Browsing by Author "Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)"

Now showing 1 - 16 of 16

Open Access
Automatisiertes Modellieren großflächiger Sandgussformen
(2005) Schaaf, Walter H.; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In der Arbeit wird ein neues direktes, d.h. modelloses, Formverfahren für großflächige Sandgussformen beschrieben. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur direkten Herstellung von Sandgussformen, d.h. dem Fräsen vorverfestigter Formstoffblöcke und den generativen Verfahren, arbeitet das neue Verfahren durch dreidimensionales Modellieren des Gießereiformstoffes mit robotergeführten lokal wirkenden Modellier- und Verdichtungswerkzeugen. Es werden Szenarien zur Anwendung des neuen Verfahrens aufgezeigt und entsprechende Teil- und Gesamtsystemvarianten konzipiert. Die beiden wissenschaftlichen Entwicklungsschwerpunkte behandeln das Formstoffverhalten beim lokalen Modellieren und Verdichten sowie eine automatische 3D-Bahngenerierung. Die Untersuchung des Formverhaltens basiert auf neuen theoretischen Wirk- und Berechnungsmodellen, die mit einem bentonit-gebundenen Formstoffsystem und einem kalt-härtenden Furanharz-Formstoffsystem verifiziert werden. Die automatische 3D-Bahngenerierung berücksichtigt das Formstoffverhalten und liefert prozessoptimale Bahnen, die direkt in Ausführungsprogramme für Industrieroboter umgesetzt werden können. Mit Hilfe einer prototypischen Roboterzelle werden die theoretischen und experimentellen Ergebnisse an einer großflächigen Sandgussform erprobt und die Machbarkeit des automatisierten Modellierens nachgewiesen.
Open Access
Bedarfssynchrone Leistungsverfügbarkeit in der kundenspezifischen Produktentwicklung
(2007) Wittenstein, Anna-Katharina; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In turbulenten Märkten ist eine hohe Reaktionsfähigkeit auf den Kundenbedarf lebensnotwendig. Diese hängt bei Unternehmen mit hohem Anteil kundenspezifischer Entwicklung, wie häufig im Maschinen- und Anlagenbau, von der Verfügbarkeit der richtigen Mitarbeiter ab. Die Verfügbarkeit ihrer Leistung ist daher möglichst genau auf den Kundenbedarf abzustimmen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode, die es ermöglicht, trotz eines turbulenten Umfelds eine kundenspezifische Entwicklungsleistung bedarfssynchron, d.h. mit kurzen Durchlaufzeiten und termingerecht verfügbar zu machen. Kernelemente der Methode bilden die Ansätze „plug&perform zwischen prozessorientierten Leistungseinheiten“, „adaptive Fokussierung an verfügbarkeitskritischen Leistungseinheiten“ und „vorbereitete verfügbarkeitssichernde Maßnahmen“. Mit Hilfe des plug&perform-Ansatzes werden Leistungseinheiten und Nahtstellen so gestaltet, dass eine fehlerfreie und schnelle Leistungserbringung möglich ist. Hierzu wird ein Kapazitäts-Pull-Verfahren eingeführt, das die Kapazitäten der Leistungseinheiten so aufeinander abstimmt, dass der Kundenbedarf termingerecht - eben synchron - bedient werden kann. Mit Hilfe der adaptiven Fokussierung kann die Arbeitsteilung entlang der horizontalen, vertikalen und objektorientierten Dimension flexibel variiert werden, um bei besonderen Belastungssituationen Entlastungseffekte an Engpässen zu erzielen. Grundelement der adaptiven Fokussierung ist die sinnvoll verteilbare Arbeitseinheit, die innerhalb physischer und virtueller Leistungseinheiten flexibel verteilt werden kann. Zur Identifikation verfügbarkeitskritischer Leistungseinheiten werden operative, qualifikatorische, inhaltliche und kapazitive Risikosituationen abgeprüft. Für die kritischen Leistungseinheiten werden typische Belastungsszenarien definiert und auf Basis der adaptiven Fokussierung verfügbarkeitssichernde Maßnahmen beschrieben. Diese Konzepte werden schließlich in der Methode zur Sicherung bedarfssynchroner Leistungsverfügbarkeit zusammengeführt und validiert.
