AVATAR – Entwicklung eines digitalen Zwillings für Druckformen zur vollautomatisierten ressourceneffizienten Optimierung von Feinlinien-Druckprozessanwendungen

Im Zeitalter der Digitalisierung stellt sich die Frage wie etablierte Drucktechnologien wie das Flachbett-Siebdruckverfahren in den digitalen Raum überführt werden können. Zentrale Herausforderungen wie die Reduktion der Strukturbreiten oder die Maximierung des Produktionsdurchsatzes könnten mit Hilfe eines digitalen Zwillings kostengünstiger und schneller bearbeitet werden. Das skizzierte Vorhaben stellt einen Ansatz zur Digitalisierung des Flachbett-Siebdruckverfahrens dar und beinhaltet die Optimierung der Produktionsparameter mittels CFD-Simulation und künstlicher Intelligenz, sowie die Einbindung eines Feedback-Loops zur Live-Prozesskontrolle und -anpassung. Das Projektkonsortium deckt einen breiten Bereich der Produktionskette ab und ermöglicht somit eine optimale Zusammenarbeit.

Im Rahmen des Verbundprojektes FINALE mit dem Förderkennzeichen 0324098B wurde eine Simulation von Siebstrukturen entwickelt, welche im Flachbett-Siebdruck für die Metallisierung von Si-Solarzellen eingesetzt werden kann. Hiermit können beliebige Kanalstrukturen modelliert und die Öffnungsfläche entlang des Kanals bestimmt werden. Abbildung 1 zeigt eine Zusammenfassung des Simulationsmodells. Die Kanalstruktur eines Siebes wurde allgemein mathematisch so modelliert, dass ein virtuelles Abbild dieser Struktur gebildet, analysiert und hinsichtlich der zur erwarteten Performance im Druckprozess bewertet werden kann. Es können der Öffnungsgrad und dessen Abweichung entlang der Kanalstruktur, sowie die Form, Fläche und Lage aller individuellen einzelnen Teilöffnungsflächen bestimmt und in den Kontext der Druckbarkeit über Strömungssimulationen eingeordnet werden. Das zentrale Ziel des Forschungsvorhaben ist die Weiterentwicklung dieses Simulationsmodells im 3-dimensionalen Raum bis hin zum digitalen Zwilling für die Auslegung, physikalische Herstellung und anschließende Performance von Feinlinien-Druckformen, welche im Flachbett-Druckverfahren eingesetzt werden. Der Designprozess eines Siebes besteht unteranderem aus einer komplexen Abwägung zwischen zu erwartender Auflösung und Performance im Druckprozess hinsichtlich des gewünschten Druckbildes, Reproduzierbarkeit des Werkstücks im Herstellungsprozess, Skalierbarkeit des Herstellungsprozess, Herstellungskosten und Lebensdauer des Werkstücks im Einsatz. Die Entwicklung eines digitalen Zwillings, welcher alle Facetten des Werkstücks abbildet, kann diese komplexe Abwägung auf eine Weise erfüllen, die mit dem bisherigen Stand der Technik nicht umsetzbar wäre. Im Rahmen des Projekts wird ein 3D-Simulationsmodell für Gewebedeformation weiterentwickelt, womit die Rakelbewegung im Druckprozess vollständig nachgebildet werden kann. Jegliche mechanischen Belastungen und Auslenkung des Gewebes können somit modelliert werden. Der digitale Zwilling wird in der Lage sein, virtuelle Klone von Sieben zu erzeugen, deren Performance zu evaluieren und dem Nutzer konkrete Designparameter vorzuschlagen. Des Weiteren wird er die gesamte Herstellungsplanung der Siebe übernehmen und den Nutzer über komplexe TradeOffs und ökomische Abwägungen informieren. Die optimierten Layouts werden in (für die Industrie üblichen) CAD-Formaten ausgegeben, so dass Schnittstellen zu Herstellungsanlagen fehlerfrei und effizient genutzt werden können.