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Agent based diagnostic system for the defect analysis during chemical mechanical polishing (CMP)
(2005) Kumar, Akhauri Prakash; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
The rapidly changing technological characteristics of Integrated Circuits (i.e. their compactness and density) require a very high surface planarity and uniform surface topography of the starting substrate material (wafer). The IC manufacturers are demanding wafers with continuously decreasing defect densities, very tight tolerances and very short delivery times, from the wafer manufacturers. The in-situ defect detection, the real-time analysis of non-visual defects, the simultaneous differentiation of multiple defect types and the high capture rates of the detected defects are turning out to be the major challenges for the wafer manufacturers. The current wafer manufacturing process is very complex and has already a very high technical and organizational availability. As a final step in the manufacturing process of wafers, CMP process has emerged as a critical technology for achieving the required global planarization. The high complexity of the CMP process makes the localization (i.e. to find out the defected area, the type and the cause) and control of the process and machine parameters responsible for defect origination during a process run very difficult. This leads to intolerable machine downtimes, caused by the time-consuming defect localization procedures. The deductions of corrective actions and the establishment of correlations between the detected defects and the process parameters are mostly based on the long year CMP process experience of the process engineers. To analyze the investigated defects is to correlate these defects with the drifts and shifts of process and machine parameters offline, i.e. after the defects are already there. Nevertheless, none of the process control approaches showed the adaptability to continuously changing process and production characteristics in the production environment. The time representation of the properties of process and machine parameters was not implemented by the investigated process control algorithms, and none of them provided much information about the chemistry of the CMP process. The core of the research work is to develop and implement an agent based diagnostic system for defect analysis during CMP process for the studied CMP process machine. The system should detect the origination of defects at a very early stage during the wafer manufacturing process. It should reduce the defect densities, improve the reliability and accuracy of the process run by in-situ observation of the CMP process, provide the corresponding corrective actions to the process engineer, reduce the risk of defect occurrence, adapt to the changing CMP processing characteristics and environment and observe explicitly the changing time-dependent properties of process and machine parameters. The system thus deployed in the production environment shows the detection of the origination of defects at a very early stage. It provides mechanisms to exactly localize and characterize the origination of these defects, to achieve high defect detection reliability and repeatability and to increase its detection performance. After the learning process, the system provides exactly the cause, involved behavioral pattern characteristics, related process step, the involved process parameter and machine parameter behaviors for the detected defect origination characteristics to the CMP process expertise. Its integration with CMP process controller in the production environment thus facilitates in-situ detection of the origination of defects.
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Automatisierte Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in der Montage
(2006) Schmid, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Der zunehmende nationale und internationale Wettbewerb und die steigenden Ansprüche der Verbraucher führten in den vergangenen Jahren zu einer Zunahme der Produktvielfalt mit immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitiger Abnahme der Fertigungslosgrößen. Diese Entwicklung führte dazu, dass der flexibel automatisierten Montage in der Klein- und Mittelserienfertigung eine immer größere Bedeutung zukommt. Bei flexiblen Montageanlagen erfolgt die Bereitstellung von Werkstücken vorwiegend über werkstückspezifisch ausgelegte Zuführeinrichtungen, die in den Montagestationen integriert sind und einen Großteil aller Störungen in Montageanlagen verursachen. Ziel der Arbeit war es, eine unabhängig von den Montageanlagen arbeitende Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von unterschiedlichsten Werkstücken in Flachmagazinen zu entwickeln. Nach der Ermittlung der wesentlichen Anforderungen und Randbedingungen für die Werkstückbereitstellung an flexiblen Montageanlagen wurden wissenschaftliche Grundlagen und Lösungen für einen Vibrationswendelförderer zum gleichzeitigen Fördern und Sortieren mehrerer unterschiedlicher Werkstücke erarbeitet sowie für flexible Positionier- und Ordnungssysteme ein Verfahren zur werkstückspezifischen Magazinauslegung entwickelt. Für die Beschreibung des Werkstückverhaltens im Magazin-formnest während des Magaziniervorganges wurde ein Berechnungsverfahren erarbeitet, mit dem in einer Rechnersimulation die Grenzwerte für die Geräteeinstellparameter, wie z. B. die maximale Schwingungsamplitude und Magazinneigungswinkel, bestimmt werden konnten. Die konzipierten und prototypisch realisierten Einzelkomponenten wurden anschließend in einer Pilotanlage einer automatisierten Ordnungs- und Kommissionierzelle integriert. Anhand eines repräsentativ ausgewählten Werkstückspektrums wurde der Funktionsablauf der Zelle erprobt und die technische Machbarkeit einer von der Montage entkoppelten, hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in beliebiger Reihenfolge und Losgröße nachgewiesen.
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Automatisiertes und prozessüberwachtes Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe
(2007) Breckweg, Achim; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Das umformtechnische Fügen bzw. Clinchen erfolgt heute noch weitgehend mit linearer Fügebewegung der Werkzeuge. Die hohen Prozesskräfte erfordern allerdings schwere und schlecht handhabbare Werkzeuge. Eine Lösung bietet die Reduktion der Fügekraft. Zum krafreduzierten Clinchen sind Verfahren mit partieller Krafteinleitung, insbesondere das Radialclinchen geeignet. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher wissenschaftliche Erkenntnisse über das Radialclinchen zu erarbeiten. Im Rahmen der Anforderungsanalyse wurde der Istzustand beim automatisierten umformtechnischen Fügen aufgearbeitet. Die auftretenden Prozessfehler und die neuronalen Netze als Grundlage für die Prozessüberwachung wurden analysiert. Basierend auf der Durchführung experimenteller Untersuchungen wurde der Nachweis erbracht, dass beim Radialclinchen gleiche Verbindungsfestigkeiten wie beim konventionellen Clinchen erreicht werden. Durch die Beschreibung von Wirkzusammenhängen konnten produktionstechnisch relevante Prozesszusammenhänge zwischen Fügezeit, -kraft und -drehzahl ermittelt und dargestellt werden. Das komplexe Werkstoffverhalten beim Radialclinchen wurde ausgehend von der Phasenteilung des Fügeprozesses in eine Durchsetzphase und in eine Stauchphase beschrieben und ein Berechnungsmodell entwickelt. Das Modell ist die Grundlage für ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Fügekraft unter Berücksichtigung der partiell eingeleiteten Fügekraft. Das Berechnungsmodell wurde durch Experimente mit verschiedenen Blechwerkstoffen und Fügegeschwindigkeiten verifiziert. Zur Überwachung des Verbindungsprozesses und zur Klassifikation von Fehlern wurde ein System auf der Basis neuronaler Netze entwickelt. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass unzulässige Prozesszustände mit einer hohen Genauigkeit erkannt werden. Abschließend erfolgte die Erprobung des Gesamtsystems. Mit der Erprobung konnte die Umsetzbarkeit des Radialclinchens nachgewiesen werden. Die Versuchsanlage zum flexibel automatisierten Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe erfüllt die gestellten Anforderungen. Durch die Entwicklung des flexibel automatisierten Radialclinchens wurden neue Einsatzmöglichkeiten für die umformtechnische Fügetechnik erschlossen.
