Lini­en­in­te­gra­tion addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ‑Pho­to­nik For­schung Deutsch­land

Axel Deil­mann
Unter­neh­mens­be­ra­ter

Das Bun­des­mi­nis­te­rium für Bil­dung und For­schung (BMBF) för­dert das The­men­feld „Lini­en­in­te­gra­tion addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren” auf der Grund­lage des Pro­gramms „Pho­to­nik For­schung Deutsch­land” und leis­tet damit einen Bei­trag zur Umset­zung der neuen Hig­h­­tech-Stra­­te­­gie der Bun­des­re­gie­rung. Im For­­schungs- und Inno­va­ti­ons­feld „Digi­tale Wirt­schaft und Gesell­schaft” der Hig­h­­tech-Stra­­te­­gie wird das Zukunfts­pro­jekt Indus­trie 4.0 als eine prio­ri­täre Auf­gabe iden­ti­fi­ziert. Hierzu sol­len For­schungs­vor­ha­ben der Pho­to­nik geför­dert wer­den, die einen Bei­trag zur Bewäl­ti­gung der stei­gen­den Anfor­de­run­gen an Fle­xi­bi­li­tät, Wand­lungs­fä­hig­keit und Ver­net­zung der indus­tri­el­len Pro­duk­tion und der zuneh­men­den Ein­bin­dung von Kun­den und Geschäfts­part­nern in klas­si­sche Pro­­­du­k­­ti­ons- und Geschäfts­pro­zesse leis­ten. Addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren auf der Basis pho­to­ni­scher Tech­no­lo­gien kommt hier­bei eine beson­dere Bedeu­tung zu.

Addi­tive Laser- oder Elek­tro­nen­strahl­ver­fah­ren kön­nen fle­xi­bel unter­schied­lichste Geo­me­trien rea­li­sie­ren – die Mas­sen­fer­ti­gung indi­vi­dua­li­sier­ter Pro­dukte wird mög­lich. Zudem eröff­nen sie die Fer­ti­gung kom­ple­xer Struk­tu­ren ohne ­wesent­li­chen Mehr­auf­wand. Bei der addi­ti­ven Her­stel­lung metal­li­scher Bau­teile haben laser- und elektronenstrahl­basierte Ver­fah­ren Ein­zug in erste Seri­en­an­wen­dun­gen gehal­ten – meist jedoch nur als Insel­lö­sung ohne durch­gän­gige Ein­bin­dung in Pro­zeß­ket­ten. Um den Schritt zur brei­ten Nut­zung der addi­ti­ven Fer­ti­gung in der Seri­en­pro­duk­tion erfolg­reich zu gestal­ten, sind noch signi­fi­kante For­schungs­an­stren­gun­gen not­wen­dig, die mit die­ser För­der­maß­nahme unter­stützt wer­den sol­len.

Ziel die­ser För­der­maß­nahme ist:

  1. die Ent­wick­lung robus­ter ver­ti­ka­ler Pro­zeß­ket­ten für addi­tive Fer­ti­gungs­ver­fah­ren sowie
  2. die Inte­gra­tion der addi­ti­ven Fer­ti­gung in durch­gän­gige hori­zon­tale Pro­zeß­ket­ten der indus­tri­el­len Seri­en­fer­ti­gung
  3. die Pro­duk­ti­vi­tät addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren muß gestei­gert und das Zusam­men­spiel mit kon­ven­tio­nel­len Fer­ti­gungs­ver­fah­ren mit­tels durch­gän­gi­ger Daten­for­mate und geeig­ne­ter Schnitt­stel­len ein­fa­cher wer­den.

Dazu bedarf es wei­te­rer Fort­schritte, begin­nend bei den Aus­gangs­ma­te­ria­lien über die Laser- und Elek­tro­nen­strahl­sys­teme und die Pro­zeß­über­wa­chung bis hin zu ein­heit­li­chen, durch­gän­gi­gen Soft­ware­lö­sun­gen und indus­trie­taug­li­chen Stan­­dard-Schnit­t­stel­­len.

ypi­sche Anwen­dun­gen addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren fokus­sie­ren zur Zeit auf die Pro­to­ty­pen­fer­ti­gung und auf Märkte, in denen in der Regel hoch­prei­sige Pro­dukte in klei­nen Stück­zah­len in Stand-alone-Pro­­­zes­­sen gefer­tigt wer­den, und auch hier mit Ein­schrän­kun­gen u. a. bezüg­lich ver­füg­ba­rer Mate­ria­lien oder erreich­ba­rer Fes­tig­kei­ten, z. B.:

