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    Design of freeform optic module creating a ring-shaped laser beam profile for localized heating of sheet metals
    Laser-based preheating is an energy-efficient method to locally enhance the formability of a metal sheet. A ring-shaped beam can be used for preheating in the flange forming process. According to the tailored heat principle, only the area to be formed is heated. In this paper, a method is presented to design modules with reflective freeform optics (FFO) that converts a collimated Super-Gaussian beam into a ring-shaped beam at a working distance of e.g. 170 mm and deflects the laser beam by 90° simultaneously. The FFO design is based on a 2D geometric model of the optical system and is iteratively optimized according to the process requirements. The FFO was manufactured by fast tool diamond turning and placed into an integration model within a progressive die tool. The design was verified by beam profile measurement as well as by analyzing the formed part quality.
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    System development for active deviation compensation in laser-based wire micro deposition using image recognition
    Gold plating is used to protect electrical components from corrosion and enhance functionality. A sustainable alternative is localized laser-based wire deposition: Using a laser scanning system, micro gold wires are welded into gold spots locally on the component surface. However, process and system tolerances lead to deviations between the target and actual weld positions. This paper presents a system for active deviation compensation using an on-axis camera and image recognition algorithms. Different adaptive thresholding methods and image processing algorithms are used to determine the welding target position on the part. The actual welding point of the wire on the component is calculated and transferred to the scanner as the new welding position. An approach for designing such a system for active deviation compensation and the possibility of higher-level communication with industrial controls is presented.
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    Scalable Production of Energy Storage Systems
    ( 2023-05-05) ; ; ; ;
    Rieck, Sarah
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    Bär, Kai
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    Bastuck, Thomas
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    Witt, Stefan
    The production of energy storage devices, especially batteries and fuel cells, is a growing market in Europe, which opens new market opportunities for machine suppliers. The production of LIB cells consists of electrode manufacturing, cell assembly and cell finishing. Production of future cell formats and cell chemistries is difficult due to little synergy with current LIB production and requires research to optimize and streamline processes. Regardless of the development of processes for tomorrow, there is a high need for innovation of conventional production processes. One possible solution is data-driven production optimization. In the area of PEMFC and PEMEL, production is not yet high-volume capable, but there is a high demand for technologies to scale up. A current barrier to faster scaling is the transfer of catalytic layers from decal support films to the membrane. Viable solutions are seen in direct coating processes and flexible machine concepts. Overall, it can be concluded that there are many research approaches to improve existing production equipment and thus generate global added value. A transfer to the manufacturing industry is necessary to build next generation production lines that ensure a competitive advantage. To maximize the quality of the product and reliability of the assets, it is imperative to draw on knowledge and models derived from data acquired at existing machinery and research equipment. During the market ramp-up, European industry can take part in the value creation in the field of energy storage production in the short term by using existing, bought plant technology. In the long term, further development or the construction of in-house developed production machines is necessary to be able to produce the next generations of energy storage components and systems competitively.
