Pierangelo Gröning: «Die Fertigungsverfahren, von welchen wir hier sprechen, sind additive Verfahren.»

Ausgabe 01 | 2023

Fertigungsprozesse viel besser verstehen

Empa

Pierangelo Gröning, unter anderem Präsident der AM-TTC-Allianz und der Forschungskommission sowie Direktionsmitglied der Empa, erläutert die Rolle des Forschungsinstituts bei den Projekten im Bereich «Advanced Manufacturing».

Herr Gröning, was bedeutet das Stichwort «Advanced Manufacturing»? Was ist das Neue daran?
Moderne Materialforschung umfasst heute nicht nur die Entwicklung von Materialien alleine. Solange das Material nicht verarbeitet und prozessiert werden kann, hat es noch keine technologische Bedeutung. Die Empa forscht an einer Reihe neuartiger Materialien, die mit bekannten Standardprozessen kaum oder nicht verarbeitbar sind. Entsprechend viel Aufmerksamkeit widmen wir der Entwicklung und Weiterentwicklung von Fertigungsprozessen und Verarbeitungsmethoden, und in dieser Hinsicht haben wir in den letzten Jahren viel erreicht.

Wie begann diese Entwicklung?
Ursprünglich haben die Nanomaterialien bei mir diesen Gedanken ausgelöst. Beim Stichwort Nano wird schnell klar, dass es da einfach noch keine Verarbeitungsmaschinen gibt und auch, dass die Industrie hier nicht auf bestehenden Kenntnissen aufbauen und bekannte Verfahren einfach weiterentwickeln kann. Wir mussten uns also schon damals mit der Prozesstechnik beschäftigen und Wege aufzeigen, wie man mithilfe dieser neuen Materialien Wertschöpfung generieren kann. Der zweite Auslöser war die Digitalisierung und die Frage, wie man die Möglichkeiten der Digitalisierung in der Fertigung optimal nutzen kann.

Meinen Sie die Automatisierung für die Massenproduktion?
Nein. Hier denke ich nicht primär an die Optimierung von Lieferketten und Fertigungsabläufen, sondern an die Optimierung des Produkts und dessen Qualität. Es gibt ein anschauliches Beispiel aus der Beschichtungstechnologie: Für die Abscheidung harter Schichten nutzen wir auch Plasmen. Dank moderner Leistungselektronik können wir heute über Pulsmodulation die Zusammensetzung der reaktiven Teilchen, also Ionen und Radikale, im Plasma steuern und damit direkt Einfluss auf die Zusammensetzung und den Aufbau der Schicht, sprich auf die physikalischen Eigenschaften, nehmen. Gegenüber konventionellen Plasmen wird der Beschichtungsprozess durch die Pulsmodulation quasi digitalisiert. Daraus ergeben sich vollkommen neue Möglichkeiten zur Optimierung der Schichteigenschaften. Jetzt kommt die Frage: Wie finde ich in diesem riesigen Wald von Möglichkeiten die richtige Lösung? Hier dürfen wir die Produktingenieure nicht im Regen stehen lassen – es braucht Wissenschaftler, die diese Prozesse von Grund auf verstehen. Und verstehen heisst im Zeitalter der Digitalisierung: Ich muss den Depositionsprozess am Computer simulieren können. Nur so ist es möglich, eine Art «Rezeptbuch» zusammenzustellen, das dem Praktiker die richtigen Parameter vorschlägt, mit dem er optimale Ergebnisse erzielen kann.

Digitalisierung allein hilft also noch nicht?
Nein. Viele denken, hier habe ich Daten und ein neuronales Netzwerk, das lasse ich einfach so lange rechnen, bis ein Lösungsvorschlag vorliegt. So einfach darf man es sich nicht machen. Das wäre nur «Trial-and-Error» mit ein bisschen digitaler Unterstützung. Um das Potenzial der Digitalisierung voll zu nutzen, muss man die Fertigungsprozesse physikalisch viel besser verstehen, und zwar auf einem Niveau, um sie simulieren zu können. Über die Simulation lassen sich dann die optimalen Prozessparameter schnell und verlässlich ermitteln. Davon sind wir aber noch ein ganzes Stück entfernt, sind doch hierfür rechenintensive hochkomplexe «multiscale» Modellierungen erforderlich.

Was ist eigentlich das Besondere an «Advanced Manufacturing»?
Die Fertigungsverfahren, von welchen wir hier sprechen, sind additive Verfahren. Bei diesen verbinden sich Produktion und Materialsynthese in einem integralen Fertigungsprozess. Dadurch erhöht sich die Komplexität der Fertigung und stellt ganz neue Herausforderungen an das Qualitätsmanagement, gilt es nun doch neben der Massgenauigkeit auch die Materialqualität des Produktes sicherzustellen. Ein sehr anschauliches Beispiel ist der 3D-Metalldruck. Die Materialeigenschaften der geometrisch komplexen Werkstücke die mit 3D-Druckverfahren hergestellt werden können, sind nicht isotrop, also identisch in allen Raumrichtungen. Dies hängt mit dem sequenziellen Aufbauprozess des 3D-Drucks zusammen und wie der Laser geführt wird. Über verschiedene Laserparameter wie Laserleistung oder Scan-Geschwindigkeit kann der Aufschmelz- und Rekristallisierungsprozess beeinflusst werden, was wiederum Einfluss auf die Materialeigenschaften hat. Kurzum: Zur Beherrschung des 3D-Drucks als Fertigungsverfahren braucht es ein tiefes Material- und Prozessverständnis. Kenntnisse, die selbst in grösseren Firmen nicht vorhanden sind. Und KMU geraten hier erst recht schnell an ihre Grenzen. Hier erkennt man die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung – um diese neuen Technologien am Markt zu etablieren und den Firmen dadurch einen Innovationsvorsprung zu verschaffen.

Wie werden sich die additiven Fertigungstechnologien im Alltag auswirken?
Eine schwierige Frage. Am besten geht es vielleicht, indem wir die Trends und Bedürfnisse der industriellen Produktion betrachten. Diese sind zum einen die Individualisierung – «Customized Products» und, wie wir in den letzten beiden Jahren erfahren mussten, die Verbesserung der Resilienz in der Produktion. Lösen lässt sich dies durch hohe Agilität und kurze Lieferketten, und genau das ermöglich die additive Fertigung. Zudem hat die additive Fertigung das Potenzial, die Produktionslandschaft bedeutend zu verändern, indem sie zentrale Massenproduktion durch dezentrale Kleinproduktion ersetzt – eine Riesen-Chance für den Produktionsstandort Schweiz.

Was ist die Rolle der Empa?
Neben der Erforschung und Entwicklung neuer, auf die Fertigungstechnologie optimierter Materialien haben wir auch Forschungsvorhaben, die Technologien für den industriellen Einsatz «alltagstauglich» machen sollen. Das heisst: die erforderlichen «Werkzeuge» entwickeln und bereitstellen, um einen robusten, zuverlässigen Einsatz der Technologie zu gewährleisten. Wie bereits erwähnt, entwickeln wir Simulationssoftware, um die optimalen Prozessparameter schnell und zuverlässig zu ermitteln, aber auch, um das Prozessverständnis zu schulen und zu verbessern. Desweitern entwickeln wir Messsysteme für die Echtzeit-Prozessüberwachung. Die Entwicklung solcher komplexer Systeme erfordert eine enge Zusammenarbeit von Spezialisten aus den unterschiedlichsten Bereichen. Dies ist eine grosse Stärke, die wir als Empa ausspielen können, aber auch eine Stärke des gesamten ETH-Bereichs.

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