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Automatisiertes, stoffschlüssiges Fügen folienisolierter Flachleiter mit Oberflächenkontamination
(2005) Adrian, Jörg; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Haupteinsatzbereiche folienisolierter Leiter liegen in Anwendungen mit der Not-wendigkeit zur Gewichts- und zur Bauraumreduzierung. Der zu erwartende steigende Einsatz der folienisolierten Flachleiter verlangt nach automatisierten Fügelösungen mit Erfüllung der elektrischen Anforderungen und Erreichung der höchstmöglichen mechanischen Festigkeit. Ziel der Arbeit ist es, wirtschaftliche Automatisierungslösungen zum stoffschlüssigen Fügen folienisolierter Flachleiter zu erarbeiten. Schwerpunkt der Arbeit ist die Ablei-tung der optimalen Fügeparameter aus einer vorherigen Oberflächenanalyse zur Sicherung einer gleichbleibenden Scherzugfestigkeit der Kontakte. Ausgehend von einer Analyse des Standes der Technik werden die unterschiedli-chen Abisolier- und Fügeverfahren, die eingesetzten Komponenten, Montagevorgänge, auftretende Fehler sowie Automatisierungshemmnisse ermittelt und darauf die Anforderungen an die Pilotanlage abgeleitet. Durch die geforderte universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens, wird keine Einschränkung in den Abiso-lierverfahren vorgenommen. Die besten Eigenschaften unter den Fügeverfahren werden mit dem Widerstandpunktschweißen erreicht. Unter Berücksichtigung des ausgewählten Verfahrens werden die notwendigen Untersuchungs- und Entwick-lungsschwerpunkte abgeleitet. Zur Vorausberechnung der Prozessparameter ist die Aufnahme der Abisolationsrückstände notwendig. Basierend auf diesem Ergebnis ist die Berechnung der Parameter des Fügeprozesses möglich. Die entwickelten Verfahren wurden in den Teilsystemen konzipiert und in einer Ver-suchszelle realisiert. Das prozessüberwachte Fügen konnte in der Versuchszelle nachgewiesen und eine hohe Verfügbarkeit und gute Wirtschaftlichkeit in den durch-geführten Versuchsreihen gezeigt werden. Das entwickelte Berechnungsverfahren wurde mit den durchgeführten Versuchen gut verifiziert. Damit wurde die Umsetzbar-keit des prozessüberwachten Fügens mit höchstmöglicher Scherzugfestigkeit nachgewiesen werden.
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Basic structure and formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings
(2009) Liu, Xuejie; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
With the concept of digital factory, a research including experiment, kinetic Monte Carlo simulation, and ab initio calculation has been conducted to investigate the basic structure and the formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings. The experiments of the Ti-Si-N deposition demonstrate that Si addition obviously influences the film microstructure and hardness. But the atomic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N coatings have not been identified by the experiments Two kinetic Monte Carlo (KMC) simulation codes with the lattice model and with the off-lattice model have been developed. In the off-lattice KMC simulation, the dimer method was used to search the saddle points on the potential energy surface (PES), which provided the direct calculation method of activation energy and the relaxation algorithm of adatoms, so that this off-lattice KMC simulation is much closer to the real situation. The ab inito calculations have been performed with VASP code. The basic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N composite coating have been identified. The total energy calculation results show that (a) there is no silicon interstitial solid solution in the TiN crystallite under the thermal equilibrium condition; (b) if a titanium atom or a nitrogen atom is missing in the TiN crystallite, a silicon atom is possible to occupy the vacant site and to form the substitutional solid solution; (c) the basic structure of the Ti-Si-N superhard composite coatings is the TiN crystallites with Si-4N-4Ti and Si-2N-2Ti in the boundaries.
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Beschichtung hochwertiger Karosserieoberflächen mit Pulver-Slurry
(2003) Weckerle, Gero; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Beschichtung von Karosserieaußenflächen erfolgt heute vorwiegend durch elektrostatisch unterstützte Hochrotationszerstäuber (ESTA-HR) an Lackierautomaten, die zunehmend durch Lackierroboter ersetzt werden. Dieser technologische Wandel basiert auf den Qualitäts- und Kostenvorteilen, die sich beim Einsatz der Roboter ergeben. So kann beispielsweise durch die höhere Flexibilität der Bewegung die Zahl der erforderlichen Zerstäuber pro Lackierzone deutlich reduziert werden. Um dennoch die geforderten Taktzeiten zu erreichen, werden aber immer höhere Durchflussmengen mit den Hochrotationszerstäubern verarbeitet, wodurch die bisherigen Zerstäubersysteme zunehmend an Verarbeitungsgrenzen stoßen. Neben der Ausbildung eines homogenen Strömungsfeldes hinsichtlich Schichtdickenverteilung und Strahlstabilität sowie der Reduzierung der Eigenverschmutzung des Zerstäubers ist vor allem die erzielbare Zerstäubungsfeinheit bei Steigerung des Lackvolumenstromes eine Fragestellung zukünftiger Weiterentwicklungen. Hinzu kommt der Einsatz neuer und umweltfreundlicherer Lacksysteme, die die Prozessfenster zusätzlich einschränken und so zu erhöhten Anforderungen an die Anlagen- und Applikationstechnik führen. Das Klarlackmaterial Pulver-Slurry, ein in Wasser dispergierter Pulverlack, repräsentiert solch ein völlig neues Materialkonzept, das mit der bisherigen Applikationstechnik verarbeitet wird. Die Weiterentwicklung und Optimierung von Hochrotationszerstäubern an diese Rahmenbedingungen erfordert jedoch das grundlegende Verständnis der ablaufenden physikalischen Vorgänge. Ziel dieser Arbeit ist es daher, durch systematische Untersuchungen die Grundlagen für dieses Verständnis zu schaffen. In der hier vorliegenden Arbeit wird das rheologische Verhalten von Lackmaterialen unter den im Lackierprozess vorliegenden Randbedingungen untersucht und vorgestellt. Hierfür wird der Lackierprozess systematisch in Teilprozesse zerlegt, um die physikalischen Randbedingungen zu definieren. Durch die Bestimmung der auf das Material einwirkenden Kräfte kann das Fließverhalten der Lacke bestimmt werden. Beginnend mit der Filmströmung auf dem Glockenteller werden so die aufeinanderfolgenden Prozessschritte bis hin zum Filmverlauf auf dem Substrat charakterisiert. Mit den entwickelten Versuchs- und Messanordnungen können die aufgestellten Modelle und durchgeführten Berechnungen verifiziert werden. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Betrachtung und Versuch. So können die rheologischen Eigenschaften von Pulver-Slurry für jeden Abschnitt des Gesamtprozesses dargestellt werden. Durch gleichzeitige Betrachtung eines Metallic-Wasserbasislackes und Wasser wird das Spektrum der zu bewertenden rheologischen Eigenschaften erweitert, und die Methodik an weiteren Fluiden verifiziert. Mit den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen ist der Zusammenhang zwischen den grundlegenden viskoelastischen Eigenschaften und dem Zerstäubungsverhalten bzw. dem Applikationsergebnis hergestellt. Zudem wird wichtiges Grundlagenwissen zu den Teilschritten der Lackapplikation bereitgestellt, das nun als Eingangsdaten für Simulationsrechnungen eingesetzt werden kann, und zudem die technischen Anforderungen an zukünftige Zerstäubergenerationen liefert.
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Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter
(2005) Thiemermann, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Arbeitsräume des Menschen und des Roboters sind bisher aus Sicherheitsgründen getrennt. Eine solche Trennung ist gerade in Anwendungsgebieten wie der Montage, wo beide Kapazitäten gebraucht werden und ein stetiger Wechsel von manuellen und automatischen Tätigkeiten verlangt wird, oft nicht mehr sinnvoll. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die strikte sicherheitstechnisch bedingte Trennung von Werker und Roboter in der Produktion aufzuheben und hierfür wissenschaftliche Erkenntnisse eines benutzerzentrierten Sytemdesigns für eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter zu erarbeiten, das an die individuellen menschlichen Eigenschaften angepasst werden kann. Hierfür wurden in experimentellen Untersuchungen der wichtigsten Einflussparameter auf die menschliche Wahrnehmung und Empfindung ermittelt. Bei der Wahrnehmung wurden vor allem die zum Menschen relativen Bewegungsgrößen des Roboters, wie Abstand, Annäherungswinkel, Geschwindigkeit und Beschleunigung untersucht. Anschließend wurde der Einfluss dieser Bewegungsgrößen auf das individuelle Sicherheitsempfinden des Menschen ermittelt. Um diese Größe quantifizieren zu können, wurde als Begriff das Kooperationsvermögen und der damit verbundene Kooperationsfaktor k eingeführt. Das Kooperationsvermögen stellt die individuelle Fähigkeit und Bereitschaft des Werkers zur Zusammenarbeit mit dem Roboter und dem System dar. Entsprechend der Konzeption und auf Datenbasis der experimentellen Untersuchungen wurden Verfahren zur Überwachung der Mensch-Roboter-Kooperation entwickelt. Zum einen eine Kollosionsüberwachung über einen kinematischen Ansatz, die der Geschwindigkeit des Roboters eindeutige und scharfte Grenzen setzt, um eine Verletzung des Werkers zu verhindern. Zum anderen eine Ergonomieüberwachung über ein Neuro-Fuzzy-System, die die Robotergeschwindigkeit anpasst, um dem Werker das absolute Gefühl der Sicherheit und der Kontrolle über den Roboter zu vermitteln, aber trotzdem die Produktivität des Systems gewährleistet. Da das menschliche Empfinden von Mensch zu Mensch stark variiert, kann das Roboterverhalten über den Kooperationsfaktor individuell eingestellt werden.
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Dry grinding with CBN wheels, the effect of structuring
(2011) Rabiey, Mohammad; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Although some of the machining processes with defined cutting edges like milling and turn-ing could be recently applied without coolant, the realization of the processes with undefined cutting edges like grinding is still a challenge for researches and a very interesting target for industry. Grinding involves high specific energy compared to other machining processes due to the stochastic nature of the grain distribution and negative rake angle of grains. A major part of this energy is converted to friction, generated high heat, which can have harmful ef-fects on workpiece surface quality, and it also increases tool wear. Due to this high heat gen-eration, the coolant is a necessary part of the process to eliminate the thermal damages. In spite of many advantages of the use of coolant to prevent such adverse effects, ecological as well as economical problems are some disadvantages which have oriented the research works in the last decades to minimize the using of coolant or even to eliminate it. However, due to the complicated nature of grinding process, this goal has not been fully achieved yet. Structuring is presented in this work as a main concept of dry grinding. The concept of struc-turing is based on optimization of the chip formation which causes a considerable reduction of friction and rubbing in the process. Reduction of the dynamic cutting edges using structuring causes an increase of the chip thickness as well as micro-cutting and decreases the micro-ploughing and micro-rubbing processes during the grinding. Structuring of the grinding wheels can be done using different methods and geometry. The defined structured grinding wheels are achieved by the three main methods of dressing, laser conditioning and special electroplating. The structured wheels are compared with the conventional wheels by a series of systematic tests. The quality and integrity of ground surface as well as grinding forces, specific energy, temperature and tool wear are investigated. Physical models are developed for chip thickness, grinding forces, specific energy and workpiece temperature. A neural net-work model is also presented to estimate the workopiece roughness and burn. The test result shows that a higher material removal rate without thermal damages and more efficient process can be achieved by proper structuring. The developed models can also be used to design the structured tools as well as optimizing the process parameters.
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Entwicklung intelligenter, maschinennaher Dienste für die Mikrobearbeitung
(2006) Stolz, Marcus Friedrich; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Mikrosystemtechnik verfügt als eine Schlüsseltechnologie über ein großes Innovationspotential für die Zukunft. Um die angestrebten Wachstumsraten realisieren zu können, ist eine kostengünstige und sichere Fertigung der Mikrobauteile erforderlich. Dies gilt insbesondere für kleine Stückzahlen, bei denen vielfach Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, die ihren Ursprung in der klassischen Fertigungstechnik haben. Hierbei stehen der hohen Flexibilität in Bezug auf Werkstoff oder Geometrie hohe Anforderungen hinsichtlich der Fertigungssysteme und Prozessgestaltung gegenüber. Gerade letztere Anforderung übersteigt jedoch häufig das vorhandene Wissen des Anwenders. Elektronische Dienstleistungen mit technischer Intelligenz (intelligente Dienste) stellen hier einen Ansatz dar, den Nutzer bei der Schaffung und Verteilung von prozessnahem Wissen sowie bei der Automatisierung der Fertigungsprozesse zu unterstützen und so gerade in der Mikrobearbeitung Prozessfähigkeit und Produktivität zu erhöhen. Dazu wurde zunächst der aktuelle Stand elektronischer Dienstleistungen in der Produktion und aktuelle Ansätze des Service-Engineering analysiert, wobei sich gerade für den betrachteten Anwendungsbereich Defizite zeigten. Auf dieser Basis wurde schließlich ein systematisches Vorgehen für die Entwicklung von intelligenten Diensten erarbeitet, mit dem Nutzer- und Umgebungsanforderungen systematisch in konkrete Dienste umgesetzt werden können. Mit der Anwendung des so entwickelten Vorgehens auf das Mikrofräsen konnten drei Dienste realisiert werden: Automatisierte Ausrichtung von Werkzeug und Werkstück, Prozess-Monitoring und multimodale ereignisbasierte Benachrichtigung. Die Evaluation dieser Dienste anhand von Praxisbeispielen zeigte, dass das Verfahren für die Entwicklung von maschinennahen Diensten geeignet ist und dass durch den Einsatz von intelligenten maschinennahen Diensten die Prozessfähigkeit und Produktivität in der Mikrobearbeitung deutlich gesteigert werden kann.
