Universität Stuttgart
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Item Open Access Reglersynthese für aufgabenraumgesteuerte Industrieroboter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Halt, Lorenz; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Motivation der vorliegenden Dissertation ist es, ein performantes sowie roboter- und kinematikneutrales Steuerungsrahmenwerk für roboterbasierte Montage zu schaffen. Dieses Rahmenwerk soll einfach zu programmieren sein und die Möglichkeit aufweisen, Programme zwischen Robotern zu übertragen. Hierfür wurde eine skillbasierte Programmierung mit dem iTaSC Formalismus kombiniert. Darauf aufbauend wurden als Hauptteil dieser Arbeit Reglerstrukturen entwickelt, die sich ohne Zutun des Programmierers eigenständig parametrisieren und sich somit automatisch an den eingesetzten Roboteraufbau anpassen. Für kontaktfreie Bewegungen des Roboters wurde ein modellbasierter Regelungsansatz ausgewählt. Zunächst wird ein lineares Modell angenähert und zur automatischen Synthese einer dynamischen Ausgangsrückführung eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht nahezu zeitoptimales Verhalten unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen. Für die Kontakt- und Kraftregelung wurde ein modellfreier Ansatz verfolgt. Hierbei wird die Reglerverstärkung basierend auf den aktuellen Regelungsfehler so adaptiert, dass sich ein Regelfehlerverlauf innerhalb vorgegebener Performanzgrenzen ergibt. Die Regelungsansätze wurden einzeln in Simulationen verifiziert, in das iTaSC basierte Rahmenwerk eingefügt und jeweils mit verschiedenen Szenarien und Robotern experimentell erprobt. Es ergeben sich sowohl neue Einblicke in die Verhalten der einzelnen Technologien, als auch in das Zusammenspiel der Komponenten des dargestellten Steuerungsrahmenwerks. Beide Regelungsansätze ermöglichen hohe Regelgüte und große Übertragbarkeit für komplexe Roboterbewegungen bei Montageaufgaben. Die Ansätze benötigen keine manuellen Anpassungen und ermöglichen so die Programmierung durch Prozessexperten ohne tiefere Kenntnisse der Regelungstechnik.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 Konzept für eine sichere und benutzerfreundliche Authentifizierung für industrielle Produktionsanlagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Borisov, Alexander; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Anzahl und die Schwere der Angriffe auf industrielle Komponenten nehmen von Jahr zu Jahr stark zu. Gleichzeitig steigt der Grad der Vernetzung der Anlagen weiter an und vergrößert dadurch nochmals die mögliche Angriffsfläche. Die aktuelle Situation bezüglich IT-Sicherheit in der fertigenden Industrie erfordert eine dringende Verbesserung der vorhandenen IT-Sicherheitsmaßnahmen. Insbesondere weisen die existierenden Authentifizierungsmöglichkeiten in der Industrie mehrere Defizite auf. Die Sicherheit der zurzeit eingesetzten Methoden, ihre Benutzerfreundlichkeit und auch der monetäre Aufwand für den Betrieb sind bei zahlreichen Anwendungen nicht zufriedenstellend. Seitens der Industrie und auch der Forschungsgemeinschaft besteht daher der Bedarf, bessere Authentifizierungsverfahren zu entwickeln. Die Erforschung einer neuen Authentifizierungsmöglichkeit für eine industrielle Anwendung bildet den Hauptteil der vorliegenden Arbeit. Die in dieser Arbeit erarbeitete Authentifizierungsmethode basiert auf der Verwendung von zeitbasierten Einmalschlüsseln, die über eine speziell entwickelte App im Smartphone des Benutzers generiert werden. Dabei findet eine beidseitige und eine Zwei-Faktor-Authentifizierung statt. Die Authentifizierungsinformationen werden zudem über die Verbindung des Smartphones an den Server übertragen. Die Lösung weist somit eine hohe Benutzerfreundlichkeit, starke Sicherheit und geringe Betriebskosten auf. Diese Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestätigt und in einer Benutzerstudie nachgewiesen. Darüber hinaus wurde in der Arbeit gezeigt, wie die entwickelte Authentifizierungslösung in eine IT-Sicherheitsarchitektur eines Werkes integriert werden kann. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung der IT-Sicherheit in der produzierenden Industrie und kann für die Institute der angewandten Forschung sowie auch für die Entwicklungsabteilungen der Industrieunternehmen von Bedeutung sein.Item Open Access Untersuchung adhäsiver Fügeverfahren zur Herstellung hartmetallbestückter Verbundkreissägeblätter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Stroka, Michael; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Einsatzfähigkeit der Klebtechnik für Verbundkreissägeblätter für die Bearbeitung von Holz(werk)- und Kunststoffen sowie Aluminium zu untersuchen. Durch den Einsatz des wärmearmen Klebens ergibt sich die Möglichkeit, neue Schneidstoffe oder bereits geschliffene und beschichtete Hartmetallzähne anzuwenden. Weiter wird das Stammblatt thermisch weniger beeinflusst, wodurch der Nacharbeitsaufwand reduziert werden kann. Anhand von experimentellen Sägeversuchen werden die mechanischen Anforderungen in Form der Schnittkräfte und damit die resultierende Beanspruchung in der Fügestelle ermittelt. Diese Randbedingungen werden bei der Auswahl möglicher Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen berücksichtigt. Durch zerstörende Prüfung geklebter Proben werden die Einflüsse der Klebstoffe und Oberflächenbehandlungen auf die Festigkeit untersucht und geeignete Kombinationen abgeleitet. Die Entwicklung einer Automatisierungstechnik im Labormaßstab führt die Arbeit fort. Eine Betrachtung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials geklebter Ver-bundkreissägeblätter sowie die Erarbeitung eines Optimierungsansatzes zur Spannungsreduzierung in der Klebfuge mittels FE-Methoden schließen die Arbeit ab. Die Versuche haben gezeigt, dass mit Hilfe eines einkomponentigen Epoxidharzklebstoffs und Korund sowie lasergestrahlten Zähnen einsatzfähige Klebverbindungen realisiert werden können, welche sowohl dem Schleifen als auch einem Zerspanversuch standhalten. Durch die entwickelte Automationslösung kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Klebfestigkeit erzielt werden. Die FE-Analysen zeigen, dass die Beanspruchung in der Klebung durch angepasste Geometrien der Zahnsitze reduziert werden können. Der Vergleich der Herstellkosten des Fügeprozesses für ein Werkzeug zeigen, dass ein hohes Potenzial für einen wirtschaftlichen Einsatz besteht, wenn die gesamte Prozesskette umgestaltet wird. Dies wird erst durch den Wechsel der Fügetechnologie von Löten auf Kleben ermöglicht.Item Open Access New manufacturing and integration methods of CNT-based ionic EAP actuators and their application potential in adaptive building envelopes(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Neuhaus, Raphael; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Im Bauwesen kommt leichten und adaptiven Gebäudehüllen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung des globalen Ressourcenverbrauchs und der damit einhergehenden Emissionen zu. Adaptive Gebäudehüllen benötigen smarte Materialien und intelligente Steuerungssysteme, um ihre bauphysikalischen Eigenschaften wie z.B. ihre Atmungsaktivität als Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Ionische elektroaktive Polymere (IEAP) besitzen die Fähigkeit zur kontrollierbaren materialintrinsischen Verformung und stellen eine potenzielle Aktortechnologie für solche Anwendungen dar. IEAPs werden oft auch als „künstliche Muskeln“ bezeichnet und sind seit über zwei Jahrzehnten Gegenstand der Erforschung flexibler und nachgiebiger Stellantriebe. Sie reagieren mit teils großen Auslenkungen auf kleine elektrische Spannungen und wurden bereits für Soft-Robotik-Anwendungen