Bericht Status und Ergebnisse Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart (GSaME)

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1 Bericht 2015 Status und Ergebnisse Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart (GSaME)

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Die GSaME Zusammenfassung Aktualität des Forschungsprogramms Ziele und Ergebnisse der Cluster Cluster A2 Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung Cluster B2 Management vernetzter globaler Produktion Cluster C2 Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion Cluster D2 Betriebsmittel und Service Engineering Cluster E2 Material und Prozessengineering Cluster F2 Intelligente Produktionseinrichtungen Nachwuchsgruppen Dissertationen Preise und Auszeichnungen Mitglieder der GSaME Mentoring und Supervision GSaME-Tagungen Publikationen Patente Auslandsaufenthalte Ausblick i

3 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Ausrichtung der GSaME auf Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit... 8 Abb. 2: Status der neu definierten Forschungsthemen nach Clustern und... 9 Abb. 3: Anteil der erstbetreuenden Professoren aus den Fakultäten Abb. 4: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten der Universität Stuttgart Abb. 5: Überblick über die grundlegenden thematischen Orientierungen im Cluster A Abb. 6: Abb. 7: Kriterien zur Unterscheidung zwischen Sondermaschinenbau und Serienmaschinenbau Forschungsarbeiten der GSaME im Produktentstehungsprozess einer Sondermaschine Abb. 8: Modelle zum Verständnis des Begriffs Nachhaltigkeit, in Anlehnung an Puf Abb. 9: Abb. 10: Fünf allgemeine Stellglieder eines Industrieunternehmens im Kontext des Leitbildes der Nachhaltigkeit und des Stuttgarter Unternehmensmodells Zuordnung einer Auswahl von GSaME-Forschungsprojekten zum integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck Abb. 11: Ultra-transparente Hybridschicht aus Silbernanodrähten und Kohlenstoffnanoröhren auf einem konventionellen Smartphone Glas Abb. 12: Themenschwerpunkte und Ziele der Forschungsarbeit Abb. 13: Faserverbundkunststoffe (FVK) Abb. 14: Die erweiterte regionale Infrastruktur Abb. 15: Traditionelle und additive Fertigungskette im Vergleich Abb. 16: Parallelisierung der Prototypenfertigung, Erprobung neuer Produktionskonzepte 39 Abb. 17: Mitarbeiter an einer Montagelinie Abb. 18: Integration von Kosten- und Resilienzmanagement zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit Abb. 19: Prinzipieller Aufbau des Messsystems Abb. 20: Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion Abb. 21: Mechanische und elektrostatische Mechanismen zur Abscheidung von Partikeln an einer Einzelfaser ii

4 Abb. 22: Dimensionslose Länge des intakten Lackstrahls LDl in Abhängigkeit vom dynamischen Druckverhältnis Abb. 23: Fluid-Struktur-Simulation einer angeströmten, symmetrischen Einzelfalte Abb. 24: Block diagram of the Test Platform Abb. 25: Forschungsprojekt Übersicht Abb. 26: Ergebnisse durch Multispotanordnungen Abb. 27: Vorgehensmodell zur Untersuchung von Fehlermechanismen beim Laserschneiden Abb. 28: Numerische Strömungssimulation Abb. 29: Temperature distribution on the bottom of a deforming alumina splat Abb. 30: Einordnung des Recyclings Seltener Erden und Prozesse Abb. 31: Ablationskrater auf Silizium für 1 ps Pulsdauer (lks.), 100 fs Pulsdauer (re.) Abb. 32: Datenflussdiagramm für die Thermische Spannungsanalyse Abb. 33: Werkzeug zum automatisierten Dauerlauftest auf der Servo-Presse des IFU Abb. 34: Modell des Rechtecknapfes Abb. 35: Application of an exergy-based thermoeconomic method for manufacturing process analysis Abb. 36: Experimentelle Untersuchungen (Steifigkeitsmessung) am GSaME Demonstrator Abb. 37: Robotergestützte Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben Abb. 38: Schematische Darstellung des Projektablaufs Abb. 39: FBG-Schreibprozess mit Femtosekundenlaser (lks.); Reflektionsspektrum und Formrekonstruktion einer Glasfaser (re.) Abb. 40: Erfassung der Bewegung von Schulter, Arm und Handgelenk Abb. 41: Diagramm: Effektiver Brechzahlunterschied Δneff und Strahlqualität M2 über dem Kerndurchmesser. Rechts: Mikroskopische Aufnahme des gecleaveten Faserendes Abb. 42: Bearbeitungsprozessergebnisse vor und nach Krümmungsoptimierung Abb. 43: GSaME-Jahrestagung 2015, Plenum Abb. 44: GSaME-Jahrestagung 2015, Kommunikationspause iii

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6 Vorwort Forschungs- und Innovationsleistungen für eine zukunftsfähige Produktion, international führende Produktionstechnologien und auf einen Wandel der Arbeit in einer digitalisierten Welt vorbereitete, nachgefragte Absolventen/-innen sind Beiträge der Graduiertenschule GSaME für einen wettbewerbsfähigen Industriestandort. Die gelungene Einbindung in eine leistungsstarke Forschungsumgebung, die Integration in einen international herausragenden Produktionsstandort sowie die Realisierung des interdisziplinären Forschungsprogramms advanced Manufacturing Engineering (ame) haben die GSaME befähigt, den Herausforderungen an Spitzenforschung, Innovation und Qualifizierung aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik, gemeinsam mit ihren Partnern auf höchstem akademischen Niveau, mit Relevanz für den Wirtschaftsstandort und international sichtbar Rechnung zu tragen. Mit ihrem dualen Grundkonzept, das Forschung mit industrieller Realität verbindet, hat sie bewusst einen Weg eingeschlagen, der sie von anderen Graduiertenschulen unterscheidet. Dieses Alleinstellungsmerkmal ist eine wesentliche Grundlage für eine kontinuierlich positive Entwicklung der GSaME auch Belege für den Erfolg sind ihre wissenschaftliche Ausstrahlung, die anhaltende Attraktivität für Promovierende, die stetige Nachfrage seitens der Wirtschaft, die Stabilität bestehender Kooperationsbeziehungen sowie die erfolgreichen Berufswege der Absolventen/-innen. Dass das so bleibt, dass Erfolg und Attraktivität der GSaME dauerhaft gesichert werden, war und ist das Ziel unserer Arbeit. Angesichts der Herausforderungen unvermindert fortbestehende wirtschaftliche Wandlungsprozesse, rasante Digitalisierung und globale Umverteilung von Wertschöpfung, aber auch veränderte Rahmenbedingungen, Differenzierungsprozesse und Strukturwandel innerhalb der Hochschullandschaft und nicht zuletzt, das Auslaufen der bisherigen Exzellenzinitiative im Jahr 2017, um nur wenige zu nennen stehen wir vor großen Aufgaben. Damit wir auch in Zukunft zu den Besten gehören, gilt es, das Forschungsprogramm zu zentralen Fragen der Gestaltung der nächsten Generation von Produktionsprozessen, der informationstechnischen Verknüpfung und Neugestaltung von Produktions- und Wertschöpfungsketten, den Einsatz und die Nutzung von heute bzw. in Zukunft verfügbaren Technologien für mehr Produktivität, Effizienz, Ressourcen- und Umweltschonung sowie zur Schaffung von neuen Geschäftsmodellen dynamisch weiterzuentwickeln und frühzeitig neue Themen voranzutreiben. Für die Verbesserung der Qualität von Betreuung und Ausbildung können wir auf Fortschritten aufbauen. Mit den Stärken der GSaME, ihren Erfolgsfaktoren und Erfahrungen in der Nachwuchsförderung sind die Grundlagen für eine Fortführung der GSaME nach 2017 gelegt. Dafür setzen wir auch auf wirksame Synergien interner Partnerschaften und strategischer Kooperationen sowie Potenziale struktureller Weiterentwicklung. Vorstand und Geschäftsführung der GSaME stellen die geleistete Forschungs- und Ausbildungsarbeit, die im Jahr 2015 erzielten Resultate, Ereignisse, Entwicklungstendenzen und Aktivitäten ihrer Mitglieder und Kooperationspartner sowie ihrer Promovierenden vor und geben damit einen Überblick zum Stand der Zielerreichung der Graduiertenschule und ihren Perspektiven. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang Dr.-Ing. Sylvia Rohr 1

7 1 Die GSaME Zusammenfassung Deutschland ist eine der stärksten Industrienationen weltweit. Industrielle Produktion und produktionsnahe Dienstleistungen erzielen mehr als die Hälfte der gesamten Wirtschaftsleistung. Zur Sicherung dieser Position unter den Bedingungen zunehmender globaler Konkurrenz durch andere Industrienationen, mit ihren auf Reindustrialisierung gerichteten Strategien und Förderprogrammen zum advanced manufacturing, entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft unter dem Begriff Industrie 4.0 neue Ansätze für Produktion, Produkt- und Serviceangebote von morgen, die auf die Produktion intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse, digitale Lösungen und Vernetzung fokussiert sind. Diese werden mit einem durchgängigen Engineering und mit einer grundlegenden Neugestaltung von zunehmend globalen Produktions- und Wertschöpfungsnetzen verbunden. Durch die Digitalisierung der Industrie wird von Experten in Deutschland bis 2025 ein zusätzliches Wertschöpfungspotenzial von 425 Milliarden EUR erwartet. Die Integration zukunftsweisender Technologien in industrielle Prozesse und Anwendungen betrifft vor allem die deutschen Leitbranchen wie den Automobilbau, den Maschinen- und Anlagenbau sowie die Automatisierungs- und Elektrotechnik. Diese sollen dazu beitragen, zunehmende Flexibilisierung und Robustheit von Engineering-, Planungs-, Produktions-, Logistik- und Betriebsprozessen auf höchstem Qualitätsniveau zu ermöglichen, die Produktivität zu erhöhen, Effizienz sowie Ressourcen- und Umweltschonung zu steigern. Für die digitale Transformation der Industrie sehen sich derzeit 6 von 10 Unternehmen gut vorbereitet. Über 90 Prozent der Firmen sehen in der Digitalisierung industrieller Fertigungsprozesse eine Chance verbunden mit Produktivitätssteigerungen von mehr als 20 Prozent. Die intelligente, sich selbst in Echtzeit und dezentral organisierende Fabrik ist bereits jetzt ein zentrales Element und wichtiger Bestandteil künftiger intelligenter Infrastrukturen der Produktion mit Zukunft. Den großen Chancen für die Erzielung von Wettbewerbsvorteilen bis hin zur Rückholung verlorener Produktionsanteile stehen die zunehmende Komplexität der Systeme und schwer prognostizierbare Gesamteffekte gegenüber. Einen Schwerpunkt der mittel- und langfristig daraus resultierenden Handlungs- und Forschungsbedarfe hat der Arbeitskreis Industrie 4.0 von Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft und acatech in seinem Abschlussbericht vom April 2013 in der Untersuchung und Entwicklung vollständig beschreibbarer, aber beherrschbarer, kontextabhängiger, regelbarer Produktionssysteme gesehen und auf fünf zentrale Forschungsbereiche orientiert: Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke, Durchgängigkeit des Engineerings über die gesamte Wertschöpfungskette, vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme, neue soziale Infrastrukturen der Arbeit und die Technologie Cyber-Physical Systems. Das profilbildende und dynamisch weiterentwickelte Forschungsprogramm der GSaME greift diese be- und entstehenden Herausforderungen des geänderten Charakters des globalen Wettbewerbs, sich abzeichnende technologische und organisatorische Entwicklungen und Effekte auf die industrielle Produktion und die daraus resultierenden Forschungsfragen in einem interdisziplinären Ansatz auf. Die GSaME leistet mit Forschungsergebnissen und Innovationsbeiträgen für nachhaltige Fabriken, die darauf ausgerichtet sind, effizient und mit höchster Qualität und Produktivität, Flexibilität sowie Robustheit bei optimalem Ressourceneinsatz zu produzieren, einen wissenschaftlichen Beitrag für ein verbessertes Verständnis wettbewerbsfähiger Wertschöpfung und deren Umsetzung. Die hohe Aktualität der Forschung 2

8 der GSaME und ihre Relevanz zu Industrie 4.0 zeigen sich in den Forschungsthemen der Cluster, die im Folgenden näher ausgeführt werden. Das Grundkonzept der dualen Ausbildung, die enge Kooperation mit der Wirtschaft und die Integration in einen international führenden Produktionsstandort sowie der Forschungsschwerpunkt advanced Manufacturing Engineering (ame) befähigen die GSaME, den technischen, methodischen und fachlichen Herausforderungen für Forschung, Entwicklung und Ausbildung aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik, zusammen mit ihren Partnern auf höchstem akademischen Niveau industrierelevant Rechnung zu tragen konnte die Kontinuität der Nachfrage seitens der Kooperationspartner gesichert werden, wobei stabile strategische Partnerschaften hervorzuheben sind. Die DFG-finanzierten Themen sind weitgehend besetzt. Eine weitere Entwicklung des Forschungsprogramms der GSaME erfordert daher Sicherung und Ausbau von Kooperationen. Zentrale Ergebnisse der Leistungsfähigkeit der GSaME 2015 sind: 1. Die Gewinnung von insgesamt 146 Promovierenden davon 61 für Kooperationsprojekte; 2. die Zulassung von 6 Promovierenden im Berichtszeitraum, davon 1 weibliche Promovierende; laufende Kooperationsprojekte in 12/2015; 4. neu gestartete Projekte mit Kooperationspartnern; 5. der Abschluss weiterer Promotionen. Darüber hinaus wurden folgende Ergebnisse realisiert: 74 Promovierende mit unterschiedlicher Laufzeit Publikationen und Konferenzbeiträge 6 Preise und Auszeichnungen 7 abgeschlossene Promotionen, insgesamt 37 Start von 4 Projekten mit Kooperationspartnern Steigerung der Attraktivität für Bewerberinnen und Bewerber und Zulassung von 66 Promovierenden in der 2. Förderperiode, davon 6 Promovierende im Berichtszeitraum Bericht zur Erfolgsbewertung der GSaME und Nachhaltigkeitsplanung für das Ministerium für Wissenschaft und Kunst Baden-Württemberg Steigerung des Bekanntheitsgrades der GSaME im nationalen und internationalen Umfeld Intensivierung der Qualitätssicherung von Promotionen Kooperation mit dem USST Shanghai zur Durchführung einer Summer School in Stuttgart. 2 Aktualität des Forschungsprogramms Die GSaME realisiert mit ihrem Forschungsprogramm die Zielsetzung, Wettbewerbsfähigkeit der industriellen Produktion durch eine Konzentration auf die Ansätze zu sichern, welche zur konsequenten Nutzung technischer und organisationaler sowie humaner Potenziale beitragen. Eine entscheidende Grundlage dafür sind Produktionstechnologien, deren Zukunft in der intelligenten Fabrik mit der Fähigkeit einer flexiblen, ressourceneffizienten und vernetzten Wertschöpfung liegt. Dazu gehört eine Fortsetzung der Entwicklungen für Adaptions- und 3

9 Wandlungsfähigkeit bei gleichzeitiger Sicherung der Performance (min. Zeiten, Kosten; max. Qualität). Technische Intelligenz wird durch mechatronische Systeme und Automation erreicht, wobei vor allem die Verwendung von Hochleistungskomponenten (Antriebe, Steuerungen, Sensoren) vorangetrieben werden soll. Realitätsnahe Digitale Engineering Werkzeuge unterstützen die Gestalter und Betreiber in ihrer Arbeit. Innovative Technologien richten sich vor allem auf die Verarbeitung von Ingenieur-Werkstoffen und die Herstellprozesse für funktionale Eigenschaften von Beschichtungen unter dem Gesichtspunkt der Energie- und Ressourceneffizienz. Ökonomische Modelle sollen dazu beitragen, Unternehmen krisenfest zu machen und Synergie-Potenziale aus der Vernetzung zu gewinnen. Ein spezifischer Aspekt liegt in der Analyse, Konzeption und Realisierung regionaler Produktionsstrukturen versus globale Netzwerke. Die bisherigen Forschungsaktivitäten der GSaME im Arbeitsgebiet der Gestaltung und Optimierung industrieller Produktionen wurden fortgesetzt und um aktuelle Forschungsthemen im Kontext fortschreitender Digitalisierung der Produktion sowie veränderter Produktionstechnologien erweitert Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit als Zielgrößen zukunftsfähiger Fabriken Konzepte für die global und/oder regional vernetzte Produktion Production Intelligence mit Integration von (Prozess-)Wissen in die Engineering- und Führungssysteme. Die Leitlinien der Forschungsarbeiten der GSaME orientieren sich an Wandlungsfähigkeit auf allen Ebenen des Produktionssystems (technische Ebene, Arbeitsprozesse, Organisationsstrukturen, Strategien und Geschäftsmodelle, Einflussnahme auf bzw. Sensibilität für die Organisationsumwelt) Nachhaltigkeit als narrative Idee für die Art und Weise des Produzierens und Wirtschaftens (Verbindung ökonomischer, ökologischer und gesellschaftlicher Logiken einerseits sowie technische Entwicklung hinsichtlich neuer Produkte, neuer Prozesse, höherer Effizienz etc. andererseits) globale und/oder regionale Vernetzung technischer und organisatorischer Bereiche technische Intelligenz und menschliche Intelligenz auf allen Ebenen des Produktionssystems. Strukturell werden die Forschungsschwerpunkte weiterhin sechs Clustern zugeordnet: A2 Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung B2 Management vernetzter globaler Produktion C2 Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion D2 Betriebsmittel und Service Engineering E2 Material- und Prozessengineering F2 Intelligente Produktionseinrichtungen 4