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Fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung in der direkten Mensch-Roboter-Kooperation
(2005) Beumelburg, Katharina; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Ein neu entwickeltes Montagekonzept, bei dem Mensch und Roboter ohne trennende Schutzeinrichtungen zusammenarbeiten und das zu einer „angepassten Automatisierung“ führt, ist die direkte Mensch-Roboter-Kooperation. Sie ermöglicht eine flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter, durch die beide entsprechend ihrer spezifischen Fähigkeiten optimal „zusammenarbeitend“ eingesetzt werden können. Um ein solches System Herstellkosten senkend einzusetzen, wird ein an die Fähigkeiten und Prozesszeiten angepasster Montageablauf mit einer entsprechenden Arbeitsteilung benötigt. Die Entwicklung von fähigkeitsorientierten Montageabläufen für die direkte Mensch-Roboter-Kooperation stellt eine komplexe, von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängige Aufgabe dar. Innerhalb des Entwicklungsprozesses für solche Montageabläufe sind dabei insbesondere durch die gewünschte Fähigkeitsorientierung, die die Nutzung der Mensch-Roboter-Kooperationszelle erst sinnvoll möglich macht, und den enormen Kostendruck in der Montage eine Vielzahl von Zielkriterien und Randbedingungen zu beachten. Da bisher bei den Entwicklungswerkzeugen für Montageabläufe in hybriden Montagesystemen ein deutliches Defizit hinsichtlich der Fähigkeitsorientierung besteht und es keine Möglichkeit zur Berücksichtigung kooperativer Montageschritte bei der Montageablaufplanung gibt, wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines Verfahrens und die Implementierung eines Programmsystems formuliert, welches die diesbezüglichen Anforderungen erfüllt und dem Anwender die fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung für die Mensch-Roboter-Kooperationszelle ermöglicht.
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Filterzentrifuge zur gravimetrischen Analyse von Partikeln in Suspensionen
(2010) Rochowicz, Markus; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Speziell in der Automobilindustrie steigt der Bedarf für Sauberkeitsanalysen von Flüssigkeiten aus Produktionsprozess und Betrieb stark an. Die stetig höher belasteten Bau-teile reagieren funktionssensibel auf Partikelverschmutzungen, weshalb Sauberkeitsgrenz-werte spezifiziert und gemessen werden müssen. Etablierte Analyseverfahren, wie die in zahlreichen Standards genormte, gravimetrische Analyse, können diesen wachsenden Bedarf nicht mehr decken. Der manuelle Ablauf aus Vakuumfiltration der Analyseflüssigkeit, Ofentrocknung des Analysefilters und Wägung der Rückstände, kann mehre Stunden dauern. Damit ist der Aufbau kurzer Regelkreise zur Steuerung sauberkeitsrelevanter Produktions-parameter nicht möglich und das steigende Probenaufkommen nicht zu bewältigen. Ein schnelles Analyseverfahren, das konform zu den bestehenden Gravimetriestandards arbeitet ist derzeit nicht verfügbar und muss konzipiert, realisiert und verifiziert werden. Es stehen eine Vielzahl von direkten Verfahren zur Bewertung von Partikelverunreinigungen in Flüssigkeiten zur Verfügung, von den Streulicht basierten Einzelpartikelzählern bis hin zu integral messenden Trübungssensoren. Auch indirekte Verfahren, wie die Bestimmung der Verblockung von Analysesieben durch Differenzdruckmessung, sind im Einsatz. Die meisten dieser Verfahren erfüllen die Anforderung nach einer kurzen Analysezeit. Allerdings liefert keines dieser Verfahren Werte, die mit den etablierten Standards und der über die Jahre gewachsenen Datenbasis bei den betroffenen Unternehmen kompatibel sind und können folglich somit nicht als Entwicklungsgrundlage für ein neues Verfahren verwendet werden. Basierend auf dem Prinzip einer Filterzentrifuge mit integrierter Unwuchtsensorik wird ein Prüfstand zur schnellen gravimetrischen Analyse von Feststoffen in Flüssigkeiten konzipiert. Zur Erfüllung des Anforderungsprofils eines schnellen und normkompatiblen Analysegerätes werden unterschiedliche Varianten überprüft und ausgewählt. Der realisierte Prüfstand lässt die schnelle Abscheidung von Partikeln durch Zentrifugalfiltration, die vollständige Trocknung und die gleichzeitige Massenbestimmung der Filtrationsrückstände in einem Arbeitsschritt zu. Bei der Entwicklung einer arbeitstechnisch sicheren Methode zur Durchführung von Analysefiltrationen wird durch eine angepasste Messwertaufnahme und Datenverarbeitung sowie eine systematische Auslegung der Filtrationsparameter eine exakte und normkompatible Analyse gesichert sowie die Prüfprozesseignung nachgewiesen. Die entwickelte Filterzentrifuge und die Analysemethodik wurden hinsichtlich der Erfüllung des erarbeiteten Anforderungs¬profils mithilfe experimenteller Untersuchungen verifiziert. Die Verifikations¬experimente zeigen, dass die erarbeiteten Anforderungs¬kriterien durch das entwickelte Verfahren zur gravimetrischen Analyse von Partikeln in Suspensionen mittels Filterzentrifuge erfüllt werden. Im Ergebnis wird eine Zeitersparnis von bis zu 90% im Vergleich zu konventionellen gravimetrischen Analysen erreicht. Das entwickelte Verfahren eignet sich dabei nicht nur zur Messung von Verunreinigungen in Flüssigkeiten, sondern kann zur Bestimmung jeglicher Art von Feststoffen eingesetzt werden. Dies bildet eine gute Basis für die Etablierung der neuen Technik als universelles, industrielles Analyseverfahren.
