Problemstellung

Ein wesentlicher Hebel um künftig Kostensenkungen im Bereich der Wasserstoffproduktion zu erzielen liegt in der vollautomatisierten Produktion von Brennstoffzellen in einer hohen Stückzahl. Der derzeitig noch geringe Bedarf an Brennstoffzellen führt jedoch noch zu einer geringen Auslastung der vollautomatisierten Produktionssysteme, wodurch sich hohe Amortisationszeiten ergeben. Aus produktionstechnischer Sicht fehlt aktuell die Möglichkeit einer bedarfsgerechten, nachfragebasierten Skalierbarkeit der Montagesysteme.
Manuelle Montageprozesse für Brennstoffzellen-Stacks (BSZ) werden häufig noch von Fachkräften durchgeführt, die durch hohe Produktvarianzen, hohe Komplexität und strenge Qualitätsvorgaben unter erheblicher physischer Belastung stehen. Um Herstellkosten zu senken besteht die Notwendigkeit, künftig weniger hochqualifizierte Arbeitskräfte einzusetzen und dabei gleichzeitig die Ausschussrate kontinuierlich zu verringern.
Verglichen mit anderen Industrien findet zudem die Qualitätssicherung bei der teilautomatisierten Montage der Stacks noch wenig Beachtung, wobei zerstörungsfreie Prüfungen und eine durchgängige Rückverfolgbarkeit aus Haftungsgründen zwingend notwendig sind. Die Qualitätssicherung, die bedarfsgerechte Erhöhung der Ausbringungsmenge und die physische Entlastung der Mitarbeiter sind nur durch die Skalierung der manuellen in eine teilautomatisierte Montagelinie möglich.
Automatisierte Montagelinien für Brennstoffzellen-Stacks sind derzeit nur vereinzelt und prototypisch im industriellen Einsatz. Erhebliche Herausforderungen müssen bei Zuführ-, Transport-, Füge-, Prüf- und Inbetriebnahmeprozessen zukünftig gelöst werden, um die industriellen Ziele beim Stapeln der Komponenten mit Frequenzen > 1 Hz (1 Teil/s) zur wirtschaftlichen Stackmontage zu erreichen.

Zielsetzung

Es besteht also die Notwendigkeit der Entwicklung von Produktionssystemen, die sowohl einer steigenden Nachfrage nach Brennstoffzellen als auch den wandelnden Anforderungen gerecht werden. So lässt sich durch manuelle Montageprozesse eine hohe Produktvarianz bei hoher Flexibilität erzielen. Mit teilautomatisierten Montageprozessen wird die steigende und auch volatile Nachfrage bedient. Durch automatisierte Montageprozesse wird die Massenproduktion unter höchsten Qualitätsansprüchen ermöglicht. Diese Entwicklungen müssen bereits heute getätigt, Wissen aufgebaut sowie Verfahren und Technologien entwickelt werden, um die Brennstoffzelle im Vergleich mit anderen alternativen Antrieben künftig konkurrenzfähig anbieten zu können.
Ein Teilziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines manuellen Montagesystems, in der der Mitarbeiter durch verschiedene Systeme kognitiv entlastet und der Einsatz weniger hochqualifizierter Mitarbeiter in der variantenreichen Montage ermöglicht wird. Dies ist insbesondere durch den zunehmenden Fachkräftemangel und die erwartete Umschulung von Mitarbeitern aus der Produktion konventioneller Antriebsstränge wichtig.
Ein weiteres Teilziel des Forschungsprojektes ist darauf aufbauend die Entwicklung einer teilautomatisierten Montagelinie durch Integration von Technologien zur Mensch-Maschine-Interaktion zur zusätzlichen physischen Entlastung der Mitarbeiter und eines Systems zur proaktiven Qualitätssicherung, um den Ausschuss nachhaltig zu reduzieren.
Weiteres großes Teilziel des Forschungsprojektes ist es, zusammen mit Ausrüstern, Anwendern und Instituten schlussendlich eine hochtaktende vollautomatisierte Linie für die Montage der Brennstoffzellen-Stacks zu entwickeln und als prototypischen Funktionsdemonstrator zu betreiben.

Vorgehen

Zur Erreichung der Projektziele arbeiten Anwender, Forscher und Ausrüster interdisziplinär zusammen, um geeignete Schlüsseltechnologien zu erforschen und in einen Versuchsaufbau in einer produktionsnahen Umgebung sowie in die industrielle Einsatzumgebung zu überführen. Die assoziierten Partner unterstützen maßgeblich beim Ergebnistransfer in ihr weitreichendes Unternehmensnetzwerk. Das Konsortium ermöglicht durch seine wechselseitigen Beziehungen aus Ausrüstern und Anwendern eine vernetzte Entwicklungsarbeit am Produkt- und Produktionssystem.

Das Projekt enthält 5 Arbeitspakete:
• Manuelle Montage: Konzeption und Entwicklung einer skalierbaren manuellen Montagelinie für Brennstoffzellen-Stacks mit Fokus auf der kognitiven Entlastung der Mitarbeiter durch Assistenzsysteme
• Teilautomatisierte Montage: Konzeption und Entwicklung einer teilautomatisierten Montagelinie zur flexiblen Kapazitätssteuerung unter dem Einsatz physischer Assistenz
• Vollautomatisierte Montage: Erarbeitung der finalen vollautomatisierten Linie zur Montage von Brennstoffzellen-Stacks mit dem Fokus auf geschwindigkeitsoptimierte Massenproduktion
• Digitaler Zwilling und Gedächtnis: Erstellung des digitalen Zwillings von Produkt, Prozess und Betriebsmittel zum Simultaneous Quality und Systems-Engineering
• Umsetzung und Evaluation: Prototypische Umsetzung und Evaluation des ausgewählten Lösungskonzepts u.a. durch Aufbau einer demonstrativen, modularen Montagelinie für Brennstoffzellen-Stacks am ZeMA und der Prüfprozesse am Umwelt-Campus Birkenfeld

Ergebnisse / Projektstand

Das Projekt ist im Dezember 2021 gestartet und läuft insgesamt über drei Jahre. Momentan wird die Arbeit innerhalb der einzelnen Arbeitspakete aufgenommen. Aktuelle Updates und Zwischenergebnisse erhalten Sie zusätzlich auf der Projektwebseite www.h2skapromo.de.

Verwertungskonzept

Das Verbundvorhaben zielt in Anbetracht wissenschaftlich-technischer Erfolgsaussichten auf den Transfer der Ergebnisse in Industrie, Gesellschaft und Politik ab. Durch die Modularität der entwickelten Montagesysteme sind diese herstellerübergreifend für eine Vielzahl von Brennstoffzellen-Stacks geeignet, wodurch die Übertragbarkeit der Ergebnisse über die im Projekt beteiligten Unternehmen hinaus sichergestellt wird. Zusätzlich werden der Demonstrator und die Forschungsergebnisse genutzt um weiterführende Forschungsprojekte zu beantragen und durchzuführen.
Nach der Förderperiode werden die Demonstratoren in eine Open Lab Factory integriert, in der die Demonstratoren Ausrüstern, Anwendern und Forschungsinstituten für Testzwecke und Wissensaufbau zur Verfügung stehen. In der Factory können die Produktionssysteme von Anwendern bei der Einführung neuer Brennstoffzellen-Stacks zur Montageplanung und -auslegung, zur Integration innovativer Technologien sowie der Evaluation der Montagefähigkeit genutzt werden.

Laufzeit von:

01.12.2021 – 30.11.2024

Kontakt:

Lennard Margies, M. Sc.

Gefördert von: