Automation & Robotics

Natural3D

gefördert

3D-Druck (FDM, fused deposition modeling) ist eine beliebte, aufstrebende Fertigungstechnik geworden, allerdings nutzt das Verfahren durch den schichtweisen Aufbau nicht das volle Potential der Werkstoffe. In diesem Projekt „Natural3D“ werden Werkstoffe und Prozesse zum Freiform-3D-Drucken entwickelt, um Kunststoffstränge frei im Raum, in Richtung der Kraftflüsse, zu deponieren. Dazu kommen kurz- und endlosfaserverstärkte Biokunststoffe zum Einsatz, die über einen Roboter manipuliert werden. Das Projekt, welches von K Wood geleitet wird und an dem auch die Shanghai Universitaet mitarbeitet, dauert 3 Jahre. Der Schwerpunkt der Forschung an der FH Technikum Wien liegt im Bereich Material- und Prozessenwicklung. Bachelor- und Masterstudenten sollen in das Projekt eingebunden werden.

Der traditionelle 3-Achs-3D-Druck hat in den letzten Jahren viel Aktivität erlebt, was zu zahlreichen Materialien, die verarbeitet werden können, geführt hat. Allerdings arbeiten praktisch alle Techniken an einem kartesischen 3-Achsen-Prinzip (x, y, z), sodass jede Materialschicht in 2D aufgebaut wird und aufeinanderfolgend eine Schicht auf die nächste Seite gestapelt wird, um einen 3D-Teil zu erzeugen. Diese Methode erzeugt in vielen Fällen Teile mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften, einem Bedarf an Stützstrukturen und geometrischen Einschränkungen. Daher sind diese Teile aufgrund ihrer Einschränkungen, die durch das Additivherstellungsverfahren gegeben werden, oftmals nicht für industrielle Anwendungen geeignet.

In diesem Projekt werden sowohl die angewandten Materialien als auch der Prozess verbessert, um einen echten 3D-Druck mit hochfesten Materialien zu realisieren. Verbundwerkstoffe aus harten, aber biobasierten Polymeren werden mit langen Fasern (Naturfasern und karbonisierten Fasern) verstärkt, und die resultierenden Materialien werden in Richtung des erwarteten Kraftflusses frei in den Raum gedruckt (vergleiche die Wachstumsstruktur eines Baumes). Dabei kann das anisotrope Verhalten von orientierten Fasern ausgenutzt werden, da deutlich höhere Lasten aufgenommen werden können (was den Anwendungsbereich von 3D-Druckobjekten auf größere Strukturen erweitert und / oder die Verringerung des Materialverbrauchs ermöglicht). Dieser Ansatz erfordert einen Freiform-Oberflächendruck, daher wird das Projekt die Erzeugungsmethode der 5-Achs-Fused Filament Fabrication (FFF, zusätzliche Bewegung der Bauplattform) sowie 6 Achsen (Druckkopf auf Roboterarm) 3D-Druck auf der Grundlage der erwarteten Kraftflussrichtungen der Zielstrukturen. Die Druckstrategie kann entsprechend den Anforderungen der Endanwendung des Teils sowie den anisotropen Eigenschaften der faserverstärkten Polymermatrixsysteme angepasst werden. Die Realisierung von 5-Achsen- und 6-Achs-3D-Druckprozessen kann den Bedarf an Stützmaterial erheblich reduzieren oder ganz vermeiden sowie die geometrische Flexibilität erhöhen.

Zusätzlich ist die Anpassung der vorliegenden FFF-Druckkopf-Designs an die Bedürfnisse von Kompositmaterialien, die mit langen Fasern gefüllt sind, bis zu einer Faserbeladung von 60 bis 70%, Projektziel. Dies wird in Verbindung mit der gedruckten Lastpfadverstärkung die mechanische Leistung der gedruckten Teile stark erhöhen.

Im Laufe dieses Projekts werden sowohl die Materialien als auch das Druckverfahren entwickelt und verbessert, um ein fortschrittliches 3D-Druck-Verfahren zu realisieren, z.B. 5- und 6-Achs-Druck, wobei gleichzeitig faserverstärkte Naturmaterialien verwendet werden.

Dabei kann die Anwendung dieser neuartigen Methoden in Kombination mit dem verstärkten Material dazu beitragen, die Druckprozesszeit zu reduzieren und die Qualität des Endteils in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften zu steigern.

