Produktion und Zukunftstechnologien

Smart, effizient und vernetzt - so soll die Produktion mithilfe von Zukunftstechnologien gestaltet sein.
© Fraunhofer IPA; Foto: Rainer Bez

Gesellschaftliche Herausforderungen, wie der Klimawandel oder eine global wachsende Bevölkerung, zwingen Organisationen dazu, bisherige Produktionsketten und Fertigungsverfahren zu überdenken. Neuartige Technologien tragen dazu bei, Unternehmen durch eine effiziente, nachhaltige und kundenzentrierte Produktion für die Zukunft zu wappnen.

In den S-TEC Zentren wird eine große Bandbreite an Zukunftstechnologien bearbeitet – das Spektrum reicht von additiven Fertigungsverfahren und Biointelligenz bis hin zu digitalisierter Batteriezellenproduktion und Anwendungen der kognitiven Robotik. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien und Produktionsverfahren kommen dabei laufend neue Forschungsfelder und Anwendungsfälle hinzu. Im Folgenden stellen wir Ihnen einige Zukunftstechnologien vor, zu denen wir in den S-TEC Zentren mit Ihrem Unternehmen zusammenarbeiten.

3D-Druck

Additive Fertigungsverfahren, allgemein bekannt als 3D-Druck, haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung für die industrielle Produktion gewonnen. Einer Studie von Ernst & Young zufolge lag der Anteil der deutschen Unternehmen, die 3D-Druck einsetzen, 2019 bei 63% – ein deutlicher Anstieg im Vergleich zu 2016, wo das Verfahren erst bei 37% der Unternehmen im Einsatz war. Insgesamt schätzt EY das weltweite Marktvolumen von 3D-Druck für 2019 auf 11,2 Milliarden US-Dollar.

Verglichen mit herkömmlichen Produktionsverfahren bringt die additive Fertigung zahlreiche Vorteile mit sich: Größere Freiheiten beim Design von Produkten, leichtere Umsetzung der Leichtbauweise, kürzere Lieferketten sowie die Möglichkeit zur kosteneffizienten Herstellung von individualisierten Produkten und Kleinstserien. Damit ist der 3D-Druck als Fertigungsverfahren für zahlreiche Branchen attraktiv. Dies erstreckt sich von der Automobilbranche bis zum Medizinbereich, wo additive Fertigung beispielsweise zur Herstellung von Prothesen zum Einsatz kommt. Es ist zu erwarten, dass 3D-Druck in der Produktion auch künftig eine große Rolle spielen wird. Gründe hierfür liegen im raschen Wachstum der Materialvielfalt und des mit additiver Fertigung umsetzbaren Produktionsvolumens, wodurch sich stetig neue Anwendungsgebiete ergeben. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Additive Produktion.

Frugale Innovation

Das Wort »frugal« bedeutet im nicht-wissenschaftlichen Sprachgebrauch »einfach« oder »schlicht«. Dies liefert bereits einen Hinweis darauf, worum es bei frugaler Innovation geht: Produkte möglichst einfach zu gestalten, sich auf ihre Kernfunktionalitäten zu fokussieren und dabei gleichzeitig das erwartete Leistungsniveau zu erzielen. Auf diese Weise können die Kosten eines Produkts für den Hersteller und infolgedessen auch für die Kunden stark reduziert werden.

Für Unternehmen stellt die frugale Produktentwicklung und -fertigung eine Möglichkeit dar, insbesondere in preissensitiven Märkten konkurrenzfähig zu bleiben bzw. diese zu erschließen. Der Bereich der frugalen Innovationen entstand ursprünglich im Kontext von Schwellenländern. Die Idee ist, Produkte zu entwickeln, die speziell auf die Anforderungen dieser Märkte zugeschnitten sind und günstig genug sind, um auch für weniger zahlungskräftige Kunden erschwinglich zu sein. Inzwischen kommt das Konzept von kostengünstigen, robusten, leicht bedienbaren und auf die Anwenderbedürfnisse zugeschnittenen Anwendungen auch für entwickelte Märkte zum Einsatz. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Frugale Produkte und Produktionssysteme.

