07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Untersuchungen zu neuartigen Infusionspumpen für die Medizintechnik(2013) Wolter, Frank; Kück, Heinz (Prof. Dr. rer. nat.)Es gibt derzeit keine am Markt erhältlichen Geräte, die sowohl unbegrenztes Dosiervolumen verabreichen können als auch den genannten Ratenbereich mit der geforderten Genauigkeit abdecken. Um den Geräteaufwand zu minimieren, ist es deshalb eine wichtige Anforderung an eine neuartige Infusionspumpe, diese universell einsetzen zu können. Das ist in dieser Arbeit vorgestellte neuartige Pumpprinzip mit ferromagnetischem Pumpelement stellt eine Verfeinerung des Hubkolbenprinzips dar und ist aufgrund seines einfachen und robusten Aufbaus für die Ausführung als Einwegteil in der Medizintechnik geeignet. Der zur Bewegung des Pumpelements nötige Antrieb kann ebenfalls sehr einfach und mit wenigen Bauteilen ausgeführt sein. Er kommt dabei nicht mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt.Item Open Access Konzept eines wandlungsfähigen und modularen Produktionssystems für Franchising-Modelle(2013) Rauch, Erwin; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es ein Konzept zur systematischen Gestaltung eines franchisefähigen Produktionssystems mit geographisch verteilten Produktionseinheiten zu entwickeln, welches sowohl wandlungsfähig, skalierbar, als auch replizierbar ist. Das Konzept soll zudem sicherstellen, dass das gestaltete Produktionssystem erprobt, anschließend umgesetzt und im Sinne der Wandlungsfähigkeit laufend adaptiert wird. Es gibt bereits viele Ansätze in der Forschung, welche behandeln, wie wandlungsfähige Systeme bzw. Produktionssysteme an die sich verändernden Wandlungstreiber angepasst werden können. Diese Ansätze haben jedoch meist einen sehr universellen und allgemeingültigen Charakter ohne auf spezifische Eigenschaften oder Anforderungen bestimmter Produktionsbranchen oder Organisationsformen näher einzugehen. Diese Arbeit widmet sich einer spezifischen Organisationsform, nämlich jener des Franchising mit geographisch verteilten Produktionsstätten und versucht mit dem erarbeiteten Konzept, ein für dieses Geschäftsmodell maßgeschneidertes Produktionssystem zu entwickeln. Das Thema der erarbeiteten Dissertation ist von besonderer Relevanz, da es dem Trend hin zu flexiblen und kundenorientierten sowie dezentralen Produktionen und deren Vernetzung folgt. Gleichzeitig verfolgt die Arbeit das Ziel zur Steigerung der Wandlungsfähigkeit von Produktionseinheiten durch Modularität und Skalierbarkeit des Produktionssystems. Franchising als Organisationsform gewinnt in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung und wächst deutlich stärker als die Gesamtwirtschaft. In den vergangenen Jahrzehnten wurde im Themenbereich Franchising fast ausschließlich Forschung auf betriebswirtschaftlicher und juristischer Seite betrieben – es fehlte gänzlich an einem Leitfaden zur Planung, Gestaltung und Umsetzung von Produktionssystemen innerhalb von Franchise-Netzwerken. Durch diese Arbeit soll diese Lücke in der Forschung geschlossen werden. Die Inhalte der Arbeit sind daher: • Stand der Technik und Lösungsansätze aus der Forschung: Aktuelle Trends, Identifikation und Vergleich bestehender bzw. bereits erprobter Ansätze aus der Forschung. • Anforderungen an die Produktionssystemgestaltung: Systematische Ermittlung und Ableitung der Entwurfsparameter zur Gestaltung von Produktionssystemen für Franchising-Modelle mittels Systemtheorie (Axiomatic Design). • Konzeptentwicklung: Entwicklung eines ganzheitlichen Konzepts zur Gestaltung, Planung und Einführung eines wandlungsfähigen und modular erweiterbaren Franchise-Produktionssystems. • Erprobung und Validierung: Gewährleistung der praktischen Anwendbarkeit durch Validierung mittels einer Fallstudie und Validierung des Konzepts. Kurzbeschreibung des erarbeiteten Konzepts: Das Konzept basiert auf einem 3-Ebenen-Modell zur Gestaltung, Planung und Umsetzung von Produktionssystemen im Franchising: • Gestaltungsebene: Normative Ebene mit fünf Gestaltungsfeldern und 50 Gestaltungsbausteinen zur Modellierung des