Universität Stuttgart
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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 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 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 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 Überwachter bidirektionaler Datenaustausch in industriellen Echtzeit-Kommunikationsarchitekturen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Eckhardt, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Uncertainty PERMEATED - explainable AI in a condition monitoring framework for industrial assets(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Lukas, Martin; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The first chapter introduces the topic of condition-based maintenance and contextualizes the importance of this technique, especially for critically important, complex and costly systems like machine tools. Condition-based maintenance can be seen as a special case of diagnosis and data analysis. Consequently, the second chapter introduces terms and definitions, which serve as foundation for the following discussion. The third chapter presents the state of research and a detailed review of publications in the context of data-driven diagnostics for condition-based maintenance. Different ideas behind and the purpose of model-based diagnostics, as well as signal-based diagnostics are outlined. Chapter 4 focuses on uncertainty, which is the main challenge in condition-based maintenance. Recommending a maintenance action has potentially costly real-world impacts. It is therefore necessary be aware of the risks of decisions. Uncertainty about the real state of the system seems to be inherent to the task of condition-monitoring. The lack of interpretability and auditability of decisions and the reasons for them are identified as main obstacles for a more widespread adoption of data-driven techniques. Subsequently chapter 5 introduces a diagnostics framework called PERMEATED, which embraces these results and is designed to deal with the existing uncertainties by incorporating them and emphasizing the importance of trust. The application of this framework to a real world application for machine tools is presented. Chapter 6 discusses some existing machine learning approaches for condition-monitoring applications and a applies them to a particular task regarding the dynamic behavior of a machine tool drive axis. Their performance is compared to an alternative, PERMEATED-compatible method, called SLIM. A different approach to satisfy the principles of the PERMEATED diagnostics process is given in the last section of the chapter. Instead of using inherently interpretable machine learning models, this chapter uses so-called explainers to retrieve explanations from opaque machine learning models. Chapter 7 summarizes the results of this thesis with regards to the task of condition monitoring for industrial assets and concludes with the identification of areas, where further research is necessary to make the application of techniques of machine learning more applicable for the task of condition-based maintenance.Item Open Access Untersuchung der belastungsgerechten Bahnplanung für das mehrachsige Schmelzschichtverfahren für Bauteile mit Zugspannungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Wulle, Frederik; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Additive Fertigungstechnologien haben sich in den letzten 10 Jahren von einer Nischenanwendung für Rapid Prototyping zu einer technologischen und wirtschaftlich bedeutenden Industrie entwickelt. Um die Produktivität dieser Technologien weiter zu steigern, wird an Methoden zur Optimierung der Prozesskette im mehrachsigen Schmelzschichtverfahren (Markenname Fused Deposition Modeling) geforscht, welche aufgrund der prozesstechnischen Freiheiten großes Potenzial in sich birgt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur belastungsgerechten Bahnplanung entwickelt mit dem Ziel, Bauteile im mehrachsigen Schmelzschichtverfahren mit höherer Belastbarkeit herzustellen. Mechanische Grundlage ist hierbei, dass gedruckte Bauteile in Richtung der Orientierung der Extrusionsraupen einer höheren Zugbeanspruchung standhalten können als in andere Belastungsrichtungen. Eine Zusammenfassung der aktuellen Forschung und Technik weist auf, dass noch keine Lösungen für Prozessketten mit dieser Zielsetzung vorhanden sind. Die entwickelte Methode ermöglicht eine belastungsgerechte Bahnplanung auf Grundlage definierter Belastungsfälle im Hinblick auf anisotropes Werkstoffverhalten, auf eine lokale Spannungsmaxima-orientierte Festigkeitssteigerung sowie für eine Anwendbarkeit auf komplexe Bauteilgeometrien. Hierzu werden CAD-Geometrien in einzelne Subvolumen unterteilt, deren Spannungszustand mittels einer gemeinsamen Hauptspannungstrajektorie beschrieben werden können. Entlang dieser Trajektorien verlaufen die Bahnen und somit die Vorzugsrichtung des gedruckten Werkstoffs. Zur Ermittlung der Trajektorien und der Subvolumen wurden verschiedene Verfahren herangezogen und bewertet. Die Validierung der Bahnplanungsmethode erfolgte durch eine linear-elastische, anisotrope Bauteilsimulation und durch experimentelle Bauteilprüfungen. Hierfür wurden vier Referenzbauteile - zwei Bauteile akademischer Art und zwei Bauteile einer personalisierten Skolioseorthese - definiert, die mittels einer mehrachsigen Sonderkinematik, ausgerüstet mit einem speziell entwickelten Druckkopf, hergestellt wurden. In der mechanischen Validierung konnten durchschnittliche