07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Montagesysteme(2011) Kluge, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Turbulente, globale Märkte erfordern von Produktionsunternehmen zur Sicherung wirtschaft-licher Erfolge wandlungsfähige Produktionsstrukturen. Modulare Montagesysteme stellen hierzu eine Lösungsmöglichkeit dar. Spezifische Eigenschaften modularer Systeme werden in bisherigen Montageplanungssystematiken jedoch nicht ausreichend betrachtet. Eine verbesserte Planungsmethodik hat Aspekte wie die Betrachtung von zukünftigen Marktentwicklungen, die standardisierte Beschreibung von Ressourcen und Prozessen sowie die Verlagerung von Planungsaufgaben auf den Anlagenhersteller zu berücksichtigen. Auf dieser Grundlage wurde eine Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Mon-tagesysteme für Anlagenhersteller entwickelt. Dabei wurde in der ersten Teillösung zur Be-rücksichtigung zukünftiger Entwicklungen die Szenariotechnik an die Erfordernisse der Grobplanung der Montageplanung angepasst. Die zweite Teillösung ist eine generische Beschreibungsmethode, welche auf einem Fähigkeitsmodell basiert. Die generische Beschreibungsmethode dient im Wesentlichen der dritten Teillösung, der Alternativengenerierung. Die letzte, in einem Tabellenkalkulationsprogramm umgesetzte Teillösung in Form einer systematischen, szenariobasierten, mehrdimensionalen Bewertung nutzt durch ihre spezifische Struktur die im jeweiligen Planungsfall entwickelten Szenarien für Analyse, Bewertung und Auswahl der Lösungsmöglichkeiten. Neben der Struktur stellt vor allem die umfangreiche Kostenbetrachtung über den Lebenszyklus des sich durch verschiedene Ausbaustufen verändern den Montagesystems einen Schwerpunkt der Bewertungssystematik dar. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit wurde die neu entwickelte Metho-dik als rechnergestützter Prototyp realisiert. Die Anwendung erfolgte in der Lernfabrik aIE auf Basis des im TFB 59 entwickelten, virtuellen Unternehmens EMARTi AG.Item Open Access Internetbasiertes Technologie-Scouting für Recyclingtechnologien(2011) Dully, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Recyclingunternehmen stehen vor der Herausforderung, für die sich stetig wandelnden Produkttechnologien entsprechende Recyclingtechnologien zu finden. Den Recyclingunternehmen stehen bei der Suche nach neuen Technologien keine auf die Spezifika der Branche zugeschnittenen Werkzeuge zur Verfügung. Neue Technologien werden dadurch zu spät erkannt und gelangen mit erheblicher Verzögerung in die Unternehmen. Ein wesentlicher Vorteil würde sich durch eine spezifische Vorgehensweise sowie eine informationstechnische Unterstützung ergeben, die es erlaubt, zielgerichtet, schnell und branchenspezifisch relevante Technologien identifizieren zu können. Eine Methode zum systematischen und schnellen Auffinden von relevanten Technologien bietet das Technologie-Scouting. Bei der Untersuchung des Stands der Technik konnten hier jedoch erhebliche Defizite nachgewiesen werden. Insbesondere bleiben die Bedarfe der Recyclingindustrie und der Einsatz neuer Medien unberücksichtigt. Zum einen liegt für die Identifikation und Auswahl der Stoffströme mit hohem Verbesserungspotential durch neue Technologien kein geeignetes Verfahren vor. Zum anderen existiert keine automatisierte Lösung für das Technologie-Scouting, die den Nutzer bei der Suche praktikabel unterstützt. Der Lösungsansatz verfolgt konsequent die Prinzipien: die Strukturierung, die Vereinfachung, die Standardisierung und die Automatisierung. Die Prinzipien werden für die Entwicklung eines IT-Systems eingesetzt und für die anforderungsgerechte Entwicklung einer auf dem bestehenden Technologie Scouting-Prozess basierenden Vorgehensweise. Die genannten Defizite wurden hierbei durch drei neue Elemente eliminiert. Erstens