Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Methode zur Quantifizierung von Einsatzgrenzen einer zentralen und dezentralen Struktur für die Fertigungssteuerung

2023 , Willeke, Nils , Krüger, Jörg

In der Massenfertigung werden flexible Organisationsformen und dezentrale Steuerungsstrukturen als Lösungsansätze für volatile Märkte seit mehr als einem Jahrzehnt diskutiert. Über die Einsatzgrenzen in einem Fertigungssystem kann jedoch ohne einen Leistungsvergleich keine Aussage getroffen werden. Die Untersuchung einer Vielzahl von Algorithmen ist zeit- und ressourcenaufwändig. Um eine praxistaugliche Schätzung der Einsatzgrenzen zu ermöglichen, wird eine Angleichung der Auswahllogik bei der Entscheidungsfindung vorgenommen, sodass diese anhand der Eigenschaften proaktives Rüsten und Aktualität der Entscheidungsgrundlage bestimmt werden können. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt und Simulationsstudien durchgeführt. Für die Berechnung einer Kennzahl und den Vergleich von Simulationsalternativen wurde ein existierendes Verfahren automatisiert. Die Sieger aus den Vergleichen werden in Entscheidungshilfen operationalisiert. Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine performantere Simulation und die Bestimmung minimal möglicher Einsatzgrenzen der Werkstattfertigung.

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Infraschallunterstütztes Dornhonen

2023 , Zimmermann, Sascha , Uhlmann, Eckart

Der Einsatz von Schwingungen bei Fertigungsverfahren ist seit Jahrzehnten ein allgegenwärtiges Thema in der Forschung. Die Vorteile lassen sich insbesondere an verringerten Bearbeitungskräften und damit an der Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung erkennen. Die Komplexität des zielgerichteten Einsatzes, wie die Notwendigkeit zusätzlicher Aktuatoren und die konstruktive und schwingungstechnische Auslegung der Komponenten und Prozessbedingungen, verhindert jedoch den industriellen Einsatz. Innerhalb dieser Arbeit werden Dornhonprozesse untersucht, bei denen zusätzliche Schwingungen mit Hilfe der integrierten Antriebe eines Bearbeitungszentrums realisiert werden. Dafür werden realisierbare Schwingungsparameter und resultierende Veränderungen der Prozessparameter analysiert. Zur Identifikation von Prozessveränderungen dienen ein geometrisch kinematisches Durchdringungsmodell sowie Einkornritzversuche. An Werkstücken aus Gusseisen mit Lamellengraphit werden die Auswirkungen von erzwungenen Schwingungen beim Dornhonen technologisch untersucht. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis sowie zur Auslegung und Nutzung der infraschallunterstützten Dornhonbearbeitung.

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Methodik zur modellbasierten Systemarchitekturdefinition von Smart-circular Product-Service Systems

2022 , Halstenberg, Friedrich Andreas

Induziert durch Digitalisierung und Servitisierung bieten Unternehmen in zunehmendem Maße Systeme aus vernetzten mechatronischen Produkten, Software und Dienstleistungen an: sogenannte Smart-circular Product Service Systems (Smart-circular PSS). Ungeklärt ist bislang, wie Teams bei der Entwicklung von Smart-circular PSS sachgerecht methodisch unterstützt werden können. Diese Arbeit begegnet diesen Beobachtungen mit der Forschungshypothese, dass sich Systemarchitekturen von Smart-circular PSS durch geeignete Methoden des Modellbasierten Systems Engineerings (MBSE) so entwerfen lassen, dass die Systeme effektiv und effizient zu einer CE beitragen. Aufbauend auf gewonnenen Erkenntnissen wurde die Methodik zur Definition von Smart-circular PSS-Systemarchitekturen (MESSIAH) entwickelt, die Entwicklungsteams bei der Konzeptionierung von Smart-circular PSS unterstützt. Die Methode beinhaltet eine Modellierungsgenerik, eine gerichtete Methode sowie einen Baukasten zum schnellen Prototypisieren von Services. MESSIAH wurde anhand von fünf Studien evaluiert und erprobt.

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Entwicklung eines Prozess- und Informationsmodells für das Produktlebenszyklusmanagement in der digitalen Transformation

2023 , Schindlbeck, Roman , Rethmeier, Michael , Stark, Rainer , Dust, Robert

Die Digitalisierung erfordert von industriellen Unternehmen, reaktionsfähig neue Kundenbedürfnisse zu bedienen. Der tägliche Umgang mit digitalen Technologien verändert die Erwartungen der Nutzer an Produkte und Services. Um im Wettbewerb zu bestehen, sind Geschäftsmodelle konsequent kundenorientiert auszurichten und permanent anzupassen. Innovationen ressourceneffizient und schnell in Form von Produkten und Services zu operationalisieren, setzt voraus, dass die Prozesse und Systeme von Unternehmen ein durchgängiges, anpassbares und transparentes Wissens-, Informations- und Datenmanagement gewährleisten. In dieser Arbeit wird ein Modell für ein strukturiertes Vorgehen entwickelt, um neue Geschäftsmodelle zu gestalten und die dafür notwendigen Adaptionen des Produktlebenszyklusmanagements vorzunehmen. Die Anforderungen an das Modell werden anhand der praxisbezogenen Aktionsforschung und qualitativer Untersuchungsmethoden abgeleitet. Darauf aufbauend erfolgt die Modellbildung, in die konkrete Techniken und Handlungsanleitungen einfließen. Anschließend wird das Modell durch den Use Case „Automatisiertes Laden“ evaluiert.