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    Skalierbare Produktion von Energiespeichern
    ( 2023-05-05) ; ; ; ;
    Rieck, Sarah
    ;
    Bär, Kai
    ;
    Bastuck, Thomas
    ;
    Witt, Stephan
    Die Produktion von Energiespeichern, insbesondere von Batterien und Brennstoffzellen, ist ein wachsender Markt in Europa, der für Maschinenlieferanten neue Marktchancen eröffnet. Die Produktion von LIB-Zellen besteht aus der Elektrodenherstellung, Zellmontage und dem Zellfinishing. Die Produktion zukünftiger Zellformate und Zellchemien ist aufgrund von wenig Synergien zur aktuellen LIB-Produktion schwierig und erfordert weiterhin Forschungsarbeiten, um Prozesse zu optimieren und zu verschlanken. Unabhängig von der Entwicklung der Prozesse für morgen besteht ein hoher Innovationsbedarf konventioneller Produktionsprozesse. Ein möglicher Lösungsansatz ist die datengetriebene Produktionsoptimierung. Im Bereich der PEMFC und PEMEL ist die Produktion noch nicht hochvolumenfähig, jedoch besteht eine hohe Nachfrage nach Technologien zur Skalierung. Ein aktuelles Hemmnis zur schnelleren Skalierung besteht im Übertrag der katalytischen Schichten von Decal-Trägerfolien auf die Membran. Lösungsansätze werden in direkten Beschichtungsverfahren und flexiblen Maschinenkonzepten gesehen. Insgesamt lässt sich feststellen, dass es zahlreiche Forschungsansätze gibt, um die vorhandenen Produktionsanlagen zu verbessern und damit einen globalen Mehrwert zu erzeugen. Insbesondere ist eine Überführung in die produzierende Industrie notwendig, um Produktionslinien der nächsten Generation aufbauen zu können, die einen Wettbewerbsvorteil sicherstellen. Zur Maximierung der Produktqualität und Zuverlässigkeit der Anlagen, ist es notwendig bei der Entwicklung auf Wissen und Modelle, basierend auf an bestehenden Anlagen und Forschungsausrüstungen akquirierten Daten zurückzugreifen. Die europäische Industrie kann während des Markthochlaufs kurzfristig an der Wertschöpfung im Bereich der Energiespeicherproduktion partizipieren, indem bestehende, zugekaufte Anlagentechnik verwendet wird. Langfristig ist eine Weiterentwicklung oder der Aufbau eigenentwickelter Produktionsmaschinen notwendig, um die nächsten Generationen von Energiespeicherkomponenten und Systemen wettbewerbsfähig produzieren zu können.
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    A Digital Twin for estimating Process Quality during Automated Fiber Placement of Thermoplastic Composites
    The digital twin (DT) is a methodology accelerating process knowledge for the automated fiber placement (AFP) of unidirectional thermoplastic tape with in-situ consolidation. It implies a continuous assessment and evaluation of data allowing a faster process optimization and reducing ramp-up times. This study visualizes measured data within an automated digital shadow and combines it with analytical models for the AFP of thermoplastic composite blanks with in-situ consolidation. A DT combining analytical and experimental data is created visualizing quality indicators of a thermoplastic composite blank during manufacturing. In this study, a model predicting the degree of bonding is selected calculated based on the measured temperature data. The results show how a DT enables an easy and systematic method to analyse and optimize the AFP processing. It is a promising tool for automatizing process analysis and part quality estimation during the manufacturing of composite parts.
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    An energy efficient production technology for the recycling of thermoplastic tape into a new semi-finished product for further use
    To use fibre reinforced plastics in a sustainable and economic way recycling processes have to be an integral part of the product life cycle. Existing recycling processes for composite materials, however, have low energy efficiency, do not consider fibre orientations or use environmentally harming chemicals. In this study, a solution is developed for the recycling of fibre reinforced thermoplastic tape material in the form of tape offcuts, which accrue in production processes. This new process produces recycled tape material, so called "rTape", for further use. In the study, application scenarios for the rTape are defined and a structure for the tape is developed to fulfil these requirements. The main focus of the development process is to realise an energy efficient process by minimizing the separation of fibres and matrix material as this bond can be used further in the recycled product. The rTape uses non-continuous fibres in the tape and a defined fibre orientation for good material properties. Material tests show that tensile strength values of rTape tested in this study has the potential to be in a range up to 76 % compared to new, unrecycled tape. The results of the study are a basis for further development of the proposed recycling process and an automated system to produce such rTape.