10 A2 Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung Clusterdirektor: Univ.- Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Ausgehend vom konzipierten Stuttgarter Unternehmensmodell sowie vom Prinzip der Ganzheitlichkeit erfolgt in diesem Cluster eine Weiterentwicklung in Richtung Nachhaltigkeit in und durch Produktionsunternehmen mit konkreter Beachtung der dabei auszubalancierenden Faktoren Ökologie, Ökonomie und soziale Wirksamkeit. Um in diesem abgesteckten Rahmen das Basismodell für die Fabrik der Zukunft vollenden zu können, ist es notwendig, die Megatrends hinsichtlich der Wandlungsnotwendigkeit und des Wandlungspotenzials von Produktionssystemen zu analysieren und zu bewerten. Darauf aufbauend werden entsprechende Strategien erarbeitet, die es unter anderem erlauben, den optimalen Einsatz von Material, Energie und weiteren Ressourcen für zukunftsfähige Fabriken methodisch und teilweise technologisch zu erforschen. Ein besonderer Fokus liegt im Cluster A2 auf der Integration von Wissen insgesamt und im Speziellen auf einem fortschrittlichen Industrial Engineering und auf der Simulation von Fabrikprozessen. Neue Forschungsthemen 2015: 0 DFG, 1 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 8 DFG, 12 Kooperationspartner B2 Management vernetzter globaler Produktion Clusterdirektor: Dr. Georg Herzwurm (BWI) Vor dem Hintergrund globaler Megatrends, wie beispielsweise Globalisierung, Vernetzung oder Individualisierung, steht das produzierende Gewerbe gegenwärtig und zukünftig vor gravierenden Herausforderungen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden und die Fabrik der Zukunft zu entwickeln, gibt es bereits verschiedene generische Konzepte. So existiert beispielsweise die Notwendigkeit, auf ökonomische Turbulenzen flexibel reagieren zu können, wodurch ein Wandel in der Produktion von linearen und verschlankten Wertschöpfungsketten hin zu globalen Produktionsnetzwerken beobachtbar ist. Betriebswirtschaftliche, technische und soziale Aspekte spielen bei der Entwicklung zur Fabrik der Zukunft eine sehr große Rolle. So müssen u. a. durch den steigenden Einfluss der Informations- und Kommunikationstechnologie und durch die globale Vernetzung Governance- und Diversity-Konzepte, das Management von Kosten und Kompetenzen sowie die Geschäftsmodelle und Geschäftsmodellkomponenten, wie beispielsweise value proposition, value dissemination, value capture, im Wertenetz detailliert analysiert, bewertet und gegebenenfalls neu gestaltet werden. Mit diesen exemplarischen Themen zur Gestaltung der Fabrik der Zukunft befasst sich das Forschungscluster B2. Die Einflüsse der Informations- und Kommunikationstechnologie, der globalen Vernetzung auf Geschäftsprozesse, Produktionsprozesse, -systeme und -maschinen der traditionellen Fabrik werden erforscht und daraus Konzepte bzw. Handlungsempfehlungen für die Generierung der Fabrik der Zukunft entwickelt. Die Themenbereiche Management, Dienstleistungen, kulturelle Vielfalt und Nachhaltigkeit werden dabei besonders betrachtet. Neue Forschungsthemen 2015: 2 DFG, 0 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 6 DFG, 0 Kooperationspartner 5

11 C2 Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion Clusterdirektor: Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang (IPVS) Agilität und Wandelbarkeit sind heute entscheidende Erfolgsfaktoren für produzierende Unternehmen in einem hart umkämpften und turbulenten Markt. Die Realisierung der Echtzeitfähigen Fabrik erfordert eine verbesserte Agilität von Geschäfts- und Fertigungsprozessen, eine intensivere Zusammenarbeit und Integration der Phasen im Produktlebenszyklus sowie ein umfassendes Komplexitätsmanagement. Folglich müssen bestehende Informations- und Kommunikationstechnologien verbessert werden, um selbstanpassende und selbstoptimierende Prozesse mit Hilfe von Echtzeit-Informationsverarbeitung auf verschiedenen Ebenen zu ermöglichen, von der Maschinen- und Sensor-Ebene bis hin zur Prozess- und Unternehmensebene. Das Cluster C2 konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Ansätze, Methoden, Software- Architekturen, digitaler Werkzeuge, Systeme und Technologien zur Unterstützung der advanced Manufacturing Engineering-Aktivitäten auf Basis von Informations- und Wissens- Ressourcen. Das Cluster erforscht diese Themen in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den anderen Clustern der GSaME und insbesondere mit Partnern aus der Industrie. Neue Forschungsthemen 2015: 1 DFG, 2 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 7 DFG, 7 Kooperationspartner D2 Betriebsmittel und Service Engineering Clusterdirektor: Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (IAT) Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dieter Spath (IAT) Treiber von Innovationen sind neben neuen Technologien auch (unternehmensnahe) Dienstleistungen, die neue Einsatzmöglichkeiten und Kombinationen von Produkten ermöglichen. Hierzu werden intelligente Werkzeuge und Vorgehensweisen benötigt, die innerhalb einer kooperativen Entwicklungsumgebung einen schnellen Prozess von der Idee zur Umsetzung unterstützen. Diese Modelle müssen in die bestehenden Prozesse und Vorgehensweisen einer integrierten Produkt- und Produktionsentwicklung eingehen. Nur so lassen sich schon bei der Produktentwicklung die notwendigen Rahmenbedingungen für die Produktionsentwicklung gestalten, dass eine optimale und schnelle Umsetzung der Produktidee gewährleistet ist. Hierzu müssen alle Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette integriert werden. Dies schließt zwingend auch die Zulieferer und die Kunden ein. Neue Forschungsthemen 2015: 0 DFG, 0 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 1 DFG, 1 Kooperationspartner E2 Material- und Prozessengineering Clusterdirektor: ord. Univ.- Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB) 6

12 Energieeffizienz, Ressourcenoptimierung, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit, Multimaterialsysteme, Mischbauweisen sowie hybride Technologien haben für die Fertigung herausragende Bedeutung: die Herstellung und Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Schichtverbunden, konstruktive Maßnahmen, die durch innovative Formgebungsverfahren umgesetzt werden, fortschreitende Miniaturisierung und Funktionsintegration von Bauteilen oder das Konzept der Trennung von Struktur- und Funktionseigenschaften bzw. Kern- und Oberflächeneigenschaften sind Beispiele dafür. In einer globalen, hochgradig dynamischen Umgebung kommt dem Prozessengineering die Aufgabe zu, Materialbearbeitungsprozesse und Prozessketten zunächst in Fertigungszellen einzubinden und schließlich die Integration in eine ganzheitliche Fabrikplanung und -steuerung zu ermöglichen. Das Gebiet der Prozessentwicklung für die Herstellung von Leichtbaukomponenten durch Formgebung und Bearbeitung von Leichtmetallen, Compositewerkstoffen und Sandwiches sowie Schichtverbunden wird im Cluster E2 fortgeführt. Das Recycling dieser Werkstoffe ist aufwendig (v. a. für Composites), sodass Fertigungsprozesse eine Kreislaufwirtschaft seltener Rohstoffe und hoch werthaltiger Zwischenprodukte berücksichtigen müssen. Einen weiteren Schwerpunkt stellen Fertigungstechnologien zur Herstellung von miniaturisierten Bauteilen dar, wobei hauptsächlich Mikro-Nano-Composites, Smart Materials (v. a. Sensor- und Aktorwerkstoffe sowie Werkstoffe mit der Fähigkeit des Schadenmonitorings, der Selbstheilung oder der Formanpassung) und Werkstoffverbünde in Mikrosystemen untersucht werden. Die Themenbereiche Prozessbeobachtung und Messtechnik sowie Prozessmodellierung werden in Cluster E2 vertieft und sollen in wissensbasierte Systeme in der Werkstoff- und Prozesstechnik münden. Neue Forschungsthemen 2015: 0 DFG, 1 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 8 DFG, 8 Kooperationspartner F2 Intelligente Produktionseinrichtungen Clusterdirektor: Dr.-Ing. Peter Klemm (ISW) Intelligente Fertigungseinrichtungen überwachen Prozesse, erkennen Veränderungen automatisch, reagieren in geeigneter Weise, haben eine modulare Struktur und sind adaptierbar an neue Produktionsanforderungen. Sie überwachen ihre internen Zustände, sagen die Notwendigkeit von Instandsetzungs- und Instandhaltungsmaßnahmen voraus und unterstützen die Maschinenbenutzer durch zweckmäßige Diagnosemeldungen. Außerdem reduzieren sie den Bedarf an Ressourcen durch geringen Verbrauch an Material und Energie sowie Schmier- und Kühlmitteln. Sie können recycelt werden und besitzen geringe Geräuschemissionen. Ausgehend von diesen Anforderungen forscht das Cluster F2 auf folgenden Gebieten: Adaptierbarkeit, zum Beispiel durch die Entwicklung einer Steuerungssoftware-Architektur mit Plug-and-Produce -Fähigkeit. Dadurch werden eine einfache Rekonfigurierbarkeit und eine automatisierte Wiederinbetriebnahme der rekonfigurierten Maschine ermöglicht 7

13 Lernfähigkeit, zum Beispiel durch die Integration von selbstoptimierenden Simulationsmodellen in Steuerungen, um das Verhalten von Maschine und Prozess vorhersagen zu können Prozess-Effizienz, zum Beispiel durch die Verbesserung der Prozessplanungsmethoden für thermo-kinetische Beschichtungsprozesse und die Entwicklung neuartiger Laser- Konzepte Nachhaltigkeit, zum Beispiel durch neue Verfahren zur Steigerung der Energieeffizienz in Kühlschmierstoff-Versorgungsanlagen und die Entwicklung von spezifischen Maschinen für die Herstellung von Leichtbaustrukturen. Außerdem ist der Schutz industrieller Steuerungssysteme gegen Schadsoftware, mit dem Ziel die Sicherheit von Produktionseinrichtungen gegen unberechtigte Zugriffe zu erhöhen, ein wichtiges Forschungsgebiet des Clusters F2. Neue Forschungsthemen 2015: 0 DFG, 0 Kooperationspartner Laufende Forschungsthemen: 7 DFG, 1 Kooperationspartner Die GSaME versteht sich als eine interdisziplinäre Einrichtung der Universität Stuttgart, die auf Basis hervorragender Grundlagen- und angewandter Forschung innovative Beiträge zur Gestaltung von Fabriken und deren Technologien, Techniken, Organisationen und Systemen sowie zur Qualifizierung junger Wissenschaftler/-innen leistet. Sie bietet hervorragende Bedingungen für Promotionen, fördert internationale Spitzenforschung und unterstützt akademischen Nachwuchs bei der Kompetenzentwicklung für herausfordernde Aufgaben in Wirtschaft und Wissenschaft. Abb. 1: Ausrichtung der GSaME auf Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit 8

14 Mit mehr als 150 bearbeiteten Forschungsthemen mehr als 80 davon in der laufenden Förderperiode wird der Stand von Wissenschaft und Technik beeinflusst, international führend mitbestimmt und der zur wissenschaftlich fundierten Produktionsgestaltung erforderliche Wissensvorlauf erbracht. Das Forschungsprogramm bietet den Rahmen für interdisziplinäre Kooperationen mit den Instituten sowie Kooperationen mit Unternehmen, unabhängig von Unternehmensgrößen und Branchen, und sichert exzellentes Forschungsniveau und Praxisbezug. Die Forschungsschwerpunkte der Cluster wurden im Berichtszeitraum 2015 mit 89 laufenden Forschungsprojekten realisiert. Den Promovierenden wird dafür die Integration in ein interdisziplinäres Umfeld aus hervorragender Grundlagen- und industrieller Forschung ermöglicht. In allen Forschungsprojekten mit Kooperationspartnern stehen den Promovierenden hochqualifizierte Ansprechpartner zur Verfügung, wodurch nicht nur Qualität und Relevanz der Themenbearbeitung, sondern vor allem auch die Akzeptanz des Programms in der Industrie als wesentliche Voraussetzung für eine nachhaltige Etablierung der GSaME gesichert wird. Die Forschungsthemen der GSaME wurden regelmäßig alle zwei Monate auf der Homepage ausgeschrieben. Insgesamt erfolgten 6 Ausschreibungsrunden bis 12/2015. ausgeschrieben vergeben DFG Industrie / FhG / HBS DFG Industrie / FhG / HBS Cluster A Cluster B Cluster C Cluster D Cluster E Cluster F Gesamt Abb. 2: Status der neu definierten Forschungsthemen nach Clustern und ausgeschrieben = Online ausgeschrieben und Bewerbung eingegangen; vergeben = gestartete Projekte 2015 wurden 42 Themen mit DFG- bearbeitet, von denen Ende 2015 noch 37 Themen in Bearbeitung waren. Von den neu ausgeschriebenen Kooperationsprojekten wurden 4 im Berichtszeitraum gestartet. 5 Kooperationsprojekte wurden 2015 beendet, davon ein vorzeitiger Dropout. 9

15 Insgesamt sind 3 Promovierende, darunter eine weibliche Promovierende, vorzeitig ausgeschieden. Die GSaME hat seit 2008 insgesamt 61 Kooperationsprojekte mit der Industrie/ FhG/HBS realisiert konnten allerdings weniger Projekte als in den Vorjahren gestartet werden. Anzahl der 12/2015 noch laufenden, finanzierten Forschungsprojekte mit Kooperationspartnern: 29 Abgeschlossene Kooperationsverträge bis 12/2015 mit: agiplan GmbH, Astrium GmbH EADS Gruppe, Atlantic Zeiser GmbH, AUDI AG, Bosch Rexroth AG, Daimler AG, Endress+Hauser Conducta GmbH+Co. KG, Fraunhofer IPA, Hans- Böckler-Stiftung, J. Schmalz GmbH, Leitz GmbH & Co. KG, MANN+HUMMEL GMBH, Robert Bosch GmbH, Siemens AG, Trumpf GmbH & Co. KG, Tognum AG / MTU-Friedrichshafen GmbH, VDMA Impuls Stiftung, WITTENSTEIN AG, ZF Friedrichshafen AG, Festo AG & Co. KG, EISENMANN SE, EM-motive GmbH, FTA Forschungsgesellschaft für Textiltechnik Albstadt mbh, Infineon Technologies AG, GPS GmbH Abgeschlossene Zusatzvereinbarungen: agiplan GmbH (2/1), Astrium GmbH EADS Gruppe (1/0), AUDI AG (8/5), Bosch Rexroth AG (1/0), Daimler AG (12/7), Endress+Hauser Conducta GmbH+Co. KG (1/0), Fraunhofer IPA (10/3), J. Schmalz GmbH (1/0), MANN+HUMMEL GMBH (3/3), Robert Bosch GmbH (3/1), Siemens AG (1/0), Trumpf GmbH & Co. KG (6/3), Tognum AG / MTU-Friedrichshafen GmbH (1/0), ZF Friedrichshafen AG (1/0), Hans-Böckler-Stiftung (4/1), EISENMANN SE (2/2), Festo AG & Co. KG (1/1), EM-motive GmbH (1/1), Infineon Technologies AG (1/1), GPS GmbH(1/0) Weitere Projekte starten ab 01/2016. In Vorbereitung befindliche Zusatzvereinbarungen/Kooperationsverträge: Mit den Kooperationspartnern werden weitere Projekte beraten bzw. vertraglich vorbereitet. Diese Ergebnisse zeigen, dass es der GSaME weiterhin gelungen ist, ihr interdisziplinäres, kooperatives Promotionsprogramm auf einem bedeutsamen Technologiegebiet zu festigen und sich mit ihrem Alleinstellungsmerkmal in einem angespannten Markt- und Wettbewerbsumfeld durch eine hohe Attraktivität bei den Absolventen und Relevanz für die Wirtschaft zu behaupten. Im Berichtszeitraum konnten nahezu alle noch möglich zu vergebenden Themen besetzt werden. Der interdisziplinäre Ansatz der GSaME wird in der Mitwirkung von Professoren aus sechs Fakultäten der Universität Stuttgart in den Thesis Committees zur Betreuung der Forschungsarbeiten der Promovierenden deutlich. Die Verteilung der Erstbetreuer auf die an der GSaME beteiligten Fakultäten zeigt, dass die Mehrzahl der Betreuer deutlich und mit leicht steigender Tendenz aus der Fakultät 7 resultiert, aber auch die Fakultäten 10 und 5 erheblich an den Forschungen der GSaME beteiligt sind. 10

