Universität Stuttgart
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Item Open Access Adaptive automation and defect control in forming processes of composite materials : a robust parametrisation approach to improve simulation accuracy(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Saeed, Muhammad Shahrukh; Kreimeyer, Matthias (Prof. Dr.-Ing.)Variations in the parameters of both materials and processes constrain the precision of composite forming processes. Examples of these varying properites include material like Young's modulus, bending and shear modulus, and process properties like temperature, pressure, and tool velocity. It is important to consider these parametric variations while developing a part through composite forming processes to ensure accuracy and minimise defects. Robust parameterisation and optimisation methods or defect control systems are two approaches to improving production accuracy. This research focuses on applying robust parameteric and optimisation methods to enhance simulation accuracy and using defect control systems to identify and manage induced forming defects. Robust parametric and optimisation methods create design variables minimally affected by variations during forming process. Usually, the behaviour of the process is predicted using complex and time-consuming FE simulation models. If there is much design freedom, it is often only feasible to study the complete parametric design space using expensive computational resources. Efficient methods are employed to determine the robust design of these processes with limited computational resources. One approach involves creating an approximation model of the FE model, such as a surrogate or metamodel, and then improving this approximation model by evaluating the FE model multiple times. In this research, an improved sequential robust parametric and optimised method improves the FE simulation accuracy for the forming process. The effect of these sequential robust parametric approaches is supported by genetic algorithm and regression for optimisation. The second approach to improve production accuracy is using defect control methods. Point cloud scanned measurements are used to inspect the part in real time. A challenge in controlling defects during the composite forming process is that the final geometry can have several defects after the forming has been completed. Therefore, it is only possible to measure the final geometry of the part after performing the scanned measurements. The improvements in the scanned measurements depend on the accuracy and fineness of point cloud. This research examines whether scanned point cloud measurements are used to identify and control defects like bridges, gaps, and wrinkles. It also looks at whether these defects can be identified using a finite element (FE) model from the simulation. Both methods are studied, and separate frameworks are proposed and validated. The convergence method discusses the accuracy of both methods employed in a framework using comparative analysis and feature extractions. In summary, the research objectives are the following: 1. A specialised robust parametric framework that can simulate and predict forming behaviour and optimise to self-improve with real-life data. 2. Physical testing and point cloud-based digital scanning of parts produced through the forming process for defect detection. 3. Comparison of simulation results and physical testing to develop a robust framework for further analysis and improve its accuracy.Item Open Access Antriebsbasierte Schwingungsdämpfung von Industrierobotern mit gelenkseitiger Positionsmessung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Mesmer, Patrick; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Diese Arbeit befasst sich mit einem neuen adaptiven Regelungsansatz für Industrieroboter mit gelenkseitiger Positionsmessung, um die dynamische Bahngenauigkeit zu verbessern. Es wird ein lineares Regelungsgesetz vorgeschlagen, das mithilfe der LPV-Methodik zu einer Gain-Scheduling-Regelung erweitert wird. Die Performanz des Ansatzes wird experimentell an einem KUKA KR210-2 Industrieroboter validiert. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung im Vergleich zur klassischen Kaskadenregelung. Der Ansatz stellt einen Kompromiss zwischen Regelungsperformanz und Robustheit dar, um die industrielle Anwendbarkeit sicherzustellen und beinhaltet gleichzeitig eine systematische Vorgehensweise für die Systemidentifikation und den robusten Entwurf des adaptiven Reglers.Item Open Access Architektur für einen Verzeichnisdienst in der serviceorientierten Produktionstechnik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Kretschmer, Felix; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)In dieser Arbeit wird eine Architektur entworfen, welche den Bedürfnissen einer serviceorientierten Produktionstechnik gerecht wird und einen Verzeichnisdienst bereitstellt, der unter Adaption serviceorientierter Architekturen den Schulterschluss von IT und OT ermöglicht. Hierfür werden zunächst verfügbare Technologien und Lösungen verglichen. Durch die weite Verbreitung von Verzeichnisdiensten in der IT existieren bereits zahlreiche Lösungen, welche