Produktionssystems: o Gestaltungsfeld 1 – Sortiment o Gestaltungsfeld 2 – Franchise-Modell o Gestaltungsfeld 3 – Produktionseinheit o Gestaltungsfeld 4 – Versorgung o Gestaltungsfeld 5 – Prozesse • Planungsebene: Planung der Pilotproduktion, Konsolidierung Pilotproduktion und Planung des Roll-Out der Franchise-Produktionseinheiten • Ausführungsebene: Operative Umsetzung und Betriebsführung Weitere Kerninhalte des erarbeiteten Konzepts sind die Ableitung einer umfassenden Sammlung an Gestaltungsparametern für Produktionssysteme, die Schaffung einer regelmäßigen Rückkopplung zur systematischen Anpassung des Produktionssystems und damit zur Gewährleistung der Wandlungsfähigkeit des Produktionssystems, die Berücksichtigung der Skalierbarkeit und Replizierbarkeit des Produktionssystems anhand eines modularen Ausbaustufenkonzepts sowie eine Szenarioplanung und Roll-Out-Planung der dezentralen Produktionseinheiten im Franchising-Netzwerk.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 Mobile Robotik in der bandsynchronen Montage zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Bix, Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die sich wandelnden Anforderungen der Märkte sowie der Produktionsfaktoren in der Automobilindustrie zwingen diese ihre Produktionssysteme weiterzuentwickeln und an die zukünftigen Rahmenbedingungen anzupassen. Der Einsatz mobiler Robotik zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion in der bandsynchronen Montage schafft die Voraussetzungen für Antworten auf die Herausforderungen in der Produktion von morgen und legt den Grundstein für zukünftige Produktionskonzepte. Die Realisierung in der bandsynchronen Montage stellt besondere Anforderungen an die mobile Robotik. Diese werden auf Basis von untersuchten Anwendungsfällen aus der Montage der Automobilindustrie in einem Anforderungskatalog zusammengetragen und die spezifischen Herausforderungen abgeleitet. Für Betreiber von starr verketteten Produktionssystemen steht neben der technischen Realisierung dieser Herausforderungen vor allem die Gesamtverlässlichkeit der Produktion im Vordergrund. Wesentliche, u.a. experimentell bestätigte Einflussfaktoren auf die Verlässlichkeit eines mobilen Roboters in der bandsynchronen Montage sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Mit diesem Fokus wird für die bandsynchrone Montage in der Automobilindustrie ein katalogbasiertes Reaktionsverfahren entwickelt, das mithilfe der kognitiven Fähigkeiten des Menschen, aus einer integrierten Risikobeurteilung für Sicherheit und Zuverlässigkeit, vorbeugende Reaktionen für den mobilen Roboter ableitet. Diese sollen den Übergang des Roboters in einen sicheren Zustand - mit möglichst geringen Anforderungen an die mobile Rechenleistung - vorbeugend vermeiden und die geforderte Verfügbarkeit des verketteten Produktionssystems ermöglichen. Hierbei greift das Reaktionsverfahren nicht in die aus der Sicherheitsbeurteilung festgelegten technischen Schutzmaßnahmen ein. Die vorläufige Identifikation von Reaktionen ist aufgrund der bekannten Arbeitsabläufe und der für den industriellen Einsatz ohnehin durchzuführenden Sicherheitsbeurteilung in der Montage möglich. Die Verbesserung der Verfügbarkeit wird im Anschluss unter Laborbedingungen und in der bandsynchronen Montage experimentell nachgewiesen.Item Open Access Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Farbbestimmung von Zähnen auf Basis spektraler Daten(2014) Pflüger, Marius; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)In der heutigen Gesellschaft hat das Aussehen einen immer größeren Stellenwert. Entsprechend kritisch werden deshalb unpassende Farbausprägungen beim Zahnersatz gesehen. In der Praxis wird die Zahnfarbe hierfür meist visuell mithilfe von Farbringen bestimmt, was jedoch fehleranfällig ist. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Zahnfarbe mit Hilfe spektraler Messdaten sowie der Integration in den spektralen Smart-Sensor VITA Easyshade. Kernelement ist die Entwicklung eines mehrstufigen Prognosemodells für die Zahnfarbe auf Basis von künstlichen Neuronalen Netzen, welches anhand realer Messdaten trainiert wird. Als vorgelagertes Verfahren wurde ausserdem eine Methode entwickelt, um die realen Messdaten hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für das Modelltraining automatisch zu bewerten und inkonsistente Daten ausschleusen zu können. Zur Steigerung der Ergebnisqualität wurde für die Prognoseergebnisse zudem einePlausibilitätsprüfung durch Nachbarschaften im Farbraum konzipiert und umgesetzt. Zur Evaluierung der ausgewählten Lösungsansätze konnte im Rahmen der Arbeit auf fast 4000 spektrale Messungen an Zähnen von Probanden zurückgegriffen werden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass anhand definierter Kriterien die Prognosegüte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um knapp 40% gesteigert werden konnte.Item Open Access Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Cuntz, Timo; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.Item Open Access iWindow - Intelligentes Maschinenfenster(Düsseldorf : VDI Verlag, 2018) Sommer, Philipp; Verl, Alexander; Kiefer, Manuel; Rahäuser, Raphael; Müller, Sebastian; Brühl, Jens; Gras, Michael; Berckmann, Eva; Stautner, Marc; Schäfer, D.; Schotte, Wolfgang; Do-Khac, Dennis; Neyrinck, Adrian; Eger, Ulrich; Sommer, PhilippDas Verbundforschungsprojekt iWindow: Intelligentes Maschinenfenster beschäftigte sich mit der visuellen Unterstützung von Maschinenbedienern an Werkzeugmaschinen. Diese konnten bisher nur auf wenige bis keine Systeme, die sie bei ihren täglichen Aufgaben direkt an der Werkzeugmaschine unterstützen, zurückgreifen. Das Forschungsprojekt verbindet reale und virtuelle Welt in der Werkzeugmaschine durch Technologien wie Virtual und Augmented Reality, digitaler Zwilling, Simulation und Mehrwertdienste. Durch Nutzung jeweils für die aktuelle Arbeitssituation passender Dienste, werden Mitarbeiter befähigt, sich an die steigende Individualisierung der Produkte und die flexiblere Produktion anzupassen. Kunden und Geschäftspartner werden durch die Möglichkeit eigene mehrwertgenerierende Dienste zu entwickeln und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen in den Wertschöpfungsprozess eingebunden. Diese Publikation beleuchtet die im Rahmen des Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse hinsichtlich für ein intelligentes Maschinenfenster benötigter Technologien und Entwicklungen.Item Open Access Radialdichtungen unter hoher Druckbelastung in Drehübertragern von Werkzeugmaschinen(2010) Henzler, Markus; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)In der vorliegenden Arbeit sind umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen und deren Ergebnisse zu Hochdruck-Drehübertrager zusammengefasst. Hochdruck-Drehübertrager finden oft in Werkzeugmaschinen und in der Mobilhydraulik Anwendung. Hierbei werden Öldrücke von 5 bis 30 MPa – meist schwellend – auf rotierenden oder schwenkenden Wellen bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit kleiner 1 m/s abgedichtet. Sog. Rotordichtungen (gekennzeichnet durch kleine Radialdichtringe) kommen bei der Abdichtung zum Einsatz. Dabei treten Schwierigkeiten auf, beispielsweise hohe Reibung und ungünstiges Reibverhalten wie Losbrechreibung, starkes Erhitzen des Reibkontakts, übermäßiger Verschleiß und frühzeitiges Versagen durch sog. Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle. Die Standzeiten der Dichtungen sind nicht ausreichend hoch und die hohen Reibkräfte der Dichtungen stören die Funktion erheblich. Spezielle Literatur zum Thema ist kaum vorhanden. Viele Patente befassen sich mit Ansätzen zur Reibungsreduzierung, lassen aber teilweise inhaltlich auf lückenhafte Kenntnis bezüglich der Funktion dieser Dichtungen schließen. Lediglich zwei unabhängige wissenschaftliche Untersuchungen befassten sich bisher mit Radialdichtungen auf diesem Druckniveau. Auf Basis am Markt verfügbarer Dichtringe und deren Werkstoffe wurden die Eigenschaften von Rotordichtringen experimentell ermittelt. Anhand von Werkstoffversuchen wurden die Eigenschaftsprofile hinsichtlich Reibung, Verschleiß und Extrusionswiderstand verschiedener Rotordichtringwerkstoffe