenz.

Demontratoren

Zur Darstellung der Leistungsfähigkeit der entwickelten Technologien in den vier Handlungsfeldern werden im futureAM-Leitprojekt instituts- und plattformübergreifend Demonstratorbauteile entwickelt und gefertigt. Diese richten sich an den Bedarf einzelner AM-relevanter Branchen.

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Beispielhafte Darstellung von Demonstratoren, die im gemeinsamen »Virtual Lab« entstehen.

Die Datenverarbeitung sowie die Fertigung der Demonstratoren erfolgt unter Einbeziehung aller beteiligten Institute in einem gemeinsamen »Virtual Lab«.

Exemplarisch ist im unten stehenden Bild die Fertigung eines Achsschenkels als Demonstrator aus der Automobilindustrie entlang der gesamten Prozesskette gezeigt. In einem ersten Schritt erfolgt das Design oder Re-Design des Bauteils, um beispielsweise Gitter- oder Hohlstrukturen zur Gewichtsreduzierung in das Bauteil einzubringen. Dazu wird das im Handlungsfeld 1 »Industrie 4.0 und digitale Prozesskette« am Fraunhofer IAPT entwickelte Softwaretool zur Auslegung von AM-Bauteilen genutzt. In einem zweiten Schritt erfolgt die Fertigung des Achsschenkels mit dem LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion). Dazu wird ein am Fraunhofer ILT neu entwickeltes skalierbares Anlagenkonzept aus dem Handlungsfeld 2 »Skalierbare und robuste AM-Prozesse« verwendet. Nachfolgend wird am Fraunhofer IWS eine Verstärkungsstruktur aus einem zweiten hochfesten Werkstoff mit dem LMD-Verfahren (Laser Material Deposition) angebracht – ein Schwerpunkt des Handlungsfeldes 3 »Werkstoffe«. Die automatisierte Entfernung der Stützstrukturen sowie die Nachbearbeitung des Bauteils erfolgen mit den in Handlungsfeld 4 »Systemtechnik und Automatisierung« unter Federführung des Fraunhofer IWU entwickelten Verfahren.

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Zusammenarbeit im »Virtual Lab«.

Um die geforderten Material- und Oberflächeneigenschaften additiv gefertigter Komponenten einzustellen, ist eine Nachbearbeitung notwendig. Hier setzt das Fraunhofer IWU an: Die Wissenschaftler des Instituts entwickeln im Projekt eine autonome Fertigungszelle, in der die Bauteile roboterunterstützt mechanisch nachbehandelt werden. Basis dafür ist ein wandlungsfähiges, sich entsprechend der Prozessanforderungen selbstkonfigurierendes Maschinenkonzept.

Die durch die Demonstratoren adressierten Branchen ermöglichen die Bewertung der entwickelten Technologien sowie der dazugehörigen Systemtechnik für verschiedene Materialien, Eigenschaftsanforderungen und Seriengrößen. Durch die Kombination der neu entwickelten Technologien in den einzelnen Handlungsfeldern und die integrative Bearbeitung im gemeinsamen »Virtual Lab« wird den anvisierten Zielen bestmöglich Rechnung getragen.