wurde ein mathematisches Optimierungsmodell erstellt. Darin ist der Identifikationsprozess abgebildet, der unter den gegebenen Stoffströmen jene auswählt, die ein hohes Optimierungspotenzial durch neue Technologien besitzen. Das zweite Element besteht in der Informationsmodellierung, um eine systematische und automatische Suche nach neuen Recyclingtechnologien zu realisieren. Hierzu wurden Algorithmen des Information-Retrievals umgesetzt, die die Automatisierung der Suche ermöglichen. Als drittes Element erfolgt eine Kategorisierung bzw. Filterung der eruierten Technologien nach verschiedenen Relevanzaspekten. Hierdurch lässt sich der nachfolgende Bewertungsaufwand deutlich senken. Diese Elemente wurden anschließend in eine organisatorische Vorgehensweise zur Implementierung im Unternehmen überführt. Anwendbarkeit, Leistungsfähigkeit und Software-technische Realisierbarkeit wurden durch einen IT-gestützten Prototyp nachgewiesen. Mittels eines Testszenarios konnte das Verfahren anhand eines Recyclingunternehmens von Elektroaltgeräten evaluiert werden. Im Anwendungsbeispiel konnten für das Recycling von Bildschirmröhrenglas neue Einsatzgebiete identifiziert werden. Unter den Technologien wurde insbesondere der Einsatz als Strahlenschutz in der Medizin- und Energiebranche als besonders relevant bewertet. Bildschirmröhrenglas wird auf diese Weise einer neuen Verwendung zugeführt. Dies stellt ein erhebliches Potenzial für Recyclingbetriebe dar.Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.Item Open Access Influence of exoskeleton use on Cardiac Index(2022) Schalk, Marco; Schalk, Ines; Bauernhansl, Thomas; Siegert, Jörg; Schneider, UrsThis study aims to assess the whole-body physiological effects of wearing an exoskeleton during a one-hour standardized work task, utilizing the Cardiac Index (CI) as the target parameter. N = 42 young and healthy subjects with welding experience took part in the study. The standardized and abstracted one-hour workflow consists of simulated welding and grinding in constrained body positions and was completed twice by each subject, with and without an exoskeleton, in a randomized order. The CI was measured by Impedance Cardiography (ICG), an approved medical method. The difference between the averaged baseline measurement and the averaged last 10 min was computed for the conditions with and without an exoskeleton for each subject to result in ∆CIwithout exo and ∆CIwith exo. A significant difference between the conditions with and without an exoskeleton was found, with the reduction in CI when wearing an exoskeleton amounting to 10.51%. This result corresponds to that of previous studies that analyzed whole-body physiological load by means of spiroergometry. These results suggest a strong positive influence of exoskeletons on CI and, therefore, physiological load. At the same time, they also support the hypothesis that ICG is a suitable measurement instrument to assess these effects.Item Open Access Methodik für numerische Lackiersimulationen : Bedeutung der Modell- und Eingangsparameter bei der Hochrotationszerstäubung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Güttler, Nico; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Eisele, Michael; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Verschiedene Megatrends wie die Globalisierung oder der Wandel vom Anbieterzum Käufermarkt erzeugen bei Unternehmen extreme Wettbewerbssituationen. Im Bestreben nach maximaler Wirtschaftlichkeit und Effizienz rückt im Besonderen die Montage in den Mittelpunkt der Betrachtungen, da sie einen vergleichsweise hohen Wertschöpfungsanteil durch personal- bzw. investitionsintensive Prozesse aufweist. Das historisch bewährte und heute global etablierte Toyota-Produktionssystem bietet Lösungen zur Kostenreduzierung durch das Erkennen und Beseitigen von Verschwendung. Dessen Ansätze und Methoden sind auf die kontinuierliche Verbesserung real existierender Produktionen ausgerichtet. Für die vorserielle Planung sind kaum Ansätze zur Reduzierung von Verschwendung und zur Konzentration auf Wertschöpfung vorhanden, weder in den heute existierenden Montageplanungsmethoden noch in den am Markt befindlichen EDVTools. Dadurch werden die heute vorhandenen Kostensenkungspotenziale besonders bei den mit hoher Stückzahl betriebenen getakteten Fließmontagen nicht erschlossen. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen entwickelt. Es beinhaltet erstmalig Kennzahlen zur Quantifizierung und Algorithmen zur Kostenermittlung aller 7 Verschwendungsarten. Auf diese Weise ermöglicht es bereits während der Planung die Lokalisierung und Reduzierung von Verschwendung. Innerhalb der 8 hierfür entwickelten Planungsphasen wird sukzessive ein Modell erzeugt, das vollständig das Montagesystem beschreibt und modellbasiert dessen Montagestückkosten ausweist. Die Verwendung neu geschaffener Diagramme fördert beim Planer die Entscheidungstransparenz und das Auffinden situationsbedingter Maßnahmen zur Reduzierung von Verschwendung.Item Open Access Lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Bauer, Dennis; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Für produzierende Unternehmen steht heute der Kundennutzen und damit auch die Liefertermineinhaltung im Fokus der unternehmerischen Aktivitäten. Parallel steigt die Komplexität des Umfelds und der Märkte sowie innerhalb des Unternehmens. Deshalb ist bei der Leistungserstellung in Wertschöpfungsnetzwerken ein systematischer Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen im Fokus. Eine besondere Herausforderung ist dies für komplexe Werkstattfertigungen mit ihrer immanenten statischen und dynamischen Komplexität. Die vorliegende Arbeit adressiert die Forschungsfrage, wie eine lernende, auf Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk basierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung gestaltet werden kann. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung optimiert die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk durch Korrekturmaßnahmen auf der Ebene der Produktionssteuerung in komplexen Werkstattfertigungen. Hierfür ist ein lernfähiges Entscheidungsmodell notwendig, das eine kontinuierliche Anpassung über die Zeit ermöglicht. Bislang bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk übliche manuelle Eingriffe in die Produktionssteuerung werden dadurch vermieden und die Resilienz des Produktionssystems gesteigert. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind die Artefakte des Regelkreises, der Methode und der Architektur sowie der Implementierung als Softwareartefakt. Die Halbleiterfertigung ist die industriell wichtigste Anwendung der komplexen Werkstattfertigung. Hier zeigt sich, dass durch die lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk signifikant verbessert werden kann. Eine hohe Liefertermineinhaltung sorgt dabei für eine höhere Kundenzufriedenheit, der systematische Umgang mit Ereignissen sorgt für Resilienz. Beides ermöglicht perspektivisch einen Abbau von Sicherheitsbeständen im Wertschöpfungsnetzwerk.Item Open Access Konzeptuelles Referenzdatenmodell für das Compliance-Management des stoff- und produktbezogenen Umweltschutzes in Unternehmen der Elektrobranche(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Ralph; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der Elektrobranche sehen sich auf internationalen Märkten und in ihren Wert-schöpfungsketten einer steigenden Zahl von Anforderungen gegenüber, die die Zusammensetzung ihrer Produkte durch stoffliche Restriktionen beeinflussen. Diese Anforderungen stammen vorwiegend aus regulatorischen Vorgaben, die dem Umweltschutz