15 Fakultätsübergreifend / Sonstige Einrichtung
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Item 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.Item Open Access Prozessplanungsmodell für eine Effizienzsteigerung von Inbetriebnahmeprozessen im Maschinenbau(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Sebastian, Pöschl; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Der Maschinenbau ist maßgeblich am Erfolg der produzierenden Industrie beteiligt, daher ist ein effizienter Produktentstehungsprozess besonders wichtig Dabei weisen vor allem Inbetriebnahmeprozesse, die den größten Anteil an Fehlerentdeckungen im Gesamtprozess haben, ein großes Optimierungspotenzial auf. Der steigende Druck auf Unternehmen im Maschinenbau unterstreicht die Notwendigkeit, die Inbetriebnahme einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. Untersucht werden insbesondere Prüf- und Einstellprozesse, um die Justage zu verändern und nicht planbare Fehler zu finden. Während im Maschinenbau die Wahrscheinlichkeiten von Fehlern statistisch belegbar sind, muss in Neuentwicklungsprozessen und im Sondermaschinenbau auf Experten-erfahrungen zurückgegriffen werden. Der Forschungsansatz dieser Arbeit verdeutlicht das Potenzial der Prozessplanung unter der Berücksichtigung von Fehlerrisiken während der Inbetriebnahme. Damit wird in der Prozessplanung erstmals eine Risikoanalyse in die Berechnung der Durchlaufzeit integriert. Mithilfe eines Bayeschen Netzes kann die Struktur eines Prozessplans modelliert und mit Fehlerwahrscheinlichkeiten hinterlegt werden. Wegen der unsicheren Datenlage, insbesondere im Maschinenbau, sollte eine Robustheits-analyse in die Auswertung integriert und damit die Wahrscheinlichkeit der Auswahl des effizientesten Prozesses erhöht werden. Weiterhin werden für die Verbesserung der Datenqualität Akquisekonzepte für den Maschinenbau in den Planungsprozess eingeführt. Auf diese Weise ist es erstmals möglich, nicht nur die Durchlaufzeit eines Projektes zu betrachten, sondern gleichzeitig die wahrscheinlichste Durchlaufzeit und das resultierende Fehlerrisiko für den Kunden zu errechnen. In Fallbeispielen wird eine Prozessoptimierung beschrieben und die Durchlaufzeit um bis zu 40% reduziert. Der Ansatz dieses Prozessplanungsmodells für eine Effizienzsteigerung in Inbetriebnahmeprozessen im Maschinenbau leistet damit einen ent-scheidenden Beitrag, eine Forschungslücke in der Inbetriebnahme zu schließen. Zudem unterstützt er den Planungsprozess, indem er Risiken transparent darstellt.Item Open Access Scheduling & routing time-triggered traffic in time-sensitive networks(2018) Nayak, Naresh Ganesh; Rothermel, Kurt (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)The application of recent advances in computing, cognitive and networking technologies in manufacturing has triggered the so-called fourth industrial revolution, also referred to as Industry 4.0. Smart and flexible manufacturing systems are being conceived as a part of the Industry 4.0 initiative to meet the challenging requirements of the modern day manufacturers, e.g., production batch sizes of one. The information and communication technologies (ICT) infrastructure in such smart factories is expected to host heterogeneous applications ranging from the time-sensitive cyber-physical systems regulating physical processes in the manufacturing shopfloor to the soft real-time analytics applications predicting anomalies in the assembly line. Given the diverse demands of the applications, a single converged network providing different levels of communication guarantees to the applications based on their requirements is desired. Ethernet, on account of its ubiquity and its steadily growing performance along with shrinking costs, has emerged as a popular choice as a converged network. However, Ethernet networks, primarily designed for best-effort communication services, cannot provide strict guarantees like bounded end-to-end latency and jitter for real-time traffic without additional enhancements. Two major standardization bodies, viz., the IEEE Time-sensitive Networking (TSN) Task Group (TG) and the IETF Deterministic Networking (DetNets) Working Group are striving towards equipping Ethernet networks with mechanisms that would enable it to support different classes of real-time traffic. In this thesis, we focus on handling the time-triggered traffic (primarily periodic