Zeitraum

Juli 2017 bis Juni 2020

Fördergeber

FFG

Institut

Advanced Engineering Technologies

Projektteam

PD DI Dr. Maximilian Lackner , MBA

Werkstofftechnik

Mohamed Aburaia, MSc

Deputy Program Director MSc Mechatronics/Robotics

Philipp Fleischhacker, BSc

Junior Researcher

SIP 4.0 - Sicherheit in intelligenten Produktionsumgebungen

gefördert

Das Projekt ist im Stärkefeld Smart Production angesiedelt. Es beforscht eine essentielle Voraussetzung der intelligenten Produktion: die Sicherheit. Intelligente Produktionskonzepte wie Industrie 4.0, Smart Production (etc.) verändern Arbeitssituationen und damit die Anforderungen an die Sicherheit. Das hat mehrere Ursachen: Einerseits verschmelzen in der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine die Grenzen (Collaborative Robotics), sodass zu klären ist, wie im gleichen Arbeitsraum Sicherheit erreichbar ist. Andererseits ist aufgrund des zunehmenden Softwareanteils in der intelligenten Produktion die Maschinensicherheit immer stärker von der IT-Sicherheit bestimmt. Maschinensicherheit (Safety) und IT-Sicherheit (Security) sind nicht mehr trennbar. Hinzu kommen neue Risiken und die Tatsache, dass sich aufgrund der Vernetzung lokale Risiken u.U. im Maschinennetzwerk exponentiell verstärken.

Aktuelle Sicherheitskonzepte genügen künftigen Anforderungen noch nicht. Kritisch ist insbesondere die fehlende Integration von Safety und Security. Eine wichtige Frage ist z.B., wie man in Sicherheitskonzepten mittels IT-Security die funktionale Safety gewährleisten kann. Da die Entwicklung technischer Standards und Normen hinter dem Tempo der Technologieentwicklung zurückbleibt, fehlen den Unternehmen technische Leitlinien und rechtssichere Regelwerke. Das fehlende Know-how gefährdet heutige und künftige Wettbewerbspositionen.

Hier sind aus Sicht des Innovations- und Wirtschaftsstandorts Wien insbes. die FHs gefordert, dem Arbeitsmarkt hochqualifizierte Fachkräfte zur Verfügung zu stellen. Allerdings entspricht der Erfah-rungsstand österreichischer FHs, die sich mit Sicherheit in der Produktion beschäftigen, meist erst dem Stand Industrie 3.0. Insbes. fehlt derzeit die wichtige Integration der Gebiete Safety und Security.

 

Das Projekt analysiert die komplexen Wechselwirkungen von Safety und Security in der Smart Produktion für relevante Gefährdungen in 4 Anwendungsszenarien und entwickelt auf dieser Basis ein integriertes Sicherheitskonzept incl. Umsetzungsleitfaden in die Praxis, das TÜV-Anforderungen an zukunftsfähige, rechtssichere Sicherheit genügt. Dieses Sicherheitskonzept wird in der Digitalen Fabrik der FHTW als Pilotprojekt implementiert, validiert, und vom TÜV Austria zertifiziert; die Digitale Fabrik wird so zum „Living Lab“ für den Wissenstransfer an Unternehmen (insbes. KMUs) und Hochschulen. Anschließend wird in einem Leitprojekt mit einem Wiener Unternehmen die Praxistauglichkeit abgesichert. Das Forschungswissen wird breit in Fachartikeln publiziert und auf Veranstaltungen präsentiert.

Das Projekt ist in den FTI Schwerpunktfeldern IKT und Smart Production der Strategie „Innovatives Wien 2020“ angesiedelt, die Projektziele tragen zu 100% zur Wiener FTI Strategie bei. Die Digitale Fabrik soll zur Lern- und Forschungsplattform für Sicherheitslösungen mit Vordenkercharakter im Bereich Smart Production entwickelt werden, die allen WienerInnen unabhängig von Geschlecht, Herkunft, Alter (etc.) attraktive Bildungs- und Innovationschancen eröffnet. Das Projekt fördert damit nachhaltig die Zukunfts-fähigkeit der FH Technikum Wien, und stärkt den Standort Wien mit den ansässigen Unternehmen, Hochschulen und weitere Institutionen im Umfeld der intelligenten Produktion.

„Technologiehotspots“ für die Smart Production wie Aspern IQ und die Digitale Fabrik der FHTW sind als FuE-Zentren, Lernstätte, Pilotplattform, Testfeld und Multiplikator gerade für Hochlohnstandorte unverzichtbarer Hebelfaktor im internationalen Wettbewerb. Sicherheit – im Sinne integrierter Safety und Security auf Industrie 4.0 Standard – ist hierfür unverzichtbar und sichert die Zukunftsfähigkeit vorhandene Stärkefelder nachhaltig ab.

Zeitraum

April 2017 bis März 2020

Fördergeber

Stadt Wien

Institut

Advanced Engineering Technologies

Projektteam

DI Walter Wölfel

Stv. Leitung Bachelor Internationales Wirtschaftsingenieurwesen

+43 1 333 40 77-501
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Ing. Maria Cecilia Perroni, MSc

Lecturer

+43 1 333 40 77-492
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DI Dr. Kemajl Stuja

Simulationstechnik

+43 1 333 40 77-489
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Bernhard Kauzinger, BSc

Laborant