Universität Stuttgart
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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 Enzyme-assisted circular additive manufacturing as an enabling technology for a circular bioeconomy : a conceptual review(2024) Protte-Freitag, Kristin; Gotzig, Sophia; Rothe, Hannah; Schwarz, Oliver; Silber, Nadine; Miehe, RobertAdditive manufacturing (AM) is a decisive element in the sustainable transformation of technologies. And yet its inherent potential has not been fully utilized. In particular, the use of biological materials represents a comparatively new dimension that is still in the early stages of deployment. In order to be considered sustainable and contribute to the circular economy, various challenges need to be overcome. Here, the literature focusing on sustainable, circular approaches is reviewed. It appears that existing processes are not yet capable of being used as circular economy technologies as they are neither able to process residual and waste materials, nor are the produced products easily biodegradable. Enzymatic approaches, however, appear promising. Based on this, a novel concept called enzyme-assisted circular additive manufacturing was developed. Various process combinations using enzymes along the process chain, starting with the preparation of side streams, through the functionalization of biopolymers to the actual printing process and post-processing, are outlined. Future aspects are discussed, stressing the necessity for AM processes to minimize or avoid the use of chemicals such as solvents or binding agents, the need to save energy through lower process temperatures and thereby reduce CO2 consumption, and the necessity for complete biodegradability of the materials used.Item Open Access Strategische Planung von Produktionskompetenzen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Balzer, Viktor; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Der Wandel des Konsumverhaltens und disruptive Geschäftsmodelle im Sinne von Business-to-User führen zu einem Wettbewerb um den Kundennutzen. Die Produktion befindet sich in einem Wandel hin zu einer nutzenzentrierten Produktion in einem Wettbewerb, der heute zusätzlich aus mehreren kleineren und finanzstarken Wettbewerbern besteht, die vorhandene Ansätze der Produktion und Werterzeugung traditioneller Industrieunternehmen herausfordern. Unternehmen müssen daher in der Lage sein, ihre Innovationskraft noch spezifischer und agiler in Kundennutzen zu transformieren. Verschiedene Studien des Fraunhofer IPA, der McKinsey & Company, der Boston Consulting Group und der PwC verdeutlichen, dass trotz der hohen Dynamik und Wettbewerbssituation Ressourcen und Investitionen nicht mit der entsprechenden Agilität oder ohne strategischen Bezug allokiert werden. Demnach überleben zwei Drittel aller Unternehmen industrielle Disruptionen nicht. Die Studien verdeutlichen, dass das Management nicht weiß, wo und in welchen Größenordnungen Ressourcen nutzenstiftend allokiert werden sollen. Des Weiteren werden Entscheidungen durch kognitive und organisatorische Verzerrungen der Risikobewertung beeinträchtigt. Zur Lösung dieses Problems ist in dieser Arbeit eine Methodik zur strategischen Planung von Produktionskompetenzen entwickelt worden, die folgende konkrete Bedarfe adressiert: • Lokalisierung und Bewertung wettbewerbsrelevanter und nutzenstiftender Produktionsressourcen, • agile Produktionsressourcen- und Investitionsallokation im Kontext nutzenzentrierten Wettbewerbs, • objektivierte und dynamische Bewertung von Investitionsentscheidungen. Die Methodik besteht in Anlehnung an Patzaks Modelltheorie aus einem Erklärungs-, einem Prognose- und einem Entscheidungsmodell. Das Erklärungsmodell bildet ein generisches Fit-Modell ab. Durch das generische Fit-Modell können nutzenstiftende und wettbewerbsrelevante Ressourcen gebündelt in Form von Produktionskompetenzen unabhängig von konkreten Strategien generisch lokalisiert werden. Das generische Fit-Modell wird mit dem Prognose- und Entscheidungsmodell auf strategische Initiativen instanziiert. Die strategischen Initiativen werden durch ein Bündel aus Realoptionen modelliert. Im Ergebnis können so Veränderungen der Wettbewerbsposition einzelner Produktionskompetenzen in Form von strategischen Initiativen monetär bewertet, ex ante formiert und ex post für den Fall der emergenten