digitalTPC - der digitale Zwilling für den ThermoplastLeichtbau

Während in der industriellen Produktion und im industriellen Dauerbetrieb digitale Zwillinge von einzelnen Maschinen und Anlagen bereits zu deutlichen Effizienzsteigerungen durch z.B. verbesserte Produktionskontrolle und Maschinenwartung führen, ist ihr Potential für die wertschöpfungsübergreifende und materialgetriggerte Prozesssteuerung noch weitgehend ungenutzt. Dies gilt insbesondere für die zunehmende Serienproduktion von kunststoffbasierten Composite-Strukturen.

Der digitale Zwilling für thermoplastische Composite (digitalTPC) soll dieses Potential anhand der sich gerade am Markt etablierenden großserienfähigen Hybrid-Spritzgusstechnologie, bei der kontinuierlich faserverstärkte Thermoplast-Composite-(TPC-)Halbzeuge umgeformt und hinterspritzt werden, demonstrieren. Insbesondere die komplexe und heterogene Mikrostruktur des Verbundwerkstoffs selbst sowie seine Beeinflussung durch den Fertigungsprozess bei der Herstellung von Halbzeugen und Strukturbauteilen stellt eine enorme Herausforderung für die Prozesskontrolle und die Qualitätssicherung dar und erfordert eine durchgängige Digitalisierung des kompletten Produktionsprozesses.

Das Projektvorhaben digitalTPC zielt dabei auf die übergreifende und ganzheitliche Betrachtung aller, z.T. an unterschiedlichen Standorten stattfindenden, Teilprozessschritte von der Halbzeug- bis zur Bauteilherstellung.

  • Dabei sollen mit Hilfe geeigneter prozessintegrierter und kognitiver Sensorik durch das Fraunhofer-Institut IZFP ausgewählte relevante Material-, Prozess- und Bauteilmerkmale (z.B. Faserorientierung, Porengehalt, Halbzeugdicke) wenn möglich in lokaler Auflösung durchgängig  über die gesamte reale Wertschöpfungskette vermessen und erfasst werden.
  • Im Rahmen des digitalen Zwillings soll anschließend durch Fraunhofer SCAI die Analyse der gemessenen Sensordaten, die Verknüpfung mit einer durchgängigen Simulationskette über alle Prozessstufen sowie die Rückkopplung an Prozesse und Maschinen erfolgen.
  • Neben dem Werkstoff-Know-how sind die notwendige Fertigungsanlagentechnik sowie Werkzeuge für Demonstratorstrukturen an den Fraunhofer-Instituten IMWS (Tape-Halbzeugherstellung) und ICT (Tapelege-, Konsolidierungs- und Spritzgießtechnologie) im industrierelevanten Maßstab verfügbar. Die Aufteilung der Wertschöpfungskette auf diese beiden Institute spiegelt zugleich die industrietypische Beziehung zwischen Material/Halbzeughersteller und Bauteilhersteller wider.
Eine wesentliche Neuerung stellt die übergreifende Betrachtung in der realen und virtuellen Prozesskette dar, wodurch u.a. die Individualisierung der relevanten Merkmale von Material, Prozess und Bauteil möglich ist. Gegenwärtig wird mit Toleranzgrenzen gefahren, die Imperfektionen in jedem Prozessschritt über der Kette multiplikativ verknüpfen, was zu Verlusten an Material- und Kosteneffizienz führt. Das Konzept echtzeitfähiger digitaler Zwillinge führt zu individualisierten Merkmalen und optimierender Reaktion auf veränderliche Eingangsgrößen. Somit muss der optimale Wert nicht in jeder Stufe multiplikativ sondern integrativ auf Basis der virtuellen Prognose erst am Ende der Kette im Bauteil gezielt geregelt werden.
digitalTPC wird im Rahmen der Fraunhofer-Vorlaufforschung (MAVO) gefördert.

Laufzeit

Februar 2019 bis Januar 2022