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Grundlegende Ansätze zur Modellierung und Simulation von Beschichtungsprozessen am Beispiel von PVD-Kupfer
(2006) Gottwald, Bernhard; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die technische Oberfläche kann allgemein als die Grenzfläche eines Erzeugnisses zu seiner Umwelt definiert werden. Die Beschichtungstechnik ist daher von großer Bedeutung für die Erweiterung der Einsatzbereiche und des Leistungsvermögens eines Erzeugnisses. Langfristiges Ziel muss es sein, komplexe Schicht-Substrat-Systeme zukünftig schneller und optimierter an gewünschte Funktions- und Belastungsprofile in der Nutzung anpassen zu können. Dieses Engineering setzt einen ganzheitlichen Ansatz voraus bei dem die Auswahl der zugrunde liegenden Simulationsmethodik, der untersuchte Beschichtungsprozess und das eingesetzte Materialsystem sowie die ingenieurswissen¬schaftliche Praxisrelevanz eng aufeinander abzustimmen sind. Unter dieser Prämisse wurde mit dieser Arbeit die Grundlage für das Engineering von Beschichtungsprozessen auf Basis der Molekulardynamik-Methode (MD) geschaffen. Es ermöglicht die gezielte Konstruktion von Schicht-Substrat-Systemen. Das MD-Modell des Schichtwachstums setzt sich zusammen aus den Wechselwirkungs¬potentialen für das gewählte Schicht-Substrat-System Kupfer/Silizium(111), dynamischen Gleichungen für das isotherm-isobare Ensemble, mesoskopischen Observablen und lokalen Druck- und Temperaturrandbedingungen. Die Wechselwirkungspotentiale werden aus der Dichtefunktionaltheorie und der Tight-Binding-Methode abgeleitet. Die Einführung mesos¬kopischer Observabler ist notwendig, um die molekulare Dynamik durch ingenieurs¬relevante Parameter interpretieren und mit experimentell messbaren Prozessgrößen und Schichteigen¬schaften vergleichen zu können. Als wichtigste Observable für das Schichtwachstum werden die Eigenspannungen ermittelt. Sie bestimmen die mechanischen Schichteigenschaften wie die Haftfestigkeit, die Härte und den Verschleiß, aber auch deren elektronische Eigenschaften wie die Verlagerung von Bandlücken und die magnetische Anisotropie. Die Eingangsgrößen des MD-Modells sind, neben den Potentialen, der schichtbildende Teilchenfluss, der Prozessdruck und die Substrattemperatur. Diese wurden mit einem Massenspektrometer samt Energieanalysator (Plasmamonitor), einem Schwingquarz- und einem Druckmessgerät sowie einem Thermoelement erfasst. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Start der Kupferkeimbildung auf dem Siliziumsubstrat untersucht. Die bei Raumtemperatur (296,15 K) mit bis zu fünf Kupfer-Atomen pro Simulationsbox durchgeführten Simulationsversuche zeigen, dass es in dieser Frühphase der Beschichtung nicht zur Ausbildung von Kupferkeimen kommt. Vielmehr werden die abge¬schiedenen Kupfer-Atome direkt in die Siliziumoberfläche eingebaut. Dieser Effekt wird mit der entwickelten Simulationsmethodik überprüft. Dazu wird, zum Vergleich, künstlich in der Simulation ein Kupfer-Dimer, als Voraussetzung zur Keimbildung, an der Siliziumoberfläche angelagert, und dieser mit zwei einzelnen in enger Nachbarschaft im Silizium implantierten Kupfer-Atomen verglichen. Der Vergleich der Ergebnisse ergibt eine um 0,7 eV höhere Energie für das adsorbierte Kupfer-Dimer, also eine niedrigere thermodynamische Stabilität als beim eingebauten Kupfer. In der technischen Praxis hat dies in vielen Fällen den Einsatz von Barriereschichten auf Silizium zur Folge. Zur Evaluierung der Simulation werden die abgeschiedenen Kupferschichten hinsichtlich ihrer Eigenspannungen, Rauheiten und chemischen Zusammensetzungen analysiert. Die Ergebnisse der Eigenspannungssimulationen zeigen, dass die Deposition der ersten Kupfer-Atome in der Startphase der Beschichtung in der, vorher weitgehend spannungsfreien, Siliziumoberfläche Zugspannungen zwischen 350 und 640 MPa induziert. Im Gegensatz dazu werden experimentell für Schichtdicken bis zu 60 nm Schichteigenspannungen von 80-180 MPa röntgenografisch gemessen. Eine endgültige Klärung der beträchtlichen Eigen¬spannungsdifferenzen in den Grenzbereichen von Substrat und Schicht werden Simulationen auf längeren Zeitskalen ergeben. Die plausiblen quantitativen Ergebnisse des entwickelten molekulardynamischen Modells erlauben somit derzeit die Beschreibung des Beschichtens bis zur Ausbildung von Keimen auf der Nanometerskala. Ein Engineering auf Basis der MD kann daher für die Startphase der Beschichtung verfolgt werden.
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Integriertes Qualitätsinformations- und Recherchesystem für die dokumentierte Prüfung von Bauteilen
(2005) Recknagel, Matthias; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Mit Hilfe der Qualitätsdatenrecherche wird es möglich, die bei der Prüfung von Bauteilen erfassten und in einer Datenbank gespeicherten Messwerte zu einem späteren Zeitpunkt nach beliebigen Signalformen zu durchsuchen. Dadurch können beispielsweise Bauteile, die sich längst im Einsatz befinden, nachträglich auf Fehlermerkmale untersucht werden, die zum Zeitpunkt der ursprünglichen Prüfung noch nicht bekannt waren oder hinsichtlich ihres Risikos falsch eingeschätzt wurden. In Verbindung mit einer geeigneten Kennzeichnung der Teile und einer entsprechenden Dokumentation der weiteren Verwendung wird so an Stelle aufwändiger Rückrufaktionen ein gezielter Zugriff auf die betroffenen Bauteile möglich. Um die Qualitätsdatenrecherche flexibel und ohne spezielle mathematische Kenntnisse nutzen zu können, erfolgt die erneute Bewertung der gespeicherten Daten mit einer Suchfunktion, die mit Hilfe von beispielhaft zur Verfügung stehenden Signaldatensätzen an das zu erkennende Muster adaptiert wird. Die Ergebnisse der Suche werden visuell überprüft und können bei Bedarf für eine erneute Adaption des Systems zur verfeinerten Suche verwendet werden. Die praktische Anwendung der Qualitätsdatenrecherche wird am Beispiel der Ultraschallprüfung von Hüllrohren für Brennstäbe beschrieben. Die von der Prüfeinrichtung erfassten Signale enthalten Informationen über den Ort und die Art des im Werkstück vorliegenden Fehlers. Archiviert man die bei der ursprünglichen Prüfung erfassten Ultraschallsignale, so erlaubt die Qualitätsdatenrecherche, diese zu einem späteren Zeitpunkt nach neuen Fehlermerkmalen bzw. den sie repräsentierenden Signalformen zu durchsuchen. In Verbindung mit einer individuellen Kennzeichnung der geprüften Bauteile erlaubt die Qualitätsdatenrecherche so, auf bereits im Einsatz befindliche Bauteile gezielt zugreifen zu können, wenn diese infolge neuerer Erkenntnisse fehlerhaft sind oder ein erhöhtes Risiko darstellen.