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Hochleistungswasserabrasivstrahlen zur Vorkonturierung von Titanaluminid

2023 , Männel, Constantin , Uhlmann, Eckart , Weidner, Eckhard

Die Wasserstrahltechnologie bietet ein großes Potenzial bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Der umfassenden Anwendung stehen jedoch komplexe Wirkmechanismen bei der effizienten Erzeugung von dreidimensionalen Formelementen gegenüber. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit die Wirkzusammenhänge der notwendigen Prozessvarianten hergestellt und dem Anwender Methoden zur Bestimmung der Einsatzbereiche und zur Auslegung der Kerben vorgeschlagen. Darüber hinaus wird ein auf den Wirkmechanismen basierendes dreidimensionales Modell der Werkstoffabtrennung eingeführt, um das allgemeine Verständnis der Wasserstrahltechnologie zu verbessern.

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Modellbasierte Prozessvorhersagen für das Bürstspanen mit gebundenem Schleifmittel.

2022 , Sommerfeld, Christian , Uhlmann, Eckart

Das Bürstspanen mit gebundenem Schleifmittel ist ein industriell vielfach eingesetztes Fertigungsverfahren zur Nachbearbeitung von technischen Oberflächen. Die Auslegung der dazugehörigen Bürstprozesse erfolgt jedoch in den meisten Anwendungsfällen auf Grundlage von zeitaufwändigen Vorversuchen und Erfahrungswerten. Um eine wissensbasierte Prozessauslegung zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein besseres Verständnis zur Technologie des Bürstspanens mit gebundenem Schleifmittel von technischen Oberflächen aufgebaut. Dazu werden auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen empirische Prozessmodelle erstellt, die Vorhersagen zur Produktivität von Bürstprozessen an Werkstücken mit einfacher Geometrie bereitstellen. Zusätzlich wird ein kinetisches Prozessmodell entwickelt, das an Werkstücken mit variierenden geometrischen Ausprägungen zur Berechnung der wirkenden Bearbeitungskräfte und der Bewegung der Schleiffilamente des Bürstwerkzeuges eingesetzt werden kann. Die kombinierte Anwendung der Prozessmodelle bietet schließlich die Möglichkeit Vorhersagen zur Wirtschaftlichkeit des Bürstprozesses für komplexe Werkstückgeometrien zu treffen, ohne zusätzliche experimentelle Untersuchungen durchzuführen.

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Auftragschweißen mittels mikrowelleninduziertem Plasma

2023 , Kersting, Robert , Krüger, Jörg , Uhlmann, Eckart , Möhring, Christian

Plasmaschweißverfahren sind seit Jahren in der Industrie etabliert. Dennoch erfahren sie aufgrund der immer komplexer werdenden Produktentstehungsprozesse eine sehr dynamische Weiterentwicklung. Dies gilt insbesondere bei der Auseinandersetzung mit neuen Materialien oder Anwendungen im stetig wachsenden Feld der additiven Fertigung. Diese Arbeit stellt eine neue Variante des Plasma-Auftragschweißens vor, bei dem Plasma durch Mikrowellen im Frequenzband fA ˜ 2,45 GHz erzeugt wird. Das Plasma weist bemerkenswerte Eigenschaften auf. Es ist potentialfrei, sehr reaktiv und lässt sich punktgenau erzeugen, ohne signifikante Wärmeverluste in der Auftragsdüse in Kauf nehmen zu müssen. Die Arbeit beleuchtet sowohl anlagentechnische, theoretische als auch anwendungsspezifische Fragestellungen dieser neuen Technologievariante.

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Empirische Untersuchung eines hybriden Simulators zur ganzheitlichen Erlebbarkeit neuer Fahrzeuginterieur-Konzepte

2022 , Hartfiel, Bert

Im modernen Automobilbau ist das ganzheitliche Kundenerlebnis (engl. User Experience) mit dem Fahrzeug ein zentrales Kaufkriterium. Daher ist auch im Entwicklungsprozess eine starke Kundenzentrierung von entscheidender Bedeutung. Interaktive Entwicklungswerkzeuge werden deshalb bereits seit Jahrzehnten vor allem in frühen Entwicklungsphasen eingesetzt, um neue Fahrzeugkonzepte subjektiv erleben und evaluieren zu können. In Bezug zu einer ganzheitlichen Erlebbarkeit neuer Fahrzeuginterieur-Konzepte stoßen vorhandene Entwicklungswerkzeuge jedoch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Simulator als Hybride aus dynamischen Fahrsimulator und variablem VR-Prüfstand entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wird dieses Tool mithilfe von drei Validierungsstudien umfassend untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass neben einer gesteigerten physikalischen Validität auch die verhaltensbezogene Validität bei der Ausführung primärer Fahraufgaben in diesem Simulator erhöht ist. Es wird jedoch auch deutlich, dass der aktuelle Entwicklungsstand dieses Tools noch nicht für die valide Evaluierung sekundärer und tertiärer Fahraufgaben geeignet ist und Weiterentwicklungen erforderlich sind.

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