Hittebestendige keramische inkt voor datacodes op metalen onderdelen

Onderzoekers van Fraunhofer hebben een extreem hittebestendige inkt op keramiekbasis ontwikkeld. Hiermee kunnen voor het eerst metalen onderdelen die in de auto-industrie bij temperaturen boven de 1.000 ºC worden verwerkt, van een code worden voorzien. De code kan worden gescand en is gekoppeld aan een database waarin alle fabricageparameters van het betreffende onderdeel zijn opgeslagen.

De voordelen van de technologie zijn niet alleen de mogelijkheid om productiestoringen en defecte componenten in een vroeg stadium te detecteren. Het opent ook uitgebreide mogelijkheden om procesketens in de industrie efficiënter in te richten en hun ecologische voetafdruk aanzienlijk te verkleinen. Zelfs vervalsingen van onderdelen kunnen worden voorkomen door middel van speciale additieven in de inkt.

Het markeren van componenten zodat ze allemaal kunnen worden gevolgd en getraceerd, is een belangrijke vereiste voor de digitalisering van processen in de maakindustrie. In de metaalverwerkende industrie zijn pogingen op dit gebied tot nu toe mislukt omdat veel metalen componenten in afzonderlijke processtappen moeten worden verwarmd. Conventioneel bedrukte codes worden bij verhitting vernietigd en kunnen daarom niet meer worden gelezen. Prof. Thomas Härtling, groepsmanager voor optische testmethoden en nanosensoren, en zijn team van het Fraunhofer-instituut voor keramische technologieën en systemen IKTS hebben nu een inkt ontwikkeld die bestand is tegen temperaturen van meer dan 1000 ºC in de oven zonder te beschadigen. De Ceracode© inkt bestaat uit hittebestendige keramische deeltjes en een glascomponent. In de oven zorgt het smeltende glas ervoor dat de markering op het metaal blijft zitten en toch goed leesbaar is. Met Ceracode©-inkt is het voor het eerst mogelijk om metalen onderdelen, met name die welke tijdens de productie in de auto-industrie worden verwarmd, te voorzien van een zeer stabiele markering. Om de technologie te ontwikkelen, pasten Fraunhofer-onderzoekers hun jarenlange expertise met keramiek en op keramiek gebaseerde materialen toe.

Hittebestendige inkt voor metaal

Neem het volgende toepassingsscenario: tijdens een steekproefsgewijze controle in een autofabriek ontdekt een werknemer een defect metalen onderdeel. De geometrie voldoet niet aan de specificaties en het onderdeel is niet correct gevormd. Het onderdeel heeft een markering, ook wel datamatrixcode genoemd, die het uniek identificeert via een serienummer. De werknemer kan deze code uitlezen met behulp van een scanner. Op het display wordt een database geopend die alle parameters voor het fabricageproces van het onderdeel weergeeft, zoals de temperatuur en verblijftijd in de oven, geometrische gegevens en persdruk. Het probleem is nu eenvoudig te achterhalen: de persdruk was tijdens een bepaalde processtap niet hoog genoeg. Met slechts een paar klikken kan de arbeider alle andere componenten bekijken die met de verkeerde persdruk zijn verwerkt en dus defect zijn. Deze worden vervolgens snel weggegooid – een robot kan dit desgewenst volledig automatisch doen. Het tijdrovende werk van het inspecteren van alle mogelijk aangetaste onderdelen en het handmatig verwijderen van uitval behoort tot het verleden en het productieproces kan direct doorgaan.

De digitalisering van procesketens

De combinatie van Ceracode©-inkt en de gestandaardiseerde datamatrixcode die wijdverbreid in de industrie wordt gebruikt, geeft een nieuwe impuls aan de digitalisering van productieprocessen in de metaalverwerkende industrie. “De kwaliteit van elk onderdeel of elk werkstuk kan op elk moment in de waardeketen worden vastgelegd en defecten kunnen direct aan het begin van de productie worden geïdentificeerd en gericht worden verholpen. Dit bespaart bedrijven niet alleen energie, het betekent ook dat ze geen grondstoffen verspillen en hun CO2-uitstoot kunnen verminderen”, legt Härtling uit. Al met al maakt dit het productieproces aanzienlijk efficiënter en kosteneffectiever. De in de database opgeslagen procesgegevens maken het ook eenvoudiger om adaptieve procesketens op te zetten. Als een fabrikant weet met welke fysieke parameters een product is geproduceerd, kunnen de volgende stappen en processen flexibel worden aangepast en geoptimaliseerd.

Afhankelijk van het toepassingsscenario kan de database indien nodig met aanvullende informatie worden gevuld. Gegevens over stroomverbruik en stroombron kunnen bijvoorbeeld voor elke verwerkingsstap worden opgenomen en vervolgens worden gebruikt om de broeikasgasemissies voor elk onderdeel te berekenen. "Er zijn steeds meer fabrikanten die om dergelijke functies vragen om transparante en hulpbronnenefficiënte productieprocessen te kunnen uitvoeren", legt Härtling uit.

Het project is ook het resultaat van een succesvolle samenwerking. Terwijl het team van Fraunhofer IKTS de inkt ontwikkelde en verder werkt aan de verdere optimalisatie, is projectpartner Senodis Technologies GmbH uit Dresden verantwoordelijk voor het programmeren van de software en de commercialisering. Senodis Technologies is een spin-off van Fraunhofer IKTS en richt zich op het benutten van het brede potentieel van de op keramiek gebaseerde inkt om nieuwe toepassingen voor industriële klanten tot stand te brengen en door te gaan met de digitalisering van hun waardeketens. Het richt zich voornamelijk op klanten uit de metaal-, automobiel- en keramieksector.

Gegevensuitwisseling via Catena-X

Naast het optimaliseren van de productie maakt de technologie van Fraunhofer IKTS ook de weg vrij voor een nog uitgebreidere informatie-uitwisseling tussen fabrikanten, leveranciers en onderaannemers. In de auto-industrie zijn deze al via een complex netwerk met elkaar verbonden. In de toekomst zal informatie worden uitgewisseld via het netwerkplatform Catena-X, dat momenteel in ontwikkeling is. Als een samenwerkend data-ecosysteem van de auto-industrie heeft het tot doel de veilige en eenvoudige uitwisseling van gegevens tussen fabrikanten mogelijk te maken, terwijl het er tegelijkertijd voor zorgt dat elke deelnemer de soevereiniteit over zijn eigen gegevens behoudt. Deelnemende bedrijven delen daarom alleen de gegevens die ze daadwerkelijk openbaar willen maken.

Met Ceracode© kan nu voor het eerst gedetailleerde informatie over de procesparameters van metalen componenten in het Catena-X netwerk worden opgenomen. Ook hier blijven gegevens die de fabrikant niet wil delen, zoals interne details over het fabricageproces of de precieze materiaalsamenstelling van een onderdeel, beschermd in het interne netwerk van het bedrijf.

Vervalsingbestendig met Ceracode©

Het systeem van hittebestendige inkt en datamatrixcode is volwassen geworden en is al op de markt beschikbaar via projectpartner Senodis Technologies GmbH. Productiebedrijven kunnen het systeem eenvoudig installeren en in gebruik nemen — zelfs het achteraf inbouwen van bestaande machines vormt geen probleem. De gebruikte datamatrixprinters en de scanners zijn compatibel met bestaande industriestandaarden.

Bovendien kan de inkttechnologie vergaand worden aangepast aan de wensen en toepassing van de klant. Een voorbeeld is de bescherming van producten tegen vervalsingen. “Hiervoor voegen we speciale pigmenten toe aan de formule van de inkten op keramiekbasis, zodat ze onder UV-licht in een gedefinieerde kleur oplichten. Dit is een interessante optie voor industriële klanten die onderdelen kopen die bestaan uit bijzonder dure metaallegeringen of componenten voor veiligheidsgerelateerde systemen”, legt Fraunhofer-onderzoeker Härtling uit.

Als volgende stap werken de Fraunhofer-onderzoekers aan het bedrukken van gebogen of gevormde metalen componenten. Doorontwikkelde algoritmen voor beeldherkenning zullen codes zelfs op onregelmatige of gebogen metalen oppervlakken nauwkeurig kunnen uitlezen.

Nieuwsbericht van Fraunhofer, 03/07/2023