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 Die Kornstruktur und der Heißrisswiderstand von Laserstrahlschweißnähten in Aluminiumlegierungen(München : utzverlag, 2020) Hagenlocher, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)Die Kornstruktur einer Schweißnaht beeinflusst ihren Widerstand gegen die Bildung von Nahtmittenheißrissen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der übergreifende Zusammenhang zwischen Schweißparameter, Kornstruktur und Heißrisswiderstand beim Laserstrahlschweißen durch analytische Gleichungen beschrieben und das resultierende Modell experimentell validiert.Item Open Access Mechanismen der Faltenbildung beim Bundanstauchen an hohlen Fließpressteilen(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Schiemann, Thorben; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Der wirtschaftliche Durchbruch des Kaltfließpressens von Stahl gelang in den 1930er Jahren nach erfolgreicher Umsetzung des sogenannten Singer Patents [PAT59], das ein Verfahren zur Phosphatierung der für die Kaltformgebung eingesetzten Halbzeuge aus Stahl beschreibt. Die wirtschaftliche Bedeutung des Fließpressens und des Stauchens nahm im Zuge der Industrialisierung und der Massenproduktion stetig zu. Der Automobilsektor gilt gemeinhin als der größte Abnehmer für durch Fließpressen und Stauchen hergestellte Bauteile. Weitere große Abnehmer sind der allgemeine Maschinenbau und die Bauindustrie. Durch Fließpressen hergestellte Bauteile zeichnen sich gegenüber durch andere Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile aus Stahl vor allem durch die überlegenen mechanischen Eigenschaften aufgrund der fertigungsbedingten Kaltverfestigung sowie des belastungsgerechten Faserverlaufs aus. Darüber hinaus sind sehr hohe Mengenleistungen sowie einbaufertige Form-, Maß- und Lagetoleranzen (zwischen IT6 - IT11 [VDI98]) erzielbar. Die Oberfläche fließgepresster Bauteile weißt eine geringe Rauigkeit auf. Angesichts der globalen Ressourcenknappheit nimmt ein weiterer Vorteil dieses Fertigungsverfahrens - die Ressourceneffizienz - einen immer höheren Stellenwert ein. Fortschritte bei den Fertigungsverfahren zur Herstellung der für die Formgebung benötigten Umformwerkzeuge, wie z.B. das Senkerodieren und das Drahtschneiden sowie Weiterentwicklungen der Werkzeug- und auch Werkstückwerkstoffe und der für die Umformung benötigten tribologischen Systeme, erlauben die Herstellung immer komplexerer Komponenten [Lan08]. Die komplexen Fertigungsprozessketten bei der Herstellung von Kaltfließpress- und Kaltstauchteilen beginnen im Walzwerk mit dem Design des für den Anwendungsfall benötigten Werkstoffes. Bei der Weiterverarbeitung vom Draht erfolgt meist eine Reduzierung des Ausgangsdurchmessers durch eine oder mehrere Ziehstufen, die Vereinzelung durch einen Scherprozess und die mehrstufige Umformung. Dem Umformprozess können Weiterverarbeitungsschritte wie das Walzen und das Spanen angeschlossen sein. Darüber hinaus sind Veredelungsprozesse wie das Verzinken und Wärmebehandlungsprozesse zur Erreichung der notwendigen Bauteilfestigkeiten möglich. Die Komplexität dieser Prozessketten in Verbindung mit dem globalen Kostendruck und bedarfssynchroner Produktionen erfordert die frühzeitige Erkennung und Vermeidung von Fehlern, möglichst bereits während der Entwicklungsphase. Ein Hilfsmittel zur frühzeitigen Fehlererkennung ist die Methode der finiten Elemente und die auf ihr basierenden Computerprogramme zur Umform- und Prozesssimulation. Erklärtes Ziel aktueller Entwicklungen im Bereich der Massivumformung (z.B. Forschungsverbund Massiver Leichtbau) ist die virtuelle Abbildung dieser Prozessketten, die nicht nur die Herstellung des Umformteils, sondern auch mögliche Wärmebehandlungsschritte sowie das Verhalten des Bauteils unter Einsatzbedingungen berücksichtigen. Voraussetzung für die frühzeitige Erkennung von Fertigungsfehlern ist eine ausreichende Kenntnis über deren Ursache, die Mechanismen zur Entstehung dieser Fehler sowie der daraus abgeleiteten Ansätze zur Vermeidung dieser Fehler. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an und enthält Untersuchungsergebnisse zu Entstehungsarten, Ursachen, numerischer Darstellung sowie Abstellmaßnahmen des Umformfehlers äquatoriale Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Fließpressteile. Die eingangs erwähnte Ressourceneffizienz durch Kaltmassivumformung hergestellter Leichtbauteile lässt sich durch Verwendung hohler Halbzeuge als Ausgangsmaterial weiter steigern. In Kapitel 1 und Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit werden daher neben den Grundlagen des Fließpressens und des Stauchens verschiedene Herstellungsmöglichkeiten rohrförmiger Halbzeuge und in Kapitel 2.4 deren umformtechnische Weiterverarbeitung zu hohlen Bundwellen mittels Stauchen, Quer-Fließpressen und zahlreicher Sonderverfahren zusammengefasst. Ferner erfolgt die Darstellung bekannter verfahrensspezifischer Grenzen mit dem Schwerpunkt der äquatorialen Faltenbildung in einer übersichtlichen Form, aus der sich die in Kapitel 3 beschriebene Motivation und Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ableitet. Defizite verschiedener nationaler und internationaler wissenschaftlicher Arbeiten zur Thematik der vorliegenden Arbeit sind vor allem die Missachtung des Einflusses der Umformhistorie der hohlen Halbzeuge auf die Faltenbildung sowie fehlende Untersuchungen zum Einfluss mehrstufiger Umformverfahren, Wärmebehandlungen sowie kinematischer, thermischer und tribologischer Einflüsse auf die äquatoriale Faltenbildung. Aus dem Stand der Technik leitet sich darüber hinaus Forschungsbedarf zur numerischen Darstellung der bekannten und bislang unbekannten Faltenbildungsmechanismen ab. Die Parametrisierung der numerischen Modelle, die Vorgehensweise zur Ermittlung der dafür benötigten Materialkennwerte und die eingesetzten Sampling- und Auswertemethoden für die stochastischen Parameterstudien werden in Kapitel 4 vorgestellt. In Kapitel 5 werden die eingesetzten Untersuchungsmethoden, die verwendete Anlagentechnik sowie die mehrstufigen, experimentell und numerisch untersuchten Prozessrouten und Verfahrenskombinationen für die Generierung der Untersuchungsergebnisse der vorliegenden Arbeit vorgestellt. In Kapitel 6 werden die drei gefundenen und zur äquatorialen Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten, innen geführten Bundanstauchen hohler Halbzeuge führenden Mechanismen erläutert und anhand numerischer sowie experimenteller Untersuchungen belegt. Metallographische Analysen unterstützten hierbei die wissenschaftliche Beweisführung. Es gibt, Stand heute, drei verschiedene zur Faltenbildung führende Mechanismen. Die Faltenbildung 1. Art, als Folge instabilen Ausknickens des hohlen Halbzeuges, wird signifikant von geometrischen Prozessgrößen wie der bezogenen freien Stauchhöhe und der Wanddicke des hohlen Halbzeuges beeinflusst. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen in Kapitel 7 zeigen darüber hinaus, dass das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges werkstoffunspezifisch ist und kinematische sowie thermische Einflussgrößen nicht signifikant sind. Über die im Stand der Technik dargestellten Einflussgrößen hinaus konnte gezeigt werden, dass die Umformhistorie bzw. die Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges das instabile Ausknicken signifikant beeinflusst und die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe in Richtung geringerer freier Stauchhöhen verschoben wird. Mittels geeigneter Wärmebehandlungen der umformtechnisch hergestellten hohlen Halbzeuge konnte die Verfahrensgrenze bezogene freie Stauchhöhe erweitert werden (Kapitel 7.5). In Kapitel 8 wird gezeigt, dass eine verfahrensspezifische, lokal sehr hohe, Verfestigung in Wechselwirkung mit der Oberflächenqualität des hohlen Halbzeuges sowie der lokalen Oberflächenverkleinerung zu einem hohen Fließwiderstand innerhalb des Werkstückes führt und der von oben nachfließende Werkstoff im Bauteil eingeschlossen wird. Überlegungen, dass diese Faltenbildung 2. Art aufgrund Überschreitung des werkstoffspezifischen ertragbaren Formänderungsvermögens ein Riss ist, wurde durch REM- und EDX-Analysen in Kapitel 6 widerlegt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen in Kapitel 8.2.3 und Kapitel 8.2.4 konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die lokale Verfestigung Hauptursache für die Faltenbildung 2. Art ist und durch eine geeignete Wärmebehandlung oder einen veränderten Stofffluss vermieden