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Bericht 2016

Status und Ergebnisse Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart (GSaME)

GSaME Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineeringin StuttgartUniversität Stuttgart

Nobelstraße 1270569 Stuttgart

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort ................................................................................................................................. 1

1 Die GSaME – Zusammenfassung ................................................................................... 2

2 Aktualität des Forschungsprogramms ............................................................................... 3

3 Ziele und Ergebnisse der Cluster .................................................................................... 12

3.1 Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung ........ 12

3.2 Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion .................................... 42

3.3 Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion . 50

3.4 Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering ............................................ 71

3.5 Cluster E2 – Material und Prozessengineering ..................................................... 76

3.6 Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen ............................................... 94

3.7 Nachwuchsgruppen ............................................................................................. 106

4 Dissertationen ............................................................................................................... 110

5 Preise und Auszeichnungen ......................................................................................... 124

6 Mitglieder der GSaME ................................................................................................... 125

7 Mentoring und Supervision ........................................................................................... 128

8 GSaME-Tagungen ........................................................................................................ 129

9 Publikationen ................................................................................................................. 131

10 Patente .......................................................................................................................... 138

11 Auslandsaufenthalte ...................................................................................................... 139

11 Ausblick 2017 ................................................................................................................ 140

Anhang ............................................................................................................................. 141

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Ausrichtung der GSaME auf Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit .................. 8

Abb. 2: Status der neu definierten Forschungsthemen nach Clustern und Finanzierung .... 9

Abb. 3: Anteil der erstbetreuenden Professoren aus den Fakultäten ................................ 11

Abb. 4: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten der Universität Stuttgart ............................................................................................... 11

Abb. 5: Einflüsse auf das vielfältig vernetzte Montagesystem ........................................... 13

Abb. 6: Allgemeine Einflussfaktoren auf ein Montagesystem ............................................ 14

Abb. 7: Promotionsprojekte mit dem Schwerpunkt variantenreiche Serienmontage ......... 15

Abb. 8: Additive Extrusion von Kunststoffgranulat ............................................................. 25

Abb. 9: Methodik zur Evaluierung und Gestaltung des Werkzeuglebenszyklusmanagements ................................................................... 26

Abb. 10: Simulationskette zur Untersuchung des Einflusses der Rotordynamik auf die E-Maschinenakustik .............................................................................................. 27

Abb. 11: Schematische Darstellung des modularen Montagesystems ................................ 28

Abb. 12: Faserverbundkunststoffe (FVK) ............................................................................. 29

Abb. 13: Nutzung von Freiheitsgraden zur Konfiguration fahrzeugflexibler Montagelinien .. 30

Abb. 14: Ermöglichung der Effizienzevolution zur Steigerung regionaler Wertschöpfung ... 31

Abb. 15: Überblick über den Informationsfluss des Modells ................................................ 32

Abb. 16: Ausschnitt des 3D Vorentwicklungsmodells zur Beurteilung der Montierbarkeit ... 34

Abb. 17: Ein- und Ausflussgrößen im Powder-Bed-Fusion-Verfahren mit Beispiel ............. 35

Abb. 18: Prozessauswahl mit logischer Verknüpfung zur Zeitmatrix ................................... 37

Abb. 19: Konzept zur Closed-Loop-Geschäftsmodelinnovation ........................................... 38

Abb. 20: Das Verhältnis von Metakognition zu den Systemtypen ........................................ 39

Abb. 21: Grobübersicht Verfahrensschritte .......................................................................... 40

Abb. 22 Mitarbeiter an einer Montagelinie .......................................................................... 41

Abb. 23: Überblick über die Produktionssteuerung und Ausführung in einer Halbleiterfertigung.................................................................................................. 42

Abb. 24: Forschungsprogramm des Clusters B2 ................................................................. 43

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Abb. 25: Situativ passende Gestaltung globaler Produktionsnetzwerke zur Minimierung der Transaktionskosten ..................................................................... 47

Abb. 26: Untersuchungsmodell ............................................................................................ 48

Abb. 27: Integrierte Betrachtung von Kosten- und Resilienzmanagement .......................... 49

Abb. 28: Modellierung eines Partikels (links); nichtsphärisches Partikel im Strömungsfeld (rechts) .......................................................................................... 57

Abb. 29: Bewertung der Nützlichkeit von Engineering-Aktivitäten ....................................... 60

Abb. 30: Anwendungsbeispiel und zentrale Komponenten der Sozialen Fabrik .................. 61

Abb. 31: Messen und Verbessern der Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten in jedem Schritt ........................................................................................... 62

Abb. 32: Architektur des SOA-Governance-Repositories .................................................... 63

Abb. 33: Produktentstehungs- und -nutzungsprozess im Additive Manufacturing ............... 64

Abb. 34: Erweiterungen des IEEE 802.1 Standards für zeitsensitiven Verkehr ................... 65

Abb. 35: Partikelverhalten in einem System aus positiv und negativ geladenen Partikeln ................................................................................................................. 66

Abb. 36: Überblick über den Ansatz Informal Process Essentials ....................................... 68

Abb. 37: Fluid-Struktur-Interaktion bei einer angeströmten, virtuellen Filterfalte ................. 69

Abb. 38: Konzeptionelle Architektur einer Klassifizierungskonfiguration im Bereich Text Analytics ........................................................................................................ 70

Abb. 39: Block Diagram of the Test Platform ....................................................................... 71

Abb. 40: Wissenstransfer beschrieben durch die Sozialkapitaltheorie ................................ 74

Abb. 41: Schnittkante eines lasergeschnittenen Baustahl-Blechs ....................................... 81

Abb. 42: Ergebnis einer numerischen Strömungssimulation. .............................................. 82

Abb. 43: Beispiele für 3D-gedruckte Bioglas Scaffolds ........................................................ 83

Abb. 44: Transienter Verlauf des Ablationsprozesses nach einem Einzelpuls .................... 84

Abb. 45: Makroskopische, mesoskopische und mikroskopische Simulationsmodelle ......... 85

Abb. 46: Drei simulierte Bohrlochgeometrien im Querschnitt .............................................. 86

Abb. 47: Verlauf der Abscheidung von festem Neodym auf einer Wolfram-Kathode .......... 87

Abb. 48: Beispielhafte Darstellung der vielfältigen Einflussfaktoren beim HVSFS- Prozess .................................................................................................................. 88

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Abb. 49: Impaktor-Geometrie (links); Validierung Schichtbildung unterhalb des Impaktors (rechts) .................................................................................................. 89

Abb. 50: Wirkzusammenhänge der Prozesskette (in Grün) ................................................. 90

Abb. 51: Versuchswerkzeug mit integrierter Messtechnik zur kontinuierlichen Messung des tribologischen Systems ................................................................................... 91

Abb. 52: Zerfallsverhalten von Versuchsmedien verschiedener rheologischer Eigenschaften ........................................................................................................ 94

Abb. 53: Der GSaME Demonstrator ..................................................................................... 95

Abb. 54: Überblick über die Themenschwerpunkte und Ziele der Forschungsarbeit ........... 98

Abb. 55: Fernfeld-Strahlprofil des radial polarisierten moden-gekoppelten Lasers ............. 99

Abb. 56: Roboterarchitektur zur Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben .............. 101

Abb. 57: Schreiben eines CWG in den Kernmandel (links); reflektiertes optisches Spektrum und Formrekonstruktion (rechts) ......................................................... 103

Abb. 58: Normalisierter Überlapp aller radialsymmetrischen Fasermoden ........................ 104

Abb. 59. Reales und simuliertes Kamerabild einer Aluminiumoberfläche mit einem Kratzer ................................................................................................................. 105

Abb. 60. Reflektierte Intensität eines Kalibrierstandards ................................................... 106

Abb. 61: Versuchsstand für den Gießprozess mit einem Roboter ..................................... 107

Abb. 62: Ergebnisse des Optimierungsverfahrens ............................................................. 108

Abb. 63: Produktionsnetzwerke im weiteren Sinn .............................................................. 109

Abb. 64: Auszeichnung von Dr.-Ing. Peter Stritt auf der LANE 2016 ................................. 125

Abb. 65: GSaME-Jahrestagung – Workshop II, 13.10.2016, AUDI AG, Neckarsulm ........ 129

Abb. 66: GSaME-Jahrestagung – Podiumsdiskussion, 13.10.2016, AUDI AG, Neckarsulm .......................................................................................................... 131

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Vorwort

Gutes für die Zukunft sichern, damit wir weiterhin zu den Besten gehören, so lautete die Aufgabe der GSaME im vergangenen Jahr. Um dies zu erreichen, hat sich die GSaME von einem bereits hohen Niveau noch einmal verbessert. Die Attraktivität für Promovierende wurde erhöht. Die Kooperationsbeziehungen mit unseren Partnern sind stabil und unsere Absolven-ten mit ihrem besonderen Kompetenzprofil von der Wirtschaft stark nachgefragt. Hervor-ragende Forschungsleistungen, Kontinuität und Qualität in Betreuung und Ausbildung spiegeln sich in erfolgreichen Abschlüssen wider. Es hat sich als strategisch richtig erwiesen, 2016 die Diskussion um die Weiterentwicklung unseres interdisziplinären Forschungsprogramms zu intensivieren, neue Forschungsthemen zu erarbeiten und wichtige Impulse unserer Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft dabei zu berücksichtigen.

Das rasante Fortschreiten der Digitalisierung in allen Stufen der Wertschöpfung, neue Fertigungs- und Verfahrenstechnologien, Werkstoffe und Automatisierungslösungen, ihre Nutzung für mehr Produktivität, Effizienz, Ressourcen- und Umweltschonung in der industriel-len Produktion sowie zur Schaffung von neuen Geschäftsmodellen betreffen das forschende und industrielle Umfeld der GSaME unmittelbar und tiefgreifend. Daraus resultieren geänderte Anforderungen an eine zielgerichtete Forschung, ergeben sich neue Forschungsschwer-punkte ebenso wie ein Bedarf an konkreten Lösungen und nachgewiesenem Nutzen, um die potenziellen Vorteile einer flexiblen vernetzten Produktion zu erschließen. Forschungs- und Innovationsleistungen der GSaME für eine zukunftsfähige Produktion sind mehr denn je erforderlich. Zunehmend werden von den Unternehmen spezifische Technologie- und daten-orientierte Kompetenzen und Fähigkeiten, das Verständnis für die Zusammenhänge in Wertschöpfungsnetzwerken sowie interdisziplinäres Denken und Handeln von Mitarbei-terinnen und Mitarbeitern als wichtige Zukunftsanforderung und Gestaltungsaufgabe für die erfolgreiche Umsetzung der Digitalisierung in der Industrie erkannt. Das interdisziplinäre, duale Ausbildungsprogramm der GSaME trägt in hervorragender Weise diesen technischen, methodischen und fachlichen Anforderungen an die Qualifikation von Nachwuchskräften aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik Rechnung.

Durch die Entscheidung von Bund und Ländern über das Programm „Exzellenzstrategie“ im Juni 2016 sollen insbesondere die durch die Exzellenzinitiative begonnenen Anstrengungen zur Stärkung der Universitäten durch Förderung wissenschaftlicher Spitzenleistungen, Profilbildungen und Kooperationen im Wissenschaftssystem fortgesetzt und weiterentwickelt werden. Für die GSaME ergibt sich durch die Überbrückungsfinanzierung einerseits Handlungssicherheit über den bisherigen Förderzeitraum hinaus. Andererseits bietet diese Entscheidung in Verbindung mit vorhandenen Stärken, Erfolgsfaktoren und Erfahrungen der GSaME realistische Optionen für eine nachhaltige Etablierung. Dafür setzen wir weiterhin auf wirksame Synergien interner Partnerschaften und strategischer Kooperationen sowie struktureller Weiterentwicklung.

Vorstand und Geschäftsführung der GSaME informieren über die Forschungs- und Ausbildungsarbeit sowie die wichtigsten Ergebnisse 2016. Sie geben Eindrücke von Ereignissen, Entwicklungstendenzen und Aktivitäten ihrer Mitglieder und Kooperationspartner sowie ihrer Promovierenden wieder und vermitteln damit einen Überblick zum Stand der Zielerreichung der Graduiertenschule und ihren Perspektiven.

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang Prof. Dr.-Ing. Sylvia Rohr

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1 Die GSaME – Zusammenfassung

Seit Jahrzehnten gehört Deutschland zur Weltspitze der Industrienationen. In keiner anderen führenden Volkswirtschaft ist der Anteil der Industrie an der Wertschöpfung höher: 2016 betrug der Anteil des produzierenden Gewerbes 25,7 Prozent am BIP. Gemeinsam mit den industrie-nahen Dienstleistungen bildet die Industrie einen Wachstumskern, zu dessen Stärken u.a. eine hervorragende Fertigungskompetenz und Ingenieursexpertise, eine enge Verzahnung mit Kunden und leistungsstarke Cluster, hohe Innovationsfähigkeit durch physische Nähe von Produktion und Produktentwicklung und eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft zählen. Doch was als gegeben gilt, muss in einem hoch volatilen Umfeld nicht für die Zukunft gelten und künftiges Wachstum ist alles andere als selbstverständlich. Dies betrifft insbesondere Leitbranchen wie den Automobilbau, den Maschinen- und Anlagenbau sowie die Automatisierungs- und Elektrotechnik: die Implementierung neuer Technologien stellt klassische Geschäftsmodelle in Frage, lässt neue Wettbewerber entstehen und führt zur Verschiebung von Wertschöpfungsanteilen. Reindustriealisierungsstrategien und -initiativen werden in anderen Ländern konsequent verfolgt und zunehmend wahrnehmbar. Allen gemeinsam ist: ohne Digitalisierung keine Reindustrialisierung. Mit den neuen Ansätzen für Produktion, Produkt- und Serviceangeboten, die auf die Produktion intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse, digitale Lösungen und Vernetzung fokussiert sind, verfügt die deutsche Industrie über eine Konzeption, die zumindest kurzfristig anderen Ländern ohne vergleichbare industrielle Basis kaum möglich ist und Spezialisierungsvorteile eröffnet.

Den großen Chancen in Bezug auf Zeit, Kosten, Qualität, Flexibilität und Nachhaltigkeit als dem weiterhin gültigen Zielsystem industrieller Wertschöpfung stehen höhere Anforderungen an die Geschwindigkeit, an die Wirtschaftlichkeit, an die Flexibilität der Wertschöpfung, die zunehmende Komplexität der Systeme und schwer prognostizierbare Gesamteffekte gegen-über. Zu den mittel- und langfristig daraus resultierenden Handlungsempfehlungen und definierten Forschungsbedarfen gibt es eine große Vielzahl von Studien und Publikationen.

Das profilbildende und kontinuierlich weiterentwickelte Forschungsprogramm der GSaME greift diese be- und entstehenden Herausforderungen des geänderten Charakters des globalen Wettbewerbs, sich vollziehende technologische und organisatorische Entwicklungen und Effekte auf die industrielle Produktion und die daraus resultierenden Forschungsfragen in einem interdisziplinären Ansatz kontinuierlich auf. Die GSaME leistet mit Forschungs-ergebnissen und Innovationsbeiträgen für nachhaltige Fabriken, die darauf ausgerichtet sind, effizient und mit höchster Qualität und Produktivität, Flexibilität sowie Robustheit bei optimalem Ressourceneinsatz zu produzieren, einen wissenschaftlichen Beitrag für ein verbessertes Verständnis wettbewerbsfähiger Wertschöpfung, der „Industriefähigkeit“ erarbeiteter Forschungsergebnisse und Lösungen sowie deren Umsetzung. Die hohe Aktualität der Forschung der GSaME und ihre Relevanz zu Industrie 4.0 zeigen sich in den Forschungs-themen der Cluster, die im Folgenden näher ausgeführt werden.

Der Handlungsbedarf in Bildung und Ausbildung zur erfolgreichen Gestaltung der digitalen Transformation und des Strukturwandels ist bereits gegenwärtig konkret. Das Grundkonzept der dualen Ausbildung, die enge Kooperation mit der Wirtschaft, die Integration in einen international führenden Produktionsstandort sowie der Forschungsschwerpunkt „advanced Manufacturing Engineering“ (aME) befähigen die GSaME hochaktuell, den technischen, methodischen und fachlichen Herausforderungen für Forschung, Entwicklung und Ausbildung, aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik, zusammen mit ihren

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Partnern auf höchstem akademischen Niveau und in der Verbindung erforderlicher Schlüssel-disziplinen sowie industrierelevant, Rechnung zu tragen.

2016 konnte die Kontinuität der Nachfrage seitens der Kooperationspartner gesichert werden, wobei stabile strategische Partnerschaften bestehen. Die Aktualisierung des Forschungs-programms der GSaME erfolgte über neu definierte Forschungsthemen z.T. in Kooperation mit Partnern. Mit der Bewilligung einer Überbrückungsfinanzierung seitens der DFG über den bisherigen Förderzeitraum hinaus bis 10/2019 sind die Möglichkeiten verbessert, weitere Forschungsprojekte zu initiieren.

Zentrale Ergebnisse der Leistungsfähigkeit der GSaME 2016 sind:

1. Die Gewinnung von insgesamt 154 Promovierenden – davon 66 für Kooperationsprojekte; 2. die Zulassung von 9 Promovierenden im Berichtszeitraum, davon eine weibliche Promovie-rende; 3. 25 laufende Kooperationsprojekte 12/2016; 4. 5 neu gestartete Projekte mit Kooperationspartnern; 5. der Abschluss weiterer Promotionen.

Darüber hinaus wurden folgende Ergebnisse realisiert:

73 Promovierende mit Finanzierung unterschiedlicher Laufzeit 2016

80 Publikationen und Konferenzbeiträge

6 Preise und Auszeichnungen

12 abgeschlossene Promotionen, insgesamt 49

Start von 5 Projekten mit Kooperationspartnern, 3 weitere mit Start 2017

Steigerung der Attraktivität für Bewerberinnen und Bewerber und Zulassung von 75 Promovierenden in der 2. Förderperiode, davon 9 Promovierende im Berichtszeitraum

Steigerung des Bekanntheitsgrades der GSaME im nationalen und internationalen Umfeld

Intensivierung der Qualitätssicherung von Promotionen

Kooperation mit dem USST Shanghai zur Durchführung eines gemeinsamen Forschungs-projekts.

2 Aktualität des Forschungsprogramms

Die GSaME realisiert mit ihrem Forschungsprogramm die Zielsetzung, Wettbewerbsfähigkeit der industriellen Produktion durch eine Konzentration auf die Ansätze zu sichern, welche zur konsequenten Nutzung technischer und organisationaler sowie humaner Potenziale beitragen. Eine entscheidende Grundlage dafür sind Produktionstechnologien, deren Zukunft in der intelligenten Fabrik mit der Fähigkeit einer flexiblen, ressourceneffizienten und vernetzten Wertschöpfung liegt. Dazu gehört eine Fortsetzung der Entwicklungen für Adaptions- und Wandlungsfähigkeit bei gleichzeitiger Sicherung der Performance (min. Zeiten, Kosten; max. Qualität). Technische Intelligenz wird durch mechatronische Systeme und Automation erreicht, wobei vor allem die Verwendung von Hochleistungskomponenten (Antriebe, Steuerungen, Sensoren) vorangetrieben werden soll. Realitätsnahe „Digitale Engineering Werkzeuge“ unter-stützen die Gestalter und Betreiber in ihrer Arbeit. Weitere Arbeiten sind auf die Entwicklung

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von Maschinen mit technischer Intelligenz und Integrierbarkeit in Cyber-Physische Produk-tionssysteme sowie auf eine Automatisierung der vorbereitenden und peripheren Prozesse gerichtet. Modelle technischer oder auch organisationaler Prozesse sind einer der Ansätze zur Realisierung technisch intelligenter und wissensbasierter, lernfähiger Konzepte. Im Zentrum einer zukünftigen, softwaregetriebenen Produktionstechnik liegen deshalb die Entwicklung wissenschaftlich nachgewiesener Modelle und deren Überführung in lernfähige Simulations-systeme. Innovative Technologien richten sich vor allem auf Verfahrenstechnologien zur generativen Herstellung und Beschichtung von Bauteilen komplexer Geometrien mit hoher Funktionsintegration und neuartigen Eigenschaften sowie die Verarbeitung von Ingenieur-Werkstoffen. Ökonomische Modelle sollen dazu beitragen, Unternehmen krisenfest zu machen und Synergie-Potenziale aus der Vernetzung zu gewinnen. Ein spezifischer Aspekt liegt in der Analyse, Konzeption und Realisierung regionaler Produktionsstrukturen versus globale Netzwerke.

Die bisherigen Forschungsaktivitäten der GSaME im Arbeitsgebiet der Gestaltung und Optimierung industrieller Produktionen wurden fortgesetzt und um aktuelle Forschungsthemen im Kontext fortschreitender Digitalisierung der Produktion sowie veränderter Produktions-technologien erweitert

Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit als Zielgrößen zukunftsfähiger Fabriken

Konzepte für die global und/oder regional vernetzte Produktion

Production Intelligence mit Integration von (Prozess-)Wissen in die Engineering- und Führungssysteme.

Die Leitlinien der Forschungsarbeiten der GSaME orientieren sich an

Wandlungsfähigkeit auf allen Ebenen des Produktionssystems (technische Ebene, Arbeitsprozesse, Organisationsstrukturen, Strategien und Geschäftsmodelle, Einfluss-nahme auf bzw. Sensibilität für die Organisationsumwelt)

Nachhaltigkeit als narrative Idee für die Art und Weise des Produzierens und Wirtschaftens (Verbindung ökonomischer, ökologischer und gesellschaftlicher „Logiken“ einerseits sowie technische Entwicklung hinsichtlich neuer Produkte, neuer Prozesse, höherer Effizienz etc. andererseits)

Globale und/oder regionale Vernetzung technischer und organisatorischer Bereiche

Technische Intelligenz und menschliche Intelligenz auf allen Ebenen des Produktions-systems.

Strukturell werden die Forschungsschwerpunkte weiterhin sechs Clustern zugeordnet:

A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

B2 – Management vernetzter globaler Produktion

C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

E2 – Material- und Prozessengineering

F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

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A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Clusterdirektor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)

Ausgehend vom konzipierten „Stuttgarter Unternehmensmodell“ sowie vom Prinzip der Ganz-heitlichkeit erfolgt in diesem Cluster eine Weiterentwicklung in Richtung Nachhaltigkeit in und durch Produktionsunternehmen mit konkreter Beachtung der dabei auszubalancierenden Faktoren Ökologie, Ökonomie und soziale Wirksamkeit. Um in diesem abgesteckten Rahmen das Basismodell für die „Fabrik der Zukunft“ vollenden zu können, ist es notwendig, die Mega-trends hinsichtlich der Wandlungsnotwendigkeit und des Wandlungspotenzials von Produk-tionssystemen zu analysieren und zu bewerten. Darauf aufbauend werden entsprechende Strategien erarbeitet, die es unter anderem erlauben, den optimalen Einsatz von Material, Energie und weiteren Ressourcen für zukunftsfähige Fabriken methodisch und teilweise technologisch zu erforschen. Ein besonderer Fokus liegt im Cluster A2 auf der Integration von „Wissen“ insgesamt und im Speziellen auf einem fortschrittlichen Industrial Engineering und auf der Simulation von Fabrikprozessen.

Neue Forschungsthemen 2016: 0 DFG, 0 Kooperationspartner

Laufende Forschungsthemen: 8 DFG, 9 Kooperationspartner

B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI)

Vor dem Hintergrund globaler Megatrends, wie beispielsweise Globalisierung, Vernetzung oder Individualisierung, steht das produzierende Gewerbe gegenwärtig und zukünftig vor gravierenden Herausforderungen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden und die Fabrik der Zukunft zu entwickeln, gibt es bereits verschiedene generische Konzepte. So existiert beispielsweise die Notwendigkeit, auf ökonomische Turbulenzen flexibel reagieren zu können, wodurch ein Wandel in der Produktion von linearen und verschlankten Wertschöp-fungsketten hin zu globalen Produktionsnetzwerken beobachtbar ist. Betriebswirtschaftliche, technische und soziale Aspekte spielen bei der Entwicklung zur Fabrik der Zukunft eine sehr große Rolle. So müssen u. a. durch den steigenden Einfluss der Informations- und Kommuni-kationstechnologie und durch die globale Vernetzung Governance- und Diversity-Konzepte, das Management von Kosten und Kompetenzen sowie die Geschäftsmodelle und Geschäfts-modellkomponenten, wie beispielsweise value proposition, value dissemination, value capture, im Wertenetz detailliert analysiert, bewertet und gegebenenfalls neu gestaltet werden.

Mit diesen exemplarischen Themen zur Gestaltung der Fabrik der Zukunft befasst sich das Forschungscluster B2. Die Einflüsse der Informations- und Kommunikationstechnologie, der globalen Vernetzung auf Geschäftsprozesse, Produktionsprozesse, -systeme und -maschinen der traditionellen Fabrik werden erforscht und daraus Konzepte bzw. Handlungsempfehlungen für die Generierung der Fabrik der Zukunft entwickelt. Die Themenbereiche Management, Dienstleistungen, kulturelle Vielfalt und Nachhaltigkeit werden dabei besonders betrachtet.



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C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang (IPVS)

Agilität und Wandelbarkeit sind heute entscheidende Erfolgsfaktoren für produzierende Unternehmen in einem hart umkämpften und turbulenten Markt. Die Realisierung der „Echt-zeitfähigen Fabrik“ erfordert eine verbesserte Agilität von Geschäfts- und Fertigungs-prozessen, eine intensivere Zusammenarbeit und Integration der Phasen im Produktlebens-zyklus sowie ein umfassendes Komplexitätsmanagement. Folglich müssen bestehende Informations- und Kommunikationstechnologien verbessert werden, um selbstanpassende und selbstoptimierende Prozesse mit Hilfe von Echtzeit-Informationsverarbeitung auf ver-schiedenen Ebenen zu ermöglichen, von der Maschinen- und Sensor-Ebene bis hin zur Prozess- und Unternehmensebene.

Das Cluster C2 konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Ansätze, Methoden, Software-Architekturen, digitaler Werkzeuge, Systeme und Technologien zur Unterstützung der advanced Manufacturing Engineering-Aktivitäten auf Basis von Informations- und Wissens-Ressourcen. Das Cluster erforscht diese Themen in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den anderen Clustern der GSaME und insbesondere mit Partnern aus der Industrie.



D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (IAT)

Treiber von Innovationen sind neben neuen Technologien auch (unternehmensnahe) Dienst-leistungen, die neue Einsatzmöglichkeiten und Kombinationen von Produkten ermöglichen. Hierzu werden intelligente Werkzeuge und Vorgehensweisen benötigt, die innerhalb einer kooperativen Entwicklungsumgebung einen schnellen Prozess von der Idee zur Umsetzung unterstützen. Diese Modelle müssen in die bestehenden Prozesse und Vorgehensweisen einer integrierten Produkt- und Produktionsentwicklung eingehen. Nur so lassen sich schon bei der Produktentwicklung die notwendigen Rahmenbedingungen für die Produktionsentwick-lung gestalten, dass eine optimale und schnelle Umsetzung der Produktidee gewährleistet ist. Hierzu müssen alle Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette integriert werden. Dies schließt zwingend auch die Zulieferer und die Kunden ein.



E2 – Material- und Prozessengineering

Clusterdirektor: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB)

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Energieeffizienz, Ressourcenoptimierung, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit, Multimaterial-systeme, Mischbauweisen sowie hybride Technologien haben für die Fertigung heraus-ragende Bedeutung: die Herstellung und Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Schicht-verbunden, konstruktive Maßnahmen, die durch innovative Formgebungsverfahren umgesetzt werden, fortschreitende Miniaturisierung und Funktionsintegration von Bauteilen oder das Konzept der Trennung von Struktur- und Funktionseigenschaften bzw. Kern- und Oberflächen-eigenschaften sind Beispiele dafür. In einer globalen, hochgradig dynamischen Umgebung kommt dem Prozessengineering die Aufgabe zu, Materialbearbeitungsprozesse und Prozess-ketten zunächst in Fertigungszellen einzubinden und schließlich die Integration in eine ganzheitliche Fabrikplanung und -steuerung zu ermöglichen.

Das Gebiet der Prozessentwicklung für die Herstellung von Leichtbaukomponenten durch Formgebung und Bearbeitung von Leichtmetallen, Compositewerkstoffen und Sandwiches sowie Schichtverbunden wird im Cluster E2 fortgeführt. Das Recycling dieser Werkstoffe ist aufwendig (v. a. für Composites), sodass Fertigungsprozesse eine Kreislaufwirtschaft seltener Rohstoffe und hoch werthaltiger Zwischenprodukte berücksichtigen müssen. Einen weiteren Schwerpunkt stellen Fertigungstechnologien zur Herstellung von miniaturisierten Bauteilen dar, wobei hauptsächlich Mikro-Nano-Composites, Smart Materials (v. a. Sensor- und Aktor-werkstoffe sowie Werkstoffe mit der Fähigkeit des Schadenmonitorings, der Selbstheilung oder der Formanpassung) und Werkstoffverbünde in Mikrosystemen untersucht werden. Die Themenbereiche Prozessbeobachtung und Messtechnik sowie Prozessmodellierung werden in Cluster E2 vertieft und sollen in wissensbasierte Systeme in der Werkstoff- und Prozess-technik münden.



F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Clusterdirektor: Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf

Intelligente Fertigungseinrichtungen überwachen Prozesse, erkennen Veränderungen auto-matisch, reagieren in geeigneter Weise, haben eine modulare Struktur und sind adaptierbar an neue Produktionsanforderungen. Sie überwachen ihre internen Zustände, sagen die Not-wendigkeit von Instandsetzungs- und Instandhaltungsmaßnahmen voraus und unterstützen die Maschinenbenutzer durch zweckmäßige Diagnosemeldungen. Außerdem reduzieren sie den Bedarf an Ressourcen durch geringen Verbrauch an Material und Energie sowie Schmier- und Kühlmitteln. Sie können recycelt werden und besitzen geringe Geräuschemissionen.

Ausgehend von diesen Anforderungen forscht das Cluster F2 auf folgenden Gebieten:

Adaptierbarkeit, zum Beispiel durch die Entwicklung einer Steuerungssoftware-Architektur mit „Plug-and-Produce“-Fähigkeit. Dadurch werden eine einfache Rekonfigurierbarkeit und eine automatisierte Wiederinbetriebnahme der rekonfigurierten Maschine ermöglicht

Lernfähigkeit, zum Beispiel durch die Integration von selbstoptimierenden Simulations-modellen in Steuerungen, um das Verhalten von Maschine und Prozess vorhersagen zu können

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Prozess-Effizienz, zum Beispiel durch die Verbesserung der Prozessplanungsmethoden für thermo-kinetische Beschichtungsprozesse und die Entwicklung neuartiger Laser-Konzepte

Außerdem ist der Schutz industrieller Steuerungssysteme gegen Schadsoftware, mit dem Ziel die Sicherheit von Produktionseinrichtungen gegen unberechtigte Zugriffe zu erhöhen, ein wichtiges Forschungsgebiet des Clusters F2.



Die GSaME versteht sich als eine interdisziplinäre Einrichtung der Universität Stuttgart, die auf Basis hervorragender Grundlagen- und angewandter Forschung innovative Beiträge zur Gestaltung von Fabriken und deren Technologien, Techniken, Organisationen und Systemen sowie zur Qualifizierung junger Wissenschaftler/-innen leistet. Sie bietet hervorragende Bedingungen für Promotionen, fördert internationale Spitzenforschung und unterstützt akade-mischen Nachwuchs bei der Kompetenzentwicklung für herausfordernde Aufgaben in Wirt-schaft und Wissenschaft.

Abb. 1: Ausrichtung der GSaME auf Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit Mit nahezu 160 bearbeiteten Forschungsthemen – mehr als 80 davon in der laufenden Förder-periode – wird der Stand von Wissenschaft und Technik beeinflusst, international führend mit-bestimmt und der zur wissenschaftlich fundierten Produktionsgestaltung erforderliche Wissensvorlauf erbracht. Das Forschungsprogramm bietet den Rahmen für interdisziplinäre Kooperationen mit den Instituten sowie Kooperationen mit Unternehmen, unabhängig von Unternehmensgrößen, Branchen, und sichert exzellentes Forschungsniveau und Praxis-bezug.

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Die Forschungsschwerpunkte der Cluster wurden im Berichtszeitraum 2016 mit 87 laufenden Forschungsprojekten realisiert.

Den Promovierenden wird dafür die Integration in ein interdisziplinäres Umfeld aus hervor-ragender Grundlagen- und industrieller Forschung ermöglicht. In allen Forschungsprojekten mit Kooperationspartnern stehen den Promovierenden hochqualifizierte Ansprechpartner zur Verfügung, wodurch nicht nur Qualität und Relevanz der Themenbearbeitung, sondern vor allem auch die Akzeptanz des Programms in der Industrie als wesentliche Voraussetzung für eine nachhaltige Etablierung der GSaME gesichert wird.

Die Forschungsthemen der GSaME wurden regelmäßig alle zwei Monate auf der Homepage ausgeschrieben. Insgesamt erfolgten 7 Ausschreibungsrunden bis 12/2016.

Abb. 2: Status der neu definierten Forschungsthemen nach Clustern und Finanzierung ausgeschrieben = Online ausgeschrieben und Bewerbung eingegangen; vergeben = gestartete Projekte

2016 wurden 39 Themen mit DFG-Finanzierung bearbeitet, von denen Ende 2016 noch 33 Themen in Bearbeitung waren.

Von den neu ausgeschriebenen Kooperationsprojekten wurden 5 im Berichtszeitraum ge-startet. 8 Kooperationsprojekte wurden 2016 beendet, davon ein vorzeitiger Dropout. Insgesamt sind 3 Promovierende, darunter eine weibliche Promovierende, vorzeitig ausge-schieden. Die GSaME hat seit 2008 insgesamt 66 Kooperationsprojekte mit der Industrie/ FhG/HBS realisiert.

Anzahl der 12/2016 noch laufenden, finanzierten Forschungsprojekte mit Kooperations-partnern: 25

Abgeschlossene Kooperationsverträge bis 12/2016 mit:

agiplan GmbH, Astrium GmbH – EADS Gruppe, Atlantic Zeiser GmbH, AUDI AG, Bosch Rexroth AG, Daimler AG, Endress+Hauser Conducta GmbH+Co. KG, Fraunhofer IPA, Hans-Böckler-Stiftung, J. Schmalz GmbH, Leitz GmbH & Co. KG, MANN+HUMMEL GmbH, Robert Bosch GmbH, Siemens AG, Trumpf GmbH & Co. KG, Tognum AG / MTU-Friedrichshafen GmbH, VDMA Impuls Stiftung, WITTENSTEIN AG, ZF Friedrichshafen AG, Festo AG & Co. KG, EISENMANN SE, EM-motive GmbH, FTA Forschungsgesellschaft für Textiltechnik Albstadt mbH, Infineon Technologies AG, GPS GmbH

DFG DFG

Cluster A2 0 1 0 0 0 0 0 0

Cluster B2 1 0 0 0 0 0 0 0

Cluster C2 4 2 0 0 2 1 0 0

Cluster D2 4 0 0 0 0 1 0 0

Cluster E2 3 1 0 0 1 1 0 0

Cluster F2 2 1 0 0 0 2 0 0

5 0 0 5 0 0

19 8

ausgeschrieben vergeben

Industrie / FHG / HBS Industrie / FHG / HBS

Gesamt14 3

5 5

10

Abgeschlossene Zusatzvereinbarungen:

agiplan GmbH (2/1), Astrium GmbH – EADS Gruppe (1/0), AUDI AG (8/4), Bosch Rexroth AG (1/0), Daimler AG (14/8), Endress+Hauser Conducta GmbH+Co. KG (1/0), Fraunhofer IPA (10/1), J. Schmalz GmbH (1/0), MANN+HUMMEL GmbH (3/1), Robert Bosch GmbH (5/3), Siemens AG (2/1), Trumpf GmbH & Co. KG (6/2), Tognum AG / MTU-Friedrichshafen GmbH (1/0), ZF Friedrichshafen AG (1/0), Hans-Böckler-Stiftung (4/0), EISENMANN SE (2/2), Festo AG & Co. KG (1/0), EM-motive GmbH (1/1), Infineon Technologies AG (1/1), GPS GmbH (1/0)

Weitere Projekte starten ab 01/2017.

In Vorbereitung befindliche Zusatzvereinbarungen/Kooperationsverträge:

Mit den Kooperationspartnern werden weitere Projekte beraten bzw. vertraglich vorbereitet.

Diese Ergebnisse zeigen, dass es der GSaME weiterhin gelungen ist, ihr interdisziplinäres, kooperatives Promotionsprogramm auf einem bedeutsamen Technologiegebiet zu festigen und sich mit ihrem Alleinstellungsmerkmal in einem angespannten Markt- und Wettbewerbs-umfeld durch eine hohe Attraktivität bei den Absolventen und Relevanz für die Wirtschaft zu behaupten.

Der interdisziplinäre Ansatz der GSaME wird in der Mitwirkung von Professoren aus sechs Fakultäten der Universität Stuttgart in den Thesis Committees zur Betreuung der Forschungs-arbeiten der Promovierenden deutlich. 2016 konnten weitere Mitglieder in die GSaME aufge-nommen werden.

Die Verteilung der Erstbetreuer auf die an der GSaME beteiligten Fakultäten zeigt, dass die Mehrzahl der Betreuer deutlich aus der Fakultät 7 resultiert, aber auch die Fakultäten 5 und 10 erheblich an den Forschungen der GSaME beteiligt sind, s. Abb. 3.

Damit entfallen 61 Prozent der Themen mit Erstbetreuung auf die Fakultät 7. Dies betrifft ins-besondere Themen aus Kooperationen mit Partnern aus der Wirtschaft oder der Fraunhofer-Gesellschaft und ist vergleichbar mit den Vorjahren. Eine Zunahme ist bei den Themen zu verzeichnen, die in der Fakultät 5 betreut werden, s. Abb. 4.

Das Forschungsprogramm wurde im Berichtszeitraum mit 73 Promovierenden (mit Vertrag) umgesetzt. Aus persönlichen Gründen sind 3 Promovierende vorzeitig aus der GSaME ausge-schieden, davon 1 Doktorandin. Damit haben bis 2016 insgesamt 25 Promovierende ohne Promotionsabschluss vorzeitig als Dropout die GSaME verlassen, darunter 8 Doktorandinnen.

10 Promovierende haben eine Tätigkeit im Unternehmen bzw. im Institut übernommen und schließen die Promotion berufsbegleitend ab. 12 Promovierende haben ihre Promotion im Berichtszeitraum abgeschlossen, womit die Zielsetzung 2016 erreicht wurde.

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Abb. 3: Anteil der erstbetreuenden Professoren aus den Fakultäten

Abb. 4: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten der Universität Stuttgart

Fakultät 4: Energie-, Verfahrens-und Biotechnik

3%Fakultät 5: Informatik,

Elektrotechnik und Informationstechnik

23%

Fakultät 6: Luft- und Raumfahrttechnik und

Geodäsie3%Fakultät 7: Konstruktions-, Produktions-

und Fahrzeugtechnik 45%

Fakultät 9: Philosophisch-

Historische Fakultät3%

Fakultät 10: Wirtschafts-und Sozialwissenschaften

23%

Fakultät 4: Energie-, Verfahrens- und

Biotechnik 6%

Fakultät 5: Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

20%

Fakultät 6: Luft-und

Raumfahrttechnik und Geodäsie

1%Fakultät 7: Konstruktions-, Produktions- und

Fahrzeugtechnik 61%

Fakultät 9: Philosophisch-Historische Fakultät

1%

Fakultät 10: Wirtschafts- und Sozialwissenschaften

11%

12

3 Ziele und Ergebnisse der Cluster

3.1 Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

E-Mail: [email protected]

Die im Cluster A2 seit 2013 fortgeschriebenen beiden Strategieausrichtungen

Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien und

Forschungen zur Initiierung spezifischer Technologiestrategien

wurden auch in 2016 grundsätzlich beibehalten und weiterentwickelt.

Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien

Funktionsbereich Montage:

Schon in den GSaME-Jahresberichten 2013 und 2014 wurde auf die besondere wirtschaftliche Bedeutung des Montagebereichs in Produktionsunternehmen mit variantenreicher Serien-fertigung/Serienmontage hingewiesen. Die kosten- und termingerechte Versorgung der Montage mit eigen gefertigtem und einem zunehmenden Anteil fremd beschaffter Funktions-gruppen stellt eine besondere Herausforderung für die Montageplanung und -steuerung dar. In der Automobilindustrie wird beispielsweise dem Montagebereich als letztem Glied in der zentralen Wertschöpfungskette „Presswerk – Rohbau/Karosseriebau – Lackiererei – Montage“ größte Aufmerksamkeit zuteil. Die marktseitig gewünschte Produktindividualisierung erfolgt in dieser Wertschöpfungsstufe. Fehler oder Störungen können hier folgenschwere Abweichungen des Auslieferungstermins verursachen und damit das Umsatzziel beeinflussen. Die Anzahl der „verlorenen“ Fahrzeuge kann in der Regel in der zuvor geplanten Zeiteinheit nicht mehr nachgeliefert werden. In dieser Stufe wird mit Blick auf die Komplettierung eines Fahrzeugs ein präzises Ausrichten und Fügen von Bauteilen/Baugruppen erwartet, indem unter anderem die manuellen Prozesse mit passenden Automatisierungslösungen effizient ausgeführt werden (Montage von Sitzen, des Cockpits oder die „Hochzeit“). Insgesamt lässt sich ergänzend der Stellenwert dieser Wertschöpfungsstufe in diesem Kontext unter anderem an folgenden Aussagen festmachen:

a. Der überwiegende Anteil der Wertschöpfung bei den Herstellern variantenreicher Serienprodukte wird an mehrstufige Zulieferhierarchien übertragen, bei denen sich diese Vorgehensweise wiederum fortsetzt. Durch diese Arbeitsteilung und Nachfrage nach Vorleistungen erwirtschaften Zulieferer mittlerweile einen Großteil der Wert-schöpfung bei der Fahrzeugherstellung – etwa 70 Prozent [OWV-12]. Zukünftig wird sich dieser Anteil – vor allem bei den elektrischen Antrieben – zunehmend zugunsten der Zulieferer verschieben. Die Fahrzeughersteller werden sich im Bereich Verbrennungsmotoren und Aggregate stärker auf die Montage und Systemkompetenz konzentrieren und dies als Kern-Wertschöpfung betrachten.

b. Derzeit hat der Automatisierungsgrad auch in der Automobilindustrie „noch Luft nach oben“. Das heißt, der Anteil an menschlicher Arbeitsleistung bei Montageaufgaben ist nach wie vor hoch. Die gewünschte Produktindividualisierung bedingt darüber hinaus

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die Beherrschung vielfältiger Montageprozesse. Die Varianz bei den Endprodukten erfordert also auch eine Varianz bei den eingesetzten Arbeitskräften. Unterschiede in der physiologischen und psychologischen Konstitution (zwischen den Mitarbeitern, aber auch bezogen auf die Individuen selbst) beeinflussen die Ausführung der Arbeits-prozesse. Damit ist eine höhere Unsicherheit über die Leistung in der Montage bezüg-lich Qualität, Kosten und Zeit im Vergleich zu anderen technologischen Bereichen gegeben.

c. Klassisch wird die Montage als ausschließliche Teilfunktion des Fertigens beschrieben [VDI-90]. Diese Sicht blendet jedoch die komplexe Vernetzung der Montage innerhalb eines Produktionssystems und ihrer Umwelt nahezu aus [WKE-01]. Neben der klassischen Sicht ist eine integrierte Betrachtungsweise erforderlich, bei der Montage-systeme in einem vielfältig vernetzten Umfeld aus internen und externen Einflüssen agieren, was wiederum die funktionelle Bedeutung der Montage in der Wertschöp-fungskette unterstreicht. Demnach ist es geboten, ganzheitlich auf ein Montagesystem zu blicken [NEU-15] (Abb. 5).

Abb. 5: Einflüsse auf das vielfältig vernetzte Montagesystem in Anlehnung an [NEU-15] und [WKE-01]

d. Das wirtschaftliche Betreiben eines Montagesystems in einer variantenreichen Serien-fertigung/Serienmontage bedingt eine permanente Anpassung der Strukturen. Um diese Adaption situationsbasiert durchführen zu können, ist es erforderlich, gruppen-bezogene Handlungsräume vorzusehen [NEU-15]. Als Gruppe bezeichnet [NEU-15] die Betriebsmittel, das Personal, die Aufträge und das Produkt sowie die Technologie und Peripherie eines Montagesystems. Mit Blick auf die kurzfristigen Anpassungen ergeben sich Handlungsräume hinsichtlich der technischen Änderungen (Betriebs-mittel – Maschinen/Anlagen), Auftrags- bzw. Produktänderungen usw. In Abbildung 6 werden exemplarisch ermittelte Einflussfaktoren angegeben, die situationsbedingt bei der Anpassung eines Montagesystems zu beachten sind. Die Vielfalt dieser Faktoren deutet die Schwierigkeiten an, die mit dem täglichen Beherrschen des Montage-geschehens einhergehen. Zielorientierte wissenschaftlich fundierte Lösungen können hier einen Beitrag zur Überwindung von operativen sowie taktisch und strategisch zu begründenden Problemen liefern (vgl. auch Abb. 7).

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Abb. 6: Allgemeine Einflussfaktoren auf ein Montagesystem Diese können Handlungsspielräume bei kurzfristigen Anpassungen in der Montage determinieren, nach [NEU-15]

Mit der kurzen Charakterisierung der Montagefunktion für die variantenreiche Serienfertigung/ Serienmontage, s. Abb. 6, sollte zum einen auf die besondere Bedeutung dieses Bereichs und zum anderen auf das weite und nach wie vor aktuelle Forschungsgebiet hingewiesen werden.

Im Einzelnen zeigt Abbildung 7 den derzeitigen Stand der Forschungsprojekte im GSaME-Forschungsgebiet Montage. Die eingereichten und zurzeit bearbeiteten Projekte werden später beim Aufzeigen des Forschungsstands im Cluster A2 näher erläutert.

Neben diesen montagerelevanten Forschungsarbeiten wird bei der Strategieausrichtung „Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien“ des Weiteren versucht, grundlagenbezogene Problemlösungen für folgende Gegenstandsbereiche zu erarbeiten:

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Abb. 7: Promotionsprojekte mit dem Schwerpunkt variantenreiche Serienmontage Werkzeugbranche:

− „Methode zur Evaluierung und Gestaltung des Life Cycle Managements für Zerspanungswerkzeuge“ – D. Brenner

− „Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugverbrauchsdaten am Beispiel der Bearbeitung von Bauteilen aus Holzwerkstoffen“ – J. Lenz

Verschiedene Branchen und Unternehmensgrößen – Managementansätze

− Halbleiterindustrie: „Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstatt-fertigungen” – B. Waschneck

− Automobilindustrie:

„Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungsansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld“ – N. Piero

− Sondermaschinenbau: „Modell für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen“ – S. Pöschl

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„Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau“ – T. Helbig

− Unternehmensausrichtungen: „Verfahren zur Analyse, Bewertung und Gestaltung der digitalen Transformation von Produktionssystemen“ – Ch. Taphorn „Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken: Das Stuttgarter Regionalmodell“ – B. Kuch „Realitätsnahe Prognose (Modellierung und Analyse) der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0“ – F. Long „Metacognition in Distributed Intelligent Systems“ – T. Störzinger.

Forschungen zur Initiierung spezifischer Technologiestrategien

Unternehmensstrategien, Geschäftsstrategien und Technologiestrategien sind prinzipiell aufeinander abzustimmen. Ausgehend von der Programmplanung (neue Produkttechnologien für n-Produkte), der Produktentwicklung (Werkstoffe, Aufbau, Eigenschaften usw.) sowie der Produktionsentwicklung (Verfahren, Fertigungsstruktur, Methodenanwendung usw.) sind für die Ableitung von Technologiestrategien folgende Fragen zu beantworten [nach SCG-11, vgl. auch WEL-16].

Welche Technologien sind zu betrachten (Technologieauswahl)?

Wie nahe am Stand der Technik will man sich verorten (Technologische Neuheit, Leistungsfähigkeit)?

Woher sollen die Technologien bezogen werden (Eigen- bzw. Fremdentwicklung)?

Wann soll der Markteintritt erfolgen (Einführungszeitpunkt für die Technologie usw.)?

Wie sollen die Technologien später genutzt werden (Technologieverwertung)?

Insbesondere unter dem Blickwinkel der beiden oben genannten ersten Fragen wurden in der GSaME 2016 folgende Forschungsgebiete bearbeitet:

− Generative Fertigungsverfahren „Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit Metall“ – S. Müller „Modellierung der additiven Extrusion von geschmolzenem Kunststoffgranulat für die industrielle Fertigung“ – F. Bähr

− Display-Technologien (Smartphone usw.) „Ressourceneffiziente Erzeugung transparenter Elektroden durch perkolierende Nano-strukturen“ – Th. Ackermann

− Oberflächentechnik /Elektrochemie

„Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber“ – B. Shen „Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Beurteilung von Class A Faser-verbundkunststoffoberflächen“ – M. Krämer „Beitrag zur energieeffizienten Elektrolyse von Neodym in geschmolzenen Chloriden“ – J. Öhl.

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Der jeweilige Stand und die End-Ergebnisse der Forschungsprojekte sind sowohl mit Bezug zum Cluster A2 als auch hinsichtlich der weiteren Cluster zu veröffentlichen. In der Regel bieten sich hier Publikationen in wissenschaftlichen Journalen und auch Beiträge im Rahmen wissenschaftlicher Konferenzen an.

Publikationen

Das Publizieren zählt zu den Maßnahmen zur Sicherung der Qualität im Promotionsprozess und ist ein essentieller Bestandteil jeder wissenschaftlichen Ausbildung. Darüber hinaus werden Publikationen als Wissenschaftsindikator für die Bewertung eines Wissenschafts-systems herangezogen. Die GSaME erwartet daher von allen Promovierenden, dass sie sich mit ihren Forschungsergebnissen im Laufe der Promotionsphase der Diskussion in der internationalen Fachöffentlichkeit stellen. Dies geschieht überwiegend durch eingereichte Publikationen in der (internationalen) Fachpresse oder durch Konferenzbeiträge, die einem Peer-Review-Prozess unterworfen sind.

In der einschlägigen Wissenschaftsszene bieten sich hier unterschiedliche Veröffentlichungs-plattformen an. Beim Plattformtyp „wissenschaftliche Konferenzen“ sind für den technisch-organisatorischen Bereich beispielsweise zu nennen: FAIM (Flexible Automation and Intelligent Manufacturing), CIRP – College International Pour La Recherche En Productique (Internationale Akademie für Produktionstechnik) und IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Des Weiteren können verschiedene Fachkonferenzen wie die EAA (European Acoustics Association), ECKM (European Conference on Knowledge Management), ESREL (European Safety and Reliability), LAMP (Laser Advanced Materials Processing – Journal Nature) und PROCESSNET – Eine Initiative von Dechema und VDI-GVC genutzt werden.

Von Beginn an legt die GSaME großen Wert auf die internationale Sichtbarkeit der erzielten Forschungsergebnisse und hat sich mit Bezug auf die fachliche GSaME-Ausrichtung „advanced Manufacturing Engineering“ für die Organisation CIRP als bevorzugte, allgemeine Publikationsplattform entschieden. CIRP wurde 1951 in Paris mit dem Ziel gegründet, sich durch internationale Zusammenarbeit mit Fragen bezüglich aktueller Produktionswissenschaft und Technologie zu befassen. Hierzu wurde die „International Academy for Production Engineering“ ins Leben gerufen, die derzeit etwa 600 Mitglieder aus 50 Länder hat. Um den Austausch von wissenschaftlichen Erkenntnissen und die persönlichen Kontakte vertiefen zu können, wird die Zahl der Mitglieder bewusst begrenzt.

Im Gründungsjahr wurde Deutschland von den Professoren Otto Kienzle (Technische Hochschulen in Stuttgart, Berlin und zuletzt Hannover), Herwart Opitz (Technische Hoch-schule München, zuletzt RWTH Aachen) und Gotthold Pahlitzsch (Technische Hochschule Braunschweig) vertreten. Viele Schüler dieser drei deutschen Wissenschaftler der ersten Jahre prägten und prägen die aktuellen CIRP-Aktivitäten. So kann beispielsweise eine „Aachener Linie“ mit Opitz – Eversheim/Weck/König/Pfeifer – Schuh/Brecher/Klocke/Schmitt, eine „Braunschweiger Linie“ mit Pahlitzsch – Saljé – Westkämper – Hesselbach – Dröder/ Herrmann, eine „Hannoveraner Linie“ mit Kienzle – Doege – Behrens // Tönshoff – Denkena // Wiendahl (Brinksmeier) – Nyhuis, eine „Stuttgarter Linie“ mit Dolezalek – Warnecke – Westkämper – Bauernhansl // Bullinger – Spath // Lange – Siegert – Liewald // Stute – Pritschow – Verl/Klemm // Tuffentsammer – Heisel verfolgt werden. Ergänzend zu nennen sind

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auch noch die „Berliner Linie“ beginnend mit Prof. Spur, die „Münchener Linie beginnend mit Prof. Milberg sowie die „Dortmunder Linie“ beginnend mit Prof. von Finckenstein.

Dieser auf Deutschland beschränkte Überblick zeigt bereits, dass die CIRP-Plattform eine wissenschaftlich anerkannte, internationale Institution ist, die es Promovenden erlaubt, in diesem Kreis wissenschaftlich Position zu beziehen, das Beziehen bewertet zu bekommen und schließlich in der Kontaktanbahnung einen entsprechenden Wissensaustausch mit Langzeitwirkung betreiben zu können

Kennzeichnend für die CIRP sind unter anderem die vielen wissenschaftlichen Fach-ausschüsse und Arbeitsgruppen, die zahlreiche Themenbereiche abdecken. Allgemein zielt die Akademie auf die Förderung der wissenschaftlichen Forschung mit den Schwerpunkten

Produktionsprozesse, Produktionsanlagen und Automatisierung, Produktionssysteme sowie Produktgestaltung und Gestaltung des Herstellungsprozesses.

Darüber hinaus weist die CIRP intern mehrere wissenschaftliche Gremien mit jeweils eigener Struktur, Dauer und Verfahren auf, unter anderem zusammengefasst in wissenschaftlich technischen Ausschüssen (STC) in zehn verschiedenen Technologiebereichen:

STC A – Life Cycle Engineering and Assembly STC C – Cutting STC Dn – Design STC E – Electro-Physical and Chemical Processes STC F – Forming STC G – Abrasive Process STC M – Machines STC O – Production Systems and Organizations STC P – Precision Engineering and Metrology STC S – Surfaces.

Die jeweiligen Forschungsergebnisse werden beispielsweise jährlich im August bei der CIRP-Hauptversammlung in sog. CIRP-Jahresbüchern (CIRP Annals) veröffentlicht.

Dieses ISI-zitierte Jahrbuch enthält ca. 120 bis 140 referierte Fachbeiträge in Band 1 und etwa 10-12 Keynote-Beiträge in Band 2 (aktuelle Beiträge, oft verfasst von Autoren, die die tech-nischen und wissenschaftlichen Aspekte in den oben genannten Schwerpunkten zusammen-fassen).

Des Weiteren erscheinen von den etlichen, jährlichen CIRP-Konferenzen – mit unterschied-lichen Themensetzungen – im Elsevier Verlag die jeweiligen Tagungsbände „Procedia-CIRP“.

Im Folgenden werden die Publikationsaktivitäten der GSaME-Promovenden seit 2010 – Tagungsbände „Procedia-CIRP“ – im Kontext dieser jährlichen Teilnahmen an den CIRP-Konferenzen – vorgestellt:

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CIRP – Konferenzteilnahmen der GSaME-Wissenschaftler/Wissenschaftlerinnen

2009 / Grenoble, Frankreich – 42nd CIRP Conference on Manufacturing Systems

E. Westkämper, C. Constantinescu, D. Lucke – Context Data Model, the Backbone of a Smart Factory

Teilnahme von weiteren sechs GSaME-Promovenden, die den Modus der CIRP Konferenz kennenlernen sollten (ohne Beitrag).

2010 / Wien, Österreich – 43rd CIRP International Conference on Manufacturing Systems

C. Löffler, A. Lakeit, E. Westkämper – Methodology for Structure-Analysis of Automotive Manufacturing

S. Zor, K. Görlach, F. Leymann – Using BPMN for Modelling Manufacturing Processes

L. Rockstroh, J. Hillebrand, W. Li, M. Wroblewski, S. Simon, R. Gadow – Hardware-accelerated Measurement of Particle Velocities in Thermal Spay Processes

D. Spath, L. Wagner, F. Goll, P. Ohlhausen – Knowledge Flow in Early Stages of Product Development

J. Minguez, D. Lucke, M. Jakob, C. Constantinescu, B. Mitschang, E. Westkämper – Introducing SOA into Production Environments – The manufacturing Service Bus

M. Masini, M. Jakob, M. Berroth – Wireless Field Bus Communication with UWB for Manufacturing Environments

2010 / Capri, Italien – 7th CIRP International Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (ICME'10)

E. Westkämper – Learning Factory

2011 / Madison Wisconsin, USA – 44th CIRP Conference on Manufacturing Systems

S. Silcher, J. Minguez, B. Mitschang – Adopting the Manufacturing Service Bus in a Service-based Product Lifecycle Management Architecture.

J. Minguez, D. Baureis, D. Neumann – Providing Coordination and Goal Definition in Product Service Systems through Service-oriented Computing

D. Baureis, L. Wagner, J. Warschat – Development of Product-Service Systems in the Fuzzy Front End of Innovation

J. Minguez, S. Silcher, B. Mitschang, E. Westkämper – Towards Intelligent Manu-facturing: Equipping SOA-based Manufacturing Architectures with advanced SLM Services

C. Löffler, E. Westkämper, K. Unger – Change Drivers and Adaptation of Automotive Manufacturing

Ch. Remenyi, S. Staudacher, N. Holzheimer, S. Schulz – Simulation of the Maintenance Process in an Aircraft Engine Maintenance Company

M. Landherr, C. Constantinescu – Configuration of Factories and Technical Processes: Which Role Plays Knowledge Modelling?

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2012 / Patras, Griechenland – 45th CIRP Conference on Manufacturing Systems

C. Löffler, E. Westkämper, K. Unger – Changeability in Structure Planning of Automotive Manufacturing

M. Neumann, C. Constantinescu, E. Westkämper – Method for Multi-Scale Modeling and Simulation of Assembly Systems

M. Landherr, C. Constantinescu – Intelligent management of manufacturing knowledge: Foundation, motivation scenario and roadmap

2012 / Ischia (Neapel), Italien – 8th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering Innovative and Cognitive Production Technology and Systems

C. Constantinescu, M. Landherr, M. Neumann – Aligning the Product, Factory and ICT Life Cycles: Challenges and Opportunities

2013 / Sesimbra, Portugal – 46th CIRP Conference on Manufacturing Systems Economic development and wealth through globally competitive Manufacturing Systems

C. Gröger, M. Hillmann, F. Hahn, B. Mitschang, E. Westkämper – The Operational Process Dashboard for Manufacturing

C. Gröger, S. Silcher, E. Westkämper, B. Mitschang – Leveraging Apps in Manufacturing. A Framework for App Technology in the Enterprise

M. Neumann, E. Westkämper – Method for Situation-based Modeling and Simulation of Assembly Systems

E. Westkämper – Perspectives of Manufacturing for Re-industrialization and Adding Value in Europe

S. Silcher, B. Seeberg, E. Zahn, B. Mitschang – A Holistic Management Model for Manufacturing Companies and Related IT Support

2014 / Windsor, Ontario, Kanada – 47th CIRP Conference on Manufacturing Systems (CMS 2014)

S. Häfele, E. Westkämper – Minimizing Product Liability Risks for Globally Manufacturing Automotive Organizations: Identification of Tasks with Impact on Product Safety

T. Helbig, Johannes Hoos, E. Westkämper – A Method for Estimating and Evaluating Life Cycle Costs of Decentralized Component-Based Automation Solution

M. Neumann, E. Westkämper – Method for a situation-based adaptation and validation of the manufacturing capability of assembly systems

M. Hillmann, S. Stühler, A. Schloske, D. Geisinger, E. Westkämper – Improving Small-Quantity Assembly Lines for Complex Industrial Products by Adapting the Failure Process Matrix (FPM): A Case Study

M. Landherr, E. Westkämper – Integrated Product and Assembly Configuration Using Systematic Modularization and Flexible Integration

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K. Taheri, R. Gadow, A. Killinger – Exergy Analysis as a Developed Concept of Energy Efficiency Optimized Processes: The Case of Thermal Spray Processes

M. Monauni – Agility Enablers in Production Networks – Pooling and Allying of Manufacturing Resources

2015 / Ischia (Neapel), Italien – 48th CIRP Conference on Manufacturing Systems Research and Innovation in Manufacturing: Key Enabling Technologies for the Factories of the Future

C. Küber, E. Westkämper, B. Keller, H. F. Jacobi – Planning method for the design of flexible as well as economic assembly and logistic processes in the automotive industry

M. Mikusz, D. Heber, C. Katzfuss, M. Monauni, T. Tauterat – Changeable Manufacturing on the Network Level

J. W. Volkmann, M. Landherr, D. Lucke, M. Lickefett, E. Westkämper, M. Sacco – Engineering apps for advanced industrial engineering

S. Keckl, W. Kern, A. Abou-Haydar, E. Westkämper – An analytical framework for handling production time variety at workstations of mixed-model assembly lines

S. Keckl, A. Abou-Haydar, E. Westkämper – Method for evaluating modularization potential in product design based on production time variety

T. Helbig, S. Erler, E. Westkämper, J. Hoos – Modeling dependencies to improve the cross-domain collaboration in the engineering process of special purpose machinery

C. T. Sungur, U. Breitenbücher, F. Leymann, M. Wieland – Context-sensitive Adaptive Production Processes

2016 / Stuttgart Deutschland – 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems Factories of the Future in the digital environment

T. Helbig, J. Hoos, E. Westkämper – Consistency Check of the Functional Solution Model in Special Purpose Machinery

S. Keckl, A. Abou-Haydar, E. Westkämper – Complexity-focused Planning and Operating of Mixed-model Assembly Lines in Automotive Manufacturing

C. Küber, E. Westkämper, B. Keller, H.-F. Jacobi – Method for a Cross-architecture Assembly Line Planning in the Automotive Industry with Focus on Modularized, Order Flexible, Economical and Adaptable Assembly Processes

W. Tönnes, J. Hegel, E. Westkämper – Analytical Approach for the Examination of the Feasibility of Rework in Flow Assembly Lines

J.W. Volkmann, M. Landherr, D. Lucke, M. Sacco, M. Lickefett, E. Westkämper – Engineering Apps for Advanced Industrial Engineering

E. Westkämper, T. Bauernhansl – Editorial 49th CIRP International Conference on Manufacturing Systems (CIRP CMS)

M. Landherr, U. Schneider, T. Bauernhansl – The Application Center Industrie 4.0 – Industry-driven manufacturing, research and development

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B. Kuch – Efficiency potentials and the extended regional infrastructure: requirements for a management model

S. Poeschl, F. Wirth, T. Bauernhansl – Situation based Methodology for Planning the Commissioning of Special Machinery using Bayesian Networks

M. Wieland, P. Hirmer, F. Steimle, Ch. Gröger, B. Mitschang, E. Rehder, D. Lucke, O. Abdul-Rahman, T. Bauernhansl – Towards a Rule-Based Manufacturing Integration Assistant

W. Kern, F. Rusitschka, T. Bauernhansl – Planning of workstations in a modular automotive assembly system

J. Lenz, D. Brenner, E. Westkämper – Model for Cutting Tools Usage Tracking by On-line Data Capturing and Analysis

J. Mall, S. Staudacher – Assessment of Aero Engine Assemblability during Preliminary Design

2016 / Gjøvik, Norwegen – 6th CIRP Conference on Learning Factories

C. Küber, E. Westkämper, B. Keller, H.-F. Jacobi – Method for configuring product and order flexible assembly lines in the automotive industry

Literaturverzeichnis [OWV-12] Wyman, O.: "FAST 2025 – Future Automotive Industry Structure", Band 45, Materialien zur

Automobilindustrie, Berlin: Verband der Automobilindustrie (VDA) e.V. 2012 [VDI-90] VDI 2860 Blatt 1 1990-05. Montage- und Handhabungstechnik – Handhabungsfunktionen,

Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole [WKE-01] Westkämper, E.: Montageplanung – effizient und marktgerecht. Berlin: Springer. VDI-Buch 2001 [NEU-15] Neumann, M.: Methode für eine situationsbasierte Adaption und Absicherung der Produktionsfähig-

keit in der Serienmontage. Dissertation, Universität Stuttgart, Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2015 [SCG-11] Schulte-Gehrmann, A.-L., Klappert, S., Schuh, G., Hoppe, M.: Technologiestrategie. In: G. Schuh, S.

Klappert (Hrsg.), 2011 [WEL-16] Westkämper, E., Löffler, C.: Strategien der Produktion. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2016

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters A2

Das Cluster A2 zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Industriekooperationen aus. Im Cluster wurden 2016 insgesamt 21 Themen, davon 12/2016 noch 17 mit Finanzierung betreut.

Themen Gesamt DFG Industrie /FhG

laufend mit Finanzierung 17 8 9

laufend ohne Finanzierung 4 2 2

ausgeschrieben 0 0 0

abgeschlossen 4 0 4

drop out 1 0 1

Stand 31.12.2016

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Tabelle mit Übersicht der Forschungsthemen des Clusters A2

Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Finanzierung Erstbetreuer

A2-002

Beurteilung der Montierbarkeit von Turboflugtriebwerksturbinen während des Vorentwurfs

laufend mit Finanzierung

Jochen Mall

DFG Prof. Staudacher

A2-003

Meta-Cognition in Distributed Intelligent Systems


Tobias Störzinger

DFG Prof. Misselhorn

A2-004

Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienz-potenzialen in regionalen Produk-tionsnetzwerken


Benjamin Kuch

DFG Prof. Westkämper

A2-009

Design for NVH – Geräuschoptimie-rung von E-Maschinen im unverbau-ten und im verbauten Zustand


Marcel Clappier

EM-motive GmbH

Prof. Westkämper

A2-010

Verfahren zur Analyse, Bewertung und Gestaltung der digitalen Trans-formation von Produktionssystemen


Christoph Taphorn

agiplan GmbH

Prof. Westkämper

A2-011

Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigura-tionen in der variantenreichen Serienmontage – am Beispiel der Automobilindustrie


Christian Küber

Daimler AG Prof. Bauernhansl

A2-012

Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugver-brauchsdaten am Beispiel der Bear-beitung von Bauteilen aus Holzwerk-stoffen


Jürgen Lenz


A2-015

Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0


Fei Long

DFG Prof. Bertsche

A2-018

Methodische Vorgehensweise und praktische Umsetzung eines Ansat-zes zur effizienten Prototypenferti-gung und -erprobung für automobile Rohbaustrukturen in Mischbauweise

drop out Momme Rakow


A2-019

Modell für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen


Sebastian Pöschl

Trumpf GmbH Prof. Bauernhansl

A2-020

Methode zur Evaluierung und Gestaltung des Life Cycle Manage-ments für Zerspanungswerkzeuge


Dominik Brenner


A2-021

Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit Metall


Sahra Müller


A2-022

Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Beurteilung von Class-A Faserverbundkunststoff-oberflächen


Matthias Krämer

AUDI AG Prof. Bauernhansl

A2-023

Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen


Bernd Waschneck

Infineon AG Prof. Bauernhansl

A2-024

Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungsansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld


Nils Piero


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A2-A16

Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen

laufend ohne Finanzierung

Yiwen Xu

ZF Friedrichs-hafen AG

Prof. Westkämper

A2-A17

Modellierung der additiven Extrusion von geschmolzenem Kunststoff-granulat für die industrielle Fertigung


Friedrich Bähr


A19 Steigerung der Effektivität und Effizienz ganzheitlicher Fabrik-planungsprozesse

ab-geschlossen

Mark Hillmann

agiplan GmbH

Prof. Westkämper

A2-A20

Energieeffizienz von Vakuumhand-habungssystemen

ab-geschlossen

Florian Fritz

J. Schmalz GmbH

Prof. Westkämper

A2-A21

Produktsicherheit im globalen Entwicklungs- und Produktions-verbund

ab-geschlossen

Steffen Häfele

Daimler AG Prof. Westkämper

A2-A26

Ressourceneffiziente Erzeugung transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostruturen

ab-geschlossen

Thomas Ackermann

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

A2-A27

Methodik für eine komplexitätsge-rechte Gestaltung und Steuerung der Endmontage einer Varianten-flieβfertigung in der Automobil-produktion


Stefan Keckl

AUDI AG Prof. Westkämper

A2- A3

Nachhaltige Wissensentwicklung und sozial-ökologische Adaptabilität von Industrieunternehmen


Frauke Goll

DFG Prof. Zahn

A2-B19

In-situ-Fehlermanagement in der variantenreichen Serienfertigung


Wolf Tönnes

AUDI AG Prof. Westkämper

A2-F2-012

Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie


Wolfgang Kern

AUDI AG Prof. Bauernhansl

A2- H4

Ein Geschäftsmodellkonzept als Umsetzungswerkzeug zur Steigerung der Ressourceneffizienz


Maximilian Regenfelder


* Veränderungen 2016 sind fett markiert

Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster A2

Thema A2-A17: Modellierung der additiven Extrusion von geschmolzenem Kunststoffgranulat für die industrielle Fertigung

Doktorand: M. Sc. Friedrich Bähr

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


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Zusammenfassung

Durch schichtweisen, werkzeuglosen Materialauftrag hat die additive Fertigung das Potenzial, Anforderungen hinsichtlich der Beherrschung zukünftiger Produktkomplexität effizient zu erfüllen. Ziel der Forschungsarbeit ist es, Restriktionen des etablierten Filament-basierten Fused Deposition Modeling (FDM) – wie die Verarbeitung speziell entwickelter und produzier-ter Strangmaterialien – zu kompensieren. Hierzu ist ein neuartiges, additives Verfahren zum Austrag von geschmolzenem Granulat zu konzipieren. Thermoplastischer Kunststoff wird in einem Schneckenextruder plastifiziert und schichtweise aufgetragen.

Hierbei bestimmen neben den Einflüssen des Werkstoffs, der Anlage und Umgebung insbesondere Einstellgrößen die zu erwartenden Fertigungsergebnisse. Um diese verlässlich reproduzieren zu können, werden zwei Regelkreise sowie ein grafisches Monitoring im Prozess implementiert. Mit Hilfe eines Probekörpers aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) wird das Verfahren hinsichtlich Toleranzen, Düsendurchmesser und -form und Bauraumgröße klassifiziert. In Abhängigkeit von den erzielten Ergebnissen sollen Temperaturverlauf und Temperaturübergänge der Schmelze im System mit MATLAB Simulink modelliert werden, um Vorhersagen für die resultierende Dichte des Probekörpers und somit dessen Festigkeit treffen zu können. Mit dem Erreichen äquivalenter Werte kann die Additive Extrusion von Granulat als optimierte Alternative zum FDM Verfahren gesehen werden.

Abb. 8: Additive Extrusion von Kunststoffgranulat (Eigene Darstellung, Q1: Prof. Witt, 2016)

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Thema A2-020: Methode zur Evaluierung und Gestaltung des Life Cycle Managements für Zerspanungswerkzeuge

Doktorand: Dipl.-Ing. Dominik Brenner



Zusammenfassung

Angesichts der dynamischen Wettbewerbsbedingungen sehen sich produzierende Unter-nehmen gezwungen, den Nutzen ihrer Produkte und die Effizienz der produktlebenszyklus-bezogenen Prozesse drastisch zu steigern. Das Lebenszyklusmanagement umfasst den gesamten Produktlebenslauf von der Entwicklung über die Herstellung und Nutzung bis hin zum Recycling und verfolgt das Ziel, ein Gesamtoptimum aller Phasen anzustreben. Der Lebenszyklus von Zerspanwerkzeugen steht durch seine Querschnittsfunktion in enger erfolgskritischer Beziehung zu beinahe allen Prozessen der zu bearbeitenden Produkte. Die Investitions- und Betriebskosten der Werkzeuge können anteilig bis zu 32 Prozent der gesamten Fertigungskosten darstellen. Trotz dieser Tatsache wird der lebenszyklus-übergreifende Ansatz bisher nicht konsequent für Werkzeuge verfolgt.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Erarbeitung einer Methodik zur Evaluierung und Gestaltung eines effizienten Werkzeuglebenszyklusmanagements. Im Rahmen der Evaluierungsphase werden die werkzeugbezogenen Prozesse sowie deren Informations- und Materialflüsse mittels einer modifizierten Wertstrommethode analysiert und bewertet. In der nachfolgenden Gestaltungsphase wird ein unternehmensspezifisches Werkzeuglebenszyklusmanagement basierend auf den Lean-Prinzipien und Methoden entwickelt. Integraler Bestandteil ist hierbei ein Konzept zur Nutzung der Werkzeugeinsatzerfahrungen, welches kontinuierliche Produkt- und Prozessverbesserungen sowie die Weiterentwicklung der Werkzeuge unterstützt und neue Geschäftsmodelle im Lebenslauf etabliert.

Abb. 9: Methodik zur Evaluierung und Gestaltung des Werkzeuglebenszyklusmanagements

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Thema A2-009: Design for NVH – Geräuschoptimierung von E-Maschinen im unverbauten und im verbauten Zustand

Doktorand: M. Sc. Marcel Clappier

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Lothar Gaul (INM) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Bei der Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben gewinnt die akustische Auslegung elektrischer Maschinen (E-Maschinen) zunehmend an Bedeutung. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen, bei denen keine verbrennungsbedingten Maskierungsgeräusche auftreten, wird das von der E-Maschine verursachte tonale Geräusch im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbar. Die Anforde-rungen, welche bis heute dynamisch und vielmehr qualitativer als quantitativer Art sind, sehen jedoch einen möglichst geräuscharmen Elektroantrieb vor. Dies erfordert eine zuverlässige akustische Auslegung bei der Entwicklung künftiger E-Maschinen.

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung von Simulationsmodellen zur Berechnung des elektromagnetischen Geräuschs von Synchronmaschinen für Elektrofahr-zeuge. Der Schwerpunkt liegt in der Entwicklung eines zuverlässigen, mechanischen Finite Elemente (FE) Modells der E-Maschine unter Berücksichtigung physikalischer Material- und Fügestellenmodelle sowie der Rotor- und Gehäusedynamik. Die Schallabstrahlung wird durch eine Randelemente-Simulation berechnet. Zur Untersuchung des Einflusses der Rotor-dynamik auf die Akustik wurde die in Abbildung 10 dargestellte Simulationskette entwickelt, womit Rotorschwingungen infolge elektromagnetischer Kraftanregung bewertet werden können. Die Materialeigenschaften der Rotor-Blechpakete werden in einem Dilatations- und Scherversuch bestimmt.

Abb. 10: Simulationskette zur Untersuchung des Einflusses der Rotordynamik auf die E-Maschinenakustik

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Thema A2-F2-012: Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobil-industrie

Doktorand: M. Sc. Wolfgang Kern

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)


Zusammenfassung

Eine hohe Produktdifferenzierung und verkürzte Produktlebenszyklen haben die Komplexität bei der Herstellung von Automobilen in den letzten Jahren wesentlich erhöht. Diese Ent-wicklung wird sich durch neue Produktionstechnologien, alternative Antriebskonzepte sowie eine stärkere Individualisierung und Personalisierung der Produkte weiter fortsetzten. Um dieser Vielfalt und Dynamik in der Automobilindustrie auch in Zukunft gerecht zu werden, ist eine Anpassung der Fertigungskonzepte an die veränderten Anforderungen notwendig.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein modulares Montagesystem als Alternative zur Fließbandfertigung konzipiert. Es basiert auf entkoppelten Arbeitsstationen, einem flexiblen Transportsystem und besitzt keine einheitliche Taktzeit. Für die daraus resultierenden, veränderten Anforderungen an die Fertigungsplanung, Fertigungssteuerung und Logistik wurden geeignete Planungsmethoden und Steuerungskonzepte entwickelt. Diese wurden mit den Realdaten einer variantenreichen Serienfertigung validiert und mit Hilfe eines Simulations-modells hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Wandlungsfähigkeit bewertet. Das Forschungsprojekt verfolgt somit das Ziel, die notwendige Flexibilität und Wandlungsfähigkeit einer zukünftigen Automobilproduktion mit einem alternativen Fertigungskonzept wirtschaftlich zu realisieren.

Abb. 11: Schematische Darstellung des modularen Montagesystems

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Thema A2-022: Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Beurteilung von Class A Faserverbundkunststoffoberflächen

Doktorand: M. Sc. Matthias Krämer

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr.- Ing. Peter Middendorf (IFB)


Zusammenfassung

Faserverbundkunststoffe (FVK), die sich in der Luft- und Raumfahrt und dem Motorsport bereits erfolgreich durchgesetzt haben, gewinnen nun auch in der Automobilindustrie unter anderem aufgrund strikter gesetzlicher Vorgaben zur Emissionsreduktion zunehmend an Bedeutung. Der heterogene Aufbau der FVK, der einerseits für die hervorragenden gewichts-bezogenen Kennwerte und somit auch für das hohe Leichtbaupotenzial verantwortlich ist, wird andererseits zur Herausforderung, sobald dieser innovative Werkstoff als sichtbares lackiertes Außenhautbauteil im direkten Vergleich zu herkömmlichen Materialien vorliegt. Sichtbare Faserabzeichnungen führen zu deutlich verminderten Oberflächenqualitäten. Aktuell wird dieses Phänomen lediglich subjektiv beurteilt, wodurch die Möglichkeit zur gezielten Einordnung der jeweiligen Oberflächenqualitäten entfällt.

Ausgehend vom Stand der Wissenschaft werden im Rahmen des Forschungsprojekts physikalisch-technische Grundlagen und Wirkungsweisen für eine reproduzierbare Beur-teilung von sogenannten Class-A FVK-Oberflächen erforscht. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Messverfahren mit Mess- und Grenzwerten entwickelt werden. Empirische Studien zum subjektiven Eindruck verschiedener lackierter FVK-Oberflächen-qualitäten und der Abgleich mit Topografiedaten bilden dabei den Grundstein für die Entwick-lung eines Algorithmus zur Auswertung der Mess- und Grenzwerte hinsichtlich einer repro-duzierbaren Beurteilung von FVK-Oberflächen.

Abb. 12: Faserverbundkunststoffe (FVK) Links: Querschnitt eines klarlackierten Faserverbundkunststoffs (FVK), rechts: Oberflächentopografie von FVK mit typischer Faserstruktur

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Ziel des Forschungsprojekts ist die Etablierung eines – vom Substrat bis zur lackierten Oberfläche – durchgängigen Messverfahrens zur Einordnung der Qualität von FVK-Ober-flächen, sodass letztendlich ein Quality-Gate zwischen dem Herstellungs- und dem aufwändigen Lackierprozess der FVK geschaffen werden kann. Auf diese Weise soll ein Beitrag geleistet werden, den Nachweis der Serienreife dieses innovativen Werkstoffs als sichtbares Class-A Außenhautbauteil zu erbringen.

Thema A2-011: Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montage-konfigurationen in der variantenreichen Serienmontage – am Beispiel der Automobilindustrie

Doktorand: M. Eng. Christian Küber



Zusammenfassung

Die Automobilindustrie sieht sich mit einem wachsenden Fahrzeugportfolio und einer kaum prognostizierbaren Nachfrageentwicklung konfrontiert, was sich intern insbesondere auf die Wertschöpfungsphase Montage auswirkt. Eine in der Automobilindustrie durchgeführte Analy-se zeigt, dass sich die Montagereihenfolge bestehender Montagelinien selbst bei gleichen Fahrzeugen unterscheidet. Demzufolge bestehen Freiheitsgrade in der Anordnung von Montageprozessen. Diese werden derzeit nicht methodisch für die Planung fahrzeugflexibler Montagelinien genutzt.

Abb. 13: Nutzung von Freiheitsgraden zur Konfiguration fahrzeugflexibler Montagelinien Der hier entwickelten Planungsmethode folgend sind entsprechende Montagemodule zu bestimmen. Danach können Freiheitsgrade zwischen den Montagemodulen fahrzeug- und linienspezifisch ermittelt und dann überlagert werden. So lässt sich ein Mischgraph generieren.

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Auf dieser Basis erfolgt die Konfiguration fahrzeugflexibler Montagelinien. Anhand der Bewertung der alternativen Lösungen ist die geeignete Montagekonfiguration auszuwählen.

Erfolgreich angewandt wurde die entwickelte Planungsmethode bei der Beantwortung folgender Fragestellungen:

Können auf einer neu zu planenden Montagelinie mehr als eine Fahrzeugarchitektur gemeinsam montiert werden?

Ist auf einer bestehenden Montagelinie ein zusätzliches Fahrzeug integrierbar bzw. welche Maßnahmen sind dafür zu ergreifen?

Thema A2-004: Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken: Das Stuttgarter Regionalmodell

Doktorand: Dipl.-Ing. Benjamin Kuch

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Prof. Dr. Burkhard Pedell (BWI – Abt. V)


Zusammenfassung

Der regionale Kontext, in den Fabriken eingebettet sind, besteht aus verschiedenen Systemen (erweiterte regionale Infrastruktur). Neben der Industrie bzw. dem Wirtschaftssystem sind dies u.a. das Wissenschafts-, Verwaltungs- und Bildungssystem. In ausdifferenzierten Gesellschaf-ten und Märkten mit hoher Wertschöpfungsaufteilung hängt die Effizienz der Organisationen dieser Systeme insbesondere von kooperativen Beziehungen zwischen den System-elementen ab. In der aktuellen Forschungsarbeit werden die Bedingungen kooperations-basierter Effizienzpotenziale innerhalb der erweiterten regionalen Infrastruktur untersucht.

Abb. 14: Ermöglichung der Effizienzevolution zur Steigerung regionaler Wertschöpfung

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Ziel ist es, ein selbstorganisierendes Modell kumulierter organisationaler Effizienz in einer Region aufzubauen. Das zu konzipierende regionale Managementmodell lehnt sich mit seinen Grundprinzipien Selbstorganisation und Kooperation an das Stuttgarter Unternehmensmodell an und erweitert dieses um die Perspektive der regionalen Wertschöpfung. Die regionale Perspektive ist notwendig, um kurzzyklische Kooperation mit physischer Wertschöpfung zu ermöglichen. Die Wettbewerbsfähigkeit der fokalen Region soll durch das Managementmodell gesteigert werden, indem die in ihr enthaltenen Einzelpotenziale organisationaler Effizienz in einem evolutionären Prozess aneinander anschlussfähig gemacht werden. Den konzeptuellen Mechanismus hierzu bietet das neue Stuttgarter Regionalmodell.

Thema A2-012: Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugverbrauchsdaten am Beispiel der Bearbeitung von Bauteilen aus Holzwerkstoffen

Doktorand: Dipl.-Ing. (FH), M. Sc. Jürgen Lenz



Zusammenfassung

Trends in der Möbelfertigung hin zu individuellen Möbelstücken, neuen Werk- und Schneid-stoffen vergrößern die Unsicherheit bei der Werkzeugeinsatzplanung. Die Bestimmung der Reststandzeit eines Werkzeugs wird dadurch erschwert.

Abb. 15: Überblick über den Informationsfluss des Modells Eingangsgrößen zur Bestimmung dieser Reststandzeit sind Werkstück, Werkzeug, Prozess-parameter (Zustellgrößen, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit etc.) und Werkzeugmaschine.

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Die tatsächlichen Prozessparameter weichen jedoch von den Plandaten ab. Gründe sind z.B. manueller Eingriff des Werkers in die Steuerung, Gewichtsunterschiede, Verschleißzustände. Deshalb ist die Erfassung der Ist-Prozessparameter für eine hinreichend genaue Prognose des Werkzeugverschleißes notwendig.

Das im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte Modell kombiniert online-erfasste Daten aus der Werkzeugmaschinensteuerung mit kontextbezogenen Informationen aus Daten-banken wie dem ERP-System und der Werkzeugverwaltung. Aus diesen Informationen wird eine werkzeugspezifische Einsatzhistorie gebildet und mit gemessenen physikalischen Wer-ten über den Werkzeugverschleiß in Form des Schneidkantenversatzes abgeglichen. Auf-bauend auf der Aufzeichnung der Daten der Bearbeitungshistorie und des gemessenen Verschleißes des jeweiligen Werkzeugs wird ein für diesen Prozess adaptiertes System des maschinellen Lernens implementiert. Das entwickelte Vorgehen in Form des Modells wird anhand einer Werkstoff-/Schneidstoffpaarung validiert.

Thema A2-015: Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0

Doktorand: M. Sc. Fei Long

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit ist eine entscheidende Kenngröße zur objektiven Charakterisierung des Leistungsgrades von Produktionssystemen. Die Prognose der Verfügbarkeit von Produktions-systemen ermöglicht es, das Risiko von Maschinenausfällen und damit resultierenden Verlusten zu verringern und anschließend die Effizienz der Produktionssysteme zu erhöhen. Dazu muss eine Methode zur Modellierung der Produktionssysteme in Industrie 4.0 entwickelt werden. Die neuen Anforderungen und Wünsche von Herstellern und Kunden sowie die neuesten Technologien sind zu analysieren. Damit können die wichtigen Funktionen und speziellen Eigenschaften von Produktionssystemen in Industrie 4.0 zusammengefasst werden. Beispiele sind die Selbst-Organisation, Lernfähigkeit, Intelligenz und Flexibilität. Nach den Funktionen und Eigenschaften sind benötige Modellierungselemente und Algorithmen zu untersuchen. Zuletzt sollte eine intelligente Methode und ein praktisches Modell entwickelt werden.

Hinsichtlich der Selbst-Organisation wurden die Produktionssysteme in Abhängigkeit von flexiblen Varianten und Stückzahlen untersucht. Die Produktionssysteme wurden mit der Methode Petri-Netze modelliert, um die Produktivität und die Verfügbarkeit der Produktions-systeme zu analysieren. Weiter sind die Auswirkungen der anderen speziellen Eigenschaften von Produktionssystemen auf die Verfügbarkeit zu analysieren.

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Thema A2-002: Beurteilung der Montierbarkeit von Turboflugtriebwerks-turbinen während des Vorentwurfs

Doktorand: M. Sc. Jochen Mall

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Stephan Staudacher (ILA)


Zusammenfassung

Die ökonomischen und technologischen Herausforderungen an die Luftfahrtindustrie werden in den nächsten Jahren stetig steigen. Für das globale Luftverkehrsaufkommen wird ein anhaltendes jährliches Wachstum von annähernd 5 Prozent vorhergesagt. Daher besteht großer Bedarf an neuen Flugzeugen und Triebwerken. Neue Triebwerkstechnologien sind un-umgänglich, um ökonomische und ökologische Ziele zu erreichen. Um die Jahrtausendwende fand ein Paradigmenwechsel vom „technisch Möglichen“ hin zum “ökonomisch Darstellbaren” statt. Um das prognostizierte Wachstum realisieren zu können, ist ein weiterer Paradigmen-wechsel hin zum “industriell Herstellbaren” notwendig. Die technologisch anspruchsvolleren Triebwerke der Zukunft müssen montagegerecht konzipiert werden, um zukünftige Bedarfe zeitnah decken zu können. Eine Voraussetzung hierfür ist die Beurteilung der Montierbarkeit im Vorentwurf.

Abb. 16: Ausschnitt des 3D Vorentwicklungsmodells zur Beurteilung der Montierbarkeit Als repräsentative Beispiele werden im Rahmen der Forschungsarbeit Niederdruckturbinen-module ziviler Turboflugtriebwerke betrachtet. Um Einflussfaktoren auf die Montierbarkeit frühzeitig identifizieren zu können, wird die Montierbarkeit von Niederdruckturbinenmodulen auf Basis der Montagezeit und Zugänglichkeit beurteilt. Daher wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein parametrisches 3D Vorentwicklungsmodell (s. Abb. 16) entwickelt, das einen industrietypischen Detailgrad des Vorentwurfs abbildet. Im Stile eines Konfigurators können unterschiedliche Varianten von Niederdruckturbinenmodulen in kurzer Zeit erstellt werden. Parallel zur Entwicklung des Vorentwurfsmodells erfolgte die Entwicklung einer

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Systematik, die die Montierbarkeit von Niederdruckturbinenmodulen auf Basis der Montage-zeit und Zugänglichkeit beurteilt. Die erstellten Varianten der Niederdruckturbinenmodule werden mit dieser Systematik bewertet. Somit können strategische Designentscheidungen für das Produkt sowie für Montagesystem und Betriebsmittel frühzeitig abgeleitet werden.

Thema A2-021: Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit Metall

Doktorandin: Dipl.-Ing. Sarah Müller



Zusammenfassung

Mit Hilfe der additiven Fertigungsverfahren können Bauteile oder sogar ganze Baugruppen direkt, formlos und im schichtweisen Aufbau aus ihren CAD-Daten generiert werden. Die daraus resultierenden, vielfältigen Möglichkeiten der Individualisierung sowie die Fertigung von komplexen Geometrien und Materialeinsparungen eröffnen neue Möglichkeiten im Produktdesign.

Abb. 17: Ein- und Ausflussgrößen im Powder-Bed-Fusion-Verfahren mit Beispiel Bei dem Powder-Bed-Fusion-Verfahren wird ein Laser- oder Elektronenstrahl als Energie-quelle verwendet, um feines Metallpulver zu schmelzen. Die Kenntnisse über Prozess- und Wirkzusammenhänge im Verfahren sind derzeit noch sehr gering und führen immer wieder dazu, dass es zu hohen Ausschussquoten kommt. Da es sich um eine Fertigung mit der Losgröße eins handelt, können bekannte Verfahren zur Qualitätssicherung, wie die statistische Prozessregelung, nicht eingesetzt werden. Um eine zeit- und kostenintensive Einzelteilprüfung zu verhindern, ist es daher notwendig, die Prozesseinflussgrößen und deren Zusammenhänge genau zu kennen. Innerhalb der Forschungsarbeit wird ein Modell zur prädiktiven Prozess-regelung entwickelt, welches alle relevanten Einflussgrößen enthält und auf die Losgröße angepasst ist.

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Dabei soll der Prozess beschrieben, Prozess- und Wirkzusammenhänge erkannt und Einfluss-faktoren definiert werden. Es steht auch zur Diskussion, welche Erkenntnisse aus dem Laser- und Elektronenstrahlschweißen auf das Powder-Bed-Fusion-Verfahren übertragen werden können und an welchen Stellen weiterführende Versuche notwendig sind.

Thema A2-024: Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungs-ansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld

Doktorand: M. Eng. Nils Piero

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

Die vorherrschende komplexe Wettbewerbssituation, in welcher sich global agierende Unter-nehmen befinden, wird zunehmend durch die Forderung der Kunden nach individuellen Produkten geprägt. Bedingt durch eine anhaltende Steigerung der Variantenvielfalt bei gleich-zeitig komplexeren Produkten und sinkenden Produktlebenszyklen ergibt sich eine Häufung der Anlaufszenarien bei steiler werdender Anlaufkurve. Zusätzlich erhöhen sich die Anforde-rungen an die Produktqualität, womit eine Absicherung produzierter Produkte unerlässlich wird.

Computer Vision ermöglicht durch die Fortschritte im Bereich der modellbasierten Tracking-verfahren die Kombination von CAD-basierten Planungs- und Entwicklungsdaten mit korrespondierenden physischen Planungswelten. Werden modellbasierte Trackingverfahren zur Qualitätssicherung innerhalb der Produktion eingesetzt, eröffnen sich Potenziale wie die durchgängige Verknüpfung von virtuellen und realen Geometrieumfängen, der Aufbau eines Digitalen Zwillings pro Produkt, der echtzeitnahe Abgleich von virtuellen und realen Geometrie-umfängen, die Ermittlung von Trends über kontinuierliche Veränderungen oder der Rück-schluss von realen Geometriedaten auf den Produktionsprozess.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Ausgestaltung einer Methode zur durchgängigen Qualitäts-sicherung auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld.

Thema A2-019: Modell für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen

Doktorand: M. Sc. Sebastian Pöschl

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW)


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Zusammenfassung

Der deutsche Maschinenbau ist einer der größten Innovationstreiber Europas. Daraus folgen Anforderungen an die Wandelbarkeit in Produktion und Inbetriebnahme. Besonders in der Inbetriebnahme müssen neue, innovative Produkte aufwändig eingeführt werden, da dort ein Hauptteil der in der Produktentwicklung entstandenen Fehler entdeckt wird. Die Prozess-planung ist deswegen für die Inbetriebnahme entscheidend, um eine effiziente und fehler-orientierte Durchführung der einzelnen Prozessschritte zu gewährleisten.

Abb. 18: Prozessauswahl mit logischer Verknüpfung zur Zeitmatrix Ziel des Forschungsprojekts ist es, ein Prozessplanungsmodell für eine Effizienzsteigerung der Inbetriebnahmeprozesse im Maschinenbau zu erforschen und zu entwickeln. Das Prozessplanungsmodell baut auf ein Bayesches Entscheidungsnetz auf, welches die Prozesse in Zeit- und Risikofaktoren unterteilt. Die Bewertung von Plan- und Fehlerzeiten erfolgt über die Darstellung von Nutzwerten in Abhängigkeit der Zustandswahrscheinlich-keiten. Für die Umsetzung des Prozessmodells in Fallbeispielen kann ein in fünf Phasen unterteilter Umsetzungsplan angewendet werden. Somit wird die Möglichkeit geschaffen, Inbetriebnahmeprozesse mit Alternativprozessen zu vergleichen (Abb. 18) und somit unter Berücksichtigung der bekannten Fehler eine Effizienzsteigerung zu erreichen. Das Potenzial der Methode zur Effizienzsteigerung in der Inbetriebnahme wurde in mehreren Fallbeispielen durch eine Reduzierung der Prozesszeit um bis zu 40 Prozent belegt.

Thema A2-H4: Ein Geschäftsmodellkonzept als Umsetzungswerkzeug zur Steigerung der Ressourceneffizienz

Doktorand: Dipl.-Oec. Max Regenfelder

Thesis Committee: Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


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Zusammenfassung

Strategien der Kreislaufwirtschaft steigern die ressourceneffiziente Nutzung natürlicher Rohstoffe und tragen zur Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen bei. Recycling-, Remanufacturing- und Re-Use-Ansätze stellen vielfältige – nicht nur rein technische – Anforderungen an Unternehmen, beispielsweise in der Produktentwicklung, Produktion, Beschaffung und Vermarktung. Wertschöpfungsketten werden verlängert, rekonfiguriert und verknüpft. Als Folge steigt die zu beherrschende Komplexität dieser Geschäftsmodelle im Vergleich zu herkömmlichen, linearen Geschäftsmodellen. Geschäftsmodellkonzepte dienen als Managementinstrument zur Komplexitätshandhabung und als Ansatzpunkt für Innovation.

Das Forschungsprojekt entwickelt ein Managementinstrument, das die praktische Umsetzung von Recycling-, Remanufacturing- und Re-Use-Strategien auf Produktebene unterstützt. Ein an die Spezifika dieser Ansätze angepasstes Geschäftsmodellkonzept wurde hierzu ausge-arbeitet und mit Fallstudien aus der Automobil- und Elektronikindustrie belegt. Aufbauend auf diesen Vorarbeiten und weiteren Erkenntnissen der Geschäftsmodellforschung als theore-tischer Grundlage wurde ein Konzept entworfen, um praxisorientiert innovative Closed-Loop-Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Abb. 19: Konzept zur Closed-Loop-Geschäftsmodelinnovation

Thema A2-003: Metacognition in distributed intelligent Systems

Doktorand: Tobias Störzinger (StEx: Phil., Politik, Geschichte)

Thesis Committee: Prof. Dr. Catrin Misselhorn (Philo)


Zusammenfassung

Im vergangenen Jahr wurde vor allem an der Ausarbeitung der Verbindung der Theorien von Metakognition mit der Typologie verteilter Systeme gearbeitet. Hierzu wurden die Vorarbeiten

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aus dem Promotionsjahr 2014, in welchem es um eine Ausarbeitung einer Theorie ver-schiedener Formen von Metakognition ging, mit den Erkenntnissen aus dem Promotionsjahr 2015, in dem eine Typologie verteilter Systeme im Vordergrund stand, verbunden. In Bezug auf das soziotechnische System Fabrik können drei Arten der Metakognition unterschieden werden. 1) Instrumentelle Metakognition, die in künstlich-technischen Systemen durch eine modellhafte Übertragung kognitiver Lerntheorien auf technische Systeme realisiert wird. 2) Reflexive Metakognition, welche im sozio-technischen System durch modulare und verteilte Feedbackloops bestimmt werden kann. 3) Selbstreflexive Metakognition, welche sich durch ihr Objekt – die grundlegenden Prozessstrukturen und „Interpretationsschemata“ des Systems – auszeichnet. Die Abbildung 19 expliziert die drei Formen der Metakognition und ihren Bezug zur Fabrik als soziotechnischem System.

Das finale Promotionsjahr 2017 dient nun der weiteren Konzentrierung der Ansätze auf die Fabrik, einer Verfeinerung der informationstheoretischen Modelle im Rahmen eines drei-monatigen Auslandsaufenthaltes an der Georgetown University in Washington und der schriftlichen Ausarbeitung.

Abb. 20: Das Verhältnis von Metakognition zu den Systemtypen

Thema A2-010: Verfahren zur Analyse, Bewertung und Gestaltung der digitalen Transformation von Produktionssystemen

Doktorand: Dipl.-Ing. Christoph Taphorn



Zusammenfassung

Der Einsatz digitaler Technologien bietet große Potenziale zur Optimierung von Produktions-prozessen. Aktuelle Erhebungen zeigen jedoch, dass viele Unternehmen bei der Digitali-

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sierung ihrer Produktion zurückhaltend agieren. Eine überzeugende Strategie zur Digitali-sierung der Produktion existiert nur selten. Die große Breite möglicher Anwendungen sowie die individuellen Anforderungen von Situationen in Unternehmen erfordern eine systematische Vorgehensweise zur Erschließung der Chancen digitaler Transformationen.

Mit dem im Forschungsprojekt entwickelten Verfahren werden Unternehmen bei der Ent-wicklung einer geeigneten Strategie und deren Umsetzung methodisch unterstützt. Das Verfahren betrachtet hierzu parallel die Produktions- und Informationsprozesse in einem Produktionssystem. Es verfolgt einen zyklischen Ansatz, bei dem Strategie und Umsetzung regelmäßig an veränderte Bedingungen angepasst werden. Bei der Anwendung des Verfahrens werden zunächst die individuellen Bedingungen und Anforderungen des Unter-nehmens erfasst. Aufgrund dieser werden dann Gestaltungsansätze generiert und bewertet. In der Umsetzungsplanung erfolgen Abstimmung und Terminierung. Grundlage für das Verfahren bilden etablierte Methoden, die an die individuellen Anforderungen der Digitalisie-rung angepasst wurden. Das Verfahren wird aktuell validiert und final ausgearbeitet.

Abb. 21: Grobübersicht Verfahrensschritte

Thema A2-B19: In-situ-Fehlermanagement in der variantenreichen Serien-fertigung

Doktorand: Dipl.-Ing. Wolf Tönnes

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

Insbesondere in der Automobilindustrie führen die Derivatisierung und Individualisierung von Produkten zu einer zunehmenden Variantenvielfalt. Mixfertigungen, bei welchen mehr als ein Fahrzeugmodell auf einer Produktionslinie hergestellt wird, sind die Regel.

Die Herausforderungen zeigen sich verstärkt in der manuellen Montage. Für die Mitarbeiter an den Montagelinien nimmt die Komplexität der zu verarbeitenden Informationen und der zu

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beherrschenden Montageprozesse stetig zu. Dies begünstigt zufällig auftretende Fehler, die durch präventive Maßnahmen nur teilweise zu vermeiden sind.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Methodik, die zur Vermeidung von Fehlerfolgen ab dem Moment eines Fehlereintritts in der getakteten Fließmontage dient. Die Methodik berücksichtigt die vorherrschenden organisatorischen, zeitlichen und technischen Restriktionen in einer getakteten Fließmontage. Anhand von Produktionsdaten eines Auto-mobilherstellers werden alle Daten nach diesen Restriktionen bewertet und anschließend berechnet, ob es für einen Montagemitarbeiter möglich ist, auf einen unerwartet eintretenden Fehler richtig und schnell zu reagieren. In einem solchen Fall sollen Mitarbeiter durch ein Assistenzsystem über Handlungsempfehlungen zur Fehlerbeseitigung in Echtzeit informiert werden. Die Validierung der Methodik wurde im Rahmen einer Simulation und eines Praxistests abgeschlossen.

Abb. 22 Mitarbeiter an einer Montagelinie

Thema A2-023: Autonome Entscheidungsfindung in der Produktions-steuerung komplexer Werkstattfertigungen

Doktorand: M. Sc. Bernd Waschnek

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

In der Halbleiterindustrie werden üblicherweise Speicherbausteine und Mikrochips in wenigen Varianten und großem Volumen produziert. Die Digitalisierung der Industrie und das Internet der Dinge erfordern neue, spezialisierte Halbleiterprodukte wie z.B. Sensoren, die häufig durch individuelle Anpassung für Kunden in geringer Stückzahl produziert werden. Das ständig

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wachsende, diverse, volatile Portfolio moderner Halbleiterhersteller, welches auf einer steigen-den Kombinationsvielfalt und Anzahl unterschiedlicher Prozesse und Materialien beruht, stellt neue Anforderungen an die Produktionssteuerung der Frontend-Reinraumfertigungen.

Trotz dieser geänderten Anforderungen, insbesondere der gesteigerten Komplexität, müssen weiterhin eine hohe Auslastung der Maschinen, geringe Durchlaufzeiten und eine hohe Liefer-treue gewährleistet werden. Dafür wird ein neuer Ansatz entwickelt, welcher auf künstlicher Intelligenz basiert und bestehende Steuerungen mit einbezieht. Die Reihenfolgebildung unter-schiedlicher, bestehender Steuerungssysteme, die nur lokal arbeiten, wird zunächst in einem neuen, zentralen System angelernt. Dieses System verwendet Methoden des Maschinellen Lernens, insbesondere Neuronale Netze. Die Zusammenführung und automatisierte Erfas-sung der lokalen Steuerungen wurde erfolgreich gezeigt. Im nächsten Schritt wird nun eine globale Optimierung erfolgen.

Abb. 23: Überblick über die Produktionssteuerung und Ausführung in einer Halbleiterfertigung.

3.2 Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI)


Entwicklung des Clusters B2

Das Forschungsprogramm des Clusters B2 definiert sich über die drei Themenschwerpunkte

Management von globalen Produktionsnetzwerken

Dienstleistungen in globalen Produktionsnetzwerken

Kulturelle Vielfalt und Nachhaltigkeit in globalen Produktionsnetzwerken (vgl. Abb. 24).

Alle im Rahmen der drei Themenschwerpunkte definierten Forschungsthemen werden in laufenden Dissertationsvorhaben bearbeitet, bzw. sind bereits abgeschlossen. So konnten im

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Berichtszeitraum 2016 mit den Dissertationen „Wandlungskonzepte für Produktionsnetz-werke“ (Monauni, M.) und „Netzwerkkultur in Produktionsnetzwerken – Gestaltungsmöglich-keiten in der Automobilindustrie“ (Piesche, C.) zwei Dissertationsverfahren erfolgreich zum Abschluss gebracht und publiziert werden. Mit der Dissertation „Das Leitmodell der virtuellen Fabrik als adaptives System unter der Berücksichtigung des Realoptionsgedankens“ (Dewes, K.) konnte im Berichtszeitraum eine Abhandlung zur Begutachtung eingereicht werden. Bei den laufenden Dissertationsvorhaben konnten wesentliche Fortschritte erzielt werden.

Abb. 24: Forschungsprogramm des Clusters B2 Alle laufenden und abgeschlossenen Dissertationsvorhaben im Forschungsprogramm des Clusters B2 widmen sich konsequent den für die zweite Förderperiode angedachten Themen-stellungen. Mit der im Berichtszeitraum ausgeschriebenen und bereits personell besetzten Dissertation „Digitale Plattformen zur Integration von Wertschöpfungspartnern in produzie-renden Unternehmen“ (Petrik, D., ab 01.04.2017) ist beabsichtigt, den Beitrag des Clusters B2 zur Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen des advanced Manufacturing Engineering (aME) auf bisher vernachlässigte thematische Aspekte zu erweitern.

Die nach wie vor zunehmende Digitalisierung von Realweltobjekten, deren Vernetzung untereinander und mit ihrer Umwelt, wirkt sich in zweierlei Hinsicht auf die produzierende Industrie aus: So ist zum einen der Einfluss der Digitalisierung und Vernetzung auf den verschiedenen Systemebenen der Produktion (von Prozessen über Produktionssysteme bis hin zum Produktionsnetzwerk) Gegenstand von Industrie 4.0 und damit stark im Fokus von Praxis- und Forschungsprojekten zum aME. Weit weniger im Fokus ist dagegen der Einfluss der Digitalisierung und Vernetzung bei den hergestellten Gütern auf die produzierende Indus-trie, die nun neue Wertschöpfungspartner über neue Wege in ihre Wertschöpfungsprozesse integrieren muss. Letzteres adressiert die angedachte Dissertation „Digitale Plattformen zur Integration von Wertschöpfungspartnern in produzierenden Unternehmen“. Gelingt diese Integration, so kann das Attribut „Made in Germany“ eine Erweiterung bzw. Transformation hin

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zum „Provided in Germany“ erfahren und so der deutschen produzierenden Industrie einen internationalen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Hierdurch wandeln sich vormals haupt-sächlich produzierende Unternehmen in Anbieter von Plattformen für digitale Wertschöpfungs-netzwerke mit ihren Partnern.

Zum Kernkonzept der GSaME gehört die kooperative, interdisziplinäre Forschung, die durch die Institutionalisierung von clusterübergreifenden Nachwuchsgruppen gefördert werden soll. Die Promovierenden im Cluster B2 bilden den Kern der Nachwuchsgruppe „Regional und global vernetzte Produktion“. Die Forschungsergebnisse der Nachwuchsgruppe, zu denen die Promovierenden des Clusters B2 beigetragen haben, finden sich im entsprechenden Kapitel des vorliegenden Berichts.

Im Rahmen des clusterspezifischen Ausbildungsprogramms des Clusters B2 haben im Berichtszeitraum 2016 neben den in regelmäßigen Abständen durchgeführten Doktoranden-kolloquien vier clusterspezifische Kolloquien stattgefunden.

Der Wandel der industriellen Wertschöpfung hin zu Industrie 4.0 hat substantiellen Einfluss auf das Entrepreneurship (Unternehmergeist, Gründertum). Um sich erfolgreich auf dem Markt behaupten zu können, müssen Start-Ups wie auch bestehende Unternehmen und Produktionsnetzwerke in immer kürzeren zeitlichen Abständen Innovationen auf den Markt bringen, die es zu schützen gilt. Im Rahmen eines ganztägigen Kolloquiums haben Referenten der renommierten Kanzlei „KNH Patentanwälte“ diesen Themenkomplex beleuchtet. Die Promovierenden erhielten wertvolle Einblicke in ausgewählte Fragestellungen des Patent-, Gebrauchsmuster-, Lizenzvertrags- und Arbeitnehmererfinderrechts.

Neben fachlich-technischen Themen adressiert die clusterspezifische Ausbildung im Cluster B2 auch methodische Aspekte der Managementforschung (von globalen Produktions-netzwerken) mit einer Workshop-Reihe. Die erste, ganztägige Veranstaltung in diesem Rahmen widmete sich bereits im Jahr 2015 leitfadengestützten Experteninterviews und dabei insbesondere der Phase Datenerfassung. Die Workshop-Reihe wurde im Berichtszeitraum mit einer weiteren Veranstaltung zu leitfadengestützten Experteninterviews mit Fokus auf die Phasen Transkription und Datenauswertung fortgeführt. Mit Frau Dr. C. Moritz (Uni Essen / Feldpartitur GmbH) konnte hierfür eine Referentin mit langjähriger Forschungspraxis und fundierter Expertise in diesem Bereich gewonnen werden.

Des Weiteren hatten die Promovierenden die Gelegenheit, an zwei jeweils halbtägigen Veranstaltungsangeboten des Betriebswirtschaftlichen Institutes (BWI) der Universität Stuttgart im Rahmen ihres clusterspezifischen Ausbildungsprogrammes teilzunehmen – so zum einen am „36. Stuttgarter Unternehmergespräch“, das jährlich durch das BWI in Zusammenarbeit mit dem Förderkreises Betriebswirtschaft an der Universität Stuttgart veranstaltet wird. Die Veranstaltung im Jahr 2016 widmete sich dem Thema „Innovations-konzept ´Neckar Valley´ – Erfolgsmuster für unsere Industrieregion“ und beinhaltete Vorträge aus Praxis und Wissenschaft u.a. zur Innovation in Eco-Systemen, zu internetbasierten Geschäftsmodellen und Erfolgskonzepten innovativer Technologieunternehmen der Region sowie zur Zukunft der Automobilproduktion.

Zum anderen konnten die Promovierenden an einem Erfahrungsaustausch zwischen Theorie und Praxis im Rahmen des Arbeitskreises Wirtschaftsinformatik des BWI teilnehmen. Diesem gehören Vertreter aus über 50 Unternehmen der Region Stuttgart und Umgebung an. Auch bei dieser, von Prof. Dr. Herzwurm organisierten Veranstaltung, konnten die Promovierenden

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wertvolle Einblicke in ein für global aufgestellte Produktionsnetzwerke äußert relevantes Thema erlangen – „Startup-Kultur für etablierte Unternehmen – Intra- und Entrepreneurship als Innovationstreiber“.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters B2

Themen Gesamt DFG Industrie / FhG




abgeschlossen 2 1 1

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2016

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters B2


B2-001

Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungsdienstleistungen


Tobias Tauterat

DFG Prof. Herzwurm

B2-002

Kompetenzmessung in Fabrik-verbünden – ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories


Christian Katzfuß

DFG Prof. Burr

B2-004

Kostenmanagement in globalen Produktionsnetzwerken


Johannes Nickel

DFG Prof. Pedell

B2-005

Diversity‐Kompetenzen für globale Produktionsnetzwerke: Theoretische Perspektiven, Anforderungen und Potenziale für den Umgang mit personaler Vielfalt


Benjamin Frank

DFG Prof. Tilebein

B2-006

Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke – Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegender Netzwerkkonfigura-tionen


Richard Horn

DFG Prof. Oesterle

A2-001

Das Leitmodell des Clusters als adap-tives System unter Berücksichtigung des Realoptionsgedankens


Kristina Dewes

DFG Prof. Schäfer

B2-D9

Integriertes Projektmanagement für Produktionsnetzwerke

ab-geschlossen

Claudia Piesche

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

B2-D10

Integrierte Produktionsnetzwerke – eine industriespezifische Analyse

ab-geschlossen

Max Monauni

DFG Prof. Zahn


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Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster B2

Thema B2-005: Diversity‐Kompetenzen für globale Produktionsnetzwerke: Theoretische Perspektiven, Anforderungen und Potenziale für den Umgang mit personaler Vielfalt

Doktorand: M. Sc. Benjamin Frank

Thesis Committee: Prof. Dr. Meike Tilebein (IDS) Prof. Dr. Michael-Jörg Oesterle (BWI – Abteilung IX)


Zusammenfassung

Es wurde eine intensive Literaturrecherche durchgeführt, um die gesicherten Erkenntnisse der Diversitätsforschung und aktuelle Trends zu erfassen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Erstellung eines Forschungsmethoden- und Instrumentenkatalogs zum Umgang mit verschiedenen Diversitätsdimensionen auf unterschiedlichen Ebenen. Dies ergab ein geschärftes Bild zu den bis dato nicht oder nur unzureichend beleuchteten Feldern der Diversitätsforschung. Aktuell werden die Spezifika verschiedener Netzwerktypologien mit globalem Schwerpunkt identifiziert und im Hinblick auf Diversität und Steuerungsstrukturen innerhalb der Netzwerke klassifiziert.

Ziel des Forschungsprojekts ist der anschließende Abgleich der eingangs entstandenen Kataloge mit spezifischen Netzwerktypen. Die Ergebnisse definieren die Anforderungen an Netzwerke im Umgang mit den Diversitätsdimensionen bzw. den sich daraus ergebenden Chancen und Risiken. Hieraus lassen sich die notwendigen Kompetenzen der Netzwerk-teilnehmer im finalen Schritt ableiten.

Thema B2-006: Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke –Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegen-der Netzwerkkonfigurationen

Doktorand: M. Sc. Richard Alexander Horn

Thesis Committee: Prof. Dr. Michael-Jörg Oesterle (BWI) Prof. em. Dr. Zahn (BWI)


Zusammenfassung

Die Forschungsarbeit untersucht die Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke in und zwischen Unternehmen basierend auf transaktionskostentheoretischen Überlegungen. Die Abstimmung der Einheiten eines Netzwerks kann hierbei in Form unterschiedlicher Governance-Typen stattfinden, wobei zunächst vereinfachend die drei Grundtypen – Markt, Kooperation und Hierarchie – einander gegenübergestellt werden.

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Die wissenschaftliche Relevanz des Themas begründet sich auf dem Beitrag zur Systema-tisierung von Netzwerktypen und dem Verständnis ihrer situativen Günstigkeit. Bislang mangelt es sowohl an theoretisch und empirisch gestütztem Wissen der Entstehungsgründe globaler Produktionsnetzwerke als auch an Erkenntnissen unter welchen situativen – marktbezogenen sowie unternehmensinternen – Bedingungen ein Governance-Typus Wett-bewerbsvorteile für ein fokales Unternehmen ermöglicht.

Ziel der Untersuchung ist es, zum Verständnis des Realphänomens "Globales Produktions-netzwerk" sowohl theoretisch als auch empirisch beizutragen. Aufbauend auf voran-gegangenen wissenschaftlichen Arbeiten werden zunächst situative Bedingungen – Variablen bzw. Dimensionen – identifiziert und weitergehend untersucht. Die Eignung eines tendenziell marktlich, kooperativ oder tendenziell hierarchisch gestalteten Produktionsnetzwerks zur Minimierung von Transaktionskosten soll schließlich anhand der Ausprägung zuvor identifizier-ter situativer Bedingungen begründet werden.

Die im Rahmen der Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse sollen neben ihren theoretischen Implikationen auch Entscheidungsträgern in Produktionsnetzwerken eine Orientierung bei der situativ passenden bzw. günstigen Gestaltung eines Produktionsnetzwerks bieten.

Abb. 25: Situativ passende Gestaltung globaler Produktionsnetzwerke zur Minimierung der Transaktionskosten

Thema B2-002: Kompetenzmessung in Fabrikverbünden – ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories

Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Christian Katzfuß

Thesis Committee: Prof. Dr. Wolfgang Burr (BWI) Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)


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Zusammenfassung

Unternehmen besitzen oftmals komplexe Fertigungsverbünde mit einer Vielzahl von Fabriken. Diese verschiedenen Produktionsstandorte innerhalb eines Fertigungsverbundes sollen häufig unterschiedliche strategische Rollen einnehmen und demgemäß organisationale Fähigkeiten aufweisen. Denkbar ist eine Fabrik, die eine besonders kostengünstige Fertigung von Produk-ten zur Aufgabe hat, denkbar ist aber auch, dass eine Fabrik besonders innovative Fertigungs-prozesse entwickeln soll. Unternehmen müssen somit bei der Konfiguration sowie dem Management ihrer Fertigungsverbünde die Kompetenzen der einzelnen Fabriken spezifisch entwickeln.

Abb. 26: Untersuchungsmodell Gegenstand des Forschungsprojekts ist daher die Untersuchung möglicher Potenzialfaktoren zur Beeinflussung der Kompetenzen einzelner Fabriken. Auf Grundlage ressourcenbasierter Ansätze sowie des Konzepts der Ambidextrie wurden potenzielle Erfolgsfaktoren und Ergeb-nisse durch theoretische Überlegungen erarbeitet. Die hypothetischen Zusammenhänge werden derzeit im Rahmen einer quantitativ statistischen Befragung von Fabrikmanagern ge-prüft. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können dann Hinweise zur zielgerichteten Entwick-lung von Fähigkeiten und somit strategischer Rollen einzelner Fabriken abgeleitet werden.

Thema B2-004: Kosten- und Resilienzmanagement in Produktions-netzwerken

Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Johannes Nickel

Thesis Committee: Prof. Dr. Burkhard Pedell (BWI – Abt. V) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Der Forschungstand zum organisationalen Resilienzmanagement wurde mittels systema-tischer Literaturrecherche erschlossen. Aufbauend auf einer Definition von Resilienz sind die Beziehungsarten zwischen Kosten- und Resilienzmanagement untersucht worden. Dabei

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standen zunächst die Ziele und Aufgaben der beiden Perspektiven im Fokus. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigten die Notwendigkeit eines theoretischen Rahmens für die weitere Bearbei-tung des Themas auf. Hierfür wird der Resource-based View of the firm herangezogen.

Abb. 27: Integrierte Betrachtung von Kosten- und Resilienzmanagement Aktuell wird ein Konzept entwickelt, mit dem sich die Beziehungsarten zwischen Kosten- und Resilienzmanagement entlang der Ressourcenkategorien bestimmen lassen. Im Jahres-verlauf wird dieses mittels Experteninterviews und einer Fallstudie empirisch validiert. Die integrierte Betrachtung von Kosten und Resilienz soll zu besseren Entscheidungen innerhalb von Unternehmen führen, die im Wettbewerb nachhaltige Vorteile verschaffen. Dabei stehen Entscheidungen auf Produktebene im Zentrum der Betrachtung.

Thema B2-001: Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungsdienstleistungen

Doktorand: M. Sc. Tobias Tauterat

Thesis Committee: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)


Zusammenfassung

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines wissenschaftlich begründeten und allgemein akzeptierten Verfahrens zur Bewertung von Predictive Maintenance für Maschinen und Anlagen zur Unterstützung der Investitionsentscheidung für Anbieter von

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Instandhaltungsdienstleistungen. Hierbei wird die Instandhaltungsart des Predictive Mainte-nance als softwareintensive Dienstleistung gesehen, durch welche ein Teil der Digitalisierung des Instandhaltungsprozesses vollzogen werden kann. Zur Erreichung dieses Ziels wurde die Vorgehensweise des Method Engineerings verfolgt. Basierend auf 24 Experteninterviews wurden Anforderungen an ein solches Bewertungsverfahren erhoben, welche anschließend als Grundlage für die Bewertung von bestehenden generischen Bewertungsmethoden und -verfahren verwendet werden konnten. Die Ergebnisse und Erkenntnisse wurden für die Entwicklung des Verfahrens verwendet. Hierbei soll das Bewertungsverfahren Unternehmen ermöglichen, in ihrem konkreten Anwendungsfall zu bewerten, ob die Investition in Predictive Maintenance als softwareintensive Dienstleistung sinnvoll ist. Der Fokus liegt hierbei auf der Sichtweise des Anbieters der Instandhaltungsdienstleistung, der durch das Predictive Mainte-nance seinen Instandhaltungsprozess verändern möchte und welcher basierend auf den Ergebnissen eines solchen Verfahrens eine bessere Entscheidungsgrundlage bei der Investitionsentscheidung erhält. Das Bewertungsverfahren konnte bereits durch vier Validie-rungsworkshops mit Vertretern aus der Unternehmenspraxis angewendet und diskutiert werden.

3.3 Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang (IPVS)


Entwicklung des Clusters C2

Das Cluster C2 „Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion“ konnte auch in 2016 seine Attraktivität durch neu hinzu gekommene Projekte zeigen. Auch die thematische Fokussierung in Richtung Informations- und Kommunikationstechnologien für Industrie 4.0 wurde erfolgreich vorangetrieben. Dabei nehmen die Themen Big Data und Analytics im Rahmen von Industrie 4.0 einen wichtigen Teil der Arbeiten im Cluster C2 ein.

Genau diese Themen wurden in vielen Fachvorträgen auf der GSaME-Jahrestagung im AUDI-Forum in Neckarsulm behandelt. Die Mitglieder und Doktoranden des Clusters C2 haben dort aktiv durch Fachvorträge zum Gelingen der Veranstaltung beigetragen.

Im Berichtszeitraum wurden drei Projekte im Cluster C2 gestartet:

− Datengetriebene Optimierung von Montageprozessen (Vitali Hirsch) − Cognitive Computing for Smart Manufacturing – Datengetriebene Analysetechniken in

der Produktion (Alejandro Villanueva) − Datengetriebenes Wissensmanagement in Industrieunternehmen (Christian Weber)

Zwei Projekte wurden im Cluster C2 erfolgreich zu Ende geführt:

− Modeling Method for Simulation of Assembly Variances (Dr. Matthias Reuß, ehemals Cluster B)

− RFID-Based Real-Time Production Monitoring in a Variant Production Environment (Dr. Bilal Hameed, ehemals Cluster E)

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Drei weitere Projekte stehen ebenfalls kurz vor ihrem Abschluss:

− Virtual prototyping of next oil and fuel filter media by enhanced particle modeling (Friedemann Hahn, ehemals Cluster B)

− Optimizing embossing of pleated filters by fluid-structure-simulation of virtual prototypes (Alexander Traut, ehemals Cluster B)

− Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serien-fertigung (Fabian Rusitschka, ehemals Cluster B)

Es wurden im Cluster C2 insgesamt 17 Projekte mit Finanzierung aktiv bearbeitet, von denen drei im Berichtszeitraum neu begonnen wurden. Im Folgenden werden die Arbeitsthemen und Arbeitsergebnisse einzelner Promotionsprojekte kurz dargestellt.

Das Forschungsprojekt C2-001 zur lebenszyklusübergreifenden Integration und Analyse unstrukturierter Daten in der produzierenden Industrie wurde im vergangenen Forschungsjahr abgeschlossen, die zugehörige Dissertation verfasst und eingereicht. Dazu erfolgte Anfang des Jahres die Machbarkeitsanalyse von Anwendungsbeispielen für lebenszyklusüber-greifende Analysen auf Beispieldaten vom Industriepartner. Zwei Publikationen zu zentralen Forschungsergebnissen wurden im Frühjahr des Jahres auf Konferenzen vorgestellt, eine weitere wurde verfasst und Anfang 2017 veröffentlicht. Die Verteidigung und Veröffentlichung der Dissertation wird voraussichtlich 2017 erfolgen.

Im Rahmen der Verbesserung der Governance von serviceorientierten Architekturen (SOA) wurde der Prototyp eines SOA Governance Repositories zur durchgängigen Verwaltung aller an einer SOA beteiligten Artefakte entwickelt. Mit Hilfe dieses Prototyps werden derzeit Lösungen für angewandte Problemstellungen, wie beispielsweise die Optimierung von Testprozessen und die Stabilisierung von Serviceschnittstellen, umgesetzt und evaluiert.

Im Bereich mobiler Apps wurde eine Software-Architektur konzipiert, um einen mobilen kontextsensitiven Zugriff auf Engineering-Daten zu ermöglichen. Mobile Engineering Apps, die auf dieser Architektur basieren, stellen dabei beispielsweise nur die Informationen zur Verfügung, welche für die jeweilige Aufgabe relevant sind. Dabei wird anhand des Nutzer-kontextes bestimmt, welche Daten benötigt werden und diese dann von verschieden IT-Systemen akquiriert. Des Weiteren wurden verschiedene Apps entwickelt, um den Werker in der Fabrik zu unterstützen, unter anderem eine mobile PDM-App sowie eine App zur Fehler-klassifizierung.

Im Projekt zur Messung und Verbesserung der Qualität von Daten wurde die Messung der Qualität von unstrukturierten Daten sowie insbesondere Textdaten erforscht. Dazu wurden Anforderungen an ein umfassendes Framework zur Messung und Verbesserung dieser Daten definiert. Die Umsetzung einzelner Komponenten des Frameworks wird in mehreren Projekten vorangetrieben.

Im vergangenen Jahr wurden die Arbeiten im Bereich der Visualisierung der Zusammenhänge von Konzepten in Patenten veröffentlicht. Zudem wurden mehrere Projekte im Bereich der visuellen Analytik zur Produktionsverbesserung gestartet. Die Arbeiten in diesem Bereich fokussieren sich auf die Analyse von automatisch gemeldeten Maschinenfehlern sowie der Verbesserung der Layoutplanung von Produktionslinien. Eines der Projekte wurde auf eine Konferenz eingereicht, die anderen sind noch in der Bearbeitungs- oder Planungsphase.

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Im Bereich Software-Defined Networking konzentrierte sich die Forschung auf den Entwurf von Algorithmen zur Berechnung von Schedules zur Steuerung der Kommunikation in echtzeit-fähigen Kommunikationsnetzen entsprechend des Standards IEEE 802.1Qbv (Time Sensitive Networks (TSN)). Zur Berechnung von Schedules für die Echtzeitkommunikation mit deter-ministischen Verzögerungsschranken wurde das TSN-Scheduling-Problem zunächst auf das aus der Operations-Research bekannte No-wait Job-Shop-Scheduling-Problem abgebildet. Zur effizienten Lösung des theoretisch NP-schweren No-wait Job-Shop-Scheduling-Problems wurde eine auf Tabu-Search basierende Heuristik entwickelt.

Im Rahmen der Forschung zur Kollaborationsplattform für die Produktion wurde ein ressour-cengetriebener Ansatz vorgestellt, um Abläufe in Organisationen zu modellieren. Um die Modellierung der Abläufe zu unterstützen, können die bereits vorhandenen Informationen bezüglich der vergangenen Ausführungen nützlich sein. Somit wurde ein ressourcen-zentrisches Empfehlungssystem gebaut, das Interaktionen von den in Abläufen beteiligten Ressourcen analysiert, um Schlussfolgerungen zu ziehen. Diese Schlussfolgerungen sind Empfehlungen von Ressourcen und deren Fähigkeiten. Außerdem wurde eine Reihe von Umfragen mit insgesamt 416 Personen durchgeführt, um den ressourcengetriebenen Ansatz zu evaluieren und zu validieren.

Im Projekt zu IT-basierten Capabilities (Fähigkeiten) im Additive Manufacturing wurden leit-fadengestützte Experteninterviews in deutschen Industrieunternehmen durchgeführt. Die in den Interviews erhobenen Anforderungen werden derzeit in das zur Zielerreichung ange-strebte Konzept überführt. Hierbei werden sowohl konkrete Capabilities formuliert als auch Strukturierungsansätze zur Erzeugung sogenannter Capability-Maps (Fähigkeitenlandkarten) definiert, die zur Entscheidungsunterstützung im Kontext von Additive Manufacturing heran-gezogen werden können. Im Anschluss erfolgt eine prototypische Umsetzung als Basis zur praxisnahen Evaluation.

In der optischen Qualitätskontrolle auf Basis neuartiger telezentrischer Messsysteme soll eine Präzisionssteigerung der Messung durch zusätzlichen algorithmischen Aufwand erreicht werden. Ein vereinfachtes telezentrisches Objektiv wurde zu diesem Zweck entworfen und prototypisch aufgebaut. Ein Bildaufbereitungsalgorithmus basierend auf Dekonvolution wird derzeit auf eine eingebettete FPGA Platform (Xilinx Zynq) portiert und verifiziert.

Im Rahmen der Entwicklung einer wandlungsfähigen FPGA-basierten Entwicklungs- und Testplattform wurde ein ADC mit 12 Kanälen @6GS/s erfolgreich getestet. Der Synchronisa-tionsalgorithmus für die Empfangsseite funktioniert und das zu erwartende Ergebnis ist eingetreten. Zurzeit wird ein PUPOWIMO (Pulse Position Width Modulator) Chip mit 11 Kanälen @10.8GS/s getestet. Der Synchronisationsalgorithmus für die Sendeseite funktio-niert. Der Chip wird weiter mit echten Daten, die durch die Testplattform erzeugt werden, gemessen. Die Software-Architektur für die Testplattform wurde entworfen und wird in Matlab implementiert.

Im Rahmen der virtuellen Weiterentwicklung von elektrostatisch geladenen Filtermedien wurde ein grundlegend neuer Modellierungsansatz verfolgt. Mit einem vollständig gekoppelten System wurde der Einfluss interpartikulärer Wechselwirkungen im Anströmbereich zum Filter-medium detailliert untersucht. Die Simulationen zeigen unterschiedliches Agglomerations-verhalten für verschiedene Partikeleigenschaften.

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Im Forschungsprojekt zum Zerstäuben durch pneumatische Lackzerstäuber wurde der Einfluss des Zerstäubungsgases auf die Zerstäubung zuvor diskutiert. Anschließend wurden Lack- und Wasserstrahlen, die durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zerlegt wurden, untersucht. Die Abhängigkeit der dimensionslosen Länge des intakten Flüssigkeits-strahls vom dynamischen Druckverhältnis wurde ermittelt. Daraus wurden die Bedingungen für eine effiziente Zerstäubung hergeleitet. Der Einfluss der Viskosität der Flüssigkeit sowie der Einfluss der Hornluft auf die Zerstäubung waren in der Simulation zu beobachten.

Im Verlauf des Projekts zur datengetriebenen Optimierung von Montageprozessen erfolgte aufgrund einer Schwerpunktverlagerung der praktischen Fragestellung beim Industriepartner eine Detaillierung und Präzisierung der Themenstellung. Eine große Bedeutung hatte darüber hinaus die Schaffung organisatorischer Rahmenbedingen sowie der Identifizierung von Ansprechpartnern. Hinsichtlich der Daten wurde ein Set an Datenquellen identifiziert und eine Sandbox mit einem Exzerpt an Produktivdaten etabliert. Neben dem Wissensaufbau bezüglich Syntax und Semantik von Daten sowie deren Dokumentation fand eine erste Evaluierung der Datenqualität statt. Hierbei hat sich herauskristallisiert, dass Maßnahmen zur Steigerung der Datenqualität beim Industriepartner erforderlich sind.

Im Dissertationsprojekt „Datengetriebenes Wissensmanagement in Industrieunternehmen“ wurden Referenzarchitekturen für Industrie 4.0 untersucht. Bei dieser Untersuchung wurden Architekturbausteine identifiziert, die als Basis für die Entwicklung des Konzepts der funktio-nalen und technologischen Architektur der Plattform für das datengetriebene Wissens-management dienen. Weiterhin wurde ein Reifegradmodell für die datengetriebene Fertigung entwickelt, das aktuelle IT-Konzepte wie z.B. den digitalen Zwilling und echtzeitnahe Edge Analytics auf verschiedenen Reifegradstufen verortet.

Im kürzlich gestarteten Forschungsprojekt „Cognitive Computing for Smart Manufacturing“ wird eine Analyse der Variabilität von Text Klassifikationsalgorithmen durchgeführt. Der Fokus liegt auf der Untersuchung von Algorithmen und deren Aufbau sowie ihrer Interaktion mit den Merkmalen von Datensätzen. Relevante Aspekte werden identifiziert und durch einen Leistungswürfel visualisiert.

Weitere nennenswerte Aktivitäten im Berichtszeitraum waren:

Clusterspezifische Kolloquien

Im Jahr 2016 fanden insgesamt acht clusterspezifische Kolloquien statt.

Datum Referent Thema

12.04.2016 Prof. Dr. Bernhard Mitschang

Data-driven Factory – neue Ansätze für die Fabrik der Zukunft

Joachim Seidelmann Szenarien für "Industrie 4.0" aus Sicht der Anwender

22.04.2016 Erwin Groß Lernfabrik / Anwendungszentrum Industrie 4.0

Joachim Seidelmann Virtual Fort Knox

Randy Messina IBM Watson on BlueMix and Analytics Academic Program

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Datum Referent Thema

25.10.2016 Sven Hamann Verteilte Intelligenz in Produktionssystemen für Industrie 4.0 – Leitbild und Use Cases

Prof. Dr. Michael Weyrich Informationstechnische Bewertung von Produktions-systemen für Industrie 4.0

29.11.2016 Dr. Andreas Lock Trends in der Automobilindustrie (automated, connected, electrified)

Doktorandenkolloquien

Im Jahresverlauf wurden in fünf Doktorandenkolloquien die Fortschritte einzelner Arbeiten vorgestellt.

Datum Promovierende / Cluster

Thema

05.02.2016 Weber / C2 Referenzarchitektur I4.0

Kassner / C2 Text Classification for Messy Data

07.06.2016 Nayak / C2 Time-sensitive Software-defined Network (TSSDN) for real-time applications

Moisa / C2 IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing – Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle (Fokus: Capabilities)

Hoos / C2 Context-Aware Provisioning of Engineering Data

18.07.2016 Hirsch / C2 Einführung: Datengetriebene Optimierung von Montage-prozessen

Herr / C2 Visualisierungsgestützte Extraktion zeitbasierter Muster von Fehlermeldungen in einer Produktionslinie

25.10.2016 Sungur / C2 Resource-driven Organizational Goal Resolution and Achievement

Zhang / C2 Flexible FPGA-based Development and Test Platform

Kiefer / C2 Assessing and Improving the Quality of Unstructured Data

29.11.2016 Gester / C2 Qualitätssicherung in der werkzeugmaschinenunterstützten Fertigung auf Basis eines neuartigen telezentrischen Mess-systems

Königsberger / C2

Herausforderungen im SOA Change Management

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Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters C2





abgeschlossen 2 2 0

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2016

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters C2


C2-001

Product Life Cycle Analytics – Analy-tics der nächsten Generation auf strukturierte und unstrukturierte Daten


Laura Kassner

Daimler AG Prof. Mitschang

C2-002

Ressourcengetriebene Auflösung und Erreichung der organisatorischen Ziele


Timurhan Sungur

DFG Prof. Leymann

C2-003

IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing – Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle


Michelle Moisa

DFG Prof. Kemper

C2-004

Flexible FPGA-based Development and Test Platform


Jianxiong Zhang

DFG Prof. Berroth

C2-005

Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion


Naresh Nayak

DFG Prof. Rothermel

C2-006

Qualitätssicherung in der Werkzeug-maschinen-unterstützten Fertigung auf Basis eines neuartigen tele-zentrischen Messsystems


Dimitrij Gester

DFG Prof. Simon

C2-007

Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus


Jan Königsberger


C2-008

Apps im Engineering laufend mit Finanzierung

Eva Hoos Daimler AG Prof. Mitschang

C2-009

Scalable Visual Analytics for Advanced Manufacturing


Dominik Herr

DFG Prof. Ertl

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C2-021

Entwicklung und Anwendung von Data Analytics Methoden in der Produktbewährung Powertrain

aus-geschrieben


C2-011

Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraum-filtern mit Fokus auf Elektretfasern


Carolin Schober

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Mehl

C2-013

Datengetriebene Optimierung von Montageprozessen


Vitali Hirsch


C2-014

Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produkt-lebenszyklus – Data Quality across the Product Life Cycle


Cornelia Kiefer

DFG Prof. Mitschang

C2-015

Datengetriebenes Wissens-management in Industrieunternehmen


Christian Weber

DFG Prof. Mitschang

C2-016

Modellierung der Verarbeitung von Filtermedien

aus-geschrieben

Mann+Hum-mel GmbH

Prof. Schmauder

C2-017

Gekoppelte, datengetriebene Mehrskalen- und Mehrphysik-simulation

aus-geschrieben

DFG Prof. Mehl

C2-018

Ganzheitliches Daten- und Prozess-management für virtuelle Entwicklung von Mehrskalen-, Mehrphysik-prototypen

aus-geschrieben

Mann+Hum-mel GmbH

Prof. Mitschang

C2-019

Ganzheitliche Verwaltung, Integration und Analyse von CAE-Simulations-daten

aus-geschrieben

DFG Prof. Mitschang

C2-020

Cognitive Computing for Smart Manufacturing – Datengetriebene Analysetechniken in der Produktion


Alejandro G. Villanueva Zacarías

DFG Prof. Mitschang

B1 Einfluss von Dämpfungsparametern in Simulationsmodellen

ab-geschlossen

Matthias Reuß

DFG Prof. Verl

B4 Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber


Bo Shen

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

B15 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung


Fabian Rusitschka

AUDI AG Prof. Binz

B17 Optimizing embossing of pleated filters by fluid-structure-simulation of virtual prototypes


Alexander Traut

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Piesche

B18 Virtual prototyping of next generation oil and fuel filter media by enhanced particle modelling


Friedemann J. Hahn

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Piesche

E4 Neue Kommunikationsarchitektur für Echtzeitfabriken

ab-geschlossen

Bilal Hameed

DFG Prof. Rothermel


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Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster C2

Thema C2-B18: Virtual prototyping of next generation oil and fuel filter media by enhanced particle modeling

Doktorand: M. Sc. Friedemann Hahn

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Die Schmutzabscheideleistung eines Filtermediums wird durch die Wechselwirkungen zwischen den Filterfasern, dem Fluid und den abzuscheidenden Schmutzpartikeln bestimmt, deren Zusammenspiel sich durch die Vielzahl physikalischer Einflüsse sehr komplex gestaltet. Zur simulationsgestützten Vorhersage der Schmutzabscheideleistung einer gegebenen Filter-materialstruktur ist die physikalisch korrekte Abbildung dieser Wechselwirkungseffekte zwingende Voraussetzung.

Abb. 28: Modellierung eines Partikels (links); nichtsphärisches Partikel im Strömungsfeld (rechts) Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell zur physikalisch korrekten Darstellung von Filtrationsvorgängen entwickelt. Basierend auf einer Fictitious-Domain-Methode (FDM) wurde ein Ansatz zur gekoppelten Berechnung des Transports von Fluidströmung und Schmutzpartikeln implementiert. Darüber hinaus beinhaltet das Simulationswerkzeug Sub-modelle zur Abbildung von verschiedenen Partikelformen, Partikelkollisionsvorgängen sowie hydrodynamischen Schmierungseffekten. Zur Gewährleistung der physikalischen Korrektheit der Ergebnisse wurden sämtliche abgebildeten Effekte einzeln validiert.

Das resultierende Simulationswerkzeug ermöglicht die gezielte Untersuchung verschiedener Einflussparameter auf den Partikelabscheideprozess eines Flüssigkeitsfiltermediums. Anhand verschiedener Testfälle konnte der Einfluss verschiedener Partikelformen sowie verschie-dener Strömungsbedingungen auf die Partikelabscheidekinetik untersucht werden.

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Thema C2-009: Scalable Visual Analytics for Advanced Manufacturing

Doktorand: Dipl.-Inf. Dominik Herr

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Ertl (VIS) Prof. Dr. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

Das Projekt befasst sich mit der Unterstützung von Experten aus der Domäne der Produktion und Fertigung auf zwei Ebenen. Zum einen soll das Verständnis von hochdimensionalen Parameterräumen, beispielsweise von Konzepten aus Patenten, erhöht werden. Dadurch können potenziell relevante Fremdpatente frühzeitig erkannt und somit ein Produktionsausfall aufgrund von Rechtsfragen verhindert werden. Zum anderen sollen Abläufe und Zusammen-hänge in Produktionslinien, wie die räumlichen und zeitlichen Zusammenhänge von Fehlern oder die Auswirkung von Umstellungen von Produktionsabläufen, mit dem Ziel einer Prozess-optimierung und Ausschussverringerung besser verständlich gemacht werden.

Im Jahr 2016 wurde die Bearbeitung der visuellen Analyse der Zusammenhänge von Patent-konzepten durch zwei Publikationen sowie die Einreichung eines Artikels, der den Anwen-dungskontext der Arbeit verdeutlicht, vorläufig abgeschlossen. Im Gebiet der Produktions-analyse wurde eine erste Arbeit auf eine Konferenz eingereicht, deren Gutachten noch aussteht. Zudem wurden mehrere Teilprojekte im Bereich der Analyse von Produktionslinien gestartet. Für das laufende Jahr ist der Abschluss der Konzipierung und Implementierung der Teilprojekte geplant, sodass diese in diesem oder zu Beginn des kommenden Jahres publiziert werden können.

Thema C2-013: Datengetriebene Optimierung von Montageprozessen

Doktorand: M. Sc. Vitali Hirsch

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

Die Digitalisierung und Vernetzung der Produktion im Rahmen der Vision Industrie 4.0 führen zu enormen Datenmengen – von Montagedaten bis zu Prüfhausdaten – die das Potenzial für neuartige datengetriebene Optimierungsansätze bieten. Solche datengetriebenen Optimie-rungsansätze stellen einen zukünftigen strategischen Wettbewerbsfaktor für produzierende Unternehmen dar, da sie die Realisierung einer neuen Form der intelligenten, d.h. selbst-optimierenden, Produktion ermöglichen. Die Entwicklung konkreter Optimierungsansätze ist von hoher Komplexität geprägt und ist auf die jeweilige Anwendungsdomäne zuzuschneiden.

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Die datengetriebene Optimierung von Nacharbeitsprozessen bildet die zentrale Fragestellung dieses Forschungsprojekts. Der Fragestellung steht die Hauptaussage gegenüber, dass sich mittels adäquater Anwendung von Data-Mining-Verfahren Nacharbeitsprozesse aus der Montage datengetrieben optimieren lassen. Die Aussage ist auf der Arbeitshypothese begrün-det, dass heterogene IT-Systeme von Industrieunternehmen Daten beinhalten, aus denen sich Muster und Trends erkennen lassen, sodass es möglich ist, proaktiv Handlungsempfehlungen für Reparaturarbeiten vorzuschlagen.

Im bisherigen Verlauf des Projekts wurden Datenquellen identifiziert und einer Qualitäts-prüfung unterzogen. Daneben stehen die Datenvorverarbeitung, Initiativen zur Verbesserung der Datenqualität sowie die Schaffung organisatorischer Rahmenbedingungen im Vorder-grund.

Thema C2-008: Apps im Engineering

Doktorandin: Dipl.-Inf. Eva Hoos

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS), Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI - Abt. VIII)

Dr. Stefan Kramer (Daimler AG)


Zusammenfassung

Anwendungen auf mobilen Endgeräten wie Tablet-PCs und Smartphones, sogenannte Apps, sind in den letzten Jahren zu einem Kernbestandteil des digitalen Lebens vieler Konsumenten geworden. Sie können jederzeit und überall eingesetzt werden, sind intuitiv bedienbar und die Geräte verfügen über zahlreiche Sensoren, die kontextsensitive Anwendungen ermöglichen. Diese charakteristischen Eigenschaften machen Apps auch für den Einsatz im Engineering interessant. Gleichzeitig stellt der effektive und effiziente Einsatz von Apps neue Anforde-rungen u.a. an IT- und Unternehmensarchitekturen, Software-Entwicklungsmethoden und Daten-Management-Konzepte.

Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines IT-Rahmenwerks für den Einsatz von Apps im Engineering, also in der Produktentwicklung und Prozessplanung. Auf der Basis von App-orientierten Potenzialuntersuchungen und Anwendungsfallanalysen sind Anforderungen für den zielorientierten App-Einsatz zu ermitteln und umzusetzen. Hierfür wurde die Methode „ValueApping“ entwickelt, um wertschöpfende Anwendungsfälle für mobile Apps zu identifi-zieren, und auf Engineering Prozesse angewandt (siehe Abbildung 29).

Ein Kernbestandteil des IT-Rahmenwerks ist ein Mechanismus, der es ermöglicht, kontext-bezogene Engineering-Daten mobil bereitzustellen. So werden beispielsweise dem Werker in der Fabrikhalle genau die Informationen bereitgestellt, die er zur Ausführung seiner Arbeit benötigt. Der Kontext wird basierend auf Sensoren, die sich sowohl in der Fabrikhalle als auch im mobilen Gerät befinden, erkannt. Abhängig davon werden dann die Engineering-Daten aus den verschiedenen IT-Systemen akquiriert und dem Anwender bereitgestellt.

60

Abb. 29: Bewertung der Nützlichkeit von Engineering-Aktivitäten mit Hilfe der ValueApping Methode. Aktivitäten, die sich im Quadranten „flexible & easy-on-the-go“ befinden, können durch Apps optimiert werden.

Thema C2-001: Product Life Cycle Analytics – Analytics der nächsten Generation auf strukturierte und unstrukturierte Daten

Doktorandin : M. A. Laura Bernadette Kassner

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Frank Leymann (IAAS) Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)


Zusammenfassung

Dieses Forschungsprojekt entwickelte eine Lösung für die integrierte Analyse von strukturierten und unstrukturierten Daten mit besonderem Fokus auf unstrukturierten Text-daten. Dabei entstanden das Konzept Product Life Cycle Analytics und eine Referenz-architektur zur Verwirklichung dieses Konzepts. In diesem Rahmen wurden drei Forschungs-ziele untersucht:

(1) Die Unterstützung von Analyseaufgaben auf unstrukturierten und strukturierten Daten, die bisher von Menschen vorgenommen werden. Dazu wurde in Kooperation mit der Daimler AG eine IT-Lösung zur teilautomatischen Klassifikation von schadhaften Bauteilen im Aftersales-Bereich implementiert.

(2) Neuartige Analyseszenarien, die bisher aufgrund der großen Menge und Heterogenität insbesondere von Textdaten nicht untersucht werden können. Dazu wurden Machbar-keitsstudien beim Industriepartner durchgeführt.

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(3) Die Integration des Menschen in die Smarte Fabrik von Industrie 4.0 unter Nutzung unstrukturierter Daten. Dazu wurde das Konzept der Sozialen Fabrik entwickelt, in der Mensch und Maschine als gleichberechtigte Akteure auftreten und sprachbasiert miteinander kommunizieren können, sowie ein Prototyp implementiert.

Im Forschungsjahr 2016 wurde das vorliegende Forschungsprojekt durch Verfassen und Einreichen der Dissertation zum inhaltlichen Abschluss gebracht; die Verteidigung wird 2017 erfolgen.

Abb. 30: Anwendungsbeispiel und zentrale Komponenten der Sozialen Fabrik (aus: Kassner, Laura; Hirmer, Pascal; Königsberger, Jan; Wieland, Matthias; Steimle, Frank: The Social Factory: Connecting People, Machines & Data in Manufacturing for Context-Aware Exception Escalation. In: Proceedings of the 2017 50th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), 2017)

Thema C2-014: Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produktlebenszyklus – Data Quality across the Product Life Cycle

Doktorandin: M. Sc. Cornelia Kiefer

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Frank Leymann (IAAS)


Zusammenfassung

Heutzutage kann Wissen aus strukturierten und unstrukturierten Daten automatisch extrahiert werden, wodurch die datengetriebene Fabrik zu einer greifbaren Vision für die Zukunft wird. Basis hierfür sind jedoch Daten von hoher Qualität. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, Methoden zur Messung und Verbesserung der Qualität von strukturierten und unstrukturierten

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Daten im Produktlebenszyklus zu entwickeln. Hierzu wird ein Framework entwickelt und implementiert, das die folgenden Anforderungen erfüllt:

Für ausgewählte Fälle echtzeitnahe Messung und Verbesserung der Datenqualität Messung der Datenqualität nach jedem relevanten Analyseschritt von der Datenquelle

bis hin zum Nutzer des extrahierten Wissens Messung und Verbesserung der Qualität von strukturierten und unstrukturierten

Datentypen

2016 wurden folgende Schritte unternommen: In einem ersten Schritt wurde die Qualität von unstrukturierten Daten wie z.B. Textdaten, Bildern und Videos erforscht und die Ergebnisse veröffentlicht. Weiterhin wurden Anforderungen an ein Datenqualitätsframework für die daten-getriebene Fabrik definiert und im Rahmen eines gemeinschaftlichen Papers über eine IT-Architektur für die datengetriebene Fabrik der Zukunft veröffentlicht. Die Arbeit an einzelnen Aspekten des Datenqualitätsframeworks wurde in mehreren Projekten vorangetrieben und dauert an.

Abb. 31: Messen und Verbessern der Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten in jedem Schritt

Thema C2-007: Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus

Doktorand: Dipl.-Inf. Jan Königsberger

Thesis Committee: Prof. Dr.- Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI)

Dr. Hans-Peter Steiert (Daimler AG)


Zusammenfassung

Zunehmende Globalisierung und dadurch steigende Konkurrenz sowie kundenindividuelle Massenfertigung erfordern es heutzutage, dass insbesondere die fertigende Industrie ihre IT-Systeme schnell an sich ändernde Marktbedingungen anpassen muss. Dazu setzen Organisationen zunehmend auf serviceorientierte Architekturen, die viele Vorteile in Hinsicht auf Flexibilität, Agilität und Wiederverwendung bieten. Die sich daraus ergebenden prozes-sualen als auch organisatorischen Herausforderungen führten aber in der Vergangenheit zum Scheitern vieler dieser SOA Initiativen.

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Daher ist das Management aller Aspekte einer SOA durch Governance, also der Definition und Überwachung von Prozessen, Regeln und Richtlinien, absolut unverzichtbar. Allerdings decken aktuelle Ansätze zur SOA Governance nicht alle Anforderungen komplett ab, was einen vollumfänglicheren Blick auf die SOA Governance erfordert.

Abb. 32: Architektur des SOA-Governance-Repositories (aus: Königsberger, Jan; Mitschang, Bernhard: A Semantically-enabled SOA Governance Reposi-tory. In: IEEE Computer Society (Hrsg): Proceedings of the 2016 IEEE 17th International Conference on Information Reuse and Integration, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, July 28-30, 2016)

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines Konzepts für eine IT-Unterstützung der SOA Governance. Dazu wurde nach einer Anforderungsanalyse für ein SOA-Governance-Repository zur durchgängigen Verwaltung von SOA-Artefakten, dieses prototypisch umge-setzt und in weiteren Iterationen mit Semantic-Web-Technologien erweitert (Abb. 32 zeigt die Architektur des Systems). Dieser Prototyp dient nun dazu, Lösungsansätze für angewandte Probleme umzusetzen und zu evaluieren.

Dazu wurden Konzepte zur automatischen Generierung von REST-Services, zur Unterstüt-zung des Testens von koordinierten Service-Releases sowie ein Konzept für ein Management-Dashboard entworfen und implementiert.

Thema C2-003: IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing – Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle

Doktorandin: M. Sc. Michelle Moisa

Thesis Committee: Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI)


Zusammenfassung

Additive Manufacturing (AM) fasst verschiedene generative Fertigungsverfahren zusammen, die sich für den industriellen Einsatz von Endprodukten qualifiziert haben. Technologiespezi-fische Besonderheiten, wie die hohe Konstruktionsfreiheit, ermöglichen die Neuausrichtung von Geschäftsmodellen und beeinflussen den gesamten Produktentstehungs- und -nutzungs-prozess (s. Abb. 33).

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Industrieunternehmen sind mit der Fragestellung konfrontiert, wie sie sich in AM-basierten Wertschöpfungsketten positionieren und wie ihre prozessualen, informationstechnischen, organisatorischen und personellen Unternehmensressourcen daraufhin auszurichten sind. Durch Bündelung dieser Unternehmensressourcen können Capabilities (Fähigkeiten) benannt werden, die als Entscheidungsgrundlage für unternehmerische Entwicklungsaktivitäten heran-gezogen werden können.

Abb. 33: Produktentstehungs- und -nutzungsprozess im Additive Manufacturing

(in Anlehnung an [1] und [2])

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und prototypische Umsetzung eines Capability-basierten Konzepts zur Unterstützung von Industrieunternehmen beim Einsatz von AM. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden die oben genannten Auswirkungen untersucht, woran sich die Erhebung von Konzeptanforderung mittels Experteninterviews und eines Use Case anschloss. Die Anforderungen werden derzeit in ein Lösungskonzept überführt und anhand eines IT-basierten Prototyps veranschaulicht. Im Anschluss wird das Konzept praxis-nah evaluiert.

[1] Lasi, H.; Morar, D. und Kemper, H.-G.: Additive Manufacturing – Herausforderungen für die gestaltungsorientierte Wirtschaftsinformatik, MKWI 2014, 25.-28.02.2014, Paderborn

[2] Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren, 4. Aufl., Hanser-Verlag, München 2013

Thema C2-005: Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion

Doktorand: M. Sc. Naresh Nayak

Thesis Committee: Prof. Dr. Kurt Rothermel (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Mitschang (IPVS) Prof. Dr.-Ing Bauernhansl (IFF)


Zusammenfassung

Vernetzte Regelungssysteme sind zentraler Bestandteil der modernen, automatisierten Fertigung. Sie kontrollieren hierbei Fertigungsanlagen, bestehend aus Maschinen, Robotern, Transportvorrichtungen usw. mit Hilfe von verteilten und vernetzten Sensoren und Aktoren.

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Die zu kontrollierenden Systeme sind im Allgemeinen zeitsensitiv und erfordern daher die strikte Einhaltung von Obergrenzen bezüglich Kommunikationsverzögerungen (250 µs – 1 ms) und der Varianz der Verzögerung (< 1 µs).

Abb. 34: Erweiterungen des IEEE 802.1 Standards für zeitsensitiven Verkehr Bisher wurden zu diesem Zweck dedizierte Feldbusse eingesetzt, die allerdings nicht zueinander kompatibel sind. Mit der IEEE Time-sensitive Networking (TSN) Task Group und der IETF Deterministic Networking Working Group haben sich daher zwei große Standardi-sierungsgremien das Ziel gesetzt, echtzeitfähige Kommunikationsnetze zu standardisieren. Strikt begrenzte Kommunikationsverzögerung wird dabei durch zeitgesteuerte Scheduling-Mechanismen in den Netzwerkelementen (Switches und Router) garantiert, die vor allem nicht deterministische Verzögerungen durch die Pufferung von Paketen eliminieren.

Ziel dieses Forschungsprojekts sind optimierte Verfahren zur Berechnung von Schedules zur Steuerung der Weiterleitung von Paketen unter gegebenen harten Echtzeitanforderungen. Einerseits werden hierzu Scheduling-Verfahren betrachtet, die nur den Sendezeitpunkt von Paketen auf den Endsystemen (Hosts) kontrollieren. Andererseits wird die Berechnung von Schedules für IEEE 802.1Qbv Switches in Time-sensitive Networks (TSN) betrachtet.

Thema C2-011: Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraumfiltern mit Fokus auf Elektretfasern

Doktorandin: Dipl.-Ing. Carolin Schober

Thesis Committee: Prof. Dr. Miriam Mehl (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT)


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Zusammenfassung

Die Performance von Innenraumfiltern kann durch das Aufbringen elektrostatischer Ladungen signifikant gesteigert werden. Um Filtermedien jedoch optimal aufzuladen, ist es von essen-tieller Bedeutung, die zusätzlich wirkenden Abscheidemechanismen (Elektret-Effekte) im Detail zu verstehen. Im Gegensatz zu realen Experimenten liefern simulationsgestützte Untersuchungen in Bezug auf Partikelbewegungen auf der Mikroskala hier deutlich mehr Information.

Abb. 35: Partikelverhalten in einem System aus positiv und negativ geladenen Partikeln Eine möglichst präzise Berechnung der realen Filtrationseigenschaften erfordert eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Simulation. Daher wurde im Rahmen dieses Forschungsprojekts die Molekulardynamik, ein grundlegend neuer Ansatz in der Filtration, gewählt. Die verwendete Software ESPResSo liefert sowohl mit den Ergebnissen einer Kontinuumsmechanik-Software als auch mit publizierten Daten sehr gute Übereinstimmung bei der Betrachtung der Partikelabscheidung eines einzelnen Partikels. Der eigentliche Vorteil der Molekulardynamik, die Vier-Wege-Kopplung, wurde in diesem Simulationsmodell jedoch noch nicht ausgenutzt, da lediglich Trajektorien eines einzelnen Partikels analysiert wurden. Im nächsten Schritt wurden daher die interpartikulären Wechselwirkungen in den Fokus gestellt. Im Hinblick auf die Filtration spielen hier vor allem elektrostatische und van-der-Waals-Kräfte eine wichtige Rolle. In Abhängigkeit der Partikelladung und -konzentration konnten für dieses Szenario unterschiedliche Partikelverhalten beobachtet werden.

Thema C2-B4: Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber

Doktorand: Dipl.-Ing. Bo Shen

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT)


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Zusammenfassung

Das Verständnis und die Vorhersage von Zerstäubung, Tropfentransport, Verdampfung und Tropfenkoaleszenz sowie die Gesamtmodellierung von Sprühsystemen sind von großer Bedeutung für den Beschichtungsvorgang durch Sprühlackieren mit Flüssigkeitstropfen. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anforderungen an eine hohe Beschichtungsqualität in der Automobilindustrie erweist sich die numerische Simulation als eine wichtige Methode zur Vorhersage und Optimierung des Spritzlackierprozesses.

Die Zerstäubung ist der zentrale Vorgang bei der Spritzlackierung und besteht im Prinzip aus dem Primär- und dem Sekundärzerfall. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der Primär-zerfall des Flüssigkeitsstrahls durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl unter-sucht. Der Einfluss des Zerstäubungsgases wurde zuvor diskutiert. Anschließend wurden Lack- und Wasserstrahlen, die durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zerlegt wurden, numerisch simuliert. Die Abhängigkeit der dimensionslosen Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls vom dynamischen Druckverhältnis wurde ermittelt. Daraus wurden die Bedingungen für eine effiziente Zerstäubung hergeleitet. Der Einfluss der Viskosität der Flüssigkeit auf die Zerstäubung war durch den Vergleich des Zerfalls von Lack- und Wasser-strahl zu beobachten. Der Einfluss der Hornluft auf die Zerstäubung wurde in der Simulation ebenfalls untersucht.

Thema C2-002: Ressourcengetriebene Auflösung und Erreichung der organisatorischen Ziele

Doktorand: M. Sc. Celal Timurhan Sungur

Thesis Committee: Prof. Dr. Frank Leymann (IAAS) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII)


Zusammenfassung

Angesichts steigender Nachfrage nach Individualisierung der Produkte nimmt die Wichtigkeit der menschenzentrierten Geschäftsprozesse zu, da diese gebraucht werden, um individuelle Lösungen darzustellen. Diese zunehmende Nachfrage erhöht den Bedarf nach einem Ansatz zur Modellierung und zur Wiederholbarkeit der Ergebnisse von menschenzentrierten Geschäftsprozessen. In dieser Arbeit stellen wir den neuen Ansatz Informal Process Essen-tials vor (s. Abb. 36), bei dem menschenzentrierte Geschäftsprozesse durch ihre Ressourcen modelliert werden. Außerdem untersuchen wir, wie die vorher nicht berücksichtigten Ressourcen, beruhend auf den bereits vorhandenen Ausführungen der menschenzentrierten Geschäftsprozesse, identifiziert werden. Dafür werden Interaktionen zwischen Ressourcen analysiert und bestimmte Schlussfolgerungen gezogen. Um den Wichtigkeitsgrad der unter-schiedlichen Ressourcen und der automatisierten Bereitstellung der Ressourcen festzulegen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Umfrage mit 416 Personen durchgeführt.

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Abb. 36: Überblick über den Ansatz Informal Process Essentials

Thema C2-B17: Optimizing Embossing of Pleated Filters by Fluid-Structure Simulation of Virtual Prototypes

Doktorand:

Thesis Committee:

E-Mail:

M. Sc. Alexander Traut

Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMV) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)

[email protected]

Zusammenfassung

Fahrzeugfilter schützen die Komponenten eines Motors unter verschiedensten Betriebs-bedingungen vor einem vorzeitigen Verschleißen oder einer Beschädigung durch Partikel. Bei der Weiterentwicklung und Optimierung der Filterelemente gewinnt dabei, u.a. durch steigende Anforderungen an deren mechanische Stabilität, die wechselseitige Beeinflussung von Strömung und poröser Filterstruktur zunehmend an Bedeutung.

Für das Forschungsprojekt wurde hierfür eine Simulationsmethode zur Kopplung von Fluid und Filterstruktur, basierend auf einem partitionierten Ansatz, entwickelt. Dabei wird die strömungs- und strukturmechanische Richtungsabhängigkeit des Filtermediums berück-sichtigt. Weiterhin dient ein vereinfachtes Beladungsmodell zur virtuellen Abbildung der Staub-einlagerung. Simulationen an Hand eines symmetrischen Faltenmodells unter Berücksichti-gung der neuen Methode zeigen deutlich, dass bereits geringe Beladungszustände zu einer signifikanten Erhöhung des lokalen Strömungswiderstands führen und somit überproportio-nale Verformungen des Filtermediums auftreten können.

Zur Validierung der Simulationen wurde ein neues Messsystem entwickelt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die neue Simulationsmethode kann somit zukünftig im Rahmen der Weiterentwicklung und Optimierung von gefalteten Filtermedien eingesetzt werden.

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Abb. 37: Fluid-Struktur-Interaktion bei einer angeströmten, virtuellen Filterfalte „von links nach rechts“ für verschiedene Beladungszustände mit Staub. Visualisierung des Druckfelds und der daraus resultierenden statischen Deformation.

Thema C2-015: Datengetriebenes Wissensmanagement in Industrie-unternehmen

Doktorand: M. Sc. Christian Weber

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)


Zusammenfassung

Datengetriebene Analysedienste sowie die Integration und Bereitstellung des damit generierten Wissens stellen zentrale Wettbewerbsfaktoren für Industrieunternehmen dar. Sie ermöglichen die Entwicklung neuer datengetriebener Geschäftsmodelle sowie die Realisierung einer neuen Form der intelligenten, selbststeuernden und selbstoptimierenden Produktion.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Konzeption und prototypische Implementierung einer IT-Plattform für das datengetriebene Wissensmanagement in Industrieunternehmen. Dazu sollen initial Analyseszenarien und Wissensartefakte für den Anwendungsbereich der Fertigung definiert werden. Auf dieser Basis erfolgt dann die Entwicklung einer technischen Architektur der IT-Plattform für das datengetriebene Wissensmanagement. Hierbei werden in einem interdisziplinären Ansatz neben den zentralen informationstechnischen Fragestellungen aus den Bereichen Datenmanagement und Datenanalyse auch Aspekte der Fertigungs- und Produktionstechnik sowie des Wissensmanagements berücksichtigt. Die Zielgruppe der Platt-form bilden Produktionsleiter und Werker.

Im Berichtsjahr wurden Referenzarchitekturen für Industrie 4.0 untersucht, um relevante Architekturbausteine für die IT-Plattform zu identifizieren.

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Thema C2-020: Cognitive Computing for Smart Manufacturing – Datengetriebene Analysetechniken in der Produktion

Doktorand: M. Sc. Alejandro G. Villanueva Zacarías

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT)


Zusammenfassung

Die fortschreitende Digitalisierung und Vernetzung der Produktion führt zu einer enormen Menge an strukturierten und unstrukturierten Daten, die das Potenzial für neuartige daten-getriebene Analyseansätze bieten.

Im vorliegenden Forschungsprojekt werden neue Analysetechniken in Bezug auf die Merkmale der Daten und die Anwendungsbedürfnisse untersucht. Dazu sollen diese Merkmale und ihre Auswirkungen auf verschiedene Algorithmen erfasst werden. Ein weiterer Forschungs-schwerpunkt ist die systematische Leistungsevaluierung der resultierenden angepassten Algorithmen. Die Ergebnisse der Evaluierung sollen durch Visualisierungen effektiv kommu-niziert werden, damit die Entwicklung von neuen strategischen Analysediensten möglich wird.

Abb. 38: Konzeptionelle Architektur einer Klassifizierungskonfiguration im Bereich Text Analytics (links) und Visualisierung der Variabilität zwischen unterschiedlichen Konfigurationen (rechts). Farben bezeichnen Klassifizierungskonfigurationen mit der gleichen Kombination von Algorithmus und Datendarstellung.

Thema C2-004: Flexible FPGA-based Development and Test Platform

Doktorand: Dipl.-Ing. Jianxiong Zhang

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA)


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Zusammenfassung

Typical characters of today's economy are increased competition; faster product development and increased product differentiation which require product lifecycles become shorter and shorter. However, the complexity of information system increases drastically. As a consequence an adequate test platform for high-speed data converter is mightily needed. With such test platform a product/information system can be developed and optimized faster.

UART RX

UART TX

UIMP Decoder

UIMP Encoder

Address de/encoder

Command de/encoder

Controller

GTTXInterface

GTRX Interface

GTTX

GTRX

DUT Configuration

Sync. unit

USB/UARTBridge

DUT

Dynamic Configuration

PRBS Generator

FPGA components

On-board components

Device under test

64-bit internal bus

Abb. 39: Block Diagram of the Test Platform The hardware structure of the test platform is successfully implemented in the FPGA as shown in Abb.39. The micro instructions are well designed and the communication protocol is clearly defined and implemented in the test platform. The USB interface for communication with PC is improved to 2 MBps (now is 115 KBps) but is not integrated in the test platform for some technical reasons. A 6 GSps ADC is tested with the platform and it works very well. The software of the platform is developed in Matlab. The library for the communication with the hardware are developed and tested. It works properly.

Our colleagues of INT have developed a Pulse Position With Modulator chip last year. And the test requires 11 high speed channel as source. The test platform will be used as a major test equipment to test the Chip.

3.4 Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (IAT)

E-Mail: [email protected] [email protected]

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Entwicklung des Clusters D2

Das Forschungscluster D2 befasst sich mit neuen Technologien und Dienstleistungen als wesentliche Treiber für Innovationen, neue Produkte und verbesserte Produktionsprozesse. Die thematischen Schwerpunkte des Forschungsclusters D2 liegen in den Bereichen „new forms of added value“, „innovative organizational and business models“ sowie „industrialization of the service economy”. Sie werden in drei laufenden Dissertationsvorhaben konkretisiert.

Das Dissertationsvorhaben „Entscheidungsfindung zur Entwicklung produktionsunterstützen-der Service-Konzepte“ widmet sich einer ausgewählten, konkreten Fragestellung, die die beiden erstgenannten Themenschwerpunkte vereint. Der thematische Schwerpunkt „indus-trialization of the service economy” adressiert die Vielzahl und Vielfalt der vorhandenen Daten im Unternehmen, die bei einer intelligenten Verknüpfung eine prospektive Möglichkeit bieten, schnell neue Dienstleistungen bzw. Produkt-Dienstleistungskombinationen zu generieren. Wissensmanagement und neue Technologie wie Web 2.0 und semantische bzw. ontologie-basierte Systeme können hierzu einen wesentlichen Beitrag leisten. Zur Unterstützung der Forschungen wurde ein Auslandaufenthalt an der Stanford University durchgeführt. Die Forschungen zu diesem Vorhaben wurden Ende 2016 abgeschlossen.

Ein Thema zur Erforschung der Kompetenzförderung und des Know-how-Transfers älterer Beschäftigter in Verwaltungsbereichen im Kontext des demografischen Wandels in Koopera-tion mit der Daimler AG wurde kontinuierlich bearbeitet und weiterentwickelt. Erwartet werden hieraus Gestaltungsansätze für soziale Interaktionen eines verbesserten Transfers von Erfahrungswissen im Bereich von Produktionsplanungsprozessen.

Im Kontext des bevorstehenden Wandels der Automobilindustrie hin zur Elektrifizierung, verbunden mit globalen Anforderungen an die E-Maschinenproduktion, fokussiert sich ein neu aufgenommenes Forschungsthema auf Ansätze zur Kostenmodellierung der Wertschöpfungs-kette von elektrischen Maschinen unter spezifischen Produktionsbedingungen.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters D2





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Stand 31.12.2016

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters D2


D2-001

Entscheidungsfindung zur Entwick-lung produktionsunterstützender Service-Konzepte


Eva Maria Grochowski

DFG Prof. Spath/ Prof. Bauer

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D2-008

Entwicklungsbegleitende Kosten-modellierung der Wertschöpfungs-kette von in China zu produzierenden elektrischen Maschinen


Jing Zhang

Robert Bosch GmbH

Prof. Spath

D2-011

Auswirkungen der Digitalisierung auf das Management von Produktlebens-zyklen am Beispiel „Vernetzter Fahr-zeuge“

aus-geschrieben

DFG Prof. Spath

D2-006

Gestaltungsansatz für Kollabora-tionen zum Transfer von Erfahrungs-wissen in der Produktionsplanung


Daniela Baumhauer

Daimler AG Prof. Herzwurm


Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster D2

Thema D2-006 Gestaltungsansatz für Kollaborationen zum Transfer von Erfahrungswissen in der Produktionsplanung

Doktorandin: Dipl.-Oec. Daniela Baumhauer

Thesis Committee: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr. Sabine Pfeiffer (Uni Hohenheim) Dipl.-Ing. Oskar Heer, Daimler AG E-Mail: [email protected]

Zusammenfassung

Der demografische Wandel in der Gesellschaft kennzeichnet sich durch eine höhere Sterblich-keitsrate gegenüber der Geburtenrate aus. Dies wirkt sich langfristig auf eine kleinere Anzahl an nachkommender Bevölkerung und damit auf ein niedrigeres Erwerbspersonenpotenzial aus. Bis zum Jahre 2030 wird eine große Anzahl von Personen einer Kohorte (Bezeichnung für Generation) aus dem Arbeitsleben ausscheiden. In dieser Kohorte befinden sich Erfahrungsträger, die über wettbewerbsrelevantes Erfahrungswissen verfügen.

Erfahrungswissen stellt eine immaterielle Ressource dar. Aus ressourcenorientierter Sicht (Penrose 1959; Wernerfelt, 1984; Grant 1991) werden insbesondere Ressourcen wie Wissen und die Verankerung des Wissens in organisationalen Prozessen als wertvoll erachtet. Die richtige Bündelung und Organisation von Ressourcen schafft schwierig zu imitierende, nachhaltige Wettbewerbsvorteile für Unternehmen (Fransman 1998, Nelson 1991).

Die Ressource Erfahrungswissen ist durch eine explizite und implizite Dimension charak-terisiert. Das implizite Wissen wird durch soziale Interaktion und durch eigene Erfahrungen im Arbeitsprozess erworben. Es liegt zumeist in verborgener Form vor und ist schwer zu expli-zieren. Erst durch Handlungen wird es sichtbar (Polanyi 1958, Böhle 1989, Nonaka&Takeuchi 1995, Leonhard et al. 1998).

Heutzutage stellt der Transfer von implizitem Wissen noch immer eine Herausforderung für Organisationen dar. Einen Weg zur Externalisierung von implizitem Wissen beschreibt das SECI-Modell von Nonaka&Takeuchi (1994). Durch soziale Interaktion (Sozialisation) ist es

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möglich, das Wissen mit den verhaltensorientierten, kognitiven sowie physischen Facetten (Leonhard et al. 2014) zu externalisieren und damit anderen Individuen zugänglich zu machen.

Der Wissenstransfer zwischen Individuen bietet Organisationen die Möglichkeit, Wissen zu nutzen und zu kapitalisieren (Cabrera 2005, Davenport&Prusak 1998). Die Sozialkapital-theorie (Nahapiet&Ghoshal,1998) zeigt einen Weg, um aus Sozialkapital (= kognitive, organi-sationale und relative Elemente) neues Wissen zu schaffen und zu transferieren. Hierdurch kann neues, intellektuelles Kapital (=Wissen) für die Organisation angehäuft werden (s. Abb. 40).

Abb. 40: Wissenstransfer beschrieben durch die Sozialkapitaltheorie Ziel der Forschungsarbeit ist ein Gestaltungsansatz für Zusammenarbeitsformen, die Organisationen dabei unterstützt, einen erfolgreichen Wissenstransfer zu etablieren. Die Ressource Erfahrungswissen soll durch diesen Weg zwischen Wissensquelle und Wissens-empfänger transferiert werden.

In der Forschungsarbeit wird untersucht, welche Wirkungsweise das Erfahrungswissen für die erfolgreiche Ausübung von Arbeitsprozessen spielt. Darauffolgend wird geprüft, welche Formen der Zusammenarbeit für den Transfer von Erfahrungswissen genutzt werden können und schließlich wird bestimmt, von welchen strukturellen und kulturellen Faktoren ein erfolg-reicher Wissenstransfer zwischen Wissensempfänger und Wissensquelle abhängt (Szulanksi 1996, Porschen 2008).

Untersuchungsgegenstand ist die Produktionsplanung (Dangelmaier 2009) der varianten-reichen Serienfertigung im Automobilbereich. In diesem Funktionsbereich verfügen die Erfahrungsträger über Wissen, das entscheidend dazu beiträgt, das entwickelte Produkt unter optimalen Produktionsbedingungen herzustellen.

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Thema D2-001: Entscheidungsfindung zur Entwicklung produktions-unterstützender Service-Konzepte

Doktorandin: M. Sc. Eva Maria Grochowski

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME)


Zusammenfassung

Der Erfolg der deutschen Automobilindustrie hängt von ihrer Rolle als Technologieführer ab. Der steigende globale Wettbewerb, Variantenvielfalt, Marktsättigung in der Triade, Klimapolitik und Verknappung der Ressourcen treiben den Wandel der Industrie voran. Die zentralen Themen sind Emission, Verbrauch, Gewicht und zunehmend Konnektivität, Antriebskonzepte und Autoarchitekturen. Diese Themen betreffen Technologien der gesamten Wertschöpfungs-kette. Die Schaffung notwendiger Innovationen benötigt eine enge Zusammenarbeit innerhalb der Branche und darüber hinaus.

Mit der Förderinitiative „Forschungscampus“ hat das BMBF bereits 2013 eine Basis für die kooperative Forschung und Entwicklung geschaffen. Ein Ziel der Forschungscampusse ist die Integration von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU). Sie unterscheiden sich jedoch deutlich von den Strukturen, Prozessen und der Kultur großer Unternehmen.

Ziel dieses Forschungsprojekts ist ein Verhandlungsmodell, das den Gesamtnutzen der Kooperationspartner optimiert. Es basiert auf nicht-kooperativen als auch kooperativen spiel-theoretischen Modellen. Im Forschungscampus ARENA2036 wurden anhand einer Fallstudie bereits 16 relevante Kriterien für potentielle Partner ermittelt und bewertet. Die Bewertung zeigt die Sicht des Forschungscampus. Im nächsten Schritt wird die Sicht verschiedener KMU untersucht.

Thema D2-008: Entwicklungsbegleitende Kostenmodellierung der Wert-schöpfungskette von in China zu produzierenden elektrischen Maschinen

Doktorandin: M. Sc. Jing Zhang

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT), Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (IAT), Prof. Dr. Andreas Größler (BWI)


Zusammenfassung

Die Elektrifizierung der Individualmobilität hat sich in den letzten Jahren beschleunigt. Als der größte Markt für die Elektromobilität hat China Anfang 2016 den neuen 5-Jahres-Plan veröffentlicht, der auch zukünftige Schwerpunkte hinsichtlich elektrischer Komponenten für Elektrofahrzeuge setzt.

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Als ein wesentliches Element im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen hat die elektrische Maschine (EM) und ihre lokale Produktion in China erhebliche Relevanz, da die Produktions-fähigkeit das Designkonzept einer EM beeinflusst. Deshalb ist es wichtig, ein fertigungs-technikbasiertes parametrisches Kostenmodell speziell für die in China zu produzierenden EM von Elektrofahrzeugen zu untersuchen und herauszuarbeiten, um ein Designkonzept, d.h. die geometrischen Konstruktionsparameter und die elektrischen Parameter in der Frühentwick-lungsphase unter Berücksichtigung der in China geltenden Besonderheiten hinsichtlich der Produktionsfähigkeit und der Kostendaten möglichst präzise und frühzeitig bewerten zu können.

Die Forschungsarbeit befindet sich aktuell in der Recherchephase zum Stand der Wissenschaft und Technik. Durch bereits vorliegende Analysen zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten ist ersichtlich, dass ein für China geeignetes Kostenmodell nicht existiert. Ein erster Lösungsansatz für ein Modell wurde bereits konzipiert. Als nächste Schritte sind geplant, einzelne Modellbausteine der Subkomponenten einer EM zu untersuchen.

3.5 Cluster E2 – Material und Prozessengineering

Clusterdirektor: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow


Entwicklung des Clusters E2

Die über die letzten Jahre eingeschlagene Strategie der thematischen Weiterentwicklung des Clusters wurde fortgeführt. Insbesondere stehen derzeit Forschungsfragen im Bereich der Prozessmechanismen auf den Gebieten der Beschichtungstechnik, von der Lackierung bis zu keramischen Funktionsschichten, sowie der Lasertechnik und deren Führung, Überwachung und Regelung im Fokus. Dies schließt Herstellung, Verarbeitung und Wiederverwertung von Werkstoffen ein. Ziel ist es dabei, detailliertes Prozesswissen aus Simulationen, neu entwickel-ten Prozessmonitoring-Methoden und Parameterstudien zu gewinnen und miteinander zu verknüpfen. In diesem Kontext wird beim zu erwerbenden Prozesswissen die jeweilige Energieeffizienz in den zu entwickelnden oder angewandten Prozessen mitbetrachtet.

In einer Analyse der Maschinenbaubranche [Commerzbank 2014] wird die technologische Spitzenstellung (zu 97 % Innovationsführer oder frühe Innovationsfolger) [VDMA-McKinsey 2014] des deutschen Maschinenbaus als wesentlicher Faktor in der wirtschaftlichen Chancen-wahrung beschrieben. Diese gilt es abzusichern, um letztlich den ungünstigen Wirkungen von Faktoren wie steigenden Personalkosten, künftig wieder steigenden Energiekosten, möglichen Absatzrückgängen in Emerging Markets usw. permanent entgegentreten zu können. Um diese Spitzenstellung zu halten, ist es erforderlich, die Ergebnisse von Forschung und Entwicklung in kontinuierlich erzeugten Innovationen umzusetzen. Dass diese Erkenntnis von der Industrie ernstgenommen wird, zeigt sich beispielsweise daran, dass sich im Jahr 2015 die Innovations-leistung der deutschen Wirtschaft bei fast allen Indikatoren verbessert hat. [ZEW2017]

Von großer Bedeutung für Innovation und industrielle Wertschöpfung sind dabei die Verfahren der Oberflächentechnik und hier insbesondere die Beschichtungstechnik. Denn die Ober-flächeneigenschaften eines Produktes charakterisieren oft dessen Funktionalität, Leistungs-fähigkeit und Einsatzfähigkeit. Beispiele: Dünnschichten in der Kommunikationstechnik, die

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biokompatible Beschichtung medizinischer Implantate sowie der Verschleiß- und Korrosions-schutz an Werkzeugen und Bauteilen, letzterer konkretisiert z.B. an tribologischen Beschich-tungen von Zylinderlaufflächen in Hochleistungsmotoren in Leichtbauweise. Die Forschungs-tätigkeiten erschließen hier neue Anwendungsfelder oder ermöglichen den Ersatz herkömm-licher Techniken durch effizientere oder umweltschonendere Verfahren. So kann durch die Kombination von Lackiertechnik und Plasma-Oberflächentechnik zum Teil die galvanische Glanzverchromung ersetzt werden, wodurch Schwermetallabfälle entfallen. [VDMA 2013]

In der Arbeit von Sebastian Egger wird das Zerstäubungsverhalten von Hohlkegeldüsen untersucht. Dabei liegt der Fokus auf der Untersuchung der Entstehung hydrodynamischer Instabilitäten. Numerische Verfahren um diese abzubilden wurden mittels eines eigens konzi-pierten Versuchsstands validiert und die so gewonnenen Erkenntnisse für die Simulation einer Hohlkegeldüse verwendet.

Rim Zerriaa untersucht die Zerstäubungsvorgänge rheologisch komplexer Fluide, wie es die meisten gebräuchlichen Lacke sind. Hier wurden die Versuchsmedien erfolgreich rheologisch charakterisiert, um grundsätzliche Kenntnisse über den Zerstäubungsvorgang zu erlangen, mit dem Ziel einer Neugestaltung des Zerstäuberkonzepts eines Hochrotationszerstäubers. Martin Plachetta verfolgt in seiner Forschungsarbeit einen Ansatz für die Zerstäubung von keramischen Suspensionen für die Hochleistungsbeschichtungstechnik. In einem Drucktank wird das Zerstäubungsverhalten von keramischen Suspensionen für das Hochgeschwindig-keitssuspensions-Flammspritzen unter Druckbedingungen ähnlich denen der Brennkammer untersucht. Parallel dazu werden fluiddynamische Simulationen eingesetzt, um die Prozesse im Beschichtungsbrenner besser nachzuvollziehen.

Die Stabilität einer Beschichtung hängt stark vom intensiven Wärme- und Stoffübergang beim hochenergetischen Beschichtungsprozess und der daraus folgenden Ausformung der Splats beim Auftreffen auf die Oberfläche ab. Experimentell ist dieser Vorgang aber nur unter sehr großem Aufwand zugänglich, weswegen in der Arbeit von Mohamed El-horiny adaptierbare Simulationsmodelle auf Basis von FEM und CFD entwickelt wurden, die eine Simulation der Vorgänge beim Auftreffen einschließlich der nachfolgenden Verformung und Erstarrung in Abhängigkeit der gewählten Beschichtungsparameter ermöglichen.

In der Arbeit von Venancio Martinez Garcia wurde ergänzend dazu eine theoretisch-nume-rische Methode auf Basis von thermo-mechanischer Prozesssimulation entwickelt, um die Entstehung von Eigenspannungen im Schicht-Substrat-Verbund zu untersuchen. Hierfür wurde ein Makro-Modell durch die Submodelltechnik bis auf die Mikroskala verfeinert.

Tribologische Beschichtungen sind bei Umformwerkzeugen von hoher Bedeutung. Markus Singer entwickelte hierfür eine neuartige Methode zur In-situ-Messung von Rückhaltekräften, um dadurch die Beschreibung des tribologischen Systems zu verbessern und die notwendigen Näherungen für die Modellbildung der Simulation von Tiefziehprozessen zu verringern.

Die Forschungsarbeit des Clusters beschränkt sich dabei nicht auf die Betrachtung von isolierten Prozessen, sondern legt Wert auf deren Einbindung in die Prozesskette und das Verständnis für den Gesamtprozess. Von Interesse ist beispielsweise der Energieaufwand nicht nur des eigentlichen Prozesses, sondern auch der notwendigen Peripherie. Hier setzt die Arbeit von Nils Schmeinck an, der erfolgreich ein numerisches Modell zur Optimierung der Overspray-Abscheidung in der Abluft von Lackierkabinen entwickelte. Hier bietet sich aufgrund des hohen Energieaufwandes für die Führung des Luftstromes ein großes Einsparpotenzial.

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Noch weiter greift die Arbeit von Kamran Taheri, welche eine gesamte Prozesskette betrach-tet. Es wurde ein ganzheitliches Bilanzierungskonzept zur Bewertung von Energieeinspar-potenzialen erarbeitet, das nicht nur die Energiemengen betrachtet, sondern auch die Qualität, d.h. ihre tatsächliche Nutzbarkeit, untersucht und in mehreren Fallstudien bei Industriepartnern angewendet.

Ein weiterer Fokus des Clusters liegt auf der Lasertechnologie. Lara Bauer untersucht das Potenzial von räumlicher und zeitlicher Strahlformung in der Materialbearbeitung und konnte Zusammenhänge zwischen der Energieverteilung und verbesserter Abtragrate sowie verrin-gerter Rückseitenbeschädigung und Kantenschädigung zeigen. In der Arbeit von Daniel Förster wird ergänzend dazu die Strahleinkopplung in das Werkstück durch eine Ausweitung der numerischen Untersuchungen auf detailliertere Ablationsmodelle untersucht und ein Modell zur Beschreibung des Bohrfortschritts entwickelt. Die Arbeit von Alexander Kroschel betrachtet parallel dazu die Einflussfaktoren auf die entstehende Bohrlochform sowie die Bohr-lochqualität, um neue Anwendungsgebiete für das Laserbohrverfahren zu erschließen. Mit der materialabtragenden Wirkung von Lasern beschäftigt sich auch das Projekt von Paul Sieffert. Der Fokus liegt auf der konkreten Anwendung zur Bearbeitung eines Dickschicht-Sensors. Das Forschungsprojekt von Oliver Bocksrocker konzentriert sich auf Festkörperlaser und untersucht die Unterschiede in den physikalischen Mechanismen der Fehlerentstehung bei Schneidprozessen im Vergleich zu handelsüblichen CO2-Lasern anhand der Schneidfront-geometrien. Martin Sommer untersucht am Laserstrahl-Remoteschweißen metallurgische Vorgänge im Schweißprozess an hochfesten Aluminiumlegierungen mit dem Ziel der Serientauglichkeit.

Das Recycling strategischer Metalle wird im Projekt von Johannes Öhl untersucht. Er konzentriert sich dabei auf den Einsatz der Schmelzflusselektrolyse bei niedrigen Tempera-turen zur Rückgewinnung der Bestandteile von Neodym-Eisen-Bor-Magneten, die in nahezu allen Bereichen moderner Elektronik Anwendung finden.

Auch der demographische Wandel wird in der Arbeit des Clusters aufgegriffen. Angesichts einer alternden Gesellschaft sind medizinische Anwendungen wie der 3D-Druck von Knochen-ersatzstrukturen von immer größerer Bedeutung. Steffen Eßlinger legt in seiner Arbeit die Grundlagen für die Einstellung der gewünschten Eigenschaften durch die Betrachtung der Prozesskette von der Pulveraufbereitung bis zur fertigen Struktur.

Im Rahmen der clusterspezifischen Ausbildung hatten die Promovierenden Gelegenheit zur Teilnahme an drei clusterspezifischen Kolloquien. Vortragende waren Dr. Jochen Brand, Dr. Esther Dongmo (Alumna der GSaME) und Dr. Didier von Zeppelin.

Literaturverzeichnis Commerzbank AG (2014): Branchenbericht Maschinenbau 2014, Online verfügbar unter

http://www.vdma.org/documents VDMA-McKinsey (2014): Zukunftsperspektive deutscher Maschinenbau – Erfolgreich in einem dynamischen

Umfeld agieren, Online verfügbar unter https://www.vdma.org/zukunftsperspektive Zentrum für europäische Wirtschaftsforschung (2017): Innovationsverhalten der deutschen Wirtschaft – Indika-

torenbericht zur Innovationserhebung 2016, Online verfügbar unter http://www.zew.de/de/publikationen/zew-gutachten-und-forschungsberichte/ forschungsberichte/innovationen/zew-innovationserhebung/

VDMA (2013): Branchenführer Oberflächentechnik, 7. Auflage, Online verfügbar unter http://ot.vdma.org

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Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters E2

Themen Gesamt DFG Industrie / FhG / HBS




abgeschlossen 1 1 0

drop out 2 2 0

Stand 31.12.2016

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters E2

Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Finanzierung Erstbetreuer

E2-001

Beitrag zur energieeffizienten Elektro-lyse von Neodym in geschmolzenen Chloriden


Johannes Öhl

Fraunhofer IPA

Prof. Bauernhansl

E2-002

Recycling von Technologiemetallen am Beispiel der Seltenerdpermanent-magnete

dropout Daniel Fischer

DFG Prof. Bauernhansl

E2-003

Grundlagen der Strahleinkopplung in der laserbasierten Materialbearbei-tung


Daniel Förster

DFG Prof. Graf

E2-007

Untersuchung und Weiterentwicklung von Verschleißschutzschichten für Blechumformwerkzeuge


Markus Singer

DFG Prof. Liewald

E2-008

Potenzial räumlicher und zeitlicher Strahlführung für die industrielle Materialbearbeitung mit Ultrakurz-pulsstrahlquellen


Lara Bauer

TRUMPF Laser GmbH + Co. KG

Prof. Graf

E2-009

Serientaugliches Remote-Laser-schweißen von hochfesten Aluminiumbauteilen


Martin Sommer

AUDI AG Prof. Graf

E2-010

Optimierung der Ausgestaltung von Lackierkabinen mit besonderem Fokus auf der Overspray-Abscheidung


Nils Schmeinck

Eisenmann AG

Prof. Piesche

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E2-011

Energie-und Ressourceneffizienz in der industriellen Produktion durch An-wendung einer integrierten Exergie-, Energie- und Ökonomiemethode


Kamran Taheri

Hans-Böckler-Stiftung

Prof. Gadow

E2-015

Mechanismen der Entstehung von Schnittunregelmäßigkeiten beim Schneiden mit dem Festkörperlaser


Oliver Bocksrocker

TRUMPF Laser GmbH + Co. KG

Prof. Graf

E2-016

Modelluntersuchungen, numerische Strömungssimulation und experimen-telle Untersuchungen zur Beschrei-bung von Zerstäubungsvorgängen mit Hohlkegeldüsen


Sebastian Egger

DFG Prof. Piesche

E2-017

Massivkeramische Strukturen und keramische Schichten für Bio-medizinische Anwendungen

drop out Irina Arhire

DFG Prof. Gadow

E2-017

Inkjet 3D-Druck von Keramiken für biomedizinische Anwendungen


Steffen Esslinger

DFG Prof. Gadow

E2-018

Prozesstechnik des Hoch-geschwindigkeitssuspensions-flammspritzens


Martin Plachetta

DFG Prof. Gadow

E2-020

Untersuchung der Wirkzusammen-hänge beim Laserabtrag von Dickschicht-Sensoren


Paul Sieffert

Robert Bosch GmbH

Prof. Graf

E2-021

Vorhersage der Bohrlochform beim Mikrobohren mit ultrakurzen Laserpulsen


Alexander Kroschel

Robert Bosch GmbH

Prof. Graf

E2-022

Fügeprozesssimulation und Umform-simulation im Kontext von Industrie 4.0

aus-geschrieben

DFG Prof. Liewald

E2-C1

Erweiterung der Werkstoffeinsatz- grenzen mittels Beschichtungen


Venancio Martinez-García

DFG Prof. Gadow

E2-C4

Laser-Bearbeitung innovativer Werkstoffe

ab-geschlossen

Christian Freitag

DFG Prof. Graf

E2-C25

Alumina Splats Deposition on Stainless Steel Substrates using Atmospheric Plasma Spraying


M. A. El-horiny

DFG Prof. Gadow

E2-C28

Anpassungskonzept für Hochrotationszerstäuber für rheologisch komplexe Fluide


Rim Zerriaa

Eisenmann AG

Prof. Piesche


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Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster E2

Thema E2-015: Mechanismen der Entstehung von Schnittunregelmäßig-keiten beim Schneiden mit dem Festkörperlaser

Doktorand: Dipl.-Ing. Oliver Bocksrocker

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Dr. Gerhard Hammann (TRUMPF) Dipl.-Ing. Volker Rominger (TRUMPF) E-Mail: [email protected]

Zusammenfassung

Der Schneidprozess mit einem Festkörperlaser unterscheidet sich aufgrund der Wellenlänge des Laserstrahls von ca. 1 µm und einem deutlich höheren Absorptionsgrad bei metallischen Werkstoffen von dem Schneidprozess mit einem CO2-Laser und einer Wellenlänge von ca. 10 µm. Dabei treten auch unterschiedliche Schnittunregelmäßigkeiten auf, deren Entstehungs-mechanismen nicht vollständig verstanden sind. Eine für den Festkörperlaser typische Schnitt-unregelmäßigkeit ist der schleichende Übergang von einem homogenen Riefenbild der Schnittkante in ein unterbrochenes Riefenbild, das die Schnittkante in zwei markante Bereiche unterteilt (s. Abb. 41, a). Diese Riefenunterbrechung wird häufig erst nach der Bearbeitung eines Schneidauftrags beim Vereinzeln der geschnittenen Teile bemerkt, wodurch es zu hoher Ausschussproduktion oder Nacharbeit kommen kann.

Abb. 41: Schnittkante eines lasergeschnittenen Baustahl-Blechs mit dem typischen Fehlerbild der Riefenunterbrechung (a) und grundlegendes Forschungsdesign (b)

Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Ursachen für den Übergang in ein unterbrochenes Riefenbild besser zu verstehen und messtechnisch zugänglich zu machen. Hierfür soll die Schneidfrontgeometrie im Übergangsbereich untersucht und dessen Einfluss auf die Schneid-gasströmung und die absorbierte Laserleistung mit Hilfe von Simulationen analysiert werden.

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Anschließend sollen die Hypothesen zu den Fehlerentstehungsmechanismen messtechnisch validiert werden.

Thema E2-016: Modelluntersuchungen, numerische Strömungssimulation und experimentelle Untersuchungen zur Beschreibung von Zerstäubungsvorgängen mit Hohlkegeldüsen

Doktorand: M. Sc. Sebastian Egger



Zusammenfassung

Hohlkegeldüsen werden aufgrund des günstigen Betriebsverhaltens meist im Bereich des „aerodynamischen Zerwellens“ betrieben. Die Anfangsstörung der Flüssigkeitslamelle bei diesem Zerfallsvorgang ist bisher unbekannt. Ziel der Arbeit ist es die unbekannte Störung aus den sich ausbildendenden Instabilitäten innerhalb der Düse abzuleiten.

Zur Untersuchung des Einflusses der fluiddynamischen Instabilitäten auf den Zerfall der Flüssigkeitslamelle wurde ein Versuchsstand konzipiert, der Schattenlichtaufnahmen des Zerfallsvorgangs mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht. Der Vergleich zwischen Wellenlänge und -frequenz, der für den Zerfall verantwortlichen Störung auf der Flüssigkeitslamelle und der durch Strömungssimulation ermittelten Störung innerhalb der Düse, soll letztendlich Aufschluss über den dominierenden Einfluss geben.

Abb. 42: Ergebnis einer numerischen Strömungssimulation. Instabilitäten innerhalb der Grenzschicht an der Düsenwand werden im Geschwindigkeitsfeld sichtbar. Weitere Veranschaulichung durch Linien konstanter Radialgeschwindigkeit.

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Die numerische Strömungssimulation der Düseninnenströmung zeigt regelmäßige Wirbel-strukturen innerhalb der Grenzschicht an der Düsenwand (vgl. Abb. 42). Diese Instabilitäten wachsen räumlich an und werden schließlich aus der Düse ausgetragen. Für die Entstehung der Instabilitäten spielt die Geometrie der Düse eine entscheidende Rolle. An der scharfen Umlenkung des konischen Teils der Düse hin zu der zylindrischen Düsenmündung findet eine Ablösung der Grenzschicht statt; die Ablösewirbel begünstigen stromabwärts die Entstehung von Wirbelsystemen.

Thema E2-017: Inkjet 3D-Druck von Keramiken für biomedizinische Anwendungen

Doktorand: M. Sc. Steffen Eßlinger

Thesis Committee: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB)


Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund einer alternden Gesellschaft ist mit steigenden Kosten im Gesundheits-wesen zu rechnen. Innovative Verfahren und Werkstoffe sollen nicht nur zur Kostensenkung beitragen, sondern auch das Wohlbefinden der Patienten verbessern. Eines dieser viel-versprechenden Verfahren ist der 3D-Druck von Knochenersatzstrukturen auf Basis von Biokeramiken wie Calciumphosphaten und Biogläsern. Besonders Letztere haben ein großes Potenzial für die Medizintechnik. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, Biogläser zufrieden-stellend zu Pulvern für die additive Fertigung aufzubereiten.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, gedruckte Knochenersatzstrukturen (sogenannte Scaffolds) zu entwickeln, welche zu einem optimalen Einwachsen des Knochens in das Implantat führen. Besondere Bedeutung muss hierbei der Oberflächenbeschaffenheit, Porosi-tät als auch der Festigkeit dieser Strukturen gewidmet werden. Die Einstellung dieser Eigen-schaften erfordert fundierte Kenntnisse von der Pulveraufbereitung über den 3D-Druck bis hin zum Sintern der gefertigten Strukturen.

Abb. 43: Beispiele für 3D-gedruckte Bioglas Scaffolds Ein Schwerpunkt liegt auf der Erforschung der Verarbeitbarkeit von Biogläsern und bio-keramischen Kompositen. Hierfür müssen zunächst stabile Suspensionen und daraus Pulver entwickelt werden, welche mit aufeinander abgestimmten Bindersystemen im Inkjet 3D-Druck verarbeitet werden können. In enger Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Freiburg werden die gedruckten Scaffolds in vitro auf ihr medizinisches Potenzial hin untersucht. Erste

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Ergebnisse deuten auf eine hohe Bioaktivität und Degradierbarkeit der gedruckten Strukturen hin.

Thema E2-003: Grundlagen der Strahleinkopplung in der laserbasierten Materialbearbeitung

Doktorand: M. Sc. Daniel Förster

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT)


Zusammenfassung

Die Einkopplung von Energie, die durch einen Laserstrahl in ein Werkstück eingebracht wird, ist von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig, die zusätzlich Abhängigkeiten unter-einander aufweisen.

Nach der Untersuchung der absorbierten Intensität in statischen Kapillaren und dem Vergleich mit experimentellen Perkussionsbohrungen wurde ein vereinfachtes Modell gefunden, um den Bohrfortschritt zu beschreiben. Die Abweichungen in der Realität bei hohen Repetitionsraten (größer 100 kHz) von der idealen Beschreibung werden im Weiteren unter Berücksichtigung der eingebrachten Wärme durch kalorimetrische Messungen untersucht.

Auf Seiten der dynamischen Änderung der Reflexion während einzelnen Pulsen wurden ver-gleichende Versuche (Pump-Probe Diagnostik) in Zusammenhang mit der bereits genutzten Modellierung durchgeführt. Eine Beispielmessung auf Stahl ist unten dargestellt.

Abb. 44: Transienter Verlauf des Ablationsprozesses nach einem Einzelpuls (Pulsdauer 100 fs) auf Stahl im ultrakurzen Zeitbereich bis 1.1 ns

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Thema E2-C1: Erweiterung der Werkstoffeinsatzgrenzen mittels Beschichtungen

Doktorand: Dipl.-Ing. Venancio Martínez-García

Thesis Committee: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB) Prof. Dr. Thomas Ertl (VIS)


Zusammenfassung

Der Einsatz von numerischer Simulation ist besonders relevant für das bessere Verständnis des komplexen Phänomens thermokinetischer Beschichtungsverfahren zu erlangen, sowie die Optimierung und Kontrolle des thermischen Spritzens zu erreichen. Ein thermomechanisches Modell des Schichtaufbaus zur Analyse der Entstehung von Eigenspannungen unter Berück-sichtigung des Wärme- und Stofftransports für die thermische Spannungsanalyse wurde im Rahmen der Forschungsarbeit entwickelt. In diesem Modell werden die Entwicklung der Temperatur und die induzierten Spannungen während des thermischen Beschichtungs-prozesses im Bereich nahe der aufgebrachten Schicht betrachtet. Da solch eine Simulation des Schichtaufbaus sehr komplex ist und hohe Rechnerkapazitäten erfordert, wird eine Submodell-Methode erörtert, welche die Ergebnisse vom gesamten Bauteil über die Beschichtung bis hinunter zur Splatskala verbindet und damit die Genauigkeit der Berechnung erhöht.

Abb. 45: Makroskopische, mesoskopische und mikroskopische Simulationsmodelle Darüber hinaus wurden verschiedene experimentelle Methoden für die Validierung dieses numerischen Simulationsmodells eingesetzt. Da es sehr schwierig ist, den Temperaturverlauf und die Spannungsprofile während des Prozesses am realen Bauteil zu messen, wird eine neue Infrarothermographie basierte Untersuchungsmethode entwickelt. Zum anderen ermöglicht die inkrementellen Hochgeschwindigkeits-Mikrobohrlochmethode die Ermittlung des Eigenspannungs-Tiefenprofils.

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Thema E2-021: Vorhersage der Bohrlochform beim Mikrobohren mit ultrakurzen Laserpulsen

Doktorand: M. Sc. Alexander Kroschel

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr. Wolfgang Osten (ITO)


Zusammenfassung

Bohren mit Laserstrahlung stellt ein wichtiges Fertigungsverfahren in der Produktionstechnik dar, bei dem nach wie vor ein großer Forschungsbedarf besteht. Durch den Einsatz moderner Ultrakurzpuls-Laser können Bohrungen mit höchster Präzision und Qualität in praktisch jedem Material hergestellt werden. Die entstehenden Bohrlochgeometrien hängen von zahlreichen Parametern ab, beispielsweise den Laserstrahl-, Werkstück- und Umgebungseigenschaften sowie der Prozessführung.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Wirkzusammenhänge zwischen Einflussfaktoren und der entstehenden Bohrlochform sowie der Bohrlochqualität herauszuarbeiten. Aus diesen Wirkzusammenhängen soll ein Modell abgeleitet werden, welches die Entwicklung von Bohr-prozessen mit signifikant kürzeren Prozessdauern bei gleichzeitig verbesserter Bohrloch-qualität ermöglicht. Dadurch sollen neue Anwendungen für das Laserbohrverfahren erschlossen werden.

Zur Durchführung der Untersuchungen wurde eine Versuchsapparatur mit neuester Laser-strahlquelle und aktueller Systemtechnik in Betrieb genommen. Weiterhin wurde ein Modell-ansatz entwickelt, um die Laserstrahlkaustik, die Art der Prozessführung (z.B. Wendelbohren) und die Materialeigenschaften mit der sich einstellenden Bohrlochgeometrie zu verknüpfen. Anhand von Bohrungen mit aussagekräftigen Prozessparametern wird das Modell bewertet und weiterentwickelt.

Abb. 46: Drei simulierte Bohrlochgeometrien im Querschnitt

(unterschiedliche Prozessführung): negativ konisch, zylindrisch und positiv konisch (v.l.n.r.)

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Thema E2-001: Beitrag zur energieeffizienten Elektrolyse von Neodym in geschmolzenen Chloriden

Doktorand: Dipl.-Chem. Johannes Öhl

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (GSaME/IFF)


Zusammenfassung

Die extrem leistungsfähigen Neodym-Eisen-Bor-Magnete sind essentielle Bestandteile von Elektroautos, Windkraftanlagen und Unterhaltungselektronik. Das Seltenerdmetall Neodym ist allerdings als sehr versorgungskritisch eingestuft, derzeit liegen etwa 85 Prozent der Produktion in China und verursachen dort schwere Umweltschäden. Für eine nachhaltige und stabile Versorgung der Europäischen Industrie mit Neodym sind deshalb neue Prozesse zum Recycling von Magneten erforderlich.

Der letzte Prozessschritt bei der Veredelung von Neodym-Metall in Recycling und Primär-produktion ist die Reduktion mittels Schmelzflusselektrolyse. Bei derzeitigen industriellen Prozessen in China wird flüssiges Neodym bei 1000 °C in toxischen und korrosiven Fluorid-salzschmelzen hergestellt. In aktuellen wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird die Elektrolyse in Chloridschmelzen bei 500 °C durchgeführt, allerdings bisher nur mit wenigen mg an festem Neodym-Produkt auf einer inerten Elektrode. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Prozess für größere Mengen an gewonnenem Neodym weiterzuentwickeln und so eine energieeffizientere Gewinnung zu ermöglichen.

Die Herstellung mehrerer Gramm Neodym-Metall im Labormaßstab konnte erfolgreich durchgeführt werden. Allerdings haftet das Neodym-Metall nicht wie geplant an der Oberfläche der Elektrode, sondern befindet sich nach Abschluss der Elektrolyse im verfestigten Elektrolyt. Eine einfache Extraktion des Produkts ist nicht möglich. Zur Erklärung der Beobachtungen wurde der chemische Mechanismus der Abscheidung aufgeklärt. Auf Basis dieser Erkennt-nisse werden 2017 weitere Lösungsansätze zur Extraktion des Neodym-Metalls getestet.

Abb. 47: Verlauf der Abscheidung von festem Neodym auf einer Wolfram-Kathode (a) Zunächst wird Nd3+ aus der KCl-LiCl-NdCl3-Schmelze reduziert und bildet eine µm-dünne Schicht Neodym-Metall. (b) Sobald die Oberfläche mit Neodym-Metall belegt ist, reagiert das Zwischenprodukt Nd2+ nicht an der Kathodenoberfläche, sondern dissoziiert im Elektrolyt zu Neodym und Nd3+ und bildet dort kristalline Einschlüsse (~10 µm).

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Thema E2-018: Prozesstechnik des Hochgeschwindigkeitssuspensions-flammspritzens

Doktorand: Dipl.-Ing. Martin Plachetta

Thesis Committee: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB) Prof. Dr. Wolfgang Burr (BWI)


Zusammenfassung

Funktionale Oberflächenbeschichtungen aus Keramik sind von hoher Relevanz für eine Reihe unterschiedlichster Gebiete wie Leichtbau, Katalyse und Biomedizin. Durch geeignete hoch-energetische Beschichtungsverfahren wie dem Hochgeschwindigkeitssuspensionsflamm-spritzen (HVSFS) ist die Aufbringung von Schichten mit einer Nanostruktur möglich, welche besondere, vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, ein tieferes Verständnis für die Einflussfaktoren des Prozesses und deren Einfluss auf die Schichteigenschaften zu entwickeln sowie das Verfahren in Richtung eines industrietauglichen Fertigungsprozesses weiterzuentwickeln. Hierzu wurde ein bestehendes Injektorkonzept zu einem modularen Aufbau weiterentwickelt, wodurch eine gute Anpassbarkeit an die Gegebenheiten einzelner Materialsysteme und ein leichter Aus-tausch von Verschleißteilen ermöglicht werden. Ergänzend wurden in CFD-Simulationen der Strömungsverlauf und die Temperaturentwicklung in der Brennkammer sowie das Zerstäu-bungsverhalten der Suspension untersucht.

Das Konzept wurde bei der Aufbringung von oxidischen und mischoxidischen Schichten erprobt und soll in einem nächsten Schritt für weitere Zerstäuberkonzepte adaptiert werden.

Abb. 48: Beispielhafte Darstellung der vielfältigen Einflussfaktoren beim HVSFS-Prozess

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Thema E2-010: Optimierung der Ausgestaltung von Lackierkabinen mit besonderem Fokus auf der Overspray-Abscheidung

Doktorand: M. Sc. Nils Schmeinck



Zusammenfassung

Zwischen 25 und 45 Prozent der Energie für die Herstellung eines PKW wird für die Lackierung der Karosserie verbraucht. Dieser Energieverbrauch resultiert aus der Konditionierung und Förderung des abwärts gerichteten Luftstroms in der Kabine, welcher für den Abtransport und die Abscheidung, der nicht auf die Karosserie aufgebrachten Lackpartikel benötigt wird. Die Abscheidung dieser Overspray-Partikel durch Filtersysteme ist mit einem Druckverlust verbunden, welcher zum hohen Anteil am gesamten Energieverbrauch beiträgt.

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Betriebsgrößen und das Beladungsverhalten, der in den Filtersystemen enthaltenen Trägheitsabscheider-Geometrien mit numerischen Methoden vorherzusagen. Zudem ist die Entwicklung experimenteller Methoden zur Unter-suchung der Abscheider erforderlich.

Zur Berechnung der Betriebsgrößen ist ein Modell auf Basis der numerischen Strömungs-simulation entwickelt worden. Aus den Positionen der abgeschiedenen Partikel werden mittels eines weiteren Modells die Ablagerungen auf den Abscheidern nachgebildet. Aus der iterati-ven Nutzung beider Modelle ergibt sich das Beladungsverhalten. Beide Modelle sind durch Experimente mit der LDA/PDA-Messtechnik anhand einer Impaktor-Geometrie (s. Abb. 49) und im technischen Maßstab direkt validiert worden. Die Modelle sind unmittelbar zur Optimierung der Overspray-Abscheidung mit den erwähnten Filtersystemen geeignet.

Abb. 49: Impaktor-Geometrie (links); Validierung Schichtbildung unterhalb des Impaktors (rechts)

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Thema E2-020: Untersuchung der Wirkzusammenhänge beim Laserabtrag von Dickschicht-Sensoren

Doktorand: M. Sc. Paul Sieffert



Zusammenfassung

Durch die weltweit steigende Nachfrage an Individualverkehr bleibt das Auto als Verkehrsmittel der Wahl auch in Zukunft unumgänglich. Dabei steigen nicht nur die Anforderungen der Kunden, ebenso trägt der Gesetzgeber dazu bei, dass Neuentwicklungen das Auto sicherer, sauberer und effizienter machen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, müssen neue Funktionen mithilfe von Sensoren im Automobil implementiert werden. Dabei bedarf es einer ständigen Weiterentwicklung der Messtechnik, die ein größeres Maß an Genauigkeit ermöglichen muss. Hierbei erweist sich der Laser als geeignetes Werkzeug um funktions-bestimmende Strukturen bei Dickschicht-Sensoren zu bearbeiten.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, Wirkzusammenhänge zwischen dem Laserabtrag und der Funktion eines Dickschicht-Sensors zu ergründen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Unter-suchung des Abtragprozesses. Im Rahmen des Projekts wird die Auswirkung des Laserstrahls auf unterschiedliche Materialien, welche den Ansprüchen für Sensoren im Automobilbau entsprechen, untersucht. Vor dem Hintergrund, dass die funktionalen Eigenschaften des Dickschichtsensors direkt von der Struktur abhängig sind, werden Wechselwirkungen zwischen Laserbearbeitung, Material und Funktion des Sensors untersucht. Dabei gilt es, mit dem Laserabtrag den Sensor auf seine Funktion hin zu optimieren.

Abb. 50: Wirkzusammenhänge der Prozesskette (in Grün)

Thema E2-007: Untersuchung und Weiterentwicklung von Verschleiß-schutzschichten für Blechumformwerkzeuge

Doktorand: Dipl.-Ing. Markus Singer

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald (IFU)


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Zusammenfassung

Reibungszahlen für die Simulation werden aktuell aus einfachen Modellversuchen wie dem Streifenziehversuch ermittelt. Um die Vorhersagegenauigkeit der Simulation zu erhöhen, muss jedoch eine genaue Kenntnis des tribologischen Systems vorliegen. Um die getroffenen Vereinfachungen zu reduzieren, ist das Ziel dieses Forschungsprojekts, durch eine neuartige In-situ-Messung der Rückhaltekräfte, die Modellebene zu erhöhen und lokal Reibungszahlen im realen Tiefziehprozess zu ermitteln.

Abb. 51: Versuchswerkzeug mit integrierter Messtechnik zur kontinuierlichen Messung des tribologischen Systems

Sensoren, die 3 mm unter der Oberfläche des Ziehrings sowie der Stempelfläche eingebracht wurden, messen die durch das tribologische System hervorgerufenen Änderungen der elastischen Deformation des Werkzeugs. Durch dieses Messprinzip werden die Werkzeug-aktivflächen nicht berührt und es tritt keine Beeinflussung des Umformergebnisses auf, da kein direkter Eingriff zwischen Werkstück und Sensor vorliegt. Ergebnisse zeigen, dass die so gemessenen zeitlich und lokal veränderbaren Rückhaltekräfte in die Simulation integriert werden können und den Umformprozess so mit einer verbesserten Vorhersagegenauigkeit abbilden können. Weiter konnte die Veränderung des tribologischen Systems beim Werkzeug-anlauf ein einem seriennahen Dauerlaufprozess abgebildet werden.

Thema E2-009: Serientaugliches Laserstrahl-Remoteschweißen von hoch-festen Aluminiumbauteilen

Doktorand: M. Sc. Martin Sommer



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Zusammenfassung

Durch den Einsatz von immer leichteren Materialien und gestiegenen Anforderungen an die Fertigungstechnik bzgl. Geschwindigkeit und Kosten sicherte mitunter das Werkzeug „Laserstrahl“ effiziente Produktionen. Im modernen Karosseriebau zeichnen sich zunehmend die Vorteile von Aluminiumlegierungen gegenüber dem Einsatz von Stahl ab. Bei bisherigen Schweißverbindungen von Aluminium ist das Einbringen von Zusatzwerkstoffen zur Vermei-dung von Fehlstellen und Heißrissen nötig. Immer kürzer werdende Taktzeiten fordern höhere Geschwindigkeiten und damit größere Arbeitsabstände bei der Lasermaterialbearbeitung, weshalb die Zufuhr eines Zusatzwerkstoffs zu der Fügestelle nicht praktikabel ist.

Ziel des Forschungsprojekts ist die systematische Weiterentwicklung des Laserstrahl-Remote-schweißens von hochfesten Aluminiumlegierungen. Hierfür ist ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Fügeprozesses bis hin zu den metallurgischen Vorgängen erforderlich. Hinsichtlich des Optimierungspotenzials gilt es Schweißnahttiefen unabhängig vom Fokus-durchmesser zu kontrollieren um darauf aufbauend Fehlermöglichkeiten, wie beispielsweise Heißrisse und Durchschweißungen, zu vermeiden. Dafür sind Strategien zu entwickeln, die hohe Bearbeitungsabstände zulassen und das Einbringen von Zusatzwerkstoffen aus-schließen. Durch detaillierte Untersuchungen sollen vorhandene Modellvorstellungen an Probekörpern validiert und zu Realbauteilen überführt werden.

Thema E2-011: Energie-und Ressourceneffizienz in der industriellen Produktion durch Anwendung einer integrierten Exergie-, Energie- und Ökonomiemethode

Doktorand: M. Sc. Kamran Taheri

Thesis Committee: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB) Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang E-Mail: [email protected]

Zusammenfassung

Nachhaltigkeitsaspekte und insbesondere zunehmende Knappheit und Kosten der Ressour-cen sind heute die treibende Kraft hinter der Entwicklung von Wertschöpfungsprozessen. Dies führt bei immer mehr Unternehmen zu der Einsicht, neue Methoden hinsichtlich der Effizienz des Energie-und Materialverbrauchs sowie Ökonomie und Ökologie bei der Gestaltung von industriellen Prozessen gleichermaßen zu entwickeln. Es ist betont, Energie- und Ressourcen-effizienz in Prozessen kann durch die Anwendung der Thermodynamik erreicht werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde hierfür die Exergie-Gewichtungsmethode (Exergy Weighting Method, EWM) als eine integrierte Exergie, Energie- und Thermoökonomiemethode eingeführt. Dabei wird der Ist-Zustand mit dem reversibeln und Soll-Zustand des Prozesses verglichen und Verluste ermittelt. Durch einen ganzheitlichen Bewertungskennwert (Exergy Weighting Faktor, EWF) werden die Optimierungsmaßnahmen in Bezug auf gleichzeitige Bewertung des Energieverbrauchs, der Ressourcenumwandlungswirksamkeit und auch der thermoökonomischen Kriterien verglichen. Darüber hinaus wurde eine Benutzerschnittstelle

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entwickelt, um die Auswertung des Exergie-Gewichtungsfaktor (EWF) und der jeweiligen relativen Werte der Analysekriterien zu vereinfachen.

Zur praktischen Anwendung wurde die Methode zur Energie- und Ressourcenoptimierungen von unterschiedlichen Prozessen angewendet und die Vorteile gegenüber anderen konven-tionellen Analysewerkzeugen dargestellt. In diesem Zusammenhang wurden Energie- und Materialumwandlungswirkungsgrad und entsprechende Optimierungsmaßnahmen beim thermischen Spritzen und Spritzgießen untersucht. Darüber hinaus wurde eine ganzheitliche Analyse sowohl zum Ersatz der Komponenten einer Kälteanlage als auch zum Vergleich unterschiedlicher Optimierungsmaßnahmen eines Druckluftsystems zur Reduzierung des Energieverbrauchs und einer effizienten Wärmerückgewinnung durchgeführt. Es wurde fest-gestellt, dass die neu Methode somit zukünftig im Rahmen der Energie- und Ressourcen-effizienz mit konventioneller Energieauswertungs-Software integriert werden kann.

Thema E2-C28: Anpassungskonzept für Hochrotationszerstäuber für rheologisch komplexe Fluide

Doktorandin: Dipl.-Ing. Rim Zerriaa



Zusammenfassung

Aufgrund der hohen Anforderungen an die Optimierung des Lackierprozesses mittels Hochrotationszerstäubers, um bei höchster Qualität einer Lackschicht einen maximalen Auftragswirkungsgrad zu erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit zuerst der gesamte Lackierprozess in folgende Teilprozesse aufgeteilt: Lackzufuhr, Filmzerfall, Tropfenbildung und -transport und zum Schluss die Lackschichtbildung. Inwiefern der Einfluss rheologisch komplexer Fluide beim Lackierprozess eine Rolle spielt und ob die Tropfengröße in der Sprühwolke trotz Komplexität vorhergesagt werden kann, ist Kern dieser Arbeit.

Aus dem Teilprozess Lackzufuhr wurden die Startbedingungen sowohl Prozessparameter als auch rheologische Parameter festgelegt. Die verwendeten Lacksysteme weisen unterschied-liche Stoffeigenschaften und rheologische Verhalten auf. Des Weiteren wurden zum Zerfalls-verhalten an der Glockentellerkante und zur Charakterisierung des entstandenen Tropfen-größenspektrums mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Laserbeugungsspektro-metrie grundlegende Untersuchungen durchgeführt. Mit den realisierten Aufnahmen zum Zerfallsprozess im Glockentellernahbereich zusammen mit weitergehenden Auswertungen der Tropfengrößenmessungen wurden Abhängigkeiten und Zusammenhänge festgestellt. Zum Schluss sollen diese Ergebnisse in einem Ähnlichkeitsgesetz zusammengebracht werden, mit dessen Hilfe Tropfengrößen rheologisch komplexer Fluide vorhergesagt werden können, um somit die Auslegung des Lackierprozesses zu unterstützen und zeit- und kostenaufwendige Versuche zu minimieren.

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Abb. 52: Zerfallsverhalten von Versuchsmedien verschiedener rheologischer Eigenschaften

3.6 Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Clusterdirektor: Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf


Entwicklung des Clusters F2

Intelligente Produktionseinrichtungen zeigen ihre Vorteile zunehmend auch in der industriellen Praxis. Smart Manufacturing und Industrie 4.0 basieren auf intelligenten Produktionssystemen und erlauben dadurch eine flexible, wandelbare und ressourceneffiziente Produktion. Das Cluster „Intelligente Produktionseinrichtungen“ erforscht neue Konzepte und entwickelt neue Methoden für die Produktion der Zukunft.

Einer der Forschungsschwerpunkte des Clusters F2 ist die Wandlungsfähigkeit. Das Forschungsprojekt “Entwicklung einer IT-Architektur für modulare Produktionssysteme“ wurde 2016 mit einem umfassenden Konzept und der Umsetzung einer Abhängigkeitsmodellierung für Produktionssysteme erfolgreich abgeschlossen. Ebenso wurde das Forschungsprojekt „Service-Orientierte Architektur (SOA) für die Konfiguration und Inbetriebnahme von Produk-tionsmaschinen“ erfolgreich abgeschlossen mit dem Ergebnis eines neuartigen Service-orientierten Konzeptes für die Inbetriebnahme modularer Produktionseinrichtungen. Zwei neue Forschungsthemen des Clusters, welche ebenfalls die Verbesserung der heutigen Produktionsmethoden mithilfe digitaler Abbildungen als Ziel haben, sind „Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen“ und „Automatische Erstellung digitaler Abbilder für den Automotive-Produktionsprozess“. Wartung und Instandhaltung sind wichtige Aspekte des Forschungsschwerpunktes. Die (De-) Montagesequenzen, die ein Roboter durchführen soll, um Wartungsaufgaben zu erledigen, wurden im Rahmen des Forschungs-projekts „Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion“ erforscht. Hier wurden letztes Jahr, neben praktischen Versuchen, auch Methoden entwickelt, die unter Mitberücksichtigung der Umrüstzeiten eine minimale Zeitdauer der Aufgabe sichern.

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Der Themenbereich Nachhaltigkeit beinhaltet Forschungsprojekte, die eine Auswirkung auf die Energieeffizienz haben. Die Erforschung von neuen Engineering-Methoden für Linear-direktantriebe, um diese besser an den Anwendungsfall anpassen zu können, erlaubt das Forschungsprojekt „Hochdynamische Lineardirektantriebe in der Produktionstechnik“. Das Projekt steht kurz vor der Finalisierung und zeigt, wie diese Aktuatoren energieeffizient eingesetzt werden können. Untersuchungen zur Formrekonstruktion neuartiger Glasfasern als Ersatz heutiger Bewegungserfassungssensoren in Robotern waren im Fokus des Projekts „Anwendungen faseroptischer Sensoren in der Bewegungserfassung“. .

Abb. 53: Der GSaME Demonstrator Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes „Prozesseffizienz“ werden Lasersysteme für Materialbearbeitung erforscht. Im Rahmen des Forschungsprojekts „UKP Scheibenlaser-Systeme zur Erzeugung radial polarisierter Ausgangsstrahlung“, das kurz vor der Finalisierung steht, wurde der erste radialpolarisierte Ultrakurzpuls-Scheibenlaser erforscht und auch realisiert. Im Fokus des Forschungsprojekts „Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern“ wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Führung beugungsbegrenzter Strahlung in multimodigen Stufen-Index-Fasern durchgeführt

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensorfusion“ wurde 2016 Strahlenverfolgung eingesetzt, um neuartige Methoden für die Detektion der Oberflächendefekte in optischen Systemen zu erforschen.

Der GSaME Demonstrator (Abb. 53) spielt eine wichtige Rolle für die Validierung von mehreren Forschungsprojekten. Es wurde ein Konzept zum Lösen des inversen Kinematik-Problems der Seilroboter mit einer erhöhten Genauigkeit entwickelt, welches auf maschinellem Lernen basiert. Seine Anwendbarkeit wurde in einem einfachen aber relevanten Anwendungsfall bestätigt. Im Rahmen des Forschungsthemas „Hochgenaue spanende Bearbeitung mit

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kinematischen Werkzeugmaschinensystemen (z.B. Seilkinematik-Werkzeugmaschine, Indus-trieroboter)“ wurde ein neues Konzept zur Genauigkeitssteigerung ausgearbeitet, welches demnächst mithilfe des Demonstrators auch experimentell untersucht wird.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters F2





abgeschlossen 3 2 1

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2015

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters F2


F2-001

Entwurfsmethodik für applikationsspezifische Lineardirektantriebe kleiner Leistung


Daniel Kreuzer

DFG Prof. Schinköthe

F2-003

Flexible Führung hochbrillanter Laser-strahlen mit neuartigen optischen Fasern


Christian Röhrer

DFG Prof. Graf

F2-004

Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion


Christian Friedrich

DFG Prof. Verl

F2-006

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammen-arbeit während des Engineerings im Sondermaschinenbau

ab-geschlossen

Tobias Helbig

Festo AG & Co. KG

Prof. Westkämper

F2-007

Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensor-fusion


Haiyue Yang

DFG Prof. Osten

F2-008

Effiziente Modellierung von Maschi-nenkomponenten mit Wälzkontakten mittels Finite-Elemente-Methode

stand by DFG Prof. Verl

F2-010

Steigerung der Bearbeitungsgenauig-keit von Sonderkinematiken in der Zerspanung am Beispiel eines Gelenkarmroboters und eines Seilroboters


Oleksandr Kuklevskyi

DFG Prof. Gadow

F2-011

Anwendung faseroptischer Sensoren in der Bewegungserfassung


Christoph Riehs

DFG Prof. Verl

F2-013

Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen


Berang Ashtari

Siemens AG Prof. Weyrich

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F2-014

Automatische Erstellung digitaler Abbilder für den Automotive-Produktionsprozess


Florian Biesinger

Daimler AG Prof. Weyrich

F2-G3

Laserstrahlquellen für innovative Produktionseinrichtungen

ab-geschlossen

Katrin Wentsch

DFG Prof. Graf

F2-G7

Service orientierte Architektur (SOA) für die Inbetriebnahme von Produk-tionsmaschinen – „Universal Plug and Produce“

ab-geschlossen

Michael Abel

DFG Prof. Klemm

F2-G13

UKP Scheibenlaser-Systeme zur Erzeugung radial polarisierter Ausgangsstrahlung


Michael Eckerle

DFG Prof. Graf


Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster F2

Thema F2-013: Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen

Doktorand: M. Sc. Behrang Ashtari Talkhestani

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS) Dr.-Ing. Wolfgang Schlögl (Siemens AG)


Zusammenfassung

Steigende Produktvielfalt und Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme. Um diesen Heraus-forderungen zu begegnen, ist eine Lösung ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fertigungszelle, im Folgenden Digitaler Zwilling genannt, anhand dessen die Rekonfiguration direkt mit den Methoden der digitalen Planung beginnen kann, unter anderem die frühzeitige Erkennung von Design- oder Prozessablauffehlern des Systems bei der virtuellen Inbetrieb-nahme.

Die digitale Planung von Fertigungszellen in der Automobilproduktion ist eine domänen-übergreifende Zusammenarbeit zwischen Mechanik, Elektrik und Software. Wenn die Anlagen jedoch aufgebaut und in Betrieb genommen wurden, werden die digitalen Modelle nicht mehr zwangsläufig an Veränderungen in der Realität angepasst. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer Methode zum Abgleich und zur Synchronisation der Daten aus den verteilten Automatisierungssystemen in der realen Fabrik und deren virtuellen Modelle auf Basis einer Ankerpunktmethode.

Der Kerngedanke des Ansatzes ist die Kategorisierung und Integration der Daten und Informa-tionen aus der aktuell verwendeten Software der Automatisierungssysteme in der realen Anlage sowie modellbasierte Konsistenzprüfung im virtuellen Modell. Zur Darstellung der Lösungsidee wird in dieser Arbeit zuerst ein mechatronisches Konzept zur Modellierung von

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Automatisierungskomponenten am Beispiel der Automobilindustrie entwickelt. In einem zweiten Schritt sollen das Netzwerk und die Steuerungssoftware in der realen Anlage analysiert und in Bezug zu dem entsprechenden mechatronischen Modell gesetzt werden, um die Abweichungen zwischen dem digitalen Modell und der Realität zu ermitteln und diese zu synchronisieren, um einen Digitalen Zwilling der realen Anlage zu erhalten.

Abb. 54: Überblick über die Themenschwerpunkte und Ziele der Forschungsarbeit Die erläuterte Methode unterstützt den Planer bei der Erstellung eines permanent aktuellen, digitalen Planungsmodells der realen Anlage. Der Digitale Zwilling führt zu einer Kosten-reduktion durch Verkürzung der Umrüstzeiten, durch virtuelle Planung und Simulation basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage und zu einer frühzeitigen Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage.

Thema F2-014: Automatische Erstellung digitaler Abbilder für den Automotive-Produktionsprozess

Doktorand: M. Sc. Florian Biesinger

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS) Dr. Davis Meike (Daimler AG)


Zusammenfassung

Der Automatisierungsgrad in der Automobilproduktion erreicht in einigen Bereichen nahezu 100 Prozent. Zudem hat die Produktvielfalt in den letzten Jahren deutlich zugenommen und die Lebenszyklen der Produkte und Automatisierungsanlagen werden kürzer. Diese Tenden-zen haben einen direkten Einfluss auf das Engineering von Automatisierungsanlagen, welche als Folge immer mehr Änderungen und Umbauten unterliegen. Heute besteht ein hoher Aufwand im Re-Engineering (Planung, Simulation, Programmierung, Feldbussysteme, Sensoren), um diese Änderungen in existierenden Produktionsanlagen zu integrieren. Die IT-

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Änderungen erfordern heutzutage einen Produktionsstopp, da die Daten- und Simulations-modelle bei Änderungen weder vorab virtuell erprobt noch unmittelbar auf die Steuerungen transferiert werden können.

Die aktuelle Forschung befasst sich mit der Frage, wie digitale Abbilder der realen Anlage modelliert werden können und insbesondere, wie diese automatisch aktualisierbar sind. Hierfür werden im Rahmen der Forschung Modelle und Methoden entwickelt. Diese Arbeit soll Forschungsergebnisse liefern, die eine Aufwandreduzierung beim Re-Engineering und bei Änderungen in bestehenden Automatisierungssystemen ermöglichen. Somit würde zum Beispiel die Integrationsplanung neuer Fahrzeugderivate vereinfacht und es könnte ein Soll-/ Ist-Abgleich durchgeführt werden.

Thema F2-G13: UKP Scheibenlaser-Systeme zur Erzeugung radial polarisierter Ausgangsstrahlung

Doktorand: Dipl.-Ing. Michael Eckerle



Zusammenfassung

Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) sind zu einem wichtigen Werkzeug der Lasermaterialbearbei-tung geworden. Durch die extrem kurzen Laser-Material-Wechselwirkungszeiten, bei gleich-zeitig hohen Spitzenleistungen, kann die Energie gezielter in die bearbeiteten Werkstoffe eingetragen werden, als es zum Beispiel mit CW-Lasern möglich ist. Gleichzeitig wurden bereits die Vorteile radial polarisierter Laserstrahlung für verschiedene Applikationen in der Lasermaterialbearbeitung, wie z.B. das Erzeugen von Mikrobohrungen mit großem Aspektverhältnis, nachgewiesen.

Abb. 55: Fernfeld-Strahlprofil des radial polarisierten moden-gekoppelten Lasers inklusive der Strahlprofile hinter einem rotierenden Polarisationsstrahlteiler (links). Das Diagramm zeigt die Ausgangsleitung des Lasers und die Pulsdauer im moden-gekoppelten Betrieb aufgetragen über der Pumpleistung (rechts)

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Um die Forschung im Bereich dieser spezialisierten Laser weiter voran zu treiben, wurde im Rahmen dieser Arbeit der erste radial polarisierte moden-gekoppelte Scheibenlaser mit einer Ausgangsleistung von 13 W und Pulsdauern von etwa 900 fs bei einem nahezu perfekten Strahlprofil, mittels neuartiger Gitter-basierter Auskoppelspiegel, realisiert (s. Abb. 55). In einem zweiten Schritt wurde der Ausgangsstrahl dieses Systems in einem „Single Crystal Fiber“ Yb:YAG-Verstärker erfolgreich auf über 60 W verstärkt, wodurch sich das System optimal zur weiteren Verstärkung in den Multipass-Verstärkern des IFSW eignet.

Thema F2-004: Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instand-haltung für die Produktion

Doktorand: M. Eng. Christian Friedrich

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW) Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA)


Zusammenfassung

In heutigen Produktionssystemen spielt die Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit, vor allem im Hinblick auf ökonomische Ziele, eine entscheidende Rolle. Damit diese Faktoren berücksichtigt werden können, unterliegen Produktionseinrichtungen regelmäßigen Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. Während für Inspektionsaufgaben bereits Verfahren zur Verfügung stehen, welche die automatisierte Fehlerdetektion, -isolation und -identifikation erlauben, bestehen bisher keine Systeme und Methoden, die eine automatische Wiederher-stellung des Sollzustands ermöglichen. Damit auch Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben teilautomatisiert werden können, untersucht diese Arbeit Strategien, die eine robotergestützte Automatisierung zulassen, hierdurch den menschlichen Akteur unterstützten und langfristig die Ökonomie in Hochlohnländern steigern.

Beispielanwendungen sind etwa das Nachfüllen von Kühlschmierstoff bei Werkzeug-maschinen oder der Austausch defekter Funktionseinheiten. Hierzu werden Planungs-, Steuerungs- und Regelungsstrategien entwickelt, die es ermöglichen, geeignete Roboter-manipulationen für die Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben zu generieren und auszuführen.

Neben der Bereitstellung eines Aktionsplaners, welcher auf Basis von CAD- und RGBD-Daten die automatische Generierung von Manipulationen ermöglicht, wurde eine neuartige Bahn-planungsmethode entwickelt. Diese gestattet die Bahnfindung für die auszuführenden Aufgaben auf Grundlage einer adaptiven Schrittweitensteuerung, wodurch gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Reduktion der Planungszeit erzielt werden kann, ohne hierbei die Güte der bestimmten Bahn zu verringern. Weitergehend wurde ein Next-Best-View Ansatz entwickelt, welcher die Kombination von visuellen Aufgaben zulässt, wodurch die geeignete Roboterpose für die Objekterkennung und Exploration in einem gemeinsamen Schritt gelöst werden kann. Auf Ausführungsebene wurde die Positions-, Kraft-Momenten- und bildbasierte Regelung in ein gemeinsames Framework integriert und bereits für die ersten Instandhaltungsaufgaben erfolgreich validiert.

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Zukünftig wird ein geeignetes Konzept erarbeitet, so dass die einzelnen Teilregler aufgaben-spezifisch zugeschaltet werden können, ohne hierbei die Stabilität des Gesamtsystems negativ zu beeinflussen. Alle Konzepte sollen abschließend im Verbund praktisch am Demons-trator validiert werden.

Abb. 56: Roboterarchitektur zur Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben

Thema F2-001: Entwurfsmethodik für applikationsspezifische Linear-antriebe kleiner Leistung

Doktorand: Dipl.-Ing. (FH) Daniel Kreuzer

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe (IKFF) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT)


Zusammenfassung

Das Fortschreiten der Technik und die dadurch resultierenden erweiterten Anwendungs-gebiete von Antrieben erfordern sehr oft applikationsspezifische Neu- und Weiterent-wicklungen in der Antriebstechnik und Aktorik. In dieser Arbeit werden daher zwei neu-entwickelte und schnelle Dimensionierungsmethoden für die Strukturanalyse vorgestellt, die mittels rechnergestützter Automatisierung, die für die projektspezifische Dimensionierung benötigte schnelle Lösungskonzeptfindung leisten können. Weiterführend wird eine schnelle Abschätzung des erforderlichen Bauraumes bezüglich der realisierbaren Schubkraft und Dynamik eingeführt. Diese ermöglicht es dem Entwickler mittels Zielvorgabenkenntnis die für die Anwendung benötigte Antriebsoberfläche und somit die minimal benötigten Außenabmes-sungen zu bestimmen. Zur Vervollständigung der Dimensionierung werden zusätzliche Begrenzungen, wie die mögliche Spannungsversorgung und das benötigte Magnetvolumen, als sekundäre Funktionsparameter in die automatisierte Dimensionierung integriert.

Zusammenfassend unterstützen die erläuterten Dimensionierungsmethoden den Entwickler bei der Erstellung von Lineardirektantrieben sehr stark. Des Weiteren helfen diese effizient

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dem Anwender bei der anwendungsspezifischen Bauformwahl, da an die Anwendung angepasste optimierte Bauformen verglichen werden.

Weitere Schritte dieser Arbeit sind die Erweiterung der automatisierten Dimensionierung mit weiteren Bauformen für eine umfassende Betrachtung, mit dem Ziel die Dimensionierung ökonomisch, ganzheitlich und schnell zu gestalten.

Thema F2-010: Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Sonder-kinematiken in der Zerspanung – am Beispiel eines Gelenkarm-roboters und eines Seilroboters

Doktorand: M. A. Oleksandr Kuklevskyi

Thesis Committee: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB)

E-Mail: oleksandr.kuklevskyi @gsame.uni-stuttgart.de

Zusammenfassung

Bei der Fräsbearbeitung mit Industrierobotern und anderen Sonderkinematiken niedriger Steifigkeit werden die Fertigungsgenauigkeit und die Produktivität durch prozessinduzierte Schwingungen und Vibrationen eingeschränkt. Es ist bekannt, dass sowohl die Eigenschaften des Bearbeitungssystems als auch der Zerspanprozess selbst das Auftreten von Schwingungen und Vibrationen sowie deren Amplituden beeinflussen. Die aus dem Zerspanprozess resultierenden Kräfte stellen dabei die Haupteinflüsse dar. Um die Auswirkungen dieser Kräfte zu kompensieren, wird vorgeschlagen, Inertial- und dynamische Kräfte zu nutzen, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung von Massen oder durch die Änderung der Bewegungsrichtung von Massen erzeugt werden. Mit diesen Methoden lassen sich durch eine Reduzierung der Resultierenden aus Prozesskräften und Ausgleichskräften die Schwingungsamplituden verringern und die schwingungsverursachenden Impulse reduzieren und in ihrer Frequenz beeinflussen.

Im Rahmen des Projekts wurden zwei Konzepte zur Kompensation von Zerspankräften bei der Fräsbearbeitung entwickelt:

drehbare Unwucht mit Kurvensteuerung durch zusätzliche Aktorik bewegte Massen.

Zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften der beiden Konzepte wurden Mehrkörper-simulationen in MSC-Adams durchgeführt. Es wurde nachgewiesen, dass beide Konzepte in geeigneten Anwendungsfällen eingesetzt werden können und eine gute Kompensation der Aktivkräfte bei der Fräsbearbeitung ermöglichen. Für das zweite Konzept wurde darüber hinaus festgestellt, dass für die Erzeugung der Kompensationskräfte nur sehr kleine Auslenkungen nötig sind. Dies erlaubt eine einfache Umsetzung mit Piezoaktoren.

Eine Vorrichtung entsprechend dem ersten Konzept mit Kurvensteuerung wurde am IfW (Institut für Werkzeugmaschinen) der Universität Stuttgart angefertigt. Derzeit wird die

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Vorrichtung eingerichtet und angepasst. In den nächsten Monaten folgt die Umsetzung einer konstruktiven Ausführung des zweiten Konzepts mit bewegten Massen.

Inzwischen wird eine Methodik zur Auswahl von optimalen Zerspanparametern beim Fräsen mit Sonderkinematiken erarbeitet. Das Ziel dieser Methodik ist eine systematische Parameter-auswahl zu ermöglichen, welche sowohl die Steifigkeit und Genauigkeit des Bearbeitungs-systems als auch die Materialeigenschaften und die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit bei einer möglichst hohen Produktivität berücksichtigt.

Thema F2-011: Anwendung faseroptischer Sensoren in der Bewegungs-erfassung

Doktorand: M. Sc. Christoph Riehs

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW)


Zusammenfassung

CWG-Sensoren (engl. Cladded Waveguide Grating) stellen eine neue Art von faseroptischen Sensoren dar. Hierbei werden Interferenzfilter, sogenannte Faser-Bragg-Gitter, in künstliche Kerne im Kernmantel einer kommerziellen Glasfaser per Femtosekundenlaser geschrieben (s. Abb. 57, links).

Abb. 57: Schreiben eines CWG in den Kernmandel (links); reflektiertes optisches Spektrum und Form-rekonstruktion (rechts)

Im Reflexionsspektrum einer mit CWGs ausgestatteten Faser sind Intensitätsspitzen erkennbar, welche bei Verformung der Faser im Spektrum wandern. Diese Bewegung kann für die Formrekonstruktion der Faser herangezogen werden (s. Abb. 57, rechts). Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung der erreichbaren Genauigkeiten, welche bei der Formrekonstruktion der Fasersensoren unter Verwendung niedrig aufgelöster Spektrometer erreicht werden können. Die Ergebnisse hieraus sollen auf die Erfassung von Gelenkwinkeln am Menschen angewendet werden. Hierbei soll untersucht werden, wie genau Gelenkwinkel erfasst werden können und ob faseroptische Sensoren für die Bewegungserfassung am Menschen geeignet sind. Ein potentielles Einsatzgebiet ist die Langzeitbewegungserfassung von Arbeitern, um Arbeitsprozesse zu optimieren.

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Bisherige Arbeiten umfassten primär die Untersuchung verschiedener Verfahren zur Peak-Erkennung (kritischer Aspekt in Verbindung mit Spektrometern niedriger Auflösung) und Verfahren zur Formrekonstruktion der Fasern. Aufgrund dessen, dass aktuell nur 5 CWGs pro Faser reproduzierbar hergestellt werden können, wird aktuell an der erweiterten 3D-Formrekonstruktion bei Kombination mehrerer Fasern gearbeitet. Die Anbindung an den Menschen konzentriert sich bisher auf die Arme. Im weiteren Verlauf des Forschungs-vorhabens soll die Anbindung an die Extremitäten weiter optimiert und um die Bewegungs-erfassung der Wirbelsäule erweitert werden.

Neben der Anwendung am Menschen soll ebenfalls untersucht werden, inwiefern faser-optische Sensoren für die Formrekonstruktion von Kontinuumsmechaniken angewendet werden können, um als Sensorik für die Positionsregelung zu dienen.

Thema F2-003: Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern

Doktorand: M. Sc. Christian Röhrer



Zusammenfassung

Ein großer Vorteil der Festkörperlaser für die industrielle Materialbearbeitung ist die Möglichkeit der faserbasierten Strahlführung, welche mit Multimodestrahlen heute vor allem in der Makrobearbeitung weit verbreitet ist. Für moderne, hochbrillante, beugungsbegrenzte Laser ist die Strahlführung allerdings aufgrund nichtlinearer Effekte auf wenige Meter oder sehr geringe Leistung beschränkt.

Abb. 58: Normalisierter Überlapp aller radialsymmetrischen Fasermoden Links: für einen Kerndurchmesser von 50 µm mit einem einfallenden Gaußstrahl als Funktion über den Fokusdurchmesser, mit dem Maximum der Grundmode LP01 bei 34,2 µm. Rechts: Experimentell gemessene und berechnete Beugungsmaßzahl M2 für verschiedene Fokusdurchmesser für einen Kerndurchmesser von 50 µm mit dem Minimum bei 34,2 µm.

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Es konnte bereits gezeigt werden, dass mit konventionellen hochgradig multimodigen Stufenindexfasern Strahlung annähernd beugungsbegrenzt geführt werden kann, wenn eine optimale Einkopplung gewährleistet ist. Das heißt, dass der Überlapp von Gaußstrahl zur Grundmode LP01 der Faser größtmöglich ist (siehe Abbildung).

Bei den hierbei verwendeten Fasern mit einer numerischen Apertur von 0,111 und einer Länge von 10 m konnte bis 80 µm Kerndurchmesser noch eine Beugungsmaßzahl M2 von 1,3 gemessen werden. Ab einem Kerndurchmesser von 90 µm degradiert die Strahlqualität allerdings stark zu einem M2-Wert von 1,8. Außerdem hat die Untersuchung für längere Fasern gezeigt, dass das M2 zu längeren Faserlängen hin zunimmt, wobei eine genauere Untersuchung der Strahlqualität für verschiedene Kerndurchmesser in Abhängigkeit der Faserlänge zukünftig geplant ist. Zudem werden die Propagationseigenschaften im Hochleis-tungsbereich, wie auch alternative Faserkonzepte (Leaky Channel Faser, Kagomefaser etc.), experimentell als auch theoretisch untersucht.

Thema F2-007: Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensorfusion

Doktorand: M. Sc. Haiyue Yang

Thesis Committee: Prof. Dr. Wolfgang Osten (ITO) Prof. Dr. Sven Simon (IPVS)


Zusammenfassung

Optische Oberflächeninspektionssysteme spielen in der modernen industriellen Fertigung eine zunehmende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenqualität. Allerdings unterliegen ent-sprechende Sensoren auch einigen fundamentalen Limitierungen. Zur Optimierung der Hard- und Software entsprechender Inspektionssysteme ist es notwendig, die Bilder verschiedenster Objekte und Defekte jeweils vorhersagen bzw. simulieren zu können.

Abb. 59. Reales und simuliertes Kamerabild einer Aluminiumoberfläche mit einem Kratzer

erfasst unter den Einfallswinkeln: 30°,45° und 60° der Beleuchtung.

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Abb. 60. Reflektierte Intensität eines Kalibrierstandards mit Rauheit Ra = 1 μm unter dem Einfallswinkel AOI = 25° mit Drehwinkel des Systems AOR von 70 ° bis 115 ° und unter AOR=90° mit AOI von 25 ° bis 65°.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Simulation der bildbasierten Erfassung verschiedener Oberflächendefekte im Mikrobereich. Basierend auf gemessener Geometrie werden diese Defekte auf rauhen Oberflächen mittels Raytracing und Wellenoptischer Methoden simuliert. Wenn die Mikrostruktur des Materials bekannt ist, können die BRDF und das Defektbild durch Simulation vorhergesagt werden.

3.7 Nachwuchsgruppen

Die Aufgabe der Nachwuchsgruppenleiter der GSaME besteht weiterhin darin, die Themen der Cluster transdisziplinär selbständig im Rahmen des Forschungsgegenstandes der GSaME in einen Forschungszusammenhang zu integrieren und zur Weiterentwicklung des Forschungsprofils der GSaME beizutragen. Dazu führen sie eigenständige grundlagen- und anwendungsorientierte Forschungsprojekte unter Nutzung des dualen Konzepts und der Industriekooperationen durch. Ihre Aufgaben im Rahmen der Ausbildung sind darauf gerichtet, die konzeptionelle und inhaltliche Weiterentwicklung des Ausbildungsprogramms in Anpas-sung an das Forschungsprogramm mit neuen Arbeitsformen und dessen Umsetzung in Zusammenarbeit mit dem Studienkoordinator zu realisieren. Einen Schwerpunkt bildet die Organisation und Durchführung von Doktorandenkolloquien. Die Nachwuchsgruppenleiter sind in die Betreuung der Promovierenden eingebunden. Unabhängig vom Stellenwert der eigenen wissenschaftlichen Arbeit hat die GSaME den Rahmen für clusterübergreifende thematische Schwerpunkte geschaffen:

IKT-Plattform für die Produktion

Intelligente Produktionssysteme

Regional und global vernetzte Produktion

Die Leitung der Nachwuchsgruppe „IKT-Plattform für die Produktion“ konnte 2016 nicht besetzt werden.

Nachwuchsgruppe “Intelligente Produktionssysteme”

Nachwuchsgruppenleiter: Dr.-Ing. Akos Csiszar


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Methoden der künstlichen Intelligenz bieten sich für die Verbesserung der heutigen Produk-tionssysteme an. Zwei Methoden, Optimierungsverfahren und maschinelles Lernen, werden in der Nachwuchsgruppe angewandt, um verschiedene Eigenschaften der Produktion zu verbessern.

Obwohl der Metallguss bereits seit über 5000 Jahren bekannt ist, zählt dieses Verfahren noch immer zu einem der wichtigsten Prozesse für die Formgebung von Metallen. Von Robotern durchgeführte Gießvorgänge zählen in der Gießereitechnik längst zum Stand der Technik. Aus dem Gießvorgang leiten sich folgende Anforderungen ab, die die Roboterbahn für diese Aufgabe erfüllen soll. Die wichtigste Anforderung ist eine konstante Füllrate der Gießform, die sich durch den Volumenstrom regeln lässt. Für die Regelung des Volumenstromes wurden in den bisherigen Forschungsarbeiten ausschließlich Strukturen mit 3 Achsen eingesetzt. Die Ansteuerung der einzelnen Achsen erfolgte dabei über die Motorspannung. Bei Industrie-robotern hingegen erfolgt die Ansteuerung der 6 Achsen nicht direkt, sondern über eine Bewegungsprogrammierung. Aus diesem Grund können die bisherigen Steuerungs- und Regelungsmodelle nicht auf die Steuerungen der Industrieroboter angewendet werden.

Die ausbearbeitete Lösung beinhaltet 2 Schritte. Im ersten Schritt des Gießprozesses wurde modelliert. In diesem Schritt wurden Methoden nach dem aktuellen Stand der Technik benutzt, um ein genaues Modell des Prozesses abzuleiten. Ergebnis des Schrittes ist eine zeit-abhängige, ideale Gießkurve (Roboterbewegungskurve). Im zweiten Schritt wird die Bewegung der Roboter mit dieser Gießkurve synchronisiert, um den Gießprozess so genau wie möglich ausführen zu können. Dies kann als ein Optimierungsproblem formuliert werden.

Abb. 61: Versuchsstand für den Gießprozess mit einem Roboter

mit 6 Freiheitsgraden und einer Gießpfanne mit bekannter Geometrie. In diesen Fall wurde gefärbtes Wasser gegossen, um das Konzept zu validieren.

Gegeben ist eine Bewegungskurve und Aufgabe. Sie besteht darin, die Fehler zwischen der zeitbasierten Bewegungskurve und den vektorbasierten Roboterbewegungen zu minimieren. Der Suchraum für das Optimierungsverfahren sind die Parameter der Bewegungsbefehle des Roboters. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein iteratives Vorgehen entwickelt. Auf der zeitbasierten Bewegungskurve wurden Segmente – basierend auf Vorzeichnen-Wechsel von der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung – identifiziert. Für jedes Bewegungssegment wurde ein Initial-Wert für Geschwindigkeit und Beschleunigung berechnet. Mit diesen Daten

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wurde ein Roboterprogramm generiert. Das Roboterprogramm wurde am Roboter durch-geführt und die exakte Bewegung der Roboter gespeichert. Dieses kann mit der Initial-Gießkurve verglichen werden. Die Abbildung 61 stellt den Versuchsstand dar. Die Abbildung 62a zeigt die Verzögerung zwischen der gewünschten Gießkurve, die eine konstante Füllrate sichert, und der aus dem Experiment erfassten Bewegung. Die Bewegungsparameter sind iterativ eingestellt bis die Verzögerung der Bewegungssegmente unter einer gewissen Grenze bleibt. In jeder Iteration wird ein verbessertes Roboterprogramm generiert, das auf dem Roboter ausgeführt wird. Basierend auf den gespeicherten Bewegungstasten wird das verbesserte Roboterprogramm für die nächste Iteration während der Ausführung generiert. Nach nur 6 Iterationen liegt der RMS Wert der Verzögerung unter 20 Millisekunden, wie in Abbildung 62b dargestellt.

Abb. 62: Ergebnisse des Optimierungsverfahrens

Die Verzögerungen vor dem Optimierungsprozess (a) verursachen eine schwankende Füllrate. Nach 6 Iterationen wurden die Roboterbewegungen mit den idealen Bewegungen synchronisiert (b) bis auf einen RMS-Wert der Verzögerung von 20 Millisekunden.

Ein anderer Bereich der künstlichen Intelligenz, der für die Nachwuchsgruppe wichtig ist, ist maschinelles Lernen. Hier wurde ein Konzept für die Verbesserung der Genauigkeit der Roboter ausgearbeitet. Maschinelles Lernen wurde eingesetzt, um die heutige Lösung des inversen Kinematik-Problems und ein zusätzliches Kalibrieren der Roboter zu ersetzen. Das Konzept wurde mit Hilfe eines einfachen aber relevanten Anwendungsfalls in der Praxis validiert. Für die Nachwuchsgruppe bleibt die Herausforderung, das Konzept sowohl für Industrieroboter als auch für die Seilkinematik des GSaME-Demonstrators zu validieren.

Nachwuchsgruppe „Regional und global vernetzte Produktion“

Nachwuchsgruppenleiter: Dr. rer. pol. Martin Mikusz


Die Nachwuchsgruppe „Regional und global vernetzte Produktion“ widmet sich der Weiterentwicklung des Forschungsprogramms der GSaME auf Basis des Leitbildes wand-lungsfähiger Produktionsunternehmen, die im Rahmen von Produktionsnetzwerken agieren. Das Alleinstellungsmerkmal der Nachwuchsgruppe ist dabei die Betrachtung von global und regional agierenden Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Software- und Serviceanbietern, die über Produktionsnetzwerke im engeren Sinn hinausgehen (vgl. Abb. 63).

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Abb. 63: Produktionsnetzwerke im weiteren Sinn Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Software- und Serviceanbietern

Das Forschungsprogramm der Nachwuchsgruppe bildete im Berichtszeitraum 2016 zum einen Forschungsvorhaben, die in Zusammenarbeit zwischen den Promovierenden und dem Nachwuchsgruppenleiter stattfinden sowie zum anderen eigenständige Forschungsarbeiten des Nachwuchsgruppenleiters.

Die an der Nachwuchsgruppe beteiligten Promovierenden erlangen gleichzeitig fachlich-spezifisches bzw. methodisches Wissen, das für die Absolvierung ihres individuellen Ausbildungsprogramms und für die Bearbeitung ihres Dissertationsvorhabens dienlich ist. So widmet sich eine gemeinsam durchgeführte empirische Studie (noch nicht abgeschlossen) der Untersuchung des „Zusammenspiels“ zwischen dem Management globaler Produktionsnetz-werke und dem Konzept der Wandlungsfähigkeit.

Des Weiteren konnte im Berichtszeitraum ein Forschungsvorhaben initiiert und zur Förderung durch das Deutsch-Chinesisches Zentrum beantragt werden, das sich in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Shanghai for Science & Technology dem Thema „Koordination in deutsch-chinesischen Produktionsnetzwerken im Automobilsektor“ widmen soll. Die Motiva-tion des Vorhabens liegt in der sich rapide ändernden Rolle Chinas als Produktionsstandort: Standorte in China in globalen Produktionsnetzwerken sind zunehmend in der Lage, neben der Rolle einer „Offshore Factory“ auch weitere, komplexe und strategisch relevante Fabrik-rollen (z.B. „Lead Factory“, „R&D Center“, etc.) zu erfüllen. Damit stellt sich die Frage, unter welchen Rahmenbedingungen, welche Konfiguration der strategischen Fabrikrollen einher-gehend mit welchen Koordinationsmechanismen vorteilhaft sein kann. Das Vorhaben soll diese Frage im Hinblick auf deutsch-chinesische Produktionsnetzwerke im Automobilsektor untersuchen.

Die eigenständigen Forschungsarbeiten des Nachwuchsgruppenleiters konzentrierten sich im Berichtszeitraum weiterhin auf die Erarbeitung einer wissenschaftlichen Produktkonzeption für Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Software- und Service-anbietern. Die Produktkonzeption, vereinfacht artikuliert das „Was wird produziert“, determi-niert die Wertschöpfungskonzeption – vereinfacht artikuliert das „Wie wird produziert“ und ist somit eine wichtige Determinante des aME. Den Forschungsarbeiten hierzu liegt grundsätzlich

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das Konzept der hybriden Wertschöpfung zugrunde. Damit wird der Bilanzrahmen der Produktion im engeren Sinn auf die Erstellung hybrider Leistungsbündel ausgeweitet. Diese bestehen sowohl aus physischen, wie auch aus Dienstleistungs- und Softwarebestandteilen, die nicht mehr ohne weiteres einzeln erkennbar sind. Hybride Leistungsbündel werden üblicherweise in inter-organisationalen Netzwerken als Organisationsform ökonomischer Aktivitäten erbracht. Im Fokus des Interesses stehen dabei sogenannte Cyber-physische Systeme (CPS), die als eine besondere, softwareintensive Form von hybriden Leistungs-bündeln aufgefasst werden.

Aufbauend auf den Vorarbeiten der Jahre 2014 und 2015 konnten im aktuellen Berichtszeitrum drei weitere Forschungsarbeiten zum o.g. Themenschwerpunkt veröffentlicht werden, die in der Publikationsübersicht dargestellt sind. Weitere Forschungsarbeiten des Nachwuchs-gruppenleiters aus dem Berichtszeitraum 2016 befinden sich zum Zeitpunkt der Fertigstellung des vorliegenden Berichts in der Begutachtung.

4 Dissertationen

Im Berichtszeitraum wurden die folgenden Projekte erfolgreich abgeschlossen. Eine Gesamtübersicht abgeschlossener Promotionen ist im Anhang zusammengestellt.

Nr. Dissertationsthema Abschluss Doktorand/-in Projektpartner Erstbetreuer

G7

Automatisierte Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungs-maschinen mit serviceorientierten Paradigmen

2016 Michael Abel

DFG Prof. Klemm

A2-A26

Ressourceneffiziente Erzeugung ultra-transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostrukturen

2016 Thomas Ackermann

FhG Prof. Westkämper

C4 Energietransportmechanismen bei der gepulsten Laserbearbeitung Carbon-faser verstärkter Kunststoffe

2016 Christian Freitag

DFG Prof. Graf

A20 Ein Modell zur energetischen Analyse und Bewertung von Vakuum-Greif-systemen

2016 Florian Fritz

J. Schmalz GmbH

Prof. Westkämper

A21

Methode zum Management der Produktsicherheit für einen globalen Produktionsverbund in der Automobil-industrie

2016 Steffen Häfele


E4 RFID-Based Real-Time Production Monitoring in a Variant Production Environment

2016 Bilal Hameed

DFG Prof. Rothermel

F2-006

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammen-arbeit während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau

2016 Tobias Helbig

Festo AG Prof. Westkämper

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A19

Systematik für eine proaktive Anlagen-planung zur Effektivitäts- und Effizienz-steigerung kapitalintensiver Fabrik-planungsprojekte

2016 Mark Hillmann

agiplan GmbH Prof. Westkämper

B2-D10

Wandlungskonzepte für Produktionsnetzwerke

2016 Max Monauni

DFG Prof. Zahn

B2-D9

Netzwerkkultur in Produktionsnetz-werken – Gestaltungsmöglichkeiten in der Automobilindustrie

2016 Claudia Piesche

FhG-IPA Prof. Westkämper

B1 Modeling Method for Simulation of Assembly Variances

2016 Matthias Reuss

DFG Prof. Verl

G3 Analyse Ytterbium-dotierter Materialien für den Einsatz in ultrakurz-gepulsten Scheibenlasersystemen

2016 Katrin Wentsch

DFG Prof. Graf

Cluster A2 –Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Thema A2-A26: Flexible transparente Elektroden auf CNT-Basis

Doktorand

Thesis Committee:

Dipl.-Chem. Thomas Ackermann

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)

Fraunhofer IPA

Dissertationsthema

Ressourceneffiziente Erzeugung ultra-transparenter Elektroden durch perkolierende Nano-strukturen

Zusammenfassung

Kürzere Produktlebenszyklen von Displays sowie der aufstrebende Markt für flexible Elektronik und der damit verbundene Bedarf an biegbaren Displays erzeugen innerhalb der Elektronik-industrie das Bestreben nach einer kosteneffizienten Substitution des konventionellen, aller-dings brüchigen sowie in Beschaffung und Prozessierung teuren Materials Indiumzinnoxid. Wenngleich verschiedene Alternativmaterialien wie Nano-Kohlenstoff (Graphen, Kohlenstoff-nanoröhren), metallische Nanodrähte oder leitfähige Polymere diskutiert werden, fand eine Substitution von Indiumzinnoxid bisher nicht statt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Netzwerke aus Silbernanodrähten hinsichtlich ihrer Eignung als transparente Elektroden untersucht. Das grundlegende Konzept der elektrischen Leitfähig-keit ist hierbei die elektrische Perkolation, wodurch gewährleistet ist, dass Ladungsträger entlang des gesamten Netzwerks diffundieren können. Bedingung dafür ist die strukturelle

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Perkolation der Silbernanodrähte, die ein durchgehendes Netzwerk, ähnlich einem Mikado-Spiel, bilden.

Das konventionelle Anforderungsprofil für transparente Elektroden ist eine Transparenz über 90 Prozent und ein Schichtwiderstand unter 100 Ω/sq. Allerdings weisen Schichten aus Silber-nanodrähten eine signifikante Trübung auf, was nicht mit heutigen Qualitätsstandards verein-bar ist. Es stellte sich heraus, dass nur solche Silbernanodraht-Schichten eine ausreichend geringe Trübung für die Anwendung in Displays besitzen, deren Transparenz über 97 Prozent liegt, da in diesem Falle die Belegungsdichte der lichtstreuenden Stäbchen ausreichend gering ist. Aus diesem Grund lag der Fokus dieser Arbeit auf solchen ultra-transparenten Schichten, die aufgrund der zu geringen Leitfähigkeit bisher kaum von Interesse waren. Zur Beschreibung der elektrischen Perkolation in ultra-transparenten Schichten aus Silbernanodrähten wurden ausführliche Messreihen durchgeführt. Neben der optischen und elektrischen Analyse wurden die Schichten mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht, um Aussagen über die strukturelle Anordnung machen zu können. Dabei stellte sich heraus, dass ein derartiges System nahe der Perkolationsschwelle weitaus empfindlicher auf Veränderungen reagiert als bei höherer Belegungsdichte.

Die Einbettung von Kohlenstoffnanoröhren vermag die Leitfähigkeit des Silbernanodraht-Netzwerks beachtlich zu steigern. Dieses Konzept der Co-Perkolation zeigt die größte Wirkung nahe der Perkolationsschwelle. Zudem wurde festgestellt, dass sich durch eine anisotrope Anordnung der Silbernanodrähte die Leitfähigkeiten in paralleler und orthogonaler Richtung voneinander unterscheiden. Dieses Phänomen ist allerdings ebenfalls auf Schichten mit sehr hoher Transparenz beschränkt.

Die vorliegende Arbeit bestätigt verschiedene Theorien zur elektrischen Perkolation in Netz-werken aus stäbchenförmigen Leitern. Andererseits weisen diese experimentell erhobenen Daten auch auf, dass sich weitere Fragen hinsichtlich der elektrischen Perkolationstheorie ergeben, die in bisherigen theoretischen Arbeiten nicht ausreichend berücksichtigt wurden.

Neben der sowohl Grundlagen- als auch Technologie-orientierten Charakterisierung der Schichten liegt ein weiterer Fokus dieser Arbeit auf dem Herstellungsprozess. Der Tauchzieh-prozess bietet die Möglichkeit einer werkzeugfreien Nassfilmbeschichtung, wodurch eine mögliche Verstopfung einer Düse durch Ansammlung von Nanopartikeln nicht berücksichtigt werden muss. Die Eignung des Prozesses hinsichtlich der resultierenden Schichthomogenität wurde untersucht. Dabei kamen sowohl Glas als auch PET-Folien als Substrate zum Einsatz. Im Falle der PET-Folien muss durch eine vorangehende Oberflächenaktivierung durch Sauerstoff-Plasma für eine ausreichende Benetzbarkeit gesorgt werden. Die Skalierbarkeit wird durch die Verwendung kommerzieller Smartphone-Deckgläser validiert und abschließend wird die Konzeptionierung einer Produktionszelle zur Herstellung von Schichten aus Silbernanodrähten vorgestellt.

Thema A2-A20: Energieeffizienz von Vakuumhandhabungssystemen

Doktorand:

Thesis Committee:

Dipl.-Ing. Florian Fritz

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW)

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Dissertationsthema

Ein Modell zur energetischen Analyse und Bewertung von Vakuum-Greifsystemen

Zusammenfassung

Steigende Energiekosten sowie zunehmende gesellschaftliche Forderungen einer nach-haltigen Produktion haben Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs in allen Bereichen der Industrie vorangetrieben und Energieeffizienz zu einem Differenzierungs-merkmal bei der Vermarktung von Industrieprodukten und Produktionsmaschinen entwickelt. In der Vakuum-Greiftechnik ist jedoch ein grundsätzliches Defizit bei der systematischen Aus-legung von Systemen vorhanden und der Energieverbrauch respektive die Energieeffizienz werden in den vorhandenen Auslegungsansätzen nicht ausreichend berücksichtig. Um diese Lücke zu schließen, wurden die Erforschung energetischer Prozesse von Vakuum-Greif-systemen und die Entwicklung einer Systematik zur Bewertung des Energieverbrauchs im Konfigurationsprozess als Aufgabenstellungen dieser Arbeit abgeleitet.

Vor dem Hintergrund der identifizierten Defizite aus dem Stand der Technik und basierend auf den anschließend erarbeiteten Grundlagen sowie den gestellten Anforderungen erfolgte die Konzeption eines zweiphasigen Analyse- und Bewertungsmodells für Vakuum-Greifsysteme. Die erste Phase ist so konzipiert worden, dass darin energetische Wirkzusammenhänge von Vakuum-Greifsystemkomponenten analysiert und modelliert werden. Zu Beginn werden die energiebestimmenden Prozess- und Systemparameter ermittelt, die als Grundlage der energetischen Analysen der einzelnen Greifsystemkomponenten dienten. Die Analysen umfassten umfangreiche Experimente mit Messungen sowie theoretische und simulations-gestützte Untersuchungen. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen der Analysen wurden anschließend Methoden zur Modellbildung der energieverbrauchsrelevanten fluidischen, strukturmechanischen und energetischen Eigenschaften für jede der untersuchten Komponente entwickelt. Die jeweiligen Kapitel zur Modellbildung schlossen mit erfolgreichen Validierungen der Modellbildungsmethoden und den Nachweisen der Modelltauglichkeit ab.

Darauf aufbauend wurde für die zweite Phase ein Verfahren zur energetischen Bewertung von Vakuum-Greifsystemen entwickelt, das im Kontext der Greifsystem-Konfiguration zur Anwendung kommt und eine systematische Steigerung der Energieeffizienz ermöglicht. Das Vorgehensmodell zur energetischen Evaluierung wurde so konzipiert, dass das in der ersten Phase erworbene Wissen über die energetischen Prozesse während der Konfiguration eines Vakuum-Greifsystems zur Anwendung kommen kann. Da unterschiedliche Energiearten bei der Vakuum-Erzeugung verwendet werden können, wurde ein Verfahren entwickelt, das neben der physikalischen auch die technische Vergleichbarkeit von Energiekenngrößen unter Berücksichtigung peripherer Prozesse sicherstellt.

Zum Abschluss erfolgten die Umsetzung des entwickelten Vorgehensmodells zur energe-tischen Evaluierung von Vakuum-Greifsystemen und die erfolgreiche Validierung anhand realistischer Anwendungsfälle aus der industriellen Praxis. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass das Vorgehensmodell ein hilfreiches Mittel bei der Auslegung energieeffizienter Vakuum-Greifsysteme darstellt. Die Ergebnisse der Validierungen verdeutlichten durch die signifikanten Unterschiede im Energieverbrauch die Notwendigkeit der energetischen Bewertung der Greifsystemlösungen im Rahmen des Konfigurationsprozesses.

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Thema A2-A21: Produktsicherheit im globalen Entwicklungs- und Produktionsverbund

Doktorand:

Thesis Committee:

M. Eng. Dipl. Wirt.-Ing. (FH) Steffen Häfele

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME)

Dissertationsthema

Methode zum Management der Produktsicherheit für einen globalen Produktionsverbund in der Automobilindustrie

Zusammenfassung

Im Jahre 2014 wurde mit 235 Rückrufen und ca. 1,9 Millionen Fahrzeugen in Deutschland wiederholt ein neuer Negativrekord erreicht. Die Bedeutung der Produktsicherheit sowie deren Handhabung in zunehmend globalisierten Herstellungsprozessen ist daher so präsent wie nie zuvor. Die Gründe für die steile Rückrufentwicklung sind in einer zunehmend komplexeren Fertigung, steigender Globalisierung der Wertschöpfungsketten sowie einer wachsenden Anzahl an strengeren gesetzlichen Vorgaben zu finden.

Globale Produktionsunternehmen müssen in der Lage sein, sichere Bauteile unabhängig vom Herstellungsort zu produzieren. Sie stehen daher vor der Herausforderung, jedes Element ihrer gesamten Wertschöpfungskette nicht nur qualitätsfähig zu gestalten, sondern zudem auf die global strengsten Anforderungen der Produktsicherheit auszurichten und standardisiert über den gesamten weltweit verteilten Produktherstellungsprozess zu behandeln. In bisheri-gen Lösungsansätzen wurde der Fokus nahezu ausschließlich auf die sicherheitstechnische Konstruktion von Produkten gelegt. In den nachgelagerten Produktherstellungsprozessen werden die Prozesse allerdings, unabhängig von ihrer Auswirkung auf die Sicherheit, mit gleicher Priorität behandelt. Es existiert keine Lenkung der zur Verfügung stehenden Ressour-cen zugunsten der für die Produktsicherheit relevanten Prozesse. Weiterhin gibt es keine Mechanismen zur globalen Vereinheitlichung der Produktsicherheitsaktivitäten. Von diesem Ausgangspunkt eröffnen sich Möglichkeiten zur Verbesserung der Produktsicherheit und damit zur Minimierung von Produkthaftungsrisiken für global agierende Produktionsunternehmen.

In der Arbeit wird daher eine Qualitätssystematik entwickelt, deren Anwendung in einer Vorgabeanweisung resultiert, die verschärfte Qualitätsmaßnahmen für sicherheitsrelevante Prozesse innerhalb der Produktherstellung beinhaltet und die Implementierung und Standardi-sierung der enthaltenen Prozessvorgaben im gesamten Produktionsverbund ermöglicht.

Ausgehend von einer Analyse der existierenden Ansätze zur globalen Qualitätsproduktion und zum prozessorientierten Risikomanagement wird unter Berücksichtigung der Rahmenbe-dingungen globaler Produktionsnetzwerke und den gesetzlichen Vorgaben die Anforderungen an eine Qualitätssystematik definiert. Diese beinhalten, dass die Methode sich zur Priorisie-rung von Herstellungsprozessen in Abhängigkeit des Risikos für Produktsicherheit und Produkthaftung eignen muss. Weiterhin sollen diese risikoinhärenten Prozesse mittels ver-schärfter Qualitätsmaßnahmen ausgestattet werden, für deren Entwicklung gesetzliche Vorgaben, relevante Normen sowie Qualitätsmethoden systematisch analysiert und berück-sichtigt werden müssen. Zuletzt besteht die Anforderung, dass sich die Ergebnisse in eine

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verbindliche Vorgabe transferieren und im kompletten Produktionsverbund standardisieren lassen, um damit ein global einheitliches Sicherheitsniveau zu ermöglichen.

Zur Ermittlung der Produktherstellungsprozesse, die aufgrund ihres inhärenten Risikos für Produktsicherheit für verschärfte Qualitätsmaßnahmen qualifiziert sind, werden zunächst die existierenden Prozesslandkarten analysiert. Unter Anwendung des zweistufigen Product-Safety-Filters lassen sich die Prozesse mit Auswirkung auf Produktsicherheit und/oder Produkthaftung von den restlichen unterscheiden.

Unter Berücksichtigung der unternehmensindividuellen Risikostrategie können mittels der Analyse von Qualitäts- und Zuverlässigkeitsmethoden, der Normenlandschaft und implemen-tierter Best-Practice-Vorgehensweisen verschärfte Qualitätsmaßnahmen entwickelt werden. Diese müssen einen positiven Effekt auf die Zuverlässigkeit eines sicherheitsrelevanten Merkmals oder eine minimierende Wirkung auf das Produkthaftungsrisiko nachweisen. Aufgrund der gesteigerten Anforderungen der verschärften Qualitätsmaßnahmen sind diese ressourcenintensiv in der Anwendung und daher ausschließlich den ermittelten Produkt-sicherheitsprozessen vorbehalten. Die Maßnahmen werden anschließend den für Produkt-sicherheit relevanten Prozessen zugeordnet, in Prozessbeschreibungen übertragen und in dem damit entstehenden Vorgabedokument Handbuch Globale Produktsicherheit strukturiert. Zur Implementierung der dort enthaltenen Anforderungen wird deren tatsächlicher Erfüllungs-grad im Rahmen einer Gap-Analyse getestet und potentielle Abweichungen mittels Korrektur-maßnahmen geschlossen. Basierend auf diesem Stand können die Vorgabe als verbindliches Dokument verabschiedet werden. Produktionswerke mit dem rechtlichen Status einer Tochtergesellschaft können die Verbindlichkeit per Anerkennungsschreiben erreichen. Für die Erstellung und den Betrieb des Vorgabedokumentes sind enge Kooperationen und Abstim-mungen mit Vertretern aller Standorte erforderlich. Hierfür wird die Rollenfunktion „lokaler und globaler Koordinator für Produktsicherheit“ entwickelt und eingeführt.

Die Methode wurde im industriellen Umfeld einer vernetzten Produktion der Automobilindustrie auf Anwendbarkeit am praktischen Beispiel verifiziert. Sie hat einen Beitrag zur standardi-sierten und priorisierten Handhabung von sicherheitsrelevanten Teilen in globalen Produkt-herstellungsketten geleistet, welches Produktionsunternehmen ermöglicht, die Produktsicher-heit zu verbessern und die Haftungsrisiken zu minimieren.

Thema A2-A19: Steigerung der Effektivität und Effizienz ganzheitlicher Fabrikplanungsprozesse

Doktorand:

Thesis Committee:

Dipl.-Ing. MEM Mark Hillmann

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)

Dissertationsthema

Systematik für eine proaktive Anlagenplanung zur Effektivitäts- und Effizienzsteigerung kapitalintensiver Fabrikplanungsprojekt

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Zusammenfassung

Steigende Anforderungen an die Fabrikplanung haben zu mehr Komplexität und damit zu höherem Planungsaufwand bei der Planung neuer Fabriken geführt. Die gleichzeitige Verkürzung von Produkt- und Prozesslebenszyklen ebenso wie der Wunsch der Industrie durch kürzere Fabrikplanungsprozesse Wettbewerbsvorteile zu erschließen und Flexibilität zu gewinnen, spiegeln die aktuelle Situation der Fabrikplanung wieder. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Forderung, die Effektivität und Effizienz von Fabrikplanungen zu verbessern, um zunehmende Anforderungen an die Planung mit der Forderung nach kürzeren Planungs-dauern zu verknüpfen. Ausgehend von dieser grundsätzlichen Herausforderung wurde das Potenzial einer verbesserten Integration der Anlagenplanung in den Planungsprozess der Fabrikplanung erkannt. In der vorliegenden Arbeit wurde resultierend die Planungssystematik der proaktiven Anlagenplanung entwickelt, um hierdurch die Planungsprozesse der Anlagen-planung entsprechend deren Struktur und Komplexität, ablaufoptimal in den Gesamtprozess der Fabrikplanung zu integrieren.

Auf Basis durchgeführter Analysen aktueller Vorgehensweisen der Fabrik- und Anlagen-planung wurden unter Berücksichtigung von Prozess- und Projektmanagement, Anforderun-gen an eine Planungssystematik der proaktiven Anlagenplanung abgeleitet. Diese umfassten, dass die Methodik sich zur frühzeitigen Entwicklung der Technologie- und Anlagenstrukturen im Rahmen der Grobplanungsphase von Fabrikplanungsprojekten eignen muss. Weiter bestand die Anforderung, den Einfluss von Genehmigungsverfahren auf die Anlagenstruktur-planung selbst sowie die Berücksichtigung der Verfahrensdauer der Genehmigungsverfahren im Gesamtablauf der Fabrikplanung systematisch zu berücksichtigen. Abschließende Forde-rung war die Integration der Planungsprozesse der Anlagenplanung, in Abhängigkeit von deren Charakteristika, in den Gesamtplanungsprozess von Fabrikplanungsprojekten.

Die auf Basis der Anforderungen entwickelte und vorgestellte Planungssystematik umfasst fünf Planungsphasen und zwei Quality Gates. Diese beinhalten die Entwicklung der Anlagen-struktur, die Veränderung dieser bis zum Produktionsstart der Fabrik, den Einfluss von Genehmigungsverfahren sowie die komplexitäts- und strukturabhängige Integration der Planungsmodule der Anlagenplanung in den Ablauf der Fabrikplanung. Im ersten Schritt der Vorgehensweise wird die Produktionsaufgabe der zu planenden Fabrik auf Basis von Referenzprodukten definiert. Folgend wird die Produktionsaufgabe, durch Berücksichtigung der Produktstrukturen der Referenzprodukte, bis auf die Einzelteilebene detailliert. Der entstehenden Struktur der Produktionsaufgabe werden die benötigten Fertigungs- und Montageverfahren zur Herstellung der Referenzprodukte zugeordnet. Basierend auf der Struktur der Produktionsprozesse werden, unter Berücksichtigung weiterer Faktoren wie Stückzahlen, Kosten und Flexibilität, Produktionsanlagenmodule und deren Versorgungs- und Entsorgungsströme entwickelt. Im nächsten Schritt der Planungssystematik werden geplante technologische Veränderungen der Produktionsstrukturen mit Hilfe des Technologiekalenders analysiert, terminiert und entsprechend in die Produktionsstruktur ergänzt. Basierend auf dem, um die geplanten technologischen Veränderungen der Fabrik erweiterten Anlagenstruktur-modell, werden die Anlagenmodule im Rahmen des ersten Quality Gates ermittelt, welche von Genehmigungsverfahren betroffen sein könnten. Für betroffene Produktionsanlagenmodule werden entsprechende Prüfkriterien der gesetzlichen Regelungen ermittelt, um die Notwendig-keit eines Genehmigungsverfahrens zu verifizieren sowie die Ausprägung des Verfahrens zu ermitteln. Die Bestimmung der Größen der Prüfkriterien erfolgt nach der Vervollständigung des Anlagenstrukturmodells der Produktion um periphere Anlagen, da diese im Rahmen der

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Größenbestimmung der Prüfkriterien teilweise mit zu betrachten sind. Zur Vervollständigung des Anlagenstrukturmodells werden im ersten Schritt, auf Basis der Entsorgungsströme der Produktionsanlagenmodule sowie unter Einbezug von Verwaltungsvorschriften zum Umgang mit Emissionen, periphere Anlagenmodule der Entsorgungsebene ermittelt. Basierend auf den Anforderungen der Anlagenmodule der Produktions- und der Entsorgungsebene werden die Anlagenmodule der Versorgungsebene konzipiert. Mit der Ergänzung der peripheren Anlagen-strukturen zu Ver- und Entsorgung der Produktionsanlagen ist das Anlagenstrukturmodell vollständig. Im folgenden Schritt der Planungssystematik werden die Größen der Prüfkriterien auf Basis des Anlagenstrukturmodells sowie der Produktionsaufgabe berechnet. Diese dienen dem zweiten Quality Gate als Informationsgrundlage, um sie mit den Grenzwerten der Genehmigungsverfahren abzugleichen. Im Rahmen eines Expertenkreises wird auf diese Weise entschieden, inwiefern Genehmigungsverfahren bei der Strukturierung des Planungs-prozesses zu berücksichtigen sind. Zur anschließenden individuellen Integration der Anlagen-planung in den Prozess der Fabrikplanung wurde ein Vorgehen zur Ableitung von Planungs-modulen auf Basis des Anlagenstrukturmodells beschrieben. Hierbei wird für jedes Anlagenmodul des Anlagenstrukturmodells ein Planungsmodul abgeleitet. Die Planungs-module der Anlagenplanung werden hinsichtlich deren Planungsreihenfolge strukturiert und auf Basis ihrer Eigenschaften individuell in den Gesamtprozess der Fabrikplanung integriert.

Die Planungssystematik der proaktiven Anlagenplanung wurde am praktischen Beispiel einer Fabrikneuplanung in ihren einzelnen Planungsschritten untersucht und validiert. Die ent-wickelte Planungssystematik hat damit einen Beitrag zur verbesserten Integration der Anlagenplanung in die Abläufe der Fabrikplanung geleistet, mit welchen Unternehmen die Effektivität und Effizienz zukünftiger Fabrikplanungsprozesse verbessern können.

Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion Thema B2-D10: Integrierte Produktionsnetzwerke – eine industrie-

spezifische Analyse

Doktorand:

Thesis Committee:

M. A. Max Monauni

Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)

Dissertationsthema


Zusammenfassung

Produktionsnetzwerke befähigen zur flexiblen (Re-)Konfiguration von Produktionssystemen an verschiedenen Standorten und schaffen damit zusätzliche Wandlungsfähigkeit. Dies wird besonders durch die Integration des Netzwerks bestimmt, da eine ausgeprägte Kapazitäts-nutzung im Sinne einer Kombination verschiedener Standortvorteile erst durch eine entsprechende Netzwerkintegration möglich wird.

Den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Forschungsfrage, inwieweit spezifische Netzwerkintegrationen zusätzliche Wandlungsfähigkeiten schaffen. Zur Annäherung an diese Fragestellung werden sogenannte Wandlungskonzepte entwickelt, die eine differenzierte

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Betrachtungsperspektive auf unterschiedliche Formen der standortübergreifenden Produk-tionsverschiebung erlauben. Diese Wandlungskonzepte, welche zum einen auf netzwerk-relevanten Theorien und zum anderen auf aktuellen Forschungsständen zu Wandlungs-fähigkeit gründen, bilden den Bezugsrahmen zur tiefergehenden Untersuchung der Netzwerk-integration. Demnach erwächst aus der Kombination einzelner, unterschiedlich beschaffener Netzwerkstandorte zusätzliche Wandlungsfähigkeit, welche sowohl durch den Zugriff auf lokal diversifizierte Standortvorteile (Kapazitätspooling) als auch durch die Kombination von komplementär verteilten Fertigungskompetenzen (Kapazitätsallying) realisiert werden kann.

Zur empirischen Verifizierung der Unterscheidungsnotwendigkeit zwischen Kapazitätspooling und -allying erfolgt ein Abgleich mit einer repräsentativen Datenbasis aus verschiedenen peer-reviewed Journals (N=37), welche 90 Einzelreferenzen zur Erlangung netzwerkbasierter Wandlungsfähigkeit beinhalten. Deren Auswertung offenbart zahlreiche Widersprüche bezüg-lich der empfohlenen Ausprägungen verschiedener Integrationsdimensionen. Erst mit dem Einbezug der beiden Wandlungskonzepte, welche die Realisierung von standortbedingten oder kompetenzbasierten Vorteilen in Produktionsnetzwerken separat voneinander betrach-ten, lassen sich die diskrepanten Aussagen der Einzelreferenzen vollumfänglich durch die unterschiedlichen Wirkungsweisen des Kapazitätspooling bzw. -allying erklären.

Die gewonnenen Ergebnisse erfahren über einen Abgleich mit bestehenden netzwerk-relevanten Erkenntnissen wie auch über die Entwicklung eines anwendungsorientierten Managementkonzepts eine Rückkopplung zu Theorie und Praxis.

Thema B2-D9: Integriertes Projektmanagement für Produktions-

netzwerke

Doktorandin:

Thesis Committee:

Dipl.-Kffr. Techn. Claudia Piesche

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME)

Dissertationsthema

Netzwerkkultur in Produktionsnetzwerken – Gestaltungsmöglichkeiten in der Automobil-industrie

Zusammenfassung

Die Unternehmen in der Automobilindustrie müssen sich zunehmend vernetzen, um den wettbewerblichen Herausforderungen wie z.B. einer immer höheren Produktivität, Produkt-qualität etc. gewachsen zu sein. Um diese Vernetzung zu gewährleisten, ist es von zentraler Bedeutung, dass die sozialen Beziehungen, Beziehungsstrukturen und somit die interpersona-len Wechselwirkungen in diesen strategischen Netzwerken berücksichtigt werden.

Diese interpersonalen Netzwerke sind durch eine hohe Dynamik und Komplexität geprägt. Als Beispiele sind die Kombination kooperativer und wettbewerbsorientierter Verhaltensweisen der Netzwerkpartner und deren verschiedene Kulturen zu nennen. Diese ambivalente Situation generiert hohes Misstrauen zwischen den beteiligten Netzwerkakteuren.

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Um Erfolge in einem Netzwerk zu gewährleisten, sind jedoch die sozialen Beziehungen sowie die Qualität dieser Beziehungen und damit in Zusammenhang stehendes wechselseitiges Vertrauen zentrale Aspekte. Wechselseitiges Vertrauen ist wichtig, da die Akteure auch in einer gegenseitigen wirtschaftlichen Abhängigkeit stehen. Vertrauen ist ein wesentliches Koordinationsprinzip in Netzwerken. Es ist sowohl eine Voraussetzung für die Entstehung von Netzwerken, als auch für die reibungslose Koordination von Transaktionen innerhalb eines Netzwerks.

Die Kultur in einem Netzwerk kann als Instrument angesehen werden, die das personale wie auch das organisationale Vertrauen in Netzwerken erhöht. Beide Vertrauensarten müssen gleichermaßen berücksichtigt werden. Durch die Kultur und gemeinsame Werte steigt die Vertrauenswürdigkeit der Netzwerkpartner. Die Kultur übernimmt Stabilitäts- und Orientie-rungsfunktion. Somit ist die Kultur und die damit verbundene Vertrauenskomponente als strategische Ressource in Netzwerken (der Automobilindustrie) anzusehen.

Ziel des hier vorliegenden Forschungsprojekts ist es daher, ein theoretisch und praktisch fundiertes Maßnahmenkonzept zu erstellen, das als Gestaltungsrahmen eingesetzt werden kann, um eine emergente Kulturentwicklung in Produktionsnetzwerken zu fördern, und damit Vertrauensaufbau in Netzwerken positiv zu beeinflussen. Diese gelenkte Emergenz zur Ent-wicklung einer gemeinsamen Netzwerkkultur ist bislang noch wenig erforscht. Sie wird in dieser Arbeit als eine kritische Kontextvariable der Netzwerkeperformance angesehen.

Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Thema C2-E4: Neue Kommunikationsarchitektur für Echtzeitfabriken

Doktorand:

Thesis Committee:

M. Sc. Bilal Hameed

Prof. Dr. Kurt Rothermel (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (IFF)

Dissertationsthema

RFID-Based Real-Time Production Monitoring in a Variant Production Environment

Eine Zusammenfassung liegt nicht vor.

Thema C2-B1: Einfluss von Dämpfungsparametern in Simulations-modellen

Doktorand:

Thesis Commitee:

Dipl.- Ing. Matthias Reuß

Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW) Prof. Dr.-Ing. Uwe Heisel (IFW)

Dissertationsthema

Modeling Method for Simulation of Assembly Variances

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Zusammenfassung

Qualitativ hochwertige Werkzeugmaschinen sind eine notwendige Bedingung zur präzisen industriellen Fertigung von Bauteilen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode vorgestellt, mit der die gleichbleibende Genauigkeit und Qualität bei der industriellen Herstellung bau-gleicher Werkzeugmaschinen überprüft und erreicht werden kann. Diese basiert auf einer Messung der gesamten Reibung der Linearachsen über die Motorströme als auch über die Steuerung verfügbarer Messgrößen. Dabei zeigt sich eine deutliche Streuung zwischen einzelnen baugleichen Achsen, die auch Rückschlüsse auf den Einbauzustand einzelner Komponenten erlaubt. Eine solche Messung kann bereits als Referenzmessung beim Maschinenhersteller geschehen und nachfolgend beim Maschinennutzer wiederholt werden, um Veränderungen zu beobachten. Zur Verifizierung wurden sowohl an Werkzeugmaschinen beim Maschinenhersteller als auch an einem Versuchsstand, in den definierte Montagefehler eingebracht wurden, Messungen durchgeführt. Weiterhin wird eine Methode, die die Modellie-rung von Montagestreuungen in Simulationsmodellen ermöglicht, vorgestellt. Es wird gezeigt, dass sich mit dieser Methode bereits frühzeitige Aussagen über deren Auswirkungen auf die Reibung treffen lassen und sich die Simulation somit für eine erste Beurteilung kritischer Montagevorgänge bereits in der Konstruktionsphase eignet. Dies ermöglicht eine verbesserte Planung der Montage, indem auf die als kritisch identifizierten Schritte mehr Aufwand ver-wendet werden kann, wohingegen der Aufwand für unkritische Schritte gegebenenfalls reduziert werden kann.

Cluster E2 – Material und Prozessengineering

Thema E2-C4: Laser-Bearbeitung innovativer Werkstoffe

Doktorand:

Thesis Committee:

Dipl.-Ing. Christian Freitag

Prof. Dr. Thomas Graf (IfSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB)

Dissertationsthema

Energietransportmechanismen bei der gepulsten Laserbearbeitung Carbonfaser verstärkter Kunststoffe

Zusammenfassung

Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) versprechen aufgrund ihrer hervorragenden mecha-nischen Eigenschaften ein enormes Potenzial bei Leichtbauanwendungen. Die Verarbeitung des Materials ist allerdings aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften herausfordernd. Der Laser als verschleißfreies, berührungsloses und gut automatisierbares Werkzeug bietet sich zur Bearbeitung dieses Materials an, die Prozessgrundlagen sind jedoch noch nicht aus-reichend beleuchtet. Inhalte dieser Arbeit sind grundlegende Untersuchungen zu den Energietransportmechanismen, welche bei der Laserbearbeitung von CFK relevant sind. Es können dabei zwei Phasen identifiziert werden: Die Energiedeposition, in der die optisch eingestrahlte Energie im Material deponiert wird und die Energiedistribution, in der die deponierte Energie umverteilt wird.

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In der Phase der Energiedeposition wird die Laserstrahlung in das Material eingekoppelt. Zur Bestimmung des Einkoppelgrads der Laserstrahlung in Carbonfasergelege und CFK wurden die optischen Eigenschaften der Carbonfasern über die optischen Eigenschaften von Graphit angenähert. Mit Hilfe eines Modells, welches den runden Carbonfaserquerschnitt und Mehr-fachreflektionen zwischen den Fasern berücksichtigt, wurde der Einkoppelgrad in Abhängig-keit der Polarisation des einfallenden Laserstrahls theoretisch bestimmt. Es zeigte sich, dass der Einkoppelgrad in ein Carbonfasergelege für Wellenlängen im ultravioletten, sichtbaren und nah-infraroten Wellenlängenbereich durchgängig größer als 70 Prozent ist und auf ungefähr 40 Prozent für CO2-Laserstrahlung abfällt. Für eine Polarisation der Laserstrahlung senkrecht zur Symmetrieachse der Carbonfasern ist der Einkoppelgrad größer als für Strahlung mit einer parallelen Orientierung der Polarisation zur Carbonfaserachse. Das in CFK zusätzlich vorhan-dene Matrixmaterial führt zu einer Erhöhung des Einkoppelgrades. Zur experimentellen Validierung des Modells wurde ein auf dem Prinzip der Reflektometrie basierender Messauf-bau realisiert. Es ergaben sich Abweichungen von maximal 20 Prozent zwischen den theore-tisch und experimentell bestimmten Werten für die Einkopplung. Die auf Basis des Modells getroffenen qualitativen Zusammenhänge konnten bestätigt werden.

Aufgrund des runden Querschnitts der Carbonfasern kommt es zur Reflektion der einfallenden Laserstrahlung senkrecht zur Symmetrieachse der Carbonfasern. Diese Energieumverteilung bei der Deposition der optischen Energie im Material führt zu einer Verbreiterung der erzeug-ten Nut in der Größenordnung eines Carbonfaserdurchmessers. Bildet sich beim Laserabtrag von CFK eine thermische Schädigung in Form einer Matrixverdampfungszone aus, so wird der Einfluss der Strahlreflektion am runden Carbonfaserquerschnitt besonders deutlich. Es zeigt sich bei der Laserbearbeitung bidirektionalen Materials, dass am Übergang von Lagen mit senkrechter Ausrichtung der Carbonfasern zur Abtragsrichtung zu Lagen mit paralleler Aus-richtung der Carbonfasern zur Abtragsrichtung eine signifikante Verlangsamung des Abtrag-prozesses festgestellt werden kann. Die Mechanismen, welche zu dieser Verlangsamung führen, werden in dieser Ausarbeitung ausführlich diskutiert.

Zu Beginn der Phase der Energiedistribution wird die absorbierte optische Energie in Wärme umgewandelt, wodurch es zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials kommt. Bei den während des Laserabtrags erreichten hohen Temperaturen reagieren sowohl die Carbon-fasern als auch das Matrixmaterial mit Sauerstoff. Dies hat verschiedenste Auswirkungen. An der Materialoberfläche kann es zu einem Verbrennen des Matrixmaterials kommen, was eine große Ausdehnung der thermischen Schädigung zur Folge hat. Bei einem ausreichend großen Sauerstoffstrom machen sich positive Effekte bei der Erzeugung tiefer Nuten bemerkbar. Die Oxidation der Carbonfasern führt zu einem andauernden Abtrag in großen Tiefen, während ohne Sauerstofffluss ein Abbrechen des Tiefenfortschritts beobachtet wurde. Vergleichs-experimente mit Stickstoff offenbarten weitere positive Einflüsse des Sauerstoffs auf den Abtragprozess wie beispielsweise eine reduzierte Rauchentwicklung.

Ein Teil der vom Laser eingestrahlten Energie wird während des Bearbeitungsprozesses in kinetische und thermische Energie des verdampften Materials umgewandelt. Es entsteht eine heiße Materialdampffackel, welche mit hoher Geschwindigkeit von der Prozesszone aus abströmt. Bei der Laserbearbeitung von CFK mit einem Dauerstrichlaser wurde die Ausbildung von Verdichtungsstößen im abströmenden Materialdampf mit Hilfe von Hochgeschwindig-keitsaufnahmen beobachtet. Anhand dieser Verdichtungsstöße konnte die Abström-geschwindigkeit des Materialdampfs abgeschätzt werden. Es zeigte sich, dass das verdampfte Material mit bis zu 3,3 km/s von der Prozesszone abströmt. Aufgrund dieser hohen

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Geschwindigkeit des abdampfenden Materials kann es zu einer mechanischen Wechsel-wirkung mit dem Werkstück kommen, beispielsweise zu einer Verplusterung freiliegender Carbonfasern.

Die heiße Materialdampffackel kann mit dem zu bearbeitenden Werkstück auch thermisch wechselwirken. Die bei der Laserablation von CFK entstehenden heißen Ablationsprodukte haben eine Temperatur, welche größer als die Verdampfungstemperatur des Matrixmaterials ist. Die nachträgliche Erwärmung des Materials durch einen Strom heißer Ablationsprodukte kann zu einer zusätzlichen thermischen Schädigung führen. Es wird im Rahmen dieser Abhandlung ein Experiment beschrieben, mit welchem eine thermische Beeinflussung des Materials durch heiße Ablationsprodukte demonstriert werden konnte.

Ein wesentlicher Energieumverteilungsmechanismus ist die Wärmeleitung insbesondere entlang der Carbonfasern. Dementsprechend hat die Matrixverdampfungszone (MVZ) ihre größte Ausdehnung in Richtung der Carbonfasern. Der Einfluss verschiedener Prozess-parameter auf die Ausdehnung der MVZ wurde mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen untersucht. Ein von der Wärmeleitung abhängiger Effekt, welcher bei der gepulsten Laser-bearbeitung von CFK mit hohen Spitzenintensitäten maßgeblich die Ausdehnung der MVZ beeinflusst, ist die Akkumulation von Wärme. Dabei kann unterschieden werden zwischen einer Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen (WAP) und einer Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Scans (WAS). Die aus der Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen resultierende Tempe-raturerhöhung hängt dabei vom Wärmeeintrag pro Laserpuls, der Pulsfrequenz und der Anzahl an Pulsen ab. Analog hierzu hängt die aus der Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Scans resultierende Temperaturerhöhung von der pro Überfahrt einge-brachten Wärme, der Scanfrequenz und der Anzahl an Scans ab. Der Einfluss der verschie-denen Prozessparameter auf die beiden Wärmeakkumulationseffekte wurde bestimmt und die Skalierung zu hohen mittleren Laserleistungen untersucht.

Die gewonnenen Erkenntnisse über die verschiedenen Energietransportmechanismen ermög-lichten die Demonstration eines CFK Schnitts mit einem am IFSW entwickelten Lasersystem. Dieses lieferte eine mittlere Laserleistung von 1,1 kW bei einer Pulsfrequenz von 300 kHz mit Pulsen der Pulsdauer 8 ps. Das 2 mm dicke CFK Material wurde mit einer effektiven Geschwin-digkeit von 0,9 m/min bei einer thermischen Schädigung <20 µm geschnitten. Abschließend werden Möglichkeiten zur Optimierung des Schneidprozesses diskutiert. Insbesondere wird auf Strategien zur Steigerung der Prozesseffizienz und auf die Beeinflussung der Schnitt-kantenneigung durch Anstellung des Bearbeitungslaserstrahls eingegangen.

Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Thema F2-006: Entwicklung einer IT-Architektur für modulare Produktionssysteme

Doktorand:

Thesis Committee:

Dipl.-Ing. Tobias Helbig

Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. Dr.-Ing. Peter Klemm (ISW)

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Dissertationsthema

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau

Zusammenfassung

Der Sondermaschinenbau im Bereich von Fertigungssystemen zeichnet sich durch individuelle Kundenanforderungen mit hohem Neuheitsgrad aus. Daher ist das Engineering mit großem Aufwand verbunden und dessen Effizienz wird zum kritischen Erfolgsfaktor im Sonder-maschinenbau. Die mangelnde Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Domänen Mecha-nik, Elektrik und Software führt allerdings zu Fehlern und den daraus resultierenden Korrektur-schleifen, was die Effizienz des Engineerings deutlich verringert.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird in dieser Arbeit eine Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineerings im Sonder-maschinenbau entwickelt: das Manufacturing System Dependency Model (MaSDeM). Der Kerngedanke des Konzepts ist die Einführung einer gemeinsamen Plattform, auf der die Domänen gemeinsam die Prinziplösung erstellen, diskutieren und optimieren. Hierfür wird eine Darstellung der Prinziplösung auf Basis der physisch wahrnehmbaren Funktionen entwickelt. Die Funktion dient dabei als gemeinsame Abstraktionsebene und stellt so das domänen-übergreifende Lösungsverständnis sicher. Unterstützt wird dies durch eine funktionale Kategorisierung von Automatisierungskomponenten, die als Bausteine eines Fertigungs-systems dienen. Damit wird bereits in der frühen Engineering-Phase eine profunde domänen-übergreifende Prinziplösung erstellt, die die Basis für die Ausarbeitung der vollständigen Lösung ist. Alle Informationen der Prinziplösung können nahtlos in die domänenspezifischen Tools übertragen werden, wo sie konkretisiert und detailliert werden. Dadurch entsteht ein datentechnisch und inhaltlich durchgängiger Engineering-Prozess von der Anforderungs-definition bis zum vollständigen Fertigungssystem.

Durch die verbesserte domänenübergreifende Zusammenarbeit werden eine hohe Lösungs-qualität in der frühen Phase und eine konsistente und durchgängige Ausarbeitung im Enginee-ring-Prozess erzielt. Dies reduziert die kostspieligen und zeitaufwändigen Änderungen in der späten Phase auf ein Minimum und bewirkt damit eine Steigerung der Effizienz des Engineerings.

Thema F2-G3: Laserstrahlquellen für innovative Produktions-einrichtungen

Doktorandin:

Thesis Committee:

Dipl.-Ing. Katrin Sarah Wentsch

Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT)

Dissertationsthema

Analyse Ytterbium-dotierter Materialien für den Einsatz in ultrakurz-gepulsten Scheibenlaser-systemen

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Zusammenfassung

Ultrakurzpuls-Laserstrahlquellen mit hohen Spitzen- und Ausgangsleistungen sind derzeit Gegenstand zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Diese Lasersysteme werden zum Beispiel in der Materialbearbeitung, in der Medizin und im wissenschaftlichen Bereich eingesetzt. Das Konzept des modengekoppelten Scheibenlasers ist dazu prädestiniert, die Anforderungen an hohe Ausgangs- und Pulsspitzenleistungen direkt aus einem Hochleis-tungsoszillator ohne zusätzliche Verstärkerstufen zu ermöglichen.

Durch die Scheibengeometrie des laseraktiven Mediums, typischerweise mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 300 µm und einem Durchmesser von 6 bis 20 mm, wird eine effektive Wärmeabfuhr erreicht, um gute Strahlqualitäten bei hohen Ausgangsleistungen zu erzielen. Durch das dünne laseraktive Medium sind bei hohen Spitzenleistungen nichtlineare Effekte vernachlässigbar. Die Kombination aus Scheibenlaser und sättigbarem Halbleiterspiegel (SESAM) bildet ein System, das über die Flächen der Moden auf der Scheibe und dem SESAM leistungsskalierbar ist. Es ermöglicht hohe Ausgangsleistungen bei kurzer Pulsdauer.

Im Rahmen der Arbeit wurde das Potenzial (neuartiger) Ytterbium-dotierter Laserkristalle für den Einsatz in passiv modengekoppelten Scheibenlaseroszillatoren untersucht. Folgende Laserkristalle wurden nach Materialeigenschaften wie z. B. der thermischen Wärmeleitfähig-keit und der Emissionsbandbreite, die hohe Ausgangsleistungen und ultrakurze Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden (10-12) und Femtosekunden (10-15) ermöglichen, selektiert und eingehender analysiert: Yb:Sc2SiO5, Yb:CaGdAlO4, Yb:CaF2 und Yb:Lu2O3.

Die Eignung dieser Kristalle im Dauerstrichbetrieb wurde durch maximale Ausgangsleistungen von 280 W für Yb:Sc2SiO5, 152 W für Yb:CaGdAlO4, 250 W für Yb:CaF2 und 670 W für Yb:Lu2O3 gezeigt. In passiv modengekoppelten Scheibenlaseroszillatoren wurde mit Yb:Sc2SiO5 eine mittlere Ausgangsleistung von 27,8 W bei einer Pulsdauer von 298 fs demonstriert. Mit Yb:CaGdAlO4 wurden bei 300 fs 28 W bzw. bei einer kürzeren Pulsdauer von 197 fs 20 W demonstriert.

5 Preise und Auszeichnungen

Folgende Promovierende wurden im Berichtszeitraum ausgezeichnet:

Die Publikation „The Data-driven Factory – Leveraging Big Industrial Data for Agile, Learning and Human-Centric Manufacturing“ der Autoren Christoph Gröger, Laura Kassner, Eva Hoos, Jan Königsberger, Cornelia Kiefer, Stefan Silcher und Bernhard Mitschang wurde mit dem Best Paper Award auf der 18th International Conference on Enterprise Information Systems (ICEIS), Rom, Italy, 25.-28.04.2016, im Bereich "Databases and Information Systems Integration“ ausgezeichnet.

Naresh Nayak erhielt den Best Presentation Award auf der 24th International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS) 2016, Brest, France, 26.-28.10.2016 für seine Publikation “No-wait Packet Scheduling for IEEE Time-sensitive Networks (TSN)”.

2016 erhielt Max Regenfelder den Best Paper Award der MOTSP 2016 für den Beitrag: Regenfelder, M.; Slowak, A.P., Schischke, K.: Achieving „Sustainable Smart Mobile Devices Lifecycles Through Advanced Re-design, Reliability, and Re-use and Remanufacturing

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Technology“. Proceedings of Management of Technologies – Step to Sustainable Production (MOTSP 2016), Porec, Croatia, 01.-03.06.2016.

Bernd Waschnek wurde für eine Teilnahme an der Akademie „Führung und Persönlichkeit“ für Ingenieure und Naturwissenschaftler vom 06.-13.03.2016 der Hochschule für Philosophie München (Institut für Philosophie und Leadership) ausgewählt.

Sebastian Egger erhielt den Posterpreis der ProcessNet-Fachgruppe Computational Fluid Dynamics im Rahmen des Jahrestreffens, am 01.03.2016, in Bingen für den Beitrag „Einfluss Hydrodynamischer Instabilitäten auf das Zerstäubungsverhalten von Hohlkegeldüsen“.

Dr.-Ing. Peter Stritt, Absolvent der GSaME 2015, wurde am 20.09.2016 durch die Wissen-schaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V. im Rahmen der Innovation Award & WLT Award Ceremony auf der LANE 2016 in Fürth durch Prof. Michael Schmidt (General Chair der LANE 2016 und Präsident Elect der WLT) mit dem WLT-Preis 2016 ausgezeichnet.

Abb. 64: Auszeichnung von Dr.-Ing. Peter Stritt auf der LANE 2016 Quelle: WLT

6 Mitglieder der GSaME

akad. Titel, Name Institut Forschungsgebiet

Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Bauer

IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement

Industrial Engineering, Arbeits-wissenschaft und Datenverarbeitung

Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

IFF Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb

Fabrikbetrieb, Fertigungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth

INT Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik

Integrierte Schaltungen, Optische Nachrichtentechnik

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Prof. Dr.-Ing Bernd Bertsche

IMA Institut für Maschinenelemente Antriebstechnik, CAD, Dichtungstechnik und Zuverlässigkeitstechnik

Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz

IKD Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design

Antriebstechnik, methodische Produkt-entwicklung, Rechnerunterstützte Produktentwicklung (CAE), technisches Design

Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten

IKT Institut für Kunststofftechnik Polymer-Verarbeitung und -Behandlung, Werkstoff- und Verfahrens-Analyse

Prof. Dr. oec. publ. Wolfgang Burr

BWI – Lehrstuhl für ABWL, Innova-tions- & Dienstleistungsmanagement

Innovations- und Dienstleistungs-management

Prof. Dr.rer.nat. Dr.techn.hc. Dr.-Ing.E.h. Thomas Ertl

VIS Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme

Visualisierung, Computergrafik, Mensch-Maschine-Kommunikation

ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow

IFKB Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile

Fertigungstechnologie keramischer Bauteile und Verbundwerkstoffe

Prof. Dr.-Ing. habil. i. R. Lothar Gaul

INM Institut für Nichtlineare Mechanik Rechnergestützte Simulation, experimentelle Analysen der Dynamik mechanischer Systeme

Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf

IFSW Institut für Strahlwerkzeuge Lasertechnik in der Fertigung

Prof. Dr. rer. nat. Melanie Herschel

IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme

data provenance, data integration, data cleaning (especially entity resolution), and data-centric workflow processing

Prof. Dr. rer. pol. Georg Herzwurm

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Wirt-schaftsinformatik II (Unternehmens-SW)

Unternehmenssoftware

Prof. Dr. rer. pol. Hans-Georg Kemper

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Wirt-schaftsinformatik I (Informations-management)

Unternehmenssoftware

Prof. Dr. rer. nat. Frank Leymann

IAAS Institut für Architektur von Anwendungssystemen

Architektur von Anwendungssystemen

Prof. Dr.-Ing. MBA Mathias Liewald

IFU Institut für Umformtechnik Blechumformung, Massivumformung, Formgebungsverfahren

Prof. Dr. rer. nat. habil. Miriam Mehl


Numerische Simulation

Prof. Dr. Catrin Misselhorn

PHILO Institut für Philosophie Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang


Informations-Management ‒ Daten- Management

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Prof. Dr. oec. Michael-Jörg Oesterle

BWI – Lehrstuhl für ABWL, Internatio-nales und Strategisches Management

Internationalisierungsprozesse, Corporate Governance

Prof. Dr. sc. Wolfgang Osten

ITO Institut für Technische Optik Sensor- und Messtechnik

Prof. Dr. oec. publ. Burkhard Pedell

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Controlling

Einflussgrößen und Wirkungen der Ausgestaltung von Unternehmens-rechnung und Controlling, Risikocontrolling, Regulierung

Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche

IMVT Institut für Mechanische Verfahrenstechnik

Analyse und Synthese von Stoff- änderungs- / -umwandlungsvorgängen der Prozessintensivierung und der Produktgestaltung in verfahrens-technischen Grundoperationen

Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt Rothermel


Erforschung innovativer Konzepte, Algorithmen und Protokolle für die systemseitige Unterstützung verteilter Anwendungen

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer

EEP Institut für Energieeffizienz in der Produktion

Energieeffiziente Technologien, Industrial Smart Grids, Urbane Produktion

Prof. Dr. rer. pol. Henry Schäfer

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Finanz-wirtschaft

Bewertung von Vermögensobjekten, verhaltenswissenschaftliche Kapital-markttheorie und Marktmikrostruktur-theorie

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe

IKFF Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik

Kunststoffspritzguss, Aktorik, Mess-technik und Sensorik, Konstruktions-methode in der Feinwerktechnik

Prof. Dr.-Ing. Sven Simon


Hardwarearchitekturen für hochparallele Systeme

Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder

IMWF Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre

Mikrostrukturmechanik, Nanosimulation

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dieter Spath

IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement

Technologie- und Innovations-management

Prof. Dr.-Ing. Stephan Staudacher

ILA Institut für Luftfahrtantriebe Beschreibung und Simulation des Verhaltens komplexer Systeme

Prof. Dr. rer. pol. Meike Tilebein

IDS Institut für Diversity Studies in den Ingenieurwissenschaften

Diversity Management

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Alexander Verl

ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen

Mechatronik, Steuerungstechnik, Antriebs- und Maschinentechnik

Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper

GSaME Fertigungstechnik, Fabrikbetrieb und mehrskalige Modellierung und Simulation

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Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

IAS Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme

Flexibilität und Verlässlichkeit von Automatisierungssystemen, Engineering von Cyber-physischen Automatisierungssystemen

Prof. em. Dr. rer. pol. Erich Zahn

GSaME Strategisches Management

7 Mentoring und Supervision

Studienkoordinator: Dipl.-Ing. Alexander Bader (bis 02/2016)

Nachwuchsgruppenleiter:

Intelligente Produktionssysteme Dr.-Ing. Akos Csiszar

Regional und global vernetzte Produktion Dr. rer. pol. Martin Mikusz

IKT-Plattform für die Produktion N.N.

Betreuung der Promovierenden in Cluster A2 Dipl.-Ing. Hans-Friedrich Jacobi

Ein wesentliches Ziel für das Jahr 2016 bestand weiterhin in der Umsetzung des Anspruchs internationaler Spitzenforschung und Qualitätssicherung von Promotionen bei kurzer Promo-tionsdauer. Dieses Ziel war mehrfach Gegenstand von Vorstandssitzungen und Mitglieder-versammlung sowie Prüfungsausschuss. Darüber hinaus wurden u. a. die Betreuung der Promovierenden und die Doktorandenkolloquien regelmäßig durchgeführt.

Weitere Maßnahmen:

Festlegung und Monitoring individueller Ausbildungspläne

Festlegung individueller Zielvereinbarungen und Arbeitspläne für das Forschungsprojekt

Regelmäßige Durchführung von Gesprächen der Promovierenden mit den Thesis Committees

Durchführung der jährlichen Assessments

In die Begutachtung von Dissertationen wurden verstärkt externe und internationale Berichter einbezogen.

Hauptverantwortlich für die wissenschaftliche Betreuung der Promovierenden bei der Bearbei-tung ihrer Promotionsprojekte sind die Erstbetreuer. Sie werden bei der Ausübung ihrer Betreuungsaufgabe von den anderen Mitgliedern der jeweiligen Thesis Committees sowie von den Nachwuchsgruppenleitern und dem Studienkoordinator unterstützt. 2016 wurden die Aufgaben des Studienkoordinators im Wesentlichen durch Dr. Csiszar und Herrn Jacobi übernommen.

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8 GSaME-Tagungen

„Perspektiven und Handlungsfelder veränderter Wertschöpfung – Daten, Prozesse, Management“ lautete das Motto der Jahrestagung 2016.

Die industrielle Produktion in Deutschland befindet sich in einer Zeit des Umbruchs. In immer stärkerem Maße erfordern schnellere Produktlebenszyklen bei höherer Variantenzahl, indivi-duelle Kundenwünsche und kleinere Losgrößen Flexibilität und Schnelligkeit in der Fertigung. Neue Produkte und fortschreitende Globalisierung bewirken unvorhersehbare Bedarfs-schwankungen und verschärfen den Wettbewerb um Preise, Ressourcen und Märkte. Innovation wird zu einem absolut entscheidenden Erfolgsfaktor für Produktivität, Nachhaltig-keit und Ressourceneffizienz in einer Produktion von hoher Variabilität. Notwendige Maß-nahmen, wie eine umfassende Digitalisierung von Produktionsprozessen und Arbeitsabläufen in globalen Wertschöpfungsnetzwerken, neue Technologien und grundlegend neue Unterneh-mens- und Geschäftsmodelle, schaffen und erhalten globale Wettbewerbsvorteile. Die Erschließung bisher nicht genutzter Wertschöpfungspotenziale und eine Kultur in Organisa-tionen, die zur Beherrschung des zu erwartenden sozialen und ökologischen Wandels von digitaler Arbeitswelt und Gesellschaft beiträgt, ermöglichen dies zudem. Gefragt sind neue Ideen und innovative Lösungen für eine aktive, vorausschauende Technologieentwicklung.

Die Industrie der Zukunft braucht für ihren Erfolg: Kompetenz in Details und damit die funktio-nale und branchenspezifische Exzellenz. Gleichzeitig müssen, über Fachdisziplinen und Organisationen hinweg, Chancen erkannt, Kooperationen aufgebaut, neue Problemlösungen entwickelt und in den Markt eingeführt werden.

Abb. 65: GSaME-Jahrestagung – Workshop II, 13.10.2016, AUDI AG, Neckarsulm Welche Methoden, Modelle, Instrumente und Verfahren eines „Value Added Manufacturing“ rücken in das Zentrum der Forschung? Welche Forschungsthemen und Strategien für eine wettbewerbsfähige Produktion erlangen aus Sicht der Industrie Bedeutung in der Produktions-technologie? Im Rahmen der Jahrestagung 2016 der Graduiertenschule GSaME Stuttgart, die

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am 13. Oktober 2016 bei der AUDI AG in Neckarsulm veranstaltet wurde, gaben Wissenschaft-ler, Forscher, Führungskräfte und Nachwuchswissenschaftler im Dialog Antwort auf diese Fragen, stellten ihre Ergebnisse vor und leiteten daraus neue Ansätze und Strategien künftiger Forschung ab.

Neben Hauptvorträgen am Vormittag und Nachmittag fanden zwei parallele Workshops zu den folgenden Themengebieten statt:

Workshop I: Technologie – Ressourcen – Prozesse

II: Daten, Interaktion, Kompetenzen – Potenziale digital vernetzter Produktion

Impulsreferat Stand und Perspektiven additiver Fertigungsverfahren

Witt, G. Universität Duisburg-Essen, Institut für Produkt Engineering, Fertigungstechnik

Datengetriebene Optimierung – Anforderungen und Potenziale

Mitschang, B. Universität Stuttgart, IPVS

Impulsreferat Material- und Ressourceneffizienz – Potenziale von Prozessen und Technologien

Gadow, R. Universität Stuttgart, IFKB

Kollaborative Robotik im Umfeld von Industrie 4.0

Frangen, J. Robert Bosch GmbH

Vortrag Festkörperlaserschneiden – Anforderungen und Potenziale einer Prozessregelung

Bocksrocker, O. GSaME, Universität Stuttgart

Die Soziale Fabrik – eine IT-basierte Entscheidungsunterstützung im Kontext von Industrie 4.0

Kassner, L.; Königsberger, J. GSaME, Universität Stuttgart

Vortrag Beurteilung der Montierbarkeit von Turboflugtriebwerken während des Vorentwurfs

Mall, J. GSaME, Universität Stuttgart

Entwicklung eines Informationssys-tems für das Werkzeugmanagement auf Basis des ganzheitlichen Produktionssystems

Brenner, D. GSaME, Universität Stuttgart

Vortrag Effizienzsteigerung der Prozess-gestaltung von justageintensiven Fabriksystemen

Pöschl, S. GSaME, Universität Stuttgart

Erfahrungswissen in Produktions-planungsprozessen – Beitrag zur Kompetenzsicherung

Baumhauer, D. GSaME, Universität Stuttgart

Sieben Promovierende der GSaME haben bei der inhaltlichen Gestaltung der Workshops aktiv mitgewirkt und Fachbeiträge übernommen.

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Abb. 66: GSaME-Jahrestagung – Podiumsdiskussion, 13.10.2016, AUDI AG, Neckarsulm Ein weiterer Programmbestandteil war die Werksbesichtigung bei AUDI in Neckarsulm.

Die Veranstaltung der GSaME bei ihrem Kooperationspartner AUDI AG mit rund 100 Professoren, Promovierenden und Industriepartnern war ein weiteres Beispiel dafür, dass das duale Qualifizierungskonzept der Graduiertenschule einen Mehrwert für alle Beteiligten bietet. Die Veranstaltung hat nicht nur über erreichte Ergebnisse und neue Ansätze informiert, sondern die interdisziplinäre Leistungsfähigkeit und Attraktivität der GSaME für die Koopera-tionspartner und Promovierenden demonstriert. Sie hat auch einen wesentlichen Beitrag zum persönlichen Kennenlernen, Gedanken- und Erfahrungsaustausch und zur Identifikation mit der GSaME geleistet.

Am Folgetag fand die Mitglieder- und Vollversammlung der GSaME statt. Ihr wichtigster Tagesordnungspunkt war die Sicherung von Attraktivität und Nachhaltigkeit der GSaME unter Berücksichtigung bisheriger Erfolgsfaktoren und der Entscheidungen zur Fortsetzung der Exzellenzstrategie.

9 Publikationen

Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Brenner, D.; Baumhauer, D.; Plachetta, P.; Lenz, J.; Rendle, J.: Die PDCA-C-Methode: Erfolgreiche Wissensweitergabe in Verbesserungsprozessen. In: Wissensmanagement, Heft 3-2016, Ausgabe April/Mai, Büro für Medien Oliver Lehnert e.K. Neusäß, 2016, ISSN 1438-4426

Lenz, J.; Brenner, D.; Westkämper, E.: Model for Cutting Tools Usage Tracking by On-line Data Capturing and Analysis, 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stuttgart, Germany, 25.-27.05.2016

Clappier, M.; Gaul, L.: Frequency Domain Dynamic Simulation of an Electrical Machine Rotor. In: Proceedings of the 23rd International Congress on Sound and Vibration, Athens, Greece, 10.-14.07.2016

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Gaul, L.; Clappier, M.; Einbock, S.: Frequency Domain Structural Dynamic Simulation of an Electrical Machine Housing. In: Proceedings of the 23rd International Congress on Sound and Vibration, Athens, Greece, 10.-14.07.2016

Kern, W.; Rusitschka, F.; Bauernhansl, T.: Planning of Workstations in a Modular Automotive Assembly System. In: Proceedings of the 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP-CMS 2016), Stuttgart, Germany, 25.-27.05.2016, pp. 327-332

Kern, W.; Lämmermann, H; Bauernhansl, T.: An Integrated Logistics Concept for a Modular Automotive Assembly System. 27th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing (FAIM 2017), Modena, Italy, 2017. [accepted]

Küber, C.: Verfahren zur architekturübergreifenden Konfiguration einer Montage von Fahr-zeugen; angemeldet durch die Daimler AG am 09.12.2015, Veröffentlichungsnummer: DE 102015015915 A1.

Küber, C.; Westkämper, E.; Keller, B.; Jacobi, H.-F.: Method for configuring product and order flexible assembly lines in the automotive industry; 6th CIRP Conference on Learning Factories, Gjørvik, Norway, 29.-30.06.2016

Küber, C.; Westkämper, E.; Keller, B.; Jacobi, H.-F.: Method for a cross-architecture assembly line planning in the automotive industry with focus on modularized, order flexible, economical and adaptable assembly processes; 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stuttgart, Germany, 25.-27.05.2016

Küber, C.; Westkämper, E.; Keller, B.; Jacobi, H.-F.: Planning method for the design of flexible as well as economic assembly and logistics processes in the automotive industry; 48th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Ischia, Italy, 24.-26.06.2015

Aisenbrey, S.; Küber, C.; Foith-Förster, P.: Planungsmethodik in der Automobil-Montage – Identifizierung von Vor- bzw. Hauptmontageumfängen; productivITy, 2015 (Ausgabe 3), S. 15-17

Long, F.; Zeiler, P.; Bertsche, B.: Modelling the production systems in industry 4.0 and their availability with high-level Petri nets, Proc. 8th IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management and Control MIM 2016, Troyes, France, 28.-30.06.2016, IFAC-PapersOnLine, Vol. 49, No. 12, 2016, pp. 145-150

Poeschl, S.; Wirth, F.; Bauernhansl, T.: Situation-based Methodology for Planning the Commissioning of Special Machinery using Bayesian Networks, 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stuttgart, Germany, 25.-27.05.2016

Poeschl, S.; Wirth, F.; Bauernhansl, T.: Process planning in commissioning and its validation in special machinery using bayesian networks, Proceedings of International Journal of Industrial Engineering, Seoul, Korea, 10.-12.09.2016

Poeschl, S.; Helbig, T.; Jacobi, H.-F.; Bauernhansl, T.: Aktuelle Forschungsansätze für den Sondermaschinenbau: Der Sondermaschinenbau – Gegenstandsbereich, Definition und Forschungsergebnisse. wt Werkstattstechnik online 11/12-2016, S. 851-856

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Slowak, A.P.; Regenfelder, M.: Creating Value, not Wasting Resources: Sustainable Innovation Strategies. Innovation: The European Journal of Social Science Research, 2016, pp. 1-21

Regenfelder, M.; Slowak, A.P.; Santecreu, A.: Closed-Loop Innovation for Mobile Electronics – the Business Model Innovation Approach of the sustainablySMART Project. Proceedings of Electronic Goes Green+ (EGG+ 2016), Berlin, Germany, 07.-09.09.2016

Slowak, A.P.; Regenfelder, M.; Manessis, D.: Analytics of Technology Endowment Making Business Ecosystems, Closing-the-Loop Chain Networks and Systemic Products Domains. Proceedings of Management of Technologies – Step to Sustainable Production (MOTSP 2016), Porec, Croatia, 01.-03.06.2016

Regenfelder, M.; Slowak, A.P.; Schischke, K.: Achieving ‘Sustainable Smart Mobile Devices Lifecycles Through Advanced Re-design, Reliability, and Re-use and Remanufacturing Technology’. Proceedings of Management of Technologies – Step to Sustainable Production (MOTSP 2016), Porec, Croatia, 01.-03.06.2016

Rendle, J.; Staudacher, S.: Assessment of Aero Engine Assemblability During Preliminary Design, Procedia CIRP, Volume 57, 2016, pp 473-478, ISSN 2212-8271, http://dx.doi.org/ 10.1016/j.procir.2016.11.082

Störzinger, T.: Collective Metacognition; Collective Intentionality Conference X; Den Haag, Netherlands; 30.08.-02.09. 2016

Störzinger, T.: Collective Metacognition; European Society of Philosophy and Psychology (ESPP) Conference; St. Andrews, England; 10-13.08.2016

Störzinger, T.: Collective Metacognition: The Interplay of critical individuals and the epistemic design of collectives; International Workshop on Metacognition in Individuals and Groups; Stuttgart, Deutschland; 22.-23.09.2016

Tönnes, W.; Hegel, J.; Westkämper, E.: Analytical approach for the examination of the feasibility of rework in flow assembly lines; 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stuttgart, Germany, 25.-27.05.2016

Waschneck, B.; Schmid, G.: Rami 4.0 in der Praxis: Vom Modell in den Reinraum. IT&PRODUCTION, 06-2016, S. 60-61

Waschneck, B.; Altenmüller, T; Bauernhansl, T; Kyek, A.: Production Scheduling in Complex Job Shops from an Industrie 4.0 Perspective: A Review and Challenges in the Semiconductor Industry. I-KNOW Data-Driven Future Conference, Graz, Austria, 18.-19.10.2016. To be published in conference proceedings in 2017

Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Katzfuss, C.; Miller, M.; Streuff, S.: Individualization and standardization of factory organizations in production networks, Organization Development Journal, 34-2016, 3, S. 11-24

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Nickel, J.: Interorganisationales Kostenmanagement, Zeitschrift für Controlling, 06-2016, S. 341-342

Herzwurm, G.; Schockert, S.; Tauterat, T.: A critical analysis of Software QFD publications. In: Proceedings of the 22th International Symposium on QFD, Boise, Idaho, USA, 09.-10.09. 2016, S. 171-200

Hartter, A.; Tauterat, T.; Herzwurm, G.: Predictive Maintenance Chancen und Risiken in der Smart Factory sowie Softwareeinsatz heute. In: Stuttgarter Schriften zur Unternehmens-software, Stuttgart, 4-2016

Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Herr, D.; Han, Q.; Lohmann, S.; Ertl, T.: Visual Clutter Reduction through Hierarchy-based Projection of High-dimensional Labeled Data. In: Proceedings of Graphics Interface, 2016, pp. 109-16

Herr, D.; Han, Q.; Lohmann, S.; Ertl, T.: Hierarchy-based projection of high-dimensional labeled data to reduce visual clutter. In: Computers & Graphics, 2016, DOI: http://dx.doi.org/ 10.1016/j.cag.2016.12.004

Hiller, S.; Moisa, M.; Morar, D.; Kemper, H.-G.; Lasi, H.: Implementation Approaches for Additive Manufacturing Enabled Value Chains – An Exploration. In: Proceedings of the 6th International Conference on Additive Technologies (iCAT), Nuremberg, Germany, 29.-30.11. 2016, pp. 396-404

Gröger, C.; Kassner, L.; Hoos, E.; Königsberger, J.; Kiefer, C.; Silcher, S.; Mitschang, B.: The Data-Driven Factory. Leveraging Big Industrial Data for Agile, Learning and Human-Centric Manufacturing. In: Hammoudi, Slimane (Hrsg); Maciaszek, Leszek (Hrsg); Missikoff, Michele M. (Hrsg); Camp, Olivier (Hrsg); Cordeiro, Jose (Hrsg): Proceedings of the 18th International Conference on Enterprise Information Systems (ICEIS), Rom, Italy, 25.-28.04. 2016

Kassner, L.; Mitschang, B.: Exploring Text Classification for Messy Data: An Industry Use Case for Domain-Specific Analytics. In: Proceedings of the International Conference on Extending Database Technologies (EDBT), Bordeaux, France, 15.-18.03.2016

Kiefer, C.: Assessing the Quality of Unstructured Data: An Initial Overview. In: Krestel, Ralf (Hrsg); Mottin, Davide (Hrsg); Müller, Emmanuel (Hrsg): Proceedings of the LWDA 2016 Proceedings (LWDA), Potsdam, Germany, 12.-14.09.2016

Königsberger, J.; Mitschang, B.: A Semantically-enabled SOA Governance Repository. In: IEEE Computer Society (Hrsg): Proceedings of the 2016 IEEE 17th International Conference on Information Reuse and Integration (IRI), Pittsburgh, USA, 28.-30.07.2016

Nayak, NG.; Duerr, F.; Rothermel, K.: Software-defined Environment for Reconfigurable Manufacturing Systems. In: The 5th International Conference on the Internet of Things (IOT) 2015, Seoul, South Korea, 26.-28.10.2015, pp 122-129, doi: http://dx.doi.org/10.1109/IOT. 2015.7356556

135

Nayak, NG.; Duerr, F.; Rothermel, K.: Time-sensitive Software-defined Network (TSSDN) for Real-time Applications. In: The 24th International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS) 2016, Brest, France, 26.-28.10.2016, pp 193-202, doi: http://doi.acm.org/10. 1145/2997465.2997487

Duerr, F.; Nayak, NG.: No-wait Packet Scheduling for IEEE Time-sensitive Networks (TSN). In: The 24th International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS) 2016, Brest, France, 26.-28.10.2016, pp 203-212, doi: http://doi.acm.org/10.1145/ 2997465.2997494

Schober, C.; Keerl, D.; Lehmann, M. J.; Mehl, M.: Molecular Dynamics for the Simulation of the Electret Effect? Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Adsorption und Gasreinigung, Duisburg, Germany, 17.-18.02.2016

Schober, C.; Keerl, D.; Lehmann, M. J.; Mehl, M.: Simulation of Cabin Air Filters – Molecular Dynamics vs. Continuum Approach, ECCOMAS Congress, Crete, Greece, 05.-10.06.16

Sungur, C. T.; Breitenbücher, U.; Kopp, O.; Leymann, F.; Song, M.; Weiß, A.; Mayr-Dorn, C.; Dustdar, S.: Identifying Relevant Resources and Relevant Capabilities of Collaborations - A Case Study; In: Proceedings of the 2016 IEEE 20th International Enterprise Distributed Object Computing Workshop (EDOCW). IEEE Computer Society, Vienna, Austria, 05.-09.09.2016, pp. 352-355

Traut, A.; Lehmann, M.; Beck, A.; Piesche, M.: Preliminary Study on Simulation and Validation of the Effect of Particle Loading Regarding Flow-Induced Deformation of Pleated Porous Filter Media, 22nd European Aerosol Conference, Tours, France, 04.-09.09.2016

Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Baumhauer, D.; Brenner, D.; Plachetta, M.: Die PDCA-C-Methode: Erfolgreiche Wissens-weitergabe in Verbesserungsprozessen; Zeitschrift für Wissensmanagement; 03-2016; S. 30-33, s. auch Cluster A

Baumhauer, D.: Einfluss struktureller Anreiz- und Wirkfaktoren auf die Weitergabe von Erfahrungswissen in produzierenden Unternehmen, Doktorandenwerkstatt, Frühjahrs-konferenz Gesellschaft für Arbeitswissenschaft (GfA); Aachen, Germany, 02.-04.03.2016

Grochowski, E.; Warschat, J.; Dasher, R.: The impact of collaboration with big companies on entrepreneurial technology innovation, Procedia PICMET ´16 – Technology Management for Social Innovation, Honolulu, Hawaii, USA, 04.-08.09.2016, pp. 410 – 419

Ohlhausen, P.; Palm, D.; Grochowski, E.; Pokorni, B.; Rothenberg, S. (Hrsg.): Interdiszipli-näre, interorganisationale Produktentstehung im Automobilbau der Zukunft – Untersuchung im Forschungscampus ARENA2036, Fraunhofer Verlag, 2016. (ISBN 978-3-8396-1121-0)

Cluster E2 – Material- und Prozessengineering

Bauer, L.: Schneiden sprödharter Materialien: Phänomene des Glasschneidens mit Multi-Spot Techniken. AKL – International Laser Technology Congress, Aachen, Germany, 28.06.2016

136

Bauer, L.; Russ, S.; Kaiser, M.; Kumkar, M.; Faißt, B.; Weber, R.; Graf, T.: Ultrafast laser ablation of transparent materials, Proc. SPIE 9735, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM) XXI, 97350X, San Francisco, CA, USA, 14.03.2016

Bocksrocker, O.; Berger, P.; Regaard, B.; Rominger, V.; Graf, T.: Characterization of the Melt Flow Direction and Cut Front Geometry in Oxygen Cutting With a Solid State Laser, In: Procee-dings of the 35th International Congress on Applications of Laser & Electro-Optics (ICALEO), San Diego, CA, USA, 16.-20.10.2016

Egger, S.; Piesche, M.: The Formation of Hydrodynamic Instabilities in Pressure-Swirl Atomizers. ILASS 2016 – 27th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Brighton, UK, 04.-07.09.2016

Egger, S.; Piesche, M.: Einfluss Hydrodynamischer Instabilitäten auf das Zerstäubungs-verhalten von Hohlkegeldüsen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Agglomerations- und Schüttguttechnik, Mehrphasenströmungen und Computational Fluid Dynamics, Bingen (Rhein), Germany, 29.02-02.03.2016

Scharring, S; Lorbeer, R.-A.; Karg, S.; Pastuschka, L.; Förster, D. J.; Eckel, H.-A.: The MICROLAS concept: precise thrust generation in the Micronewton range by laser ablation. In: Technology for Small Satellite Research: Payloads and Subsystem Technologies, Small Satellite Applications, Missions, and In-Orbit Experiences Small Satellites, 1 (6). International Academy of Astronautics, pp. 27-34, 2016, ISBN 978-2-917761-49-6

Lorbeer, R.-A.; Scharring, S.; Karg, S.; Pastow, J.; Pastuschka, L.; Förster, D. J.; Eckel, H.-A.: Thrust noise minimization in long-term laser ablation of propellant material in the nanosecond and picosecond regime. In: Optical Engineering, 56-1, 011010, 2016, ISSN 0091-3286

Förster, D. J.; Absorptivitätsänderung bei der Bestrahlung von Metallen, Vortrag, Freuden-stadt, Germany, Schwarzwald-Workshop 2016, 08.11.2016

Martínez-García, V.; Mechanics, Springer, pp. 1-19, 2015 (doi: 10.1007/s11340-015-0120-3)

Pedrini, G.; Martínez-García, V.; Weidmann, P.; Singh, A.; Osten, W.: Optical Methods for the Analysis of Residual Stresses and Measurement of Displacements in the Nanometric Range, 14th International Conference on Industrial Informatics, University of Poitiers, Futuroscope-Poitiers, France, 18.-21.07.2016

Weidmann, P.; Pedrini, G.; Martínez García, V.: Wenzelburger, M.; Killinger, A.; Schmauder, S.; Gadow, R.; Osten, W.: Evaluation of Residual Stress Determinations Conducted with Laser Ablation and Optical Displacement Measurement, 10th International Conference on Residual Stresses, ICRS-10, Australia, 03.-07.07.2016, Materials Research Proceedings Vol. 2, pp. 323-328, 2016 (doi: http://dx.doi.org/10.21741/9781945291173-55)

Schmeinck N.; Piesche M.: Study of inertial separators for sticky particles at turbulent flow regimes, Proceedings World Filtration Congress (WFC) 12, Taipeh, Taiwan, 11.-15.04.2016

Singer, M.; Liewald, M.: In-situ Messung der Rückhaltekraft während des Tiefziehens von Rechtecknäpfen. 19. Workshop Simulation in der Umformtechnik, Stuttgart, Germany, 23.-24. 02.2016

137

Singer, M.; Liewald, M.: In-situ measurement of restraining forces during forming of rectangular cups. IDDRG 2016, Linz, Austria, 12.-15.06.2016

Sommer, M.; Weberpals, J.-P.; Müller, S.: Utilization of Laser Beam Oscillation to Enhance the Process Efficiency for Deep-Penetration Welding in Aluminum. In: Proc. of 35th Internatio-nal Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics 2016, Paper No. 1501, San Diego, California, USA, 16.-20.10.2016

Taheri, K.; Gadow, R.; El-horiny, M.; Plachetta, M.: Thermodynamic analysis of resources used in thermal spray processes: energy and exergy methods. In: Journal: Entropy 2016, 18(7), 237; doi:10.3390/e18070237 (ISSN 1099-4300)

Taheri, K.; Gadow, R.: Industrial compressed air system: exergy and thermoeconomic analyses “CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology”; ISSN: 1755-5817 (to be published)

Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Eckerle, M.; Dietrich, T.; Schaal, F.; Pruss, C.; Osten, W.; Abdou Ahmed, M.; Graf, T.: Novel thin-disk oscillator concept for the generation of radially polarized femtosecond laser pulses. In: Opt. Lett. 41, 2016, pp. 1680-1683

Eckerle, M.; Dietrich, T.; Pruss, C.; Schall, F.; Osten, W.; Pallmann, W.; Resan, B.; Abdou Ahmed M.; Graf, T.: Radially polarized mode-locked femtosecond Yb:YAG thin-disk oscillator. 7th EPS-QEOD Europhoton Conference, Vienna, Austria, 21.-26.08.2016

Eckerle M.; Beirow F.; Dietrich T.; Schaal F.; Pruss C.; Osten W.; Aubry N.; Perrier M.; Didierjean J.; Délen X.; Balembois F.; Georges P.; Abdou Ahmed M.; Graf T.: High-power single-stage single-crystal Yb:YAG fiber amplifier for radially polarized ultrashort laser pulses. Submitted to Appl. Phys B. 7th EPS-QEOD Europhoton Conference, Vienna, Austria, 21.-26.08.2016

Friedrich, C.; Lechler, A.; Verl, A.: A Planning System for Generating Manipulation Sequences for the Automation of Maintenance Tasks, Automation Science and Engineering (CASE), 12th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, Fort Worth, Texas, USA, 21.-24.08.2016, pp. 843-848

Kreuzer, D.; Schinkoethe, W.: Automatisierte Optimierung von Lineardirektantrieben. 34. CADFEM Ansys Simulations Conferenvce. Nürnberg, Germany, 05.-07.10.2016

Kreuzer, D.; Schinköthe, W.: Dimensionierung von Lineardirektantrieben mit automatisierter Optimierung. 5. Ilmenauer Magnettag. Ilmenau, Germany, 08.06.2016

Granger, G.; Röhrer, C.; Kleem, G.; Zeitvogel, C.; Voß, A.; Graf, T.; Abdou Ahmed, M.: First fabrication of optical Bragg fibers by a single-step powder in tube process based on the SiO2-Al2O3 system, SPIE Photonics Europe, Brussels, Belgium, 03.-07.04.2016

Yang, H.; Haist, T.; Gronle, M.; Osten, W.: Realistic simulation of camera images of micro-scale defects for automated defect inspection. In: Forum Bildverarbeitung 2016, Karlsruhe, Germany, 01.-02.12.2016, pp. 63-73

138

NWGL – Nachwuchsgruppenleiter

Csiszar, A.: A combinatorial approach to the automated generation of inverse kinematics equations for robot arms, 2016 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Fort Worth, Texas, USA, 21.-25.08.2016, IEEE, ISBN 978-1-5090-2409-4

Dripke, C.; Höhr, S.; Csiszar, A.; Verl, A.: A Concept for the Application of Reinforcement Learning in the Optimization of CAM-Generated Tool Paths. ML4CPS – Machine Learning for Cyber Physical Systems and Industry 4.0, Karlsruhe, Germany, 29.09.2016, Springer Vieweg, ISBN 978-3-662-53805-0

Csiszar, A.; Birkhold, M.; Terashima, K.; Lechler, A.: Generation of Optimal trajectories for a Pouring Robot Considering Control System Used in Industry, Proceedings of the 72nd World Foundry Congress, Nagoya, Japan, 21.-25.05.2016, World Foundry Organization Ltd., ISBN 978-1-510-83312-8

Mikusz, M.: Value-In-Context with Service Innovation in the Digital Age: A Service-Dominant Logic Perspective. In: Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences – HICSS-50, Hawaii, 2017 (publ. 2016)

Mikusz, M.; Herterich, M.: Looking for a Few Good Concepts and Theories for Digitized Artifacts and Digital Innovation in a Material World. In: Proceedings of the 37th International Conference on Information Systems (ICIS), Dublin, Ireland, 11.-14.12.2016, AIS electronic library

Engstler, M.; Fazal-Baqaie, M.; Hanser, E.; Linssen, O.; Mikusz, M.; Volland, A. (Hrsg.): Projektmanagement und Vorgehensmodelle 2016 – Arbeiten in hybriden Projekten: Das Sowohl-als-auch von Stabilität und Dynamik, GI LNI-Proceedings Band 263, Bonn 2016

Mikusz, M., Herter, T.: How Do Consumers Evaluate Value Propositions of Connected Car Services? In: Proceedings of the Twenty-second Americas Conference on Information Systems (AMCIS), San Diego, CA, USA, 11.-14.08.2016. AIS electronic library, 2016

10 Patente

Zwischen 2012 und 2016 wurden insgesamt 27 Patente mit Beteiligung von GSaME- Promovierenden angemeldet bzw. publiziert. Für 2016 sind die nachfolgend aufgeführten Meldungen enthalten:

Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Küber, C.: Verfahren zur architekturübergreifenden Konfiguration einer Montage von Fahr-zeugen; angemeldet durch die Daimler AG am 09.12.2015, Veröffentlichungsnummer: DE 102015015915 A1.

Xu, Y. W.; Yakaria, H.: Bauteilunabhängige Grenzwertfindung beim Verzahnungsschleifen, Anmeldedatum: 12.06.2014

Xu, Y. W.; Yakaria, H.; Kösler, T.; Ackermann, T.: Verfahren zur Ermittlung der Schleif-leistung beim kontinuierlichen Wälzschleifen, Anmeldedatum: 04.03.2015

139

Xu, Y. W.; Yakaria, H.; Kösler, T.; Ackermann, T.; Fahnauer, F.: Kennfeldabhängige Prozess-regelungsstrategie für spanende Bearbeitungsverfahren, Anmeldedatum: 05.03.2015

Xu, Y. W.; Yakaria, H.; Kösler, T.; Ackermann, T.; Bauer, J.: Verfahren zur Ermittlung der energieoptimierten Bearbeitungszeit eines spanenden Bearbeitungsprozesses innerhalb einer Fertigungslinie, Anmeldedatum: 10.03.2015

Cluster E2 – Material- und Prozessengineering

Beyer, E.; Elsner, C.; Förster, D.; Spira, C.; Stritt, P.: Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung eines Bauteils. DE 10 2014 017 632 A1, publ. 06/2016

11 Auslandsaufenthalte

Die Vernetzung mit nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft der GSaME ist essentieller Bestandteil des strategischen Grundkonzepts und Erfordernis des dualen Ansatzes für Forschung und Ausbildung, der in einen der führenden internationalen Standorte produktionswissenschaftlicher Grundlagen-, angewandter und industrieller Forschung eingebetteten Graduiertenschule. Dies wird in der Struktur abgebildet und in den Gremien umgesetzt, wie auch ganzheitlich realisiert in Forschung, Ausbildung, Entwicklung internationaler Erfahrungen der Promovierenden und ihre Einbindung in nationale und internationale Netzwerke – durch internationale Teams Promovierender, Besuch internationa-ler Konferenzen im In- und Ausland und Publikationen in nationalen und internationalen Journals, einen Auslandsaufenthalt im 3. Jahr, internationale Referenten und Gastwissen-schaftler, den Austausch mit internationalen Studenten und deren Betreuung sowie die Forschungstätigkeit in global agierenden Unternehmen.

Auslandsaufenthalte von Promovierenden sind daher in der GSaME ausdrücklich erwünscht. Ihr Ziel ist es, zum Fortschritt des Forschungsprojekts und zur Ausbildung der Promovierenden beizutragen. In diesem Sinne soll der Auslandsaufenthalt Bestandteil des individuellen Curriculums und geplant sein und mit Zustimmung des Thesis Committees erfolgen. Damit sollen folgende Ziele für die Promovierenden erreicht werden:

Erlangung bestmöglicher Kenntnisse über den Stand der internationalen Forschung auf dem Dissertationsgebiet

Austausch mit fachlicher Community Unterstützung des Aufbaus eigener Netzwerke der Promovierenden in die wissen-

schaftliche Community und die Wirtschaft.

2015-2016 hat Frau E. Grochowski, Cluster D2, einen 3-monatigen Auslandsaufenthalt an der School of Engineering der Stanford University durchgeführt. Ziel war die Erhebung von Daten zur kooperativen Produktentwicklung im amerikanischen Umfeld.

Herr Christian Katzfuß, Cluster B2, absolvierte im Zeitraum von 01.07.-18.09.2016 im Rahmen seines Dissertationsvorhabens einen Auslandaufenthalt an der Judge Business School der University of Cambridge, UK.

Hierbei konnte er unter anderem Erfahrungen mit international angesehenen Wissenschaftlern auf dem Gebiet seines Forschungsgegenstands austauschen. An der University of Cambridge ist Dr. Allègre Hadida im Bereich des strategischen und organisationalen Lernens eine

140

anerkannte Größe. Daraus ergab sich die Möglichkeit, von ihren einschlägigen Erfahrungen zu profitieren sowie ein entsprechendes internationales Netzwerk aufzubauen.

Des Weiteren konnte die Zusammenarbeit bestehende wissenschaftliche Beiträge befruchten und entscheidend weiterentwickeln, die im direkten Zusammenhang zu den in der Dissertation behandelten Ansätze zur Untersuchung der Vorbedingungen und insbesondere der Wirkung organisationalen Lernens stehen. Auch hier ergaben sich somit große Synergien sowie ein Erkenntnisgewinn, der auch in Zukunft in weitere Forschungsarbeiten einfließen soll.

11 Ausblick 2017

Mit der Entscheidung von Bund und Ländern vom Juni 2016 zur Förderung von Spitzen-forschung an Universitäten – Exzellenzstrategie – wird u.a. das Ziel verfolgt, die durch die Exzellenzinitiative begonnenen Anstrengungen fortzusetzen und weiterzuentwickeln. Für Graduiertenschulen wird in diesem Rahmen auf Antrag eine begrenzte Überbrückungs-finanzierung durch die DFG gewährt. Mit der erfolgten Bewilligung des Antrages der GSaME 2016 bieten sich realistische Optionen für eine nachhaltige Etablierung unter Beibehaltung ihres dualen Grundkonzeptes über den Zeitraum der Überbrückungsfinanzierung hinaus-gehend. Bisherige Strategieüberlegungen können auf dieser Grundlage konkretisiert werden.

Die Arbeiten 2017 sind daher vor allem darauf gerichtet, die laufenden Forschungsarbeiten erfolgreich fortzusetzen und die Qualität der Promotionen sowie die Umsetzung des Ziels einer durchschnittlichen Promotionsdauer von 4 Jahren zu sichern.

Das weitgefasste Arbeitsgebiet der Gestaltung und Optimierung industrieller Produktionen als inhaltliche Grundlage der GSaME stellt eine notwendige Bedingung für die gegenwärtig erfolgreiche Realisierung des dualen Konzepts, die branchenunabhängige Zusammenarbeit mit der Wirtschaft und damit das fundamentale Zukunftspotenzial der GSaME dar. Der Pro-zess der Weiterentwicklung des Forschungsprogramms wird über neue Themenstellungen, die in den Clustern erarbeitet werden, weiter forciert. Ziel ist die Gewinnung von mindestens 15 weiteren Promovierenden 2017 und die Initiierung weiterer Kooperationsprojekte mit der Wirtschaft. Derzeit sind ca. 80 Prozent der Projekte Folgeprojekte, was einerseits die Zufriedenheit der Kooperationspartner bestätigt, andererseits aber auch das Potenzial weiterer Akquisition aufzeigt. Die Zielsetzung für 2017 besteht darin, mindestens 5 neue Forschungs-projekte mit Kooperationspartnern zu realisieren, um Attraktivität und Kontinuität der GSaME zu sichern. Dazu sollen auch neu berufene Professoren für die GSaME gewonnen und die Zahl der Mitglieder erweitert werden.

Ein kontinuierliches Monitoring der Betreuung der Promovierenden, die regelmäßige Durch-führung der Doktorandenkolloquien, die Fortsetzung einer verstärkten Integration externer/ internationaler Mitberichter sind Maßnahmen, um wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Den Promovierenden wird weiterhin die Möglichkeit geboten, ihre Forschungsergebnisse der wissenschaftlichen Community vorzustellen.

Die Bilanz nach 10-jährigem Bestehen der GSaME im Rahmen der Exzellenzinitiative wird die Jahrestagung 2018 prägen, die für den 13.04.2018 vorbereitet wird.

141

Anhang

Dissertationen

Von 2010 – 2016 wurden 49 Projekte erfolgreich abgeschlossen

2016


G7

Automatisierte Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungs-maschinen mit serviceorientierten Paradigmen

2016 Michael Abel

DFG Prof. Klemm

A2-A26

Ressourceneffiziente Erzeugung ultra-transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostrukturen

2016 Thomas Ackermann


C4 Energietransportmechanismen bei der gepulsten Laserbearbeitung Carbon-faser verstärkter Kunststoffe

2016 Christian Freitag

DFG Prof. Graf

A20 Ein Modell zur energetischen Analyse und Bewertung von Vakuum-Greif-systemen

2016 Florian Fritz

J. Schmalz GmbH

Prof. Westkämper

A21

Methode zum Management der Produktsicherheit für einen globalen Produktionsverbund in der Automobil-industrie

2016 Steffen Häfele


E4 RFID-Based Real-Time Production Monitoring in a Variant Production Environment

2016 Bilal Hameed

DFG Prof. Rothermel

F2-006

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammen-arbeit während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau

2016 Tobias Helbig

Festo AG Prof. Westkämper

A19

Systematik für eine proaktive Anlagen-planung zur Effektivitäts- und Effizienz-steigerung kapitalintensiver Fabrik-planungsprojekte

2016 Mark Hillmann

agiplan GmbH Prof. Westkämper

B2-D10


2016 Max Monauni

DFG Prof. Zahn

B2-D9

Netzwerkkultur in Produktionsnetz-werken – Gestaltungsmöglichkeiten in der Automobilindustrie

2016 Claudia Piesche

FhG-IPA Prof. Westkämper

B1 Modeling Method for Simulation of Assembly Variances

2016 Matthias Reuss

DFG Prof. Verl

G3 Analyse Ytterbium-dotierter Materialien für den Einsatz in ultrakurz-gepulsten Scheibenlasersystemen

2016 Katrin Wentsch

DFG Prof. Graf

142

2015


A5

Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen-Metallindustrie – Eine Bewertung der kompetitiven Rückwirkungen vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS)

2015 Fabian Kröner

DFG Prof. Schäfer

B12 Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen

2015 Gernot Frank

Siemens AG Prof. Westkämper

C18 Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Remote-Laserschweißen von AMIgSi6016

2015 Peter Stritt

AUDI AG Prof. Graf

C24 Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen

2015 Minh Nguyen


E5

Das maschinenorientierte Data Ware-house – Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstüt-zung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion

2015 Philip Hollstein

DFG Prof. Kemper

E6 Advanced Manufacturing Analytics – Datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen

2015 Christoph Gröger

DFG Prof. Mitschang

G14 Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern

2015 Raphael Rahäuser

Bosch GmbH Prof. Klemm

2014


A7 Systematik der strategisch-taktischen Investitionsplanung für die Produktion

2014 Thorsten Pflüger

DFG Prof. Pedell

B11 Integrierte Produkt- und Montagekonfiguration für die variantenreiche Serienfertigung

2014 Martin Landherr


E3 Störungsunempfindliche Informationsübertragung in dynamischer Produktionsumgebung

2014 Michelangelo Masini

DFG Prof. Berroth

B3

Methode für eine situationsbasierte Adaption und Absicherung der Produktionsfähigkeit in der Serienmontage

2014 Michael Neumann


E1 Adaptive und wandlungsfähige IT-Architektur für Produktionsunternehmen

2014 Stefan Silcher

DFG Prof. Mitschang

B10 Visuelle Analysetechniken für das digitale und virtuelle Engineering

2014 Michael Wörner

DFG Prof. Ertl

F3 Kosten- und zeiteffizienter Wandel von Produktionssystemen: Balanced Resilience Change Management

2014 Frank Ehrenmann

DFG Prof. Reiß

143


C15 Technologietransfer und industrielle Entwicklung in Schwellenländern unter strukturellem Wandel

2014 Houssam-Eddine Bessam

HBS Prof. Gadow

G5 Hochdynamische Lineardirektantriebe in der Produktionstechnik

2014 Matthias Engel


2013


A2- A8

Ein Verfahren zur Personalplanung und -steuerung und Restrukturierung der Aufbauorganisation für eine bedarfsorientierte und wandlungsfähige Produktion

2013 Torsten Stock


A2- A9

Systematik für eine kontinuierliche und langfristig ausgerichtete Planung technologischer und kapazitiver Werksentwicklungen

2013 Markus Hartkopf

Bosch Rexroth AG

Prof. Westkämper

A2- H2

Nachhaltigkeitsverständnis in kleinen und mittleren Unternehmen – Strategie-implikationen zum nachhaltigen Wirtschaften

2013 Barbara Seeberg

DFG Prof. Zahn

B2- D1

Die Integration des Lieferanten in radikale Produktinnovationsvorhaben

2013 Mustafa Incekara

DFG Prof. Arnold

B2- D3

Erforderliche Kompetenzen für das Angebot eines hybriden Leistungs-bündels – Eine Methode zur Identifikation

2013 David Baureis

DFG Prof. Zahn

C2- E2

Hardware-effiziente Auswertealgorith-men für die bildgebende Echtzeit-Messung partikelbeladener Strömungen am Beispiel thermokinetischer Beschichtungsverfahren

2013 Lars Rockstroh

DFG Prof. Simon

D2- F2

Competitive Differentiation within the Shipbuilding Industry: The Importance of Competence in the Field of Services – An Empirical Investigation

2013 Christopher Sauerhoff

DFG Prof. Burr

D2- F4

Funktionenbasierte Vorgehensweise zur Ideenfindung für hybride Produkte in den frühen Phasen der Produkt-entwicklung

2013 Lena Wagner

DFG Prof. Spath

E2- C2

Manufacturing of Injection molded Ceramic Nanocomposites for Biomedical Applications

2013 M. Abbu El Ezz

Hans-Böckler-Stiftung

Prof. Gadow

E2- C7

In-Prozess Qualitätssicherung für das Laserstrahlschneiden von Metallen

2013 David Schindhelm

Trumpf Werkzeug-maschinen GmbH

Prof. Graf

E2- C8

Beitrag zur Verbesserung der spanen-den Bohrbearbeitung von CFK auf Basis von Schädigungsmechanismen

2013 Tobias Pfeifroth

DFG Prof. Heisel

F2-G8

Lackfilm-Strukturbildung bei der Spritzlackier-Applikation

2013 Christian Hager


144


E2-C17

Material- und Prozesscharakterisierung zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit Papierwabenkern und thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten für die Anwendung im Fahrzeuginterieur

2013 Benno Stamp

Daimler AG

Prof. Westkämper

2012


G4 Integration von Senorik und Modellierungsansätzen für die thermokinetische Beschichtung

2012 Miriam Floristan-Zubieta

DFG Prof. Gadow

D2 Datenverwaltung und Informations-bereitstellung in der Echtzeitfabrik

2012 Jorge Minguez Cortes

DFG Prof. Mitschang

D8 Collaborative Systems: ein system-theoretischer Ansatz für interorganisa-tionale Beziehungen

2012 Donald Neumann

DAAD Prof. Zahn

D2- F6

Ein Managementmodell zur Unterstüt-zung der frühen Phasen der Produkt-entwicklung im multikulturellen Kontext – Diversität in der Produktentwicklung

12/2012 Steffen Ehrenmann

DFG Prof. Spath

E2- C5

Konzepte und Implementierungen für die prozessnahe Integration optischer Sensoren

11/2012 David Fleischle

DFG Prof. Osten

2011


A2 New Taylorism 2011 Lukas Schreiber

DFG Prof. Zahn

A4

Entwicklung eines adaptiven Produktionskonzepts für kürzer werdende Produktlebenszyklen in der Automobilindustrie

2011 Carina Löffler

AUDI AG Prof. Wesrkämper

2010


C3

Prozessoptimierung für Schichtverbund-bauteile durch Simulation von Strömungsvorgängen bei der thermokinetischen Beschichtung

2010 Esther Dongmo

DFG Prof. Gadow

DRAFTBericht 2016

Status und Ergebnisse Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart (GSaME)

GSaME Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineeringin StuttgartUniversität Stuttgart

Nobelstraße 1270569 Stuttgart

Tel.: +49 (711) 685-61801Fax: +49 (711) 685-51869

[email protected]

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