erarbeitet. Variationsversuche im Niederdruckbereich belegten mithilfe statistischer Auswertemethoden einen äußerst großen Einfluss der Geometrie des Dichtrings auf die Reibung. Die Dichtringe wurden experimentell auf Losbrechreibung untersucht und die Einflüsse von Stillstandszeit unter Druck und drucklos, sowie Dichtringwerkstoff ermittelt. Versuche mit beidseitig druckbeaufschlagten Dichtungen legten – gemeinsam mit Finite-Element-Analysen – die Basis für ein detaillierteres Funktionsmodell des Dichtmechanismus von Radialdruckdichtungen mit breiter Dichtfläche. Hierbei spielt auch der Öldruck im Dichtkontakt eine wesentliche Rolle, der im Rahmen der Arbeit experimentell bestimmt wurde. Verschleiß der Dichtringe wurde anhand von Dauerlaufversuchen mit zwei unterschiedlichen Versuchsprogrammen gefahren, die sich zum einen an Anwendungen mit Start-Stopp-Betrieb sowie Dauerrotation und pulsierendem Druck (Kupplungsschaltungen) orientierten. Schadensbilder wurden analysiert und beschrieben. Die häufigsten Schadensbilder konnten auf Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle zurückgeführt werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen dazu deckten Ursachen auf und wiesen auf die kritischen Betriebszustände hin. Mittels Finite-Element-Untersuchungen wurden thermische Lasten im Drehübertragersystem simuliert und daraus konstruktionsbedingte Einflüsse quantifiziert. Auf Basis von zahlreichen Simulationen wurde ein mathematisches Modell aufgestellt, das es ermöglicht, die Dichtkontakttemperatur zwischen Dichtring und Welle einzuschätzen. Aus den gewonnen Erkenntnissen wurde ein Prototypendichtring entwickelt, der viele der erarbeiteten Konstruktionshinweise in sich in klein bauender Weise vereint. Die wesentlichen Erkenntnisse wurden in einem separaten Kapitel übersichtlich zur praktischen Anwendung zusammengefasst. Die darin gesammelten Gestaltungshinweise sind über Versuche abgesichert und bilden so eine fundierte Grundlage zur Gestaltung eines Drehübertragers mit den gewünschten Eigenschaften. Dem Anwender stehen damit erstmals ausführliche Informationen zur Verfügung, um zu bestimmen, wo kritische Punkte seiner Konstruktion liegen. Es ist ihm möglich Eigenschaften gezielt zu verbessern und Fehlfunktionen vorzubeugen oder deren Ursache zu identifizieren und zu beseitigen.Item Open Access Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik(2011) Puzik, Arnold; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel eine Lösung zu zeigen, welche allgemeingültig den Fehler eines Industrieroboters kompensiert. Diese Lösung soll sowohl die Kompensation des statischen Fehlers als auch des Bahnfehlers von Robotern ermöglichen, so dass eine genaue Bearbeitung bei dynamischen Prozessen, wie dem Fräsen, möglich wird. Hierzu wird ein Bearbeitungskonzept vorgeschlagen, welches darauf beruht, dass der Roboter das Bauteil handhabt und die Werkzeugspindel auf einer schnellen Ausgleichskinematik befestigt ist, und so mit Hilfe eines Messsystems den gemessenen Positionsfehler des Roboters ausgleichen kann. Gegenüber bisherigen Ansätzen, welche den Roboter steifer machen, soll durch den Einsatz einer aktiven und schnellen Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezo-Aktoren der Fehler des Roboters in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden. Hierzu wird während des Bearbeitungsprozesses der Fehler des Roboters kontinuierlich gemessen und der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik als Führungsgröße übergeben, auf welcher die Bearbeitungsspindel mit dem Werkzeug befestigt ist. Die Entwicklung der schnellen Ausgleichskinematik – der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik – stand dabei im Vordergrund. In dieser Dissertation wird die methodische und systematische Realisierung dieser Kinematik gezeigt. Die gefertigte Kinematik wird hierzu aufgebaut, in Betrieb genommen und anhand von gemessenen Fräswerkstücken aus Aluminium wird das Konzept erfolgreich validiert.Item Open Access Indefinite linear quadratic optimal control: periodic dissipativity and turnpike properties(2018) Berberich, Julian