werden kann. Bei Vermeidung sowohl der Falte 1. Art als auch 2. Art kommt es aufgrund der verfahrensspezifischen kontinuierlichen Reduzierung der inneren Mantelfläche zu einer unvermeidbaren multiplen Faltenbildung 3. Art (Kapitel 6.3). Die numerischen Untersuchungen zur prädiktiven Vorhersage der Faltenbildung 2. Art in Kapitel 7.5 zeigen, dass mittels der in der verwendeten Simulationssoftware verfügbaren Schadenskriterien diese Art der Faltenbildung nicht darstellbar ist. Es wird daher in Kapitel 9 die Vorgehensweise und die Umsetzung zur Entwicklung eines empirischen Schädigungsmodells zur Vorhersage der Faltenbildung 2. Art beschrieben. Die Beschreibung der experimentell bestimmten Einflussgrößen auf die Faltenbildung 2. Art erfolgte mit mathematisch, empirischen Termen und in Kapitel 10 wird die Parametrisierung der Gleichungen mittels der vorliegenden experimentellen Datenbasis beschrieben. Die Validierung und Absicherung des empirischen Schädigungskriteriums sowie der Nachweis der Übertragbarkeit auf andere Verfahren erfolgt in den Kapiteln 10.2 und 10.3. Kapitel 11 enthält eine Zusammenfassung der durchgeführten Forschungsarbeiten. Die gewonnen Erkenntnisse über die Verfahrensgrenzen werden in werkstoffspezifischen Arbeitsdiagrammen übersichtlich dargestellt. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit machen deutlich, dass der Umformfehler Faltenbildung beim zweiseitig eingespannten und innen geführten Bundanstauchen differenziert und unter Beachtung der Fertigungsfolge, beginnend mit der Herstellung des hohlen Halbzeugs, betrachtet werden muss. Generell ist eine geringe Vorverfestigung des hohlen Halbzeuges vor dem Stauchprozess anzustreben. Darüber hinaus sollte eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit der inneren Mantelfläche angestrebt und das Instabilitätsverhalten des hohlen Halbzeuges während des Stauchens berücksichtigt werden. Kinematische und tribologische Einflussgrößen auf die Bildung einer Falte können im Rahmen z.B. industriell erreichbarer Prozessgeschwindigkeiten vernachlässigt werden. Mittels des entwickelten und in eine kommerzielle Software implementierten, empirischen Schädigungsmodells konnte erstmals die Faltenbildung 2. Art mit einer relativ hohen Genauigkeit prädiktiv vorhergesagt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten somit einen wichtigen Beitrag zur industriellen Prozessauslegung derartiger Umformprozesse.Item Open Access Bewertung von Flexibilitätsstrategien für die Endmontage in der Automobilindustrie(2008) Roscher, Jörg; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Zur wirtschaftlichen Reaktion auf neue Produkte und Nachfrageschwankungen hat die strategische Montageplanung das Ziel, optimale Flexibilitätsstrategien für die Produktion umzusetzen. Dabei stellt sich grundsätzlich die Frage, in welche Flexibilität an einem Standort investiert werden soll. Abhängig ist die Wahl vor allem von den zu fertigenden Produkten. Lassen sich verschiedene Produkte effizient auf einer Linie fertigen, so können produktflexible Anlagen dauerhaft gut ausgelastet werden. Unterscheiden sich die Produkte zu stark, so ist die Produktion auf spezifischen Ein-Produkt-Linien, so genannten Solitärlinien, zweckmäßig. Das Abfangen von Nachfrageschwankungen kann dann über eine Volumenflexibilität erfolgen. Die Wahl der Flexibilitätsstrategie ist jedoch nicht nur abhängig vom zukünftigen Produktportfolio. Einfluss hat zusätzlich die standortspezifische Kostenstruktur und Personalflexibilität. In die Kostenbewertung von Flexibilitätsstrategien gehen auf der einen Seite die Investitionen für die Systemflexibilität ein. Auf der anderen Seite muss der im Produktionsbetrieb auftretende Flexibilitätsnutzen bewertet werden. Während die Investitionen in der Regel einfach abzuleiten sind, gestaltet sich die Vorhersage des Flexibilitätsnutzens schwieriger. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die implementierte Flexibilität als ein Potenzial anzusehen ist, das die Reaktionsfähigkeit im Produktionsbetrieb steigert. Sie wird nur genutzt, wenn ein Flexibilitätsbedarf besteht. Welche Flexibilität mit welcher Ausprägung verwendet wird und welche Kosten dabei entstehen, hängt von einer Vielzahl technischer und arbeitsorganisatorischer Randbedingungen ab. Um dennoch eine Vorhersage der zeitdynamischen Flexibilitätsnutzung und ihrer Kosten zu ermöglichen, sind neue Planungshilfsmittel erforderlich. Dafür bietet sich das Konzept der hierarchischen Planung an: Nachdem funktionale Zusammenhänge zwischen den Reaktionsmöglichkeiten im Montagebetrieb und den daraus resultierenden Montagebetriebskosten existieren, kann die Antizipation des Montagebetriebs auf Basis einer mathematischen Optimierung durchgeführt werden. Sie erlaubt eine Vorhersage des zukünftigen Entscheidungsverhaltens bei der Flexibilitätsnutzung. Voraussetzung ist eine ausreichend detaillierte Betriebskostenstruktur und die Berücksichtigung betrieblicher Lerneffekte. Zu diesem Zweck werden im Rahmen der Arbeit drei Kernelemente konzipiert und umgesetzt: Das Montage-, das Lernkurven- und das Optimierungsmodell. Das Montagemodell ermöglicht bei spezifischen produkt- und standortspezifischen Eingangsgrößen und für ein gegebenes Entscheidungsverhalten im Produktionsbetrieb die Ableitung der Betriebskosten. Das Modell basiert auf analytischen Zusammenhängen und integriert neben einer Kapazitätsrechnung eine Arbeitskräftebedarfs- und Kostenrechnung. Das Lernkurvenmodell beschreibt zukünftige betriebliche Lerneffekte nach Anläufen und Anpassungsmaßnahmen. Das Modell basiert auf mengentheoretischen Überlegungen, die Lernkurveneffekte über der kumulierten Anzahl durchgeführter ähnlicher Arbeitsvorgänge aufzeigen. Dabei wirkt das Lernkurvenmodell nicht nur auf Einzellinien, sonder anteilig auch linienübergreifend. Das Optimierungsmodell schließlich basiert auf der dynamischen Programmierung und prognostiziert das Entscheidungsverhalten bei der Flexibilitätsnutzung im Produktionsbetrieb. Als Entscheidungsvariablen werden die Instrumente der operativen Montageplanung integriert betrachtet. Dies umfasst sowohl die technische Flexibilität des Systems als auch die Personalflexibilität des Standorts. Beispielsweise werden Taktzeiten, Einstellungen befristeter und unbefristeter Arbeitskräfte, Schichtmodelle und das Produktionsprogramm über der Zeit optimiert. Das kostenoptimale Ergebnis zeigt auf, zu welchen Personal- und Anpassungskosten das Produktionsprogramm bei gegebener implementierter Flexibilität zukünftig produziert werden kann. Die entwickelten Methoden wurden im Rahmen der Dissertation in einem Planungswerkzeug umgesetzt. Der Lifecycle Adaptation Planner (LAP) führt zu einer höheren Transparenz der Auswirkungen von strategischen Investitionsmaßnahmen auf die Montagebetriebskosten und erlaubt damit eine Optimierung der Flexibilitätsstrategie. Im Anwendungsfall der Arbeit weist der LAP das Potenzial produktflexibler Montagelinien für innovative Kompaktklassefahrzeuge aus. Mit dieser Arbeit ist ein weiterer Schritt zur Planung flexibler Montagesysteme gemacht worden. Jedoch müssen weitere Schritte folgen. Dabei kann die Nutzung mathematischer Verfahren dazu beitragen, dass die Automobilindustrie ihre Auslastung, Lieferfähigkeit und Effizienz weiter steigert.Item Open Access Reglersynthese für aufgabenraumgesteuerte Industrieroboter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Halt, Lorenz; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Motivation der vorliegenden Dissertation ist es, ein performantes sowie roboter- und kinematikneutrales Steuerungsrahmenwerk für roboterbasierte Montage zu schaffen. Dieses Rahmenwerk soll einfach zu programmieren sein und die Möglichkeit aufweisen, Programme zwischen Robotern zu übertragen. Hierfür wurde eine skillbasierte Programmierung mit dem iTaSC Formalismus kombiniert. Darauf aufbauend wurden als Hauptteil dieser Arbeit Reglerstrukturen entwickelt, die sich ohne Zutun des Programmierers eigenständig parametrisieren und sich somit automatisch an den eingesetzten Roboteraufbau anpassen. Für kontaktfreie Bewegungen des Roboters wurde ein modellbasierter Regelungsansatz ausgewählt. Zunächst wird ein lineares Modell angenähert und zur automatischen Synthese einer dynamischen Ausgangsrückführung eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht nahezu zeitoptimales Verhalten unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen. Für die Kontakt- und Kraftregelung wurde ein modellfreier Ansatz verfolgt. Hierbei wird