sich mit sehr unterschiedlichem Erfolg durchgesetzt haben. In der OT hingegen existieren bisher keine vergleichbaren Lösungen, dennoch stehen standardisierte Technologien zur Verfügung, welche die Funktionalität eines Verzeichnisdienstes erfüllen können. Auf Basis von OPC UA wird ein Verzeichnisdienst entworfen, welcher Fähigkeiten und Schnittstellen von cyber-physischen Systemen im Produktionsumfeld bereitstellt. Dies erfolgt über die Abbildung der Daten in Informationsmodellen, welche auf LDAP-Verzeichnisse in der Office-IT synchronisiert werden können.Item Open Access Ein Beitrag zur Herstellung von Durchdringungsverbundwerkstoffen mittels Formgebung im teilflüssigen Zustand(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Schomer, Laura; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Metall-Keramik-Durchdringungsverbundwerkstoffe (MKD) zeichnen sich gegenüber anderen Verbundwerkstoffen insbesondere durch eine dreidimensional zusammenhängende und damit kontinuierliche Struktur beider Werkstoffkomponenten aus. Aufgrund dieser einzigartigen dreidimensionalen Verknüpfung der beiden Verbundpartner ist es möglich, das Potenzial von Metallen und Keramiken auszuschöpfen und die Eigenschaften beider Werkstoffklassen zu einem Werkstoff mit neuen und erweiterten Eigenschaften zu vereinen. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise in der Elektro- und Energietechnik, in Hochtemperaturanwendungen, in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobil- und Fahrzeugbau, im Maschinenbau und in der Medizintechnik. Die keramische Komponente, welche als offenporige Struktur vorliegt, wird im Rahmen konventioneller Gießverfahren üblicherweise mit einer flüssigen Legierung drucklos oder unter Druck infiltriert. Dabei kommt es jedoch zu Defiziten bezüglich der strukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbunde. So treten bei Verfahren mit sehr hohen Temperatur- und Druckniveaus zumeist Schädigungen der keramischen Komponente auf. Außerdem kann es zu ausgeprägten Ablösungserscheinungen der beiden Komponenten voneinander kommen. Bei Verfahren mit geringeren Prozesstemperaturen und -drücken kann hingegen eine unvollständige Formfüllung oder eine Restporosität nicht immer vermieden werden. Die Formgebung im teilflüssigen Zustand weist dahingegen vielversprechende Prozesseigenschaften bezüglich der Herstellung von MKD auf. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Umformung von speziellen metallischen Halbzeugen, die zuvor in den Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquiduslinie erwärmt wurden. In diesem charakteristischen teilflüssigen Zustand besitzen solche Legierungen gute Fließeigenschaften. Dadurch können, ähnlich der Herstellung durch Gießver fahren, komplexe, endkonturnahe Bauteilkonturen in einem einzigen formgebenden Prozessschritt hergestellt werden. Gleichzeitig weisen die mittels dieses Verfahrens hergestellten Bauteile hervorragende mechanische Eigenschaften auf, die annähernd mit denen von konventionellen Schmiedeteilen aus Aluminiumlegierungen vergleichbar sind. Somit herrscht bei der Formgebung im teilflüssigen Zustand im Vergleich zu konventionellen Verfahren zur Herstellung von MKD ein geringeres Temperaturniveau im Halbzeug. Jedoch liegt gleichzeitig auch eine ausreichend geringe Viskosität und somit ein gutes Fließverhalten der Legierung vor, um eine Infiltration der Poren der keramischen Komponente zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsarbeiten darin, die Herstellung von Durchdringungsverbundwerkstoffen mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand zu ermöglichen. Dabei wurde mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen ein entsprechendes Prozessfenster für die Temperatur, die Viskosität und den Druck ermittelt, bei dem die Herstellung von MKD ohne strukturelle Defizite möglich ist. Um diese idealen Einstellungen identifizieren zu können, musste einerseits ein Simulationsmodell für entsprechende numerische Untersuchungen sowie ein geeignetes Werkzeug- bzw. Verfahrenskonzept für experimentelle Untersuchungen entwickelt werden. Im Einzelnen wurden da bei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurden sowohl der eingesetzte keramische als auch der metallische Versuchswerkstoff umfassend hinsichtlich ihrer chemischen, morphologischen und physikalischen Eigenschaften sowie ihrer Wechselwirkungen charakterisiert. Diese Materialparameter dienten einerseits der Einordung der erzielten Eigenschaften der hergestellten MKD und kamen weiterhin als Eingangswerte für die neu entwickelte numerische Simulationsmethodik zur Abbildung der Herstellung von MKD mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand zum Einsatz. Im Rahmen dieser Simulationsmethodik wurde die Infiltration einer offenporigen, keramischen Struktur mit einer Aluminiumlegierung im teilflüssigen Zustand sowohl anhand eines geometrischen Modells der offenporigen Struktur als auch mittels eines Infiltrationswiderstandsmodells abgebildet. Die Abbildegenauigkeit beider Varianten konnte anhand des Fließfrontverlaufes mittels experimenteller Formgebungsversuche nachgewiesen werden. Außerdem konnte aufgezeigt werden, dass die Rechendauer der Modellierung