07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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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 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 Methodik zur automatisierten Generierung einer best-practice-basierten Ablaufplanung manueller Montagesysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Kärcher, Susann; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In manuellen Montagesystemen ist die Variantenvielfalt oft hoch, die Stückzahlen sind gering und sie unterliegen häufigen Änderungen. Klassische Methoden der Montageplanung sind bei diesen Herausforderungen oft zu aufwändig. Dies führt dazu, dass Montagesysteme häufig eine unzureichende Planungstiefe und noch großes Optimierungspotential haben. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, die automatisiert eine Montageablaufplanung generiert. Sie überträgt den Grundgedanken des Benchmarkings - von anderen Best Practices zu lernen - auf die manuelle Montage. Auf Basis von Ist-Daten aus der Montage vergleicht die Methodik unterschiedliche Montageabläufe eines Produktes und generiert daraus den besten Montageablauf. Weiter werden unter Einbeziehung der Leistungsgrade und Arbeitsplatzfaktoren Vorgabezeiten generiert. Die Methodik ist an ein Benchmarking-Vorgehensmodell angelehnt und in vier Schritte gegliedert: die Planung, die Datenerhebung, die Datenanalyse und das Vornehmen von Verbesserungen. Die Vorteile der Methodik liegen in der automatisierten Montageablaufplanung in manuellen Montagesystemen. Sie erhöht so die Produktivität in manuellen Montagesystemen und reduziert den Planungsaufwand. Das generische Modell erlaubt eine Anwendung der Methodik in unterschiedlichen manuellen Montagesystemen.Item Open Access An exploratory analysis of the current status and potential of service-oriented and data-driven business models within the sheet metal working sector : insights from interview-based research in small and medium-sized enterprises(2024) Wirth, Jonas; Schneider, Mirko; Hanselmann, Leon; Fink, Kira; Nebauer, Stephan; Bauernhansl, ThomasResponding to changing value creation processes in the sheet metal working sector, where the complexity and interchangeability of products challenge traditional differentiation strategies, this exploratory analysis examines the integration of service-oriented and data-driven business models as new paths to ensure competitiveness, especially for small and medium-sized enterprises (SMEs). This study aims to capture the current state and challenges associated with the implementation of these business models in this sector. This research was conducted through semi-structured interviews with SMEs in the industry. The findings indicate that service-oriented and data-driven business models are not yet widely adopted and that manufacturing companies require support in their implementation. Fields of action were identified for the industry. These are “Creating awareness and understanding”, “Recognizing added value”, “Increasing company maturity”, and “Understanding the change process”. Cooperation between science and industry is essential in tackling these fields of action to ensure the successful integration of such business models in manufacturing companies. This paper identifies challenges in the fields of action that companies must address through a structured approach, promoting awareness, recognizing value, improving organizational maturity, and understanding the change process to successfully implement service-oriented and data-driven business models.Item Open Access Untersuchung adhäsiver Fügeverfahren zur Herstellung hartmetallbestückter Verbundkreissägeblätter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Stroka, Michael; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Einsatzfähigkeit der Klebtechnik für Verbundkreissägeblätter für die Bearbeitung von Holz(werk)- und Kunststoffen sowie Aluminium zu untersuchen. Durch den Einsatz des wärmearmen Klebens ergibt sich die Möglichkeit, neue Schneidstoffe oder bereits geschliffene und beschichtete Hartmetallzähne anzuwenden. Weiter wird das Stammblatt thermisch weniger beeinflusst, wodurch der Nacharbeitsaufwand reduziert werden kann. Anhand von experimentellen Sägeversuchen werden die mechanischen Anforderungen in Form der Schnittkräfte und damit die resultierende Beanspruchung in der Fügestelle ermittelt. Diese Randbedingungen werden bei der Auswahl möglicher Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen berücksichtigt. Durch zerstörende Prüfung geklebter Proben werden die Einflüsse der Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen auf die Festigkeit untersucht und geeignete Kombinationen abgeleitet. Die Entwicklung einer Automatisierungstechnik im Labormaßstab führt die Arbeit fort. Eine Betrachtung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials geklebter Ver-bundkreissägeblätter sowie die Erarbeitung eines Optimierungsansatzes zur Spannungsreduzierung in der Klebfuge mittels FE-Methoden schließen die Arbeit ab. Die Versuche haben gezeigt, dass mit Hilfe eines einkomponentigen Epoxidharzklebstoffs und Korund sowie lasergestrahlten Zähnen einsatzfähige Klebverbindungen realisiert werden können, welche sowohl dem Schleifen als auch einem Zerspanversuch standhalten. Durch die entwickelte Automationslösung kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Klebfestigkeit erzielt werden. Die FE-Analysen zeigen, dass die Beanspruchung in der Klebung durch angepasste Geometrien der Zahnsitze reduziert werden können. Der Vergleich der Herstellkosten des Fügeprozesses für ein Werkzeug zeigen, dass ein hohes Potenzial für einen wirtschaftlichen Einsatz besteht, wenn die gesamte Prozesskette umgestaltet wird. Dies wird erst durch den Wechsel der Fügetechnologie von Löten auf Kleben ermöglicht.Item Open Access Enzyme-assisted