die Reglerverstärkung basierend auf den aktuellen Regelungsfehler so adaptiert, dass sich ein Regelfehlerverlauf innerhalb vorgegebener Performanzgrenzen ergibt. Die Regelungsansätze wurden einzeln in Simulationen verifiziert, in das iTaSC basierte Rahmenwerk eingefügt und jeweils mit verschiedenen Szenarien und Robotern experimentell erprobt. Es ergeben sich sowohl neue Einblicke in die Verhalten der einzelnen Technologien, als auch in das Zusammenspiel der Komponenten des dargestellten Steuerungsrahmenwerks. Beide Regelungsansätze ermöglichen hohe Regelgüte und große Übertragbarkeit für komplexe Roboterbewegungen bei Montageaufgaben. Die Ansätze benötigen keine manuellen Anpassungen und ermöglichen so die Programmierung durch Prozessexperten ohne tiefere Kenntnisse der Regelungstechnik.Item Open Access Simulationsgestützte Analysemethodik zur Untersuchung von thermomechanischen Bauteildeformationen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2016) Albiez, Christoph; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. MBA)Neue Karosserieleichtbaukonzepte stellen nicht nur neue Herausforderungen an die beanspruchungsgerechte Materialauswahl und die Auslegung der Fügetechnologien, sondern auch an den Fertigungsprozess selbst und dessen Absicherung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb die Produktveränderungen von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess (Δα-Problematik) untersucht. Da anmutungsrelevante Oberflächenveränderungen von Außenhautbeplankungen zu zeit- und somit kostenintensiven Änderungsschleifen in der Anlaufphase eines neuen Automobils führen können, sind virtuelle Methoden zur Erkennung und Bewertung möglicher Fehlerquellen von besonderem Interesse. Im Stand der Technik wurden die phänomenologischen Einflussgrößen des thermomechanischen Verformungsverhaltens von Fahrzeugkarosserien im Lacktrocknungsprozess umfangreich beschrieben und aktuelle Konzepte der virtuellen und physischen Absicherung vorgestellt. Die aufgeführten Arbeiten zeigten zwar die mögliche Kopplung der einzelnen Prozesssimulationen im Fertigungsprozess mit der KTL-Trocknung durch Anwendung von Mapping-Algorithmen auf, der eigentliche Nachweis zur Notwendigkeit der Berücksichtigung vorgelagerte Fertigungsprozesse zur Vorhersage von bleibenden Formabweichungen nach der Lacktrocknung blieb ungeklärt. Ferner lagen keine ausreichenden experimentellen Untersuchungen an unterschiedlichen Baugruppen zur Bewertung des Einflusses von vorhandenen Formabweichungen vorgelagerter Fertigungsschritte und Wechselwirkungen aufgrund von Eigenspannungen auf das Deformationsverhalten von Baugruppen im KTL-Trocknungsprozess vor. Desweiteren existierten keine Handlungsempfehlungen oder Analysemethoden, die zwischen den jeweiligen Produktentstehungsphasen sowie den vorhandenen Produkt- und Prozessinformationen unterschieden. Die Vorgehensweise dieser Arbeit zur Entwicklung einer durchgängigen simulationsgestützten Analysemethodik zur Untersuchung des thermomechanischen Bauteilverhaltens in Lacktrocknungsprozessen basierte auf Baugruppen mit unterschiedlichen Komplexitätsstufen aufgrund der unterschiedlichen Fragenstellungen hinsichtlich der Prognosegüte der thermomechanischen Berechnungsmethode, der Wechselwirkungen mit vorgelagerter Fertigungsschritten und die Anwendbarkeit der Analysemethode auf ganze Fahrzeugkarosserien. Ausgangspunkt der prinzipiellen Untersuchungen bildete die „spannungsfreie“ Baugruppe „Hutprofil“. Hierbei wurden grundlegende Voruntersuchungen zur Qualifizierung der Messmethoden im Hinblick auf die experimentellen Untersuchungen vorgenommen. Neben der Temperaturmessung stand die Ermittlung des in-situ Deformationsverhaltens unter realen Versuchsbedingungen im Fokus der Untersuchungen. Als Handlungsfeld wurde hier die entkoppelte Ermittlung thermischer und mechanischer Bauteildehnungen identifiziert und in diesem Zuge ein kompaktes Messsystem auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) und PT1000 Temperatursensoren entwickelt, das die Aufzeichnung von thermomechanischen Bauteildehnungen und Temperaturen an ausgewählten Bereichen während des Ofendurchlaufs ermöglicht. Da die Validierung von numerischen Berechnungsergebnissen anhand experimenteller Untersuchungen, eindeutiger