16 Abb. 3: Anteil der erstbetreuenden Professoren aus den Fakultäten Abb. 4: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten der Universität Stuttgart Damit entfallen 66 Prozent der Themen mit Erstbetreuung auf die Fakultät 7. Dies betrifft insbesondere Themen aus Kooperationen mit Partnern aus der Wirtschaft oder der Fraunhofer- Gesellschaft und ist vergleichbar mit den Vorjahren. Eine leichte Zunahme ist bei den Themen zu verzeichnen, die in der Fakultät 5 betreut werden. Das Forschungsprogramm wurde im Berichtszeitraum mit 74 Promovierenden (mit Vertrag) umgesetzt. Aus persönlichen Gründen sind 3 Promovierende vorzeitig aus der GSaME ausgeschieden, davon 1 Doktorandin. Damit haben bis 2015 insgesamt 22 Promovierende ohne Promotionsabschluss vorzeitig als Dropout die GSaME verlassen, darunter 7 Doktorandinnen. 11

17 6 Promovierende haben eine Tätigkeit im Unternehmen bzw. im Institut übernommen und schließen die Promotion berufsbegleitend ab. 7 Promovierende haben ihre Promotion im Berichtszeitraum abgeschlossen, womit die Zielsetzung 2015 nicht erreicht wurde. 3 Ziele und Ergebnisse der Cluster 3.1 Cluster A2 Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung Clusterdirektor: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl thomas.bauernhansl@iff.uni-stuttgart.de Das zu Beginn des Forschungsprogramms herausgearbeitete Stuttgarter Unternehmensmodell wurde auch 2015 in Cluster A2 thematisch fortgeschrieben und zwar verstärkt nach den Kriterien Effizienz, Ganzheitlichkeit und Integration. Die folgende Abbildung erinnert an die grundsätzlichen Ausrichtungen. Abb. 5: Überblick über die grundlegenden thematischen Orientierungen im Cluster A2 Die im Verlauf der Bearbeitung des Forschungsprogramms bereits veranschaulichten zwei Strategielinien Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien und Forschungen zur Initiierung von Technologiestrategien dienen dabei nach wie vor als kennzeichnendes Ordnungssystem. Für dieses Ordnungssystem erfolgte 2015 erkenntnisgeleitet eine Fokussierung auf die beiden Themenbereiche funktionale Managementstrategien für den Sondermaschinenbau sowie funktionale 12

18 Managementstrategien und Technologiestrategien mit Bezug zu den Nachhaltigkeitsaspekten in der Forschung und Industrie. Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien für den Sondermaschinenbau Der Trend zum Sondermaschinenbau Der deutsche Maschinenbau ist einer der bedeutendsten Wirtschaftsfaktoren in Europa und wies 2013 einen Umsatzanteil von 40 Prozent am europäischen Maschinenbau aus. Aufgrund des ständigen Hervorbringens innovativer Fertigungstechnologien zählt Deutschland zu den wettbewerbsfähigen Industriestandorten und ist insbesondere als führender Fabrikausstatter zu bezeichnen [nach Kag-13]. Für den Erhalt dieser Innovationsführerschaft werden 11 Prozent der Forschungsaufwendungen deutscher Unternehmen in den Maschinenbau (2013) investiert [VMK-14]. Über 70 Prozent der Unternehmen im deutschen Maschinenbau betrachten den Sondermaschinenbau mit den dominanten Charakteristiken Individualität sowie Lieferant der Produktivität als signifikanten Schrittmacher dieser Branche [VMK-14]. Die meisten industriellen Forschungsarbeiten in diesem Umfeld fokussieren sich jedoch darauf, einen Beitrag zur Entwicklung individueller Produkte zu liefern. In diesem Kontext werden die Fertigungssysteme zur Herstellung dieser Produkte mit ständig steigender Anzahl von Varianten und häufigen Generationswechseln konfrontiert, was wiederum die Hersteller dieser Fertigungssysteme besonders herausfordert. Diese Herausforderungen wurden in der Graduiertenschule GSaME insofern thematisiert, als insbesondere spezifische Auswirkungen beim Entstehungsprozess der Fertigungssysteme im Sondermaschinenbau umfänglich erforscht werden sollen. Einordnung und Abgrenzung des Gegenstandsbereichs Das Aufgabengebiet des Maschinenbaus ist die Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen. Nach [DIN-04] ist eine Maschine eine Verbindung von verschiedenen Teilen oder Baugruppen mit den entsprechenden Antriebselementen, Steuer- und Energiekreisen, die eine bestimmte Anwendung realisieren. Der VDMA teilt alle Branchen des Maschinenbaus in 38 Fachverbände, wie zum Beispiel die Bau- und Baustoffmaschinen, die elektrische Automation, die Robotik und die Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme ein [VDM-15]. Der Bereich der Fertigungssysteme bildet gemeinsam mit den Werkzeugmaschinen einen Fachverband. Die Kategorie Sondermaschinenbau kann, wie auch der Serienmaschinenbau, in allen Branchen vorkommen. In Abbildung 6 wird der Sondermaschinenbau vom Serienmaschinenbau abgegrenzt. Hierfür werden die beschreibenden Eigenschaften nach [Eve96] zugrunde gelegt. Die beiden dargestellten Entstehungsprozesse für Fertigungssysteme im Sonder- und Serienmaschinenbau stellen dabei die Maximalausprägungen des jeweiligen Prozesses dar. In der Praxis ergeben sich häufig Mischformen, die standardisierte Maschinen durch kundenindividuelle Entwicklungen erweitern oder neue Sondermaschinen teilweise aus bewährten Modulen aufbauen [Sch-03]. Der Bereich Fertigungssysteme wird hierbei durch einen besonders hohen Anteil an Sondermaschinen geprägt [Aßm-96]. 13

19 Sondermaschinenbau Serienmaschinenbau Ausprägung Kundenindividuell Keine Anpassungen (ggf. konfigurierbar) Lastenheft Kundenanforderungen Marktanforderungen Entwicklungstätigkeit grüne Wiese oder Adaption Plattformentwicklung Varianten Auftragsabwicklung Keine, da kundenspezifische Ausprägung Auftragsspezifische Kundenentwicklung Vorgedachte Varianten oder modulare Baugruppen Getrennt von der Entwicklung, reine Konfiguration Produktionsprozess Individuelle Anpassung Stabil (iterative Verbesserungen) Stückzahl Produktwertkurve Losgröße 1 bzw. sehr geringe Stückzahlen Entwicklung macht ca. 50 % der Produktentstehungskosten aus. Fokus liegt auf schnellem Entwicklungsdurchlauf, da Entwicklungskosten oftmals Teil des Kaufvertrages sind. Kleinserie bis Massenproduktion Produktions- und Materialkostenbewusste Konstruktion der Maschine, da Entwicklungskosten auf verkaufte Maschinen umgelegt werden. Abb. 6: Kriterien zur Unterscheidung zwischen Sondermaschinenbau und Serienmaschinenbau Der hier zu betrachtende Gegenstandsbereich umfasst den Sondermaschinenbau im Blickwinkel der Fertigungssysteme. Das heißt, für das zu fertigende Produkt des Kunden ist eine kundenspezifische Anlagenlösung zu entwickeln. Dabei müssen die Hersteller mit der steigenden Komplexität der Kundenanforderungen umgehen können [VMK-14] und dies bei abnehmender Wiederverwendbarkeit der Anlagenkonzepte [nach Sch-03]. Aus diesem Grund wird im aufgezeigten Bezugsrahmen die Effizienz des Engineerings als ein kritischer Erfolgsfaktor angesehen [Wes-12]. Um diesen Herausforderungen systematisch begegnen zu können, die identifizierten Forschungslücken zu schließen und damit auch die Zukunftsfähigkeit des deutschen Sondermaschinenbaus absichern zu können, ist es erforderlich, problemadäquate, neue Methoden für den Engineering-Prozess im Sondermaschinenbau bereitzustellen. Im nachfolgenden Kapitel werden die in der GSaME bearbeiteten Forschungsprojekte im Sondermaschinenbau vorgestellt. Forschung zum Sondermaschinenbau in der GSaME Die Forschungsarbeiten in der GSaME betreffen wesentliche Teilprozesse bei der Produktentstehung einer Sondermaschine, vgl. Abb. 7. Tobias Helbig erarbeitet eine Kategorisierung von Automatisierungskomponenten und eine Darstellungsform für funktionale Lösungsideen. Gernot Frank kapselt funktionale Lösungen in Form von mechatronischen Modulen, die er in die Tool-Landschaft integriert und auch projektübergreifend zur Verfügung stellt. Schließlich 14

20 beschäftigt sich Sebastian Pöschl mit der Prozessplanung justageintensiver Inbetriebnahmen von kundenindividuellen Sondermaschinen, um eine Effizienzsteigerung im Produktionsprozess zu erreichen. Abb. 7: Forschungsarbeiten der GSaME im Produktentstehungsprozess einer Sondermaschine Tobias Helbig: Methodik zur Verbesserung der domänenübergreifenden Kooperation während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau. Gernot Frank: Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen. Das Forschungsprojekt wurde 2015 erfolgreich abgeschlossen. Sebastian Pöschl: Modelle und Methoden für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen. Literaturverzeichnis [Kag-13] Kagermann, Henning; Wahlster, Wolfgang; Helbig, Johannes (2013): Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. In: Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4. [VMK-14] VDMA-McKinsey (2014): The Future of German mechanical engineering. Operating successfully in a dynamic environment, zuletzt geprüft am [DIN-04] DIN EN ISO , April 2004: Sicherheit von Maschinen Grundbegriffe, allgemeine Gestaltungsleitsätze Teil 1: Grundsätzliche Terminologie, Methodologie. [VDM-15] VDMA (Hg.) (2015): Die VDMA-Fachverbände: Ihre Themen unsere Experten. VDMA. Online verfügbar unter zuletzt geprüft am [Eve-96] Eversheim, Walter (1996): Organisation in der Produktionstechnik. 3., neu bearb. und erw. Aufl. Düsseldorf: VDI-Verl. (Studium und Praxis, / Walter Eversheim ; Bd. 1). [Sch-03] Schloter, Wolfram (2003): Strategien zur Effizienzsteigerung von Konstruktion und Fertigung für einen optimierten Produktentwicklungsprozess im Sondermaschinenbau. Universität Essen, Essen, zuletzt geprüft am [Aßm-96] Aßmann, Stefan (1996): Methoden und Hilfsmittel zur abteilungsübergreifenden Projektierung komplexer Maschinen und Anlagen. Aachen: Shaker. [Wes-12] Westkämper, Engelbert (2012): Engineering Apps: Eine Plattform für das Engineering in der Produktionstechnik. In: wt Werkstatttechnik online 102 (10), S Funktionale Management- und Technologiestrategien mit Bezug zu Nachhaltigkeitsaspekten in der Forschung und Industrie Nachhaltigkeitsaspekte in der GSaME-Forschung Einleitung Natürlich kümmere ich mich um die Zukunft. Ich habe vor, den Rest meines Lebens darin zu verbringen [Mark Twain, ]. 15

21 Sustainable development is development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs [Bru-87]. Diese Definition von Nachhaltigkeit leitet sich aus dem Brundtland-Bericht Our common future aus dem Jahr 1987 ab. Sie bildet die Grundlage für unser heutiges Verständnis von Nachhaltigkeit. Zwischenzeitlich haben sich zahlreiche Definitionen zum Begriff Nachhaltigkeit herausgebildet, unter anderem die der Enquete-Kommission des Deutschen Bundestags im Jahr 1998: Nachhaltigkeit ist die Konzeption einer dauerhaft zukunftsfähigen Entwicklung der ökologischen, ökonomischen und sozialen Dimension menschlicher Existenz. Diese drei Dimensionen der Nachhaltigkeit stehen miteinander in Wechselwirkung und bedürfen langfristig einer ausgewogenen Koordination [EK-98]. Bei der ökologischen Nachhaltigkeit steht die Erhaltung von Natur, Umwelt sowie der natürlichen Ressourcen für künftige Generationen im Vordergrund. Dabei werden Fragen der Energieeffizienz und des Klimaschutzes, der Emissionen und Abfälle, der Erhaltung der Artenvielfalt, Pflege von Kultur- und Landschaftsräumen und des schonenden Umgangs mit natürlichen Ressourcen behandelt. Abstrakt können Lösungen für die ökologische Dimension mit den Strategien Effizienz, Suffizienz und Konsistenz beschrieben werden. Die Effizienz-Strategie hat dabei mehr oder gleichen Wohlstand mit weniger Umweltverbrauch zum Ziel. Bei der Suffizienz-Strategie resultiert der geringere Umweltverbrauch aus geringerem Konsum. Unter Konsistenz wird die Reduzierung der Umweltfolgen durch angepasste Stoffströme und risikoarme Technologien verstanden [Fle-10]. Ziel der ökonomischen Nachhaltigkeit ist es, wirtschaftlichen Erfolg, soziale Verträglichkeit und schonenden Umgang mit natürlichen Ressourcen ausgewogen zu berücksichtigen und miteinander zu verknüpfen. Ein derartiges Wirtschaftssystem steuert u. a. auf den gerechten Zugang zu Lebenschancen und Bildung sowie die Einhaltung der Menschenrechte hin. Ökonomische Nachhaltigkeit kann durch Preisstabilität, außenwirtschaftliches Gleichgewicht und einen langfristig hohen Beschäftigungsgrad erreicht werden. Betriebswirtschaftlich betrachtet ist jene Kategorie des Wirtschaftens nachhaltig, bei der man von den Zinsen (Kapitalerträgen) lebt, jedoch nicht vom Kapital zehrt. Als dritte Säule beschäftigt sich die soziale Nachhaltigkeit vor allem mit Fragen der gesellschaftlichen Partizipation und mit Verteilungsgerechtigkeit. Es werden Aspekte wie Grundsicherung, Armutsbekämpfung, gleichmäßige Verteilung von Wohlstand und der gerechte Zugang zu Chancen und Ressourcen thematisiert. Verteilungsgerechtigkeit wird dabei aus mehreren Perspektiven betrachtet: Zum einen geht es um die intergenerationelle Verteilungsgerechtigkeit (Generationengerechtigkeit), zum anderen auch um die Verteilung von Entwicklungschancen im Zusammenhang mit der Nord-Süd- Problematik (globale Gerechtigkeit); nicht zuletzt behandelt die soziale Dimension auch die Geschlechterfrage (Geschlechtergerechtigkeit) [EK-98, Nac-15, Bun-12]. Mitte der 1990er Jahre verbreitete sich ausgehend von den drei o. g. Dimensionen das Drei-Säulen-Modell der Nachhaltigkeit, was zunächst begrüßt wurde, weil es von den ökologisch, ökonomisch und sozial handelnden Personen eine wechselseitige Akzeptanz verlangte und somit insgesamt das Verständnis für Nachhaltigkeit erhöhte. In der Zwischenzeit erfuhr dieses Modell erhebliche Kritik mangelnde Operationalisierbarkeit, Zielkonfliktentstehung ohne pragmatische Lösungen usw. Letztlich führten die weiteren konzeptionellen Auseinandersetzungen um das Prinzip Nachhaltigkeit zu verschiedenen Modellen (Abb. 8). 16

22 Das Drei-Säulen-Modell wurde in Richtung eines Integrierten Nachhaltigkeitsansatzes weiterentwickelt und als Dreiecksdiagramm übernommen [JKBP-99, VHK-05]. Das Diagramm steht für eine Kombination aus den drei Komponenten (x+y+z=100 %), denen Nachhaltigkeitsaspekte kontinuierlich zugeordnet werden können. Beispielsweise betrifft die Ökoeffizienz als ökonomisch-ökologisches Konzept zwei Dimensionen gleichermaßen (50 % Ökonomie + 50 % Ökologie), während die Biodiversität vorwiegend als ein ökologisch dominiertes Thema (ca. 100 % Ökologie) anzusehen ist [Kle-09]. Abb. 8: Modelle zum Verständnis des Begriffs Nachhaltigkeit, in Anlehnung an Puf-14 Ausgewählter Blickwinkel zur institutionellen Nachhaltigkeit Nachhaltigkeit ist auf den lokalen, regionalen, nationalen und globalen (internationalen) Betrachtungsebenen zu verwirklichen. Auf der internationalen Ebene haben sich vor über 20 Jahren die Vereinten Nationen (UN) zum Leitbild der nachhaltigen Entwicklung bekannt. In Rio de Janeiro verabschiedeten sie 1992 ein globales Aktionsprogramm. Mit der "Agenda 21" erklärte sich jeder der über 170 Unterzeichnerstaaten bereit, das Leitbild national in allen Politikbereichen unter Beteiligung von Gesellschaft und Wirtschaft umzusetzen. Im Sinne einer 17

