Universität Stuttgart
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Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.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 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 Methodik zur automatisierten Generierung einer best-practice-basierten Ablaufplanung manueller Montagesysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Kärcher, Susann; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In manuellen Montagesystemen ist die Variantenvielfalt oft hoch, die Stückzahlen sind gering und sie unterliegen häufigen Änderungen. Klassische Methoden der Montageplanung sind bei diesen Herausforderungen oft zu aufwändig. Dies führt dazu, dass Montagesysteme häufig eine unzureichende Planungstiefe und noch großes Optimierungspotential haben. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, die automatisiert eine Montageablaufplanung generiert. Sie überträgt den Grundgedanken des Benchmarkings - von anderen Best Practices zu lernen - auf die manuelle Montage. Auf Basis von Ist-Daten aus der Montage vergleicht die Methodik unterschiedliche Montageabläufe eines Produktes und generiert daraus den besten Montageablauf. Weiter werden unter Einbeziehung der Leistungsgrade und Arbeitsplatzfaktoren Vorgabezeiten generiert. Die Methodik ist an ein Benchmarking-Vorgehensmodell angelehnt und in vier Schritte gegliedert: die Planung, die Datenerhebung, die Datenanalyse und das Vornehmen von Verbesserungen. Die Vorteile der Methodik liegen in der automatisierten Montageablaufplanung in manuellen Montagesystemen. Sie erhöht so die Produktivität in manuellen Montagesystemen und reduziert den Planungsaufwand. Das generische Modell erlaubt eine Anwendung der Methodik in unterschiedlichen manuellen Montagesystemen.Item Open Access Techno-ökonomische Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Emde, Alexander; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Um die Klimaziele erreichen zu können, muss die zukünftige Energieerzeugung zu großen Teilen über erneuerbare Energien bereitgestellt werden. Diese Erzeugungsarten unterliegen Fluktuationen, wodurch der Energiebedarf und die Energieerzeugung nicht synchron sind. Energiespeicher sind eine potenzielle Lösung, um die Erzeugung und den Verbrauch zeitlich zu entkoppeln. Energiespeichertechnologien erweisen sich nicht nur im Kontext des Stromnetzes, sondern auch im Einsatz für Industrieunternehmen als sinnvoll. So kann ein Energiespeicher für diverse Anwendungsfälle in der Industrie genutzt werden. Dabei bietet der Einsatz von Energiespeichern verschiedene Vor- und Nachteile. Die größten Hemmnisse beim Einsatz von Energiespeichertechnologien sind die zu hohe Investition und zu geringen Erlöse. Fokus der Arbeit ist die Bewertung und Auslegung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen für Industrieunternehmen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Erlöse, die ein Industrieunternehmen erzielen kann. Das Ergebnis ist ein neues methodisches Vorgehen zur techno-ökonomischen Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern, der es erlaubt, den Einsatz, die Investition und die Erlöse von Energiespeichersystemen im industriellen Kontext zu optimieren und damit ein zukunftsorientiertes Energiesystem zu betreiben. In dieser Arbeit werden die Anwendungsfälle Netzentgeltreduktion (Peak Shaving und Atypische Netznutzung), Eigenverbrauchsoptimierung, Effizienzsteigerung und Nutzung dynamischer Strompreise näher betrachtet. Dabei wird sich auf die Kombination von elektrochemischen, thermischen, mechanischen und chemischen Energiespeichern zu energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen fokussiert. Anhand zweier Fallstudie aus der Praxis werden jeweils monoenergetische und hybride Energiespeicherkonfigurationen ausgelegt und bewertet. Dabei zeigt sich, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den technischen und ökonomischen Kennwerten der Energiespeichertechnologien und