und reproduzierbarer Vorschriften bedarf, wurden unterschiedliche konsistente Auswertungsmethoden in Abhängigkeit der eingesetzten aktiven und passiven 3D-Messverfahren erarbeitet. Ergänzend wurden hierzu erweiterte Oberflächenevaluierungsverfahren und formbeschreibende Metriken eingeführt. Als notwendige Eingangsgröße der numerischen Parameterstudien wurden die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Aluminium- und Stahlwerkstoffe charakterisiert. Die Ermittlung der temperaturabhängigen Materialkennwerte erfolgte hierbei in Anlehnung des KTL-spezifischen Temperaturprofils. Neben der Ermittlung der temperaturabhängigen Fließkurven mit sinkender Streckgrenze bei steigender Temperatur in der Aufheizphase wurde der Einfluss der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen auf die Fließkurvenänderungen während der Haltezeit aufgezeigt. Die anschließenden numerischen und experimentellen Untersuchungen an der Baugruppe „Hutprofil“ führten zu dem eindeutigen Nachweis, dass die in dieser Arbeit verwendete Berechnungsmethodik zur Vorhersage der thermomechanischen Bauteildeformationen im Lacktrocknungsprozess geeignet ist. Dabei identifizierten die durchgeführten numerischen Parameterstudien einen signifikanten Einfluss der numerischen Ersatzmodelle der Fügeverbindungen auf das Deformationsverhaltens der Baugruppe. Dementsprechend wurden in den experimentellen Versuchen Baugruppen unterschiedlicher Verbindungssteifigkeiten und -nachgiebigkeiten realisiert, die den signifikanten Einfluss der Verbindungstechnik eindeutig bestätigten. Die Validierung der Berechnungsergebnisse zeigte somit hohe Übereinstimmungen der steifen Schraubenverbindung und eine hinreichend genaue Abbildung des Deformationsverhaltens der genieteten Baugruppen aufgrund der Nachgiebigkeiten und der Verkippung der Nieten bei maximaler Belastung. Die Validierung der Berechnungsergebnisse identifizierte somit weitere Handlungsfelder hinsichtlich der Charakterisierung und Kalibrierung der temperaturabhängigen Verbindungseigenschaften (Steifigkeiten) neuer Fügeverbindungen und Ableitung geeigneter Ersatzmodelle für den Einsatz in umfangreichen Gesamtkarosseriemodellen. Ferner zeigten die experimentellen Bauteilversuche die Notwendigkeit zu weiterführenden Untersuchungen des viskoelastischen Materialverhaltens von Aluminiumblechlegierungen im KTL-Trocknungsprozess und die Implementierung geeigneter Materialmodelle in die Prozesssimulation auf. Auf der nächsten Komplexitätsebene der numerischen und experimentellen Untersuchungen wurden Prozesseinflussgrößen anhand der „Benchmarkbaugruppe Karosserieanbauteile“ nach [Eck12] bestehend aus einer geclinchten Innengruppe zweier Aluminiumblechteile und ein geklebtes und rollgefalztes Aluminiumaußenhautbauteil bewertet. Da sich die Prozesskettenbaugruppe besonders durch die hohe Variabilität der einstellbaren Produkt- und Prozessparameter auszeichnet, wurden unterschiedliche Baugruppen hinsichtlich maßlicher Vorhaltungen bzw. Vorspannung der Innengruppe und Klebstoffmengen generiert und dessen Einfluss auf die finale Formabweichungen nach der Temperierung untersucht. Hierbei wurde aufgezeigt, dass sich die unterschiedlichen Verspannungen der gefügten Innengruppen deutlich stärker auf die bleibenden klebstoffbedingten Formänderungen als die Verringerung der Klebstoffmenge selbst auswirken. Somit haben vorgelagerte Fertigungsschritte im Hinblick auf bereits vorhandenen Bauteilabweichungen und Spannungszuständen aus dem Presswerk oder Karosseriebau einen direkten Einfluss auf das Deformationsverhalten der Baugruppe im Ofen und müssen somit in der Prozesskettensimulation berücksichtigt werden. Die anschließende numerische Abbildung der bleibenden Formabweichungen nach der Temperierung der „Benchmarkbaugruppe Karosserianbauteile“ berücksichtigte darüber hinaus unterschiedliche Ansätze auf Basis von Nominal- und digital rekonstruierten Bauteilgeometrien sowie einer Prozesskettensimulation zur Verknüpfung des Lacktrocknungsprozesses mit vorgelagerten Fertigungsschritten. Zwar wurde die Machbarkeit und Notwendigkeit zur Integration der Produkteigenschaften und -zustände vorgelagerter Fertigungsschritte nachgewiesen, jedoch wurde im Rahmen dieser Arbeit deutlich, dass für