Der «Digitale Zwilling» optimiert die Fertigung von Verbundwerkstoffen

Um die Herstellung von Verbundwerkstoffen zu optimieren, ist es FHNW-Forschenden gelungen, cyber-physikalische Systeme zur Überwachung und Übertragung realer Produktionszustände in virtuelle Umgebungen zu ermöglichen.

In der Schweiz stellen rund 150 Unternehmen Verbundwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen her. Im Gegensatz zu konventionellen Materialien wie Metallen ist die mechanische Leistung von Verbundwerkstoffteilen in hohem Masse vom Herstellungsprozess selbst abhängig. Um die Bauteilperformance sicherzustellen, führt dies oft zu langen Entwicklungszeiten mit umfangreichen experimentellen Bauteilqualifizierungen.

Um den Herstellungsprozess mit den realen Schwankungen zu optimieren, entwickelt das Institut für Kunststofftechnik FHNW zusammen mit der Firma Ansys ein System aus vernetzter Soft- und Hardware. Das cyber-physikalische System erfasst Daten aus der Fertigung eines Verbundwerkstoffs und stellt so einen «Digitalen Zwilling» her.

Dieses System ist durch drei Innovationen möglich:

1. Online-Prozessüberwachung
2. Ein ganzheitlicher, auf Standards basierender Ansatz zur Speicherung fertigungsbezogener Daten mittels hdf5-Format
3. Software zur Interpretation dieser Daten, um eine numerische Simulation des "as-built"-Zustands zu ermöglichen

Dem Team des Instituts für Kunststofftechnik FHNW ist es gelungen, das cyber-physikalische System zur Überwachung und Übertragung realer Produktionszustände am Beispiel eines Bauteils aus der Raumfahrt für die Firma Nägeli Swiss AG anzuwenden. Um die Produktion von Hightech-Verbundwerkstoffen digital zu begleiten, setzte das Team Messmittel und Bildverarbeitungsmethoden der Firma Hexagon ein und entwickelte Schnittstellen auf Basis des hdf5-Formats. Dies ermöglicht, Faserorientierungen direkt beim Drapieren zu messen und in die Software Ansys zu übertragen. Hierzu wurde im Projekt eine erweiterte Schnittstelle auf den Projektergebnissen in Ansys R2021 implementiert.

Durch die Anpassung des digitalen Modells an die realen Schwankungen, die bei den ersten Produktionsversuchen festgestellt wurden, können sowohl das Design als auch der Prozess optimiert werden. Das optimiert die Leistung der Komponenten und die Wirtschaftlichkeit der Produktion.