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 Entwicklung eines effizienten, auf Stereolithographie basierenden additiven Fertigungsprozesses zur Herstellung hochgefüllter Grünkörper(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Springer, Patrick; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines effizienten, auf Stereolithographie basierenden additiven Fertigungsprozesses zur Herstellung hochgefüllter Grünkörper. Zusätzlich sollte ein praktischer Nachweis der Anwendbarkeit im Labormaßstab erbracht und eine Abschätzung der erreichbaren Effizienz vorgenommen werden. Innerhalb der Arbeit wurde ein Gesamtprozess konzipiert, der parallelisierbar und skalierbar ist und somit ein hohes Effizienzpotenzial besitzt. Auf dieser Basis wurden die zugrundeliegenden Teilprozesse Materialauftrag und Glättung untersucht, entsprechende Aufbauten entwickelt und optimiert sowie die notwendige Prozessentwicklung betrieben. Im Anschluss wurden die Teilprozesse zu einem Gesamtprozess im Labormaßstab verkettet und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass mittels des Verfahrens Musterbauteile herstellbar sind und potenziell Aufbauraten erreicht werden können, die über denen liegen, die von aktuell verfügbaren kommerziellen Anlagen erreicht werden.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 Design of matrix production systems for the personalized production of mechatronic machine modules(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Foith-Förster, Petra; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Crisis-driven fluctuations of production volumes and the high number of variants in personalized production challenge production systems. To maintain their competitiveness production systems must be flexible, scalable and reconfigurable, and enable an efficient production of high volumes. Today’s prevalent mix-model production lines are dedicated to certain output quantities and a limited number of product variants. They are insufficient for personalized production in a turbulent business environment. This thesis provides a methodical system for designing matrix production systems. Matrix production systems consist of flexibly-linked process modules which are linked by a material flow only on demand. Each order pursues its own variant-specific path through the system. Due to their modular design, matrix production systems are able to integrate a variety of assembly and manufacturing processes to produce different product families in one system. The shared use of the process modules by a wide range of variants enables high utilization of investment-intensive production resources. A scaling of the output quantity or the integration of new variants is possible by functional adaptation or alteration of quantity of individual process modules with little impact on the overall system. The design method of the methodical system is based on the principles of Axiomatic Design. In a process-oriented approach, the process modules of a production system are first designed functionally and saved in a knowledge base for subsequent production system design projects. The process modules are specified for a specific functional scope according to the quantification of change barriers. To design a matrix production system suitable process modules are then selected for a specific production program and instantiated according to the capacity requirements of their functions in a flow-oriented layout. The methodical system specifies the design procedure and provides production system models and design criteria as decision support for production planners. It also specifies calculation rules for the selection of alternative solutions in the design process. Finally, an integrated evaluation method allows the comparison of alternative overall designs. The applicability and effectiveness of the methodical design system was validated with a production system design project at an electric motor manufacturer. This thesis thus makes a contribution to the competitive design of production systems.Item Open Access Rahmenwerk für digital transformierte Ganzheitliche Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Schumacher, Simon; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Ganzheitliche Produktionssysteme (GPS) sind unternehmensspezifische, methodische Regelwerke, die darauf abzielen, alle Unternehmensprozesse kontinuierlich auf die Kundenbedürfnisse auszurichten, um Unternehmensziele zu erreichen. Sie sind in Deutschland als Industriestandard etabliert. Die digitale Transformation hat erheblichen Einfluss auf bestehende GPS und deren Gestaltung. Für das Industrial Engineering ergeben sich neue Effizienzpotenziale, während die Komplexität, insbesondere im operativen Teil digital transformierter GPS, durch neue Methoden, Industrie-4.0-Technologien und Industrie-4.0-Use-Cases steigt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Rahmenwerks für das systematische Produktivitätsmanagement in digital transformierten GPS. Zur Ergründung des Untersuchungsbereichs wird in dieser Arbeit eine explorative Studie durchgeführt. Dabei werden wissenschaftliche Hypothesen in der industriellen Praxis getestet, der aktuelle Stand von Produktionssystemen in der Industrie ermittelt und Indikatoren zur Gestaltung zukunftsfähiger Produktionssysteme identifiziert. Darauf aufbauend wird ein Rahmenwerk für digital transformierte GPS konzipiert, mit drei Modulen entwickelt und als webbasierter Prototyp Toolbox »Lean 4.0« implementiert. Die Validierung des Rahmenwerks wird durch die Anwendung und Evaluierung der Toolbox »Lean 4.0« in Workshops mit 48 Expertinnen und Experten aus sieben produzierenden Unternehmen durchgeführt, welche die Praxistauglichkeit des Rahmenwerks bestätigen. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zum angewandten Forschungsfeld der systematischen Gestaltung zukunftsfähiger Produktionssysteme. Das Rahmenwerk für digital transformierte GPS bietet eine umfassende Wissensbasis mit praxisorientierten Anwendungsprozessen, die das Komplexitätsmanagement im Industrial Engineering verbessern und über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Durch Anwendung des Rahmenwerks kann die industrielle Praxis einen synergetischen Ansatz von GPS und Industrie 4.0 im unternehmenseigenen Produktionssystem umsetzen.Item Open Access Datenbasierte Bewertung kundeninduzierter Turbulenz in der volatilen Variantenfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Böhm, Markus; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die industrielle Fertigung unterliegt in ihrer Historie dem vielbeschworenen Wandel. Neu ist die bislang unerreichte Geschwindigkeit, mit der dieser vollzogen wird. Um effizient und flexibel fertigen zu können, sind heutige Produktionssysteme geprägt von hoher Dynamik. Direkte Folge daraus ist ein Mangel an Transparenz des Systemzustands, was Verhaltensprognosen zusätzlich erschwert. Wünschenswert sind Werkzeuge zur Kennzahlenprognose, um auf drohende Turbulenzen frühzeitig reagieren zu können. Produktionsdaten liegen dafür umfänglich vor. Doch können wir Systeme dafür ausreichend genau modellieren? Und nutzen wir die vorhandenen Daten zielgerichtet? Methoden des maschinellen Lernens können ein Ansatz sein, um Turbulenzen prognostizierend zu bewerten. Maschinelles Lernen wird vorwiegend auf statische Systeme angewendet. In solchen Systemen behalten angereicherte Datensätze über einen langen Zeitraum ihre Gültigkeit. Im Falle dynamischer Systeme gilt dies nicht und so sind Prognosen mit Hilfe herkömmlicher Produktionsmodelle kaum mehr möglich. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, Datensätze dynamischer Produktionssysteme für die Turbulenzprognose nutzbar zu machen. Das hier vorgeschlagene Vorgehen nutzt Entscheidungsbäume zur Turbulenzprognose. Hauptschwierigkeiten bei zuverlässigen Prognosen sind neben der Systemdynamik die zeitliche Latenz zwischen Ursache und Wirkung. Diesen soll mit Werkzeugen der Mathematik rechnergestützt begegnet werden. Damit trägt die Arbeit zum Verständnis für den Einsatz des maschinellen Lernens in der Produktion bei und kann später in der Anwendung bei Entscheidungsprozessen unterstützen. Validiert wird die Arbeit sowohl mit synthetischen Daten als auch mit einem realen Industriedatensatz.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.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 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 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.