circular additive manufacturing as an enabling technology for a circular bioeconomy : a conceptual review(2024) Protte-Freitag, Kristin; Gotzig, Sophia; Rothe, Hannah; Schwarz, Oliver; Silber, Nadine; Miehe, RobertAdditive manufacturing (AM) is a decisive element in the sustainable transformation of technologies. And yet its inherent potential has not been fully utilized. In particular, the use of biological materials represents a comparatively new dimension that is still in the early stages of deployment. In order to be considered sustainable and contribute to the circular economy, various challenges need to be overcome. Here, the literature focusing on sustainable, circular approaches is reviewed. It appears that existing processes are not yet capable of being used as circular economy technologies as they are neither able to process residual and waste materials, nor are the produced products easily biodegradable. Enzymatic approaches, however, appear promising. Based on this, a novel concept called enzyme-assisted circular additive manufacturing was developed. Various process combinations using enzymes along the process chain, starting with the preparation of side streams, through the functionalization of biopolymers to the actual printing process and post-processing, are outlined. Future aspects are discussed, stressing the necessity for AM processes to minimize or avoid the use of chemicals such as solvents or binding agents, the need to save energy through lower process temperatures and thereby reduce CO2 consumption, and the necessity for complete biodegradability of the materials used.Item Open Access Strategische Planung von Produktionskompetenzen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Balzer, Viktor; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Der Wandel des Konsumverhaltens und disruptive Geschäftsmodelle im Sinne von Business-to-User führen zu einem Wettbewerb um den Kundennutzen. Die Produktion befindet sich in einem Wandel hin zu einer nutzenzentrierten Produktion in einem Wettbewerb, der heute zusätzlich aus mehreren kleineren und finanzstarken Wettbewerbern besteht, die vorhandene Ansätze der Produktion und Werterzeugung traditioneller Industrieunternehmen herausfordern. Unternehmen müssen daher in der Lage sein, ihre Innovationskraft noch spezifischer und agiler in Kundennutzen zu transformieren. Verschiedene Studien des Fraunhofer IPA, der McKinsey & Company, der Boston Consulting Group und der PwC verdeutlichen, dass trotz der hohen Dynamik und Wettbewerbssituation Ressourcen und Investitionen nicht mit der entsprechenden Agilität oder ohne strategischen Bezug allokiert werden. Demnach überleben zwei Drittel aller Unternehmen industrielle Disruptionen nicht. Die Studien verdeutlichen, dass das Management nicht weiß, wo und in welchen Größenordnungen Ressourcen nutzenstiftend allokiert werden sollen. Des Weiteren werden Entscheidungen durch kognitive und organisatorische Verzerrungen der Risikobewertung beeinträchtigt. Zur Lösung dieses Problems ist in dieser Arbeit eine Methodik zur strategischen Planung von Produktionskompetenzen entwickelt worden, die folgende konkrete Bedarfe adressiert: • Lokalisierung und Bewertung wettbewerbsrelevanter und nutzenstiftender Produktionsressourcen, • agile Produktionsressourcen- und Investitionsallokation im Kontext nutzenzentrierten Wettbewerbs, • objektivierte und dynamische Bewertung von Investitionsentscheidungen. Die Methodik besteht in Anlehnung an Patzaks Modelltheorie aus einem Erklärungs-, einem Prognose- und einem Entscheidungsmodell. Das Erklärungsmodell bildet ein generisches Fit-Modell ab. Durch das generische Fit-Modell können nutzenstiftende und wettbewerbsrelevante Ressourcen gebündelt in Form von Produktionskompetenzen unabhängig von konkreten Strategien generisch lokalisiert werden. Das generische Fit-Modell wird mit dem Prognose- und Entscheidungsmodell auf strategische Initiativen instanziiert. Die strategischen Initiativen werden durch ein Bündel aus Realoptionen modelliert. Im Ergebnis können so Veränderungen der Wettbewerbsposition einzelner Produktionskompetenzen in Form von strategischen Initiativen monetär bewertet, ex ante formiert und ex post für den Fall der emergenten Entstehung formalisiert werden. Aufgrund der hohen Praxisorientierung dieser Arbeit wird das Modell als Software in Form einer Software as a Service (SaaS) implementiert. Die Methodik wurde am Beispiel eines Unternehmens zur Herstellung personalisierter Kosmetikprodukte auf ihre Praxistauglichkeit hin untersucht. Unternehmen werden befähigt agil, auf Nutzen- und Wettbewerbsveränderungen zu reagieren und Ressourcen in Form von strategischen Initiativen nutzen- und wettbewerbsorientiert zu allokieren.Item Open Access Optimierung des Rührreibschweißprozesses zur Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit beim Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen am Beispiel von Polypropylen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schuster, Manuel; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Kunststoffe gehören zu den bedeutendsten Werkstoffen der letzten Jahrzehnte. Bedingt durch den stetigen Zuwachs erfahren auch die Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse eine permanente Weiterentwicklung. Aus diesem Grund sind die Anpassung und Neuentwicklung anforderungsspezifischer Fügeverfahren von großem Interesse. Das Rührreibschweißverfahren konnte sich beim Verschweißen metallischer Fügepartner im industriellen Umfeld bereits etablieren. Beim Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe ist der Entwicklungsstand trotz des hohen Potentials des Verfahrens noch der Grundlagenforschung zuzuordnen. Eindeutige Entwicklungstrends sind nicht erkennbar. Auch etablierte Prozesstechnik ist am Markt nicht verfügbar. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Forschungsarbeit auf eine vollständig eigenentwickelte Prozesstechnik zurückgegriffen, die auf dem Stand der Forschung und eigenen Voruntersuchungen beruht. Eingesetzt wird ein modulares Werkzeugkonzept mit stehender Werkzeugschulter, welches den schnellen Austausch der zu untersuchenden Werkzeugbestandteile ermöglicht. Die Schweißversuche werden an im Stumpfstoß geschweißtem Polypropylen-Plattenmaterial durchgeführt. Ziel der Untersuchung ist die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit durch die Reduktion des Rührzonenvolumens. Beide Optimierungsziele einzuhalten setzt voraus, dass sich die durch das Werkzeug eingeleitete thermische Energie nicht proportional zum Rührzonenvolumen verhält. Um dies zu untersuchen, werden verschiedene Schweißstiftgeometrien analysiert. Neben den experimentellen Schweißversuchen wird zudem eine modellbasierte Simulation zur Werkzeugauslegung angewandt.Item Open Access Toward bridging the gap to humans: a human-inspired scene perception model for multi-functional service robots(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Graf, Florenz; Huber, Marco (Prof. Dr.-Ing. habil.)The long-term vision in robotics is to empower multi-functional service robots with human-like capabilities, enabling them to handle multiple complex tasks in open-world settings. Perception provides the information basis for every cognitive function, making a holistic and long-term understanding of the environment essential. From this, research questions arise that investigate how the necessary scene information can be determined, fused, organized, and analyzed so that robots can perceive the environment holistically. This thesis aims to develop a human-inspired scene perception model to close the gap towards human-like skills. The methodology draws inspiration from neuroscience, leveraging fundamental concepts of perception and applying them to mobile robots. This process involves selecting relevant principles from robot and human perception domains, culminating in a holistic solution. The developed approach emulates the three-part division of perception pre-sented in popular neuroscience studies: recognition, which makes sensory data under-standable; knowledge representation, enabling the storage of perceived information in a structured manner; and interpretation, facilitating the meaningful utilization of the acquired scene knowledge. The approach employs 3D segmentation to separate the scene background from the foreground, mimicking humans’ preattentive and postattentive pro-cessing. While the background is initially reconstructed based on simple 3D shapes, the foreground is given concentrated processing of distinct regions, i. e., segmented instances. The approach integrates newly developed components with a popular 2D bounding-box-based object detector and a feature-based 3D SLAM to leverage the performance. Specifically, detected objects are merged with 3D foreground segments and input into a multi-object tracking pipeline, consolidating detections into spatially located instances. The entire scene knowledge, including instance detections, aggregated instances, and the spatial map, is represented in a knowledge base. Scene analysis techniques use this comprehensive knowledge to adapt the perception during runtime. Two key features have been implemented: a determination of object properties and spatio-temporal analysis to extract the spatial distribution of objects based on heatmaps. Experiments in two simulated and one real-world environment deploy a novel benchmark for repetitively executing fetch-and-carry tasks with a single-setting ablation study to pinpoint the perceptual performance of each component. The background-foreground split accelerates the recognition by 70 %. The multi-object-tracking pipeline obtains valuable object knowledge that significantly increases the success rates from 20 % up to 100 % and empowers scene analysis techniques to accelerate the scenario up to 61 % when objects of interest are in distinct areas. The experiments highlight that a human-inspired perception enhances the robot’s efficiency and safety, underlining the potential of the approach to empower multifunctional service robots with human-like capabilities.Item Open Access Decarbonization drivers and their impact on business models in the energy-intensive manufacturing industry (EIMI)(2024) Mais, Franziska; Bauernhansl, ThomasEIMIs face the challenge of adapting to the Paris Agreement and the European Green Deal to achieve carbon neutrality. Driven by consumer interest in low-carbon products, regulatory requirements, and investor priorities, companies are pressured to integrate sustainability beyond short-term financial gains. The growing awareness of the environmental impact of business models (BM) has fueled the development of Sustainable Business Models (SBMs). Although the importance of decarbonization of EIMIs has increased, there is a lack of industry-specific research examining the combination of decarbonization and business models, as well as their interrelationships and correlations. This study addresses the discussion on the role of SBMs in decarbonization, improving the understanding of how these drivers can be integrated to enable new BMs for EIMIs. Based on a structured literature review and semi-structured interviews within the EIMIs, the study identifies BM components influenced by these drivers requiring sustainable business model innovation (SBMI). Results show that decarbonization drivers significantly impact all BM components. Experts emphasize the importance of collaborative approaches and cooperation throughout the value chain. This research highlights the need for systematic analysis to understand how companies can manage decarbonization drivers effectively and suggests exploring potential SBM design options.
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