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 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 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 Design of fiber-composite/metal-hybrid structures made by multi-stage coreless filament winding(2022) Mindermann, Pascal; Müllner, Ralf; Dieringer, Erik; Ocker, Christof; Klink, René; Merkel, Markus; Gresser, Götz T.The methods presented in this study assist in fabricating load-bearing structures with high mass-specific mechanical performance at various scales. Possible applications include primary and secondary structures in engineering, architecture, automotive, or aerospace industries.Additive manufacturing processes, such as coreless filament winding with fiber composites or laser powder bed fusion with metals, can produce lightweight structures while exhibiting process-specific characteristics. Those features must be accounted for to successfully combine multiple processes and materials. This hybrid approach can merge the different benefits to realize mass savings in load-bearing structures with high mass-specific stiffnesses, strict geometrical tolerances, and machinability. In this study, a digital tool for coreless filament winding was developed to support all project phases by natively capturing the process-specific characteristics. As a demonstration, an aluminum base plate was stiffened by a coreless wound fiber-composite structure, which was attached by additively manufactured metallic winding pins. The geometrical deviations and surface roughness of the pins were investigated to describe the interface. The concept of multi-stage winding was introduced to reduce fiber–fiber interaction. The demonstration example exhibited an increase in mass-specific component stiffness by a factor of 2.5 with only 1/5 of the mass of a state-of-the-art reference. The hybrid design approach holds great potential to increase performance if process-specific features, interfaces, material interaction, and processes interdependencies are aligned during the digitized design phase.Item Open Access Model-based biomechanical exoskeleton concept optimization for a representative lifting task in logistics(2022) Schiebl, Jonas; Tröster, Mark; Idoudi, Wiem; Gneiting, Elena; Spies, Leon; Maufroy, Christophe; Schneider, Urs; Bauernhansl, ThomasOccupational exoskeletons are a promising solution to prevent work-related musculoskeletal disorders (WMSDs). However, there are no established systems that support heavy lifting to shoulder height. Thus, this work presents a model-based analysis of heavy lifting activities and subsequent exoskeleton concept optimization. Six motion sequences were captured in the laboratory for three subjects and analyzed in multibody simulations with respect to muscle activities (MAs) and joint forces (JFs). The most strenuous sequence was selected and utilized in further simulations of a human model connected to 32 exoskeleton concept variants. Six simulated concepts were compared concerning occurring JFs and MAs as well as interaction loads in the exoskeleton arm interfaces. Symmetric uplifting of a 21 kg box from hip to shoulder height was identified as the most strenuous motion sequence with highly loaded arms, shoulders, and back. Six concept variants reduced mean JFs (spine: >70%, glenohumeral joint: >69%) and MAs (back: >63%, shoulder: >59% in five concepts). Parasitic loads in the arm bracing varied strongly among variants. An exoskeleton design was identified that effectively supports heavy lifting, combining high musculoskeletal relief and low parasitic loads. The applied workflow can help developers in the optimization of exoskeletons.