Der Forschungscampus für Arbeit, Mobilität und Produktion der Zukunft

Eine solche interdisziplinäre Partnerstruktur und der Mix an unterschiedlichsten Kompetenzen, beispielsweise im Bereich Simulation, Konstruktion, Flugzeugbau, Materialien, Produktionstechnik oder auch der Arbeitswissenschaft, sind entscheidende Faktoren, um innovative Projektideen zu generieren und diese gemeinsam unter einem Dach zu erforschen.

Die Forschungsthemen der ARENA2036 orientieren sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette einer Produktentstehung – von der Idee über die digitale Verarbeitung bis hin zur Produktion. Auf diese Themenfelder konzentriert sich der Forschungscampus seit dem Projektstart im Juli 2013 in den vier Kernprojekten „LeiFu“ (Intelligenter Leichtbau durch Funktionsintegration), „DigitPro“ (Digitaler Prototyp), „ForschFab“ (Forschungsfabrik: Produktion der Zukunft) und „Khoch3“ (Kreativität, Kooperation, Kompetenztransfer).

Die ersten drei Forschungsbereiche sind technisch aus­gerichtet und werden im Folgenden konkret erläutert. Das vierte Verbundprojekt Khoch3 ist ein Querschnittsbereich, der übergreifend über die technischen Themen die Ausgestaltung von Arbeitsstrukturen, der Forschungsumgebung und Prozessabläufe unter arbeitswissenschaftlichen Gesichtspunkten erforscht, so dass sich Kreativität, Ideenfindung und Teamgeist der Expertinnen und Experten optimal im Forschungscampus entfalten können.

1 LeiFu – Leichtbau durch Funktionsintegration

Fahrzeuge der Zukunft sind leicht, verbrauchen wenig Energie und sind kostengünstig, da Gewicht, Bauteile und Energie eingespart werden. Leichtbaumaterialien bieten hierfür ideale Voraussetzungen und hervorragende Möglichkeiten, Einzelfunktionen wie Schall- und Wärmedämmung, thermische, sensorische oder elektrische Funktionen in das Bauteil zu integrieren. Die Gewichtsreduktion von Fahrzeugkomponenten ist ein wesentlicher Beitrag zur Reduzierung der Kohlendioxid-Emission herkömmlicher Kraftfahrzeuge beziehungsweise zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen und ein essentieller Forschungsbestandteil des Verbundprojektes „LeiFu“. Das Projekt wurde, wie auch die anderen Verbundprojekte, im Jahr 2013 mit einer Projektlaufzeit von fünf Jahren gestartet, um ein Leichtbau-Bodenmodul zu entwickeln, welches den hohen Anforderungen an eine erfolgreiche Gewichtsreduktion entspricht. Die Verringerung des Gewichts des Bodenmoduls wird hier auf zweifache Weise erreicht. Zum einen wird das Potenzial von Leichtbaumaterialien und Sandwichstrukturen genutzt, zum anderen wurden Einzeltechnologien entwickelt, die direkt in das Bodenmodul integriert sind.

1.1 Gewichtsoptimierung im Bodenmodul

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) steht für eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. Diese Eigenschaften werden im LeiFu-Bodenmodul, welches sich zurzeit im Aufbau befindet, genutzt.

Ein Beispiel für Funktionsintegration ist die Nutzung von Sitzquerträgern und anderen lasttragenden Verstärkungsprofilen als Medienleitung, beispielsweise für die Innenraumbelüftung. Als weiteres Beispiel kann die aktive Heizfunktion auf­geführt werden, bei der auf Kohlefaser-Gewebe aufgedruckte Silberschichten als ohmscher Widerstand Wärme liefern. Zudem werden die Kohlefaser-Rovings teilweise mit speziellen Webtechniken (ORW (Open Reed Weaving)-Technologie) und Flechttechniken zur Strukturverstärkung verarbeitet. Eine weitere zu integrierende Einzeltechnologie ist die elektrische Spule für das induktive Laden der Fahrzeugbatterie, die ebenfalls Bestandteil des LeiFu-Bodenmoduls ist.

1.2 Crashuntersuchungen zur Erhöhung der Vorhersagegüte

Die Konstruktion des Bodenmoduls wurde umfangreichen Crashsimulationen unterworfen, deren Ergebnisse an die Konstruktion zurückgespiegelt und in diese integriert. Auf diese Weise konnte in mehreren Stufen ein finales Konzept erarbeitet werden, das die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt. Zudem dienten reale Crashtests an Teilaufbauten der Verifikation der Simulationsergebnisse. Darüber hinaus erfolgten Robustheitsanalysen, um sicherzustellen, dass das verwendete Konzept im Crashfall ein vorhersagbares Versagen aufweist.

1.3 Sensorintegration in der Laderaummulde

Im Verlauf des Projekts wurde darüber hinaus eine Laderaummulde mit integrierten Sensoren entwickelt, um die Möglichkeit zur Integration von Funktionen in einem weiteren Bauteil zu erforschen. Die Laderaummulde ist das Bauteil, welches sich unterhalb des Kofferraumbodens im Heck des Fahrzeugs befindet.

