Fördermaßnahme: Photonische Prozessketten, Laufzeit 01.12.2014 - 30.06.2019

Unter dem Begriff „Photonische Prozessketten“ möchte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die intelligente Verkettung photonbasierter Fertigungsprozesse mit vor- und nachgelagerten Produktplanungsprozessen vorantreiben. Darüber hinaus wird auch die Erarbeitung durchgängiger Prozessketten für die Optikfertigung angestrebt.

Bekanntmachung

Photonische Prozessketten

Achtung: Dieser Text ist nur ein Auszug. Die vollständige, rechtlich geltende Bekanntmachung finden Sie auf der Bekanntmachungsseite des BMBF und im Bundesanzeiger!

Unter dem Begriff „Photonische Prozessketten“ möchte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die intelligente Verkettung photonbasierter Fertigungsprozesse mit vor- und nachgelagerten Produktplanungsprozessen zur flexiblen Fertigung individualisierter oder komplexer Produkte vorantreiben. Darüber hinaus wird auch die Erarbeitung durchgängiger Prozessketten für die Optikfertigung angestrebt, um so eines der wesentlichen Hemmnisse für die kommerzielle Umsetzung innovativer Optikkonzepte zu überwinden.

Diese Ziele sind nicht mit einem Schritt zu erreichen und erfordern in Teilen sehr grundlegende Arbeiten.

Zuwendungszweck

Bei den zukünftigen Ansprüchen des Marktes an produzierende Unternehmen zeichnen sich zwei Trends ab. Zum einen fordern Kunden immer komplexere Produkte zu möglichst niedrigen Preisen. Ein weiterer Trend liegt in der zunehmenden Einbindung des Kunden in die Entwicklung individueller Bauteile, die „auf Knopfdruck“ produziert werden.

Beide Trends verlangen eine enge Verkettung aller Schritte der Produktentstehung, von Konstruktion und Design über die Materialauswahl bis hin zu intelligenten und flexiblen Produktionsverfahren, die energieeffizient und im Idealfall unabhängig von Komplexitätsgrad und Losgröße wirtschaftlich sind. Gleichzeitig muss der Weg von den ggf. beim Kunden entstehenden digitalen Daten zum fertigen Produkt möglichst kurz werden.

Die berührungsfreien, hochflexiblen und verschleißfrei arbeitenden Fertigungsverfahren der Photonik besitzen ein immenses Potenzial für solche Produktionsprozesse. Generative oder abtragende Laserverfahren setzen heute bereits digitale Daten in materielle Produkte um. Ohne Werkzeugwechsel können flexibel von Stück zu Stück unterschiedlichste Formen umgesetzt werden – die Massenfertigung individualisierter Produkte wird möglich. „Complexity for free“ oder „Individualization for free“ sind damit keine unrealistischen Ziele mehr.

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffe zu einem Werkstoff-Hybrid oder die gezielte Modifikation des Werkstoffs ermöglichen laserbasierte Fügeverfahren und Strukturierungstechniken eine optimale Anpassung der Bauteileigenschaften an die Nutzungsanforderungen. Adaptive, selbstoptimierende Fertigungs- und Anlagenkonzepte auf der Basis von intelligenten Lasernetzwerken und optischen Sensor- und Regelsystemen steigern die Flexibilität der Produktionsinfrastruktur, reduzieren die time-to-market und bieten Potenziale für eine Null-Fehler-Produktion.

Künftig könnten Laserbearbeitungsmaschinen als sogenannte Social Machines etwa durch Lernerfahrung die besten Parameter für die Bearbeitung bestimmter Werkstoffe erkennen und diese Parametersätze mit den mit ihnen vernetzten Maschinen teilen.

Um dieses Potenzial vollständig für die moderne Produktion nutzen zu können, darf man die Fertigung eines Produkts nicht nur in ihren einzelnen Schritten begreifen, sondern muss die Gesamtheit der Verfahren in der vollständigen Prozesskette betrachten. Für die Photonik bedeutet dies, dass der nächste Schritt von Insellösungen zu kompletten, neuartigen photonischen Prozessketten führen muss.

