07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/8
Browse
61 results
Search Results
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 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.Item Open Access 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.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 Entwicklung einer Methode zur objektorientierten Spezifikation von Steuerungen(2005) Braatz, Arnulf; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. E. mult.)Der generelle Trend des steigenden Automatisierungsgrades in Produktionssystemen und die wachsende Dezentralisierung der dazu notwendigen Steuerungen haben zu einem starken Anwachsen von Software-basierten Steuerungsfunktionen in Produktionssystemen geführt. Aufgrund der Migration von Technologien aus der Informationstechnik in die Automatisierungstechnik lässt sich darüber hinaus eine weiter ansteigende Heterogenität bezüglich der Programmierung von Automatisierungsgeräten und Kommunikationssystemen beobachten. Um in diesem Umfeld komplexer werdender, Software-basierter Steuerungen kosteneffizient zu entwickeln, bedarf es einer entsprechenden Methode zur Spezifikation von Steuerungen. Ausgangspunkt hierfür sind die bewährten objektorientierten Methoden der Informationstechnik, die auf der Unified Modeling Language (UML) als Beschreibungsmittel basieren. In der Analyse der Spezifikationsmethoden und Beschreibungsmittel, die zurzeit in der Automatisierungstechnik und Softwaretechnik zur Anwendung kommen, wird gezeigt, dass diese nur in Teilen den Methoden-Axiomen, die als Anforderung verstanden werden, genügen. Weiterhin wird herausgestellt, dass sich die wichtigsten dort aufgeführten Beschreibungsmittel als Diagrammtypen in der UML wieder finden und somit eine objektorientierte Methode basierend auf der UML am besten geeignet ist, die gestellte Aufgabe zu erfüllen. Die im Stand der Wissenschaft vorgestellten Modelle aus der Automatisierungstechnik dienen im Kern zur Darstellung der System-Dekomposition von Steuerungen als mentale Modelle verstanden (Begriffsmodelle). Es wird gezeigt, dass diese Modelle mit ihren spezifischen Eigenschaften übertragen auf die UML diese als Beschreibungsmittel für Steuerungen notwendig ergänzen. Darüber hinaus wird dargestellt, dass durch die Nutzung der Erweiterungsmechanismen der UML für diese Abbildung die Anwendbarkeit, d.h. die Nutzung von Standard-CASE-Tools, erhalten bleibt. Konzeption und Entwicklung der so genannten ODEMA-Methode führen auf Basis des zu einem iterativ-inkrementellen Vorgehensmodell erweiterten Begriffs der Spezifikationsmethode und der um die entsprechenden Begriffsmodelle und Modellvorstellungen erweiterten UML zu einer objektorientierten Methode zur Spezifikation von Steuerungen. In diesem Kontext wird ein so genanntes UML-Profil für ein Plattform-unabhängiges Beschreibungsmittel entwickelt, das den Einsatz der Methode in einem Standard-CASE-Tool möglich macht. Des Weiteren werden in diesem Zusammenhang entsprechende Verfahren zur Prüfung der syntaktischen Konsistenz und semantischen Widerspruchsfreiheit eingeführt sowie deren Anwendung durch das Vorgehensmodell definiert. Die abschließend vorgenommene Anwendung und Validation der Methode anhand der Referenzfallstudie Produktionstechnik weist die Anwendbarkeit der entwickelten Methode nach.Item Open Access 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.Item Open Access Automatisiertes Modellieren großflächiger Sandgussformen(2005) Schaaf, Walter H.; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)In der Arbeit wird ein neues direktes, d.h. modelloses, Formverfahren für großflächige Sandgussformen beschrieben. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur direkten Herstellung von Sandgussformen, d.h. dem Fräsen vorverfestigter Formstoffblöcke und den generativen Verfahren, arbeitet das neue Verfahren durch dreidimensionales Modellieren des Gießereiformstoffes mit robotergeführten lokal wirkenden Modellier- und Verdichtungswerkzeugen. Es werden Szenarien zur Anwendung des neuen Verfahrens aufgezeigt und entsprechende Teil- und Gesamtsystemvarianten konzipiert. Die beiden wissenschaftlichen Entwicklungsschwerpunkte behandeln das Formstoffverhalten beim lokalen Modellieren und Verdichten sowie eine automatische 3D-Bahngenerierung. Die Untersuchung des Formverhaltens basiert auf neuen theoretischen Wirk- und Berechnungsmodellen, die mit einem bentonit-gebundenen Formstoffsystem und einem kalt-härtenden Furanharz-Formstoffsystem verifiziert werden. Die automatische 3D-Bahngenerierung berücksichtigt das Formstoffverhalten und liefert prozessoptimale Bahnen, die direkt in Ausführungsprogramme für Industrieroboter umgesetzt werden können. Mit Hilfe einer prototypischen Roboterzelle werden die theoretischen und experimentellen Ergebnisse an einer großflächigen Sandgussform erprobt und die Machbarkeit des automatisierten Modellierens nachgewiesen.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.