1.4 Sensorik

Es ist gelungen, Sensoren unter Verwendung des RTM-­Verfahrens in die Faserverbundstruktur einer Laderaummulde zu integrieren. Analog zum LeiFu-Bodenmodul besitzt auch die Laderaummulde einen Schaumkern. Hier konnten neben Sensoren auch Induktionsspulen zur drahtlosen Energieübertragung und Bluetooth-Module zur drahtlosen Datenübertragung ein­gebracht und so eine Multifunktionsmulde als Technologieträger hergestellt werden.

1.5 Recycling

Die Wettbewerbsfähigkeit von CFK-Bauteilen scheitert häufig an den hohen Kosten für Kohlefasern. Auf der anderen Seite fallen bei der Herstellung der Preforms oft große Mengen an Verschnitt an. Anhand der Laderaummulde wurde untersucht, ob die Ökobilanz eines CFK-Bauteils durch den Einsatz von Kohlefaser-Recycling-Material verbessert werden kann. Es ist gelungen, eine Laderaummulde unter Verwendung von Recyclingmaterial herzustellen und so ökologische und ökonomische Vorteile zu erreichen. Dazu wurden die inneren Lagen der Kohle­faser-Gelege durch ein Kohlefaser-Vlies ersetzt. Dieses Vlies wurde wiederum unter Verwendung von Kohlefaser-­Verschnitt hergestellt.

Das funktionsintegrierte LeiFu-Bodenmodul und die Batteriebox wurden erfolgreich als Realbauteil aufgebaut. Zudem konnten mehrere Technologieträger in Form von Laderaummulden hergestellt und positiv getestet werden. Es wurde gezeigt, dass Sensoren erfolgreich in CFK-Bauteile integriert werden können. Zudem wurden in der aktuellen Aufbaustufe eine drahtlose Energieversorgung und eine drahtlose Datenübertragung realisiert.

2 DigitPro: Ganzheitlicher digitaler Prototyp im Leichtbau für die Groß­serienproduktion

Ziel des Projektes „DigitPro“ ist es, anhand von Bauteilen einer Fahrzeugkarosserie die Durchgängigkeit der Herstell­prozesssimulationskette in ihrer Gesamtheit aufzuzeigen. Dafür wird die Integration von Flecht- und Infiltrationssimulationen sowie die Entwicklung einer CAM (Computer Aided Manufacturing)-Schnittstelle für Roboter und Flechtmaschinen erforscht, denn für die eigentlichen Herstellungsprozesse rückt immer mehr die Verwendung von Faser­verbundstrukturen in den Fokus. Grund hierfür ist die Erkenntnis, dass ein optimaler Leichtbau nicht nur durch die Verwendung neuer leichter Materialien, sondern auch durch deren richtige Verarbeitung und somit die optimale Ausnutzung der Materialeigenschaften erreicht wird.

Hierfür werden unterschiedliche Prozesse beleuchtet und digital abgebildet. Als Formgebungsprozess liegt der Fokus auf sogenannten ORW-Geweben und deren Umformung sowie auf dem Flechtprozess und der anschließenden Harzinjektion. Für die Durchgängigkeit der Prozesskette (Bild 4) wird ein neuer Datencontainer im HDF5-Format (HDF5 Hierarchical Data Format) definiert.

3 ForschFab – die wandlungsfähige Automobilproduktion der Zukunft

Forschungsgegenstand des Projekts ForschFab ist die wandlungs­fähige Automobilproduktion der Zukunft. Ziel ist es dabei, Lösungen für die immer größer werdende Varianz im Automobilbau zu finden. Diese Problematik wird insbesondere durch neue Antriebskonzepte, die Unsicherheit bezüglich der zeitlichen Durchsetzung dieser Antriebskonzepte am Markt, und neue Materialien und Fügeverfahren im Fahrzeug verschärft. Die Projektpartner Daimler, Bosch, Bär-Automation, Fraunhofer IPA, die Institute IFF, ISW und IFT der Universität Stuttgart und weitere assoziierte Partner forschen gemeinsam nach zukünftigen Lösungen dieser Herausforderung.

Im Rahmen des Projektes ForschFab wird der Ansatz verfolgt, den festen Takt und die feste mechanische Verkettung der Linien in der Automobilproduktion aufzubrechen und damit neue Freiheiten für die Planung und Steuerung von Automobilproduktionen zu schaffen [1]. Hierzu wurden verschiedene Organisationsprinzipien der Produktion systematisch miteinander verglichen. Es hat sich gezeigt, dass die Aufhebung von Band und Takt hohes Potenzial für Verbesserung von Flächenverbrauch und Verfügbarkeit der Anlagen birgt. Dies trifft insbesondere auf Produktionsumfänge mit vielen indirekten Arbeiten, zum Beispiel im Falle einer separaten Set-Bildung bei sehr hoher Varianz, zu. Der Ansatz dabei ist, die fest verketteten Linien durch einen losen Verbund sogenannter Fertigungs­module zu ersetzen. Die Fertigungsmodule sind dabei unter­einander flexibel über FTF (Fahrerloses Transportfahrzeug) miteinander verkettet.