in nature) stemming from the hard real-time cyber-physical systems embedded in the manufacturing shopfloor over Ethernet networks. The basic approach for this is to schedule the transmissions of the time-triggered data streams appropriately through the network and ensure that the allocated schedules are adhered with. This approach leverages the possibility to precisely synchronize the clocks of the network participants, i.e., end systems and switches, using time synchronization protocols like the IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Based on the capabilities of the network participants, the responsibility of enforcing these schedules can be distributed. An important point to note is that the network utilization with respect to the time-triggered data streams depends on the computed schedules. Furthermore, the routing of the time-triggered data streams also influences the computed transmission schedules, and thus, affects the network utilization. The question however remains as to how to compute transmission schedules for time-triggered data streams along with their routes so that an optimal network utilization can be achieved. We explore, in this thesis, the scheduling and routing problems with respect to the time-triggered data streams in Ethernet networks. The recently published IEEE 802.1Qbv standard from the TSN-TG provides programmable gating mechanisms for the switches enabling them to schedule transmissions. Meanwhile, the extensions specified in the IEEE 802.1Qca standard or the primitives provided by OpenFlow, the popular southbound software-defined networking (SDN) protocol, can be used for gaining an explicit control over the routing of the data streams. Using these mechanisms, the responsibility of enforcing transmission schedules can be taken over by the end systems as well as the switches in the network. Alternatively, the scheduling can be enforced only by the end systems or only by the switches. Furthermore, routing alone can also be used to isolate time-triggered data streams, and thus, bound the latency and jitter experienced by the data streams in absence of synchronized clocks in the network. For each of the aforementioned cases, we formulate the scheduling and routing problem using Integer Linear Programming (ILP) for static as well as dynamic scenarios. The static scenario deals with the computation of schedules and routes for time-triggered data streams with a priori knowledge of their specifications. Here, we focus on computing schedules and routes that are optimal with respect to the network utilization. Given that the scheduling problems in the static setting have a high time-complexity, we also present efficient heuristics to approximate the optimal solution. With the dynamic scheduling problem, we address the modifications to the computed transmission schedules for adding further or removing already scheduled time-triggered data streams. Here, the focus lies on reducing the runtime of the scheduling and routing algorithms, and thus, have lower set-up times for adding new data streams into the network.Item Open Access Mehrskalige Simulation von synthetischem Filtermaterial im rotativen Verarbeitungsprozess(2023) Höss, Kai; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit erforscht simulativ das elastisch-plastische Verformungsverhalten von Polymerfaser-basierten Filtermedien im rotativen Verarbeitungsprozess. Die Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens des Fasernetzwerks unter Zug, Druck und Schub ist hierbei essenziell. Eine 3D-Materialprüfungsreihe charakterisiert das Materialverhalten des porösen und faserigen Materials und dient dazu, erstmals das elastisch-plastische Verformungsverhalten von Filtermedien in allen drei Raumrichtungen und unter den Hauptlastfällen Zug, Druck und Schub umfassend zu untersuchen. Nach der Materialcharakterisierung wird ein robustes Mikrostruktursimulationsmodell entwickelt, das die Vorhersage des elastisch-plastischen Verhaltens von polymerbasierten Filtermedien ermöglicht. Besonderes Augenmerk liegt auf der Mikrostrukturanalyse und der Auswahl repräsentativer Volumenelemente. Das Modell wird anhand von Materialprüfungsergebnissen validiert. Die Mikrostruktursimulation liefert Erkenntnisse über die effektiven mechanischen Eigenschaften, die in einer Prozesssimulation des rotativen Verarbeitungsprozesses auf der Kontinuumsebene genutzt werden.