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    Manufacturing of Bio-Based Thermoplastic Fiber-Metal-Laminates Using a Novel Consolidation Process
    Hybrid materials made of fiber-reinforced polymers (FRP) and metals offer great potential for a wide range of applications by synergistic combination of each material’s benefits. Compared to monolithic materials and traditional FRP, fiber-metal laminates (FML) can provide more versatile functionality, better insulation capability and higher weight-specific mechanical properties like impact strength and damage tolerance. However, the production of thermoplastic FML is currently based either on discontinuous manufacturing processes or resource-intensive impregnation presses. In addition, the combination of dissimilar materials results in difficult material separation or recycling. The Fraunhofer IPT has developed a continuous and resource-effective consolidation process to manufacture thermoplastic FML that are fully recyclable. During the impregnation and joining process, thin metal belts serve as tools for heat and pressure transfer, which finally form the top layers of the sandwich material. To achieve a strong bond between the core and top layers, a laser-based structuring process for metal surface treatment is used, eliminating the need for poorly recyclable bonding agents. This paper describes the developed process and compares it with traditional production methods. Experimental test results for flax-PLA based FML are presented to show the feasibility of the developed process and the potential for industrial applications.
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    Cost-effective production of glass fibre reinforced towpregs
    Given the high costs of many fibre-reinforced plastics, commonly related to large investment and operating costs of the production systems, high volume markets remain to be accessed by suppliers of semi-finished products and composite components. The Fraunhofer IPT has developed a towpreg production system that is suitable for processing both conventional and photocure thermosets. This study aims to reduce the cost of glass fibre reinforced towpregs by three measures: reducing energy consumption, increasing productivity and realizing full scalability of the process. Moreover, in-situ consolidation tests are performed by means of a VIS-light assisted Automated Fibre Placement system.
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    Thermoplastic laser assisted tape placement development for processing a novel carbon fiber reinforced polyphtalamide tape
    Commodity and standard thermoplastics like polypropylene and polyamide 6 are often used as matrix for composites in automotive applications. These do not fulfil the temperature and media resistance requirements for certain applications. This paper demonstrates the development of the laser assisted tape placement process for a carbon fiber reinforced polyphthalamide unidirectional (UD) tape with high temperature and media resistance. By a design of experiments parameters for processing the UD tapes are defined to manufacture in-situ consolidated laminates. The bond strength and the mechanical properties are characterized by the determination of the interlaminar shear strength and three point bending tests.
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    Wertschöpfungskette Brennstoffzelle
    ( 2022)
    Führen, Daniel
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    Graw, Myron
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    Kröll, Léonard
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    Ilsemann, Jan
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    Robinius, Martin
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    Wienert, Patrick
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    Brennstoffzellen können einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung der weltweiten Energiewirtschaft leisten. Neben anderen Bauarten sind die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) aktuell die marktgängigsten Varianten. Trotz der schon langen Entwicklung bis hin zu serienreifen Systemen sind die Kosten am Markt weiterhin hoch. Eine hohe Marktdurchdringung und deutliche Kostensenkungen haben über die letzten Jahre nicht stattgefunden. Im Rahmen der Studie soll die Frage beantwortet werden, welche Ursachen für die hohen Marktpreise von Brennstoffzellensystemen vorliegen. Die Studie analysiert die Wertschöpfungskette von Brennstoffzellensystemen