Universität Stuttgart
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Item Open Access Konzeption und Einführung von Virtueller Realität als Komponente der Digitalen Fabrik in Industrieunternehmen(2007) Runde, Christoph; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Obgleich zahlreiche Autoren seit den achtziger Jahren auf die großen Potenziale von Methoden und Technologien der Virtuellen Realität (VR) verweisen – gerade auch in Anwendungen der Digitalen Fabrik –, ist der umfassende Durchbruch im industriellen Einsatz ausgeblieben. Als Hemmnisse des VR-Einsatzes sind heute eine Anzahl an Gründen bekannt. Vorgehensmodelle zum Aufbau von VR-Systemen gehen heute leider nicht bis in die notwendige Detaillierung. Bei der Konzeption und Auswahl von VR-Systemkomponenten gibt es heute keine umfassenden Modelle, die einen vollständigen Vergleich von Systemkomponenten erlauben. Existente Eigenschaftslisten von VR-Interface-Geräten sind nicht Aufgaben-orientiert, so dass eine Nutzen-basierte Auswahl nicht möglich ist. Wohl existieren VR-Interface-Designrichtlinien und tragfähige Aussagen zum Nutzen von VR, jedoch stehen diese ohne einen systematischen Bezug zur Aufgabe und zur VR-Systemkonzeption. Zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen besteht eine lose Sammlung an Empfehlungen, jedoch ohne ein systematisch-vollständiges Dach. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, eine vollständige Erfassung der Eigenschaften von VR-Interface-Systemen mittels der Funktionenanalyse vorzunehmen. Der entstehende Funktionenbaum wird zu einem Zielsystem für eine Nutzwertanalyse weiterverarbeitet. Der Bezug von Aufgaben in der Digitalen Fabrik zu VR-Interface-Designrichtlinien wird über neu ermittelte Betrachtungsgegenstände der Aufgaben (Gestalt, menschliches Verhalten, Wissen, ...) und Handlungsklassen (bewerten, gestal-ten, Prozessunterstützung, ...) hergestellt. Die relevanten Gestaltungsrichtlinien für VR-Systeme geben dann das Zielprogramm und innerhalb des Zielsystems die Funktionsgewichtungen vor. Die Bewertung der Funktionserfüllungsgrade erfolgt mit Vergleich objektiv oder auf der Basis recherchierter Nutzennachweise der VR. Die Einführung von VR in Industrieunternehmen wird als Wandlungsprozess begriffen. Das Rahmenwerk des Change Managements wird daher mit den Erkenntnissen der Einführung von VR-Systemen, CAD-Systemen und EDM-/PDM-Systemen ausgefüllt. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und dem Ausweis der Möglichkeiten werden mit dem entwickelten Verfahren drei VR-Systeme (Anwendungen: Verbaubarkeitsuntersuchung, Arbeitsplatzvalidierung, Fabrikanordnungsplanung) konzipiert. Einführungsszenarien werden erläutert.Item Open Access Position sensor and control system for micro hydraulic drives in surgical instruments(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Comella, Laura; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control. After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts. The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level. The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.Item Open Access Automatisiertes Modellieren großflächiger Sandgussformen(2005) Schaaf, Walter H.; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)In der Arbeit wird ein neues direktes, d.h. modelloses, Formverfahren für großflächige Sandgussformen beschrieben. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren zur direkten Herstellung von Sandgussformen, d.h. dem Fräsen vorverfestigter Formstoffblöcke und den generativen Verfahren, arbeitet das neue Verfahren durch dreidimensionales Modellieren des Gießereiformstoffes mit robotergeführten lokal wirkenden Modellier- und Verdichtungswerkzeugen. Es werden Szenarien zur Anwendung des neuen Verfahrens aufgezeigt und entsprechende Teil- und Gesamtsystemvarianten konzipiert. Die beiden wissenschaftlichen Entwicklungsschwerpunkte behandeln das Formstoffverhalten beim lokalen Modellieren und Verdichten sowie eine automatische 3D-Bahngenerierung. Die Untersuchung des Formverhaltens basiert auf neuen theoretischen Wirk- und Berechnungsmodellen, die mit einem bentonit-gebundenen Formstoffsystem und einem kalt-härtenden Furanharz-Formstoffsystem verifiziert werden. Die automatische 3D-Bahngenerierung berücksichtigt das Formstoffverhalten und liefert prozessoptimale Bahnen, die direkt in Ausführungsprogramme für Industrieroboter umgesetzt werden können. Mit Hilfe einer prototypischen Roboterzelle werden die theoretischen und experimentellen Ergebnisse an einer großflächigen Sandgussform erprobt und die Machbarkeit des automatisierten Modellierens nachgewiesen.Item Open Access Konzeptuelles Referenzdatenmodell für das Compliance-Management des stoff- und produktbezogenen Umweltschutzes in Unternehmen der Elektrobranche(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Ralph; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der Elektrobranche sehen sich auf internationalen Märkten und in ihren Wert-schöpfungsketten einer steigenden Zahl von Anforderungen gegenüber, die die Zusammensetzung ihrer Produkte durch stoffliche Restriktionen beeinflussen. Diese Anforderungen stammen vorwiegend aus regulatorischen Vorgaben, die dem Umweltschutz im Rahmen der Um-welt- und Stoffpolitik zuzuordnen sind. Die regulatorischen Anforderungen werden zudem durch Kundenanforderungen aufgegriffen und teilweise über das regulatorische Maß hinaus ergänzt. Die stoff-/produktbezogenen Anforderungen müssen erfüllt werden, um den Markt- und Kundenzugang zu erhalten. Um dies bewerkstelligen zu können, müssen die jeweils adressierten Unternehmen über ein solides Datenmanagement verfügen, das es ermöglicht, Auskunft über die Art und den Status der Betroffenheit zu geben, zu erreichende Zielwerte und den zugehörigen Ist-Status auf Produktebene zu erfassen und Verantwortlichkeiten für die stoffliche Zusammensetzung der Produkte und deren Bestandteile auszuwerten. Hierzu existieren zwar punktuelle Lösungen, aber die gesamtheitliche Sicht auf die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Daten fehlt. Entsprechend dieser Problemstellung war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderliche Datenbasis zu identifizieren, die von Unternehmen der Elektrobranche idealtypisch benötigt wird, um den Anforderungen nachkommen zu können. Dies wurde erreicht, indem aus einem Satz fundiert ausgewählter Regulierungen, relevanter Standards und Werkzeuge sowie unter Berücksichtigung unternehmensinterner prozessualer Abläufe die einzelnen Informationsanforderungen systematisch abgeleitet und anschließend bis auf Datenebene operationalisiert wurden. Die notwendigen Daten wurden in einem konzeptuellen Referenzdatenmodell konsolidiert und in einem Entity-Relationship-Diagramm visualisiert. Das Referenzdatenmodell umfasst insgesamt 16 verschiedene Datenbereiche, die auf dem Grundgerüst eines unternehmensinternen Compliance -Prozesses beruhen und als Teilmodelle aufgefasst werden können. In den Datenbereichen wurden 79 Datenentitäten definiert, die in Summe 375 Attribute beinhalten. Die Erreichung der Zielsetzungen der Arbeit sowie der Nutzen des Referenzdatenmodells konnten schließlich in Expertenbefragungen und einzelnen Anwendungsbeispielen bewertet und bestätigt werden.Item Open Access Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Waschneck, Bernd; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die Variabilität in der kundenindividuellen Massenproduktion stellt eine enorme Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Die komplexe Werkstattfertigung als Produktionsprinzip eignet sich aufgrund der inhärenten Flexibilität besonders für die kundenindividuelle Massenproduktion. Allerdings sind die bestehenden Methodiken für die Produktionssteuerung einer Werkstattfertigung für die Einmal- oder Wiederholproduktion ausgelegt, was zu Defiziten in der Massenproduktion führt. Entweder ist die globale Qualität der Ergebnisse suboptimal oder die notwendige Echtzeitfähigkeit in der Entscheidungsfindung kann nicht bereitgestellt werden. Zudem entsteht durch Veränderungen und Anpassungen der Produktionssteuerung einer komplexen Werkstattfertigung ein hoher manueller Aufwand. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik für eine dezentrale, selbstorganisierte und autonome Produktionssteuerung für eine Werkstattfertigung entwickelt, die dazu beiträgt, mit der zunehmenden Komplexität und dem Produktionsvolumen umzugehen. Dabei wird die Produktion als Reinforcement-Learning-Modell formalisiert, das die Grundlage für das autonome Lernen einer Strategie zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge bildet. Mehrere kooperative Deep-Q-Network-Agenten werden in diesem Modell darauf trainiert, eine Strategie zu finden, die eine gegebene Bewertungsfunktion - meist ein Key Performance Indicator aus der Produktion - maximiert. Die Neuronalen Netze, in denen die erlernte Entscheidungslogik der Deep-Q-Network-Agenten abgebildet ist, werden nach der Trainingsphase in die Produktion übertragen. Der Multi-Agenten-Ansatz trägt dazu bei, dass der Lernvorgang beschleunigt wird und im produktiven Einsatz durch die Dezentralität Entscheidungen schneller bestimmt werden können. Die Erprobung der Methodik in zwei praxisnahen Fallbeispielen aus der Halbleiterindustrie zeigt ihre Leistungsfähigkeit. In beiden Fallbeispielen konnten Strategien zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge auf oder über Expertenniveau autonom erlernt werden. Konkret konnte dadurch im zweiten Fallbeispiel der Anteil verspäteter Aufträge in einer Technologieklasse von 17, 0 % auf 1, 3 % reduziert werden. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Einordnung in das soziotechnische System „Fabrik“, in der die Umsetzung der Reihenfolgeentscheidungen durch die Werker betrachtet wird. Dabei wird offensichtlich, dass die Optimierung der Produktionssteuerung ganzheitlich unter Einbeziehung der Werker in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess erfolgen muss.Item Open Access Ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Eisele, Michael; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Verschiedene Megatrends wie die Globalisierung oder der Wandel vom Anbieterzum Käufermarkt erzeugen bei Unternehmen extreme Wettbewerbssituationen. Im Bestreben nach maximaler Wirtschaftlichkeit und Effizienz rückt im Besonderen die Montage in den Mittelpunkt der Betrachtungen, da sie einen vergleichsweise hohen Wertschöpfungsanteil durch personal- bzw. investitionsintensive Prozesse aufweist. Das historisch bewährte und heute global etablierte Toyota-Produktionssystem bietet Lösungen zur Kostenreduzierung durch das Erkennen und Beseitigen von Verschwendung. Dessen Ansätze und Methoden sind auf die kontinuierliche Verbesserung real existierender Produktionen ausgerichtet. Für die vorserielle Planung sind kaum Ansätze zur Reduzierung von Verschwendung und zur Konzentration auf Wertschöpfung vorhanden, weder in den heute existierenden Montageplanungsmethoden noch in den am Markt befindlichen EDVTools. Dadurch werden die heute vorhandenen Kostensenkungspotenziale besonders bei den mit hoher Stückzahl betriebenen getakteten Fließmontagen nicht erschlossen. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen entwickelt. Es beinhaltet erstmalig Kennzahlen zur Quantifizierung und Algorithmen zur Kostenermittlung aller 7 Verschwendungsarten. Auf diese Weise ermöglicht es bereits während der Planung die Lokalisierung und Reduzierung von Verschwendung. Innerhalb der 8 hierfür entwickelten Planungsphasen wird sukzessive ein Modell erzeugt, das vollständig das Montagesystem beschreibt und modellbasiert dessen Montagestückkosten ausweist. Die Verwendung neu geschaffener Diagramme fördert beim Planer die Entscheidungstransparenz und das Auffinden situationsbedingter Maßnahmen zur Reduzierung von Verschwendung.Item