Will man einem Laien das Grundprinzip der individualisierten Massenproduktion erklären, kann man die Pizzeria um die Ecke als Beispiel nehmen. Da ist es üblich, dass ein Gast eine Pizza Napoli bestellt und Sonderwünsche äußert: keine Oliven, dafür Champignons und extra viel Kapern. Zehn Minuten später dampft die nach den Wünschen des Gastes belegte Pizza auf dem Teller.

Auch in der Industrie wird der Trend zur Individualisierung von Massenprodukten immer stärker. Die Herausforderung besteht darin, das Konzept von Industrie 4.0 mit seinen hochflexiblen und vernetzten Produktionsanlagen um die Möglichkeit zu ergänzen, individuelle Produkte zu fertigen. So schnell und zuverlässig wie vom Fließband, aber so individuell wie aus der Maßschneiderei.

Digitale Druck- und Laserverfahren für Industrie 4.0

In diese Richtung zielt die Initiative "Go Beyond 4.0". Sie setzt auf zwei Technologien, die man nicht von vornherein mit der Industrieproduktion verbinden würde, nämlich digitale Drucktechniken wie Inkjet-, Dispens- und Aerosoljet-Druckverfahren sowie Laser-Sintertechnik. Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher nutzen sie, um beliebige Bauteile in der Fertigung mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Die zündende Idee für die Initiative "Go Beyond 4.0" hatten Prof. Reinhard Baumann und Dr. Ralf Zichner am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS schon 2014. Jetzt setzen sie ihre Forschungsarbeit im Leitprojekt "Go Beyond 4.0" um.

Unter der Federführung des kommissarischen Institutsleiters des Fraunhofer ENAS Prof. Thomas Otto arbeiten sechs Institute im Leitprojekt "Go Beyond 4.0" zusammen: die Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT, für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, für Silicatforschung ISC, für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

Teilprojekte für Luftfahrt, Automobilbau und Beleuchtung

Die Forscherinnen und Forscher haben sich für drei marktnahe Anwendungsbereiche entschieden. Das Teilprojekt "Smart Wing" zielt auf die Luftfahrtbranche, "Smart Luminaire" auf die Beleuchtungstechnik und "Smart Door" auf die Automobilbranche.

Teilprojekt "Smart Door"

Wie die digitale Drucktechnik bei "Go Beyond 4.0" funktioniert, lässt sich gut am Teilprojekt "Smart Door" anhand einer Autotür veranschaulichen. André Bucht, Abteilungsleiter Adaptronik am Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU: "Autotüren haben eine Vielzahl elektronischer Module und mechatronischer Funktionen eingebaut. Mit der Fraunhofer-Drucktechnik lassen sich Komponenten wie Sensoren, Schalter, LED oder Leiterbahnen aufbringen."

Für die Leiterbahnen beispielsweise wird zuerst eine Isolationsschicht aus Polymeren aufgedruckt, dann die stromleitfähige Silberpaste und dann wieder eine Isolationsschicht. Alle Schichten kommen dabei aus dem Drucker und können mittels Laser ortsaufgelöst ausgehärtet werden. Roboterarme führen einen Dispenser oder eine Inkjet-Anlage sowie einen Laser über das Bauteil. Bei der klassischen Fertigungsmethode müssen Arbeiter ins Auto hineinkriechen, wenn sie Kabelbäume verlegen.

Alles was Licht ist: "Smart Luminaire"

Spannende Neuerungen bietet auch das Teilprojekt "Smart Luminaire". Hier ist Dr. Erik Beckert als Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena zuständig. "Die Grundidee, optische Komponenten mithilfe von Inkjet-Verfahren herzustellen, hatte ich schon vorher am IOF", sagt Beckert. Da kam das Leitprojekt Go Beyond 4.0 gerade recht. Ziel des Teilprojekts ist es, optische Komponenten aus Polymer in einem additiven Verfahren zu fertigen.
Dabei wird beispielsweise eine vorhandene optische Komponente, etwa eine Kunststofflinse, durch den Inkjet-Druck veredelt, individualisiert und mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet. Als Tinte nutzen Beckert und sein Team das optische Hybrid-Polymer ORMOCER®, das vom ISC in Würzburg entwickelt wurde. Die optischen Eigenschaften des Materials reichen fast an die von guten optischen Gläsern heran und lassen sich für die jeweilige Anwendung anpassen.

Heizdrähte in der Tragfläche: "Smart Wing"

Jeder, der schon einmal im Winter ein Flugzeug bestiegen hat und vor dem Start aus dem Fenster sieht, kennt das: Da kommt ein Wagen mit einem großen Tank angefahren und besprüht die Tragflächen mit Enteisungsfl üssigkeit. Wenn das Teilprojekt "Smart Wing" sich durchsetzt, könnte dieser Anblick der Vergangenheit angehören. Davon geht das Team um Dr. Volker Zöllmer aus. Er ist Abteilungsleiter Smart Systems beim Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.
Den Forscherinnen und Forschern ist es gelungen, eine Heizstruktur in die Tragflächen zu integrieren, die die Tragfläche von innen her enteist. Die stromführenden Leiterbahnen sind dabei direkt in den Faserverbundwerkstoff der Tragfläche integriert. Auch hier sind wieder Drucker am Werk. Sie tragen Silberpaste als Leiterbahn auf.

Das ist aber nur eine der Anwendungen, an denen das "Smart-Wing"-Team arbeitet. Es kann beispielsweise auch Sensoren zur Messung von Temperatur oder Druck in die Tragfläche oder den Flugzeugrumpf integrieren. Die Funktionen sind tief im Verbundwerkstoff verankert, der im Flugzeugbau typischerweise aus mit Glasfaser oder Carbonfaser verstärkten Kunststoffen besteht. Die Sensoren können unter anderem Beschädigungen am Flugzeugrumpf registrieren, die durch Vogelschlag auftreten.