von den eingesetzten Energieträgern abhängig ist.Item Open Access Selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Laribi, Raoul; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der industrielle Energieeinsatz ist zum Großteil auf motorische Verbraucher zurückzuführen. Die elektrische Leistung für die dynamischen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge von Industriemaschinen müssen durch Gleichrichter vorgehalten werden, auch wenn die maximalen Leistungen nur kurzzeitig auftreten. Dies führt zu überdimensionierten Anschlussleistungen und dementsprechenden Kosten für die elektrische Versorgung. Schwungmassenspeichersysteme können dazu eingesetzt werden, die Spitzenleistungen einer Industriemaschine aus Netzsicht zu reduzieren, Bremsenergie aufzunehmen und zusätzliche Erzeugungskapazität für neuinstallierte Prozesse bereitzustellen. Die Nachrüstung eines Schwungmassenspeichersystems in einer Industriemaschine ist ein komplexer Inbetriebnahmevorgang, der mithilfe der vorliegenden Arbeit vereinfacht wird. In der Arbeit wird ein Software-Artefakt für eine selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen entwickelt. Es ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme eines nachgerüsteten Schwungmassenspeichersystems, bevor die Hardware des Speichersystems integriert wird. Darüber hinaus werden die relativen Potenziale der Leistungsreduktion und Nutzung von Bremsenergie simulativ bestimmt und bewertet. Das Software-Artefakt der selbsteinstellenden Regelung setzt sich aus vier Funktionsmodulen zusammen. Dazu gehören die Lastprofilerkennung, die Systemidentifikation des Frequenzumrichters der Industriemaschine, der Reglerentwurf und die Speicherregelung. Die selbsteinstellende Regelung wurde in zwei Fallbeispielen für die Lastprofile einer Werkzeugmaschine und einer Holzbearbeitungsmaschine erfolgreich validiert.Item Open Access Methode zur technischen Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Straub, David; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Der Trend der Robotisierung zeigt sich unter anderem darin, dass neben den Industrierobotern, die hinter Schutzzäunen zum Einsatz kommen, immer mehr Roboter für kollaborative Anwendungen herangezogen werden. Da ein großer Teil aller Industrieroboter für Handhabungsaufgaben verwendet wird, entstehen durch den schutzzaunlosen Betrieb der Roboter neue Herausforderungen für die Auslegung von für diese Handhabungsaufgaben verwendeten Greifsysteme. Sicherheitseinrichtungen formschlüssiger mechanischer Greifsysteme sind bekannt, wirken sich jedoch aufgrund der mit dem umschließenden Griff einhergehenden vergrößerten äußeren Abmaße nachteilig auf den Handhabungsvorgang aus. Vakuumgreifsysteme sind hier infolge des einseitigen Griffs im Vorteil, verfügen dadurch jedoch über keine Sicherheitseinrichtungen, die einen Verlust des Werkstücks bei Auftreten eines Energieausfalls, zumindest temporär, verhindern. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird in dieser Arbeit eine Methode für die technische Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen entwickelt. Die dafür relevanten fluidischen Vorgänge, insbesondere die Leckage, werden ausführlich untersucht. Die entwickelte Methode nutzt die Kenntnisse der Leckage eines Referenzsystems und erlaubt es, Aussagen darüber zu treffen, wie sich Anpassungen des Referenzsystems an die jeweilige Handhabungsaufgabe auf die Haltedauer des Werkstücks auswirken. Durch die Methode ist es daher möglich, aufbauend auf dem bekannten Vorgehen zur Auslegung von Vakuumgreifsystemen zur Aufbringung einer erforderlichen Mindestgreifkraft, eine zusätzliche Auslegung zur Erreichung einer Mindesthaltedauer im Auftreten eines Energieausfalls durchzuführen.Item Open Access Automatisiertes Test- und Evaluierungsframework für die Servicerobotik(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Weißhardt, Florian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die erfolgreiche Umsetzung