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May 18, 2023

Hitze

Fraunhofer-Forscher haben eine extrem hitzebeständige Tinte auf Keramikbasis entwickelt. Dies ermöglicht erstmals die Bearbeitung von Metallbauteilen in der Automobilindustrie bei Temperaturen über 1.000 °C

Fraunhofer-Forscher haben eine extrem hitzebeständige Tinte auf Keramikbasis entwickelt. Damit ist es erstmals möglich, Metallbauteile, die in der Automobilindustrie bei Temperaturen über 1.000 ºC verarbeitet werden, mit einem Code zu kennzeichnen. Der Code kann gescannt werden und wird mit einer Datenbank verknüpft, in der alle Fertigungsparameter des jeweiligen Bauteils gespeichert sind. Die Vorteile der Technologie liegen nicht nur in der frühzeitigen Erkennung von Produktionsstörungen und defekten Bauteilen. Darüber hinaus eröffnen sich weitreichende Möglichkeiten, Prozessketten in der Industrie effizienter zu gestalten und ihren CO2-Fußabdruck deutlich zu reduzieren. Auch Bauteilfälschungen können durch spezielle Zusätze in der Tinte verhindert werden.

Bauteile so zu kennzeichnen, dass jedes einzelne verfolgt und zurückverfolgt werden kann, ist eine wichtige Voraussetzung für die Digitalisierung von Prozessen in der Fertigungsindustrie. In der metallverarbeitenden Industrie scheiterten Bemühungen in diesem Bereich bislang daran, dass viele Metallbauteile in einzelnen Prozessschritten erwärmt werden müssen. Herkömmlich aufgedruckte Codes werden durch Erhitzen zerstört und sind daher nicht mehr lesbar.

Prof. Thomas Härtling, Gruppenleiter für Optische Prüfverfahren und Nanosensorik, und sein Team am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben nun eine Tinte entwickelt, die Temperaturen von über 1.000 ºC im Ofen unbeschadet übersteht. Die Ceracode-Tinte besteht aus hitzebeständigen Keramikpartikeln und einer Glaskomponente. Im Ofen sorgt das schmelzende Glas dafür, dass die Markierung auf dem Metall fixiert und dennoch gut lesbar ist. Mit der Ceracode-Tinte ist es erstmals möglich, metallische Bauteile – insbesondere solche, die bei der Produktion in der Automobilindustrie erhitzt werden – mit einer hochstabilen Markierung zu versehen. Bei der Entwicklung der Technologie nutzten die Fraunhofer-Forscher ihr jahrzehntelanges Know-how zu Keramik und keramikbasierten Werkstoffen.

Nehmen Sie das folgende Anwendungsszenario: Bei einer Stichprobe in einem Automobilwerk entdeckt ein Arbeiter ein defektes Metallbauteil. Seine Geometrie entspricht nicht den Spezifikationen und das Teil wurde nicht richtig geformt. Das Bauteil verfügt über eine Markierung, einen sogenannten Datamatrix-Code, der es über eine Seriennummer eindeutig identifiziert. Mithilfe eines Scanners kann der Werker diesen Code auslesen. Auf dem Display öffnet sich eine Datenbank und zeigt alle Parameter für den Herstellungsprozess des Bauteils an, wie zum Beispiel Temperatur und Verweilzeit im Ofen, geometrische Daten und Pressdruck. Das Problem lässt sich nun leicht erkennen: Der Pressdruck war bei einem bestimmten Prozessschritt nicht hoch genug. Mit wenigen Klicks kann der Werker alle anderen Bauteile einsehen, die mit dem falschen Pressdruck verarbeitet wurden und daher defekt sind. Diese werden dann schnell entsorgt – bei Bedarf erledigt ein Roboter dies vollautomatisch. Das aufwändige Überprüfen aller möglicherweise betroffenen Bauteile und das manuelle Entfernen von Ausschuss entfällt und der Produktionsprozess kann direkt weiterlaufen.