und mikrofluidische Systeme vorgeschlagen. Bis heute sind sie jedoch vorwiegend Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und wurden trotz ihrer interessanten Eigenschaften noch nie für den Einsatz in Gebäuden angepasst. Ihr komplexer Herstellungsprozess, ihre hochentwickelten Materialzusammensetzungen, ihre bislang unzureichenden Leistungsmerkmale und ihre Empfindlichkeit gegenüber Umweltfaktoren standen einer kommerziellen Verbreitung in neuen Anwendungsbereichen bisher entgegen. Als jüngster Vertreter unter den IEAP weisen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) basierte Polymeraktoren einige vorteilhafte Eigenschaften auf, wie z.B. eine gute Kraftübertragung, Funktionsfähigkeit in Luft, integrierte Sensorfunktionalität, absolute Geräuschlosigkeit und eine vergleichsweise einfache Herstellung. In dieser Arbeit werden kosteneffiziente Materialzusammensetzungen, schnelle und skalierbare Herstellungstechniken und neue Integrationsmethoden für CNT-Aktoren untersucht. Zunächst wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung angewendet, um optimierte Materialzusammensetzungen und Dispersionsparameter zu finden, die zur Erzeugung stabiler Nanomaterialdispersionen benötigt werden. Dabei wurden verschiedene Ersatzwerkstoffe eingesetzt, die entweder weniger toxisch oder kostengünstiger als die bisher verwendeten Materialien sind. Insgesamt wurde eine Verkürzung der Dispersionszeiten um bis zu 90% sowie eine Reduzierung der Materialkosten um bis zu 85% ohne größere Einbußen bei der Funktionalität erreicht. In einem zweiten Schritt wurden automatisierbare Druckverfahren wie das mehrlagige Schlitzdüsenbeschichten erfolgreich getestet, wodurch großflächige Elektrodenschichten in deutlich kürzerer Zeit und mit verbesserter Schichtdickenhomogenität hergestellt werden konnten. Des Weiteren wurden neuartige Verfahren für eingebettete elektrische Anschlüsse (Heißpressen), für den Zusammenbau der Aktoren (Kalandrieren) und für eine automatisierbare Aktorverkapselung (Tauchbeschichten) untersucht und teilweise bis zum Technikumsmaßstab weiterentwickelt, so dass sich nun stabile Aktoren mit reproduzierbaren, wenn auch moderaten Leistungseigenschaften herstellen lassen. Zwei experimentelle Demonstratoren wurden entworfen und gebaut, um das Aktor- und Sensorverhalten von CNT-basierten IEAP zu untersuchen, die in eine Stoffmembran integriert sind. Simulationsgestützte Entwurfsansätze umfassten die Evaluierung der Aktuierungskinematik von IEAP-getriebenen Membranöffnungen und Blenden sowie ein Konzept für die Positionierung und Verteilung von Aktoren auf der Membran. Umfangreiche Demonstratortests haben gezeigt, dass eine praktikable und zuverlässige Integration solch komplexer elektrochemischer Aktoren eine Herausforderung bleibt, insbesondere, weil ihre Leistungseigenschaften noch stark von nicht anwendungsbezogenen Faktoren abhängen. Zum Beispiel kann die Diffusion ionischer Flüssigkeiten aus den Aktor-Elektroden in die Leiterbahnen zu unterschiedlichen elektrischen Übergangswiderständen führen, die nur schwer zu kontrollieren sind und somit Unterschiede im Zeitverhalten und in der Lebensdauer der einzelnen Aktoren verursachen können. Die Hauptmotivation für diese Arbeit war es, die allgemeine Praxistauglichkeit von IEAP-Aktoren und -Sensoren voranzutreiben und ihr Potenzial als intelligentes Material für adaptive Gebäudehüllen zu untersuchen und zu veranschaulichen. Somit stellt diese Arbeit den ersten experimentellen Ansatz dar, die IEAP-Technologie in einer gebäudebezogenen Anwendung einzusetzen.Item Open Access Optimierung des Rührreibschweißprozesses zur Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit beim Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen am Beispiel von Polypropylen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schuster, Manuel; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Kunststoffe