anhand des Infiltrationswiderstandsmodells im Vergleich zur geometrischen Modellierung signifikant geringer ist. Anschließend erfolgte eine Übertragung der entwickelten Simulationsmethodik auf die Herstellung von realen MKD-Proben. So war es möglich, den Einfluss signifikanter Prozessparameter wie der Geschwindigkeit während der Formgebung, des Flüssigphasenanteils der teilflüssigen Aluminiumlegierung, der initialen Temperatur der keramischen Komponente sowie deren Porendichte auf die während des Herstellungsprozesses wirkende Temperatur und Viskosität sowie den Druck vorherzusagen. Anhand von festgelegten Grenzwerten für diese Zielgrößen wurde so ein Prozessfenster zur Herstellung leistungsfähiger MKD-Bauteile identifiziert. Im Anschluss an diese numerische Prozessentwicklung war es möglich, MKD ohne die bei den konventionellen Verfahren auftretenden strukturellen Defizite mit keiner bzw. sehr geringer Restporosität und intakter keramischer Komponente herzustellen. Weiterhin konnten anhand dieser experimentellen Untersuchungen das numerische Modell und die ermittelten Prozessgrenzen validiert werden. Die anschließende umfassende Charakterisierung der hergestellten MKD-Proben zeigte auf, dass ein Verbundwerkstoff mit einem neuen Eigenschaftsprofil aus Eigenschaften der metallischen und der keramischen Komponente generiert wurde. Dabei konnte eine Abschätzung der erzielten mechanischen Materialeigenschaften mittels der „Rule of Mixture“ vorgenommen werden, sodass dahingehend mit der in dieser Arbeit vorgestellten Prozessroute ein auf verschiedene Anwendungsfälle maßgeschneiderter Verbund kreiert werden kann.Item Open Access Dynamiksteigerung von Kugelgewindetrieben durch modellbasierte Lageregelung der nachgiebigen Mechanik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Hinze, Christoph; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Vorschubachsen sind wesentliche bewegungserzeugende Elemente von Maschinen. Für kurze und mittlere Vorschublängen werden hauptsächlich Kugelgewindetriebe eingesetzt, da sie präzise, effizient und spielfrei sind. Die Steigerung der dynamischen Genauigkeit von Kugelgewindetrieben ist ein Ziel der Fertigungsindustrie, um genauere Prozesse, bessere Störunterdrückung und kürzere Durchlaufzeiten zu ermöglichen. Allerdings beeinflussen die nachgiebige Mechanik der Achse und der Maschinenstruktur bei höherer Dynamik das Regelungsverhalten und die Gesamtmaschinenleistung. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz alternativer, modellbasierter Lageregler für Kugelgewindetriebe, wobei neben der Dynamiksteigerung auch die industrielle Einsetzbarkeit, Robustheit und einfache Parametrierung im Fokus stehen. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Steigerung der dynamischen Genauigkeit bei Kugelgewindetrieben mit geringer Inbetriebnahmekomplexität.Item Open Access Entwicklung einer Methode zur systemdynamischen Modellierung im urbanen Raum(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Hertwig, Michael M.; Riedel, Oliver (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das produzierende Gewerbe sorgte für einen Wohlstandszuwachs, doch die zunehmende Tertiarisierung reduzierte die Attraktivität der Fabrik. Zunehmend sind Fabriken in unmittelbarer Nähe zu Wohnarealen Konflikten ausgesetzt, was eine Neugestaltung der urbanen Produktion erforderlich macht. Eine urbane Produktion ist sowohl ökologisch positiv, sozial stärkend als auch ökonomisch erfolgreich. Dafür erfolgt eine Einordnung des Begriffs sowie relevanter Rahmenbedingungen. Die unterschiedlichen Zieldimensionen erschweren den Unternehmen, Maßnahmen hinsichtlich ihrer langfristigen Wirkung zu bewerten und monetäre Auswirkungen abzuschätzen. Mit dem beschriebenen Modell soll es möglich sein, die Wirkung von Maßnahmen mit längerem Betrachtungshorizont zu untersuchen, um ausgehend von Kennwerten der aktuellen Situation eine Entwicklungsperspektive aufzuzeigen. Als optimale Modellierungsmethode wurde die Systemdynamik identifiziert. Unter Verwendung vorhandener Modelle wurden wiederverwendbare Bestandteile geeignet adaptiert. Mit Anwendungsfällen konnte das vorliegende Modell als Basis für die Unternehmensweiterentwicklung genutzt werden, indem Maßnahmen bewertet werden.Item Open Access Entwicklung eines Didaktikkonzepts für die Anwendung von VR als Arbeitsmedium in der Konstruktionslehre(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Henrich, Adrian; Hölzle, Katharina (Univ.