H2SkaProMo - Skalierbare cyber-physische Produktionssysteme zur Montage von Brennstoffzellen-Stacks

Abstract

Das Verbundprojekt H2SkaProMo ("Skalierbare cyber-physische Produktionssysteme zur Montage von Brennstoffzellen-Stacks") adressiert die industrielle Skalierung der Stackmontage im Spannungsfeld zwischen Variantenvielfalt, Hochlaufdynamik und steigenden Qualitätsanforderungen. Ziel war die Entwicklung eines modularen, wandlungsfähigen Produktionssystems, das eine flexible Kapazitätsanpassung von manueller Montage bis hin zur teilautomatisierten Linie ermöglicht und dabei wirtschaftliche, ergonomische und qualitätssichernde Zielgrößen integriert. Arbeitspaket 1 fokussierte die Konzeption und Realisierung einer menschzentrierten, manuellen Vormontagestation für Kopf- und Basisbaugruppen. Zentrale Gestaltungsprinzipien waren Modularisierung produktnaher Betriebsmittel, skalierbare Arbeitsplatzarchitektur sowie adaptive Stationsparameter (z. B. Arbeitshöhe, Materialbereitstellung, Beleuchtung). In-situ-Assistenzsysteme auf Basis von Projektions- und Lasertechnologien reduzierten kognitive Belastungen. Ergänzend wurde ein KI-gestütztes Recommender-System implementiert, das über ein ILUO-Modell eine kompetenzabhängige Informationsbereitstellung ermöglicht und mittels Motion-Tracking sowie neuronaler Netze Fehlerpotenziale erkennt. Probandenstudien belegen eine signifikante Reduktion der Beanspruchung bei gleichzeitig hoher Usability. Parallel wurde eine Prüfvorrichtung zur Dichtheits-, Durchfluss- und Funktionsprüfung von Teilstapeln entwickelt. Die SPS-gestützte Steuerungsarchitektur erlaubt sowohl manuelle als auch automatisierte Prüfabläufe und erhöht die Prozessrobustheit. Arbeitspaket 2 überführte die Erkenntnisse in eine teilautomatisierte Montagelinie mit sicherer Mensch-Maschine-Interaktion. Hierfür wurden bioinspirierte, energiearme Haftgreifer mit optimierter Mikrostruktur entwickelt, die eine beschädigungsfreie Handhabung sensibler Komponenten wie Bipolarplatten und MEAs ermöglichen. Sensorintegrierte Greifsysteme, modulare Schnellwechselschnittstellen und kollaborative Gehäusekonzepte steigern Adaptivität und Wartungsfreundlichkeit. Arbeitspaket 3 adressierte die durchgängige Datenerfassung, -integration und -auswertung innerhalb eines cyber-physischen Produktionssystems. Ziel war die Entwicklung einer vernetzten Systemarchitektur, die Produkt-, Prozess- und Qualitätsdaten entlang der Wertschöpfungskette konsistent erfasst und für Monitoring, Analyse sowie adaptive Prozesssteuerung nutzbar macht. Hierzu wurden geeignete Sensorik- und Kommunikationsschnittstellen implementiert, Datenmodelle entwickelt und Analysewerkzeuge zur Echtzeitbewertung von Prozesszuständen aufgebaut. Dadurch konnten Transparenz, Rückverfolgbarkeit und datenbasierte Entscheidungsunterstützung signifikant verbessert werden. Arbeitspaket 4 umfasste die systematische Validierung, Demonstration und wirtschaftliche Bewertung des Gesamtsystems unter realitätsnahen Produktionsbedingungen. Neben der funktionalen Erprobung der entwickelten Module erfolgte eine Bewertung hinsichtlich Skalierbarkeit, Ergonomie, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass das modulare Produktionskonzept eine schrittweise Automatisierung ermöglicht, Investitionsrisiken reduziert und die Hochlauffähigkeit für zukünftige Serienproduktionen von Brennstoffzellen-Stacks signifikant verbessert. Das Projektergebnis ist eine cyber-physische Montagelinie, die Produkt-, Prozess- und Mitarbeitendendaten in einem durchgängigen digitalen Framework verknüpft. Durch die Kombination aus modularer Hardwarearchitektur, adaptiven Assistenzsystemen und KI-gestützter Entscheidungsunterstützung leistet H2SkaProMo einen Beitrag zur flexiblen, skalierbaren, wirtschaftlichen, ergonomischen und qualitätsgesicherten Serienproduktion von Brennstoffzellen-Stacks unter Hochlaufbedingungen.