Open Access
Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls bei der pneumatischen Lackzerstäubung
(2020) Shen, Bo; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Der Zerstäubungsprozess ist der zentrale Vorgang bei der Spritzlackierung. Bei pneumatischen Zerstäubern wird der Lack durch Zerstäubungsgase, die mit Hochgeschwindigkeit strömen, zerlegt. Der Einfluss der Eigenschaften der Zerstäubungsgase auf die Zerstäubung und den gesamten Spritzvorgang wird zuerst im Rahmen dieser Arbeit durch experimentelle und numerische Untersuchungen studiert. Hierbei ist festzustellen, dass Gase mit geringerer Dichte höhere Strömungsgeschwindigkeiten nahe am Zerstäuber erzielen und damit eine bessere Zerstäubung bewirken. Gleichzeitig fällt die Gasgeschwindigkeit schneller wieder ab, wodurch der Staudruck minimiert wird und ein hoher Lackauftragswirkungsgrad erzielt werden kann. Anschließend fokussiert diese Arbeit auf numerische Untersuchungen zum Primärzerfall von Flüssigkeitsstrahlen unter Verwendung der Volume-of-Fluid-Methode (VOF). In der Simulation sind unterschiedliche Zerfallserscheinungen zu beobachten. Die Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls, welche häufig als Maßstab zur Bewertung der Zerstäubungsqualität verwendet wird, lässt sich ebenfalls bestimmen. Zum Herausfinden der Bedingungen für einen effizienten Primärzerfall werden zwei Zerfallsindizes eingeführt. Eine negative Korrelation zwischen den Zerfallsindizes und dem dynamischen Druckverhältnis ist festzustellen. Schließlich wird der Stahlzerfall separat mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera und eines Laserbeugungssystems untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden mit den Simulationsergebnissen verglichen.
Open Access
Ein benutzer- und umgebungsangepasstes Steuerungssystem für die Zielführung roboterbasierter Gehhilfen
(2008) Graf, Birgit; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Gehhilfesysteme wie Rollatoren stellen eines der wichtigsten Hilfsmittel für den Erhalt der Mobilität und der damit verbundenen Selbstständigkeit der betroffenen Personen dar. Konventionelle Gehhilfen sind dafür jedoch oftmals nicht ausreichend. Neben einer hohen Zahl von Unfällen, die in Verbindung mit Gehhilfen jährlich auftreten, müssen viele mobilitätseingeschränkte Personen aufgrund ihrer Beschwerden beim Gehen mit dem Rollator aus Sicherheitsgründen zusätzlich von einer Pflegekraft begleitet werden oder sogar ganz auf das selbstständige Gehen verzichten. Eine mit Robotertechnologie ausgestattete Gehhilfe, die in der Lage ist, ihre Umgebung wahrzunehmen und den Benutzer sicher zum gewünschten Ziel zu führen, die dabei auf die speziellen Eigenschaften und Fähigkeiten des Benutzers eingeht und diese während der Fahrt berücksichtigt, kann die Selbstständigkeit älterer und behinderter Menschen weiter fördern und erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Steuerungssystem für die Zielführung roboterbasierter Gehhilfen zu gewinnen, das • seine Umgebung wahrnimmt und den Weg zum Ziel entsprechend plant und anpasst, • an die Fähigkeiten und Bedürfnisse eines Benutzers angepasst werden kann und • das Fahrverhalten der Gehhilfe in Echtzeit an die Bewegung des Benutzers anpasst, so dass der Benutzer immer sicher gestützt wird. Die Anpassung der Bewegungsrichtung der roboterbasierten Gehhilfe an die Benutzereingaben und die Umgebung wird mittels der erweiterten Methode elastischer Bänder, die für diese Aufgabe speziell weiterentwickelt wurde, realisiert. Neben der automatischen Anpassung des Bewegungspfads zur Hindernisumfahrung können bei Divergenzen zwischen der geplanten und der vom Benutzer vorgegebenen Fahrtrichtung verschiedene Arten von Bahnmodifikationen aktiviert werden. Die Auswahl einer geeigneten Bahnmodifikation erfolgt anhand der vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsrichtung und der in der Nähe des Roboters erkannten Hindernisse. Das benutzer- und umgebungsangepasste Steuerungssystem wurde auf dem mobilen Roboterassistenten Care-O-bot® II implementiert und getestet. Zum Nachweis der Anwendbarkeit des Steuerungssystems wurde Care-O-bot® II in einem Seniorenheim in Betrieb genommen und durch mehrere Bewohner des Heims, die auch im täglichen Leben eine Gehhilfe benutzen, getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Steuerungssystem die an es gestellten Anforderungen erfüllt.
Open Access
Entwicklung einer neuen Methode zur Prozessleistungsmessung
(2013) Thieme, Paul; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Profitabilität eines Unternehmens hängt stark von der Wertschöpfung in den Unternehmensabläufen ab. Wenn es gelingt, die Wertschöpfung in den Unternehmensabläufen zu steigern, kann folglich auch der Profit des Unternehmens gesteigert werden. In den meisten Unternehmen werden die Produktivitätssteigerungen nach wie vor in der Produktion gesucht. Infolgedessen ist die Suche nach möglichen Produktivitätssteigerungen in den administrativen Unternehmensbereichen noch in der Entwicklungsphase. Ein möglicher Grund für diese Situation ist, dass es heute noch keine realisierbare, gänzliche Methode gibt, mit der die Wertschöpfung in den administrativen Bereichen analysiert werden kann. In dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode zur Prozessleistungsmessung speziell für die administrativen Unternehmensabläufe dargestellt. Dabei wird gezeigt, welche Vorteile diese neue Methode gegenüber den bekannten und bewährten Methoden aus der Prozessleistungsmessung bietet und wie sie praxisnah und veritabel in Unternehmen eingesetzt werden kann. Neben einer Anwendungsbeschreibung ist auch dargestellt, welche Erfolge mit dieser neuen Methode zur Prozessleistungsmessung bereits erreicht werden konnten.
