Chancen

Chancen von Industrie 4.0

  • Faserverbundwerkstoffe sind Bottom-up-Werkstoffe bzw. -bauteile. Sie eignen sich damit hervorragend für die Sensorierung durch Integration von Chips und Sensoren, die bereits während der Fertigung von Bauteilen und Strukturen sowie im späteren Einsatz Daten über den Zustand des Materials bzw. des Bauteils sammeln und speichern können. Ebenso lassen sich relativ leicht auch aktive Elemente (nicht nur Aktoren) integrieren, die eine zusätzliche Funktionalität (integriertes Heizen und Beleuchten, Lärm- und Schwingungskompensation, Geometrieadaption oder Schadenskontrolle) ermöglichen.
  • ƒƒNicht nur aktive Elemente sind denkbar, es können auch passive Elemente oder  Materialien eingebaut werden, die eine Prüfung, eine Wiedererkennung oder das Auslesen einer Lasthistorie möglich machen.
  • ƒƒSensorierte Werkstoffe erlauben in Zusammenhang mit adaptiven Fertigungstechnologien, die flexibel auf aktuelle Gegebenheiten (zum Beispiel Materialzustände) reagieren können, die weitere Absenkung von Fertigungstoleranzen und damit die Reduktion der Fehlerquote auf ein Minimum. Entsprechende Datenarchitekturen und Rückkopplungsmechanismen müssen durch Industrie 4.0 bereitgestellt werden. Im Kontext der adaptiven Fertigungstechnologien kommt der Inline-Qualitätskontrolle durch Monitoring der Materialien und Prozessparameter (z. B. Temperatur, Viskosität, Matrixaushärtung,  etc.) einerseits und dem Einsatz prozessintegrierter zerstörungsfreier Prüfverfahren (zfP) andererseits eine besondere Bedeutung zu. Diese Prüfverfahren liefern wichtige Daten für ein internes Feedback im Fertigungsprozess und damit für die flexible und individuelle Steuerung der Materialeigenschaften. Strukturelle Fehler wie z. B. Ondulationen oder Falten in tragenden Faserstrukturen können an verschiedenen Stellen des Herstellungsprozesses entstehen und müssen inline spätestens bei der abschließenden Qualitätskontrolle erkannt werden, wenn sie nicht tolerabel sind, muss das Bauteil aus dem Prozess entfernt werden.
  • ƒƒErst mit den zur Verfügung stehenden Daten lassen sich komplette Prozesskettensimulationen generieren, um möglichst präzise Vorhersagen zum späteren Einsatzverhalten unter Berücksichtigung der Prozesshistorie treffen zu können (Soll-Vorgabe). Andererseits dienen Prozesskettensimulationen auch zur Auslegung und aktiven Regelung von adaptiven Fertigungstechnologien.
  • ƒƒWährend der Bauteilnutzungsphase lassen sich durch die Nachverfolgung der Belastungs- und Schadenshistorie wertvolle Parameter für die weiterreichende Prozesskettensimulation (von der Bauteilauslegung bis zur Bauteilnutzung)  gewinnen. Daten in bisher ungekannter Detaillierung und Menge stehen zur Verfügung und helfen, die Entwicklungszeiten für tragende Strukturbauteile deutlich zu verkürzen und Bauteile hinsichtlich Funktionalität und Ressourceneffizienz kontinuierlich zu optimieren.
  • Durch exakte Kenntnis der Strukturperformance über integrierte Sensorik im Betrieb (Condition Monitoring) können Sicherheitsreserven reduziert werden, um zusätzliches Leichtbau-Potenzial zu heben. Damit wäre auch ein Übergang der Entwurfsphilosophie von »safe life«- in Richtung »damage tolerant«-Konzepten zur weiteren Gewichtsreduktion möglich. Gerade im Hinblick auf den Einsatz und das Potenzial von Naturfasern als Rohstoffe für tragende Strukturen können so wichtige sicherheitsrelevante Informationen gewonnen und der Materialeinsatz optimiert werden. Automatisierte Reparaturen eines Bauteils werden auch nach langer Betriebsdauer möglich, da umfangreiche Daten zu Bauteil, Material und  Belastungshistorie sowie zur Beurteilung von Schädigungen zur Verfügung stehen.
  • ƒƒAls langfristiges Ziel bzgl. der Steigerung der Ressourceneffizienz wäre eine Wiederverwendung von alten Strukturbauteilen in neuen Modellen anzustreben,  wenn die alten Teile entsprechend modifiziert und angepasst werden können. Dies würde allerdings eine konsequente Standardisierung von Datenformaten, Bauteilschnittstellen, etc. erfordern.
  • ƒƒDaten zu den Bestandteilen eines komplexen Materials (Materialidentifikation) ermöglichen ein umweltgerechtes und dem Materialzustand angepasstes Recycling. Das Konzept der Wiederverwendung des Bauteils sollte vor dem des Materialrecyclings und der thermischen Verwertung stehen. Naturfaserverstärkte Kunststoffe bieten ein immenses Potenzial im Bereich des Recycling, Ziel hierbei sollte es nicht sein, Naturfasern vom Polymer zu trennen, sondern die Werkstoffe entsprechend ihrer diversen Matrizes (PVC, PE, PP, PLA, etc.) am Ende der Nutzungsphase zu erkennen, zu sortieren und neuen Anwendungen (upcycling, downcycling) zuzuführen.

Für den Endanwender ergeben sich für das Beispiel Automobilindustrie folgende Potenziale, die sich jedoch sinngemäß auf andere Branchen übertragen lassen:

  • Die Produktion von individuellen sehr unterschiedlichen Komponenten und Bauteilen nach Kundenwunsch wird vereinfacht.
  • ƒƒIntelligente Materialien ermöglichen eine weitreichende Funktionalisierung von Bauteilen und Strukturen, beispielsweise durch integrierte Kommunikations- und Medienelemente, Energiegewinnung, Komfort, Sicherheitselemente.
  • ƒƒBeherrschung von Unsicherheiten in Auslegung, Produktion und Betrieb im Kontext einer steigenden Variantenvielfalt, dies auch im Kontext unterschiedlicher Zielmärkte, durch gesteuerten aktiven Struktureingriff.
  • ƒƒIdentifikation von originalen Bauteilen (auch für Reparaturen) wird gesichert.
  • ƒƒZustandsüberwachung des Status eines Fahrzeuges wird zum Beispiel über eine App abfragbar, wodurch neue Geschäftsmodelle ermöglicht werden (z. B. bedarfsgerechte Wartung, Restwertermittlung aufgrund tatsächlicher Nutzung, Rekonstruktion von Unfallhergängen, …).