23 Fortentwicklung dieses Programms verabschiedete der Europäische Rat 2006 eine EU-Nachhaltigkeitsstrategie mit sieben strategischen Handlungsfeldern (Klimawandel und erneuerbare Energien, nachhaltiger Verkehr, nachhaltiger Verbrauch und Produktion usw.). Auf nationaler Ebene legte die Bundesregierung 2002 die Nationale Nachhaltigkeitsstrategie "Perspektiven für Deutschland" vor. Darin werden auch die Bundesländer, Regionen, Städte, Landkreise und Gemeinden miteinbezogen. Im Einzelnen nahm die Bundesregierung zu den folgenden Teilthemen Stellung: Leitbild der nachhaltigen Entwicklung Strategie als gesellschaftlicher Prozess Indikatoren und Ziele Schwerpunkte einer nachhaltigen Entwicklung u. a. - Energie effizient nutzen - Innovative Unternehmen erfolgreiche Wirtschaft o o Innovation als Motor der Nachhaltigkeit Nachhaltigkeit als Motor für Innovation Globale Verantwortung übernehmen Erfolgskontrolle und Weiterentwicklung der Strategie u. a. - Managementkonzept der Nachhaltigkeit. Insbesondere mit dem Managementkonzept beschreibt die Bundesregierung Regeln hinsichtlich allgemeiner Anforderungen an eine ökologisch, ökonomisch und sozial ausgewogene Entwicklung. Dabei werden die Managementregeln anhand von Maßnahmenkatalogen in prioritären Handlungsfeldern konkretisiert. Darüber hinaus unterstützen formulierte Indikatoren im Rahmen eines Monitorings das Aufzeigen des jeweiligen Entwicklungsstandes [Bun-15]. Beim Teilthema Strategie als gesellschaftlicher Prozess wird unter der Rubrik Wirtschaft darauf hingewiesen, dass eine nachhaltige Unternehmensführung zunehmend als Markenzeichen eines Unternehmens wahrgenommen wird und letztlich bei einem gesamthaft ökologischen Handeln verbesserte Absatzmöglichkeiten zu verzeichnen sind. Die Initiativen der Bundesregierung zum Thema Nachhaltigkeit werden unregelmäßig durch Fortschrittsberichte [Bun-12] sowie durch den Bericht Umweltökonomische Gesamtrechnungen des Statistischen Bundesamts flankiert [Sta-15], sodass sich die Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft sowohl über die jeweiligen institutionellen Entwicklungen als auch über die entsprechenden Anreizsysteme (Förderungen usw.) sowie über die gesetzlichen Regelungen (Kennzeichnungsverordnung, EEG, ElektroStoffV, REACH-Verordnung usw.) informieren und als Folge angemessene Aktivitäten in die Wege leiten können. Ausgewählter Blickwinkel zur Nachhaltigkeit in Industrie und Forschung Neben den internationalen und nationalen staatlichen Institutionen (UN, EU-Parlament, Bund, Länder und Gemeinden) tragen auch die Wissenschaft und Wirtschaft/Industrie Verantwortung für eine nachhaltige, umweltgerechte Entwicklung. Die Industrie dokumentiert das u. a. durch 18

24 das überwiegend jährliche Erstellen von Nachhaltigkeitsberichten. Das Bundesumweltministerium hat 2007 hierzu Kerninhalte eines Nachhaltigkeitsberichts definiert. Diese Kerninhalte orientieren sich im Wesentlichen an den Leitlinien der Global Reporting Initiative (GRI G3) und decken auch weitgehend den deutschen Nachhaltigkeitskodex (DNK) mit ab. Unternehmen können ihre Nachhaltigkeitsleistungen so anhand von zwanzig Kriterien und einer Auswahl von quantifizierbaren Leistungsindikatoren beschreiben. Neben dem Geschäftsbericht ist der Nachhaltigkeitsbericht damit ein Instrument der Kommunikationspolitik der Unternehmen. Nachhaltiges Wirtschaften wird auf diese Weise zunehmend zum strategischen Unternehmensziel, was ein entsprechendes Nachhaltigkeitsmanagement voraussetzt. Die Gesamtverantwortung für ein nachhaltiges Wirtschaften liegt ohne Frage beim Unternehmensmanagement. Das Nachhaltigkeitsmanagement agiert dabei als Schaltstelle zwischen dem Staat und der Gesellschaft (politische Institutionen, ausländische und internationale Organisationen, Gewerkschaften usw.), weiteren externen Stakeholdern (Fremdkapitalgeber, Lieferanten, Kunden, Wettbewerbern) sowie internen Stakeholdern (Eigentümer, Mitarbeiter, Führungskräfte, Betriebsräte usw.). Dabei müssen die erweckten Erwartungen ständig ausbalanciert und schließlich durch eine Licence-to-operate (Legimitation vonseiten der Gesellschaft) genehmigt werden [Hil-11]. Um diese Licence zu erhalten, muss sich jedes Unternehmen gegenüber Mensch (und Natur) verantworten. Unternehmen werden in der Stakeholder-Betrachtung immer schon als eingebettet in einem ökonomischen und sozialen, später auch ökologischen Kontext gesehen. Beispielsweise ist es das prägende Ziel des Nachhaltigkeitsmanagements in der Automobilindustrie, das Erreichen der sozialen und ökologischen mit den derzeit noch dominierenden ökonomischen Unterzielen integrativ abzusichern. Konkret bedeutet dies, sich mit den folgenden Handlungsfeldern des Nachhaltigkeitsmanagements ständig beschäftigen zu müssen (in Anlehnung an Dai-13, Aud-15, BMW-14): Produktverantwortung - Umweltgerechte Forschung und Entwicklung o Kundenzufriedenheit o Produktdesign o Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen o Schadstoffemissionen o Lärmemissionen o Lebenszyklusstadien in Bezug auf Gesundheit und Produktsicherheit usw. o Kreislaufwirtschaft - Nachhaltigkeit in den Lieferketten (global, national, regional) o Vertragliche Integration der Nachhaltigkeitsanforderungen (Einhaltung von sozialen und ökologischen (Mindest-)Anforderungen auf der Basis ökologischer Nachhaltigkeit) o Von der Rohstoffgewinnung über definierte Wertschöpfungsstufen bis zur Entsorgung des Altautos und dem Recycling möglichst vieler Materialien o Risikoanalyse o Lieferantenentwicklung (Qualifizierung/Training) o Qualitätsprozess-Audit o Einhaltung von Standards in der Lieferkette usw. Produktionsprozessverantwortung - Energieeffiziente und CO 2 -arme Produktion - Abfall- und Ressourcenmanagement 19

25 - Luftreinhaltung - Boden, Grundwasser und Gewässerschutz - Logistik und Mitarbeiterverkehr usw. Mitarbeiterverantwortung - Attraktiver Arbeitgeber - Arbeits- und Gesundheitsschutz - Aus- und Weiterbildung - Generationsmanagement - Mitbestimmung - Life-Balance - Diversity, Gender und Inklusion - Interkulturelle Verständigung usw. Managementverantwortung - Nachhaltigkeitsstrategie und -organisation o Unternehmerische Innovationen o Gesellschaftliche Wirkungen o Integration der Nachhaltigkeit o Profitabilität - Stakeholderengagement, Ratings - Umweltpolitik und Mitwirkung am Politikprozess usw. Ethische und gesellschaftliche Verantwortung - Achtung der Menschenrechte - Korruptionsbekämpfung und Compliance, Integrität - Datenschutz - Unterstützung gesellschaftlicher Nachhaltigkeitsinitiativen - Engagement durch eigene Stiftungsarbeit usw, Diese beispielhaften Handlungsfelder skizzieren im Kontext des Nachhaltigkeitsverständnisses das umfangreiche Bestreben in der Industrie, die Grundidee der Nachhaltigkeit, die Integration der drei oben genannten Dimensionen, in vielen kleinen Integrationsschritten umzusetzen. Dieses Umsetzen wird dann noch komplizierter, wenn man sich mit den Details und Konsequenzen der Grundidee beschäftigt. Abbildung 9 versucht anzudeuten, welche Herausforderungen dabei zu bewältigen sind. Jedes der einzelnen Stellglieder, Produkt, Prozess usw., sollte gleichberechtigt nach ökologischen, ökonomischen und sozialen Kriterien ausbalanciert werden und dies nach dem GSaME-Ansatz auf allen Systemebenen des Stuttgarter Unternehmensmodells (horizontal und vertikal). Das derzeit dazu teilweise Bemühen lässt sich bereits an einigen Handlungsfeldern in den Nachhaltigkeitsberichten erkennen. Darüber hinaus wird die Komplexität aus dem Blickwinkel eines Unternehmens insofern noch gesteigert, als nicht nur die einzelnen Stellglieder, sondern auch die Stellglieder insgesamt untereinander nachhaltigkeitsorientiert ausgeglichen werden müssen. Dabei sind nicht nur die erforderlichen Handlungsstränge, sondern auch noch das existierende Kommunikationsnetz (intern und extern) als Querschnittsfunktion zusätzlich im Sinne eines Auslösens und Rückmeldens von Nachhaltigkeitshandlungen zu beachten. Die Analyse der Wertschöpfungskette eines Unternehmens ist Stand der Wissenschaft und Technik, eine Durchführung einer Analyse der Nachhaltigkeits-Wert-Schöpfungskette müsste im Nachhaltigkeitsverständnis als konsequente, nächste Entwicklungsstufe in Angriff genommen werden. 20

26 Abb. 9: Fünf allgemeine Stellglieder eines Industrieunternehmens im Kontext des Leitbildes der Nachhaltigkeit und des Stuttgarter Unternehmensmodells Diese allgemeine Beschreibung von möglichen Szenarien bzw. Problemlagen lassen den erheblichen Forschungsbedarf hinsichtlich der operationalen Integration der drei Nachhaltigkeitsdimensionen erahnen. Der jeweilige Forschungsbedarf wird zum einen überwiegend grundlagenorientiert in den sich zwischenzeitlich herausgebildeten Nachhaltigkeitsschulen thematisiert, wie Karlsruher Schule (KIT) [JKBP-99], Technische Universität Kaiserslautern [VHa-14], Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie [SSR-13], [Sch-15], Universität Oldenburg [FIP-04], Environmental Protection Encouragement Agency (EPEA), Cradle to Cradle-Konzept, Hamburg [BRM-08] usw., zum anderen punktuell an verschiedenen Universitäten, wie [Fle-10], [Kle-09], [Ber-09], [Kük-02], [See-05] usw. Die punktuelle Vorgehensweise lässt sich auch im Forschungsprogramm der GSaME ausmachen. Denn ausgehend von den Erkenntnissen der Karlsruher Schule mit dem dort propagierten integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck und dem kontinuierlichen Zusammenführen der drei Dimensionen Ökologie, Ökonomie und Soziales (siehe auch Abb. 8) lassen sich siebzehn Forschungsprojekte der GSaME diesem Ansatz zuordnen. Abb. 10 zeigt, dass keine umfassende Nachhaltigkeitsforschung an der GSaME betrieben wird, was auch entsprechend der beantragten Forschungsausrichtung advanced Manufacturing Engineering nicht zu erwarten ist. Jedoch wird deutlich, ähnlich wie in der Automobilindustrie, dass man sich zumindest in der Betrachtung von jeweils zwei Dimensionen Ökologie Ökonomie oder Soziales Ökonomie der Integration im Nachhaltigkeitsverständnis nähert. Die thematischen Kurzfassungen zu den angegebenen GSaME-Forschungsprojekten sind im Folgenden unter den jeweiligen Clusterbeschreibungen zu finden. 21

27 Abb. 10: Zuordnung einer Auswahl von GSaME-Forschungsprojekten zum integrierenden Nachhaltigkeitsdreieck Diese kurze Hinwendung zum Thema Nachhaltigkeit erschien notwendig, nicht zuletzt um bewusst zu machen, dass in diesem Kontext dem Engineering ein relevantes Gestaltungspotenzial zur Operationalisierung der Nachhaltigkeitsidee zukommt und die Disziplinen Ingenieurwissenschaft, Informatik und Betriebswirtschaft frei nach Mark Twain interdisziplinär dazu prädestiniert sind, sich um die Zukunft der sich relativ schnell verändernden Erde zu kümmern. Literaturverzeichnis [Bru-87] Brundtland, G.: Our common Future. UN World Commission on Environment and Development, Oxford University Press, 1987 [EK-98] Enquete-Kommission: Abschlussbericht der Enquete-Kommission des 13. Deutschen Bundestages, Drucksache 13/11200, 1998 [Fle-10] Fleschutz, T.: Beitrag zur nachhaltigen industriellen Wertschöpfung durch multiattributive Bewertung von Montageanlagen. Dissertation, Technische Universität Berlin, 2010 [Nac-15] Nachbagauer, A.: Charakterisierung eines Begriffes der sozio-ökonomischen Nachhaltigkeit für Headquarterstandorte, Working Paper Series by the University of Applied Sciences bfi Vienna, Nr. 85/2015, S [Bun-12] Nationale Nachhaltigkeitsstrategie, Fortschrittsbericht 2012, Hrsg.: Presse- und Informationsamt der Bundesregierung Berlin, Silber Druck, 2011 [Puf-14] Pufé, Iris.: Was ist Nachhaltigkeit? Dimensionen und Chancen. In: Nachhaltigkeit, Aus Politik und Zeitgeschichte, 64. Jahrgang, /2014, 28. Juli 2014, S [JKBP-99] Jörissen, J., Kopfmüller, J., Brandt, V., Paetau, M.: Ein integratives Konzept nachhaltiger Entwicklung, Karlsruhe, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1999 (Technik und Umwelt, Wissenschaftliche Berichte FZKA 6393) [VHK-05] von Hauff, M., Kleine, A.: Methodischer Ansatz zur Systematisierung von Handlungsfeldern und Indikatoren einer Nachhaltigkeitsstrategie Das Integrierende Nachhaltigkeitsdreieck, Kaiserslautern, Technische Universität, ISSN X, 2005 [Kle-09] Kleine, A.: Operationalisierung einer Nachhaltigkeitsstrategie Ökologie, Ökonomie und Soziales integrieren, Wiesbaden: Gabler 2009 [Bun-15] Bundesregierung: Perspektiven für Deutschland. Abruf am

28 [Sta-15] Statistisches Bundesamt: Umweltökonomische Gesamtrechnung. Nachhaltige Entwicklung in Deutschland. Indikatoren zu Umwelt und Ökonomie. Wiesbaden: 27. November 2015 [Hil-11] Hill, J.: Thinking about more Sustainable Business an Indicators Approach. In: Corporate Environmental Strategy 41 (1) 2011, S [Dai-13] Daimler AG: Nachhaltigkeitsbericht 2013, Stuttgart: Bechtle Druck + Service GmbH und Co. KG, 2014 [Aud-15] AUDI AG: Umwelterklärung 2015, Attenkirchen/Hallertau: IMAGO 87, 2015 [BMW-14] BMW GROUP: Sustainable Value Report 2014, München: BMW GROUP, 2014 [VHa-14] von Hauff, M.: Nachhaltige Entwicklung: Grundlagen und Umsetzung. München: Oldenbourg, 2014 [SSR-13] Servatius, H., Schneidewind, U., Rohlfing, D. (Hrsg.): Smart Energy Wandel zu einem nachhaltigen Energiesystem. Springer, Heidelberg 2012 [Sch-15] Scherhorn, G.: Wachstum oder Nachhaltigkeit die Ökonomie am Scheideweg. Erkelenz: Altius, 2015 [BRM-08] Braungart, M., McDonough, W.: Die nächste industrielle Revolution: Die Cradle to Cradle-Community. Hamburg: EVA, 2008 [FIP-04] Fichter, K., Paech, N.: Nachhaltigkeitsorientiertes Innovationsmanagement Prozessgestaltung unter besonderer Berücksichtigung von Internet-Nutzungen: Endbericht der SUstainable Markets emerge SUMMMER. Oldenburg: Universität Oldenburg Wirtschafts- u. Rechtswissenschaften, 2004 [Ber-09] Bergmann, L.: Nachhaltigkeit in ganzheitlichen Produktionssystemen. Dissertation, Technische Universität Braunschweig, Essen: Vulkan, 2009 [Kük-02] Küker, S.: Kooperation und Nachhaltigkeit. Dissertation, Universität Bremen, Hamburg: Dr. Kovac, 2002 [See-05] Seebacher, F.: Energieproduktivität als Indikator für Nachhaltigkeit im Innovationsprozess. Dissertation, Technische Universität Graz, Aachen: Shaker, 2006 Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters A2 Das Cluster A2 zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Industriekooperationen aus. Im Cluster wurden 2015 insgesamt 27 Themen, davon 12/2015 noch 20, mit betreut. Themen Gesamt DFG Industrie / FhG laufend mit laufend ohne ausgeschrieben standby abgeschlossen drop out Stand Tabelle mit Übersicht der Forschungsthemen des Clusters A2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer A2-002 Beurteilung der Montierbarkeit und Automatisierbarkeit von Turboflugtriebwerksturbinen während des Vorentwurfs laufend mit Jochen Rendle DFG Staudacher A2-003 Metacognition in Distributed Intelligent Systems laufend mit Tobias Störzinger DFG Misselhorn A2-004 Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken laufend mit Benjamin Kuch DFG Westkämper 23