Entstehung formalisiert werden. Aufgrund der hohen Praxisorientierung dieser Arbeit wird das Modell als Software in Form einer Software as a Service (SaaS) implementiert. Die Methodik wurde am Beispiel eines Unternehmens zur Herstellung personalisierter Kosmetikprodukte auf ihre Praxistauglichkeit hin untersucht. Unternehmen werden befähigt agil, auf Nutzen- und Wettbewerbsveränderungen zu reagieren und Ressourcen in Form von strategischen Initiativen nutzen- und wettbewerbsorientiert zu allokieren.Item Open Access Toward bridging the gap to humans: a human-inspired scene perception model for multi-functional service robots(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Graf, Florenz; Huber, Marco (Prof. Dr.-Ing. habil.)The long-term vision in robotics is to empower multi-functional service robots with human-like capabilities, enabling them to handle multiple complex tasks in open-world settings. Perception provides the information basis for every cognitive function, making a holistic and long-term understanding of the environment essential. From this, research questions arise that investigate how the necessary scene information can be determined, fused, organized, and analyzed so that robots can perceive the environment holistically. This thesis aims to develop a human-inspired scene perception model to close the gap towards human-like skills. The methodology draws inspiration from neuroscience, leveraging fundamental concepts of perception and applying them to mobile robots. This process involves selecting relevant principles from robot and human perception domains, culminating in a holistic solution. The developed approach emulates the three-part division of perception pre-sented in popular neuroscience studies: recognition, which makes sensory data under-standable; knowledge representation, enabling the storage of perceived information in a structured manner; and interpretation, facilitating the meaningful utilization of the acquired scene knowledge. The approach employs 3D segmentation to separate the scene background from the foreground, mimicking humans’ preattentive and postattentive pro-cessing. While the background is initially reconstructed based on simple 3D shapes, the foreground is given concentrated processing of distinct regions, i. e., segmented instances. The approach integrates newly developed components with a popular 2D bounding-box-based object detector and a feature-based 3D SLAM to leverage the performance. Specifically, detected objects are merged with 3D foreground segments and input into a multi-object tracking pipeline, consolidating detections into spatially located instances. The entire scene knowledge, including instance detections, aggregated instances, and the spatial map, is represented in a knowledge base. Scene analysis techniques use this comprehensive knowledge to adapt the perception during runtime. Two key features have been implemented: a determination of object properties and spatio-temporal analysis to extract the spatial distribution of objects based on heatmaps. Experiments in two simulated and one real-world environment deploy a novel benchmark for repetitively executing fetch-and-carry tasks with a single-setting ablation study to pinpoint the perceptual performance of each component. The background-foreground split accelerates the recognition by 70 %. The multi-object-tracking pipeline obtains valuable object knowledge that significantly increases the success rates from 20 % up to 100 % and empowers scene analysis techniques to accelerate the scenario up to 61 % when objects of interest are in distinct areas. The experiments highlight that a human-inspired perception enhances the robot’s efficiency and safety, underlining the potential of the approach to empower multifunctional service robots with human-like capabilities.Item Open Access Untersuchung zum Zusammenhang von Zerspankräften und Delamination beim Kreissägen von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Mayer, Tim; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Der vermehrte Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in unterschiedlichen Branchen führt zu steigenden Produktivitätsanforderungen und dem Bedarf nach neuen Entwicklungen, sowohl im Bereich der Bearbeitungswerkzeuge als auch der Bearbeitungsprozesse selbst. Im Gegensatz zu vielen anderen Bearbeitungsverfahren besteht bei der Kreissägebearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) noch eine erhebliche Wissenslücke in Bezug auf die Einflüsse der unterschiedlichen Prozess-, Werkzeug- und Materialparameter auf die wirkenden Zerspankräfte und das Schädigungsverhalten. Auf Basis einer grundlegenden Auswertung des wissenschaftlichen und technischen Stands erfolgte eine experimentelle Analyse der Einflüsse von unterschiedlichen Parametern auf die Zerspankräfte wie auch auf das Delaminationsverhalten bei der Kreissägebearbeitung von CFK. Dabei wurden sowohl Werkzeugparameter wie Zahnform, Zähnezahl oder Schnittbreite als auch Prozess- und Materialparameter wie Faserorientierung der Decklagen systematisch betrachtet. Es konnten eindeutige Unterschiede zur Bohr- und Fräsbearbeitung wie die geringe Neigung zu Ausfransungen, das Fehlen der Eintritts-Delamination und dagegen der hohe Einfluss des Austrittswinkels der Schneiden auf die Delamination nachgewiesen werden. Im Bereich des Werkzeugverschleißes, der grundsätzlichen Delaminationsmechanismen und der Zerspankräfte konnte eine Übertragbarkeit bisheriger wissenschaftlicher Forschungsergebnisse aufzeigt werden. Durch das Zusammenführen der Ergebnisse und die anschließende Analyse konnte festgestellt werden, dass kein universeller Zusammenhang zwischen wirkenden Prozesskräften und dem Auftreten wie auch der Ausprägung der Delamination als maßgeblicher Schädigungsmechanismus bei der Kreissägebearbeitung besteht. Darüber hinaus konnte aufzeigt werden, dass einfache Modelle zur Berechnung der Zerspankräfte für CFK grundsätzlich umsetzbar sind, jedoch aufgrund von Materialeinflüssen wie auch verfahrensspezifischen Einflüssen immer nur eine eingeschränkte Aussagekraft besitzen.Item Open Access Methode zur Bewertung des Potenzials der Additiven Fertigung hinsichtlich der Änderungsflexibilität im Produktlebenszyklus eines Automobils(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Kratzer, Markus Johannes; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die Additive Fertigung, auch Additive Manufacturing (AM) genannt, ist im Automobilbau zur Herstellung von Endprodukten noch nicht etabliert. Bauteiländerungen sind im Produktentstehungsprozess eines Automobils stark verbreitet, verursachen hohe Kosten und haben weitere negative Zusatzeffekte. Änderungsflexibilität im weiteren Produktlebenszyklus ist auch, etwa bei Updates und Personalisierungen, von Vorteil. Der Additiven Fertigung wird Änderungsflexibilität unterstellt. In der Arbeit wird eine Methode entwickelt, um das Potenzial der Additiven Fertigung hinsichtlich der Änderungsflexibilität im Produktlebenszyklus zu bewerten, sodass dieses Potenzial bei der Serientechnologieentscheidung eines Bauteils berücksichtigt werden kann. Nachdem Ausgangssituation, Problemstellung sowie die Zielstellung und Forschungsfragen dargelegt wurden, werden die Grundlagen der Additiven Fertigung, des Produktlebenszyklus im Automobilbau und des Änderungsmanagements beschrieben. Anschließend wird anhand von zwei Studien zu Änderungen im Produktentstehungsprozess (Sekundärdatenbasiert und Experteninterviews) sowie einer Studie zu Potenzialen von Änderungsflexibilität im Produktlebenszyklus (Experteninterviews) die Relevanz des Themas bestätigt. Basierend auf den Grundlagen und den Studien werden Anforderungen an das Methodenkonzept abgeleitet. Die Methode besteht aus zwei Bausteinen, um das Potenzial der Additiven Fertigung als Serientechnologie hinsichtlich der Änderungsflexibilität von Bauteilen im Produktentstehungsprozess und im weiteren Produktlebenszyklus a priori zu bewerten. Zur Bewertung des Änderungsbedarfs und der Änderungsflexibilität eines werkzeuggebundenen Bauteils im Produktentstehungsprozess wurden Prognosemodelle entwickelt, die auf Sekundärdaten beruhen. Zur Bewertung der Änderungsflexibilität einer AM-Version wurden expertenbasierte Prognosemodelle entwickelt, da bei AM zum heutigen Stand keine Änderungsdaten vorliegen. Um Bauteile zu identifizieren, die Änderungsflexibilität im Lebenszyklus nach Serienstart benötigen, werden Innovationsideen auf Grundlage aktueller Trends identifiziert und darauf basierend Bauteile ausgewählt. Die Funktionsfähigkeit der Methode konnte anhand von Anwendungsbeispielen bestätigt werden.Item Open Access Ein Beitrag zur modellgestützten biomechanischen Einordnung und Auslegung arbeitsergonomischer