Digitalisierung von Prozessketten

Die Kombination von Ceracode-Tinte und dem in der Industrie weit verbreiteten standardisierten Data-Matrix-Code gibt neue Impulse für die Digitalisierung von Produktionsprozessen in der metallverarbeitenden Industrie. „Entlang der Wertschöpfungskette lässt sich jederzeit die Qualität jedes Bauteils oder Werkstücks erfassen und Fehler bereits zu Beginn der Produktion erkennen und gezielt beheben.“ Dadurch sparen Unternehmen nicht nur Energie, sondern verschwenden auch keine Rohstoffe und können ihren CO2-Ausstoß reduzieren“, erklärt Härtling. Insgesamt wird der Produktionsprozess dadurch deutlich effizienter und kostengünstiger. Die in der Datenbank gespeicherten Prozessdaten erleichtern zudem den Aufbau adaptiver Prozessketten. Wenn ein Hersteller weiß, welche physikalischen Parameter zur Herstellung eines Produkts verwendet wurden, können die nachfolgenden Schritte und Prozesse flexibel angepasst und optimiert werden.

Je nach Anwendungsszenario kann die Datenbank bei Bedarf mit zusätzlichen Informationen gefüllt werden. Beispielsweise könnten für jeden Verarbeitungsschritt Daten zum Stromverbrauch und zur Stromquelle einfließen und daraus dann die Treibhausgasemissionen für jede Komponente berechnet werden. „Immer mehr Hersteller fordern solche Features, um transparente und ressourceneffiziente Produktionsprozesse zu ermöglichen“, erklärt Härtling.

Das Projekt ist auch das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit. Während das Team des Fraunhofer IKTS die Tinte entwickelt und weiter daran arbeitet, sie weiter zu optimieren, ist der Projektpartner Senodis Technologies GmbH für die Programmierung der Software und die Kommerzialisierung verantwortlich. Senodis Technologies ist eine Ausgründung des Fraunhofer IKTS und konzentriert sich darauf, das vielfältige Potenzial der keramikbasierten Tinte zu nutzen, um neue Anwendungen für Industriekunden zu erschließen und die Digitalisierung ihrer Wertschöpfungsketten voranzutreiben. Zielgruppe sind vor allem Kunden aus der Metall-, Automobil- und Keramikbranche.

Neben der Optimierung der Produktion ermöglicht die Technologie des Fraunhofer IKTS auch einen noch umfassenderen Informationsaustausch zwischen Herstellern, Lieferanten und Subunternehmern. In der Automobilindustrie sind diese bereits über ein komplexes Netzwerk miteinander verbunden. Der Informationsaustausch soll künftig über die Netzwerkplattform Catena-X erfolgen, die sich derzeit im Aufbau befindet. Als kollaboratives Datenökosystem der Automobilindustrie soll es einen sicheren und unkomplizierten Datenaustausch zwischen Herstellern ermöglichen und gleichzeitig sicherstellen, dass jeder Teilnehmer die Hoheit über seine eigenen Daten behält. Beteiligte Unternehmen geben daher nur die Daten weiter, die sie auch tatsächlich preisgeben möchten.

Mit Ceracode können nun erstmals detaillierte Informationen zu den Prozessparametern von Metallbauteilen in das Catena-X-Netzwerk eingebunden werden. Auch hier bleiben Daten, die der Hersteller nicht preisgeben möchte, etwa interne Details zum Herstellungsprozess oder die genaue Materialzusammensetzung eines Bauteils, weiterhin im unternehmensinternen Netzwerk geschützt.

Das System aus hitzebeständiger Tinte und Data-Matrix-Code ist ausgereift und über den Projektpartner Senodis Technologies GmbH bereits am Markt erhältlich. Produzierende Unternehmen können das System problemlos installieren und in Betrieb nehmen – auch die Nachrüstung bestehender Maschinen ist kein Problem. Die verwendeten Datenmatrixdrucker sowie die Scanner sind mit bestehenden Industriestandards kompatibel.

Darüber hinaus kann die Tintentechnologie umfassend an die Bedürfnisse und Anwendungen des Kunden angepasst werden. Ein Beispiel ist der Schutz von Produkten vor Fälschungen. „Dazu fügen wir der Formel der keramikbasierten Tinten spezielle Pigmente hinzu, damit diese unter UV-Licht in einer definierten Farbe leuchten. Für Industriekunden, die Teile aus besonders teuren Metalllegierungen oder Komponenten für sicherheitsrelevante Systeme beziehen, ist das eine interessante Option“, erklärt Fraunhofer-Forscher Härtling.

Im nächsten Schritt arbeiten die Fraunhofer-Forscher daran, gebogene oder geformte Metallbauteile zu prägen. Weiterentwickelte Bilderkennungsalgorithmen sollen dann in der Lage sein, Codes auch auf unregelmäßigen oder gekrümmten Metalloberflächen präzise auszulesen.

Weitere Informationen: www.ikts.fraunhofer.de

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