Anlagen und Prozesse für die kontinuierliche Produktion

Schnell und effizient: Kunststoff- und Metallfolien im kontinuierlichen Prozess funktionalisieren

Elektroden auf Metallfolien aufbringen oder Kunststofffolien prägen – die beiden Prozesse haben eines gemeinsam: Sie laufen kontinuierlich über ein Rollen- und Walzsystem. Die sogenannten Rolle-zu-Rolle-Technologien (R2R) bieten besonders kostengünstige Möglichkeit, Folienmaterialien mit hohen Prozessgeschwindigkeiten zu produzieren. In verschiedenen Prozessbereichen lassen sich die Foliensubstrate durch strukturgebende Prozesse funktionalisieren. Um neue Technologien oder Fertigungsansätze in der kontinuierlichen Produktion zu erproben, entwickelt das Fraunhofer IPT modulare R2R-Pilotanlagen für Kunststoff- und Metallfolien. So können Unternehmen auf Veränderungen in der Produktion schnell und adäquat reagieren, denn die Module lassen sich flexibel ausgestalten und das Anlagenkonzept kann – auch im Nachgang – noch an unterschiedliche Gegebenheiten adaptiert werden.

Metallfolien kommen bei der Fertigung von Komponenten für Energiespeicher, beispielsweise bei der Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen- oder Feststoffbatterien oder in der Wasserstofftechnik als Grundmaterial für Bipolarplatten in Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren. Kunststofffolien werden häufig für optische, mikrofluidische oder elektrochemische Anwendungen genutzt, beispielsweise für die Membran-Elektroden-Einheit (MEA).

Die Fertigung dieser Komponenten bietet ein hohes Potenzial für die angewandte Forschung an kontinuierlichen Prozessen. Innovationen in der R2R-Technik schaffen daher wichtige Grundlagen für marktfähige Produkte.

Mit langjähriger Erfahrung im Sondermaschinenbau und in der Präzisionstechnik hat das Fraunhofer IPT die modulare, flexible und nachträglich adaptierbare R2R-Maschinenarchitektur »Scalab« für den Betrieb klein- und mittelskaliger Pilot- oder Serienproduktionsanlagen entwickelt.

Jedes Maschinenkonzept beginnt mit dieser Basisarchitektur und lässt sich individuell mit verschiedenen Modulen zu einer Produktionsanlage für den skalierbaren Produktionsbetrieb ausbauen. Dank kurzer Rüstzeiten lassen sich kostengünstige Prototypen auch für kleine oder mittelgroße Serien herstellen oder im Proof-of-Concept validieren.

Das Fraunhofer IPT prüft auf diese Weise auch Anwendungen mit niedrigem Technology Readiness Level (TLR 3-7) auf ihre Industrietauglichkeit, bevor sie für den Markt verfügbar gemacht werden.

Die R2R-Anlagen des Fraunhofer IPT bestehen aus modularen Gehäusen, deren Prozessräume sich an individuelle Fertigungsumgebungen anpassen lassen, zum Beispiel für Rein- und Trockenräume. Innerhalb der Anlagentechnik arbeiten wir mit R2R-Plattformen, die sich aus verschiedenen Funktionseinheiten zusammensetzen. Austauschbare R2R-Plattformen bilden die Grundelemente, die mit Funktionseinheiten bestückt, in den Gesamtprozess eingebunden sind. Diese können jeweils passend zum Anwendungsfall in die Gehäuse eingebracht, flexibel ausgerichtet und ausgetauscht werden. Funktionseinheiten wie die Bahnführungstechnik, Inline-Messtechnik, Track-and-Trace- oder auch Sondermodule entwickelt das Fraunhofer IPT individuell für die gewünschten Produkte und Prozesse. Durch die modulare Maschinenarchitektur lassen sich die Module schnell für neue Forschungsfragen zu neuen Pilotlinien zusammenführen.

Ergänzend zum adaptiven Aufbau des Systems entwickelt das Fraunhofer IPT eine modulare Steuerung, die es erlaubt, neue R2R-Plattformen und -Funktionseinheiten einfach und schnell nach dem Plug-and-Produce-Prinzip einzubinden. Verschiedene Prozessketten lassen sich so zuverlässig und präzise abbilden und aufsetzen.

Neben dem konventionellen R2R-Verfahren können auch semi-kontinuierliche Prozesse von der Rolle zur Platte (R2P) umgesetzt werden. Herausforderungen an das Produktionssystem sind hier vor allem die Genauigkeit und der Einfluss der einzelnen Prozesse auf die Bahnspannung und den Bahnlauf.

Machbarkeit und Evaluierung

• Machbarkeitsstudien und Anwendungsentwicklung für individuelle Fertigungsaufgaben
• Evaluierung neuer und bestehender kontinuierlicher Fertigungskonzepte für Produkte  

Anlagenbau

• Prototypenfertigung mit bereits bestehenden, adaptierbaren R2R-Anlagen
• Funktionalisieren einzelner R2R-Module für individuelle Prozesse und Technologien zur Herstellung von Polymer- und Metallfolien
• Entwicklung modularer, flexible ausgestaltbarer und zu jeder Zeit adaptierbarer, kostengünstiger R2R-Pilotanlagen mit einfacher Handhabung – von der Konzeption bis zum Aufbau einer individuellen kontinuierlichen Produktionsanlage

Prozesstechnik

• Entwicklung anpassungsfähiger Steuerungs- und Reglungstechnik für den Pilotanlagenbetrieb im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten
• Entwicklung von Prozessüberwachungen und Inspektionsrouten
• Optimierung und Erweiterung bestehender R2R-Anlagen und Retrofits mit neuen Prozessmodulen