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Konzeption und Einführung von Virtueller Realität als Komponente der Digitalen Fabrik in Industrieunternehmen
(2007) Runde, Christoph; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Obgleich zahlreiche Autoren seit den achtziger Jahren auf die großen Potenziale von Methoden und Technologien der Virtuellen Realität (VR) verweisen – gerade auch in Anwendungen der Digitalen Fabrik –, ist der umfassende Durchbruch im industriellen Einsatz ausgeblieben. Als Hemmnisse des VR-Einsatzes sind heute eine Anzahl an Gründen bekannt. Vorgehensmodelle zum Aufbau von VR-Systemen gehen heute leider nicht bis in die notwendige Detaillierung. Bei der Konzeption und Auswahl von VR-Systemkomponenten gibt es heute keine umfassenden Modelle, die einen vollständigen Vergleich von Systemkomponenten erlauben. Existente Eigenschaftslisten von VR-Interface-Geräten sind nicht Aufgaben-orientiert, so dass eine Nutzen-basierte Auswahl nicht möglich ist. Wohl existieren VR-Interface-Designrichtlinien und tragfähige Aussagen zum Nutzen von VR, jedoch stehen diese ohne einen systematischen Bezug zur Aufgabe und zur VR-Systemkonzeption. Zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen besteht eine lose Sammlung an Empfehlungen, jedoch ohne ein systematisch-vollständiges Dach. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, eine vollständige Erfassung der Eigenschaften von VR-Interface-Systemen mittels der Funktionenanalyse vorzunehmen. Der entstehende Funktionenbaum wird zu einem Zielsystem für eine Nutzwertanalyse weiterverarbeitet. Der Bezug von Aufgaben in der Digitalen Fabrik zu VR-Interface-Designrichtlinien wird über neu ermittelte Betrachtungsgegenstände der Aufgaben (Gestalt, menschliches Verhalten, Wissen, ...) und Handlungsklassen (bewerten, gestal-ten, Prozessunterstützung, ...) hergestellt. Die relevanten Gestaltungsrichtlinien für VR-Systeme geben dann das Zielprogramm und innerhalb des Zielsystems die Funktionsgewichtungen vor. Die Bewertung der Funktionserfüllungsgrade erfolgt mit Vergleich objektiv oder auf der Basis recherchierter Nutzennachweise der VR. Die Einführung von VR in Industrieunternehmen wird als Wandlungsprozess begriffen. Das Rahmenwerk des Change Managements wird daher mit den Erkenntnissen der Einführung von VR-Systemen, CAD-Systemen und EDM-/PDM-Systemen ausgefüllt. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und dem Ausweis der Möglichkeiten werden mit dem entwickelten Verfahren drei VR-Systeme (Anwendungen: Verbaubarkeitsuntersuchung, Arbeitsplatzvalidierung, Fabrikanordnungsplanung) konzipiert. Einführungsszenarien werden erläutert.
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Laserunterstützte Synthese von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) und Applikationen in Polycarbonaten
(2008) Hornbostel, Björn; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Realisierung eines Funktions- bzw. Strukturwerkstoffs aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) plus Polycarbonat vorangetrieben, und die sich einstellenden Eigenschaftsänderungen des Werkstoffsystems für makroskopischen Applikationen evaluiert. Zur Bereitstellung des Röhrenmaterials wurde eine Apparatur zur lasergestützten Synthese von hochqualitativen SWCNTs konzipiert, die zwei Lasersysteme von extrem unterschiedlichen Wellenlängen (Nd:YAG, CO2) im Parallelbetrieb für die Synthese nutzt. Mit dem Ziel maximaler Ausbeute und Reinheit wurden verschiedene Prozessführungen initiiert und wissenschaftlich bewertet. Eine wichtige Grundlage ist dabei eine neuartige Messmethodologie, die in der Lage ist, die Qualität von Nanoröhrenmaterial beziehungsweise den Herstellprozess selbst zu beurteilen. Die PC/SWCNT-Komposite wurden durch drei unterschiedliche Verfahren hergestellt: Schmelzextrusion, Coagulation und Lamination, wobei SWCNT-Material aus verschiedenen Syntheseprozessen (Lichtbogen, Laserablation, HiPco™) eingesetzt wurde. Zusätzlich wurde in einigen Kompositen eine dritte Phase in Form von Kohlenstofffasern (CF) eingearbeitet um spezielle Synergieeffekte beziehungsweise Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen. Eigenschaftsverbesserungen wurden auch mit Hilfe von chemischen Funktionalisierungen der SWCNTs erprobt. Alle Komposite wurden auf das elektrische, mechanische, thermische und elektromagnetische Verhalten hin systematisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SWCNTs in Polycarbonat, stellvertretend für amorphe Thermoplasten, bei erheblich geringeren Füllgraden als z.B. Leitruß zu einer elektrischen Perkolation führen. Messungen an PC/SWCNT-Kompositen konnten eine ausgeprägte abschirmende Wirkung elektromagnetischer Strahlung nachweisen, so dass für praktische Anwendungen neben den EGB- auch EMV-Richtlinien erfüllbar sind. Die thermische Leitfähigkeit des Werkstoffsystems konnte durch die Zugabe von SWCNTs erhöht werden. Es konnte belegt werden, dass eine mechanische Verstärkung durch SWCNTs in dem polymeren Matrixsystem trotz hohen intrinsischen E-Moduls und Zugfestigkeit sich nicht zwangsläufig einstellt. Für die Praxis sind dafür chemische Funktionalisierungen der Nanoröhren oder die Einbringung einer dritten Phase in den Werkstoffverbund notwendig.
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Methode zur Auslegung mikrofluidischer Bauteile für beadbasierte Analysesysteme in der medizinischen Diagnostik
(2005) Kuhn, Claus; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In der medizinischen Diagnostik werden zunehmend molekulare Methoden eingesetzt. Festphasenbasierte Analyseverfahren erlauben dabei die zunehmende Miniaturisierung der Verfahren und gewinnen immer mehr an Bedeutung. Beadbasierte Analyseverfahren sind aufgrund der höheren Sensitivität, schnelleren Bindungskinetik und höheren Flexibilität prädestiniert für die medizinische Diagnostik und existierende Ansätze der Point-of-Care Diagnostik. Die Handhabung der Beads erfolgt dabei in mikrofluidischen Bauteilen. Die Arbeit befasst sich mit der geometrischen Auslegung dieser mikrofluidischen Bauteile und mit der Entwicklung eines Simulationsmodells zur Validierung des Bauteildesigns. Die Funktion des mikrofluidischen Bauteils umfasst in der Einlaufzone die Schnittstelle zur manuellen Befüllung mit einer Beadsuspension, die parallele, ortsfeste Präsentation der Beads in der Analysekammer für die optische Detektion sowie die Abführung von Reagenzien bzw. des Trägerfluids in der Auslaufzone. In der Einlaufzone und Analysekammer liegen laminare, stationäre Zweiphasenströmungen vor. Aufgrund der komplexen strömungstechnischen Vorgänge erfolgt die Validierung der Funktionen heute hauptsächlich experimentell, was einen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Zur geometrischen Auslegung des mikrofluidischen Bauteils wird, basierend auf der Betrachtung von Partikelaggregationen, eine Beziehung zwischen den Seitenlängen der Analysekammer und dem Durchmesser der Beads abgeleitet. Die weitere Auslegung erfolgt auf Basis eines hydraulischen Widerstandmodells. Basierend auf diesen Betrachtungen wird ein mikrofluidischer Probenträger konzipiert und realisiert. Zur Evaluierung des Bauteildesigns wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches sowohl die Zweiphasenströmung als auch den sich dynamisch ändernden hydraulischen Widerstand in der Analysekammer abbildet. Dieses Simulationsmodell beruht auf der Kombination des Euler - Lagrange Verfahrens und der Strömung durch poröse Medien. Die erforderlichen Parameter werden experimentell bestimmt. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt durch Experimente mit dem mikrofluidischen Probenträger. Mittels dieser Experimente werden auch die Betrachtungen zur geometrischen Auslegung verifiziert.
