Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Deutsche Normungsroadmap Circular Economy

2023-01 , Winterhalter, Christoph , Teigeler, Michael , Westerkamp, Dieter

Die deutsche Normungsroadmap Circular Economy unterstützt den Weg von einer linearen in eine zirkuläre Wirtschaft, denn bei dem Vorhaben Stoffkreisläufe zu schließen und damit wertvolle Ressourcen zu sparen, spielen Normen und Standards eine wichtige Rolle. Die Normungsroadmap betrachtet Hemmnisse und Herausforderungen für die Transformation aus Normungsperspektive und benennt die Normungsbedarfe für sieben entscheidende Sektoren der deutschen Wirtschaft.

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White Paper »RESYST«. Resiliente Wertschöpfung in der produzierenden Industrie - innovativ, erfolgreich, krisenfest

2021 , Buß, Dominik , Gebauer, Heiko , Glawar, Robert , Heller, Thomas , Klan, Steffen , Knothe, Thomas , Kohl, Holger , Sai, Brandon , Schmidtke, Niels , Stenzel, Fabian , Werner, Markus , Wilms, Marcel

Ziel des White Papers zum Thema Resiliente Wertschöpfung ist es, die Ergebnisse aus dem Fraunhofer-Innovationsprogramm Resiliente Wertschöpfungssysteme (»RESYST«) einer breiten Öffentlichkeit aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik zugänglich zu machen. Im Lichte aktueller Erfahrungen aus der Corona-Pandemie, aber auch der Hochwasserkatastrophe greift das Innovationsprogramm die Anforderungen des Wirtschaftsstandorts Deutschland an resiliente und dynamische Wertschöpfungssysteme bei gleichbleibend hoher Produktivität und Individualisierung auf. Resilienz gegenüber Krisen und Störfällen aller Art entwickelt sich somit zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor.

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IoT-T

2020 , Rennoch, Axel , Jäkel, Frank-Walter , Hackel, Sascha , Stomber, Jens , Stölzle, Stefan , Wardaschka, Andre , Kaiser, Alexander

Die Vernetzung der realen mittels der virtuellen Welt stellt derzeit für alle wirtschaftlich relevanten großen Themen wie zum Beispiel Industrie 4.0, Internet der Dinge oder Smart Mobility, das zentrale Konzept dar. Bereits jetzt können Kunden aus vielen Sparten elektronische Geräte und IT-Produkte aus dem schnell wachsenden Markt des Internets der Dinge erwerben. Dabei gilt es für die Akteure des Internet of Things (IoT) allerdings, einige Herausforderungen zu meistern. Darunter zählen insbesondere die Schlagworte Sicherheit, Interoperabilität und Ressourcenbeschränkungen. IoT-Lösungen agieren in harschen und unzuverlässigen Umgebungen. Nun geht es darum, für die Komponenten Funktionalität, Interoperabilität, Robustheit, Sicherheit, Vertrauenswürdigkeit der Technologien nachweislich abzusichern und so die Qualität von IoT-Lösungen zu verbessern. Wir entwickelten erweiterte Teststrategien, Lösungen zur Testautomatisierung sowie Equipment für individuelle Testläufe und Interop-Veranstaltungen - für alle Interessenten offen. Sie sind herzlich eingeladen, unsere IoT-Testware und die im Testlab gewonnenen Erkenntnisse kennenzulernen. Dieser Schlussbericht dokumentiert die Ergebnisse des deutschen IoT-T-Projekts, bestehend aus den Partnern Fraunhofer Gesellschaft eV mit seinen Instituten FOKUS und IPK, AUDI AG, DEKRA Testing and Certification GmbH und relayr GmbH.

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Qualifizierung der Schweißstruktursimulation für die wirtschaftliche Bearbeitung additiver fertigungstechnischer Fragestellungen am Beispiel des Laserpulverauftragschweißens

2019 , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen. Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und -spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen. Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen.

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Einfluss von Oberflächenbeschichtungen auf die flüssigmetallinduzierte Rissbildung beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stahlfeinblechen

2022-09 , El-Sari, Bassel , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die Beschichtung hochfester Stahlfeinbleche beeinflusst das Auftreten von flüssigmetallinduzierter Rissbildung (LME). Daher wurden in dieser Arbeit industrieübliche Beschichtungen bei gleichem Grundwerkstoff hinsichtlich ihres Aufbaus und chemischer Zusammensetzung charakterisiert und bezüglich ihrer LME Anfälligkeit untersucht. Aus dieser vergleichenden Untersuchung heraus wurden Potentiale für die Widerstandsfähigkeit gegen LME identifiziert. Diese Potentiale werden experimentell durch den Einsatz einer von der Forschungsstelle entwickelten Methode überprüft. Gegenstand der Untersuchungen waren neben unbeschichteten Proben industrieübliche Zinküberzüge wie Elektrolytisch verzinkt, Feuerverzinkt, Galvannealed und Zink-Magnesium Beschichtungen. Die LME Anfälligkeit dieser unterschiedlichen Überzüge wird mit einem Schweißen unter Zugbelastung Versuchsaufbau untersucht. Dabei ergibt sich die resultierende Anfälligkeit aus den auftretenden Risslängen und der Auftrittswahrscheinlichkeit von LME bei den einzelnen Versuchen. Es konnte eine LME Anfälligkeits-Rangfolge für die Zinküberzüge festgestellt werden. Zink-Magnesium Beschichtungen galten als besonders LME Anfällig, gefolgt von Feuerverzinkt und Galvannealed. Die größte LME Resistenz wurde bei elektrolytisch verzinkten Proben festgestellt. Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen zur Erhöhung der Verarbeitungssicherheit bzw. Schweißpunktqualität abgeleitet.

