Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Seit dem Projektstart im Oktober 2006 ist das IKV aktiver Forschungspartner des DFG-geförderten Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“. Mehr als 80 Wissenschaftler aus über 25 Instituten und Forschungseinrichtungen der RWTH Aachen forschen darin an der Zukunft der Produktionstechnik in Europa.

Ziel der Forschung im Cluster

Übergeordnetes Ziel des Clusters ist, die Produktion in Hochlohnländern auf ihrem hohen Niveau hinsichtlich ihrer Wettbewerbs- und damit Zukunftsfähigkeit zu stärken und auszubauen. Im Fokus steht die Entwicklung neuer Produktionsstrategien, vor allem im Hinblick auf neue Dimensionen und Herausforderungen, die im Rahmen der Globalisierung auf die Produktionstechnik einwirken.

Integration von Industriepartnern

Das Exzellenzcluster steht für hochqualitative und integrative Forschung im Bereich der Produktionstechnik und Werkstofftechnik an der RWTH Aachen University. In die Forschungsarbeiten sind neben den Instituten auch Industriepartner involviert. Über laufende Projekte hinaus können jederzeit weitere Forschungsprojekte mit einem oder mehreren Instituten des Exzellenzclusters angestoßen werden. Das ist sowohl bilateral möglich, als auch im Rahmen von Förderprogrammen. 

 

Innerhalb des Clusters adressiert das IKV zahlreiche prozess- und werkstofftechnische Fragestellungen im Bereich der Kunststoffe. Es ist deutschlandweit das einzige produktionstechnische Forschungsprojekt dieser Art, in dem die Kunststofftechnik eine herausragende Rolle spielt.

Das IKV ist mit mehreren Teilprojekten in den vier Bereichen des Exzellenzclusters vertreten:

  • Individualisierte Produktion
  • Virtuelle Produktionssysteme
  • Selbstoptimierende Produktionssysteme
  • Integrierte Technologien

An diesen Teilprojekten im Cluster forscht das IKV

Ein mit numerischen Methoden optimierter Fließkanal im Extrusionswerkzeug ist häufig mit konventionellen spanenden Methoden nicht herstellbar, aufgrund des komplexen Fließverhaltens von Polymerschmelzen allerdings aus prozesstechnischer Sicht wünschenswert. Die Anwendung der generativen Fertigungstechnik des selektiven Laserschmelzens ist daher geeignet, strömungstechnisch optimierte Extrusionswerkzeuge direkt herzustellen. Das IKV, der Lehrstuhl CATS der RWTH Aachen und das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT arbeiten zusammen an dieser Fertigungsmethode, wobei das IKV seine langjährige Erfahrung bei der numerischen Auslegung von Extrusionswerkzeugen und in der Extrusions-Verfahrenstechnik einbringt.

In diesem Teilprojekt des Exzellenzclusters entwickeln wir eine skalenübergreifende Simulationskette zur Beschreibung der Kristallisationskinetik von teilkristallinen Thermoplasten und deren Auswirkung auf das mechanische Bauteilverhalten. Die Multiskalensimulation ermöglicht somit eine Berücksichtigung des Kristallisationsprozess und ermittelt die daraus resultierenden inhomogenen Werkstoffeigenschaften. Diese verknüpfte Beschreibung von Prozess- und Materialeigenschaften in der Simulation ist eines der Grundelemente der integrativen Produktionstechnik. 

Selbstoptimierende Prozesse können eigenständig ihren Betriebspunkt optimieren und so eine hohe und konstante Bauteilqualität trotz unvermeidlicher Störeinflüsse liefern. Am IKV werden dazu Qualitätsmodelle für eine modellbasierte selbstoptimierende Spritzgießmaschine entwickelt und untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Regelungstechnik (IRT) der RWTH Aachen werden weiterhin iterativ lernende und modellbasierte Regelungsstrategien für den Werkzeuginnendruck entwickelt, die eine Erhöhung der Qualität spritzgegossener Bauteile ermöglichen.

Gegenstand des Teilprojekts ist die Untersuchung einer Prozesskette zur Herstellung mikrostrukturierter Kunststoffoptiken von der optischen Auslegung der Strukturen über die Werkzeugstrukturierung und -beschichtung, den Replikationsprozess bis hin zur Funktionsprüfung. Die Kernkompetenz des IKV ist dabei die Analyse und Optimierung der Replikation im Spritzgieß- sowie im Extrusionsprägeprozess mithilfe von variothermen Temperierverfahren. Die Einbindung aller für die Fertigung strukturierter Kunststoffoptiken relevanten Disziplinen ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung der Produktionskette und dadurch größtmögliche Qualität in jedem Teilschritt und im Endprodukt.

Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in sogenannten Hybridstrukturen ermöglicht eine optimierte Ausnutzung sowohl der mechanischen als auch der prozesstechnischen Vorteile der jeweiligen Werkstoffklasse. Am IKV werden in diesem Zusammenhang unterschiedliche Fügeverfahren sowie numerische Ansätze zur Herstellung bzw. Auslegung von Hybridbauteilen für Crashanwendungen untersucht und weiterentwickelt.

Bei den am IKV erforschten Technologien werden Kunststoffbauteile für elektronische Anwendungen in integrativen Prozessen herstellt, die Prozessschritte eliminieren, Zykluszeiten  verkürzen und eine insgesamt höhere Effizienz erreichen. Beim Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) werden das Spritzgießen und das Druckgießen auf einer Maschine und in einem Werkzeug kombiniert, um Kunststoffbauteile mit integrierten metallischen Leiterbahnen herzustellen. Beim In-Mould-Metal-Spraying (IMMS) wird eine Metallschicht mittels thermischer Spritzverfahren direkt auf eine Werkzeugkavität aufgebracht und mit Kunststoff hinterspritzt und übertragen, womit sich Bauteile mit direktem EMV-Schutz herstellen lassen.