-Prof. Dr. habil.)Diese Dissertation behandelt die Entwicklung eines Didaktikkonzepts zur praktischen Vermittlung der Möglichkeiten und Herausforderungen von Virtual Reality im Produktentwicklungs-Kontext. Kerninhalt des Konzepts ist, dass angehende Ingenieurinnen und Ingenieure im Rahmen von Gruppenübungen VR als Arbeitsmedium verwenden. Dies ermöglicht ihnen nicht nur, Erfahrungen mit der Technologie zu sammeln, sondern fördert auch den Fortschritt ihres Konstruktionsprojekts. Die Arbeit beschreibt das Vorgehen bei der Entwicklung des Didaktikkonzepts, welches sich an einer Kombination aus der methodischen Produktentwicklung nach VDI 2221-1 und den vier Phasen der didaktischen Entwicklung in Anlehnung an Kron et al. (2014) orientiert. Während der Ausarbeitung von der Didaktiktheorie über das -modell hin zum Konzept und der abschließenden Validierung in der Lehrpraxis werden stets zwei Schwerpunkte behandelt: Die didaktischen Überlegungen, die zur Grob- und Feingestaltung der Lehr-Lernveranstaltung führen, und die Verwendung einer geeigneten VR-Software, ohne die die Umsetzung des Konzepts nicht möglich wäre. Dass diese beiden Aspekte untrennbar miteinander verbunden sind, zeigt auch die Evaluation des Didaktikkonzepts im Rahmen von Übungen zur Produktentwicklung an der Universität Stuttgart. Nachdem drei Konzeptvarianten für jeweils ein Doppelsemester erprobt werden konnten, kann durch eine Abwägung von Nutzen und Aufwand die erfolgreichste Variante ermittelt und im Anschluss verstetigt werden. Hierfür werden die Erkenntnisse aus der Längsschnittevaluation herangezogen, um beispielsweise die Rolle der Tutoren und den Effekt der VR-Anwendung auf die studentische Leistung zu beleuchten. Darüber hinaus wird im Anschluss der Wissenstransfer der gesammelten Erkenntnisse sowie des Didaktikkonzepts und der VR-Anwendung in ähnliche Bereiche der Lehre an der Universität Stuttgart und anderen Bildungsorten angestoßen.Item Open Access Entwurf einer verteilten Cloud Manufacturing Plattformarchitektur(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Ellwein, Carsten; Riedel, Oliver (Prof. Dr.-Ing.)Cloud Manufacturing überträgt bekannte Konzepte des Cloud Computings auf die fertigende Industrie. Fertigungs ressourcen unterschiedlicher Anbieter werden als Services über eine zentralisierte, webbasierte Plattform verwaltet und angeboten. Durch webbasierte Ressourcenverwaltung und -beauftragung entsteht ein Bruch in der Datenverarbeitung und Redundanz in der Datenhaltung. Die vorliegende Arbeit greift dieses Defizit auf und präsentiert ein verteiltes Architekturkonzept für das Cloud Manufacturing. Der Architekturentwurf basiert auf einer Peer-to-Peer-Architektur mit hybrider Topologie. Die Integration in den Office-Floor erfolgt in den Produktionsplanungs- und Steuerungsbaustein vorhandener Systeme.Item Open Access Erweiterung der Leistungsfähigkeit tiefgezogener Blechbauteile mittels Prägens(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Walzer, Stefan; Liewald, Mathias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., MBA)Vor dem Hintergrund der werkstofflichen Ressourceneffizienz sind die Hersteller moderner Blechkonstruktionen bestrebt, innovative Produktionsprozesse zu entwickeln, um ihre Produkte effizienter zu gestalten. Dies ermöglicht es den Herstellern, trotz des globalen wirtschaftlichen Drucks weiterhin konkurrenzfähig zu agieren. Diesen Gegebenheiten geschuldet, wurden in der Vergangenheit mehrere mechanische aber auch thermische Fertigungsverfahren entwickelt, die die Formgebungsgrenzen moderner Blechbauteile erweitern beziehungsweise das Einstellen von anforderungsgerechten mechanischen Eigenschaften - respektive Bauteileigenschaften - ermöglichen. Bisherige Arbeiten zur Prozessgrenzenerweiterung von formgebenden Verfahren in der Blechumformung befassen sich überwiegend mit thermischen Fertigungsverfahren. Zu mechanischen Fertigungsverfahren mittels oberflächennahen Prägens liegen hingegen bisher nur unzureichend wissenschaftliche Untersuchungen vor. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist daher die numerische und experimentelle Erforschung der Wirkung von lokal geprägten Oberflächenstrukturen in Blechplatinen und die dadurch initiierte Erhöhung bzw. Reduktion der mechanischen Kennwerte des Platinenwerkstoffs im Hinblick auf dessen Formänderungsvermögen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Herangehensweise des Prägens von Blechplatinen untersucht, die die Herstellung qualitativ hochwertiger Blechformteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Innerhalb experimenteller Versuchsreihen werden Blechplatinen aus einer höherfesten Blechgüte (Dualphasenstahl DP 600) oberflächennah mittels Prägen strukturiert und die Oberflächenintegrität der geprägten Strukturen durch Messung der Topographie, der Mikrohärte und Härte beschrieben. Die geprägten Platinen werden anschließend durch Zug- und Nakajima-Versuche hinsichtlich ihres Formänderungsvermögens analysiert, charakterisiert und mit dem Referenzwerkstoff verglichen. Ausgewählte Prägestrukturen werden für den Übertrag auf repräsentative Blechbauteile herangezogen, um den Nachweis der Prozessgrenzenerweiterung hinsichtlich der Erhöhung der Grenzziehverhältnisse zu erbringen. Hierbei stehen insbesondere die lokalen Wechselwirkungen in jenen Bauteilbereichen im Fokus, die hinsichtlich des Bauteilversagens kritisch zu bewerten sind, wie z.B. der Stempelkantenradius einer Rundnapfgeometrie. Durch die festigkeitssteigernde Wirkung der geprägten Oberflächenstrukturen wird die Streck- bzw. Fließgrenze des Blechwerkstoffes lokal erhöht, wodurch das vorzeitige Ausdünnen der Blechdicke reduziert und somit das Werkstoffversagen durch Reißer verhindert wird. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen. Parallel hierzu werden geprägte Strukturbauteile durch quasi-statische Stauchversuche geprüft und anhand der ertragbaren Spitzenlasten und deren spezifische Energieaufnahmefähigkeit untersucht. Der wesentliche Erkenntnisgewinn dieser Arbeit besteht daher einerseits im Nachweis erfolgreicher Methoden zur Erweiterung von Prozessgrenzen beim Tiefziehen hinsichtlich der Erhöhung erreichbarer Ziehtiefen und andererseits im Nachweis der verbesserten Energieaufnahmefähigkeit tiefgezogener Blechbauteile. Die mit dieser Arbeit vorliegende neue Methodik zur lokalen Verfestigung von Blechbauteilen durch Eindrücken sphärischer Vertiefungen in die Blechoberfläche, insbesondere in Bereichen frühzeitiger Blechausdünnung sowie der verbesserten Kraftaufnahme während eines Deformationsvorgangs bieten langfristig neue Konstruktions- und Auslegungsmöglichkeiten für industriell gefertigte Blechbauteile. Eine Kombination aus konventionellen Blechplatinen und Tailored Embossed Blanks (TEB) kann dabei den Einsatzbereich festigkeitsgradierter Blechbauteile weitreichend ergänzen. Denkbar sind beispielweise Anwendungen im modernen Karosseriebau sowie im Baugewerbe für Befestigungselemente. Am Ende der Arbeit liegt neben der Quantifizierung der Prozessgrenzenerweiterung von lokal geprägten und tiefgezogenen Blechbauteilen ein umfangreiches Prozessverständnis zu dieser neuen Technologie vor. Zur Erweiterung der herstellungsspezifischen Prozessgrenzen werden darüber hinaus neuartige Anwendungsfelder aufgezeigt, die eine Verbesserung technischer und wirtschaftlicher Anforderungen im industriellen Umfeld ermöglichen.Item Open Access In-Betrieb-Rekonfiguration von parallelen Seilrobotern(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Trautwein, Felix; Pott, Andreas (Hon.-Prof. Dr.-Ing.)Parallele Seilroboter sind eine Unterklasse der parallelen Roboter, die Seile als Antriebselemente verwenden. Durch die Modularität der parallelen Kinematik, der Flexibilität der Antriebsseile und der Einfachheit des mechanischen Aufbaus sind Seilroboter als eine der wenigen Maschinen wirtschaftlich rekonfigurierbar. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um den Roboter auf eine neue Anforderung oder Aufgabe anzupassen oder zu optimieren. Eine entsprechende Funktion birgt ein großes Potenzial zur Steigerung der Flexibilität und Vielseitigkeit hinsichtlich möglicher Einsatzorte und Aufgaben. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Strategien für die Planung einer In-Betrieb-Rekonfiguration entwickelt und untersucht. Die Strategien betrachten mit kontinuierlichen und diskreten rekonfigurierbaren Parametern die beiden möglichen Varianten. Die praktische Anwendbarkeit wird durch jeweils ein Validierungsexperiment demonstriert. Für die modellbasierte Beschreibung des Seilroboters wird das Standardmodell eines Seilroboters verwendet. Im Standardmodell wird der Seilroboter idealisiert als geometrisches Modell betrachtet und die kinematischen Ketten werden zu Vektorschleifen vereinfacht. Die Seile werden dabei als ideale Schubgelenke und die Seilanschlagpunkte als punktförmige Kugelgelenke betrachtet. Aufbauend auf dem Standardmodell werden die rekonfigurierbaren Parameter mit kontinuierlichen und diskreten Wertebereichen eingeführt und in einem Datenmodell formalisiert. Das Datenmodell dient dazu, die notwendigen Rand- und Nebenbedingungen für die Rekonfigurationsplanung sowie die Parameter für die spätere Validierung bereitzustellen. Für die kontinuierliche Rekonfiguration wird ein Arbeitsraumkonzept eingeführt, das die Zulässigkeit der Seilkräfte, abstützbare Lasten und mögliche Plattformgeschwindigkeiten einbezieht. Bezogen auf ein quaderförmiges Anforderungsgebiet wird ein Überdeckungsmaß definiert und ein Optimierungsproblem aufgestellt, das anschließend mit einem numerischen Optimierungsverfahren gelöst wird, um die geometrischen Parameter zu bestimmen. Für die topologische Rekonfiguration wird basierend auf dem Datenmodell eine formelle Beschreibung der Rekonfiguration mit diskreten Parametern eingeführt. Der Planungsprozess wird in die Bestimmung einer Übergangskonfiguration und einer Zwischenkonfiguration aufgeteilt und zur Lösung eine Heuristik und eine Tiefensuche auf Basis eines Suchbaumes eingesetzt. Zur abschließenden Untersuchung der Anwendbarkeit werden für beide Planungsmethoden beispielhafte Szenarien definiert und die Rekonfigurationsplanung simulativ durchgeführt. Die Szenarien wurden anschließend an Seilrobotern validiert und beide Verfahren zeigen eine gute praktische Anwendbarkeit.Item Open Access Leichtbau-Maschinenkomponenten mit hoher Dämpfung durch schichtweise innere Strukturoptimierung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Helfesrieder, Nico; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Leichtbau und Strukturoptimierung bieten auch im Maschinenbau großes Potenzial für Ressourcen- und Energieeffizienz sowie zur Dynamiksteigerung. Die hohe Bauteilkomplexität, der entsprechende Fertigungsaufwand und die mangelnde Skalierbarkeit auf große metallische Strukturbauteile verhindern jedoch den verbreiteten Einsatz im Maschinenbau. Diese Arbeit stellt daher einen Ansatz zur automatisierten Modellierung und zur schichtweisen Fertigung von strukturoptimierten Leichtbaukomponenten vor, der für diesen Anwendungsfall einen pragmatischen Kompromiss bietet. Dazu wird die numerisch optimale