Dabei ist die Kopplung einzelner photonischer Verfahren untereinander ebenso von Bedeutung wie deren Schnittstellen zu anderen Fertigungsverfahren.

Vor diesem Hintergrund hat das BMBF im Rahmen der Programme „Photonik Forschung Deutschland“ sowie „Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft (WING)“ (www.bmbf.de/de/3780.php) die vorliegende Förderinitiative „Photonische Prozessketten“ erarbeitet. Die Fördermaßnahme ist Bestandteil der High-Tech-Strategie der Bundesregierung. Sie zielt auf Innovation und Wachstum in Deutschland. Die inländische Verwertung der Projektergebnisse hat daher besondere Bedeutung.

Gegenstand der Förderung

Im Rahmen der zu fördernden Projekte sollen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt werden, die einen Beitrag zur Einbindung neuartiger, photonischer Fertigungs-, Mess- und Prüfprozesse in Produktionsabläufe oder zur Etablierung neuer Prozesse für die wirtschaftliche Optikfertigung leisten. Im Zentrum soll die intelligente Verkettung photonbasierter Fertigungsprozesse mit vor- und nachgelagerten Produktplanungsprozessen zur flexiblen Fertigung individualisierter oder komplexer Produkte stehen. Zielsetzung muss es hier sein, entweder neuartige photonische Werkzeuge und Prozesse in konventionelle Prozessketten zu integrieren, komplett neue Fertigungsabläufe auf der Basis photonischer Werkzeuge und Prozesse zu erarbeiten, die mit konventionellen Ansätzen nicht realisierbar sind, oder neue und verbesserte Werkstoffe für beispielsweise generative Verfahren zu entwickeln.

Entscheidend ist, auf diese Weise die Leistungsfähigkeit der einzelnen Fertigungsverfahren bestmöglich zu kombinieren oder zu erhöhen und so die Gesamtprozesskette zu optimieren. Dazu ist es in der Regel erforderlich, Partner aus allen oben genannten Bereichen in einem Verbund zusammenzubringen. Durch die Einbindung neuartiger photonischer Werkzeuge in Linienkonzepte sowie die Integration von Mess- und Prüftechnik in einer durchgängigen Prozesskette vom Material bis zum Fertigteil sollte dabei beispielsweise eine Verkürzung der Prozesszeiten, eine Reduktion der Kosten, ein effizienterer Materialeinsatz oder die Steigerung der Flexibilität der Produktionsinfrastruktur angestrebt werden.

In begründeten Ausnahmefällen können auch selektive Arbeiten zur Beseitigung bestehender Hemmnisse bei der Einbindung neuartiger photonischer Fertigungs- und/oder Prüfprozesse in Prozessketten gefördert werden. Zielsetzung muss es hier sein, ein eng umrissenes Problem fokussiert anzugehen, um so die Vorteile eines photonischen Prozessschritts in der Prozesskette nutzbar zu machen. Diese Arbeiten müssen einen signifikanten Lösungsbeitrag für zukünftige Prozessketten erwarten lassen.

Handlungsbedarf besteht hier vor allem bei photonischen Werkzeugen und Prozessen in folgenden Bereichen:

2.1 Bei Fertigungsverfahren im Hinblick auf 3-dimensionale Geometrien zeichnet sich für kleine Stückzahlen und großen Variantenreichtum ein Trend zur Nutzung in der industriellen Fertigung ab (z. B. generative Verfahren). Es besteht in Teilen jedoch noch erheblicher Forschungsbedarf, u. a.

  • Erforschung der Werkstoff-/Bauteileigenschaften sowie deren Reproduzierbarkeit (u. a. Langzeitbeständigkeit der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften)
  • Optimierung der Werkstoffeigenschaften zur Erhöhung der Oberflächengüte, der Qualität in Aufbaurichtung und der Bauteilfestigkeiten
  • Erforschung der Verarbeitungseigenschaften der Werkstoffe, u. a. im Hinblick auf Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten sowie Fließverhalten der Schmelze
  • bei Pulverbettverfahren: optimal zugeschnittene Partikelgrößenverteilungen und optimale Fließeigenschaften
  • Erweiterung der mit generativen Verfahren verarbeitbaren Werkstoffpalette
  • Diskrete Mehrstoffsysteme, disperse Hybridwerkstoffe, Werkstoffe mit einstellbarer Mikroporosität etc.
  • angepasste Bauteilauslegung, Steigerung der Prozesssicherheit, Steigerung der Produktivität und ggf. adaptive Fertigbearbeitung.

