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Item Open Access Concepts and methods for the design, configuration and selection of machine learning solutions in manufacturing(2021) Villanueva Zacarias, Alejandro Gabriel; Mitschang, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)The application of Machine Learning (ML) techniques and methods is common practice in manufacturing companies. They assign teams to the development of ML solutions to support individual use cases. This dissertation refers as ML solution to the set of software components and learning algorithms to deliver a predictive capability based on available use case data, their (hyper) paremeters and technical settings. Currently, development teams face four challenges that complicate the development of ML solutions. First, they lack a formal approach to specify ML solutions that can trace the impact of individual solution components on domain-specific requirements. Second, they lack an approach to document the configurations chosen to build an ML solution, therefore ensuring the reproducibility of the performance obtained. Third, they lack an approach to recommend and select ML solutions that is intuitive for non ML experts. Fourth, they lack a comprehensive sequence of steps that ensures both best practices and the consideration of technical and domain-specific aspects during the development process. Overall, the inability to address these challenges leads to longer development times and higher development costs, as well as less suitable ML solutions that are more difficult to understand and to reuse. This dissertation presents concepts to address these challenges. They are Axiomatic Design for Machine Learning (AD4ML), the ML solution profiling framework and AssistML. AD4ML is a concept for the structured and agile specification of ML solutions. AD4ML establishes clear relationships between domain-specific requirements and concrete software components. AD4ML specifications can thus be validated regarding domain expert requirements before implementation. The ML solution profiling framework employs metadata to document important characteristics of data, technical configurations, and parameter values of software components as well as multiple performance metrics. These metadata constitute the foundations for the reproducibility of ML solutions. AssistML recommends ML solutions for new use cases. AssistML searches among documented ML solutions those that better fulfill the performance preferences of the new use case. The selected solutions are then presented to decision-makers in an intuitive way. Each of these concepts was evaluated and implemented. Combined, these concepts offer development teams a technology-agnostic approach to build ML solutions. The use of these concepts brings multiple benefits, i. e., shorter development times, more efficient development projects, and betterinformed decisions about the development and selection of ML solutions.Item Open Access Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Waschneck, Bernd; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die Variabilität in der kundenindividuellen Massenproduktion stellt eine enorme Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Die komplexe Werkstattfertigung als Produktionsprinzip eignet sich aufgrund der inhärenten Flexibilität besonders für die kundenindividuelle Massenproduktion. Allerdings sind die bestehenden Methodiken für die Produktionssteuerung einer Werkstattfertigung für die Einmal- oder Wiederholproduktion ausgelegt, was zu Defiziten in der Massenproduktion führt. Entweder ist die globale Qualität der Ergebnisse suboptimal oder die notwendige Echtzeitfähigkeit in der Entscheidungsfindung kann nicht bereitgestellt werden. Zudem entsteht durch Veränderungen und Anpassungen der Produktionssteuerung einer komplexen Werkstattfertigung ein hoher manueller Aufwand. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik für eine dezentrale, selbstorganisierte und autonome Produktionssteuerung für eine Werkstattfertigung entwickelt, die dazu beiträgt, mit der zunehmenden Komplexität und dem Produktionsvolumen umzugehen. Dabei wird die Produktion als Reinforcement-Learning-Modell formalisiert, das die Grundlage für das autonome Lernen einer Strategie zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge bildet. Mehrere kooperative Deep-Q-Network-Agenten werden in diesem Modell darauf trainiert, eine Strategie zu finden, die eine gegebene Bewertungsfunktion - meist ein Key Performance Indicator aus der Produktion - maximiert. Die Neuronalen Netze, in denen die erlernte Entscheidungslogik der Deep-Q-Network-Agenten abgebildet ist, werden nach der Trainingsphase in die Produktion übertragen. Der Multi-Agenten-Ansatz trägt dazu bei, dass der Lernvorgang beschleunigt wird und im produktiven Einsatz durch die Dezentralität Entscheidungen schneller bestimmt werden können. Die Erprobung der Methodik in zwei praxisnahen Fallbeispielen aus der Halbleiterindustrie zeigt ihre Leistungsfähigkeit. In beiden Fallbeispielen konnten Strategien zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge auf oder über Expertenniveau autonom erlernt werden. Konkret konnte dadurch im zweiten Fallbeispiel der Anteil verspäteter Aufträge in einer Technologieklasse von 17, 0 % auf 1, 3 % reduziert werden. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Einordnung in das soziotechnische System „Fabrik“, in der die Umsetzung der Reihenfolgeentscheidungen durch die Werker betrachtet wird. Dabei wird offensichtlich, dass die Optimierung der Produktionssteuerung ganzheitlich unter Einbeziehung der Werker in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess erfolgen muss.Item 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.Item Open Access Development of a bioinspired multimodal mobile robot platform(2024) Kim, HyunGyu; Sitti, Metin (Prof. Dr.)Item Open Access Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit optischen Fasern(München : utzverlag, 2020) Röhrer, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)Festkörperlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität eröffnen durch ihre stetig steigende Ausgangsleistung kontinuierlich neue Anwendungsfelder in der Lasermaterialbearbeitung. In Hinblick auf den wachsenden Bedarf einer flexiblen Strahlführung von Festkörperlaserstrahlung gewinnen optische Glasfasern hierbei, bedingt durch ihre vergleichsweise niedrigen Kosten, hohe Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit, in industriellen Systemen immer mehr an Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene optische Glasfasern für Anwendungen im Dauerstrichbetrieb (CW), wie auch für ultrakurz gepulste (UKP) Strahlung, untersucht. Für Anwendungen von cw-Lasern bis in den kW-Bereich wurde der Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern untersucht. Hierfür wurde die gesamte Entwicklungskette von der Faserauslegung über die Faserproduktion bis hin zur Fasercharakterisierung durchgeführt. Im Bereich der Hohlkernfasern, wie sie typischerweise für die Übertragung von UKP-Strahlung verwendet werden, wurden Fasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens analysiert, da die Polarisation einen entscheidenden Parameter für eine Vielzahl der Prozesse in der Mikromaterialbearbeitung darstellt. Zum Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern wurde zu Beginn der Einfluss des Faserkerndurchmessers untersucht, um den minimal benötigten effektiven Brechzahlunterschied Δneff zwischen den Moden LP01 und LP11, der zur Unterdrückung von Modenmischung notwendig ist, zu finden. Hierbei wurde gezeigt, dass es möglich ist, in Fasern mit Kerndurchmessern von bis zu 80 µm bei einer numerischen Apertur (NA) von 0,111 über eine Faserlänge zwischen 5 und 10 m eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität (Beugungsmaßzahl M² ≈ 1,3) beizubehalten. Dies entspricht beim größten Faserkerndurchmesser von 80 µm einer effektiven Modenfläche von 2800 µm² bei einem Δneff von 0,5·10-4. Der Einfluss der Einkopplung wurde zuerst theoretisch mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht, bevor die Ergebnisse experimentell bestätigt wurden, indem die Strahlgröße des fokussierten Gaußstrahls auf der Faserfacette variiert wurde. Bei optimaler Einkopplung in die Faser, das heißt, der Überlapp zwischen einfallendem Strahl und LP01-Grundmode der Faser ist maximal, konnte nach der Faser die niedrigste Beugungsmaßzahl gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die Strahlqualität nach der Faser selbst für Biegeradien der Faser bis hinab zu 2 cm kaum degradiert und so für alle untersuchten Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 50 und 80 µm stets ein M² kleiner 1,5 gemessen werden konnte. Die Schwellleistung von stimulierter Raman-Streuung konnte experimentell für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 80 µm bei einer Länge von 10 m, welche lose auf dem Tisch platziert wurde (Biegeradius rbend ≥ 25 cm), zu mehr als 60 kW ermittelt werden. Um Limitierungen aufgrund thermisch induzierter Aberrationen zu umgehen, wie sie typischerweise bei transmissiven Optiken zur Freistrahleinkopplung auftreten, wurde zur weiteren Untersuchung des Grundmodestrahltransports in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern ein monolithischer Ansatz verwendet. Zur experimentellen Realisierung wurde ein cw-Grundmode-Faserlaser an die zu untersuchenden Transportfasern gespleißt, welche auf Basis der Coupled-Mode-Theorie hinsichtlich Faserdesign wie auch Faserproduktion optimiert wurden. Die hierfür notwendigen Taper wurden direkt während des Faserzugs in die Fasern implementiert und alle benötigten Spleißverbindungen wurden vorab entwickelt. Über eine Faserlänge von 100 m konnte auf diese Weise für Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 30 und 60 µm bei einer NA von 0,22 die Erhaltung nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M² ≈ 1,3) demonstriert werden. Mit steigender Faserlänge wurde eine graduelle Degradierung der Strahlqualität unabhängig vom Faserkerndurchmesser beobachtet. Für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm bei einer Länge von 380 m konnte trotzdem noch ein M² von 2,1 gezeigt werden. Die Hochleistungstauglichkeit des verwendeten monolithischen Ansatzes konnte demonstriert werden, indem ein Strahl mit einer Leistung von 1 kW über eine 100 m lange Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm übertragen werden konnte, bei einem M² des transmittierten Strahls von 1,3 und ohne dass stimulierte Raman-Streuung die Übertragung limitierte. Zur Übertragung von UKP-Strahlung wurden zwei verschiedene Typen von Hohlkernfasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens untersucht. Die verwendeten photonischen Kristallfasern nutzen „Inhibited-Coupling“ als Strahlführungsmechanismus, wobei die K-7C Faser ein Kagome-Gitter im Fasermantel besitzt, bei der sieben Fehlstellen den Faserkern mit hypozykloider Kernkontur bilden, und die T-8 Faser über einen tubularen Aufbau verfügt, bestehend aus acht Kapillaren im Fasermantel. Es konnte gezeigt werden, dass ein Unterschied der Propagationskonstanten beider orthogonal zueinander polarisierten LP01-Fasermoden δneff ≠ 0) über die Propagation zu einer Phasenverschiebung führt. Dies kann umgangen werden, wenn lediglich eine der beiden LP01-Moden der Faser angeregt wird, indem die Orientierung der linearen Polarisation der in die Faser eingekoppelten Strahlung entweder parallel oder orthogonal zur Biegeebene ausgerichtet ist. Wird hingegen eine Mischung beider Polarisationszustände angeregt, führt dies über die Propagation zu einer Degradierung des linearen Polarisationszustands. Für beide Fasern steigt mit abnehmendem Biegeradius die Differenz beider Propagationskonstanten δneff an, wodurch die Phasenverschiebung zunimmt. Dieses Verhalten wurde theoretisch anhand numerischer Simulationen beschrieben und konnte abschließend mittels experimenteller Ergebnisse bestätigt werden. Es hat sich hierbei gezeigt, dass die Phasenverschiebung in der K-7C Faser etwa einen Faktor 5 höher ist als in der T-8 Faser, was in guter Übereinstimmung mit den numerischen Simulationen steht.Item Open Access Metadata management in virtual product development to enable cross-organizational data analytics(2024) Ziegler, Julian; Mitschang, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Due to the advancing digitalization, companies are increasingly adopting computer-aided technologies. Especially in product development, computer-aided technologies enable a gradual shift from physical to virtual prototypes. This shift towards virtual product development includes design, simulation, testing, and optimization of products, and reduces costs and time needed for these tasks. Companies with strong activities in the field of virtual product development generate large amounts of heterogeneous data and wish to mine these data for knowledge. In this context, metadata is a key enabler for data discovery, data exploration, and data analyses but often neglected. The diversity in the structure and formats of virtual product development data makes it difficult for domain experts to analyze them. Domain experts struggle with this task because such engineering data are not sufficiently described with metadata. Moreover, data in companies are often isolated in data silos and difficult to explore by domain experts. This calls for an adequate data and metadata management that is able to cope with the significant data heterogeneity in virtual product development, and that empowers domain experts to discover and access data for further analyses. This thesis identifies previously unsolved challenges for a data and metadata management that is tailored to virtual product development and makes three contributions. First, a metadata model that provides a connected view on all data, metadata, and work activities of virtual product development projects. A prototypical implementation of this metadata model is already being applied to a real-world use case of an industry partner. Based on this foundation, the second contribution uses this metadata model to enable feature engineering with domain experts as part of data analyses projects. Going further, data analyses can directly use the metadata structure to provide added value without having to access the large amounts of product data. To this end, the third contribution utilizes the metadata structure itself to enable a novel approach to process discovery for product development projects. Thus, process structures in development projects can be analyzed with little effort, e.g., to identify good or inefficient processes in development projects.