  • medi­zi­ni­sche Implan­tate (z. B. indi­vi­du­elle Implan­tate aus Tit­an­le­gie­run­gen)
  • Wer­k­­zeug- und For­men­bau (z. B. für die Her­stel­lung von Spritz­guß­bau­tei­len)
  •  Son­der­an­fer­ti­gun­gen mit kom­ple­xen Geo­me­trien in gerin­gen Stück­zah­len (z. B. Hydrau­lik­kom­po­nen­ten)
  • Ver­ein­zelt wer­den auch bereits spe­zia­li­sierte Teile wie Sen­sor­ge­häuse oder Ein­spritz­dü­sen für Flug­zeug­tur­bi­nen in Serie gefer­tigt. Dem zugrunde lie­gen lang­jäh­rige For­schungs­ar­bei­ten, die für das jewei­lige Bau­teil spe­zi­fi­sche Her­aus­for­de­run­gen bei Design, Mate­rial und Bear­bei­tungs­pro­zeß adres­siert haben.

Anwen­dun­gen, auf die aktu­elle Anstren­gun­gen in For­schung und Ent­wick­lung zie­len, umfas­sen u. a.:

  • Son­der­ma­schi­nen­bau (kleine Stück­zah­len, hohe Kom­ple­xi­tät, kurze Inno­va­ti­ons­zy­klen)
  • Tur­bo­ma­schi­nen­bau (Flug­trieb­werke, sta­tio­nä­rer Tur­bi­nen­bau), Her­stel­lung kom­ple­xer Bau­teile in Leicht­bau­weise mit ver­bes­ser­ter Funk­tio­na­li­tät (z. B. Küh­lung)
  • Luft- und Raum­fahrt­in­dus­trie (Vor­­­se­­rien- und Seri­en­an­wen­dun­gen, Indi­vi­dua­li­sie­rung, funk­ti­ons­op­ti­mier­ter Leicht­bau)
  • Auto­mo­bil­in­dus­trie (Klein­se­ri­en­fer­ti­gung, Ersatz­teil­fer­ti­gung, Indi­vi­dua­li­sie­rung, funk­ti­ons­op­ti­mier­ter Leicht­bau)

Hier sind jedoch ent­lang aller Glie­der der Pro­zeß­ket­ten noch zahl­rei­che Her­aus­for­de­run­gen zu bewäl­ti­gen, die heute einer Imple­men­tie­rung addi­ti­ver Tech­no­lo­gien zur robus­ten Fer­ti­gung grö­ße­rer Stück­zah­len und damit einer brei­ten indus­tri­el­len Nut­zung ent­ge­gen­ste­hen. Ein­zeln und in Tei­len der Pro­zeß­ket­ten wur­den und wer­den diese Aspekte bereits, u. a. im Rah­men der BMBF-För­­de­­rung, adres­siert. Im nächs­ten Schritt geht es nun darum, den Weg zu berei­ten für die Lini­en­in­te­gra­tion im indus­tri­el­len Umfeld. Dazu ist es erfor­der­lich, Pro­zeß­ket­ten voll­stän­dig abzu­bil­den, die addi­tive Fer­ti­gung bes­ser in Pro­duk­ti­ons­ab­läufe zu inte­grie­ren und indus­tri­elle Anwen­dun­gen in den Vor­der­grund zu stel­len. Dabei ist die Digi­ta­li­sie­rung der Pro­duk­tion ein wesent­li­cher Aspekt, und zwar durch­gän­gig, vom Design über die Fer­ti­gung bis zu Ver­trieb und War­tung.