im Rahmen der Um-welt- und Stoffpolitik zuzuordnen sind. Die regulatorischen Anforderungen werden zudem durch Kundenanforderungen aufgegriffen und teilweise über das regulatorische Maß hinaus ergänzt. Die stoff-/produktbezogenen Anforderungen müssen erfüllt werden, um den Markt- und Kundenzugang zu erhalten. Um dies bewerkstelligen zu können, müssen die jeweils adressierten Unternehmen über ein solides Datenmanagement verfügen, das es ermöglicht, Auskunft über die Art und den Status der Betroffenheit zu geben, zu erreichende Zielwerte und den zugehörigen Ist-Status auf Produktebene zu erfassen und Verantwortlichkeiten für die stoffliche Zusammensetzung der Produkte und deren Bestandteile auszuwerten. Hierzu existieren zwar punktuelle Lösungen, aber die gesamtheitliche Sicht auf die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Daten fehlt. Entsprechend dieser Problemstellung war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderliche Datenbasis zu identifizieren, die von Unternehmen der Elektrobranche idealtypisch benötigt wird, um den Anforderungen nachkommen zu können. Dies wurde erreicht, indem aus einem Satz fundiert ausgewählter Regulierungen, relevanter Standards und Werkzeuge sowie unter Berücksichtigung unternehmensinterner prozessualer Abläufe die einzelnen Informationsanforderungen systematisch abgeleitet und anschließend bis auf Datenebene operationalisiert wurden. Die notwendigen Daten wurden in einem konzeptuellen Referenzdatenmodell konsolidiert und in einem Entity-Relationship-Diagramm visualisiert. Das Referenzdatenmodell umfasst insgesamt 16 verschiedene Datenbereiche, die auf dem Grundgerüst eines unternehmensinternen Compliance -Prozesses beruhen und als Teilmodelle aufgefasst werden können. In den Datenbereichen wurden 79 Datenentitäten definiert, die in Summe 375 Attribute beinhalten. Die Erreichung der Zielsetzungen der Arbeit sowie der Nutzen des Referenzdatenmodells konnten schließlich in Expertenbefragungen und einzelnen Anwendungsbeispielen bewertet und bestätigt werden.Item Open Access Ein betriebsbegleitendes Fabriksimulationssystem zur durchgängigen Unterstützung der kontinuierlichen Fabrikadaption(2011) Kapp, Ralf; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Häufige und schnelle Veränderungen des Unternehmensumfelds erfordern eine kontinuierliche Anpassung von Produktionssystemen. Die betriebsbegleitende Fabriksimulation eröffnet eine Möglichkeit, Handlungsalternativen risikofrei auf ihre Wirkungen zu überprüfen. Bei kurzfristigen Problemstellungen sind dazu realitätsnahe Simulationsmodelle rasch und effizient auf Grundlage des aktuellen Fabrikzustands zu erstellen. Für die Planung von längerfristigeren umfassenderen Veränderungen müssen weitere Gestaltungswerkzeuge eng in den Planungsprozess integriert werden können. Die meisten derzeit betriebsbegleitend eingesetzten Simulationssysteme gestatten eine kurzfristige Vorhersage des Verhaltens von Produktionssystemen. Allerdings können wesentliche Fabrikadaptionsoptionen nicht abgebildet werden. Dagegen bewährten sich Gestaltungswerkzeuge der Digitalen Fabrik bei der Konzeption von längerfristigen Fabrikveränderungen. Die aktuell in diesem Rahmen verwendeten Datenmodelle zeigen sich allerdings für die realitätsnahe Fabriksimulation als zu grob. Angesichts dieser Defizite wurde ein bei der Fabrikgestaltung etabliertes Datenmodell um operativ vorkommende Abstraktionen erweitert, hierdurch lassen sich aktuelle und historische Produktionszustände realitätsnah abbilden. Darauf aufbauend unterstützt eine Szenarien-Kopplungsfunktion die effiziente datengetriebene Definition von Simulationsszenarien und gestattet später deren automatisierte Aktualisierung. Auf dieser Datenbasis erzeugt ein Generator ein funktionsfähiges Simulationsmodell. Das zugrunde liegende unternehmensspezifische