Open Access
Ein flexibles Greifsystem für Roboterassistenten im Haushalt
(2007) Wegener, Kai; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Lösungsansätze für flexible und niedrig komplexe Greifsysteme zu schaffen, die es Roboterassistenten ermöglichen, mit ihrer Umwelt zu interagieren und flexibel auf sich ändernde Handhabungssituationen zu reagieren. Hierzu wurde der Finray-Effekt, ein bionisches Prinzip für selbstadaptive Systeme, theoretisch untersucht und für den Einsatz als Fingerkinematik in flexiblen Greifsystemen nutzbar gemacht. Ausgehend vom Stand der Technik wurden typische Einsatzszenarien für Roboterassistenten im Haushalt analysiert. Auf Basis von Lösungsansätzen für die einzelnen Teilsysteme wurden Gesamtkonzepten entwickelt. Ein Konzept mit drei Fingern, die sich zu drei unterschiedlichen Grifftypen konfigurieren können wurde mit dem oben beschriebenen Finray-Effekt kombiniert und weiter detailliert. Im Fokus stand hierbei die grundlegende Untersuchung des Finray-Effektes hinsichtlich seiner greiftechnischen Fähigkeiten. Hierfür wurde der Finray-Effekt in Form einer selbstadaptiven diskreten Kette aus Fingergliedern weiter vereinfacht. Auf Basis dieser Vereinfachung wurde die Kinematik geometrisch und hinsichtlich der resultierenden Kräfte in allgemeiner Form für n-gliedrige Kinematiken modelliert. Um das Verhalten bzgl. unterschiedlicher Objektgeometrien zu untersuchen, wurden umfangreiche Bewegungssimulationen durchgeführt. Auf Basis dieser grundlegenden Untersuchung wurde ein Verfahren entwickelt, welches ausgehend von einem Objektmodell vorhersagen über den Gleichgewichtszustand der Fingerkinematik zulässt. Um die Praxistauglichkeit der Entwicklungen zu bestätigen, wurden zwei Gesamtsystemvarianten aufgebaut und hinsichtlich ihrer Greifmöglichkeiten im Umgang mit geometrievarianten Objekten untersucht. Beide Hände überzeugen durch ihre hohe Flexibilität gegenüber sich ändernden Objektgeometrien. Die IPA-Hand II ist aufgrund der integrierten selbstadaptiven Fingerkinematik in der Lage, ein enormes Objektspektrum abzudecken. Die niedrige Komplexität hinsichtlich des mechanischen Aufbaus und des Planungsaufwandes prädestinieren diese Art von Händen für Roboterassistenten im Haushaltsbereich.
Open Access
Konzeption einer Lernfabrik für die variantenreiche Montage
(2013) Riffelmacher, Philipp; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Produzierende Unternehmen im Bereich der variantenreichen Serienproduktion müssen sich an Herausforderungen wie verkürzte Innovations- und Produktlebenszyklen, verändertes Bestellverhalten der Kunden sowie Entwicklungen der Produkt-, Produktions-, Informations- und Kommunikationstechnologien anpassen, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Die notwendige Wandlungsfähigkeit, um auf kurz- und mittelfristigen Turbulenzen reagieren zu können, wird durch eine kontinuierliche Planung von Prozessen, Abläufen und Strukturen der produktionstechnischen Systeme erreicht, die in das Arbeitsgebiet des Industrial Engineering (IE) fällt. Für die Bewältigung dieser Aufgaben wird ein neues IE- Verständnis benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption einer Lernfabrik für die variantenreiche Montage, um ein neues IE-Verständnis zu vermitteln, das mit den vorhandenen Potentialen der Digitalen Fabrik und modularer, wandlungsfähiger Montagesysteme Lösungswege zur Bewältigung von Turbulenzen aufzeigt. Kern des neuen IE-Verständnisses ist ein methodisches Planungsvorgehen, das durch ein kontinuierliches Fabrikmonitoring der laufenden Produktion angestoßen wird. Zur Turbulenzbewältigung stehen dem Industrial Engineer im Planungsvorgehen Methoden und Werkzeuge der Arbeits- und Prozessplanung sowie der Digitalen Fabrik zur Verfügung. Für den Know-how-Transfer des neuen IE-Verständnisses wurde ein handlungs-orientiertes Qualifizierungskonzept entwickelt, sodass Industrial Engineers den Umgang mit Planungsmethoden und -werkzeugen kennenlernen und in realitätsnahen Szenarien selbstständig anwenden können. Für die Umsetzung des Qualifizierungs-konzepts wurde eine Lernumgebung mit einer digitalen Planungsumgebung und einer physischen Montageumgebung entwickelt. Zur Validierung des Qualifizierungskonzepts zur Nutzung einer Lernfabrik für die variantenreiche Montage wurden mehrere Schulungen durchgeführt und sowohl der kurzfristige als auch nachhaltige Lernerfolg nachgewiesen.