und leitet darauf aufbauend die Kostenstrukturen ab. Hierbei wird ergründet, ob die gestellten Prognosen zu Kostenentwicklungen mit dem Status quo übereinstimmen. Gleichzeitig werden Potenziale zur Kostenreduktion und damit zur Steigerung der Marktfähigkeit der Technologie identifiziert. Um diese Fragestellungen zu beantworten, werden in der vorliegenden Studie sowohl Marktaspekte als auch grundlegende Technologien betrachtet. Im Anschluss an eine allgemeine Marktübersicht werden die Hauptkomponenten der jeweiligen Brennstoffzellensysteme analysiert und hinsichtlich ihrer Kosten, Lebensdauer und Komplexität bewertet. Durch den Vergleich der Bewertung aller Bauteile werden die Komponenten mit dem größten Kostensenkungspotenzial identifiziert. Im Anschluss werden die anvisierten Soll-Kosten der identifizierten Bauteile basierend auf vier Studien ermittelt und mit realen Ist-Kosten kontextualisiert. Die Ist-Kosten werden durch Gespräche mit Industrievertretern ermittelt. Der Fokus liegt hierbei auf den relevantesten Komponenten der Stacks einer PEMFC und einer SOFC sowie den Peripheriekomponenten des PEMFC-Stacks. Abschließend wird analysiert, wie stark die Soll- und die Ist-Kosten voneinander abweichen, worin Gründe für mögliche Diskrepanzen liegen und wie diese zukünftig adressiert werden könnten. Die PEMFC wird vornehmlich in mobilen Anwendungen eingesetzt. Die größten Kostentreiber im PEMFC-Stack basierend auf den untersuchten Studien sind in absteigender Reihenfolge die Membran-Elektroden-Einheit, die Bipolarplatte und die Gasverteilschicht. Kostensenkungen bezüglich des Stacks und der Einzelkomponenten um bis zu 75 % können bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 20.000 Stacks erreicht werden. Eine weitere Steigerung der Stückzahlen bietet zusätzliche Kostensenkungspotenziale. Die mit Abstand teuerste Komponente ist die Membran-Elektroden-Einheit. Ihr Kostenanteil liegt zwischen 40 und 75 % der gesamten Kosten eines Stacks. Es gibt Kostenunterschiede zwischen Systemen für Pkws, Lkws und die stationäre Energieversorgung. Die Hauptkostentreiber der Peripheriesysteme sind der Luftkreislauf und das Kühlsystem. Auch hierbei werden die größten Kostenreduktionen bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 20.000 Systeme prognostiziert. Diese prognostizierten Soll-Kosten entsprechen den Ist-Kosten, allerdings bleiben die tatsächlichen Stückzahlen weit hinter den teilweise optimistisch prognostizierten Stückzahlen zurück. Die SOFC ist vermehrt in stationären oder quasistationären Anwendungen zu finden, z. B. in der dezentralen Energieversorgung. Basierend auf den untersuchten Studien sind die größten Kostentreiber in aufsteigender Reihenfolge der Interkonnektor und die als ASC (anode supported cell) ausgeführte Zelle bestehend aus Anode, Elektrolyt, Barriereschicht und Kathode. Die Vergleichbarkeit weiterer Komponenten ist aufgrund der unterschiedlichen Zelldesigns eingeschränkt. Im Vergleich mit der PEM-Brennstoffzelle kommen Skaleneffekte bereits bei niedrigeren Stückzahlen zum Tragen. So betragen die Kostensenkungen bis zu 50 % bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 10.000 Stacks. Die prognostizierten Soll-Kosten entsprechen nicht den Ist-Kosten. Um diesen Kostenunterschied zu minimieren, sollte die Skalierung der SOFC weiter vorangetrieben und die Netzeinspeiseregulatorik innerhalb der EU vereinheitlicht werden. Aus den Kostenbetrachtungen beider Systeme geht hervor, dass insbesondere im Bereich der PEMFC höhere Stückzahlen in der Produktion erforderlich sind, um die Kosten der Brennstoffzellentechnologie zu senken und damit eine Marktattraktivität zu erreichen. Zusätzlich zu den bisher nicht realisierten Skaleneffekten ergeben sich weitere Einflussfaktoren für ein hohes Kostenniveau aus den hohen Entwicklungs- und Investitionskosten, welche die Zuliefererindustrie teilweise über die wenigen am Markt abgenommen Systeme finanziert. Die aufgezeigten Kostensenkungspotenziale bei hohen Stückzahlen werden von der Industrie im Allgemeinen als realistisch, wenn auch ambitioniert eingestuft. Die Hochskalierung der Produktion auf (Klein-)Serienniveau kann die Kosten für Brennstoffzellensysteme deutlich senken. Die Kostenreduktion ist dabei weniger auf systemseitigen Fortschritt, beispielsweise eine Verringerung der Materialkosten, als auf eine Reduktion der Fertigungskosten zurückzuführen. Ausschlaggebend für die Investition und den Aufbau einer hochratenfähigen Produktion ist eine vorliegende Sicherheit eines möglichen Absatzmarktes.