29 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer A2-005 Wissensbasierte Optimierung der Fabrikeffektivität und Effizienz ausgeschrieben DFG Westkämper A2-007 Konzipierung einer wandlungsfähigen Produktionslogistik standby DFG Bauernhansl A2-008 Entwicklung von Reparaturmethoden und -zeiten auf Basis digitaler Produktmodelle standby Daimler AG Westkämper A2-009 Design for NVH Geräuschoptimierung von E-Maschinen im unverbauten und im verbauten Zustand laufend mit Marcel Clappier EM-motive GmbH Gaul A2-010 Entwicklung eines integrativen, modularen Verfahrens zur systematischen Einführung von Industrie 4.0 in mittelständischen Unternehmen laufend mit Christoph Taphorn agiplan GmbH Westkämper A2-011 Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigurationen in der variantenreichen Serienmontage der Automobilindustrie laufend mit Christian Küber Daimler AG Westkämper A2-012 Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugverbrauchsdaten in einem Tool Management laufend mit Jürgen Lenz DFG Westkämper A2-013 ICT Plattform für das Tool Management standby Industriepartner Westkämper A2-014 Produktion in geschlossenen Energiekreisläufen Potenziale und Realisierungsmöglichkeiten im Brownfield drop out Tim Nattebrede Daimler AG Bauernhansl A2-015 Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0 laufend mit Fei Long DFG Bertsche A2-018 Methodische Vorgehensweise und praktische Umsetzung eines Ansatzes zur effizienten Prototypenfertigung und -erprobung für automobile Rohbaustrukturen in Mischbauweise laufend mit Momme Rakow Daimler AG Bauernhansl A2-019 Modelle und Methoden für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen laufend mit Sebastian Pöschl Trumpf GmbH Bauernhansl A2-020 Wissensverarbeitung in ganzheitlichen Produktionssystemen in cyberphysischen Umgebungen laufend mit Dominik Brenner DFG Westkämper A2-021 Technisch orientierte Entscheidung zur Einführung additiver Fertigungsverfahren mit Metall laufend mit Sarah Müller DFG Westkämper A2-022 Entwicklung eines Verfahrens zur objektiven Beurteilung von Class-A Faserverbundkunststoffoberflächen laufend mit Matthias Krämer AUDI AG Bauernhansl A2-023 Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen laufend mit Bernd Waschneck Infineon AG Bauernhansl A2-024 Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungsansatzes auf Basis laufend mit Nils Piero Daimler AG Bauernhansl 24

30 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer A16 von Augmented Reality-Technologien im dynamischen Produktionsumfeld Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen laufend ohne Yiwen Xu ZF Friedrichshafen AG Westkämper A17 Entwicklung eines generativen Verfahrens auf der Basis des Spritzens von Kunststoffen laufend mit Friedrich Bähr DFG Westkämper A19 Steigerung der Effektivität und Effizienz ganzheitlicher Fabrikplanungsprozesse laufend ohne Mark Hillmann agiplan GmbH Westkämper A20 Energieeffizienz von Vakuumhandhabungssystemen laufend ohne Florian Fritz J. Schmalz GmbH Westkämper A21 Produktsicherheit im globalen Entwicklungs- und Produktionsverbund laufend ohne Steffen Häfele Daimler AG Westkämper A26 Flexible transparente Elektroden auf CNT-Basis laufend mit Thomas Ackermann Fraunhofer IPA Westkämper A27 Methodik für eine komplexitätsgerechte Gestaltung und Steuerung der Endmontage einer Variantenfließfertigung in der Automobilproduktion laufend mit Stefan Keckl AUDI AG Westkämper A3 Nachhaltige Wissensentwicklung und sozial-ökologische Adaptabilität von Industrieunternehmen laufend ohne Frauke Goll DFG Zahn B19 Informationsbereitstellung und Mitarbeiterassistenz in globalen Produktionsnetzwerken laufend mit Wolf Tönnes AUDI AG Westkämper F2-012 Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie laufend mit Wolfgang Kern AUDI AG Bauernhansl H4 Strategieumsetzung und Komplexitätshandhabung für Recycling- u. Re-Use- Geschäftsmodelle Ein Geschäftsmodellkonzept als Managementinstrument für die ressourceneffiziente Herstellung von Produkten laufend ohne Maximilian Regenfelder DFG Zahn * Veränderungen 2015 sind fett markiert Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster A2 Thema A2-A26: Flexible transparente Elektroden auf CNT-Basis Doktorand: Dipl.-Chem. Thomas Ackermann Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Fraunhofer IPA thomas.ackermann@gsame.uni-stuttgart.de 25

31 Zusammenfassung Aufgrund sinkender Produktlebenszyklen von Displays und des aufstrebenden Marktes für flexible Elektronik suchen Display-OEMs nach Alternativen zum konventionellen Material Indiumzinnoxid (ITO) in transparenten Elektroden. Die Nachteile dieses Materials liegen in seiner Beschaffung und der Brüchigkeit. In den letzten Jahren wurden zwar verschiedene alternative Materialien erforscht, allerdings können mit keinem dieser Materialien die Nachteile von ITO überwunden werden, ohne Einbuβen in anderen Anforderungen hervorzurufen. Es muss eine schlechtere optoelektrische Leistung oder eine stärkere Trübung der Schichten in Kauf genommen werden. Dies entspricht nicht den heutigen Standards hinsichtlich der Funktion und des optischen Erscheinungsbildes. Ziel des Forschungsprojekts ist die Herstellung transparenter Elektroden auf Basis alternativer Materialien, die sowohl alle Produktanforderungen erfüllt als auch eine kosteneffiziente Produktion ermöglicht. Eine zentrale Rolle nehmen dabei Netzwerke aus Silbernanodrähten ein. Aufgrund der starken Schichttrübung dieser Netzwerke muss die Belegungsdichte gering sein, was eine hohe Transparenz (ultra-transparent) fordert. Im Laufe des Forschungsprojekts wurden verschiedene Maβnahmen zur Erhöhung der Leitfähigkeit derartiger zweidimensionaler Netzwerke untersucht. Im Einzelnen sind dies die Verwendung von Silbernanodrähten mit hohem Aspektverhältnis, die Verringerung der Kontaktwiderstände durch Erwärmen (Tempern) und die Zugabe weiterer leitfähiger stäbchenförmiger Nanostrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren. Dabei wurde der Begriff der Co- Perkolation geprägt. Abb. 11: Ultra-transparente Hybridschicht aus Silbernanodrähten und Kohlenstoffnanoröhren auf einem konventionellen Smartphone Glas. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie ist die Perkolation der stäbchenförmigen elektrisch leitfähigen Materialien gut zu erkennen. Wiley-VCH Neben dem produktorientierten Ziel, eine Schicht mit hoher optoelektrischer Güte zu erzeugen, wurde das prozessorientierte Ziel einer kosteneffizienten Herstellungsmethode verfolgt. Dabei kommt das Tauchziehverfahren zum Einsatz. Das Verfahren wurde auf kommerzielle Smartphone-Gläser skaliert und es zeigt sich, dass sich mit diesem Verfahren eine ausreichende Schichthomogenität bewerkstelligen lässt, s. Abbildung 11. Am Ende des Projekts wurde eine Produktionszelle für die Herstellung transparenter Elektroden aus Silbernanodrähten durch das Tauchziehverfahren konzeptioniert. Somit konnten innerhalb des Forschungsprojekts 26

32 sowohl grundlegende Fragen hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit durch perkolierende Nanostrukturen als auch neue technologische Fragestellungen beantwortet werden. Thema A2-A17: Entwicklung eines generativen Verfahrens auf Basis des Spritzens von Kunststoffen Doktorand: M. Sc. Friedrich Bähr Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Der mit zweistelligen Wachstumsraten von weltweit 2,2 Milliarden Dollar im Jahr 2012 auf bis zu sechs Millarden Dollar im Jahr 2017 prognostizierte Markt der additiven Fertigung (Wohlers Report 2015) bietet neben etablierten Anwendungen im Prototypenbau, der Medizintechnik und Luftfahrt darüber hinaus zukünftig weitere Einsatzmöglichkeiten im Werkzeugbau, Gießereiwesen, Fahrzeugbau, in der Schmuckindustrie usw. Einen entscheidenden Faktor für den verstärkten Einzug dieser Technologie in die Industrie stellt neben ökonomischen Aspekten die Sicherstellung reproduzierbarer Qualitätsmerkmale hinsichtlich der Bauteilgeometrie, Festigkeit und haptischer Eigenschaften wie beispielsweise die Oberflächengüte dar. Seit den 1950er Jahren wird für das Spritzgießen in einer Plastifiziereinheit geschmolzenes Kunststoffgranulat unter Drücken von 500 bis bar bereit gestellt. Gegenüber anderen additiven Verfahren ist beim Kunststoff-Freiformen (KF) derzeit neu, dass qualifizierte Standardgranulate verwendet werden und dass der Materialaustrag diskontinuierlich, Piezo geregelt sowie tropfenförmig stattfindet. Nach der technischen und wissenschaftlichen Bestandsaufnahme von entsprechenden Verfahren und Anlagen liegt der Fokus dieses Forschungsprojekts zunächst auf dem Verstehen des gesamten Prozesses. Von dieser Basis ausgehend ist später ein wissensbasiertes Konzept zur Annäherung an die Null-Fehler Produktion mit dem KF zu entwickeln. Im Einzelnen wurde dazu der pneumatisch/hydraulisch induzierte Tropfenzerfall niedrigviskoser Flüssigkeiten im industriellen Lackierprozess mit dem Ergebnis untersucht, dass die Viskosität verwendeter Lacke stark von der Kunststoffschmelze im KF abweicht. Die diskontinuierliche Tropfenbildung aus strukturviskosen, thermoplastischen Fluiden in der additiven Anlage weist geringfügige Parallelen zum Lackierprozess auf. Anstelle undefinierter Tropfengröße und -volumina bei der Lackzerstäubung verfügt das derzeitige Verfahren unter anderem über eine Regelung von Druck und Düsenöffnungszeit zur Sicherstellung eines konstanten Tropfenvolumens. Um die im Verfahren auftretenden physikalischen Phänomene und Wirkzusammenhänge erschließen zu können, werden neben den bekannten Einflussgrößen Werkstoffeigenschaften und Einstellparameter die prozessbedingten Größen und Maschinenmerkmale, insbesondere die verschleißanfällige Austragsdüse der Durchmesser 0,15/0,2/0,25mm hinsichtlich Geometrie, Material und Austragsverhalten betrachtet. Die Erkenntnisse daraus sollen dazu 27

33 dienen, ein existierendes Prozessmodell zur realitätsnahen Vorhersage der im Fertigungsprozess zu erwartenden Bauteileigenschaften weiter zu entwicklen. Thema A2-020: Wissensverarbeitung in ganzheitlichen Produktionssystemen in cyber-physischen Umgebungen Doktorand: Dipl.-Ing. Dominik Brenner Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Werkzeuge für spanende Bearbeitungsprozesse durchlaufen während ihres Lebenszyklus aufgrund ihrer begrenzten Standzeit mehrere Stationen im physikalischen Werkzeugkreislauf. Die Werkzeuge müssen nach ihrem Einsatz u.a. geprüft, aufbereitet, instandgesetzt und voreingestellt werden, bevor sie wieder zum Einsatz in einer Werkzeugmaschine kommen. Der daraus resultierende Werkzeugfluss beeinflusst maßgeblich die Verfügbarkeit der Werkzeugmaschinen für die Produktherstellung. Ziel ist es, die Werkzeugverfügbarkeit auf dem Shop-floor zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung des Werkzeugbestands. Abb. 12: Themenschwerpunkte und Ziele der Forschungsarbeit 28

34 Eine volatile Kundennachfrage und die zunehmende Komplexität der Produkte erschweren die Durchführung von Planungs- und Steuerungsaufgaben im Werkzeugmanagement. Dabei sind unzureichende Informationen hinsichtlich des Werkzeuglebenszyklus sowie die Informationsbrüche entlang der Wertschöpfungskette als größte Herausforderungen des Optimierungsprozesses zu nennen. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Methode, welche das Werkzeugmanagement in seinen Planungs- und Steuerungsaufgaben unterstützt. Hierzu ist es notwendig, alle relevanten Informationen der Werkzeuge, welche im Rahmen ihres Lebenszyklus entstehen oder benötigt werden, zu identifizieren. Geeignete Informationsmodellierungsmethoden (UML, ERM) dienen dabei, das Fachkonzept der Informationsstruktur zu beschreiben und die Werkzeughistorie darzustellen. Um nicht vorhandene Daten zu erfassen, wird der Einsatz von zusätzlichen Sensoren im Werkzeugzyklus analysiert und bewertet. Durch die gezielte Anwendung von Lean-Methoden und die Integration von innovativen Geschäftsmodellen sollen die operativen Tätigkeiten im Werkzeugzyklus weiter optimiert und unterstützt werden. Thema A2-009: Design for NVH Geräuschoptimierung von E-Maschinen im unverbauten und im verbauten Zustand Doktorand: M. Sc. Marcel Clappier Thesis Committee: Dr.-Ing. Lothar Gaul (INM) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Infolge der Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben für Hybrid- und Elektrofahrzeuge gewinnt die akustische Produktauslegung von elektrischen Maschinen zunehmend an Bedeutung. Durch das Downsizing des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen und der damit verbundenen geringeren Geräuschmaskierung durch den Verbrennungsmotor wird das von der E- Maschine verursachte Geräusch im Fahrzeuginnenraum stärker wahrnehmbar besonders bei Elektrofahrzeugen, bei denen keinerlei Geräuschmaskierung durch einen Verbrennungsmotor vorliegt. Aufgrund der noch jungen Felderfahrung der Automobilhersteller zum akustischen Verhalten von Hybrid- und Elektrofahrzeugen existieren oftmals keine expliziten und quantitativen Geräuschanforderungen in Form von Grenzwerten, die bei der Maschinenauslegung eingehalten werden müssen. Hieraus resultiert die vielmehr qualitative Anforderung an eine möglichst geräuscharme elektrische Maschine, was die E-Maschinenhersteller zu einer Auslegung in einem unsicheren und dynamischen Umfeld zwingt. Um diesen qualitativen Anforderungen flexibel und wirtschaftlich entgegnen zu können, gewinnt der Einsatz numerischer Methoden zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit gilt es, relevante Wirkzusammenhänge in Bezug auf die Geräuschentstehung und -übertragung zu analysieren und diese durch geeignete physikalische Modelle in numerischen Simulationen abzubilden, um eine zuverlässige Prognose des 29

35 akustischen Verhaltens der E-Maschine zu ermöglichen. Der Fokus wird dabei auf die strukturmechanische Modellierung sowie den Einfluss der Rotordynamik auf die Akustik gelegt, da das Körperschall-Übertragungsverhalten maßgeblich die Resultate des abgestrahlten Luftschalls bestimmt. Zur Bestimmung der Strukturdämpfung und richtungsabhängigen Steifigkeit von Rotorblechpaketen wurde ein Prüfstandkonzept entwickelt und umgesetzt. Mit den hierdurch ermittelten Materialdaten wurden erste rotordynamische Simulationen durchgeführt und Rotor-Designrichtlinien abgeleitet, welche in den nächsten Schritten für akustische Bewertungen herangezogen werden können. Zur Berechnung der Vibrationsamplituden des Maschinengehäuses werden physikalische Material- und Fügestellenmodelle eingesetzt. Anhand von Dämpfungsprognosen lässt sich somit das maschinenspezifische Design konstruktiv (gezielt) akustisch verbessern. Durch die Weiterentwicklung eines linearen Fügestellenmodells konnte eine weitere Verbesserung der Dämpfungsprognose erzielt werden. Um die statistische Streuung der Material- und Dämpfungseigenschaften zu berücksichtigen, werden statistische Methoden in die Berechnung einbezogen. Sofern möglich werden alle Simulationsergebnisse durch experimentelle Untersuchungen verifiziert. Thema A2-A27: Methodik für eine komplexitätsgerechte Gestaltung und Steuerung der Endmontage einer Variantenfließfertigung in der Automobilproduktion Doktorand: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stefan Keckl Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Zusammenfassung Turbulenzen und Wandel prägen das Umfeld produzierender Unternehmen. Eine Situation, die sich insbesondere in volatilen Absatzmärkten zeigt. Die Vielfalt und Veränderung in Zahl und Art der nachgefragten Produkte stellen die Produktionsunternehmen vor Herausforderungen und führen zu komplexer werdenden Prozessen in der Produktion, die einen wirtschaftlichen Betrieb hemmen. Insbesondere die Endmontage einer variantenreichen Fließfertigung ist dabei mit einer hohen Komplexität aufgrund einer großen Vielfalt an Teilen und Prozessen konfrontiert. Die Strukturen des Endmontagesystems müssen daher sowohl die notwendige Flexibilität zur Verfügung stellen als auch die Effizienz des Betriebes gewährleisten. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel des Projektes, eine Methodik zu entwickeln, die eine kontinuierliche Analyse und Anpassung des Endmontagesystems einer Variantenfließfertigung in Gestaltung und Steuerung hinsichtlich der Komplexitätssituation unterstützt, um die Effizienz im Betrieb zu steigern. Dazu werden die Zusammenhänge von Produkt- und Endmontagesystem sowie die Komplexität und deren Auswirkungen auf die Effizienz im Endmontagesystem analysiert. Um eine permanente Analyse der Komplexität zu ermöglichen, wird ein digitales Werkzeug zur Verfügung gestellt, das die Effizienz und Komplexität für die Endmontagelinie anhand des Produktionsprogramms kontinuierlich quantifiziert. Aufbauend 30