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Resilienz im strategischen Management produzierender Unternehmen. Konzeptpapier

2021 , Schuh, Günther , Patzwald, Marc , Krebs, Leonie , Dumitrescu, Roman , Rasor, Rik , Sihn, Wilfried , Steinwender, Arko , Sala, Alessandro , Kohl, Holger , Knothe, Thomas , Singer, Katrin , Hecklau, Fabian

Während Resilienz in anderen Managementdisziplinen, wie etwa im Bereich der Lieferketten, bereits seit längerer Zeit Einzug gehalten hat, existieren für das strategische Management von produzierenden Unternehmen kaum systematische Untersuchungen zu dessen Integration. Im Rahmen des Konzeptpapiers werden dem Leser daher konzeptionelle Ansatzpunkte aufgezeigt, wie Resilienz als neue normative Zielgröße in exemplarischen Teilstrategien des Strategiesystems produzierender Unternehmen Berücksichtigung findet (bspw. der Unternehmens-, Technologie- und Innovations-, Engineering- sowie Produktionsstrategie).

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Qualifizierung der instrumentierten Eindringprüfung zur Kennwertermittlung für hochfeste Stähle mit Schweißungen

2020 , Rethmeier, Michael , Javaheri, Ehsan , Biegler, Max

Der Einsatz von hochfesten Stählen im Karosseriebereich des Automobilbaus hat während der letzten Jahre stark zugenommen. Hierzu zählen Dual- und Komplexphasenstähle, welche durch Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile auch deren Vorteile kombinieren, sowie TRIP (TRansformation Induced Plasticity) und Mangan-Bor Stähle, welche sehr gute Umformeigenschaften mit hohen Festigkeiten durch Martensitbildung bei der Umformung kombinieren. TWIP (Twinning Induced Plasticity) Stähle erreichen ähnliche Effekte durch forcierte Zwillingsbildung. Die Ursachen für den Einsatz dieser Stähle liegen in dem Potential dieser Materialien zur Gewichts- und Kostenreduzierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrgastsicherheit. Auf Grund der prinzipiell gegebenen Schweißeignung dieser Stähle, werden die klassischen Fügeverfahren im Karosseriebau wie das kostengünstige und effektive Widerstandspunktschweißen, das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen oder das Laserschweißen angewendet. Allerdings treten teilweise Herausforderungen, beispielsweise durch Gefügeveränderungen in den Fügestellen auf, die zu ungewollten Aufhärtungen oder Erweichungen führen. In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, mit welchem die lokalen Werkstoffeigenschaften von im Automobilbau typischen Werkstoffen und deren Fügestellen bestimmt werden können. Relevante Kennwerte sind in erster Linie das SpannungsDehnungs-Verhalten der verschiedenen Zonen einer Schweißverbindung; relevante Zonen wiederum sind neben dem Grundwerkstoff die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung für den Einsatz bei hochfesten Stählen weiterentwickelt. Zunächst werden hierzu Zugversuche an einfachen Grundwerkstoffgeometrien durchgeführt. Im Anschluss wird die optische Dehnungsfeldmessung an stark taillierten, geschweißten Zugversuchsproben durchgeführt. Die Taillierung dient dem Zweck, die WEZ auch mittels WPS über den gesamten Querschnitt der Probe erzeugen zu können, bzw. im Versuch auch Dehnungen in den relevanten Bereichen herbeizuführen. Das im Projekt angewendete Auswerteverfahren, welches auf nichtlinearen Regressionsmodellen in Form von künstlichen, neuronalen Netzwerken beruht, ermöglicht die Vorhersage des Festigkeitsverhaltens des Werkstoffes anhand der gemessenen Krafteindringwegdaten.