Open Access
Lackfilm-Strukturbildung bei der Spritzlackier-Applikation
(2013) Hager, Christian; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Neben Farbe und Glanz ist für die Charakterisierung der optischen Qualität einer Lackierung die Oberflächenstruktur ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. In den vergangen Jahren hat sich im industriellen Umfeld für die Beschreibung der Oberflächenstruktur eine Einteilung in Strukturanteile von fünf Wellenlängenbereichen Wa (0.1 bis 0.3 mm), Wb (0.3 bis 1 mm), Wc (1 bis 3 mm), Wd (3 bis 10 mm) und We (10 bis 30 mm) etabliert. Da es beim Spritzlackieren eine hohe Anzahl an Einflüssen auf die Entstehung der Oberflächenstruktur gibt, wie z. B. die Zerstäubungsfeinheit des Lacksprays, die Untergrundstruktur oder die Lage der zu beschichtenden Fläche (horizontal/vertikal), weisen Lackierungen nach der Trocknung und Härtung oftmals deutlich unterschiedliche Oberflächenstrukturen auf. Die Lackierungen haben dadurch ein unterschiedliches optisches Erscheinungsbild, wodurch die Vermarktungsfähigkeit hochwertige Produkte nicht gegeben ist. In aufwendigen Optimierungsversuchen wird versucht durch empirische Anpassungen der Prozessparameter eine akzeptable Oberflächenstruktur zu erzeugen. In vielen Fällen können die gewünschten Oberflächenstrukturen jedoch nur durch kostenintensive Schleif- und Polierprozesse sowie Mehrfachlackierungen erreicht werden. Es fehlte eine modellbasierte Anpassung von Prozessparametern, um gezielt die Oberflächenstruktur einer Lackierung optimieren zu können. Die Vision ist eine automatisierte Regelung der Lackierprozessparameter, mit Hilfe derer auf unterschiedlich strukturierten Substraten und unabhängig von der Lage einzelne Strukturanteile der Wellenlängenbereiche Wa bis We gezielt verringert oder verstärkt werden können, um somit eine bestimmte und homogene Oberflächenstruktur zu erzeugen. Mit dieser Arbeit wird ein geschlossenes 3D-Modell bereitgestellt, welches die Hauptmechanismen der Lackfilm-Oberflächenstrukturbildung beinhaltet. Durch numerische Untersuchungen mit dem ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsprogrammes konnte zusätzlich ein tieferes Prozessverständnis für die Oberflächenstrukturbildung bei der Spritzlackierung erarbeitet werden. Es konnten die unterschiedlichen Einflüsse der verschiedenen strukturbildenden Mechanismen tabellarisch zusammengefasst werden und daraus Ableitungen für eine gezielte Optimierung von Prozessparametern gewonnen werden. Das 3D-Modell und die Ergebnisse aus den numerischen Untersuchungen konnten erfolgreich auf einen realen Beschichtungsversuch angewandt werden. Durch diese Arbeit ist es nun erstmals möglich, gezielt modellbasierte Optimierungen beim Spritzlackierprozesses hinsichtlich der Oberflächenstrukturbildung durchzuführen.
Open Access
Management mobiler Betriebsmittel unter Einsatz ubiquitärer Computersysteme in der Produktion
(2007) Jendoubi, Lamine; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Durch den Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt und der wachsenden Internationalisierung der Märkte, stehen heutige Unternehmen im globalen Wettbewerb um potenzielle Kunden und Aufträge. Dabei sind die Märkte durch stetig variierende Kundenbedürfnisse gekennzeichnet. Unternehmen, die in einem solch turbulenten Umfeld erfolgreich bestehen wollen, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Flexibilität ihrer Produktionssysteme aus. Die hohen Kosten für die eingesetzten Produktionsressourcen erfordern eine hohe Auslastung, um auch unter dynamischen Auslastungen und wechselnden Produktprogrammen, wirtschaftlich produzieren zu können. In diesem Zusammenhang gewinnen effektive Peripheriesysteme, wie das Betriebsmittelsystem, an Bedeutung, um eine hohe Verfügbarkeit der Arbeitsplätze zu gewährleisten. Häufig kommt es in flexiblen Produktionen aufgrund eines Informationsdefizits, zu überhöhten Lagerbeständen der mobilen Betriebsmittel (Werkzeuge, Vorrichtungen, Messmittel), um eine vollständige Verfügbarkeit sicherzustellen. Die so entstehenden Kosten wirken sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems aus. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es daher, ein Konzept zur kontextbezogenen Informationsgewinnung im Betriebsmittelwesen zu entwerfen und deren Umsetzbarkeit anhand einer prototypischen Umsetzung zu beweisen. Im Unterschied zu den bislang bekannten Verwaltungssystemen steht demnach nicht die Verwaltung der Stammdaten für ein gegebenes Betriebsmittelsystem im Vordergrund. Gegenstand der Arbeit ist vielmehr die Verwaltung dynamischer Informationen. Dabei werden bereits bestehende Funktionen beibehalten und durch Kontextinformationen erweitert werden. Ausgangspunkt des untersuchten Lösungsansatzes bildet die Vision „ubiquitärer Computersysteme“ und die Rechnermigration in Alltagsgegenstände, der ursprünglich auf Informationsanwendungen im Büro- und Heimbereich zurückzuführen ist.