Exoskelette(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tröster, Mark; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Eine große Herausforderung für Industrienationen ist die Sicherstellung der effektiven, nachhaltigen und menschgerechten Wertschöpfung in einer Gesellschaft im demographischen Wandel. Arbeitsergonomische Exoskelette versprechen flexible Entlastung bei physisch anspruchsvollen Tätigkeiten. Sie bieten Chancen zur Gestaltung attraktiver und menschzentrierter Arbeit. Dennoch ist die präventive Wirkung und deren zugrundeliegenden biomechanischen Wirkmechanismen zur Reduktion von muskuloskelettalen Beschwerden noch nicht hinreichend verstanden. Diese Arbeit leistet deshalb einen Beitrag zur biomechanischen Einordnung und Auslegung unter Verwendung von muskuloskelettalen Menschmodellen. Der entwickelte modellbasierte Lösungsansatz, eingebettet in einem iterativen Vorgehensmodell, kombiniert Exoskelett- und Menschdynamik und erlaubt damit Anwendungs-, Bewegungs- und Exoskelett-Charakteristika in einem System zu untersuchen. In der ersten Anwendung wurden den Rücken beanspruchende Tätigkeiten mit einem generischen Exoskelett-Modell anhand sportphysiologischer und anwendungsorientierter Bewegungen untersucht. Die Analyse zeigt in der Lumbalkompression, Metabolik und einem biomechanischen Beanspruchungsscore des unteren Rückens sich charakteristisch unterscheidende Wirksamkeitstendenzen beeinflusst durch Bewegungstechnik, Unterstützungsintensität und Anwendungsrandbedingungen. In der zweiten Anwendung wurde in einer Anwendungs- und Bewegungsanalyse eine Schulterunterstützung auf eine manuelle Schub-, Zug- und Überkopfbewegung ausgelegt und verbessert. Dabei wurde der Schultermechanismus hinsichtlich lokaler und globaler biomechanischer Beanspruchung und Schulterstabilität angepasst und eingeordnet. In der abschließenden Validierung des Lösungsansatzes wurden anhand zweier Ansätze modellierte und gemessene Muskelbeanspruchungen und Interaktionskräfte in der mechanischen Exoskelett-Mensch-Schnittstelle verglichen. Die Ergebnisse zeigen im Trend eine Übereinstimmung der Modelle für höher beanspruchte Muskelpartien und Schnittstellenmodellierung mit und ohne Berücksichtigung von mechanischen Schnittstellensteifigkeiten.Item Open Access Hybride Segmentierungsstrategie für das Produktprogramm im Maschinenbau(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Mößner, Philipp; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Bedingt durch eine zunehmende Wettbewerbsintensität verbessern Unternehmen des Maschinenbaus kontinuierlich das Leistungsangebot ihrer Produkte. Oftmals werden dabei neue Funktionalitäten entwickelt und Qualitätsverbesserungen vorangetrieben, deren Umsetzung potenziell zu einer Übererfüllung des Leistungs- und Preisanspruchs bestimmter Kundengruppen führen kann. Diese Konstellation begünstigt einen Wechsel der Kunden zu preiswerteren Mitbewerbern und offenbart sich in einem Verlust von Marktanteilen. Das übergeordnete Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung einer Methodik zur Gestaltung einer hybriden Segmentierungsstrategie für das Produktprogramm im Maschinenbau. Mit der entwickelten Methodik können Unternehmen den oft unterschiedlichen Leistungs- und Preisanspruch im Markt identifizieren, homogene Marktsegmente ableiten sowie ihre Produkte hinsichtlich Kosten- und Differenzierungsvorteilen modifizieren. Die Arbeit verfolgt einen explorativen Forschungsansatz mit einem heuristischen Bezugsrahmen. Ein systematisches Literaturreview leitet Unterscheidungskriterien technischer Produkte aus unterschiedlichen Marktschichten her und detailliert den Bezugsrahmen. Zudem basiert der Ansatz auf abgeleiteten Prinzipien und Partialmodellen. Das erste Partialmodell beschreibt die tatsächliche und mögliche Maschinennutzung von Kunden und Nicht-Kunden in Marktsegmenten. Im zweiten Modell werden Wettbewerbsstrategien für die identifizierten Marktsegmente sowie Implikationen für eine Produktmodifikation bestimmt. Diese werden im dritten Modell anhand der Unterscheidungskriterien sowie einer strategiekonformen Identifikation und Auswahl von Lösungsalternativen umgesetzt. Aus den sechs im Anwendungsfall präsentierten Lösungsalternativen wurde ein präferiertes Lösungskonzept ausgewählt, welches erhebliche Kosten- und Differenzierungsvorteile im Vergleich zum vorhandenen Produkt aufweist.