Dichteverteilung einer Topologieoptimierung durch Hohlräume im Bauteilinnern approximiert. Die Fertigung erfolgt durch das Verkleben von vorab strukturierten Blechschichten im Layer Laminated Manufacturing Verfahren. Die experimentelle Validierung an zwei realen Bauteilen einer Vorschubachse bestätigt die industrielle Anwendbarkeit und zeigt das Potenzial der Methodik: eine signifikant erhöhte Bauteildämpfung trotz hohem Grad an Leichtbau.Item Open Access Methodik für eine ganzheitliche Testautomatisierung beim Systemtest von automatisierten Fertigungssystemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Kübler, Karl; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Seit Jahrzehnten wird daran entwickelt und geforscht, den Automatisierungsgrad von Fertigungssystemen zu erhöhen. Im Trend steigender und intelligenterer Automatisierung ergibt sich der Effekt von deutlich mehr softwarebasierten Lösungen. Der höheren Dynamik beim Entwickeln und Nachbessern an der Software steht ein steigender Aufwand zur Qualitätssicherung gegenüber: Komplexere Testabläufe und größere Datenmengen bedeuten einen gestiegenen Testumfang bei gleichzeitig höherer Frequenz an Testdurchführungen. Diese Tendenzen machen eine hohe Testabdeckung und eine hohe Testtiefe mittels manueller Testprozesse unmöglich. In dieser Arbeit wird eine ganzheitliche Testautomatisierung entwickelt, um den Testprozess für Fertigungssysteme zu verbessern. Zielgröße ist die Schnittmenge aus hoher Aussagekraft der Testergebnisse und geringem Aufwand bei der Anwendung der neuen Testmethodik. Anhand zweier Validierungsszenarien werden Verbesserungen zum bisherigen Testprozess ermittelt. Quantitativ verkürzt die Methodik die Zeitdauer bei der Testdurchführung mit einem Testwerkzeug um ca. 45 %. In einem Systemtestszenario wurde der Gesamtaufwand mit Testentwurf und -abschluss um ca. 95 % gesenkt.Item Open Access Methodik zur Unterstützung der Fabrikumbauplanung unter Verwendung eines aktualisierten digitalen Fabrikgebäudemodells(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Hellmuth, René; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Der Einsatz von digitalen Fabrikgebäudemodellen kann Umbaumaßnahmen eines Fabrikgebäudes nur dann unterstützen, wenn die darin beinhalteten Daten aktuell sind und den realen Gebäudezustand verlässlich widerspiegeln. Die Dissertation zeigt die Möglichkeiten auf, um Fabrikumbauplanungen mit einem digitalen Fabrikgebäudemodell zu begleiten. Der Prozess zur Aktualisierung eines digitalen Fabrikgebäudemodells steht dabei im Vordergrund.Item Open Access Multimethodisches Verfahren für anforderungsgerechte Produkt- und Produktionsmodule in Karosseriestrukturen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Wagner, Eduard; Spath, Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c.)In der sich stetig verändernden Automobilindustrie sehen sich Hersteller mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert: volatile Nachfragen, steigende Produktvielfalten und der Übergang zu alternativen Antriebstechnologien. Um die vielfältigen technischen, organisatorischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Karosserie und den Karosseriebau vollständig zu bewältigen, wurde in dieser Arbeit ein multimethodisches Verfahren entwickelt. Dieses multimethodische Verfahren basiert auf der systematischen Identifizierung und Analyse der Anforderungen sowie auf der Nutzung von Expertenwissen und Datenanalysen. Es ermöglicht die Bildung von Modulen, die den individuellen Bedürfnissen entsprechen und gleichzeitig interne Abhängigkeiten sowie Restriktionen berücksichtigen. Die erfolgreiche Anwendung an einer neuen vollelektrischen Fahrzeugarchitektur sowie die Steigerung des Erfüllungsgrades der Anforderungen um bis zu 14 % unterstreichen die Wirksamkeit dieses Verfahrens. Dies führt zu einer höheren Umsetzungsqualität und wirtschaftlichem Nutzen im Vergleich zu den bisherigen Modularisierungsansätzen.Item Open Access Mustersprache für Innovationsdiffusion in urbanen Systemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Braun, Steffen; Riedel, Oliver (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Wie können Städte als komplexe Systeme innovationsoffener und wandlungsfähiger für zukünftige Herausforderungen werden? Die Dissertation adressiert die Systematisierung von kooperativen Innovations- und Diffusionsprozessen zwischen Städten im globalen Kontext der urbanen Transformation und technologieoffenen Stadtentwicklung. Mit qualitativen und quantitativen Forschungsmethoden der Wissensentdeckung in Datenbanken werden bisherige Co-Innovationsprozesse urbaner Systeme explorativ analysiert, wiederkehrende Merkmale als Muster identifiziert und validiert. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde eine erste universelle Mustersprache für Innovationsdiffusion in urbanen Systemen (uiPL) entlang von Wissensstrukturmodellen aus moderner Architektur und Software Engineering entwickelt, um diese als Erfolgsfaktoren für die Städte der Zukunft zu organisieren, in einer verständlichen, ganzheitlichen Form festzuhalten und die Kooperation zwischen Beteiligten zu fördern - eine interdisziplinäre Sprache für Forschung, Unternehmen, Politik und Verwaltung.Item Open Access Eine offene Steuerungsarchitektur für die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens in der Lasermaterialbearbeitung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Reiff, Colin; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Laserprozesse sind ein vielseitiges Verfahren zur Materialbearbeitung. Allein durch die gezielte Einstellung der Prozessparameter lassen sich unterschiedlichste Fertigungsverfahren realisieren. Die Identifikation geeigneter Prozessparameter stellt jedoch aufgrund der Vielzahl von Parametern eine wesentliche Herausforderung bei der Beherrschung von Laserprozessen dar. Methoden des maschinellen Lernens bieten das Potenzial, diesem Umstand zu begegnen, können aber aufgrund technischer Restriktionen, wie der mangelnden Offenheit und Durchgängigkeit bestehender Steuerungsarchitekturen, nur bedingt eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine offene und durchgängige Steuerungsarchitektur entworfen, die es erlaubt, Methoden des maschinellen Lernens zur Ermittlung und Anwendung geeigneter Prozessparameter zur Laufzeit des Steuerungssystems einzusetzen. Die Steuerungsarchitektur wird anhand einer lernenden Prozesssteuerung für die Laserbeschriftung demonstriert und validiert. Mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes, das automatisiert trainiert, in die Steuerung integriert und zur Laufzeit ausgeführt wird, ist es möglich, farbige Bilder auf Edelstahl zu lasern.Item Open Access Online-Bahnplanung für mehrere Flugroboter in veränderlicher Umgebung mithilfe der Kurvenflussmethode(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Huptych, Marcel; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Um für zukünftige Produktionslinien eine möglichst hohe Flexibilität zu ermöglichen, wird für den Kleinteiletransport aktuell der Einsatz unbemannter Flugfahrzeuge (UAVs, engl. unmanned aerial vehicles) untersucht. Gegenüber boden- und liniengebundenen und häufig starren Materialflusseinrichtungen bieten UAVs die Möglichkeit den meist ungenutzten Luftraum innerhalb der Produktionsstätten auszunutzen. Um dem hohen Kollisionspotenzial, welches dabei durch parallele und unabhängige Flugbewegungen entsteht, zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit mit der Kurvenflussmethode (KFM) eine neue Bahnplanungsmethode entworfen. Auf Basis eines in Echtzeit aktualisierten Umgebungsmodells werden die Flugbahnen durch Aufprägung virtueller Kräfte zur Laufzeit derart an den aktuellen Umgebungszustand angepasst, dass sie stets um statische (z.B. Gebäudeelemente, Versorgungsleitungen) sowie dynamische (z.B. weitere UAVs) Hindernisse herumführen. Obgleich die in der mobilen Robotik eingesetzte Elastic-Bands-Methode (EBM) ein der KFM ähnelndes Funktionsprinzip besitzt, konnten in einer Voruntersuchung einige Schwächen der EBM identifiziert werden. Diese betreffen vorwiegend die begrenzte numerische Stabilität sowie die abstrakte Parametrierung der EBM und werden durch die KFM behoben. Dazu wird die KFM zunächst als verallgemeinerte Bahnplanungsmethode theoretisch hergeleitet. Eine systemtheoretische Analyse des Bahnverhaltens ermöglicht die Herleitung der Kenngrößen für die Parametrierung der KFM anhand physikalischer Größen. Ein abschließender Vergleich zeigt folgende signifikante Vorteile der KFM gegenüber der EBM: Numerisch stabile Lösbarkeit, analytische Parametrierbarkeit, Skalierungsunabhängigkeit sowie eine etwas höhere Recheneffizienz. Losgelöst von der EBM werden anschließend weitere Steuerungsfunktionen, welche für die Anwendung der KFM auf die Problemstellung (parallele Bewegungsführung mehrerer UAVs) benötigt werden, erläutert. Dazu zählen z.B. Hindernis- und Arbeitsraummodellierung, Initialisierung, Bahninterpolation sowie Start- und Landemanöver. Abschließend werden mehrere parallel ausgeführte Instanzen der KFM auf jeweils eigenen Industriesteuerungen, welche über eine lokale Cloud vernetzt sind, in Betrieb genommen. Die KFM wird dabei als eigene (kollisionsfreie) Punkt-zu-Punkt-Interpolationsart implementiert, sodass mithilfe von Ablaufprogrammen nacheinander verschiedene Punkte angeflogen werden können, ohne das Kollisionspotenzial bei der Programmierung explizit berücksichtigen zu müssen. Verschiedene Validierungsszenarien werden zunächst in Form einer Hardware-in-the Loop-Simulation mit Dynamikmodellen der UAVs und schließlich mit realen UAVs durchgeführt.Item Open Access Ontologiebasiertes Rahmenwerk für die Grobplanung von Montagesystemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Lentes, Joachim; Riedel, Oliver (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Dynamisierung der Märkte und der Trend zur Produktindividualisierung führen zu steigenden Anforderungen an die Planung von Produktionssystemen: Komplexere Produktionssysteme müssen in kürzeren Zeiten geplant werden. Den steigenden Anforderungen stehen Defizite in der Planungsunterstützung gegenüber. Typische Planungsunterstützungssysteme bieten kaum inhaltliche Unterstützung. Darüber hinaus unterstützen sie die integrierte Betrachtung von Anforderungen an Produktionssysteme nicht. Zudem ermöglichen sie meist nur in der Systemwelt des jeweiligen