Open Access Methodik für numerische Lackiersimulationen : Bedeutung der Modell- und Eingangsparameter bei der Hochrotationszerstäubung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Güttler, Nico; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Modell für die Fabrik Life Cycle-orientierte Produktplanung und -entwicklung(2010) Dudic, Dalibor; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Die Verkürzung der Produktlebenszyklen und die steigende Nachfrage nach kundenindividualisierten Produkten stellen vor dem Hintergrund zunehmend turbulenter und konkurrierender Absatzmärkte neue Anforderungen an die Produktionssysteme der Zukunft. Für eine wirtschaftliche Nutzung bestehender Produktionssysteme ergibt sich die Herausforderung den externen Wandlungsdruck sowohl durch kontinuierliche Anpassungen des Produktspektrums als auch der vorhandenen produktiven Ressourcen auffangen zu müssen. Um hierbei gezielt Synergiepotentiale zwischen denen vom Markt geforderten Produkten und den heute bestehenden Produktionssystemen zu aktivieren, müssen die im realen Betrieb von Produktionssystemen erfassten Informationen als Input und Richtungsgeber frühzeitig in den Planungs- und Entwicklungsprozess neuer Produkte integriert werden. Bis heute fehlen Verfahren, die bei angemessenem Aufwand, die Bewertung des Einflusses der Produktentwicklung auf den Fabrik Life Cycle ermöglichen und die frühzeitige Optimierung der Effizienz von Montagesystemen unterstützen. Im Rahmen der Arbeit wird ein Modell entwickelt, mit dem die Auswirkungen zentraler markt- und produktinduzierter Wandlungstreiber auf den Life Cycle bestehender Montagesysteme in den frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses prognostiziert und Maßnahmen zur Erzielung bestmöglicher Synergien zwischen Produktstrukturen und den Strukturen beste-hender Montagesysteme abgeleitet werden können. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Modell ist aus den sechs Datenmodellen Markt, Produkt, Montagesystem, Szenario, Optimierung und Maßnahmen aufgebaut. Die simulationsgestützte Prognose systemrelevanter Wechselwirkungen wird im Mo-dell als Basis für die Identifikation bestmöglicher Synergien innerhalb des Gesamtsystems Markt-Produkt-Montagesystem herangezogen. Basierend auf der kundennutzenorientierten Abbildung alternativer Produktkonzepte und der Fabrik Life Cycle-orientierten Prognose des Realbetriebs von Montagesystemen wird durch das Modell eine Bewertung alternativer Szenarien des Gesamtsystems Markt-Produkt-Montagesystem hinsichtlich Kundennutzen und Marktanteilen sowie Anpassungs-, Betriebs- und Stückkosten in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses möglich.Item Open Access Ein betriebsbegleitendes Fabriksimulationssystem zur durchgängigen Unterstützung der kontinuierlichen Fabrikadaption(2011) Kapp, Ralf; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Häufige und schnelle Veränderungen des Unternehmensumfelds erfordern eine kontinuierliche Anpassung von Produktionssystemen. Die betriebsbegleitende Fabriksimulation eröffnet eine Möglichkeit, Handlungsalternativen risikofrei auf ihre Wirkungen zu überprüfen. Bei kurzfristigen Problemstellungen sind dazu realitätsnahe Simulationsmodelle rasch und effizient auf Grundlage des aktuellen Fabrikzustands zu erstellen. Für die Planung von längerfristigeren umfassenderen Veränderungen müssen weitere Gestaltungswerkzeuge eng in den Planungsprozess integriert werden können. Die meisten derzeit betriebsbegleitend eingesetzten Simulationssysteme gestatten eine kurzfristige Vorhersage des Verhaltens von Produktionssystemen. Allerdings können wesentliche Fabrikadaptionsoptionen nicht abgebildet werden. Dagegen bewährten sich Gestaltungswerkzeuge der Digitalen Fabrik bei der Konzeption von längerfristigen Fabrikveränderungen. Die aktuell in diesem Rahmen verwendeten Datenmodelle zeigen sich allerdings für die realitätsnahe Fabriksimulation als zu grob. Angesichts