2.2 Abtragende Laserverfahren, z. B.

  • Laser- und Systemtechnik zur Umsetzung der Leistungsfähigkeit neuer Strahlquellen in eine Steigerung der Produktivität
  • Prozessgrundlagen und Prozesssimulation zur Beschleunigung der Prozessentwicklung
  • Einbindung in innovative Herstellungsprozesse durch Kopplung der Steuerungs- und Programmiersysteme, Integration in Werkzeugmaschinen, gekoppelte Fertigungstechnologien.

2.3 Laserfügen und -trennen, z. B.

  • Laserschweißen als finaler Montageprozess: Struktursimulation zur Minimierung des Verzugs und Reduktion der Risswahrscheinlichkeit
  • Bearbeitung von Werkstoffhybriden.

2.4 „Hands-Off“-Prozessketten für die Optikfertigung

  • Deterministische Fertigung zur Umsetzung des Computerdesigns in qualitätsgeprüfte optische Bauteile und Systeme
  • Durchgängig automatisierbare Montage- und Justagekonzepte für den Aufbau optischer Systeme mit dem Ziel, die Herstellungskosten zu senken und die Robustheit bzw. die Zuverlässigkeit zu erhöhen
  • Neue Fertigungsverfahren für optische Systeme durch die effiziente, enge Verknüpfung aller Wertschöpfungsstufen bei der Herstellung beispielsweise von Halbleiterlichtquellen oder von integrierten Systemen (z. B. für Beleuchtung, Projektion oder Lasertechnik).

2.5 Photonische In-Line- und In-Prozess-Messtechnik und Regelsysteme, z. B.

  • Prozessüberwachung, schnelle Adaption der Prozessparameter und automatische Weitergabe der Daten in die vorgelagerte (Lernfähigkeit) und nachgelagerte (Adaptivität) Prozesskette
  • schnelle und prozesskettenintegrierte Messtechnik (Automatisierung, Werkzeugmaschinenintegration, Software­anbindung) für 100 %-Prüfung, Qualitätssicherung.

2.6 Datenhandling, Software, z. B.

  • Softwarelösungen für Produktentwickler/Fertiger an Stelle von Expertensystemen zur Umsetzung von Designdaten in Maschinendaten für die Laserbearbeitung
  • Softwarelösungen für das Design von Oberflächenstrukturen zur Nutzung der Möglichkeiten abtragender Fertigungsprozesse
  • Softwarelösungen zur Beherrschung der Wechselwirkungen in komplexen „photonisch-konventionellen“ Prozessketten
  • Lösungen für den Umgang mit großen Datenmengen für komplexe Strukturen in der Bearbeitungsmaschine, On the fly-Generation von Bearbeitungsdaten aus Strukturdaten.

2.7 Konzepte zur Nutzung der neuen Möglichkeiten photonischer Verfahren hinsichtlich verteilter Wertschöpfungsketten.

Die Auflistung ist beispielhaft und nicht als vollständig anzusehen. Es können auch Projekte in nicht explizit genannten Anwendungs- und Technologiebereichen gefördert werden, solange die Lösungsansätze einen Beitrag zur Integration photonischer Prozesse in Prozessketten, zur Optikfertigung oder zur Werkstoffentwicklung leisten.

Das Förderverfahren ist zweistufig. In der ersten Stufe sind zunächst ausschließlich dem Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH unter der oben angegebenen Anschrift Projektskizzen vorzulegen. Die Vorlagefrist endet am 28. Juni 2013.

Einreichungsfrist

14.03.2013 - 28.06.2013

Ansprechpartner

Foto: Dr. Nikolas Knake
Dr. Nikolas Knake
+49 211 6214-570
Foto: Dr. Jörg Overbeck
Dr. Jörg Overbeck
+49 211 6214-569