eine durchgängige Prozesskettensimulation auch eine sequentielle Validierung nach jedem einzelnen Fertigungsschritt notwendig ist. Die Implementierung digital rekonstruierter Bauteildaten ermöglichte hierzu alternative Berechnungsmethoden zur Berücksichtigung von vorhandenen Formabweichungen, die das thermische Deformationsverhalten und somit unmittelbar die bleibenden Formabweichungen maßgeblich beeinflussen. Auf Basis der Untersuchungen in dieser Arbeit wurden Anwendungsgrenzen abgeleitet und Einsatzmöglichkeiten in der frühen Konzeptphase sowie anlaufbegleitende Problemanalysen zur Reifegradsteigerung prinzipiell und qualitativ aufgezeigt. Abschließend wurden die erarbeiteten Erkenntnisse auf die Analysemethode von umfangreichen Karosseriemodellen übertragen. Dabei wurde im Sinne einer effizienten Berechnungsmethode zur iterativen Unterstützung des Entwicklungsprozesses die Submodelltechnik mit kurzen Berechnungszeiten unter der Prämisse einer gleichbleibenden Prognosegüte eingeführt. Die vorgestellten modellreduzierten Submodelle ermöglichten sowohl die effiziente Kopplung mit vorgelagerten Prozessen als auch parametrische Berechnungen zur Erstellung von Sensitivitäts- und Optimierungsstudien. Auf dieser Grundlage wurde eine verifizierte und durchgängige Analysemethode zur Prognose und Bewertung von thermomechanischen Produktveränderungen in der frühen Entwicklungsphase sowie eine anlaufbegleitende Reifegradsteigerung durch die Integration realer Produkt- und Prozessdaten in der Simulation vorgestellt.Item Open Access Automatisierte Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in der Montage(2006) Schmid, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Der zunehmende nationale und internationale Wettbewerb und die steigenden Ansprüche der Verbraucher führten in den vergangenen Jahren zu einer Zunahme der Produktvielfalt mit immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitiger Abnahme der Fertigungslosgrößen. Diese Entwicklung führte dazu, dass der flexibel automatisierten Montage in der Klein- und Mittelserienfertigung eine immer größere Bedeutung zukommt. Bei flexiblen Montageanlagen erfolgt die Bereitstellung von Werkstücken vorwiegend über werkstückspezifisch ausgelegte Zuführeinrichtungen, die in den Montagestationen integriert sind und einen Großteil aller Störungen in Montageanlagen verursachen. Ziel der Arbeit war es, eine unabhängig von den Montageanlagen arbeitende Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von unterschiedlichsten Werkstücken in Flachmagazinen zu entwickeln. Nach der Ermittlung der wesentlichen Anforderungen und Randbedingungen für die Werkstückbereitstellung an flexiblen Montageanlagen wurden wissenschaftliche Grundlagen und Lösungen für einen Vibrationswendelförderer zum gleichzeitigen Fördern und Sortieren mehrerer unterschiedlicher Werkstücke erarbeitet sowie für flexible Positionier- und Ordnungssysteme ein Verfahren zur werkstückspezifischen Magazinauslegung entwickelt. Für die Beschreibung des Werkstückverhaltens im Magazin-formnest während des Magaziniervorganges wurde ein Berechnungsverfahren erarbeitet, mit dem in einer Rechnersimulation die Grenzwerte für die Geräteeinstellparameter, wie z. B. die maximale Schwingungsamplitude und Magazinneigungswinkel, bestimmt werden konnten. Die konzipierten und prototypisch realisierten Einzelkomponenten wurden anschließend in einer Pilotanlage einer automatisierten Ordnungs- und Kommissionierzelle integriert. Anhand eines repräsentativ ausgewählten Werkstückspektrums wurde der Funktionsablauf der Zelle erprobt und die technische Machbarkeit einer von der Montage entkoppelten, hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in beliebiger Reihenfolge und Losgröße nachgewiesen.Item Open Access Aufnahme und Nachbearbeitung von Bahnen bei der Programmierung durch Vormachen von Industrierobotern(2011) Meyer, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Industrieroboter werden vornehmlich in der Großindustrie eingesetzt, dort stehen sie seit Jahrzehnten für flexible Automatisierung auf höchstem Niveau. Kleine und mittlere Unternehmen aber haben Probleme, Industrieroboter einzusetzen, da sie in anderen Losgrößen arbeiten und andere Infrastrukturmöglichkeiten haben. Sie stecken