Comment appliquer les méthodes de production de masse à des produits individualisés ? Une réponse consiste à utiliser une combinaison de technologies de fabrication numérique, par exemple en intégrant l'impression numérique et le traitement laser dans les processus de fabrication traditionnels. Cela ouvre la voie à la personnalisation des produits en ligne. Six instituts Fraunhofer ont mis leur expertise en commun pour faire passer le nouveau processus au niveau supérieur.

Le terme production de masse suggère généralement un grand nombre de produits identiques sortant d'une chaîne de montage. Cependant, les dernières tendances appellent des produits individualisés. L'industrie automobile est un exemple de cette tendance :Volkswagen, par exemple, ne produit qu'un ou deux modèles de Golf identiques par an. Mais cette tendance à l'individualisation pousse aussi les techniques de production de masse à leurs limites. Le projet de phare Fraunhofer Go Beyond 4.0 vise à relever ce défi en permettant la production en série de produits individualisés. Il s'agit d'une collaboration entre quatre groupes Fraunhofer différents et six instituts Fraunhofer :l'Institut Fraunhofer pour les nanosystèmes électroniques ENAS, l'Institut Fraunhofer des technologies de fabrication et des matériaux avancés IFAM, l'Institut Fraunhofer de technologie laser ILT, l'Institut Fraunhofer d'optique appliquée et d'ingénierie de précision IOF, l'Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silicates ISC et l'Institut Fraunhofer pour les machines-outils et la technologie de formage IWU. Le projet est géré par Fraunhofer ENAS à Chemnitz.

"À l'heure actuelle, l'individualisation dans l'industrie automobile signifie essentiellement préparer chaque véhicule pour chaque version possible, puis ajouter les fonctionnalités spécifiques que chaque client a commandées à la fin de la ligne. Ça signifie, par exemple, que chaque voiture doit être équipée de l'ensemble du faisceau de câblage, " déclare le chef de projet, le professeur Thomas Otto. Le professeur Reinhard Baumann, qui travaille chez Fraunhofer ENAS et est en charge de la coordination du Projet Phare, explique le nouveau concept :« En combinant les méthodes de fabrication traditionnelles avec les technologies numériques et les processus de production émergents, nous avons trouvé un moyen d'intégrer l'individualisation des produits dans les environnements de production de masse. Dès le début, nous avons mis l'accent sur la fiabilité des produits et de la production, mais nous avons encore un long chemin à parcourir. »

Impression sur des surfaces de composants bidimensionnelles et tridimensionnelles de toute forme

Le concept de base est simple :tout comme une imprimante à jet d'encre au bureau, les chercheurs utilisent des technologies de jet d'encre et de distribution pour imprimer des motifs géométriques. Mais au lieu d'utiliser des encres colorées, en d'autres termes, encres qui ont la fonctionnalité de "couleur" - elles utilisent des encres avec des fonctionnalités telles que la conductivité électrique, semi-conductivité et isolation. Cette technologie peut être utilisée pour créer des systèmes à une ou plusieurs couches. Même les capteurs et les transistors sont réalisables. "Et je peux faire tout ça non seulement en douceur, surfaces planes comme une feuille de papier mais aussi, à l'aide de robots, sur des pièces courbées en trois dimensions telles que des portes de voiture embouties, " explique Baumann. La deuxième technologie de fabrication numérique qui entre en jeu est le laser. Les chercheurs des six instituts Fraunhofer ont combiné les deux méthodes. le faisceau laser suit exactement la ligne prise par l'imprimante, le permettre, par exemple, pour durcir des photopolymères préalablement imprimés ou des encres à nanoparticules frittées. De nombreux robots sont déjà utilisés pour l'assemblage en atelier, pourtant la nouvelle méthode est très différente. "Nous avons obtenu des améliorations de plusieurs ordres de grandeur dans la résolution spatiale de l'impression avec des largeurs de ligne jusqu'à environ 50 micromètres, " dit Baumann.

De l'automobile et de l'aviation à l'optique

Pour démontrer l'applicabilité universelle de leur approche, les scientifiques de Fraunhofer ont déjà réalisé trois démonstrateurs pour les futurs marchés clés de l'ingénierie automobile, aéronautique et optique. L'utilisation des technologies de fabrication numérique ouvre la porte à la production de petits lots de produits de masse individualisés. Voitures, par exemple, contiennent généralement jusqu'à huit kilomètres de câblage en cuivre, pesant l'équivalent d'environ 160 kilogrammes. Les experts peuvent utiliser l'impression numérique pour imprimer des chemins conducteurs porteurs de signaux sur des parties du corps telles que les portes, remplaçant ainsi certains des fils de cuivre lourds par des pistes conductrices imprimées. Cela rend les véhicules plus légers et réduit la consommation de carburant.

Dans les avions, l'équipe de chercheurs se concentre sur des capteurs actuellement collés ou vissés. « Nous prenons le type de technologies de matériaux composites à fibres éprouvées utilisées dans la construction légère, puis intégrons des processus de production numériques, " dit Baumann. En utilisant cette méthode, les chercheurs impriment numériquement à la fois des chemins de conducteurs individuels et des systèmes de capteurs entiers sur des tapis en fibre de verre ou en carbone. Ils sont ensuite imprégnés d'une résine synthétique qui les intègre directement dans le composant léger. Dans une première étape, les scientifiques ont réussi à utiliser cette méthode pour incorporer la température, capteurs capacitifs et d'impact dans les éléments de voilure d'un avion commercial ainsi que des antennes UHF et des LED.

Les composants optiques tels que les lentilles de phares pour voitures sont généralement en verre poli ou en plastique. Les nouvelles technologies développées dans le projet Go Beyond 4.0 Lighthouse ouvrent la possibilité supplémentaire de fabriquer des optiques de forme libre qui combinent les propriétés de trois lentilles au sein d'un seul élément au lieu de simplement les propriétés d'une seule lentille. Ces optiques de forme libre peuvent également intégrer des diodes électroluminescentes, et donc des fonctions de signal. « Cela nous permet de produire des éléments optiques complexes qui auraient été impensables auparavant, ", explique Baumann. L'accent est mis sur les nouvelles applications potentielles. L'optique de forme libre pourrait projeter les informations générées par le véhicule sur la route sans nécessiter aucun type d'écran, par exemple en projetant un panneau d'arrêt avant même que le véritable panneau d'arrêt ne soit visible. Le véhicule pourrait extraire les informations requises d'Internet ou de l'environnement réseau.

L'un des principaux avantages de la technologie est qu'elle peut être utilisée pour traiter des pièces "en ligne" dans l'environnement de fabrication. Au lieu du système actuellement utilisé consistant à retirer les produits de la ligne de production pour les personnaliser, puis à les réintroduire ensuite, ils peuvent simplement rester dans la ligne de production du début à la fin. C'est déjà faisable à l'échelle du laboratoire, et les équipes de chercheurs cherchent désormais à atteindre les temps de cycle des lignes de production réelles. À la fois, ils continuent d'optimiser les technologies elles-mêmes et d'améliorer leur fonctionnement combiné. "Ce Projet Phare a réuni une équipe extraordinairement performante de personnes qui savent vraiment coopérer efficacement, " déclare Baumann. " Les résultats que nous avons obtenus jusqu'à présent nous permettent d'aborder des marchés supplémentaires et de travailler ensemble sur eux, " dit Otto.