Open Access
Material- und Prozesscharakterisierung zur Herstellung von Sandwichleichtbauteilen mit Papierwabenkern und thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten für die Anwendung im Fahrzeuginterieur
(2013) Stamp, Benno Simon; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Sandwichstrukturen mit Wabenkernen und faserverstärkten Kunststoffdeckschichten haben sich im Flugzeugbau aufgrund ihres Leichtbaupotenzials in zahlreichen Bauteilen etabliert. Entgegengesetzt hierzu konnten sich die Sandwichtechnologien des Flugzeugbaus im Automobilbau aufgrund der hohen Materialkosten und den erheblichen Bedarfsstückzahlen nicht durchsetzten. Unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen des Automobilbaus wird in der vorliegenden Arbeit ein neuartiger Sandwichverbund bestehend aus thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten und einem Papierwabenkern untersucht, wobei als Einsatzgebiet das Fahrzeuginterieur gewählt wurde. Zur Analyse des mechanischen Verhaltens der Papierwaben wurden deren mechanischen Eigenschaften durch Versuchsreihen und analytische Berechnungsmethoden untersucht. Unter Zuhilfenahme der experimentellen Ergebnisse sind Näherungsgleichungen - basierend auf Regressionsanalysen - zur verbesserten Vorhersage der mechanischen Papierwabenkennwerte formuliert worden. Mit dem Ziel, geformte Sandwichbauteile herzustellen, wurde mittels einer Modellvorstellung das Umformverhalten der Papierwaben in Abhängigkeit ihrer geometrischen Parameter analysiert. Zur Bestätigung der theoretischen Erkenntnisse wurden experimentelle Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass das Umformpotenzial z. B. durch erhöhte Papierwabenfeuchtigkeit positiv beeinflusst wird. Als Deckschichtmaterial wurde vorwiegend der Einsatz von Hybrid-Nadelvliesen betrachtet, wobei Glas- und Naturfasern als Verstärkungsmaterial der Polypropylenmatrix untersucht wurden. Mit dem Ziel das mechanische Verständnis für den Sandwichverbund zu fördern, wurden verschiedene Einflüsse durch quasi statische Versuchsreihen untersucht. Hierbei konnte insbesondere eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften durch eine Schmelzfolie zwischen der Papierwabe und den Deckschichten nachgewiesen werden. Basierend auf den experimentell gewonnenen Halbzeugkennwerten wurden zur Berechnung der Sandwichsteifigkeit ein analytischer und numerischer Ansatz vorgestellt. Zur industriellen Umsetzung der Bauteilfertigung wurden zum einen verschiedene Fertigungsvarianten und zum anderen unterschiedliche Werkzeugkonzepte präsentiert. Mit Hilfe der durchgeführten Reibschweißversuche konnte nachgewiesen werden, dass eine Verbindungsherstellung zwischen Sandwichbauteil und Kunststoffträger herstellbar ist. Mit Hilfe umgebungsbedingter Werkstoffprüfungen wurden das Brennverhalten des Sandwichverbundes und die mechanische Degradation bei hoher Luftfeuchtigkeit untersucht. Ebenso konnte durch die Betrachtung der thermischen Isolationseigenschaft der Vorteil des Sandwichverbundes im Vergleich zu konventionellen Verkleidungsmaterialien aufgezeigt werden. Die ökologische Relevanz der betrachteten Sandwichtechnologie wurde mit Hilfe einer Ökobilanz aufgezeigt. Für die stoffliche Wiederverwertung wurde ein Recyclingprozess durch Compoundierung des Sandwichverbundes zum Spritzgussgranulat durchgeführt und deren mechanische Eigenschaften ermittelt.