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Modell einer wandlungsfähigen Organisation produzierender Unternehmen
(2006) Köbler, Jürgen; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Dynamik des globalen Strukturwandels erfordert eine hohe interne Wandlungsfähigkeit der Unternehmen. Es muss offensiv und permanent durch Produkt- und Prozessinnovationen eine dauerhafte Innovationsfähigkeit erreicht werden. Hierdurch ist ein neues Organisationsmodell erforderlich, welches die in der heutigen Komplexitätsfalle sitzenden Organisationsstrukturen, auflöst. Von den Einwirkungen in ein Unternehmen, bezogen auf Produkt- und Prozessinnovationen, resultieren vier Kernprozesse, die in einem Unternehmen installiert werden. Anschließend werden diese Prozesse in einzelne generische Phasenschritte unterteilt. Für die Einbettung der Kernprozesse wird der Produkt-Technologie-Raum (P-T-Raum) konfiguriert. Der P-T- Raum ist ein Modell das in Ebenen aufgeteilt, und nimmt in jeder Ebene einen Phasenschritt der Kernprozesse auf. Die Ebenenaufteilung ist als ein Prozess von der Analyse bis zur operativen Wertschöpfungsebene konzipiert. Aufgrund der Struktur des P-T-Raums ergibt sich ein Prozessmodell von der Einwirkung in das Unternehmen bis zur Umsetzung, also ein vom Kunden und wieder zum Kunden geführter Prozess. Mit diesem Grundmodell können die Innovationsprozesse systematisiert, strukturiert und modular aufgebaut werden. Eine aufgestellte Kombinationsmatrix zwischen Produkt und Prozess generiert die sinnvollen auftretenden Prozesse und verdichtet diese zu vier generischen Innovationsprozessen. Durch den Einsatz von Prozesseignern können die Prozesse überwacht, weiterentwickelt, verfeinert und systematisch angewendet werden. Der Inhalt und die Abläufe der Prozesse werden in Prozessbücher festgehalten und beschrieben. Für die Leistungsprozesse erfolgt eine Einbindung in eine neue Organisations- und Managementstruktur. Hierbei wird der Ansatz über die Herausbildung der auf Kompetenzzellen basierenden Netzwerkorganisation verwendet. So werden Kompetenzzellen und Kompetenzplattformen definiert und konfiguriert. Diese Plattformen besitzen eine hohe Eigenständigkeit und Selbstverantwortung. Die Generierung der Wertschöpfungsprozesse erfolgt über temporär gebildete mehrdimensionale Kompetenznetzwerke. Nach Beendigung der Innovationsprozesse lösen sich diese wieder auf. Das Modell der wandlungsfähigen Organisation adaptiert sich aus den Kompetenzplattformen, Prozess- und Führungsmodulen zu einer Netzwerkorganisation. Der netzwerkartige Aufbau der Organisation führt zu einer hohen Wandlungsfähigkeit. Von außen einwirkende Veränderungen werden durch eine hohe innere Wandlungsfähigkeit und generierten Hochleistungsprozessen begegnet. Das dargestellte Fallbeispiel zeigt die Anwendbarkeit des Modells für einen produzierenden Serienfertiger mit den heutigen typischen Problemkonstellationen.
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Ein Modell zur Bestimmung der monetären Einsparungspotenziale bei der Durchführung einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)
(2005) Haffner, Andreas; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Firmen stehen heute unter einem enormen Wettbewerbs- und Kostendruck. Obwohl Untersuchungen belegen, dass durch den Einsatz von Qualitätsmanagementmetho-den die Wettbewerbsfähigkeit enorm gesteigert werden kann, werden die Methoden zur Risikominimierung und Fehlerfindung nicht flächendeckend angewendet. Ursa-che hiefür ist, dass aufgezeigte Verbesserungspotenziale nicht monetär bewertet werden können. Vielmehr liegen die berechneten Einsparungspotenziale exorbitant neben den in den Büchern fixierten Kosten, wie Ausschuss- und Nacharbeitskosten. Mit dem Ziel, Kostenberechnungen zur Bestimmung von Einsparungspotenzialen in die FMEA zu integrieren, wurde in dem neuen Modell die klassische Fehlerbewer-tung der FMEA weiterentwickelt. Es wurden hierzu neue Kennzahlen definiert und in den Ablauf integriert. Grundlage für diese Weiterentwicklung ist zunächst eine veränderte Betrachtungs-weise der FMEA. Die bekannten Zusammenhänge zwischen Fehlerfolge, Fehler und Fehlerursache werden durchtrennt, indem die FMEA auf Basis von 4-Ebenen aufge-baut wird. Die Einführung von 4-Ebenen: • Merkmalsebene, • Knotenebene, • Wirkungsebene und • Ursachenebene dient dazu, die komplexen und mathematisch schwer beschreibbaren Zusammen-hänge einer FMEA-Fehlerbaumstruktur zu simplifizieren. Sie vereinfachen die Dar-stellung aus Prozesssicht (Merkmalsebene) und aus mathematischer Sicht (Grundur-sachenebene/Ursachenebene). Dennoch sind alle Kennzahlen einer klassischen FMEA gültig und anwendbar. Um die Kosten bestimmen zu können, erfolgt zunächst eine Unterteilung der Kosten in: • Primärkosten, • Sekundärkosten und • Tertiärkosten. Weiterhin ist Definition und die Einführung neuer Kennzahlen erforderlich, um in den späteren Schritten sowohl die entsprechenden Kosten, als auch die Einspa-rungspotenziale bestimmen zu können. Diese neuen Kennzahlen sind: • Die Anzahl der gefertigten Teile (nges), um bei der Angabe der Auftretens-wahrscheinlichkeit eines Fehlers die Anzahl der fehlerhaften Teile bestim-men zu können. • Den Anteil Ausschuss zu Nacharbeit (als ANA bezeichnet), dieser wird be-nötigt, da unterschiedliche Kosten für Nacharbeits- und Ausschussteile ent-stehen. Weiterhin können, im Gegensatz zu Ausschussteilen, nachgearbeitete Teile dem Wertschöpfungsprozess wieder zugeführt werden. Die Ausschuss- und Nacharbeitskosten werden direkt der Verursacherkategorie zugeordnet. • Korrekturkosten (QKorrektur), Einmalkosten zum Abstellen der Fehlerursache. • Die Herstellkosten zum Zeitpunkt x (K(Herstellung)x), um damit die Ausschuss-kosten zum Zeitpunkt x berechnen zu können. • Die Nacharbeitskosten zum Zeitpunkt x für das Merkmal K(Nacharbeit)x, um damit die Nacharbeitskosten berechnen zu können. Mit diesen Kennzahlen, der Einführung der 4 Ebenen und der Ausrichtung der FMEA am Wertschöpfungsprozess ist es möglich, die monetäre Bewertung der ein-zelnen Risiken sowie die Ausschuss- und Nacharbeitskosten zu bestimmen. Zusätz-lich ist eine wirtschaftliche Bewertung des Ist-Prozesses möglich.