36 auf der Analyse werden die Anpassungen für das Endmontagesystem von strategischen Stoßrichtungen abgeleitet. Fokus der strategischen Stoßrichtungen ist die komplexitätsgerechte Zuordnung der Arbeitsinhalte auf Ressourcen und Montageprinzipien, die in der Folge eine Reduzierung des Kapazitätsangebote und eine Erhöhung der Flexibilität der Ressourcen ermöglicht. Thema A2-F2-012: Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie Doktorand: M. Sc. Wolfgang Kern Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Zusammenfassung Bei der Herstellung von Automobilen hat sich die Komplexität in den letzten Jahren insbesondere durch eine starke Produktdifferenzierung und verkürzte Produktlebenszyklen wesentlich erhöht. Diese Entwicklung wird sich durch neue Produktionstechnologien, alternative Antriebskonzepte sowie eine stärkere Individualisierung und Personalisierung der Fahrzeuge weiter fortsetzen. Um dieser Vielfalt und Dynamik in der Automobilindustrie auch in Zukunft gerecht zu werden, ist eine Anpassung der Fertigungskonzepte an die veränderten Anforderungen notwendig. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird ein alternatives Fertigungssystem ohne starre Verkettung der Arbeitsstationen und mit flexiblem Transportsystem konzipiert. Daraus resultieren veränderte Anforderungen hinsichtlich der Fertigungsplanung und -steuerung, für die geeignete Planungsmethoden und Steuerungskonzepte entworfen werden. Zudem werden die Auswirkungen auf die fertigungsnahen Bereiche abgeleitet. Mit Hilfe eines Simulationsmodells wird die Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Wandlungsfähigkeit des alternativen Fertigungssystems auf der Datenbasis einer variantenreichen Serienproduktion bewertet. Ziel des Projekts ist es somit, die notwendige Flexibilität und Wandlungsfähigkeit einer zukünftigen Automobilproduktion wirtschaftlich zu realisieren. Thema A2-022: Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Beurteilung von Class-A Faserverbundkunststoffoberflächen Doktorand: M. Sc. Matthias Krämer Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Dr.- Ing. Peter Middendorf (IFB) 31

37 Zusammenfassung Faserverbundkunststoffe (FVK), die sich in der Luft- und Raumfahrt und dem Motorsport bereits erfolgreich durchgesetzt haben, gewinnen nun auch in der Automobilindustrie unter anderem aufgrund strikter gesetzlicher Vorgaben zur Emissionsreduktion zunehmend an Bedeutung. Der heterogene Aufbau der FVK, der einerseits für die hervorragenden gewichtsbezogenen Kennwerte und somit auch für das hohe Leichtbaupotenzial verantwortlich ist, wird andererseits zur Herausforderung, sobald dieser innovative Werkstoff als sichtbares, lackiertes Außenhautbauteil im direkten Vergleich zu herkömmlichen Materialien vorliegt. Sichtbare Faserabzeichnungen führen zu deutlich verminderten Oberflächenqualitäten. Aktuell wird dieses Phänomen lediglich subjektiv beurteilt, wodurch die Möglichkeit zur gezielten Einordnung der jeweiligen Oberflächenqualitäten entfällt. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft werden im Rahmen des Forschungsprojekts physikalisch-technische Grundlagen und Wirkungsweisen für eine reproduzierbare Beurteilung von sogenannten Class-A FVK-Oberflächen erforscht. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Messverfahren mit Mess- und Grenzwerten entwickelt werden. Empirische Studien zum subjektiven Eindruck verschiedener lackierter FVK-Oberflächenqualitäten und der Abgleich mit Topografiedaten bilden dabei den Grundstein für die Entwicklung eines Algorithmus zur Auswertung der Mess- und Grenzwerte hinsichtlich einer reproduzierbaren Beurteilung von FVK-Oberflächen. Abb. 13: Faserverbundkunststoffe (FVK) Links: Querschnitt eines klarlackierten Faserverbundkunststoffs, rechts: Oberflächentopografie von FVK mit typischer Faserstruktur Ziel der Forschung ist die Etablierung eines vom Substrat bis zur lackierten Oberfläche durchgängigen Messverfahrens zur Einordnung der Qualität von FVK-Oberflächen, sodass letztendlich ein Quality-Gate zwischen dem Herstellungs- und dem aufwändigen Lackierprozess der FVK geschaffen werden kann. Auf diese Weise soll ein Beitrag geleistet werden, den Nachweis der Serienreife dieses innovativen Werkstoffes als sichtbares Class-A Außenhautbauteil zu erbringen. 32

38 Thema A2-011: Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigurationen in der variantenreichen Serienmontage der Automobilindustrie Doktorand: M. Eng. Christian Küber Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Die Automobilbranche zählt zu den Schlüsselindustrien eines Landes. Der einzelne Automobilhersteller muss dabei ständig seine Markposition gegenüber den Wettbewerbern und den Anforderungen der derzeitigen und zukünftigen Kunden analysieren. Dies hat unter anderem zur Folge, dass in den vergangenen Jahren die Anzahl angebotener Fahrzeugmodelle erheblich zugenommen hat. Diese Tendenz wird sich auch zukünftig fortsetzen. Mit Blick auf die Fahrzeugherstellung beeinflussen diese Entwicklungen insbesondere die Montagelinien, die heute in der Regel nur eine Fahrzeugarchitektur und eine begrenzte Anzahl darauf basierender Derivate abbilden können. Auf Nachfrageänderungen über alle Fahrzeugmodelle aber auch zwischen Fahrzeugderivaten kann zurzeit in der Montage nur in begrenztem Umfang reagiert werden. Um hier Verbesserungen erzielen zu können, ist der Flexibilitätsgrad in der Montagelinie zu erhöhen. Konkret lässt sich dies durch eine neue Methode erreichen, die es erlaubt, mehr als eine Fahrzeugarchitektur abzubilden. Eine in der Automobilindustrie durchgeführte Analyse zeigt, dass sich die Montagereihenfolge bestehender Montagelinien selbst bei gleichen Fahrzeugarchitekturen unterscheiden. Über die entwickelte neue Methode können diese Freiheitsgrade zur Harmonisierung unterschiedlicher Montagevorranggraphen genutzt werden. Dazu wird im ersten Schritt die Endmontage modularisiert. Mit Hilfe einer Adjazenzmatrix, basierend auf den Modulen, können dann die Freiheitsgrade einzelner Architekturen ermittelt werden. Durch das Matching der Architekturen wird eine Adjazenzmatrix erzeugt, die die gemeinsamen Freiheitsgrade beinhaltet. Darauf basierend lassen sich die möglichen Montagekonfigurationen generieren, die das Montieren von mehr als einer einzelnen Architektur auf einer Linie erlauben. Aus diesem Konfigurationspotenzial kann, über zuvor definierte Kriterien, diejenige Konfiguration ausgewählt werden, die mit Bezug zur jeweiligen Angebots- und Nachfragesituation zukünftige Anforderungen treffender erfüllt. Im Weiteren wird diese entwickelte Methode am Beispiel einer Green- und Brownfield-Planung in der Automobilindustrie validiert. Thema A2-004: Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken Doktorand: Dipl.-Ing. Benjamin Kuch Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Dr. Burkhard Pedell (BWI Abt. V) 33

39 Zusammenfassung Fabriken und Regionen stehen in einem wechselseitigen Abhängigkeitsverhältnis zueinander. Einerseits werden zahlreiche Prozesse der Fabrik beeinflusst von der (erweiterten) regionalen Infrastruktur, was in der Folge bedeutende Auswirkungen auf die Effizienz der Fabriken hat. Andererseits sind die Fabriken, gerade im Südwesten Deutschlands, eine wichtige Triebfeder für wirtschaftlichen Wohlstand und soziale Stabilität. Die funktionale Ausdifferenzierung und die damit einhergehende Aufteilung der Wertschöpfung machen in modernen Märkten die ständige Kooperation zwischen Organisationen verschiedener Systeme nötig. Die erweiterte regionale Infrastruktur enthält diese verschiedenen Systeme, welche zeitgleich berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise sind dies die Systeme der Wirtschaft, der Politik sowie der Wissenschaft, welche für viele essenzielle Prozesse der Fabrik- und der Regionalentwicklung koordiniert werden müssen und daher den Betrachtungsrahmen der Arbeit darstellen. Die Fähigkeit die Koordination zwischen verschiedenen Systemen erfolgreich zu gestalten, wird hierbei als Treiber für die Wettbewerbsfähigkeit einer Region angesehen. Abb. 14: Die erweiterte regionale Infrastruktur Die Koordination verschiedener Systeme stellt Fabriken und die Region insgesamt vor große Herausforderungen. Zum einen gilt es, die Perspektiven innerhalb eines Systems, evtl. zwischen mehreren Subsystemen, aufeinander abzustimmen. Zum anderen müssen auch die verschiedenen Systeme untereinander an vielen Stellen verschränkt werden, um Probleme effektiv adressieren zu können. Es soll im Rahmen der Forschungsarbeit eine systematische Untersuchung der Bedingungen und Potenziale in der erweiterten regionalen Infrastruktur stattfinden, auf Basis derer ein Managementmodell mit regionaler Ausrichtung entwickelt werden soll. Dieses Managementmodell soll die Perspektive der Region abbilden, hierdurch die effiziente Koordination der unterschiedlichen und parallel existierenden Systeme ermöglichen und letztlich die Wettbewerbsfähigkeit der fokalen Region sicherstellen. 34

40 Thema A2-012: Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugverbrauchsdaten in einem Tool Management Doktorand: Dipl.-Ing. (FH), M. Sc. Jürgen Lenz Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Der Zerspanungsprozess wird mittels Ein- und Ausgangsgrößen beschrieben. Die Eingangsgrößen sind Werkstück, Werkzeug, Prozessparameter (Zustellgrößen, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit, ) und die Werkzeugmaschine. Die Ausgangsgrößen sind das Ergebnis am Werkstück (Maßgenauigkeit, Formgenauigkeit, ) sowie das wirtschaftliche Ergebnis (Werkzeugverschleiß, Maschinenverschleiß, Ausschuss, ). Die Prozessparameter unterscheiden sich von den geplanten Parametern aus unterschiedlichen Gründen. Beispiele hierfür sind unterschiedliche Rohteileigenschaften (Maßabweichungen, Werkstoffzusammensetzung), sich ändernde Schnittbedingungen, variierender Zahnvorschub und Prozess- bzw. Schnittunterbrechungen. Aus diesen Gründen sind die tatsächlichen Ist-Prozessparameter ungleich den geplanten Soll-Prozessparametern. Um optimale Ergebnisse hinsichtlich Werkzeugverschleiß zu erzielen, ist es daher notwendig, die Ist-Prozessparameter zu erfassen. Innerhalb der Forschungsarbeit wird ein Modell entwickelt, welches alle relevanten Daten erfasst und auswertet, die für den Werkzeugverschleiß bestimmend sind. Die Daten entstammen unterschiedlichen Quellen wie z.b. der Maschinensteuerung, dem ERP-System und der Werkzeugverwaltung. Die Rohdaten aus unterschiedlichen Quellen werden mittels Meta- Informationen verknüpft und der Kontext der Bearbeitungsbedingungen des Werkzeugeinsatzes hergestellt. Aufbauend auf der Aufzeichnung der Daten der Bearbeitungshistorie und des gemessenen Verschleißes des jeweiligen Werkzeuges wird ein maschinell lernendes System implementiert, welches den kausalen Zusammenhang zwischen Einsatzbedingungen und Verschleiß mit jedem Lernvorgang genauer bestimmt. Das entwickelte Modell wird in einem Webservice implementiert und das Vorgehen bei einem KMU validiert. Thema A2-015: Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0 Doktorand: M. Sc. Fei Long Thesis Committee: Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) fei.long@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Um die Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0 realitätsnah analysieren zu können, müssen zuerst die Produktionssysteme in Industrie 4.0 untersucht und modelliert 35

41 werden. Die speziellen Eigenschaften von den Produktionssystemen in Industrie 4.0 wurden als erste Untersuchungsobjekte betrachtet. Die Aspekte Kommunikation, Lernfähigkeit, Intelligenz und Flexibilität könnten eine entscheidende Rolle in der Zukunft spielen und werden zurzeit in erster Linie untersucht. Ziel dieser Untersuchung ist es, geeignete Modellierungselemente zur Darstellung der Eigenschaften zu entwickeln. Mit diesen neu entwickelten Modellierungselementen können dann die ausgewählten Modellierungsmethoden in der nahen Zukunft erweitert werden. Nach der Bewertung vorhandener grafischer Modellierungsmethoden wurden zwei High-Level Modellierungsmethoden, die erweiterten, farbigen stochastischen Petrinetze (ECSPN) und die farbigen Petrinetze (CPN), als erste Untersuchungsmethoden zur Modellierung der Produktionsprozesse und Analyse deren Verfügbarkeit ausgewählt. Die Aspekte der Entscheidungsfindung und Wechselwirkung im System wurden berücksichtigt. Als nächstes werden die Aspekte der Lernfähigkeit, Intelligenz, Flexibilität und Komplexität analysiert, um eine automatisch optimierende Methode zu konzipieren. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer leistungsfähigen Methode zur Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0. Hinsichtlich der Flexibilität wurde die flexible Struktur der Produktionssysteme in Abhängigkeit von flexiblen Varianten und Stückzahlen untersucht. Als Ergebnis der Untersuchung sind die Methoden ECSPN und CPN zu integrieren, um eine programmierfähige Methode zu entwickeln. In Bezug auf die Komplexität sind die Kenntnisse in der Instandhaltung und in den Produktionssystemen weiter zu vertiefen, damit die Produktionssysteme systematisch und realitätsnah analysiert werden können. Weiter sind die Auswirkungen der speziellen Eigenschaften von Produktionssystemen auf die Verfügbarkeit zu analysieren. Thema A2-021: Technisch orientierte Entscheidung zur Einführung additiver Fertigungsverfahren mit Metall Doktorandin: Dipl.-Ing. Sarah Müller Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Additive Fertigungsverfahren ermöglichen den direkten, formlosen und schichtweisen Aufbau von Teilen aus ihren CAD Daten. Die daraus resultierenden, vielfältigen Möglichkeiten der Individualisierung sowie die Fertigung von komplexen Geometrien und Materialeinsparungen eröffnen neue Möglichkeiten im Produktdesign. Aufgrund ihrer Vorteile sollen additive Fertigungsverfahren, wie das Powder Bed Fusion, auch in der Serienfertigung von metallischen Bauteilen eingesetzt werden. Die Entscheidung zur Integration des additiven Verfahrens wird meist aus betriebswirtschaftlicher Sicht getroffen. Es kann sich dabei um die Einführung eines neuen Prozesses oder um die Ersetzung eines bestehenden Prozesses handeln. Ziel des Forschungsprojekts ist es, ein technisch orientiertes Entscheidungsmodell zu entwickeln. Neben der monetären Betrachtung werden die Sicherstellung der Qualität, die Technologieauswahl sowie die Erfüllung der 36

42 notwendigen Rahmenbedingungen in den Vordergrund gestellt. Auch Einflüsse auf vor- oder nachgelagerte Prozesse werden in dem Modell berücksichtigt. Abb. 15: Traditionelle und additive Fertigungskette im Vergleich Thema A2-024: Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungsansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld Doktorand: M. Eng. Nils Piero Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Zusammenfassung Die vorherrschende komplexe Wettbewerbssituation, in welcher sich global agierende Unternehmen befinden, wird zunehmend durch die Forderung der Kunden nach individuellen Produkten geprägt. Bedingt durch eine anhaltende Steigerung der Variantenvielfalt bei gleichzeitig komplexeren Produkten und sinkenden Produktlebenszyklen ergibt sich eine Häufung der Anlaufszenarien bei steiler werdender Anlaufkurve. Zusätzlich erhöhen sich die Anforderungen an die Produktqualität, womit eine Absicherung produzierter Produkte unerlässlich wird. Computer Vision ermöglicht durch die Fortschritte im Bereich der modellbasierten Trackingverfahren die Kombination von CAD-basierten Planungs- und Entwicklungsdaten mit korrespondierenden physischen Planungswelten. Werden modellbasierte Trackingverfahren zur Qualitätssicherung innerhalb der Produktion eingesetzt, eröffnen sich Potenziale wie die durchgängige Verknüpfung von virtuellen und realen Geometrieumfängen, der Aufbau eines Digitalen Zwillings pro Produkt, der echtzeitnahe Abgleich von virtuellen und realen Geometrieumfängen, die Ermittlung von Trends über kontinuierliche Veränderungen oder der Rückschluss von realen Geometriedaten auf den Produktionsprozess. Ziel des Forschungsprojekts ist die Ausgestaltung einer Methode zur durchgängigen Qualitätssicherung auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld. 37