Biointelligente Systeme

Inspiration aus der Natur ziehen und biologische Prozesse und Materialien in der Produktion nutzen, um schlussendlich eine umfassende Interaktion von technischen, informatorischen und biologischen Systemen zu erreichen – das ist die Idee der biologischen Transformation. Während Natur und Technik momentan meist als Gegensätze gedacht werden, ist das Ziel von biointelligenter Wertschöpfung, beides innerhalb eines Systems zu verknüpfen. Das Konzept der biologischen Transformation hat das Potenzial, die Konzeption und Herstellung von Produkten und Dienstleistungen tiefgreifend zu verändern. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Biointelligente Systeme.

Leichtbautechnologien

Leichtbau bedeutet, die Eigenschaften eines Werkstoffs maximal auszunutzen und gleichzeitig das Gewicht einer Konstruktion zu minimieren. Diese Bauweise ermöglicht eine hohe Stabilität und Sicherheit von Bauteilen bei gleichzeitig effizientem Materialeinsatz und geringem Gewicht. Das Konzept des Leichtbaus existiert in der Industrie bereits sehr lange und hat in den letzten Jahren im Kontext der Bewältigung von aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen, wie dem Klimawandel, noch einmal stark an Bedeutung gewonnen. Die Gewichtsreduzierung ist ein zentraler Aspekt von Leichtbautechnologien. Darüber hinaus geht es jedoch um die optimale Konzeption eines Produkts oder einer Konstruktion in technologischer, ökonomischer und ökologischer Hinsicht. Leichtbau kommt in einer Vielzahl von Branchen zum Einsatz: Das Spektrum reicht von Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Maschinenbau und Bauwesen bis hin zu Medizintechnik. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Leichtbautechnologien.

Ultraeffizienz

Das Konzept der Ultraeffizienz sieht vor, die Auswirkungen von industrieller Fertigung auf die Umgebung mit dem Zielbild einer verlustfreien Produktion so weit wie möglich zu reduzieren. Für die Produktion der Zukunft stellt Ultraeffizienz ein zentrales Konzept dar, da sich eine neue Perspektive auf Produktionsverfahren und -prozesse ergibt, wenn deren Auswirkungen auf das Umfeld ebenfalls im Fokus der Betrachtung stehen. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Ultraeffizienz.

Digitalisierte Batteriezellenproduktion

E-Mobilität ist zur Zeit in aller Munde, wobei der Erfolg vor allem von Batteriezellen als Schlüssel- und Zukunftstechnologie abhängt. Eines ist daher klar: Effiziente, flexible und nachhaltige Produktion und Verwertung von Batteriezellen ist essentiell für die Mobilität der Zukunft. Für Hersteller von Batteriezellen stellt sich die Herausforderung, die Produktion wirtschaftlich, umweltschonend und auf technisch höchstem Niveau zu leisten. Gleichzeitig gilt es, flexibel zu bleiben, um bei veränderten Anforderungen eine rasche Anpassung zu ermöglichen. Digitalisierung kann einen zentralen Beitrag dazu leisten, die Batteriezellenproduktion »fit für die Zukunft« zu machen: Eine digitalisierte Produktionskette ermöglicht eine höhere Produktqualität von Batteriezellen und Anpassungsfähigkeit an wechselnde Anforderungen bezüglich Zellformat und –chemie sowie eine Steigerung der Nachhaltigkeit durch automatisierte Demontage von Batteriemodulen. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion.

Kognitive Robotik

Um das Thema der Künstlichen Intelligenz und deren Auswirkungen für die Produktion ist in den letzten Jahren kein Unternehmen vorbeigekommen. KI hat das Potenzial, tiefgreifende Veränderungen in allen Bereichen der Produktions- und Wertschöpfungskette herbeizuführen. Im Industrieumfeld steht Künstliche Intelligenz in besonders engem Zusammenhang mit den Bereichen Robotik und Mensch-Maschine-Interaktion. Künstliche Intelligenz erlaubt es Industrierobotern schon heute, vielfältige Aufgaben in der Produktion zu übernehmen, wodurch Fertigungsabläufe effizienter, sicherer und weniger fehleranfällig gestaltet werden können. Mehr zum Thema erfahren Sie beim Zentrum für Kognitive Robotik.

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