von komplexen Serviceroboteranwendungen ist trotz des Fortschritts bei der Auswahl an verfügbaren Hard- und Softwarekomponenten weiterhin eine Herausforderung. Insbesondere im Bereich der Servicerobotik gibt es eine Vielzahl an Anwendungen, die sich durch dynamische und oftmals unbekannte Randbedingungen auszeichnen und daher eine umfangreiche und komplexe Steuerungssoftware benötigen. Weiterhin zeichnet sich die Servicerobotik durch eine hohe Abhängigkeit der einzelnen Hardware- und Softwarekomponenten aus, sodass die Integration von Komponenten in das Gesamtsystem und insbesondere die Durchführung von einzelnen Komponenten und Systemtests erschwert wird. Bisherige Entwicklungsmethoden, Testframeworks und Werkzeuge zur kontinuierlichen Integration unterstützen den Komponentenentwickler bei der Erstellung und Durchführung von Unittests, jedoch existieren wenige Werkzeuge, die speziell für die Herausforderungen der Servicerobotik umfassende Möglichkeiten zur Unterstützung bei der Systemintegration bieten. In dieser Arbeit wird die Methode des Test-Driven-Development für die Servicerobotik aufgegriffen und um ein Werkzeug zum Testen und Vergleichen von komponentenbasierter Software erweitert, das sich für Integrationstests und Benchmarkingvergleiche nutzen lässt. Dazu wird ein Test- und Evaluierungsframework, das Automated Test Framework (ATF) konzipiert und umgesetzt. Das ATF ist ein einfach in bestehende Anwendungen zu integrierendes Framework, das es ermöglicht Servicerobotik-Anwendungen zu testen und verschiedene Varianten miteinander zu vergleichen. Mithilfe von ATF kann der Aufwand für die Erstellung, Durchführung und Auswertung von Tests deutlich gesenkt werden. Im Rahmen von Anwendungsbeispielen aus verschiedenen Bereichen der Servicerobotik wird der Einsatz von ATF aufgezeigt und dessen Nutzen erfolgreich nachgewiesen und evaluiert. Insbesondere kann in einem Anwendungsbeispiel zu einem Systemtest für die Navigation eine Aufwandsreduktion um den Faktor 10 nachgewiesen werden.Item Open Access Methodology for the systematic identification, evaluation, and management of operation-friendly energy flexibility in industrial systems(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tristán-Jiménez, Alejandro; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)This work proposes a methodology to systematically identify, evaluate and manage operation-friendly industrial energy flexibility measures. It is structured in three consecutive phases. In the first phase, the available industrial systems, their relevant features, and their energy consumption patterns are analysed to identify and characterise energy flexibility measures according to their functional, temporal, performance, and economic dimensions. The second phase evaluates each energy flexibility measure's technical and financial capacity to pursue relevant energy flexibility goals. The risks of implementing and utilising these measures are also assessed. In the third phase, energy flexibility measures are prioritised for implementation. Complementary, their utilization strategy is outlined by hierarchizing the energy flexibility goals to be pursued by the industrial facility. The results are summarized into a roadmap for industrial facilities to become energy flexible, enabling them to optimize their energy consumption hence becoming more competitive.Item Open Access Auslegung von Regelungssystemen industrieller Gleichspannungs-Mikronetze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Schaab, Darian Andreas; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der elektrische Energiebezug in der Industrie wird zu rund zwei Dritteln mit elektrischen Maschinen in mechanische Energie umgewandelt. Ein wachsender Anteil dieser Antriebe wird mit Leistungswandlern betrieben, deren verlustbehaftete Energiewandlung Gleichstrom als eine Zwischenstufe nutzt. Motiviert durch das Potenzial, diese Verluste an den Wandlungsstellen zu reduzieren, Energie aus