43 Thema A2-019: Modelle und Methoden für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justageintensiven Fabriksystemen Doktorand: M. Sc. Sebastian Pöschl Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Dr. Thomas Graf (IFSW) Zusammenfassung Der nachhaltige Erfolg im Sondermaschinenbau ist entscheidend abhängig von der jeweiligen Projektdauer. Dabei nimmt die Inbetriebnahme mit bis zu 25 Prozent einen wesentlichen Anteil an der Gesamtdauer eines Projektes ein. Die Inbetriebnahme ist nicht nur durch eine geringe Stückzahl, sondern zugleich auch durch eine Komplexitätssteigerung aufgrund steigender Kundenanforderungen gekennzeichnet. Im Vergleich zur Serieninbetriebnahme lassen sich zudem Definitionslücken in der Präzisierung und der Adaption von Grenzwerten neuer Maschinen erkennen. Um die Verkürzung der Inbetriebnahme, die Reduzierung der Prozessvarianten und die Steigerung der Ressourcenproduktivität zu erreichen, wird in dieser Arbeit ein neues Modell erforscht. Es verfolgt den Ansatz, mittels Risikobetrachtung und Bewertung der jeweiligen Prozessdauer, die genannten Ziele zu erreichen. Dabei werden Prozessheuristiken verwendet, um Prozessanpassungen zu modellieren. Das Prozessmodell wird in einem anschließenden Schritt mit der Risikoanalyse bewertet und für die Integration von Expertenwissen vorbereitet. Für die Modellierung der Prozessheuristiken, in Verbindung mit den jeweiligen Risiken, werden Bayesche Netze herangezogen. Das Modell ermöglicht somit die Betrachtung der Durchlaufzeit einzelner Prozesse im Standardprozess und unter Einwirkung möglicher Fehler. Damit wird ein Beitrag zur wissensbasierten Effizienzsteigerung der Inbetriebnahme im Sondermaschinenbau geleistet. Thema A2-018: Methodische Vorgehensweise und praktische Umsetzung eines Ansatzes zur effizienten Prototypenfertigung und Erprobung für automobile Rohbaustrukturen in Mischbauweise Doktorand: Dipl.-Ing. Momme Rakow Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Daimler AG Zusammenfassung In der Entwicklung neuer automobiler Rohbaustrukturen werden zunehmend Mischbauweisen eingesetzt. Als Werkstoffe kommen neben Stahl insbesondere Aluminium und Faserverbundkunststoffe zum Einsatz. 38

44 Für die Entwicklung neuer Bauweisen und Konzepte bedarf es einer methodischen Vorgehensweise zur zielgerichteten Absicherung der Bauteile und Fertigungslösungen in frühen Entwicklungsphasen. Die Herausforderung hierbei ist die oftmals unzureichend verfügbare Simulationstechnik. Daher gewinnt der Prototypenbau entgegen dem allgemeinen Trend wieder an Bedeutung. Abb. 16: Parallelisierung der Prototypenfertigung, Erprobung neuer Produktionskonzepte Beides steigert in einem flexiblen Laborumfeld frühzeitig den Reifegrad der Entwicklung und spart Zeit und Kosten Aufgrund der durch den Prototypenbau verursachten hohen Kosten ist es wünschenswert, durch Synergie-Effekte zusätzliche Informationen aus dem Prototypen-Prozess zu generieren. Infolgedessen soll eine verbesserte methodische Vorgehensweise zur effizienten, zielgerichteten Entwicklung automobiler Rohbaustrukturen in Mischbauweise entwickelt werden. Großes Augenmerk liegt hierbei auf der effizienten Bauteil-Absicherung an Prototypen, wobei die parallele Entwicklung der Technologie und des Anlagenkonzepts durch Synergie-Effekte aus der Prototypenfertigung unterstützt werden soll. Ziel der Arbeit ist eine methodische Vorgehensweise zur produktionsgerechten Beeinflussung in frühen Produktentwicklungsphasen. Hierbei soll die Forderung nach variantenreichen Produkten, wandelbaren Produktionslinien und der Wiederverwendung bestehender Anlagen berücksichtigt werden. Thema A2-002: Beurteilung der Montierbarkeit und Automatisierbarkeit von Turboflugtriebwerksturbinen während des Vorentwurfs Doktorand: M. Sc. Jochen Rendle Thesis Committee: Dr.-Ing. Stephan Staudacher (ILA) 39

45 Zusammenfassung Moderne zivile Turboflugtriebwerke sind für eine effiziente Nutzung entlang ihres gesamten Lebenszyklus ausgelegt. Um dies zu unterstützen, bestehen moderne Triebwerke aus unterschiedlichen Modulen. Die Montage dieser Module und der Turboflugtriebwerke erfolgt derzeit hauptsächlich manuell in einer manufakturähnlichen Betriebsumgebung. Das anhaltende Wachstum des globalen Luftverkehrs resultiert in der erhöhten Nachfrage nach Flugzeugen und Triebwerken. Die Lieferzeit ist daher ein entscheidender Aspekt in zukünftigen Planungsszenarien der Fluglinien. In der Vergangenheit konnten die bestellten Produkte nicht gemäß den Auftragsbüchern ausgeliefert werden. Daraus resultierte ein Produktionsrückstand in der Luftfahrtindustrie. Um diesem Trend entgegenzuwirken, müssen in Zukunft die Produkte nicht nur technisch machbar und wirtschaftlich vertretbar, sondern auch industriell herstellbar sein. Das Ziel ist eine Optimierung der Lebenszykluskosten des Gesamtsystems Flugzeug. Die Phase des Produktentwicklungszyklus mit dem größten Potenzial zur Optimierung der Lebenszykluskosten ist das sogenannte Preliminary Design (Vorentwurf). Hier werden grundlegende Entscheidungen über die Triebwerks- oder Modularchitektur getroffen. Diese Entscheidungen beeinflussen die nachfolgenden Entwicklungsschritte sowie die Fertigung und Montage. Der Fokus der Forschung liegt auf der Bewertung der Montierbarkeit eines repräsentativen Triebwerksmoduls bereits im Vorentwurf. Mithilfe eines 3D CAD-Modells wird die Montagezeit für sämtliche Ein- und Ausbaupfade sowie manuelle Montageschritte mit der MTM-Methode abgeschätzt. Die Erreichbarkeit von Fügestellen sowie die Definition von allgemeingültigen Schnittstellen spielen eine zentrale Rolle in der Bewertung der unterschiedlichen Architekturvarianten. Aufbauend auf den Ergebnissen der Montagezeitabschätzung der manuellen Montageprozesse wird das Automatisierungspotenzial in der Niederdruckturbinenmontage analysiert. Die Ergebnisse der Montagezeitabschätzung sowie die Bewertung des Automatisierungspotenzials dienen der Überprüfung von Designvarianten im Hinblick auf eine Optimierung der Lebenszykluskosten. Thema A2-010: Entwicklung eines integrativen, modularen Verfahrens zur systematischen Einführung von Industrie 4.0 in mittelständischen Unternehmen Doktorand: Dipl.-Ing. Christoph Taphorn Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Durch die Vernetzung von Menschen, Objekten und Systemen in der Produktion sowie die Bereitstellung und Auswertung großer Datenmengen entstehen enorme Potenziale für Unternehmen. Insbesondere mittelständischen Unternehmen fehlt jedoch eine klare Strategie zur Erschließung dieser Potenziale. 40

46 Eine Analyse von aktuellen Anwendungsfällen zeigt große Varianz bezüglich Implementierungsaufwand, Innovationsgrad und Wirkebenen. Die große Breite von unterschiedlichen Anwendungen, die individuellen Anforderungen und Ausgangssituationen von Unternehmen und die hohe Varianz bezüglich des Realisierungszeitraums lassen klassische Verfahren zur Produktionsanalyse und Optimierung scheitern. Im Dissertationsvorhaben wurde ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem Unternehmen strukturiert ihren Weg hin zu einer Industrie 4.0 Produktion entwerfen können. Dabei zeigt die Prozessanalyse zunächst mögliche Schwachstellen und Ansatzpunkte im IST-Zustand auf. Diese dienen als Basis für die anschließende Ideengenerierung und Grobkonzeptionierung. Erfolgsversprechende Anwendungen werden dann konkretisiert und auf ihr Kosten-/Nutzen- Verhältnis für das Unternehmen hin bewertet. Konkrete Umsetzungsstrategien für eine schrittweise Einführung werden abschließend in einem Roadmapping erstellt. Das Verfahren basiert auf der Übertragung bekannter Ansätze und Methoden aus dem Technologiemanagement auf die Produktionsentwicklung und befindet sich derzeit in der Validierungsphase. Thema A2-B19: Informationsbereitstellung und Mitarbeiterassistenz in globalen Produktionsnetzwerken Doktorand: Dipl.-Ing. Wolf Tönnes Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Zusammenfassung Insbesondere in der Automobilindustrie führen die Derivatisierung und Individualisierung von Produkten zu einer zunehmenden Variantenvielfalt. Mixfertigungen, bei denen mehr als ein Fahrzeugmodell auf einer Produktionslinie hergestellt wird, sind die Regel. Die Herausforderungen zeigen sich verstärkt in der manuellen Montage. Für die Mitarbeiter an den Montagelinien nimmt die Komplexität der zu verarbeitenden Informationen und der zu beherrschenden Montageprozesse stetig zu. Dies begünstigt zufällig auftretende Fehler, die durch präventive Maßnahmen nur teilweise zu vermeiden sind. Ziel des Dissertationsprojekts ist die Entwicklung einer Methodik, die zur Vermeidung von Fehlern, Abweichungen und insbesondere deren Folgen in der getakteten Fließmontage dient. Die Methodik berücksichtigt die vorherrschenden organisatorischen, zeitlichen und technischen Restriktionen in einer getakteten Fließmontage. Auf Basis einer Produktionsdatenbank eines Automobilherstellers werden alle Daten nach diesen Restriktionen klassifiziert. Anschließend wird entschieden, inwieweit eine Information dem Mitarbeiter zur Vermeidung eines Wiederholungsfehlers oder den Folgen eines erstmalig auftretenden Fehlers hilft. In solchen Fällen sollen Mitarbeiter durch ein Assistenzsystem in Echtzeit vorgewarnt werden oder über Handlungsempfehlungen zur Fehlerbeseitigung informiert werden. Auf diese Weise 41

47 kann die Effizienz der Montage während der Produktion in der variantenreichen Serienfertigung gesteigert werden. Der nächste Schritt ist die Validierung der Methodik. Abb. 17: Mitarbeiter an einer Montagelinie Thema A2-023: Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen Doktorand: M. Sc. Bernd Waschnek Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Zusammenfassung In der Halbleiterindustrie werden üblicherweise Speicherbausteine und Mikrochips in wenigen Varianten und mit großem Volumen produziert. Durch die Digitalisierung der Industrie und das Internet sind neue, spezialisierte Halbleiterprodukte wie z.b. verschiedene Sensoren gefragt, die häufig durch individuelle Anpassung für Kunden in geringer Stückzahl produziert werden. Das ständig wachsende, diverse, volatile Portfolio moderner Halbleiterhersteller, welches auf einer steigenden Kombinationsvielfalt und Anzahl unterschiedlicher Prozesse und Materialien beruht, stellt neue Anforderungen an die Produktionssteuerung der Frontend-Reinraumfertigungen. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines abstrakten Regelsatzes für eine autonome Lossteuerung, die sich durch eine gesteigerte Flussorientierung, Flexibilität und das 42

48 Potenzial auszeichnet, auch Kleinserien bei gleichbleibend hoher Maschinenauslastung und niedriger Durchlaufzeit abzuwickeln. Die Entwicklung eines autonomen Steuerungsmodells soll dazu beitragen, mit der ständig zunehmenden Komplexität in einer Halbleiter-spezifischen Werkstattfertigung umzugehen. Maschinen nehmen dabei aktive Rollen ein, indem die Reihenfolgeplanung im laufenden Betrieb zwischen ihnen ausverhandelt wird. Dies garantiert eine hohe Maschinenauslastung und Flexibilität. Die Validierung erfolgt anhand eines Simulationsmodells, dessen Eingangsparameter aus statistischen Analysen der Produktionsdatenbanken gewonnen werden. 3.2 Cluster B2 Management vernetzter globaler Produktion Clusterdirektor: Dr. Georg Herzwurm (BWI) Entwicklung des Clusters B2 Das Forschungsprogramm des Clusters B2 definiert sich über die drei Themenschwerpunkte Management von globalen Produktionsnetzwerken, Dienstleistungen in globalen Produktionsnetzwerken sowie kulturelle Vielfalt und Nachhaltigkeit in globalen Produktionsnetzwerken. Alle im Rahmen der drei Themenschwerpunkte definierten Forschungsthemen wurden bereits zu Beginn des Berichtszeitraums in laufenden Dissertationsvorhaben bearbeitet. Dabei konnte im Laufe des Berichtsjahrs 2015 mit der Dissertation Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen-Metallindustrie Eine Bewertung der kompetitiven Rückwirkungen vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) (Kröner, F.) ein Dissertationsvorhaben erfolgreich zum Abschluss gebracht und publiziert werden. Mit den beiden Dissertationen Integrierte Produktionsnetzwerke eine industriespezifische Analyse (Monauni, M.) und Integriertes Projektmanagement für Produktionsnetzwerke (Piesche, C.) konnten im Berichtszeitraum zwei Abhandlungen zur Begutachtung eingereicht werden. Im Themenschwerpunkt Management von globalen Produktionsnetzwerken ergaben sich im Berichtszeitraum personelle Veränderungen bei zwei Forschungsthemen. Die damit zusammenhängenden Dissertationsvorhaben Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegender Netzwerkkonfigurationen sowie Kosten- und Resilienzmanagement in globalen Produktionsnetzwerken werden von Horn, R., bzw. Nickel, J. bearbeitet. Auch bei allen weiteren laufenden Dissertationsvorhaben konnten wesentliche Fortschritte erzielt werden. Damit widmen sich alle ausgeschriebenen Dissertationsvorhaben konsequent den für die 2. Förderperiode angedachten Themenstellungen und tragen zur Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen des advanced Manufacturing Engineering (ame) bei. Zum Kernkonzept der GSaME gehört die kooperative, interdisziplinäre Forschung, die insbesondere durch die Institutionalisierung von clusterübergreifenden Nachwuchsgruppen 43

49 gefördert wird. Die Promovierenden des Forschungsclusters B2 bilden dabei den Kern der Nachwuchsgruppe Regional und global vernetzte Produktion. Die Forschungsergebnisse der Nachwuchsgruppe, zu denen die Promovierenden des Forschungsclusters B2 wesentlich beigetragen haben, finden sich im entsprechenden Kapitel des vorliegenden Berichts, s. S Im Rahmen des clusterspezifischen Ausbildungsprogramms des Forschungsclusters B2 haben im Berichtszeitraum neben den in regelmäßigen Abständen durchgeführten Doktorandenkolloquien drei clusterspezifische Kolloquien stattgefunden. Industrielle Wertschöpfung und industrieller Wandel sind multidimensionale Phänomene, mit welchen sich die Forschung nicht nur auf mehreren Ebenen, sondern auch aus dem Blickwinkel unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen und Denkschulen beschäftigen sollte. Die Zusammenhänge zwischen Individuum, Technik, Gesellschaft und Wirtschaft geraten allzu oft aus dem Fokus von wissenschaftlichen Arbeiten, die sich mit industrieller Wertschöpfung beschäftigen. Zudem sind Praxis und Forschung mit einem Wandel der industriellen Wertschöpfung konfrontiert, der nicht mehr, bzw. zumindest nicht mehr hinreichend, mit den heutigen Denkmustern angegangen werden kann. In diesem Sinn widmete sich der zweitägige und gemeinsam mit dem Laboratorium Fertigungstechnik der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg veranstaltete Workshop den Herausforderungen und Denkschulen industrieller Wertschöpfung. Der Wandel der industriellen Wertschöpfung, u. a. resultierend aus den Möglichkeiten von Industrie 4.0, hat auch substanziellen Einfluss auf das Entrepreneurship (Unternehmergeist, Gründertum, Gründerkultur). Entrepreneurship ist dabei nicht auf die Unternehmensgründung limitiert, sondern kann auch innerhalb bestehender Unternehmen oder Produktionsnetzwerke von Nicht-Eigentümern praktiziert werden. Im Rahmen des halbtägigen Kolloquiums Unternehmensgründung & Entrepreneurship haben Referenten aus der Praxis den Themenkomplex aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet. Die Promovierenden erhielten erste, wertvolle Einblicke aus der s-/investitionssicht, aus der rechtlichen Perspektive, wie auch aus der Erfahrungswelt eines Unternehmensgründers selbst. Neben fachich-technischen Themen adressiert die clusterspezifische Ausbildung im Cluster B2 auch methodische Aspekte der Managementforschung (von globalen Produktionsnetzwerken) mit einer Workshop-Reihe. Die erste, ganztägige Veranstaltung in diesem Rahmen widmete sich leitfadengestützten Experteninterviews und dabei insbesondere der Phase Datenerfassung. Mit Frau Dr. C. Moritz (Uni Essen/Feldpartitur GmbH) konnte hierfür eine Referentin mit langjähriger Forschungspraxis und fundierter Expertise in diesem Bereich gewonnen werden. Die Veranstaltung wird im Jahr 2016 mit einem weiteren Workshop zu leitfadengestützten Experteninterviews mit Fokus auf die Phasen Transkription und Datenauswertung fortgeführt. Des Weiteren hatten die Promovierenden die Gelegenheit, an zwei jeweils halbtägigen Veranstaltungsangeboten des Betriebswirtschaftlichen Instituts (BWI) der Universität Stuttgart im Rahmen ihres clusterspezifischen Ausbildungsprogramms teilzunehmen so zum einen am 35. Stuttgarter Unternehmergespräch, das jährlich durch das BWI in Zusammenarbeit mit dem Förderkreises Betriebswirtschaft an der Universität Stuttgart veranstaltet wird. Die Veranstaltung widmete sich dem Thema Big Data und Industrie 4.0 Technik-Innovationen erfordern belastbare Geschäftsmodelle. Zum anderen konnten die Promovierenden an einem 44