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Deutsche Normungsroadmap Innovative Arbeitswelt

2021 , Adolph, Lars , Albrecht, Philipp , Andersen, Thomas , Börkircher, Mikko , Meer, Jan de , Giertz, Jan-Paul , Jeske, Tim , Kagerer, Frank , Kirchhoff, Britta , Klimiont, Thomas , Minnerup, Jörg , Mühlbradt, Thomas , Müssigbrodt, Matthias , Orth, Ronald , Paproth, Yona , Preuße, Christoph , Richter, Christian , Schumacher, Simon , Senderek, Roman , Stock, Patricia , Tausch, Alina , Tegtmeier, Patricia , Ullrich, Carsten

Die von Experten aus Wirtschaft, Entwicklung, Wissenschaft und Politik erarbeitete Normungsroadmap Innovative Arbeitswelt von DIN und DKE analysiert die Arbeitswelten von morgen und betrachtet aktuelle Forschungsergebnisse mit dem Ziel, aufzuzeigen, in welchen Bereichen die Entwicklung der zukünftigen Arbeitswelt durch Normung und Standardisierung vorangetrieben werden kann. In 28 Handlungsempfehlungen beschreibt die Roadmap, wo Normungsbedarf besteht und wo beispielsweise Inhalte konkretisiert werden sollten. Um den Praxisbezug sicherzustellen, beschreibt die Roadmap vier Use Cases aus den Bereichen Produktion und Dienstleistungen. Neben Handlungsempfehlungen für den Normungsbedarf werden auch aktuelle unternehmerische und gesellschaftliche Herausforderungen betrachtet werden.

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Laser-Plasma-Auftragschweißen als hybrides Beschichtungsverfahren für hohe Auftragsraten mit geringer thermischer Belastung. Abschlussbericht

2020 , Brunner-Schwer, Christian

Moderne Bauteile sind stetig steigenden korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Kostenintensive Werkstoffe sind notwendig, um mit diesen Belastungen umzugehen. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Das Aufbringen von Beschichtungen ist insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen im Werkzeugbau sowie für Lohnfertiger ein wichtiges Anwendungsfeld. Das Beschichtungsverfahren soll dabei eine hohe Auftragsrate, gute Oberflächenqualität und einen geringen Wärmeeintrag ins Werkstück erreichen. Mit den derzeit verfügbaren Beschichtungstechnologien kann dieses komplexe Anforderungsprofil nur eingeschränkt erfüllt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, der Industrie ein hybrides Laser-Plasma-Beschichtungs-verfahren zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist hohe Auftragsraten mit einer möglichst geringen thermischen Belastung des Bauteiles zu erreichen. Dadurch eignet sich das Verfahren zum verzugsarmen Beschichten präziser Bauteile und zum Erhalt der Eigenschaften wärmeempfindlicher Werkstoffe. Das hybride Verfahren soll für Beschichtungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt werden. Im Vergleich zu den Einzelprozessen sollen eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit durch größeren Karbidgehalt, sowie verbesserte Korrosionseigenschaften aufgrund besserer Oberflächenqualität erreicht werden. Im Laufe des Projektes wird untersucht, welche Anordnung von Laser- und Plasmaprozess am besten zum Erreichen dieser Ziele geeignet ist. Dabei wird das Verständnis der Laser-Plasma-Interaktion verbessert. Der hybride Beschichtungsprozess soll aufbauend auf den bei KMU bereits vorhandenen Schweißeinrichtungen in die industrielle Anwendung überführt werden können. Es wird eine wirtschaftliche Bewertung des entwickelten Verfahrens erstellt, die KMU eine Investitionsentscheidung ermöglicht.

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Anforderungsaufnahme an IoT Tests für CoAP, MQTT und OPC‐UA

2019 , Jäkel, Frank-Walter , Wolff, Tobias , Alexander Kaiser , Hackel, Sascha , Rennoch, Axel , Wardaschka, Andre

Der Report fasst die Anforderungen zu IoT-Tests zusammen, welche im Laufe des Projektes zusätzlich zu den Anforderungen zu Projektbeginn (Report 1.1 und 1.2) gesammelt wurden. Die Anforderungen basieren auf Erfahrungen der letzten 2,5 Jahre, welche teilweise in der Form von Szenarien in dem internen Report ""R3.1: Spezifikation der IoT-Testszenarien im Projekt"" dokumentiert wurden. Ein Teil der Anforderungen wurde für die Weiterentwicklungen in IoT-T berücksichtigt. Dabei wurden insbesondere Anforderungen aus der Industrie zu OPC-UA und Performanz von IoT Protokollen detailliert. Dazu gehören:BLSicherheit und Performanz von MQTT und CoAP,BLInteroperabilität im Zusammenhang mit OPC-UA BLVerwendung unterschiedlicher OPC-UA SDKs, BLModellierung und Nutzung von Anwendungsszenarien zum automatisierten Test bezüglich Interoperabilität von OPC-UA Anwendungen. Andere Anforderungen wurden ebenfalls von Anwendern und der Industrie als relevant eingestuft können aber in der verbleibenden Projektbearbeitungszeit nicht berücksichtigt werden. Hierzu gehören die Verwaltung von Geräten und Interaktion zur Laufzeit. Diese werden soweit sie von den Anwendern detailliert wurden im Bericht als Bedarfe für zukünftige Erweiterungen festgehalten.

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