dieser Defizite wurde ein bei der Fabrikgestaltung etabliertes Datenmodell um operativ vorkommende Abstraktionen erweitert, hierdurch lassen sich aktuelle und historische Produktionszustände realitätsnah abbilden. Darauf aufbauend unterstützt eine Szenarien-Kopplungsfunktion die effiziente datengetriebene Definition von Simulationsszenarien und gestattet später deren automatisierte Aktualisierung. Auf dieser Datenbasis erzeugt ein Generator ein funktionsfähiges Simulationsmodell. Das zugrunde liegende unternehmensspezifische Referenzmodell ermöglicht es einerseits, kurzfristige Handlungsoptionen rasch zu erstellen und ist andererseits selbst adaptionsfähig und erweiterbar, sodass größere Fabrikadaptionen modelliert werden können. Einen bedeutsamen Beitrag für die Realitätsnähe der Experimente leistet das neu entwickelte dynamische Initialisierungsverfahren. Durch eine dezentrale Funktionsweise integriert es sich durchgängig in den Referenzmodellansatz und stützt so die Adaptionsfähigkeit des Fabriksimulationssystems. Während der Simulation werden Rückmeldungen erzeugt und in der erweiterten Datenplattform, entsprechend den Rückmeldungen realer Abläufe, gespeichert. Analyse- und Engineeringwerkzeuge können so durchgängig reale oder simulierte Fabrikzustände weiterverwenden. Die Praxistauglichkeit wurde durch die prototypische Implementierung und die Durchführung von typischen Fallbeispielen (kurzfristige Lieferterminermittlung, mittelfristige Parametrierung des Dispositionssystems, Investitionsabsicherung und längefristige Produktionserweiterung) eines Herstellers von Armaturen gezeigt. Aufgrund der unternehmensneutralen Formulierung des Lösungsansatzes ist eine Übertragung auf andere Unternehmen möglich. Diese Arbeit weist so den Weg zu einer durchgängigen und kontinuierlichen Fabriksimulation als wichtigen Aspekt zur Erhöhung der Wandlungsfähigkeit produzierender Unternehmen.Item Open Access Lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Bauer, Dennis; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Für produzierende Unternehmen steht heute der Kundennutzen und damit auch die Liefertermineinhaltung im Fokus der unternehmerischen Aktivitäten. Parallel steigt die Komplexität des Umfelds und der Märkte sowie innerhalb des Unternehmens. Deshalb ist bei der Leistungserstellung in Wertschöpfungsnetzwerken ein systematischer Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen im Fokus. Eine besondere Herausforderung ist dies für komplexe Werkstattfertigungen mit ihrer immanenten statischen und dynamischen Komplexität. Die vorliegende Arbeit adressiert die Forschungsfrage, wie eine lernende, auf Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk basierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung gestaltet werden kann. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung optimiert die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk durch Korrekturmaßnahmen auf der Ebene der Produktionssteuerung in komplexen Werkstattfertigungen. Hierfür ist ein lernfähiges Entscheidungsmodell notwendig, das eine kontinuierliche Anpassung über die Zeit ermöglicht. Bislang bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk übliche manuelle Eingriffe in die Produktionssteuerung werden dadurch vermieden und die Resilienz des Produktionssystems gesteigert. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind die Artefakte des Regelkreises, der Methode und der Architektur sowie der Implementierung als Softwareartefakt. Die Halbleiterfertigung ist die industriell wichtigste Anwendung der komplexen Werkstattfertigung. Hier zeigt sich, dass durch die lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk signifikant verbessert werden kann. Eine hohe Liefertermineinhaltung sorgt dabei für eine höhere Kundenzufriedenheit, der systematische Umgang mit Ereignissen sorgt für Resilienz. Beides ermöglicht perspektivisch einen Abbau von Sicherheitsbeständen im Wertschöpfungsnetzwerk.