Open Access
Methode zur modellierungsbasierten, präventiven Qualitätssicherung im Material Extrusion Verfahren
(2020) Bähr, Friedrich; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Additive Fertigungstechnologien etablieren sich zunehmend für industrielle Anwendungen. Unbeherrschte Prozesse sowie mangelhafte Bauteilqualität bremsen jedoch die Verbreitung in der Serienanwendung. Die Fertigung von Qualität und Maßnahmen zu deren Absicherung im Sinne der Reproduzierbarkeit gestalten sich als besonders wichtig und herausfordernd. Mit Blick auf Losgröße eins reichen dem Prozess nachgelagerte Kontrollmaßnahmen nicht mehr aus. Die Forderung nach beherrschten und fähigen Prozessen bedarf einem hohen Maß an Prozessverständnis. In der Forschungsarbeit wird eine Methode zur präventiven Qualitätsabsicherung für das Fused Deposition Modeling (FDM), auch Material Extrusion (MEX), Verfahren vorgestellt. Sie basiert auf der Modellierung des Prozesses entlang einer systematischen Vorgehensweise in sieben Schritten. Ziel ist die Prognose von Abweichungen und resultierenden Fehlern und deren prophylaktische Abschaltung. Zunächst werden die auf den Prozess wirkenden Einflussfaktoren, deren Interferenzen und Zusammenhänge mit Bauteileigenschaften untersucht. Es folgt eine detaillierte Betrachtung der Wirkmechanismen und physikalischen Phänomene im Fused Deposition Modeling. Die Methode wird an einem eigens entwickelten, verfahrensspezifischen Prüfkörper und einer zweistufigen Finite-Elemente-Simulation evaluiert und validiert. Für die numerische Analyse wird zunächst der thermische Gradient des Prüfkörpers während der Abkühlung ermittelt. Darauf aufbauend folgt eine mechanisch-statische Analyse zur Bestimmung von prozess- und materialbedingter Schwindung, Eigenspannungen und resultierender Verformung. Die Simulation wird durch den Vergleich von Messwerten mit einem physischen Bauteil validiert. Es wird ein Werkzeug zur Vorhersage von Bauteileigenschaften vorgestellt, das sowohl praktisch applikabel ist, als auch Anwendung für weitere Schichtbauverfahren finden kann.
Open Access
Eine Methodik zum dynamischen Life Cycle Controlling von Produktionssystemen
(2007) Niemann, Jörg; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Produzierende Unternehmen in der Serienfertigung stehen heute im globalen Wettbewerb um potenzielle Kunden und Aufträge. Die verkürzten Marktzyklen der Produkte erfordern dazu im Kern wandlungsfähige Produktionssysteme und methodisch unterstützte Planungssysteme, mit denen die dynamischen Änderungen der Auftragsstrukturen produktions- und kostentechnisch beherrscht werden können. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es daher, eine Methodik zur kontinuierlichen Kostenoptimierung von Produktionssystemen in Abhängigkeit der geplanten Ausbringungsmenge im Bereich der Serienfertigung bereitzustellen. Dazu wurde ein Regler entwickelt, mit dem der kostenoptimale Betriebspunkt über ein regelkreisbasiertes Controllingmodell eingestellt werden kann. Durch das Modell wird der Nutzer befähigt, potentielle Verbesserungsmaßnahmen zu identifizieren und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit vorab zu bewerten. Dazu wird die aktuelle Systemkonfiguration mit den eingesetzten Ressourcen und Wirkzusammenhängen in einer simulationsbasierten Planungsumgebung erfasst und abgebildet. Die erforderlichen Daten werden über die verschiedenen Systeme aus der betrieblichen Datenerfassung in das Planungssystem eingespielt. Im Unterschied zu den bislang bekannten Steuerungsansätzen steht jedoch nicht die Einplanung der Aufträge für ein gegebenes System im Vordergrund. Gegenstand des Reglermodells ist vielmehr die optimale Konfiguration eines Produktionssystems in Abhängigkeit der vorliegenden Auftragsbelastung für einen Planungszeitraum. Damit wird die strukturelle Gestaltung des Produktionssystems selbst Inhalt der Optimierung. Die entwickelte Methodik unterstützt hierbei die gezielte und kontinuierliche Forcierung von Lernprozessen durch die Anwendung von Simulationswerkzeugen. Dies ermöglicht es, alternative Produktionsszenarien schneller zu evaluieren und durch die virtuelle Implementierung von Maßnahmen schon vorab aus der „Zukunft“ zu lernen.