Referenzmodell ermöglicht es einerseits, kurzfristige Handlungsoptionen rasch zu erstellen und ist andererseits selbst adaptionsfähig und erweiterbar, sodass größere Fabrikadaptionen modelliert werden können. Einen bedeutsamen Beitrag für die Realitätsnähe der Experimente leistet das neu entwickelte dynamische Initialisierungsverfahren. Durch eine dezentrale Funktionsweise integriert es sich durchgängig in den Referenzmodellansatz und stützt so die Adaptionsfähigkeit des Fabriksimulationssystems. Während der Simulation werden Rückmeldungen erzeugt und in der erweiterten Datenplattform, entsprechend den Rückmeldungen realer Abläufe, gespeichert. Analyse- und Engineeringwerkzeuge können so durchgängig reale oder simulierte Fabrikzustände weiterverwenden. Die Praxistauglichkeit wurde durch die prototypische Implementierung und die Durchführung von typischen Fallbeispielen (kurzfristige Lieferterminermittlung, mittelfristige Parametrierung des Dispositionssystems, Investitionsabsicherung und längefristige Produktionserweiterung) eines Herstellers von Armaturen gezeigt. Aufgrund der unternehmensneutralen Formulierung des Lösungsansatzes ist eine Übertragung auf andere Unternehmen möglich. Diese Arbeit weist so den Weg zu einer durchgängigen und kontinuierlichen Fabriksimulation als wichtigen Aspekt zur Erhöhung der Wandlungsfähigkeit produzierender Unternehmen.Item Open Access Modell für die Fabrik Life Cycle-orientierte Produktplanung und -entwicklung(2010) Dudic, Dalibor; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Die Verkürzung der Produktlebenszyklen und die steigende Nachfrage nach kundenindividualisierten Produkten stellen vor dem Hintergrund zunehmend turbulenter und konkurrierender Absatzmärkte neue Anforderungen an die Produktionssysteme der Zukunft. Für eine wirtschaftliche Nutzung bestehender Produktionssysteme ergibt sich die Herausforderung den externen Wandlungsdruck sowohl durch kontinuierliche Anpassungen des Produktspektrums als auch der vorhandenen produktiven Ressourcen auffangen zu müssen. Um hierbei gezielt Synergiepotentiale zwischen denen vom Markt geforderten Produkten und den heute bestehenden Produktionssystemen zu aktivieren, müssen die im realen Betrieb von Produktionssystemen erfassten Informationen als Input und Richtungsgeber frühzeitig in den Planungs- und Entwicklungsprozess neuer Produkte integriert werden. Bis heute fehlen Verfahren, die bei angemessenem Aufwand, die Bewertung des Einflusses der Produktentwicklung auf den Fabrik Life Cycle ermöglichen und die frühzeitige Optimierung der Effizienz von Montagesystemen unterstützen. Im Rahmen der Arbeit wird ein Modell entwickelt, mit dem die Auswirkungen zentraler markt- und produktinduzierter Wandlungstreiber auf den Life Cycle bestehender Montagesysteme in den frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses prognostiziert und Maßnahmen zur Erzielung bestmöglicher Synergien zwischen Produktstrukturen und den Strukturen beste-hender Montagesysteme abgeleitet werden können. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Modell ist aus den sechs Datenmodellen Markt, Produkt, Montagesystem, Szenario, Optimierung und Maßnahmen aufgebaut. Die simulationsgestützte Prognose systemrelevanter Wechselwirkungen wird im Mo-dell als Basis für die Identifikation bestmöglicher Synergien innerhalb des Gesamtsystems Markt-Produkt-Montagesystem herangezogen. Basierend auf der kundennutzenorientierten Abbildung alternativer Produktkonzepte und der Fabrik Life Cycle-orientierten Prognose des Realbetriebs von Montagesystemen wird durch das Modell eine Bewertung alternativer Szenarien des Gesamtsystems Markt-Produkt-Montagesystem hinsichtlich Kundennutzen und Marktanteilen sowie Anpassungs-, Betriebs- und Stückkosten in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses möglich.