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Modellbasiertes Verfahren zur Online-Leistungsbewertung von automatisierten Transportsystemen in der Halbleiterfertigung
(2006) Sturm, Roland; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
In Halbleiterfabriken ist derzeit eine Zunahme des automatisierten Lostransports zu Fertigungsgeräten und zwischen Fertigungsbereichen zu verzeichnen. Hierfür kommen reinraumtaugliche Deckenfördersysteme zum Einsatz, welche Fertigungslose über mehrstufige Transport-, Lager und Umhordeprozesse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Reinheitsklassen befördern. Beim automatisierten Transport werden hohe Anforderungen an ein stabiles Durchsatz- und Lieferzeitverhalten gestellt. Dies erfordert im turbulenten Umfeld der Halbleiterfertigung mit sich verkürzenden Technologielebenszyklen und stark schwankenden Auftragsvolumina pro Halbleiterprodukt eine kontinuierliche Anpassung der Transportsysteme an sich lokal verändernde Transportintensitäten. Vor diesem Hintergrund gewinnt eine adaptive und kontinuierliche Leistungsbewertung von Transportprozessen zunehmend an Bedeutung. Eine sofortige Engpassdetektion im Transportprozess ist somit zwingend erforderlich, was durch ein modellbasiertes Verfahren zur Online-Leistungsbewertung möglich wird. Die heutige Situation in Halbleiterfabriken zeigt, dass keine kontinuierliche Extraktion von Leistungsdaten der mehrstufigen Transportprozesse erfolgt. Ebenso ist eine Bewertung für verschiedene Gruppierungsebenen von Transportsystemkomponenten aufgrund fehlender Zeit- und Ortsdaten zu den Transportprozessen derzeit nicht realisierbar. In der Halbleiterfertigung ist daher eine durchgängige Online-Leistungsbewertung nicht bekannt. Ansätze zur Leistungsbewertung von Materialfluss , Logistik oder Transportprozessen aus anderen Bereichen durch direkte oder indirekte Leistungsmessung erfüllen auch nicht die Kernanforderungen hinsichtlich einer frei konfigurierbaren und adaptiven Online-Erfassung von Zeit- und Ortsdaten zur lückenlosen Verfolgung von mehrstufigen Transportprozessen. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung eines modellbasierten Verfahrens zur Online-Leistungsbewertung von automatisierten Transportsystemen in Halbleiterfabriken. Im Kern der vorliegenden Dissertation steht die Erarbeitung eines Datenextraktionsmodells, welches eine Verfolgung von mehrstufigen Transportprozessen ermöglichen soll. Dafür werden aus den Kommunikationsereignissen der Transport- und Materialflusssteuerung die relevanten Zeit- und Ortsdaten der Transportprozesse online extrahiert sowie in ein Datenhaltungsmodell überführt. Ebenso werden Konfigurationsparameter der Transportsysteme online erfasst und im Datenhaltungsmodell abgelegt. Die Leistungsbewertung erfolgt in einem weiteren Modell basierend auf den extrahierten Leistungsdaten durch die Berechnung von zu entwickelnden Leistungskennzahlen auf unterschiedlichen Verdichtungsstufen von Einzelkomponenten bis zum Gesamtsystem der Transportautomatisierung. Zum Nachweis der Anwendbarkeit wurde das entwickelte modellbasierte Verfahren in die Steuerungsarchitektur einer Halbleiterfertigung integriert. Die Untersuchung hat gezeigt, dass durch das modellbasierte Verfahren eine operative Online-Leistungsbewertung der mehrstufigen Transportprozesse ermöglicht wurde. Durch Kennzahlen des Liefer-, Transport- und Auslastungsverhaltens über mehrstufige Transportprozesse konnte eine effiziente und schnelle Engpassdetektion am Transportsystem erreicht werden.
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Ein Radfahrwerk mit passiver Federung für mobile Roboterassistenten
(2009) Staab, Harald J.; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Mobile Roboterassistenten sind mobile Roboter, die Menschen bei Alltags- und Arbeitsaufgaben unterstützen und entlasten, gefährliche Arbeiten übernehmen und mit Menschen interagieren können. Sie sollen sich in strukturierten Alltags- und Arbeitsumgebungen des Menschen bewegen können, mit mindestens einem Roboterarm ausgestattet sein und Nutzlasten von etwa 20 bis 80 kg tragen können. Bisher wurden Forschungsdemonstratoren entwickelt, die starre Radfahrwerke haben. Auch Radfahrwerke anderer mobiler Roboter sind fast ausnahmslos starr und benötigen ebenen harten Boden und mehr Platz zum Manövrieren als ein Mensch. Ziel dieser Arbeit ist es daher, zu untersuchen, ob sich Radfahrwerke für mobile Roboterassistenten nicht mit starren, sondern gefederten Radaufhängungen entwickeln lassen, mit denen es möglich ist, Bodenunebenheiten auszugleichen, Stöße und Vibrationen durch Unebenheiten im Fahrweg aufzunehmen und dabei Schleudern oder Kippen unter allen zu erwartenden Fahrsituationen zu verhindern. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen sind die Erkenntnisse zur Fahrdynamik von Straßen- und Schienenfahrzeugen sein, die sich aber nur beschränkt auf Radfahrwerke mobiler Roboterassistenten übertragen lassen. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Einsatzszenarien analysiert und ein Spektrum von Anforderungen an mögliche Realisierungsvarianten abgeleitet. Daraus werden Konzepte für Teil- und Gesamtsystem des Fahrwerks entwickelt und vergleichend bewertet. Für ein Konzept für Grundflächengeometrie und Radanordnung werden Fahrdynamikmodelle entwickelt, die in als extrem angenommenen Fahrsituationen simuliert werden. Aus diesen Ergebnissen und weiteren relevanten Gleichungen zu Fahrwerk und Antriebsstrang werden Auslegungsdiagramme und ein Vorgehensmodell entwickelt, das den Engineeringprozess von mobilen Roboterassistenten unterstützen kann. Schließlich werden die entwickelten Modelle und Auslegungsdiagramme durch Messungen an einer prototypischen Realisierung verifiziert und diskutiert.