3.1 Planungsmethode für wandlungsfähige Produktionen

Für die Planung wandlungsfähiger Automobilfabriken ohne Band und Takt wurde im Projekt ForschFab eine Planungs­methode entwickelt [2, 3]. Diese Methode baut auf dem Ansatz des Axiomatic Design auf und adaptiert diesen für die Anwendung in der Produktion. Hierfür wurde ein Katalog von Fertigungsmodulen erstellt, dessen Elemente bei der Anwendung der Planungsmethode zur modularen Fabriklayouts gemäß dem Produktionsbedarf kombiniert werden.

Bei der Analyse der Wandlungsfähigkeit der entstehenden Fabriklayouts zeigt sich, dass eine Erhöhung der Wandlungs­fähigkeit der einzelnen Fertigungsmodule entscheidend ist. Die Aufhebung der festen Verkettung und von Band und Takt ermöglicht es, einzelne Betriebsmittelmodule aus dem Produktionsfluss zu nehmen und umzurüsten. Um diese Fähigkeit optimal nutzen zu können, sind jedoch leicht umbaubare und insbesondere leicht in Betrieb zu nehmende Fertigungsmodule erforderlich. Hierzu wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Lösungen entwickelt.

3.2 Schnelle Rekonfiguration von Steuerungstechnik und Industrial-IT

Eine zentrale Rolle für die Nutzung von Wandlungsfähigkeit kommt der Industrial-IT zu. Während heutige Lösungen der Industrial-IT in der Regel auf einer homogenen Geräte- und Softwareinfrastruktur aufbauen, war das Ziel des Projekts, ein System zu realisieren, das auch mit stark heterogenen Infrastrukturen umgehen kann und damit den häufig beobachteten Lock-in Effekt etablierter Lösungen umgeht. Gleichzeitig sollte für die Echtzeitkommunikation nach wie vor auf etablierte Kommunikations- und Busstandards zurückgegriffen werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden im Rahmen des Projekts die sogenannten „Gelben Seiten der Produktion“ entwickelt [4, 5]. Die Gelben Seiten ermöglichen es beliebigen Teilnehmern über den OPC-UA (Open Platform Communications – United Architecture) eine Selbstbeschreibung mit eigenen Services und unterstützten Kommunikationsproto­kollen anzubieten. Die Gelben Seiten agieren demnach als Verzeichnisdienst, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Teilnehmer im Produktionssystem, deren Fähigkeiten und unterstützte Schnittstellen durch Ansprache eines Softwareservices in Erfahrung zu bringen.

Eng mit der Industrial-IT verbunden ist die Herausforderung der heute mangelnden Rekonfigurierbarkeit der Steuerungstechnik [6]. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde der Ansatz Plug and Produce in einem durch den Werker rekonfigurierbaren Kleinmontagearbeitsplatz umgesetzt [7, 8]. Hierbei melden sich smarte Produktionsmodule zentral an einem System an und können durch eine standardisierte Selbstbeschreibung Informationen über die eigenen Fähigkeiten und Anforderungen bereitstellen. Eine integrierte und zum Patent angemeldete Lokalisierungsfunktion ermöglicht es den Modulen, selbsttätig ihre Position auf dem Montagetisch zu bestimmen und anderen Komponenten mitzuteilen. Dies ermöglicht es dem Werker, die Elemente des Produktionssystems frei auf der Montagefläche zu positionieren. Ein Fertigungsablauf kann nun sehr einfach durch die Kombination verschiedener Schritte, zum Beispiel Aufnehmen, Prüfen, Ablegen, erstellt und aus­geführt werden. Die technische Basis des Labordemonstrators bilden die Gelben Seiten der Produktion.

3.3 Kollaborierender Roboterassistent ermöglicht Produktionsskalierung

Insbesondere die Skalierung der Ausbringung stellt eine wesentliche Anforderung an die wandlungsfähige Produktion da. Lösungsansätze hierzu werden durch einen ortsflexiblen, kollaborativen Leichtbauroboter demonstriert. Dieser macht eine gleitende Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter realisierbar [9].

3.4 FTF erlauben wandlungsfähige Produktion und Logistik

Die lose Verkettung von Produktionsprozessen zieht ins­besondere grundlegende Änderungen in der Produktionslogistik nach sich [10–12]. Der bisher in der Automobilproduktion an vielen Stellen verwendete Ansatz einer festen Sequenzierung von Material (Just-in-Sequence) funktioniert in einer lose verketteten Fertigung nicht mehr. Um diesem Problem zu begegnen, wurde eine systematische Analyse der Kosten für verschiedene Logistikformen erstellt und in Form eines Berechnungswerkzeugs dokumentiert. Auf dieser Basis wurden neue Logistikkonzepte für die Automobilindustrie entwickelt. Eine entscheidende Innovation stellt dabei das im nächsten Bild gezeigte Riegelsystem dar, mit der eine Materialbereitstellung in beliebiger Reihenfolge möglich ist.

Die entwickelten Technologien wurden erfolgreich am Beispiel der Türmodulmontage von Fahrzeugtüren angewendet.

Literatur