Das BMBF will mit der För­der­maß­nahme koope­ra­tive, vor­wett­be­werb­li­che Ver­bund­pro­jekte unter indus­tri­el­ler Füh­rung unter­stüt­zen, die wesent­li­che Hemm­nisse bei der Lini­en­in­te­gra­tion addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren im indus­tri­el­len ­Umfeld adres­sie­ren und ein gro­ßes Markt­po­ten­tial auf­wei­sen. Kenn­zei­chen der Pro­jekte sind ein hohes Risiko und eine beson­dere Kom­ple­xi­tät der For­schungs­auf­gabe. Für eine Lösung sind in der Regel inter- und mul­ti­dis­zi­pli­nä­res Vor­ge­hen und eine enge Zusam­men­ar­beit von Unter­neh­men, Hoch­schu­len und außer­uni­ver­si­tä­ren For­schungs­ein­rich­tun­gen erfor­der­lich. Die Vor­ha­ben sol­len kom­plette Pro­zeß­ket­ten vom Pro­dukt­de­sign und der Bereit­stel­lung der ­Mate­ria­lien über die kon­ven­tio­nel­len und addi­ti­ven Bear­bei­tungs­schritte bis hin zur abschlie­ßen­den Qua­li­täts­si­che­rung umfas­sen. Die Ver­bund­struk­tur soll ins­be­son­dere die not­wen­dige Zusam­men­ar­beit zwi­schen Tech­no­lo­gie­ent­wick­lern und Anwen­dern bzw. Sys­tem­in­te­gra­to­ren wider­spie­geln und einen Bei­trag zur För­de­rung der Zusam­men­ar­beit sowohl unter­ein­an­der wie mit Anwen­dern leis­ten.

Die För­der­maß­nahme zielt auf Inno­va­tion und Wachs­tum in Deutsch­land. Der inlän­di­schen Ver­wer­tung der Pro­jekt­er­geb­nisse kommt daher beson­dere Bedeu­tung zu. Da Inno­­va­­ti­ons- und Beschäf­ti­gungs­im­pulse gerade auch von Unter­neh­mens­grün­dun­gen aus­ge­hen, sind sol­che Grün­dun­gen im Anschluß an die Pro­jekt­för­de­rung des BMBF erwünscht.

  1. Gegen­stand der För­de­rung

  • Im Mit­tel­punkt der För­der­maß­nahme ste­hen bis­lang unge­löste Her­aus­for­de­run­gen der Lini­en­in­te­gra­tion addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren. Daher wer­den an die zu för­dern­den Pro­jekte fol­gende Anfor­de­run­gen gestellt:
  • Die Pro­jekte müs­sen von indus­trie­ge­führ­ten Kon­sor­tien durch­ge­führt wer­den. Um Zulie­fer­ket­ten abzu­si­chern und die Brei­ten­wirk­sam­keit der För­der­maß­nahme sicher­zu­stel­len, wird dabei eine starke Ein­bin­dung des Mit­tel­stands ange­strebt.
  • Gegen­stand des Pro­jekts müs­sen For­schungs­ar­bei­ten zur Ein­bin­dung min­dest­sens eines addi­ti­ven Fer­ti­gungs­schritts in die Pro­zess­kette für eine kon­krete Pro­dukt­op­tion sein. Dabei muß die kom­plette Pro­zess­kette betrach­tet wer­den.
  • Im Pro­jekt muß zwin­gend eine Demons­tra­tion im Umfeld der Seri­en­fer­ti­gung /​​ Lini­en­in­te­gra­tion bei den Indus­trie­part­nern /​​ End­an­wen­dern erfol­gen.
  • Für die betrach­tete Pro­zess­kette müs­sen Lösun­gen für alle Hemm­nisse – vom Werk­stoff über die Anla­gen­tech­nik bis zum Pro­duk­ti­ons­um­feld inklu­sive vor- und nach­ge­la­ger­ter Pro­­­duk­t­­pla­­nungs- und Fer­ti­gungs­pro­zesse – adres­siert wer­den.
  • Die Pro­jekte sol­len kon­krete Anwen­dun­gen aus Schlüs­sel­bran­chen der deut­schen Indus­trie adres­sie­ren, um eine hohe Sicht­bar­keit und damit Signal­wir­kung für die addi­tive Fer­ti­gung in Deutsch­land zu erzie­len.

Die geför­der­ten Ver­bund­pro­jekte sol­len ein­ge­bet­tet in die voll­stän­dige Pro­zess­kette Lösun­gen u. a. zu fol­gen­den ­Fra­ge­stel­lun­gen erar­bei­ten:

  • Erfor­schung der Wer­k­­stoff-/ Bau­teil­ei­gen­schaf­ten im Kon­text der ein­ge­setz­ten Laser- und Elek­tro­nen­strahl­pro­zesse sowie deren Repro­du­zier­bar­keit (u. a. Lang­zeit­be­stän­dig­keit der opti­schen, mecha­ni­schen und che­mi­schen Eigen­schaf­ten)
  • Werk­stoff Modell­ent­wick­lung, Wirk­zu­sam­men­hänge Werk­stoff – Pro­zeß – Bau­teil z. B. zur Erhö­hung von Ober­flächengüte, Qua­li­tät in Auf­bau­rich­tung und Bau­teil­fes­tig­kei­ten
  • Erwei­te­rung der mit addi­ti­ven Laser- und Elek­tro­nen­strahl­ver­fah­ren ver­ar­beit­ba­ren Werk­stoff­pa­lette
  • v  Ent­wick­lung robus­ter Strahlquellen‑, Anla­­gen- und Sys­tem­tech­nik sowie Steu­e­­rungs- und Antriebs­tech­nik
  • v  Stei­ge­rung der Pro­zeß­si­cher­heit, Repro­du­zier­bar­keit und Pro­duk­ti­vi­tät sowie Sen­kung der Fer­ti­gungs­kos­ten ein­schließ­lich einer gege­be­nen­falls erfor­der­li­chen Fer­tig­be­ar­bei­tung
  • Metho­den für die In-line-Pro­­­zeß-/ Qua­li­täts­über­wa­chung und ‑siche­rung zur Rea­li­sie­rung einer first-time-right-Fer­­ti­­gung
  • Model­lie­rung addi­ti­ver Ver­fah­ren, Ent­wick­lung von Design- und Simu­la­ti­ons­werk­zeu­gen
  • Kon­zepte für die schnelle und kos­ten­güns­tige Imple­men­tie­rung addi­ti­ver Fer­ti­gungs­schritte
  • Durch­gän­gig­keit der Daten­ket­ten bei Ein­bin­dung addi­ti­ver Fer­ti­gungs­schritte in Pro­zeß­ket­ten
  • Erar­bei­tung der Grund­la­gen für ein­heit­li­che Sof­t­­ware-Stan­­dards und durch­gän­gige Sof­t­­ware-Lösun­­­gen
  • Ent­wick­lung von Schnitt­stel­len für Anla­gen zur addi­ti­ven Fer­ti­gung zur Gewähr­leis­tung her­stel­ler­un­ab­hän­gi­ger Tech­­no­­lo­­gie- und Pro­zeß­trans­fers
  • Kon­zepte für die auto­ma­ti­sierte Bau­teil­aus­le­gung, sowohl unter Ein­be­zie­hung der spe­zi­fi­schen Rah­men­be­din­gun­gen der addi­ti­ven Fer­ti­gung als auch im Hin­blick auf die Anfor­de­run­gen der spä­te­ren Nut­zung
  1. Zuwen­dungs­emp­fän­ger

Antrags­be­rech­tigt sind Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft, die zum Zeit­punkt der Aus­zah­lung einer gewähr­ten Zuwen­dung eine Betriebs­stätte oder Nie­der­las­sung in Deutsch­land haben, Hoch­schu­len und außer­uni­ver­si­täre For­schungs­ein­rich­tun­gen. For­schungs­ein­rich­tun­gen, die von Bund und /​​ oder Län­dern grund­fi­nan­ziert wer­den, kann neben ihrer insti­tu­tio­nel­len För­de­rung nur unter bestimm­ten Vor­aus­set­zun­gen eine Pro­jekt­för­de­rung für ihre zusätz­li­chen pro­jekt­be­ding­ten Aus­ga­ben bezie­hungs­weise Kos­ten bewil­ligt wer­den.

Die Betei­li­gung klei­ner und mitt­le­rer Unter­neh­men (KMU) ist aus­drück­lich erwünscht und führt bei der Pro­jekt­be­gut­ach­tung zur Auf­wer­tung.

2.1.             Ein­zel­för­de­rung nach die­ser För­der­richt­li­nie auf Grund­lage der AGVO für wirt­schaft­li­che Tätig­kei­ten ist begrenzt auf maxi­mal:

  1. 40 Mil­lio­nen Euro pro Unter­neh­men und Vor­ha­ben. Dies ist der Fall, wenn mehr als die Hälfte der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten des Vor­ha­bens auf­grund von Tätig­kei­ten in der Grund­la­gen­for­schung anfal­len (Arti­kel 4 Absatz 1 Buch­stabe i Unter­buch­stabe i AGVO).
  2. 20 Mil­lio­nen Euro pro Unter­neh­men und Vor­ha­ben. Dies ist der Fall, wenn mehr als die Hälfte der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten des Vor­ha­bens auf­grund von Tätig­kei­ten in der indus­tri­el­len For­schung oder von Tätig­kei­ten in der indus­tri­el­len For­schung und der Grund­la­gen­for­schung anfal­len (Arti­kel 4 Absatz 1 Buch­stabe i Unter­buch­stabe ii AGVO).
  3. 15 Mil­lio­nen Euro pro Unter­neh­men und Vor­ha­ben. Dies ist der Fall, wenn mehr als die Hälfte der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten des Vor­ha­bens auf­grund von Tätig­kei­ten in der expe­ri­men­tel­len Ent­wick­lung anfal­len (Arti­kel 4 Absatz 1 Buch­stabe i Unter­buch­stabe iii AGVO).
  1. Art und Umfang, Höhe der Zuwen­dung