Open Access
Eine Methodik zur modellbasierten Planung und Bewertung der Energieeffizienz in der Produktion
(2013) Haag, Holger; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die weltweit steigende Nachfrage nach endlichen Ressourcen führt zu einer immer weiteren Preissteigerung dieser. Produzierende Unternehmen stehen im globalen Wettbewerb und können sich durch eine Steigerung der Energieeffizienz ökonomische Vorteile verschaffen. Zudem wird der ökologische Faktor bei der Energieeinsparung von Kunden positiv aufgenommen. Um die Energieeffizienz in der Produktion zu steigern, müssen die Zusammenhänge verstanden, Stellgrößen identifiziert und bewertet sowie geeignete Maßnahmen abgeleitet werden. Die vorliegende Dissertation greift diese Punkte auf und führt sie zu einer modellbasierten Planungs- und Bewertungsmethodik zur Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion zusammen. Der grundlegende Modellierungsansatz besteht aus der Verknüpfung von Ressourcen der Hauptprozesse und der Peripherie auf Basis der Systemtechnik. Die einzelnen Ressourcen werden statusbasiert abgebildet, d.h. jeder vorhandenen Ressource werden spezifische Status zugewiesen. Außerdem erfolgt eine Zuordnung von individuellen Energieprofilen zum jeweiligen Status. Durch die Integration der Arbeitsplanung wird es möglich, verschiedene Planungsalternativen hinsichtlich ihres späteren energetischen Verhaltens bereits in der Planungsphase zu untersuchen und zu bewerten. Das ist erforderlich, da in dieser Phase ein Großteil des späteren energetischen Verhaltens festgelegt wird. Somit wird eine Möglichkeit geschaffen, dem Arbeitsplaner eine Entscheidungsgrundlage zur expliziten Betrachtung der Energie an die Hand zu geben. Die zusätzliche Integration der Arbeitssteuerung erlaubt es, eine Produktion permanent am energetisch bestmöglichen Betriebspunkt zu halten und Maßnahmen zur Minimierung der ungewünschten Teillastfälle abzuleiten. Hierfür wird ein bidirektionales Messaging-System verwendet, welches für den permanenten Datenaustausch zwischen den Ressourcen und der Leitebene zuständig ist.Ein entwickeltes Kennzahlensystem bildet die Basis zur Bewertung der verschiedenen möglichen Produktionsszenarien. Außer der Energieeffizienz werden noch weitere Zielgrößen der Produktion (Qualität, Durchlaufzeit,OEE) in die Bewertung mit einbezogen, um Korrelationen zwischen den einzelnen Kenngrößen abbilden zu können. Eine problemspezifische Gewichtung der einzelnen Kenngrößen erlaubt es, die Bewertungsmethode für verschiedene Fragestellungen zu verwenden. Die Gesamtmethodik wird anhand einer Werkstattfertigung mit Bearbeitungszentren erprobt. Hierbei zeigt sich, dass große Einsparpotentiale vorhanden sind, die durch die organisatorische Optimierung der Produktion gehoben werden können, ohne in neue Technologien oder Maschinen zu investieren.
Open Access
Modell zur Bewertung der Effizienz der IT-Unterstützung im Auftragsabwicklungsprozess von produzierenden KMU
(2013) Dürr, Peter; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die umfangreichen Möglichkeiten der modernen IT effizient auszunutzen, ist eine der größten Herausforderungen für produzierende kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Die tatsächliche Effizienz und der Nutzen eingesetzter IT-Systeme und -Anwendungen sind häufig völlig unklar. Die Gründe dafür sind vielfältig, jedoch liegt der wohl wichtigste in der fehlenden Bewertungsmöglichkeit der IT-Effizienz, insbesondere des IT-Nutzens. Existierende Modelle fokussieren typischerweise auf die IT-Kosten, die oft leichter zu beurteilen sind als der IT-Nutzen. Trotz der hohen Komplexität dieser Bewertung darf das Wissen um die Nutzenseite der IT-Effizienz nicht vernachlässigt werden, denn eine effiziente IT-Unterstützung kann einen Wettbewerbsvorteil für KMU bedeuten. Die Transparenz über die Effizienz der eingesetzten IT stellt somit einen kritischen Erfolgsfaktor für die betrachtete Zielgruppe dar. Da produzierende Unternehmen ihre wertschöpfenden Tätigkeiten innerhalb des Auftragsabwicklungsprozesses durchführen, ist ein hoher Nutzen der dort eingesetzten IT-Anwendungen besonders wichtig.Um den Mangel an Bewertungsmodellen zu beheben, wird in der vorliegenden Arbeit ein Modell vorgestellt, mit dem die Effizienz der IT-Unterstützung im Auftragsabwicklungsprozess produzierender KMU systematisch bewertet werden kann. Kern des neuartigen Modells ist ein mehrdimensionales Kennzahlensystem mit besonderer Betonung des durch die IT erbrachten Nutzens. Es bringt die unterschiedlichen Effizienzkategorien in ein ausgewogenes Verhältnis. Damit lehnt sich das Modell an den Grundgedanken der Balanced Scorecard und das Performance Measurement an. Die Besonderheit des neuen Modells ist vor allem seine Zielgruppenorientierung - sowohl fachlich-inhaltlich als auch was die standardisierte Vorgehensweise betrifft. Eine Reihe von ersten erfolgreichen Projektergebnissen nach Anwendung des Modells zeigt bereits die Funktionsfähigkeit und Notwendigkeit des in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Ansatzes.