Softwareherstellers durchgängige Informationsflüsse. In dieser Arbeit wird ein Rahmenwerk für die Grobplanung von Montagesystemen entwickelt. Es besteht aus einem Planungsansatz als methodischem Anteil, einer Ontologie als explizitem semantischem Datenmodell und einer Architektur aus Funktionsbausteinen. Unterstützungssysteme auf der Grundlage des Rahmenwerks sind ohne Kenntnisse semantischer Technologien anwendbar. Das in dieser Arbeit entwickelte Rahmenwerk und eine darauf basierende prototypische Realisierung eines Unterstützungssystems werden anhand eines Fallbeispiels aus der Flugzeugendmontage erprobt und diskutiert.Item Open Access Sustainable test site decision-making : decision-making under technological-social-ecological considerations(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Keßelring, Michaela; Riedel, Oliver (Prof. Dr.-Ing.)Sustainable technology advancements ushered in various industries and sustainable development methods have spurred. Recent technological innovations in environmental sensing, computing, and automation offer the potential to revolutionize existing industries. However, in highly innovative and therefore often high-risk fields, a principal barrier to sustainable technology adoption is the provision of a body of evidence to provide to regulatory, scientific, or investment communities. Physical test sites can serve to verify and validate technologies in their end-setting. Barriers to the development of physical test sites stem from the requirement to balance technological, social, and ecological stakeholders. The practical need for an interdisciplinary approach and the absence of theoretical work to support sustainable test site development in real environments often exceeds the capabilities of single companies or entire industries. Thus the present thesis reflects on the theorical and practical work on sustainable technology development in real environments and develops a framework for the development of test sites under technological, social, and ecological considerations.Item Open Access Tiefdrücken zur effizienten Herstellung von Biegeformteilen aus hochfestem Stahlblech(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Briesenick, David; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c., MBA)Der steigende Bedarf an Stahlprodukten sowie die damit verbundenen Treibhausgasemissionen und begrenzten Ressourcen stellen eine globale gesellschaftliche und ökologische Herausforderung dar. Dadurch steigen die Anforderungen an eine nachhaltige und wirtschaftliche Herstellung maßhaltiger Blechbauteile. Höchstfeste Stahlbleche ermöglichen eine Verringerung der Blechdicke, wodurch Leichtbauvorteile und eine Reduktion des Rohstoffbedarfs erzielt werden können. Allerdings führen sie bei konventionellen Umformverfahren zu einem Zielkonflikt zwischen Herstellbarkeit und Effizienz, da qualitätssteigernde Maßnahmen oft einen höheren Energie- und Materialeinsatz erfordern. Die steigenden Festigkeiten moderner Stahlbleche bringen die bisherigen Umformprozesse, Werkzeug- und Pressentechniken an ihre Grenzen, weshalb innovative Ansätze notwendig sind, um Materialverluste, Energieverbrauch und Ausschuss in der Produktion nachhaltig zu minimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit dem Tiefdrücken ein neuartiges Blechumformverfahren zur effizienten und maßhaltigen Herstellung von Biegeformteilen aus höchstfesten Stahlblechen entwickelt und analysiert. Durch die Konsolidierung von Lösungsansätzen zur Reduktion der Rückfederung mithilfe von Spannungsüberlagerung sowie durch Maßnahmen zur Senkung des Energie- und Materialbedarfs wird mit dieser Arbeit eine neuartige Umformkinematik für Biegeformteile vorgeschlagen. Die Substitution des Blechhalters durch einen konturierten Schlitten ermöglicht eine formschlüssige, horizontale und zugleich vertikale (biaxiale) Kraftübertragung auf die Platinenkanten sowie eine Kalibrierung des Flanschbereichs am Ende des Umformvorgangs. Dies führt zu einem werkzeuggesteuerten, reproduzierbaren und progressiven Platineinlauf mit geringem Einfluss der Reibungsbedingungen, der eine Umformkinematik mit kontinuierlicher Überlagerung von Biege- und Druckspannungen durch Knick- und Rollbiegevorgänge erzeugt. Numerische FE-Simulationen und Umformversuche zeigten, dass diese Umformkinematik sowohl die Rückfederung als auch die Blechausdünnung reduziert und gleichzeitig die energieintensive, reibungskontrollierte Blechrückhaltung vermeidet. Im Vergleich zum Tiefziehen zeigt das Tiefdrückverfahren somit neben einer verbesserten Maßhaltigkeit und Effizienz eine erhöhte Prozessrobustheit sowie ein gesteigertes Restumformvermögen der Bauteile. Angesichts der heutigen Anforderungen an Produktionsprozesse von Strukturbauteilen aus hochfesten Stahlblechen in Bezug auf Qualität, Zeit, Kosten und Nachhaltigkeit kann durch den Einsatz dieser Technologie ein Beitrag zur Steigerung der Maßhaltigkeit, des Formänderungsvermögens sowie der Energieeffizienz und des Materialnutzungsgrades geleistet werden. Das Tiefdrücken bietet somit eine konkrete Alternative zur Erweiterung der Prozessgrenzen konventioneller Tiefziehverfahren für eine effiziente und maßhaltige Herstellung von Blechbauteilen.