Produktionsprozessen in das Versorgungssystem zurückzuführen - und somit Energie einzusparen - sowie regenerative Energiequellen vor Ort in das Versorgungssystem zu integrieren, kommt der Einsatz von industriellen Gleichstrom-Mikronetze als Lösungsansatz auf. Erst der Ausgleich von Leistungsbezug und -erzeugung stellt die Versorgungsaufgabe eines elektrischen Netzes sicher. Die von Lasten bezogene Leistung und die Einspeiseleistung muss aktiv in ein Gleichgewicht geführt werden. Ein Regelungssystem ist notwendig. Das Regelungssystem des Wechselstrom-Verbundnetzes liegt in der Hand der Übertragungsnetzbetreiber und betrachtet industrielle Endverbraucher als volatile Lasten, sodass industrielle Wechselspannungsanlagen heutzutage kein lokales Regelungssystem betreiben. Die Gleichspannungszwischenkreise von Antriebssystemen in Produktionsanlagen besitzen ein Regelungssystem, das aber keine lokalen und parallel betriebenen Energiequellen einbezieht. Soll nun lokal, in einer Produktionshalle oder für ein ganzes Industriewerk ein Mikronetz eingesetzt werden, um Wandlungsverluste einzusparen und/oder lokale Energiequellen einzubinden, ist es notwendig, ein Regelungssystem dafür zu entwickeln. Neben der grundlegenden Regelungsarchitektur muss das Regelungssystem individuell je nach Anwendungsfall ausgelegt werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der zentralen Forschungsfrage: Wie kann ein Regelungssystem für ein industrielles Gleichspannungs-Mikronetz ausgelegt werden mit dem Ziel, Leistungsgleichgewicht und Leistungsaufteilung zu erreichen? Die Arbeit führt zunächst in elektrische Versorgungssysteme und den Einsatz von Leistungselektronik in der Industrie ein. Die Problemstellung und der Forschungsbedarf werden dargelegt und die Zielsetzung sowie die Forschungsfragen, die den Aufbau der Arbeit leiten, vorgestellt. In den Grundlagen wird der Betrachtungsrahmen der Arbeit definiert und in wesentliche Theorien eingeführt. Anhand verwandter und übertragbarer Ansätze zur Regelung von Gleichspannungs-Mikronetzen werden die Anforderungen an das Regelungssystem und die Auslegung abgeleitet. Der sich daraus ergebende Handlungsbedarf wird diskutiert. Zur Beantwortung der zentralen Forschungsfrage wird ein Vorgehensmodell zur Auslegung entworfen. Dieses wird anschließend in den Fallbeispielen einer Roboterzelle und einer Hallenversorgung erprobt. Die Arbeit schließt mit der Bewertung der Anforderungen und der zusammenfassenden Beantwortung der Forschungsfragen. Der gefundene Lösungsansatz umfasst neun Prozeduren: Auslegungsmodell erzeugen, Systemverhalten identifizieren, funktionale Zustände entwerfen, Regelkennlinien bestimmen, Primärregler entwerfen, Großsignalstabilität prüfen, Netzresonanzen entkoppeln, Umschaltpunkte analysieren und Übergangsstabilität sicherstellen. Die technischen Zusammenhänge werden detailliert beschrieben und lösungsorientierte Hilfsmittel für die Auslegungsaufgabe vorgestellt. Diese werden zunächst theoretisch behandelt, wobei die wesentlichen Auslegungsregeln hergeleitet und vorgestellt werden. Für zwei reale Fallbeispiele werden die Parameter des Regelungssystems bestimmt. Theoretisches und reales Verhalten werden experimentell abgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die gefundene Lösung das reale Verhalten des Regelungssystems außerordentlich gut vorhersagen kann. Die gefundene Methode reduziert die Komplexität der Auslegung des Regelungssystems maßgeblich, da die Auslegung auf die wesentlichen Schritte reduziert wird. Die detaillierte Darstellung der physikalischen Zusammenhänge und die exakte Begründung der empfohlenen Grenzen erlaubt es, die Methode für den jeweiligen Anwendungsfall abzuwandeln. Die Methode bietet dem Projektierer einen einfachen Zugang zu relevantem Wissen bzgl. der Auslegung des Regelungssystems. Sie ermöglicht, definierte Problemstellungen des jeweiligen Anwendungsfalles zu bewerten und die notwendigen Werkzeuge zielführend und lösungsorientiert anzuwenden.