Der Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ an der RWTH Aachen hat als einziger die klassische Kunststofftechnik im Fokus. Wesentlicher Schwerpunkt ist die Verbesserung von Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe und der zugehörigen Bauteilauslegung. Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen forscht mit 80 Wissenschaftlern von 20 Instituten aus der Produktionstechnik und den Werkstoffwissenschaften in diesem Cluster.

Angestrebt wird ein vertieftes, technologieübergreifendes und ganzheitliches Verständnis komplexer Produktionssysteme. Hierfür ist der Cluster in vier Projektbereiche aufgeteilt: Individualisierte Produktion, virtuelle Produktionssysteme, integrierte Technologien und selbstoptimierende Produktionssysteme. Die Produktionsprozesse werden anhand kompletter Prozessketten auf unterschiedlichen Ebenen wie Werkstoffeigenschaften, Maschinenverhalten, Fabrikplanung oder Logistik betrachtet. Diese interdisziplinäre Arbeitsweise überwindet Grenzen nicht nur zwischen den Wissenschaftsdisziplinen, sondern auch zwischen Werkstoffen, Verarbeitungsverfahren und Branchen.

Individualisierte Produktion

Es ist eine Herausforderung, individuelle Kundenwünsche nach kleinen Auflagen zu möglichst niedrigen Kosten zu erfüllen. Im Kern geht es darum, die Einzelfertigung wirtschaftlicher und großserientaugliche Prozesse flexibler zu machen. Bei der Einzelfertigung wird vor allem das Lasersintern betrachtet. Hier soll die Ausbringung durch neue Technologien und Werkstoffe erhöht und der Prozess durch neue Möglichkeiten zur Prozesssimulation beschreibbar gemacht werden.
Bei den Großserienprozessen werden Metalldruckgießen und Extrusion betrachtet. Ziel ist, Kosten und Zeitaufwand für die Herstellung neuer Werkzeuge zu reduzieren. Ein Projektbeispiel ist auf den folgenden Seiten beschrieben: Es geht um das Entwickeln neuer Methoden für die rechnergestützte Optimierung von Profil-Extrusionswerkzeugen.

Selbstoptimierende und virtuelle Produktionssysteme

Virtuelle Produktionssysteme umfassen die verschiedenen Möglichkeiten, Produktionsprozesse und Bauteileigenschaften zu beschreiben. Ziel ist eine skalenübergreifende Simulationsplattform. Dabei werden in Zusammenarbeit mehrerer Werkstoff-, Mathematik- und Informationstechnologie-Institute die Einzelsimulationen weiter verbessert und Möglichkeiten zu deren Verknüpfung in die Produktion erarbeitet. So soll es beispielsweise möglich werden, das Werkstoffverhalten gleichzeitig auf Molekül- und auf Bauteilebene zu beschreiben. Dabei sollen die typischerweise aufeinanderfolgenden Prozesse zu Prozessketten verknüpft und in Fabrikplanung und Logistik eingebettet beschrieben werden. Zwei Arbeitsgruppen arbeiten hier an einer präziseren Beschreibung der inneren Eigenschaften teilkristalliner Thermoplaste.

Dazu werden die Auswirkungen des Prozesses auf Kristallisation, Molekülorientierungen und Eigenspannungen sowie in der Strukturanalyse deren Einfluss auf die lokalen mechanischen Eigenschaften beschreibbar gemacht. Selbstoptimierende Produktionssysteme sollen den Planungs- und Anlaufaufwand einer Produktion senken. Insbesondere unter wechselnden äußeren Störeinflüssen bietet die Selbst-optimierung die Chance, einen stabilen Prozess sicherzustellen. Das IKV befasst sich dabei in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor und dem Institut für Regelungstechnik mit der Selbstoptimierung des Spritzgießprozesses. Langfristiges Ziel ist hier die Ein-Knopf-Spritzgießmaschine, die nach einer Information über Bauteil und Material den Prozess selbst einfährt und während der Produktion, auch unter Einwirkungen externer Störeinflüsse, eine konstante Bauteilqualität sicherstellt.

Integrierte Technologien

Im Projektbereich integrierte Technologien werden sowohl die Kombination verschiedener Werkstoffe als auch die Verbindung von Produktionsprozessen untersucht. Dazu werden Urform-, Umform-, Schweiß- und Zerspanungsprozesse sowie generative Verfahren verschiedener Werkstoffe kombiniert, um Produkte mit bisher nicht realisierbaren Eigenschaften herstellen zu können. Zusammen mit dem Gießerei-Institut der Hochschule erarbeiten die Forscher die Kombination von Kunststoffen und Metallen in einem Urformprozess mit dem Ziel, hochintegrierte Elektronikkomponenten herzustellen. Gleichzeitig sollen Bauteile aus derartigen Werkstoffkombinationen mit Simulationsmethoden beschreibbar gemacht werden.

Spitzenforschung gleich Spitzenstandort

Ein wesentliches Ziel der Clusterforschung ist ein ständiger Abgleich der Ergebnisse mit der industriellen Praxis. Dazu sind für interessierte Firmen zahlreiche Möglichkeiten der Zusammenarbeit vorgesehen. Es sind Transferprojekte möglich, die entweder über dafür reservierte Clustermittel oder über andere Geldgeber anteilig finanziert werden. Ebenso sind Gemeinschaftsforschungsprojekte möglich, die auf Forschungsthemen des Exzellenzclusters aufbauen und in einem Konsortium durch die Industrie finanziert werden. Ein solches Projekt bereitet das Institut für das Spritzgießen mit variothermer Werkzeugtechnik vor. Dieses Projekt baut auf dem Bereich integrierte Technologien auf.

Die Projekte in der Kunststofftechnik zeigen, dass Exzellenzinitiative direkten Praxisnutzen bringt. In den einzelnen Projekten arbeiten Wissenschaftler an realen und relevanten Fragestellungen. Sie werden damit bestens ausgebildet. Im Zuge des Technologietransfers finden die erforschten Lösungsansätze unmittelbar Eingang in die industrielle Praxis. Spitzenforschung sorgt so für einen Spitzen­standort Deutschland.

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Roman Schöldgen