Universität Stuttgart
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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 Entwicklung einer automatisierten Methode zur Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Fechter, Manuel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entscheidungsunterstützung im Zuge der Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Ressourcenauswahl und Arbeitsteilung bei der Planung einer Mensch-Roboter-Kollaboration. Ausgehend von einer hybriden Montage wird eine Methode entwickelt, die in der Lage ist, technisch und wirtschaftlich sinnvolle Systemalternativen zu generieren, quantitativ zu bewerten und iterativ zu optimieren. Mit diesem Vorgehen soll eine Entkopplung des Planungsergebnisses vom impliziten Erfahrungswissen und Kenntnisstand des Planers erreicht werden, um hybride Montagearbeitsplätze einem breiteren Anwendungskreis zugänglich zu machen. Dafür soll der zeitintensive, vorwiegend manuell ausgeführte Prozess der Recherche passender Ressourcen, der quantitativen und qualitativen Bewertung von Lösungsalternativen und die Zuordnung von Ressourcen auf Montageschritte automatisiert werden. Das entwickelte Vorgehen orientiert sich am V-Modell des Entwurfs mechatronischer Systeme der VDI-Richtlinie 2206 und greift auf Methoden der Informationsmodellierung und mathematischen Optimierung zurück. Die Methode berücksichtigt Anforderungen aus Sicht des zu montierenden Produkts, der Ausprägung der Montageprozesse sowie der gegebenen Rand- und Umweltbedingungen der Montage. Anhand identifizierter Optimierungskriterien des hybriden Montagearbeitsplatzentwurfs wird ein iteratives Vorgehen der multi-kriteriellen Optimierung entwickelt. Aufgrund des exponentiellen Wachstums des kombinatorischen Lösungsraums und der Annahme unvollständiger Daten- und Informationsmodelle werden vornehmlich heuristische Verfahren zur Optimierung der Systemlösungen verwendet.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 Gestaltungsrahmen von Business Ecosystems für Maschinenbauunternehmen im Kontext der digitalen Transformation(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Geitner, Richard E.; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In Folge der Digitalisierung verschmelzen Kundenbedürfnisse und das Nutzerverhalten sowie das Nutzenverständnis der Kunden verändern sich schneller. Wettbewerbsfähige Wertangebote erfordern einen größeren Lösungsraum und das Bündeln von Leistungen, die oft außerhalb der bestehenden Produktarchitektur, dem Kerngeschäft bzw. Wertschöpfungssystem, aber auch der Branche liegen. Dieser Prozess der digitalen Transformation verändert Wettbewerbssituationen, die Wertschöpfungsketten der Unternehmen, deren Kultur sowie das Verständnis von kooperativer Zusammenarbeit. Dabei entstehen Business Ecosystems (BES) zur Umsetzung von kundenzentrierten visionären bzw. innovativen zentralen, übergeordneten Wertangeboten - bestehend aus einer Konfiguration von in der Vergangenheit getrennten, nicht generischen komplementären bzw. modularen Produkten und (Dienst-)Leistungen. Diese spezifische Ausprägung der Koevolution wird als Struktur-BES bezeichnet, da die Aktivitäten der multilateral interagierenden Gruppe gleichrangiger Partner auf das - in ein gemeinsames Geschäftsmodell eingebettete - Wertangebot ausgerichtet werden. Eine vorab durchgeführte Studie belegt diese Entwicklung und zeigt auf, dass den Maschinenbauunternehmen das Wissen zur Gestaltung von Struktur-BES fehlt. Deshalb wurde unter Berücksichtigung der Studie, der Implikationen und den Konsequenzen der digitalen Transformation sowie der relevanten theoretischen Grundlagen ein Gestaltungsrahmen entwickelt. Dieser Gestaltungsrahmen beschreibt das Vorgehen, die Grundsätze der Zusammenarbeit und die Handlungsfelder zur Etablierung eines auf Vertrauen, Offenheit und Gegenseitigkeit beruhenden Struktur-BES. Dies umfasst den methodischen Ansatz zur Ableitung der strategisch relevanten Partner sowie deren Bindungsintensität und Beziehungsstruktur. Ebenfalls werden ein agiles Steuerungs- und Organisationskonzept vorgestellt, einschließlich der Aufgaben zur Orchestration und den Voraussetzungen sowie Fähigkeiten der Partner von Struktur-BES.Item Open Access Gestaltung einer schlanken Informationslogistik im komplexen Produktionsumfeld(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Hartleif, Silke Maria; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Produktionsunternehmen sind mit einem komplexer werdenden Umfeld konfrontiert, welches erhöhte Anforderungen an die Flexibilität von Produktionssysteme stellt. Mit dem Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnik und der damit verbundenen Vernetzung technischer Systeme soll diesen Herausforderungen begegnet werden. Das lässt die Komplexität in betrieblichen Informationssystemen steigen und führt zu Verschwendung in der Informationsversorgung. Um dieser Problemstellung zu begegnen, wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Gestaltung schlanker Informationslogistiksysteme vorgestellt. Mit den gestalteten Informationssystemen sollen Mitarbeiter effektiv und effizient mit Informationen versorgt werden, sodass sie ihre Aufgaben richtig und schnell erfüllen können. Die Gestaltungsmethode soll außerdem die Zusammenarbeit von Informatik- und Betriebsingenieuren unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, sieht der Lösungsansatz der Arbeit eine Gesamtlösung vor, die aus einer theoretischen, einer deskriptiven und einer