häufig in einer Automatisierungszwickmühle, sie müssen rationalisieren, können die in Großbetrieben etablierten Methoden aber nicht anwenden. Um dieses Defizit zu mindern, wurde ein Verfahren zur schnellen und intuitiven Programmierung von Industrierobotern entwickelt. Das Verfahren wurde an der Beispielanwendung MAG-Schweißen verifiziert. Die Interaktion mit der Schweißroboterzelle wird dabei multimodal vom Prozessexperten, dem Schweißer, vorgenommen. Mittels Programmierung durch Vormachen kann der Schweißer den Roboter entlang der zu schweißenden Nähte verfahren, eine Kraftregelung führt den Roboter dahin, wo der Bediener ihn hindrückt. Ein besonderer Fokus der Arbeit liegt auf der dann folgenden Nachbearbeitung der Bahn. So wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, die aufgenommenen Bahndaten zu komprimieren und Geometrieprimitive zuzuweisen. Die Kompression nutzt den Douglas-Peucker-Algorithmus, für das Mapping der Daten werden entsprechende Kriterien erstellt. Verschiedene Kombinationen von Algorithmen wurden implementiert und verglichen. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt lag in der Verbesserung der manuell aufgenommenen Bahn auf der Basis lokaler Werkstückgeometrie. Diese Geometriedaten bestehen aus einer Punktewolke, die mit einem Laserscanner aufgenommen werden kann. Zwei Verfahren zur Auswertung wurden entwickelt, ein auf den einzelnen Scanlinien basierendes Verfahren zur Optimierung der Bahn, sowie ein Verfahren zur Flächenrückführung, basierend auf einem Region Growth Ansatz. Die entwickelten Verfahren und Algorithmen bei einem KMU getestet. Dort wurde einerseits sichergestellt, dass das Robotersystem reale Bauteile fertigen kann, andererseits wurden Programmiertests mit Mitarbeitern der Firma durchgeführt. Die Testläufe zeigten, dass die Referenzbauteile mit dem entwickelten Programmierverfahren gefertigt werden können und die Ziele der Arbeit, die Vereinfachung der Programmierung und die Verkürzung der Programmierzeit, erreicht wurden.Item Open Access Konzept für eine sichere und benutzerfreundliche Authentifizierung für industrielle Produktionsanlagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Borisov, Alexander; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Anzahl und die Schwere der Angriffe auf industrielle Komponenten nehmen von Jahr zu Jahr stark zu. Gleichzeitig steigt der Grad der Vernetzung der Anlagen weiter an und vergrößert dadurch nochmals die mögliche Angriffsfläche. Die aktuelle Situation bezüglich IT-Sicherheit in der fertigenden Industrie erfordert eine dringende Verbesserung der vorhandenen IT-Sicherheitsmaßnahmen. Insbesondere weisen die existierenden Authentifizierungsmöglichkeiten in der Industrie mehrere Defizite auf. Die Sicherheit der zurzeit eingesetzten Methoden, ihre Benutzerfreundlichkeit und auch der monetäre Aufwand für den Betrieb sind bei zahlreichen Anwendungen nicht zufriedenstellend. Seitens der Industrie und auch der Forschungsgemeinschaft besteht daher der Bedarf, bessere Authentifizierungsverfahren zu entwickeln. Die Erforschung einer neuen Authentifizierungsmöglichkeit für eine industrielle Anwendung bildet den Hauptteil der vorliegenden Arbeit. Die in dieser Arbeit erarbeitete Authentifizierungsmethode basiert auf der Verwendung von zeitbasierten Einmalschlüsseln, die über eine speziell entwickelte App im Smartphone des Benutzers generiert werden. Dabei findet eine beidseitige und eine Zwei-Faktor-Authentifizierung statt. Die Authentifizierungsinformationen werden zudem über die Verbindung des Smartphones an den Server übertragen. Die Lösung weist somit eine hohe Benutzerfreundlichkeit, starke Sicherheit und geringe Betriebskosten auf. Diese Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestätigt und in einer Benutzerstudie nachgewiesen. Darüber hinaus wurde in der Arbeit gezeigt, wie die entwickelte Authentifizierungslösung in eine IT-Sicherheitsarchitektur eines Werkes integriert werden kann. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung der IT-Sicherheit in der produzierenden Industrie und kann für die Institute der angewandten Forschung sowie auch für die Entwicklungsabteilungen der Industrieunternehmen von Bedeutung sein.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.