Die För­de­rung nach die­ser Richt­li­nie erfolgt in Form von nicht rück­zahl­ba­ren Zuschüs­sen. Die Bei­hil­fein­ten­si­tät pro Bei­hil­fe­emp­fän­ger darf fol­gende Sätze nicht über­schrei­ten:

  1. 100 % der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten für Grund­la­gen­for­schung
  2. 50 % der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten für indus­tri­elle For­schung
  3. 25 % der bei­hil­fe­fä­hi­gen Kos­ten für expe­ri­men­telle Ent­wick­lung

Bemes­sungs­grund­lage für Zuwen­dun­gen an Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft sind die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Kos­ten. In der Regel kön­nen diese – je nach Anwen­dungs­nähe des Vor­ha­bens – bis zu 50 % anteil­fi­nan­ziert wer­den. Nach BMBF-Grun­d­­sä­t­­zen wird eine ange­mes­sene Eigen­be­tei­li­gung – grund­sätz­lich min­des­tens 50 % der ent­ste­hen­den zuwen­dungs­fä­hi­gen Kos­ten – vor­aus­ge­setzt.

Bemes­sungs­grund­lage für Hoch­schu­len, For­­schungs- und Wis­sen­schafts­ein­rich­tun­gen und ver­gleich­bare Insti­tu­tio­nen sind die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Aus­ga­ben (bei Hel­m­holtz-Zen­­tren und der Fraun­­ho­­fer-Gesel­l­­schaft die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Kos­ten), die indi­vi­du­ell bis zu 100 % geför­dert wer­den kön­nen.

Bei nicht­wirt­schaft­li­chen For­schungs­vor­ha­ben an Hoch­schu­len und Uni­ver­si­täts­kli­ni­ken wird zusätz­lich zu den zuwen­dungs­fä­hi­gen Aus­ga­ben eine Pro­jekt­pau­schale in Höhe von 20 % gewährt.

Es wird erwar­tet, dass sich Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft im Hin­blick auf die Umset­zungs­nähe ent­spre­chend ihrer Leis­tungs­fä­hig­keit an den Auf­wen­dun­gen der Hoch­schu­len und öffent­lich finan­zier­ten For­schungs­ein­rich­tun­gen ange­mes­sen betei­li­gen, sofern Letz­tere als Ver­bund­part­ner mit­wir­ken. Als ange­mes­sen gilt in der Regel, wenn in Summe über den Ver­bund eine Eigen­be­tei­li­gung der Ver­bund­part­ner in Höhe von min­des­tens 50 % an den Gesam­t­­kos­­ten/-aus­­­ga­­ben des Ver­bund­pro­jekts erreicht wird.

Um die Brei­ten­wirk­sam­keit der För­der­maß­nahme sicher­zu­stel­len, wird eine starke Ein­bin­dung des Mit­tel­stands ange­strebt. Daher müs­sen in den Pro­jek­ten grund­sätz­lich min­des­tens 20 % der Zuwen­dung an KMU und mit­tel­stän­di­sche Unter­neh­men bis 1 000 Beschäf­tigte und 100 Mil­lio­nen Euro Umsatz gehen.

Im Ein­zel­fall kann bei beson­ders star­ker Ein­bin­dung sol­cher Unter­neh­men (mehr als 30 % der Zuwen­dung gehen an KMU und mit­tel­stän­di­sche Unter­neh­men bis 1 000 Beschäf­tigte und 100 Mil­lio­nen Euro Umsatz) auch eine ent­spre­chende Eigen­be­tei­li­gung von in Summe 40 % als ange­mes­sen bewer­tet wer­den.

Bei der Berech­nung der Ver­bund­för­der­quote von maxi­mal 50 % (bzw. im Ein­zel­fall 60 %) sind Boni für KMU im Sinne der Defi­ni­tion der EU-Kom­­mis­­sion sowie die in den Auf­wen­dun­gen von Hoch­schu­len ent­hal­te­nen Pro­jekt­pau­scha­len nicht zu berück­sich­ti­gen; diese wer­den zusätz­lich gewährt.

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