pragmatischen Lösungskomponente besteht. Im Rahmen der theoretischen Lösungskomponente werden Wertschöpfung und Verschwendung in der Informationsversorgung voneinander abgegrenzt und Verschwendungsarten beschrieben. Darauf aufbauend wird eine Idealvorstellung für die zu gestaltenden schlanken Informationslogistiksysteme entwickelt. Die deskriptive Lösungskomponente besteht aus einem Strukturmodell, in dem Systemelemente und Relationen der Informationslogistiksysteme generisch beschrieben werden. Die pragmatische Lösungskomponente umfasst die Gestaltungsmethode bestehend aus fünf Gestaltungsschritten. Sie basiert auf den Ergebnissen der theoretischen Lösungskomponente und verwendet die generischen Gestaltungsbausteine aus dem Strukturmodell. Die Lösung wird in zwei Fallstudien validiert.Item Open Access Methodik zur Bewertung und Optimierung der Automatisierungseignung des Zusammenbaus von Bauteilkombinationen mit forminstabilen Einzelteilen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Trommnau, Jerome; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die automatisierte Montage von Produkten scheitert meist aufgrund des nicht automatisierungsgerecht ausgelegten Produktdesigns. Insbesondere das Vorhandensein forminstabiler Komponenten stellt die Automatisierung von Montageprozessen vor besondere Herausforderungen. Verbreitete Methoden und Ansätze im Bereich des Design for Assembly (DFA) oder zur Ermittlung des Automatisierungsaufwands exkludieren die Betrachtung forminstabiler Einzelteile oder streben eine Vermeidung derselben an. Spezifische Produktanforderungen, wie am Beispiel des Automobilleitungssatzes festzustellen, bedingen jedoch den Einsatz forminstabiler Einzelteile. Resultierend daraus ergibt sich ein hoher Anteil manueller Montageschritte im Fertigungsprozess. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine Methodik zur Bewertung und Optimierung der Automatisierungseignung des Zusammenbaus von Bauteilkombinationen mit forminstabilen Einzelteilen entwickelt. Die in der Arbeit beschriebene generische Methodik kombiniert und erweitert verbreitete DFA-Methoden, Methoden zur Ermittlung des Automatisierungsaufwands sowie Ansätze zur Klassifizierung forminstabiler Einzelteile und ermöglicht ex ante die Bewertung und Optimierung der Automatisierungseignung von Bauteilkombinationen mit forminstabilen Einzelteilen. Das Modell realisiert die Instanziierung montagerelevanter Einflussfaktoren anhand der zu betrachtenden Bauteilkombination. Die entwickelte Klassifizierungs- und Bewertungsmatrix ermöglicht die Zustandsbewertung sowie die einfache als auch systematische Identifikation von Optimierungsbedarfen. Der Anwender wird ferner bei der Optimierung durch implizite Handlungsempfehlungen als auch explizite Gestaltungsrichtlinien unterstützt. Die beschriebene Methode stellt eine zielgerichtete wie auch strukturierte Vorgehensweise zur Anwendung des Modells als auch der Hilfsmittel bereit. Die Validierung an einem praxisnahen Beispiel bestätigt die erfolgreiche und aufwandsarme Anwendbarkeit der Methodik.Item Open Access Modell zur Analyse und Gestaltung von Business-Ökosystemen für die Entwicklung von Produkt-Service Systemen im Maschinen- und Anlagenbau(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Humbeck, Philipp; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Untersuchung schwingungsüberlagerter Zerspanprozesse scheibenförmiger Werkzeuge(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Raab, Michael; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Zunehmende Forderungen nach leistungsfähigeren Produktionsprozessen treiben die Implementierung neuer Technologien im Umfeld der Metallzerspanung voran. Zur Effizienzsteigerung des Kreissägeprozesses wird in der vorliegenden Arbeit der Ansatz einer durch Ultraschallschwingungen induzierten Reibungsreduzierung am Anwendungsfall scheibenförmiger Werkzeuge untersucht. Mit Hilfe numerischer Analysen gelang erstmals die rechnerische Vorhersage der 20 kHz Betriebsschwingform scheibenförmiger Werkzeuge als Folge einer axialen Schwingungsanregung im Bereich der Bohrungsmitte. Die Modellvalidierung erfolgt durch den Abgleich numerisch ermittelter Betriebsschwingformen mit den Knotenkreisen experimentell visualisierter Chladnischer Klangfiguren. Am Beispiel eines monolithischen sowie eines hartmetallbestückten Versuchswerkzeugs konnte dadurch nachgewiesen werden, dass die Vorhersage der Betriebsschwingformen durch die FEM zuverlässig möglich ist. Eine tiefergehende Analyse der Schwingungskinematik zeigt eine dreidimensionale Kippbewegung der Werkzeugschneide, welche sich wesentlich von Kinematiken bisher bekannter Longitudinalschwinger unterscheidet. Die Auswirkungen dieser mehrachsigen Schneidenkinematik im Zerspanprozess werden anhand experimenteller Zerspanversuche untersucht. Die Prozessbetrachtung erfolgt jeweils mit und ohne Ultraschallüberlagerung im orthogonalen Schnitt und im Sägeversuch. Unter optimalen Bedingungen, wie niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und kleinen Spanungsdicken, war in Folge der Ultraschallschwingung eine Reduktion der gemittelten Prozesskräfte von bis zu 60 % zu verzeichnen. Damit einhergehend konnte eine deutliche Verringerung der Spanstauchung beobachtet werden. Zudem werden einschränkende Aspekte der ultraschallüberlagerten Zerspanung behandelt, wie der Einfluss steigender Spanungsdicken oder Schnittgeschwindigkeiten sowie die Behinderung der Ultraschallschwingung in Abhängigkeit von der Schneidengeomtrie.