gehören zu den bedeutendsten Werkstoffen der letzten Jahrzehnte. Bedingt durch den stetigen Zuwachs erfahren auch die Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse eine permanente Weiterentwicklung. Aus diesem Grund sind die Anpassung und Neuentwicklung anforderungsspezifischer Fügeverfahren von großem Interesse. Das Rührreibschweißverfahren konnte sich beim Verschweißen metallischer Fügepartner im industriellen Umfeld bereits etablieren. Beim Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe ist der Entwicklungsstand trotz des hohen Potentials des Verfahrens noch der Grundlagenforschung zuzuordnen. Eindeutige Entwicklungstrends sind nicht erkennbar. Auch etablierte Prozesstechnik ist am Markt nicht verfügbar. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Forschungsarbeit auf eine vollständig eigenentwickelte Prozesstechnik zurückgegriffen, die auf dem Stand der Forschung und eigenen Voruntersuchungen beruht. Eingesetzt wird ein modulares Werkzeugkonzept mit stehender Werkzeugschulter, welches den schnellen Austausch der zu untersuchenden Werkzeugbestandteile ermöglicht. Die Schweißversuche werden an im Stumpfstoß geschweißtem Polypropylen-Plattenmaterial durchgeführt. Ziel der Untersuchung ist die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit durch die Reduktion des Rührzonenvolumens. Beide Optimierungsziele einzuhalten setzt voraus, dass sich die durch das Werkzeug eingeleitete thermische Energie nicht proportional zum Rührzonenvolumen verhält. Um dies zu untersuchen, werden verschiedene Schweißstiftgeometrien analysiert. Neben den experimentellen Schweißversuchen wird zudem eine modellbasierte Simulation zur Werkzeugauslegung angewandt.Item Open Access Bohrbearbeitung von Stahl und CFK unter Einsatz von Minimalmengen-Trockenschmierung auf Basis von Graphit(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Beckenlechner, Robert; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, den Schmiereffekt eines neuartigen Kühlschmierverfahrens auf Basis von Graphit für die Bohrbearbeitung von Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu untersuchen. Sekundäres Ziel ist die Bereitstellung einer Methode zur systematischen Bestimmung des sich im Bohrprozess einstellenden Reibungskoeffizienten mit Schmierstoffeinsatz. Anhand von Sprühtests werden das Prozessfenster der aufgebauten Trockenschmieranlage ermittelt sowie signifikante Faktoren auf die ausströmenden Schmierstoffmengen identifiziert. Zum Nachweis des Schmiereffekts werden der Bohrerverschleiß und die Zerspankraftkomponenten während realer Bohrversuche betrachtet. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode basiert auf der Kombination tribologischer Modellversuche, FEM-Bohrsimulationen und experimentellen Bohrversuchen. Mit steigendem Luftvolumenstrom nimmt der Graphitmassenstrom annähernd linear zu. Dabei kann mit kugelförmigem Graphitpulver ein deutlich höherer Graphitmassenstrom als mit plättchenförmigem erzielt werden. Die Zugabe von Siliziumdioxid als Antiagglomerat hat einen negativen Effekt auf den Graphitausstoß. Während beim Bohren von CFK keine eindeutige Schmierwirkung mit Graphiteinsatz erkannt wird, kann diese bei Stahl anhand signifikant geringerer Schnittkräfte und deutlich geringerem Bohrerverschleiß nachgewiesen werden. Eine H2O-Anreicherung der Leitungsdruckluft hat im untersuchten Prozessfenster keinen Einfluss auf die Schmierwirkung des Graphits. Die Methode zur Bestimmung des realen Reibungskoeffizienten während des Bohrprozesses funktioniert im Beispiel des vorgestellten Trockenschmierverfahrens gut.Item Open Access Authentifizierungsverfahren auf Basis von Selbstbeschreibungsmerkmalen cyber-physischer Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stock, Daniel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Cybersicherheit