Festigkeitssteigerungen von 12,5 % nachgewiesen werden. Als eine der wichtigsten Erkenntnisse wird beschrieben, dass die maximale Festigkeitssteigerung von 48 % bei Zugproben sich nicht direkt auf beliebige Bauteile übertragen lässt. Dies ist zum einen darin begründet, dass die konventionelle Bahnplanung meist kein Minimum der Festigkeit erzielt und dass die maximale Festigkeit nur da effektiv genutzt werden kann, wo die durch Ausrichtung der Bahnen verbundene höhere Steifigkeit sich nicht maßgeblich auf den Spannungsverlauf auswirkt. Die entwickelte Methode kann nun zur Festigkeitssteigerung von Bauteilen eingesetzt werden.Item Open Access Untersuchung der Ursache von Radverdrehungen an Schienenfahrzeugen unter Berücksichtigung des Einflusses von Torsionsschwingungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Trimpe, Fritz Felix; Salander, Corinna (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Verbesserung der dynamischen Bahngenauigkeit kaskadiert geregelter Knickarmroboter durch semiaktive Gelenkdämpfung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Neubauer, Michael; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die dynamische Bahngenauigkeit von Industrierobotern steht seit Jahrzehnten im Fokus kontinuierlicher Entwicklungsaktivitäten. Einen wesentlichen Einfluss haben die elastischen Antriebsstränge, deren gekoppelte Dynamik aus Antriebsregelung und Getriebemechanik zu genauigkeitsmindernden Schleppfehlern führt. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die semiaktive Dämpfung, die durch selektive Bremseingriffe eines Zusatzaktuators die Getriebemechanik dämpft. Daraus resultiert ein robusteres Regelstreckenverhalten, das eine performantere Auslegung der Antriebsregelung ermöglicht, wodurch die dynamische Bahngenauigkeit steigt. Diese Arbeit untersucht die Eignung der semiaktiven Dämpfung für kaskadiert geregelte Knickarmroboter. Dazu wird eine hochdynamische Scheibenbremse entwickelt und ein Regelgesetz zur bedarfsgerechten Ansteuerung eingeführt. Zur Regelungsparametrierung werden aus einem H∞-Entwurf inbetriebnahmegerechte Einstellregeln abgeleitet. Trajektorienfolge- und Fräsversuche belegen die Wirksamkeit der entwickelten Gesamtlösung. Abschließend werden Potenziale und Grenzen diskutiert, mit dem Fazit einer breiten Einsetzbarkeit in unterschiedlichen Anwendungen.Item Open Access Verfahrensentwicklung adaptiver Steuerstrategien für den Scherschneidprozess(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Nießner, Stephan; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c., MBA)Die Herstellung von Stanzteilen aus Blech unterliegt diversen Einflussgrößen und ist bei metallischen Werkstoffen durch Fließbewegungen in der Gitterstruktur und die damit verbundene inhomogene Spannungsverteilung in Blechdickenrichtung gekennzeichnet. Zur Wiederherstellung des Spannungsgleichgewichts im Blechteil verschiebt sich nach dem Stanzprozess die verbleibende Spannungsverteilung im verbleibenden Bauteilvolumen. Der Eigenspannungsausgleich im Bauteil ist mit Dehnungs- und Verformungsvorgängen verbunden, die anschließend u. a. als Ebenheitsabweichung an dem fertigen Stanzteil sichtbar werden. In der Praxis treten Prozessstörungen, z. B. in Form von Veränderungen im Blechband oder an den Werkzeugschneiden, nicht singulär, sondern gleichzeitig auf und wirken sich unmittelbar auf die Spannungsverteilungen im Blechbauteil aus. Die daraus resultierenden Ebenheitsabweichungen an den gestanzten Blechteilen treten daher in ihrer phänomenologischen Ausprägung scheinbar zufällig über den Herstellungsprozess auf. Bis heute ist in der Blechumformung kein Verfahren bekannt, mit dem die Ebenheitsabweichung, die in dieser Arbeit als ‚Tellerbildung‘ bezeichnet wird, im Herstellungsprozess von mehrfach gelochten Stanzteilen dauerhaft und reproduzierbar eingehalten werden kann. Diese Arbeit befasst sich primär mit der Entwicklung von prozessspezifischer Wirkmechanismen zur Vermeidung von Ebenheitsabweichungen an mehrfach gelochten Stanzteilen. Die darin vorgestellte Strategie zur Vermeidung solcher Maßabweichungen von Blechteilen in Form einer adaptiven Prozesssteuerung basiert auf der Hypothese, dass die Stanzmaschine in jedem Stanzprozess als universelle Werkzeug-, aber auch als Materialcharakterisierungsmaschine angesehen werden kann. Mit dieser Annahme wird behauptet, dass in den Prozesssignalen jedes Schneidvorgangs alle relevanten Informationen über den ablaufenden Prozess enthalten sind. Daher wird zunächst ein Konzept zur prozesssignalbasierten Identifizierung der Einflussgrößen auf die ‚Tellerbildung‘ entwickelt. Somit können Veränderungen von Materialeigenschaften sowie Verschleißeffekte an den beiden Werkzeugschneiden prozesssignalbasiert und unabhängig voneinander analysiert und bewertet werden. Darauf aufbauend wird im nächsten Schritt das Kompensationsscheiden als adaptives Korrekturverfahren eingeführt, um einen prozessspezifischen Kompensationsmechanismus zur Vermeidung von Ebenheitsabweichungen an mehrfach gelochten Blechteilen zu realisieren. Bei dieser Verfahrensentwicklung wird ein Kompensationsmechanismus realisiert, der sich an Veränderungen im Material und an den Verschleißeffekten der Stanzwerkzeuge anpassen lässt. Zuletzt wird das adaptive Steuerungssystem als modulare Ablaufsequenz in einer lauffähigen Softwareumgebung umgesetzt, so dass es als Programm maschinennah ausgeführt werden kann. Die empirischen Ergebnisse zeigen, dass mit dem entwickelten adaptiven Steuersystem die Ebenheitsabweichung von mehrfach gelochten Platinen deutlich reduziert werden kann.