Open Access
Systematik für eine kontinuierliche und langfristig ausgerichtete Planung technologischer und kapazitiver Werksentwicklungen
(2013) Hartkopf, Markus; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Fabriken stehen vor der immensen Herausforderung, neben der kurzfristigen Bewältigung von Turbulenzen im operativen Tagesgeschäft ebenso technologischen und kapazitiven Veränderungen gerecht zu werden, welche aufgrund reaktionsträger Anpassungsmaßnahmen langfristiger Natur und somit frühzeitig zu erfassen sind. Eine pragmatische und projektbasierte Vorgehensweise, wie sie in der Praxis aufgrund des hohen Zeitdrucks oftmals zu finden ist, stößt aufgrund der zunehmenden Vielschichtigkeit und Dynamik der Planungsgegenstände an ihre Grenzen. Die Anpassung von technologischen und kapazitiven Werksentwicklungen erfordert eine vorausschauende und systematische Vorgehensweise, die in der Lage ist, veränderte Rahmenbedingungen unmittelbar zu berücksichtigen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher eine kontinuierlich fortlaufende Planungssystematik entwickelt, welche die spezifischen Entwicklungsverläufe des Werkes stetig und langfristig vorausmodelliert, um so die Auswirkungen variierender Veränderungen rechtzeitig zu erfassen und die Wandlungsfähigkeit von Fabriken systematisch zu steigern. Unter Berücksichtigung der strategischen Zielvorgaben der Unternehmensplanung wurden zur einheitlichen Bewertung der Entwicklungskonzepte Kriterien abgeleitet, die eine quantitative Auswertung der technologischen und kapazitiven Entwicklungen ermöglichen und so als Entscheidungshilfe zur Auswahl fungieren. Alternative Werksentwicklungskonzepte werden durch Variation der Eingangsparameter im Rahmen des in dieser Arbeite entwickelten EDV-basierten Planungswerkzeugs, dem PLANT DEVELOPMENT PLANER, simuliert und anhand der Bewertungskriterien miteinander verglichen und ausgewertet. Die Systematik der Werksentwicklungsplanung wurde am praktischen Beispiel in einer industriellen Produktion von Axialkolbenmaschinen auf ihre Anwendbarkeit untersucht und verifiziert.
Open Access
Verfahren zur hämmernden Blechumformung mit Industrieroboter
(2007) Schäfer, Timo; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Das Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit war es, ein Verfahren zur hämmernden Blechumformung unter Verwendung eines Industrieroboters zu entwickeln, durch eine systematische Vorgehensweise grundlegende Erkenntnisse über den Umformprozess sowie die technische Umsetzbarkeit des neuen Umformverfahrens nachzuweisen und hierfür alle technischen Voraussetzungen wie die Anlagentechnik sowie die Software zur Generierung des Umformpfades zur Verfügung zu stellen. Auf Basis der durchgeführten Analyse wurden Teilsysteme zur hämmernden Blechumformung definiert sowie Anforderungen an das Gesamtsystem und die Teilsysteme abgeleitet. Im Anschluss an die Analyse wurde das Konzept für das Gesamtsystem und den Verfahrensablauf vorgestellt. Entsprechend der in der Analyse definierten Teil- und Gesamtsysteme sowie den Szenarien zur Verfahrenskombination wurden Konzepte für das Fixiersystem, das Blechhaltesystem und das Hammerwerkzeug sowie für Gesamtsysteme mit der Möglichkeit zur Verfahrenskombination entwickelt. Nach der Realisierung einer ersten Versuchsanlage zur hämmernden Blechumformung wurden entsprechend den abgeleiteten Untersuchungsschwerpunkten Grundlagenversuche durchgeführt. Das Ergebnis der Untersuchungen waren qualitative und quantitative Aussagen, welchen Einfluss bestimmte Parameter auf diverse Ergebnisgrößen besitzen und welche Verfahrensgrenzen bestehen. Darauf basierend wurden zur Erweiterung des Einsatzbereichs der hämmernden Blechumformung Umformstrategien für Blechteile mit komplexerer Geometrie sowie Umformstrategien zur Erhöhung der Maßhaltigkeit abgeleitet. Anschließend wurde ein mechanisches Ersatzmodell der hämmernden Blechumformung aufgestellt, die Parameter des Ersatzmodells experimentell ermittelt und das Modell anhand von Grundlagenversuchen verifiziert. Die auf Basis des Modells durchgeführten theoretischen Schwingungsuntersuchungen erlaubten qualitative und quantitative Aussagen zur Auslegung des Hammerwerkzeugs und des Industrieroboters. Um die hämmernde Blechumformung in einem Gesamtsystem zu erproben, wurde eine prototypische Pilotanlage realisiert. Die Erprobung erfolgte anhand einiger Demonstrationsblechteile sowie eines Prototypenblechteils für die Automobilindustrie.