und die hierfür notwendigen Authentifizierungsverfahren gewinnen in einer zunehmend vernetzten Produktion zwingend an Bedeutung. Diese Vernetzung führt zur Entstehung neuer Angriffsvektoren, die ein Risiko für die IT-Sicherheit im industriellen Umfeld und somit auch für die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit technischer Systeme darstellen. Neben der Absicherung der Netzwerke und Zugriffs-beschränkter Bereiche stellt sich hier die Frage, ob ein cyber-physisches Produktionssystem als Entität, die Zugriff auf eine andere Ressource oder Zutritt zu einem geschützten Bereich einer Infrastruktur anfragt, auch diejenige ist, die sie mittels ihrer digitalen Identität vorgibt zu sein. Die Authentifizierung der Identität einer Entität kann mit aufwendigen technischen und organisatorischen Mitteln dargestellt werden. Jedoch besteht hier ein Zielkonflikt zwischen Funktionalität, Benutzbarkeit und Sicherheit. Die physischen Komponenten von CPPS werden durch den technischen Fortschritt getrieben immer leistungsfähiger und intelligenter. Ihre Fähigkeiten können durch zusätzliche Dienste im “Cyberspace“ beliebig skalieren. Sie verfügen so über immer komplexere Self-X-Fähigkeiten, die ihren Autonomiegrad erhöhen. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach wie eine CPPS-Selbstbeschreibung, also die Self-X-Fähigkeit Informationen über sich selbst zu übermitteln, dazu genutzt werden kann für dieses CPPS eine sichere Identität zu schaffen, die auf ihren Selbstbeschreibungsmerkmalen basiert. Der Beitrag der Arbeit liegt hierbei auf der Beschreibung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Umsetzung von Authentifizierungsverfahren auf Grundlage von Selbstbeschreibungsmerkmalen, die als zusätzliche Maßnahmen im Rahmen einer „Defense-in-Depth“-Strategie eingesetzt werden können.Item Open Access Analyse der Dispositionskomplexität in der wertstromorientierten Variantenfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Ungern-Sternberg, Roman; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In Produkt-Produktionssystemen bedingen sich Systemstruktur und verhalten gegenseitig. Die vorherrschende Vielfalt und Dynamik in der Variantenfertigung stellt bestehende, für die Serienfertigung entwickelte Verfahren wie die Wertstromanalyse vor methodische Herausforderungen. In der Arbeit wird eine Methode zur Analyse der internen Dispositionskomplexität in der wertstromorientierten Variantenfertigung entwickelt. Theoretische Grundlage der Methode ist die Systemtheorie. Das Grundmodell zur detaillierten Beschreibung von Struktur und Verhalten basiert auf den drei zentralen Klassen Artikel, Auftrag und Arbeitssystem sowie bekannten logistischen Theorien. Die zielgerichtete und systematische Analyse orientiert sich an günstigen Systemeigenschaften, welche aus bestehenden Gestaltungsansätzen synthetisiert wurden. Mit Hilfe des iterativen Vorgehens lässt sich der Erfüllungsgrad der jeweiligen Eigenschaften ermitteln. Die Priorisierung möglicher Abweichungen erfolgt engpassorientiert anhand von fünf Engpassarten. Die zwei aufeinander aufbauenden Visualisierungen Produktnetz und Wertstrom dienen der Kommunikation und übersichtlichen Darstellung der Analyseergebnisse. Schwerpunkte der Analyse bilden die beiden logistischen Zieldimensionen Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Die quantitative Analyse der Dispositionskomplexität erfolgt schrittweise in insgesamt zehn, auf bekannten Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen aufbauenden Einzelanalysen. Die innere Konsistenz wird anhand der entwickelten zwölf günstigen Systemeigenschaften geprüft. Zudem wird die Methode anhand unabhängiger Anforderungen an Methoden zur Komplexitätsbewältigung geprüft. Die Methode erfüllt diese im Bereich der quantitativen Analyse vollumfänglich. Das abschließende Fallbeispiel aus der Fahrzeugzulieferindustrie zeigt die Praxistauglichkeit der Methode für eine wertstromorientierte Variantenfertigung.Item Open Access Entwicklung eines datenbasierten Prozesses zur Steuerung der Auftrags- und Planungssysteme in der variantenreichen Serienproduktion unter Unsicherheit(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Dürr, Simon; Huber, Marco (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.)Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zur Befriedigung der Kundennachfrage ist das Angebot eines hohen Individualisierungsgrades der Produkte. Als Konsequenz der zunehmenden Produktvielfalt steigt die Anzahl potentieller Kunden, jedoch sinkt das Produktionsvolumen pro Variante. Flexible und robuste Planungs- und Abwicklungssysteme sowie ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit sind daher essentiell. Mass Customization - maßgeschneiderte Massenfertigung - hat sich durch die Orientierung der Produktion an den tatsächlichen Kundenanforderungen als erfolgreiche Methode erwiesen, um die Herausforderungen eines dynamischen Umfeldes zu bewältigen und eine hohe Kundenzufriedenheit zu gewährleisten. Die Entwicklungen zu einem noch höheren Grad an Individualisierung oder Personalisierung sowie der zunehmende globale Wettbewerb erfordern von den Unternehmen Wandlungsfähigkeit und einen strategischen Umgang mit der auftretenden Komplexität und Dynamik. Eines der Ziele in der variantenreichen Serienproduktion ist es, möglichst effizient zu planen, um die richtige Ableitung des Materialbedarfes zu ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, möglichst frühzeitig zukünftige Kundenwünsche zu antizipieren. Das Konzept der Planaufträge kann dazu beitragen, die Stabilität über die Prozesskette zu erhöhen und Kundenwünsche zu antizipieren. Zur Erhöhung der Stabilität und der Flexibilität, sowie der intelligenteren Antizipation von zukünftigen Kundenbedarfen wird ein datenbasiertes System zur Steuerung der Planungs- und Abwicklungssysteme unter Anwendung des Konzeptes des Planauftrages entwickelt. In diesem Zusammenhang wird erforscht, ob datenbasierte Methoden trotz komplexer Umweltfaktoren und Unsicherheiten einen resilienten Prozess von der Planung des Materialbedarfes, über die Einplanung der Aufträge bis zur Zuordnung zu einem Kunden sicherstellen können und welche Verbesserung dieser Prozess im Gegensatz zu den aktuellen Verfahren aufweist. Im Rahmen der Arbeit werden daher, unter Berücksichtigung von Skalierungs- und Echtzeitprämissen, verschiedene datenbasierte Verfahren konzipiert und prototypisch implementiert. In diesem Zusammenhang wird ein Modul zur Generierung von vollständig spezifizierten und baubaren Produktkonfigurationen auf Basis von Vertriebs-, Entwicklungs- und Marktdaten, ein Modul zur optimalen Einplanung dieser Konfigurationsvorschläge unter Berücksichtigung von Material- und Kapazitätsgrenzen sowie ein Modul zur Zuordnung von realen Kundenaufträgen zu Planaufträgen algorithmisch entwickelt. Neben den genannten Modulen werden ein Kennzahlensystem zur Bewertung der Planaufträge und zur Validierung des Gesamtsystems sowie ein Rekalibrierungsalgorithmus zur permanenten Überwachung und Optimierung des Gesamtsystems konzipiert. Die Methode wurde im Rahmen von anwendungsnahen Praxisbeispielen der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG validiert. Im Zuge dessen konnte gezeigt werden, dass ein Prozess zur integrierten Steuerung der Planungs- und Abwicklungsprozesse geschaffen wurde, welcher mit den Herausforderungen einer dynamischen Umwelt umgehen und gleichzeitig die Berechnungskomplexität durch den Einsatz intelligenter datenbasierter Technologien adäquat abbilden kann. Der vorgestellte Ansatz zeigt somit seine Eignung für den praktischen Einsatz in der variantenreichen Serienproduktion.
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