50 Erfahrungsaustausch zwischen Theorie und Praxis im Rahmen des Arbeitskreises Wirtschaftsinformatik des BWI teilnehmen. Diesem gehören Vertreter aus über 50 Unternehmen der Region Stuttgart und Umgebung an. Auch bei dieser von Dr. Georg Herzwurm organisierten Veranstaltung im Business Club Schloss Solitude konnten die Promovierenden wertvolle Einblicke in ein für global aufgestellte Produktionsnetzwerke äußerst relevantes Thema erlangen ( Kommunikation zwischen Fachabteilung und IT Herausforderungen und Lösungsansätze ). Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters B2 Themen Gesamt DFG Industrie / FhG laufend mit laufend ohne ausgeschrieben abgeschlossen drop out Stand Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters B2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer B2-001 Global manufacturing networks as software-intensive service providers laufend mit Tobias Tauterat DFG Herzwurm B2-002 Kompetenzmessung in Fabrikverbünden ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories laufend mit Christian Katzfuß DFG Burr B2-003 Kontroll- und Flexibilisierungspotenziale internationaler Produktionsnetzwerke Theoretische Grundlagen und empirische Analyse konkurrierender Governance-Konzepte drop out Dominik Heber DFG Oesterle B2-004 Kostenmanagement in globalen Produktionsnetzwerken drop out Stefanie Klenk DFG Pedell B2-004 Kostenmanagement in globalen Produktionsnetzwerken laufend mit Johannes Nickel DFG Pedell B2-005 Diversity Kompetenzen für globale Produktionsnetzwerke: Theoretische Perspektiven, Anforderungen und Potenziale für den Umgang mit personaler Vielfalt laufend mit Benjamin Frank DFG Tilebein B2-006 Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegender Netzwerkkonfigurationen laufend mit Richard Horn DFG Oesterle 45

51 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer A5 Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen-Metallindustrie Eine Untersuchung der Adaptionsfähigkeit vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) abgeschlossen Fabian Kröner DFG Schäfer A2-001 Das Leitmodell des Clusters als adaptives System unter Berücksichtigung des Realoptionsgedankens laufend mit Kristina Dewes DFG Schäfer B2- D9 Integriertes Projektmanagement für Produktionsnetzwerke laufend ohne Claudia Piesche Fraunhofer IPA Westkämper B2- D10 Integrierte Produktionsnetzwerke eine industriespezifische Analyse laufend ohne Max Monauni DFG Zahn * Veränderungen 2015 sind fett markiert Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster B2 Thema B2-A2-001: Das Leitmodell des Clusters als adaptives System unter Berücksichtigung des Realoptionsgedankens Doktorandin: Dipl.-Math. Kristina Dewes Thesis Committee: Dr. Henry Schäfer (BWI Abt. III) Dr. Meike Tilebein (IDS) kristina.dewes@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Unternehmen sehen sich heutzutage ganz anderen ökonomischen, regulatorischen und technologischen Herausforderungen gegenüber als noch vor einigen Jahren. Insbesondere die Nachfrage nach individualisierten Produkten sowie kürzere Produktlebenszyklen, als auch die Globalisierung des Wettbewerbs und der Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt, stellen für viele Unternehmen ernste Probleme dar. Viele Unternehmen, vor allem kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), sind oft nicht in der Lage diese Herausforderungen alleine zu bewältigen. Unternehmensnetzwerke, wie Cluster, werden oft als vielversprechende Lösung zur Bewältigung dieses Dilemmas und zur Schaffung neuer Möglichkeiten im Bereich von High-Level Innovationen gesehen. Ziel des Forschungsprojekts ist die Analyse ökonomischer Bedingungen und deren Einfluss auf die Entscheidung eines Unternehmens für oder gegen einen Clusterbeitritt. Die empirische Studie, in deren Rahmen 2014/2015 Interviews mit Clustermanagern und Unternehmensvertretern aus Baden-Württemberg geführt wurden, beschäftigt sich mit diesem Aspekt und zeigt auf, welche Anreize insbesondere für KMU wichtig sind, um sich für einen Clusterbeitritt zu entscheiden. In diesem Zusammenhang wurde auch auf die Frage eingegangen, welche weiteren Anreize durch Clustermanager geschaffen werden können. Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Verhalten von Unternehmen, welche schon Mitglied in einem Cluster sind. Ein 46

52 potenzielles neues Mitglied könnte durch nicht kooperatives Verhalten seitens eines Mitgliedsunternehmens vom Eintritt abgehalten werden. Die Ergebnisse der empirischen Studie liefern den Ausgangspunkt für die weitere Arbeit. Ein Strukturmodell ist notwendig, welches die Anreize abbildet und eine systematische und ökonomisch getriebene Entscheidungsfindung bezüglich der verschiedenen Handlungsalternativen ermöglicht. In diesem Zusammenhang soll die Eintrittsentscheidung in ein Cluster durch die Erweiterung der unflexiblen Eintritts-/Austritts-Entscheidung durch einen optionsbasierenden Entscheidungsprozess, welcher Flexibilität wie Hinauszögern des Eintritts, Austreten aus dem Cluster usw. berücksichtigt, erleichtert werden. Ein nicht-kooperatives Verhalten eines Mitglieds gegenüber einem möglichen neuen Mitglied kann, wie oben erwähnt, die Entscheidung des Neuen beeinflussen und muss daher ebenfalls in die Bewertung für oder gegen einen Clusterbeitritt einfließen. Dies lässt sich mit Hilfe eines Korrekturterms in dem Diskontierungsfaktor berücksichtigen. Thema B2-005: Diversity Kompetenzen für globale Produktionsnetzwerke: Theoretische Perspektiven, Anforderungen und Potenziale für den Umgang mit personaler Vielfalt Doktorand: M. Sc. IBA, B. Sc. VWL Benjamin Frank Thesis Committee: Dr. Meike Tilebein (IDS) Dr. Michael-Jörg Oesterle (BWI) Zusammenfassung Netzwerke bieten sich als Antwort moderner Produktionsanforderungen auch im internationalen Kontext an. Sie integrieren Funktionsspezialisierung, Marktdruck und Informationen der Akteure. Für das Funktionieren dieser Netzwerke sind neben rein technischen Anforderungen an die Informationsintegration und Netzwerkadministration der Aufbau von Vertrauen als Folge des souveränen Umgangs mit der Diversität der Akteure die entscheidenden Faktoren zur funktionalen Vielfalt. Untersuchungsfortschritt: Anhand einer intensiven Literaturrecherche und -analyse wurden die Spezifität von personaler Vielfalt in globalen Produktionsnetzwerken herausgearbeitet und die offenen Forschungslücken identifiziert. Die Ergebnisse der Recherche werden zu einem Übersichtsartikel zum Stand der Forschung im internationalen Kontext zusammengefasst und veröffentlicht. Um die Arbeit zu fokussieren, wurde der Schwerpunkt auf bestimmte Netzwerktypen reduziert. Eine zweite Veröffentlichung befasst sich mit den identifizierten Dimensionen der Diversität im globalen Kontext und leitet die sich ergebenden Anforderungen und Potenziale daraus ab. Diese Ergebnisse sollen im weiteren Verlauf durch Experteninterviews mit den in der Praxis vorherrschenden Herangehensweisen an personale Vielfalt abgeglichen werden. Perspektivisch sollen in der Folge konkrete Handlungsempfehlungen für Unternehmen in globalen Produktionsnetzwerken herausgearbeitet werden. 47

53 Thema B2-006: Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegender Netzwerkkonfigurationen Doktorand: M. Sc. Richard Alexander Horn Thesis Committee: Dr. Michael-Jörg Oesterle (BWI) em. Dr. Zahn (BWI) Zusammenfassung Die Aufrechterhaltung oder Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit durch globale Streuung von Wertschöpfungsaktivitäten zählt zu den etablierten Strategien zumindest größerer produzierender Unternehmen. Die Wertschöpfung kann in ihrer Extremform rein unternehmensintern oder komplett unternehmensextern organisiert werden. Die notwendigerweise bestehenden Austauschbeziehungen zwischen den mit den Aktivitäten betrauten Einheiten, können als Teile eines Netzwerks bezeichnet werden. Abhängig von der jeweiligen Zielsetzung eines Produktionsnetzwerks bestehen konkurrierende Governance-Konzepte, wobei es sich um Abstimmungsmöglichkeiten der Netzwerkteilnehmer und ihrer Aktivitäten auf dem Markt, in Form einer Kooperation und bzw. oder in der Hierarchie handelt. Die Abstimmung der Netzwerkteilnehmer und ihrer Aktivitäten ist hierbei auf Ziele, sowohl sachlicher wie auch formaler Art, gerichtet. Des Weiteren ist es möglich, grundlegende Leistungsbeziehungen anhand der Dependenz bzw. Interdependenz der Leistungsbeziehung der wirtschaftlichen Akteure zu unterscheiden. Es ist so zwischen gepolten, sequentiellen und (eher) reziproken Netzwerken zu differenzieren. Governance- und (Inter-)Dependenztypus können als wesentliche Dimensionen der Netzwerkkonfiguration bezeichnet werden. Bislang mangelt es jedoch an theoretisch sowie empirisch gestütztem Wissen darüber, unter welchen marktbezogenen (bspw. Wettbewerbsintensität der Branche, geografische Distanz der Netzwerkpartner) sowie unternehmensinternen (bspw. Unternehmenskultur, internationale Erfahrung im Gastland) Bedingungen, welche Netzwerkkonfiguration den skizzierten Situationsbedingungen am besten entspricht und so dazu beiträgt, aus Sicht des fokalen Unternehmens, Wettbewerbsvorteile zu generieren. Die Relevanz des Themas ist in der wissenschaftlichen Dimension darin begründet, dass ein Beitrag zur Systematisierung von Netzwerktypen und zu deren Analyse unter dem Gesichtspunkt ihrer situativen Günstigkeit geleistet wird. Die Untersuchung soll einen Beitrag zum Verständnis des Realphänomens "Globale Produktionsnetzwerke" leisten, indem Entstehungsgründe und Grundformen sowie Vor- und Nachteile unterschiedlicher Netzwerkkonfigurationen identifiziert werden. Ziel der Untersuchung ist es zu identifizieren, wie globale Produktionsnetzwerke bezüglich ihrer Netzwerkkonfiguration idealtypisch zu gestalten sind, um ein "situativ passendes" Netzwerk zu etablieren. Eine solche idealtypische Beschreibung, auf die jeweilige Situation abgestimmter Netzwerkkonfigurationen, würde den entsprechenden Entscheidungsträgern in Produktionsnetzwerken als Orientierungshilfe bei der Konfiguration, beziehungsweise der Rekonfiguration des betreffenden Produktionsnetzwerks, dienen. 48

54 Thema B2-002: Kompetenzmessung in Fabrikverbünden ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Christian Katzfuß Thesis Committee: Dr. Wolfgang Burr (BWI) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Zusammenfassung Unternehmen besitzen oftmals komplexe Fertigungsverbünde mit einer Vielzahl von Fabriken. Diese verschiedenen Produktionsstandorte innerhalb eines Fertigungsverbundes sollen hierbei häufig unterschiedliche strategische Rollen einnehmen und demgemäß organisationale Fähigkeiten aufweisen. Denkbar ist, dass eine Fabrik die besonders kostengünstige Fertigung von Produkten zur Aufgabe hat, denkbar ist aber auch, dass eine Fabrik besonders innovative Fertigungsprozesse entwickeln soll. Unternehmen müssen somit bei der Konfiguration sowie dem Management ihrer Fertigungsverbünde die Fähigkeiten der einzelnen Fabriken spezifisch entwickeln und überwachen. Gegenstand des Forschungsprojekts ist daher die Untersuchung möglicher Potenzialfaktoren zur Beeinflussung der Fähigkeiten einzelner Fabriken sowie resultierender Ergebnisse. Auf Basis des Dynamische Fähigkeiten-Ansatzes sowie des Konzeptes der Ambidextrie werden derzeit potenzielle Erfolgsfaktoren und Ergebnisse durch theoretische Überlegungen erarbeitet. Die hypothetischen Zusammenhänge sollen anschließend im Rahmen einer quantitativ statistischen Befragung von Fabriken innerhalb von Fertigungsverbünden geprüft werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können sodann Hinweise zur zielgerichteten Entwicklung von Fähigkeiten und somit strategische Rollen einzelner Fabriken abgeleitet werden. Thema B2-004: Kosten- und Resilienzmanagement in Produktionsnetzwerken Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Johannes Nickel Thesis Committee: Dr. Burkhard Pedell (BWI Abt. V) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Im turbulenten Umfeld wird der Umgang mit unerwarteten Ereignissen und Entwicklungen als entscheidender Wettbewerbsvorteil angesehen. Unternehmen, welche die Fähigkeit besitzen, sich ständig zu verändern, anzupassen sowie gestärkt aus Rückschlägen hervorzugehen, werden als resilient bezeichnet. Kostenoptimierung einerseits sowie der Umgang mit (unerwarteten) negativen Ereignissen andererseits erzeugen ein Spannungsfeld zwischen Kosten- und Resilienzmanagement. Beide Ansätze verfolgen das Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit dauerhaft zu sichern. Doch teilweise bestehen Zielkonflikte und es mangelt an integrierter Betrachtung. 49

55 Die Zielsetzung des Forschungsprojekts besteht vor diesem Hintergrund darin, ein Konzept zu entwickeln, welches Kosten- und Resilienzmanagement integriert, und dieses Konzept empirisch im Rahmen von Interviews und einer Fallstudie zu validieren. Hierzu werden Ziele und Zielkonflikte, Aufgaben und Instrumente sowie organisatorische Aspekte der Integration betrachtet. Die Analyse geht dabei zunächst von einem einzelnen Unternehmen aus und wird dann auf die Berücksichtigung von Zulieferern und Kunden in Produktionsnetzwerken ausgeweitet. Abb. 18: Integration von Kosten- und Resilienzmanagement zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit Thema B2-001: Global manufacturing networks as software-intensive service providers Doktorand: M. Sc. Tobias Tauterat Thesis Committee: Dr. Georg Herzwurm (BWI) Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Zusammenfassung Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, eine Methode zur Bewertung der Softwareintensivierung von Predictive Maintenance im Sinne von Industrie 4.0 für Maschinen und Anlagen zu entwickeln, um Anbietern von Instandhaltungsdienstleistungen eine bessere Bewertungsgrundlage für damit verbundene Investitionsentscheidung zu liefern. Das Instandhaltungskonzept des Predictive Maintenance wird hierbei als softwareintensive Dienstleistung verstanden, die im Produktionsnetzwerk durchgeführt wird. Bisherige Erkenntnisse zeigen, dass die Technologien für die Softwareintensivierung von Predictive Maintenance bereits existieren und deren Umsetzung je nach Unternehmensdomäne unproblematisch ist. Jedoch stehen Unternehmen vor der Frage, ob eine Softwareintensivierung des Instandhaltungsprozesses aus Investitionsentscheidungssicht sinnvoll ist und wie diese ausfallen sollte. Für die Beantwortung dieser Fragestellung gibt es momentan keine wissenschaftlich begründete und Anwendungsfall spezifische Methode. 50

56 Die Entwicklung dieser Bewertungsmethode stellt das Forschungsziel dieses Forschungsprojekts dar. Im Forschungsjahr 2015 konnten unterschiedliche Anforderungen an die Bewertungsmethode basierend auf Experteninterviews und einer Literaturanalyse ermittelt werden. Als Interviewpartner wurden hierfür Unternehmensvertreter aus unterschiedlichen Stakeholdergruppen befragt, z.b. Dienstleistungs- und IT-Unternehmen sowie Maschinenhersteller und -betreiber. Die Strukturierung dieser ermittelten Anforderungen erfolgte anschließend in einem Anforderungskatalog. Basierend auf diesen Anforderungen wird im weiteren Verlauf des Forschungsprojekts die konkrete Bewertungsmethode entwickelt und diese anschließend durch Workshops bei Praxispartnern evaluiert. Um die Evaluierung durch eine zeitgemäße Visualisierung der Bewertungsmethode zu erleichtern, soll zusätzlich eine prototypische App für unterschiedliche mobile Endgeräte entwickelt werden. 3.3 Cluster C2 Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion Clusterdirektor: Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang (IPVS) Entwicklung des Clusters C2 Das Clusterthema Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion war auch im Forschungsjahr 2015 oftmals nachgefragt, insbesondere im Rahmen der vielen Aktivitäten zu Industrie 4.0 und den damit verwandten Themen, wie etwa Digitale/Smarte/ Lernende Fabrik, datengetriebene Produktion oder Industrielles Internet. Neben weiteren Arbeiten an der Gestaltung und prototypischen Realisierung von SITAM (Stuttgarter IT Architektur für Manufacturing) beteiligten sich große Teile des Clusters C2 an der Chinesisch-Deutschen Summer School Smart Factories networked Value Added, die dieses Mal in Stuttgart stattfand. Im Berichtszeitraum wurden drei Promotionsprojekte im Cluster C2 erfolgreich zu Ende geführt Das maschinenorientierte Data Warehouse Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstützung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion (Dr. Philipp Hollstein, ehemals Cluster E) Advanced Manufacturing Analytics Datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen (Dr. Christoph Gröger, ehemals Cluster E) Durchgängiges Mechatronisches Engineering für Sondermaschinen (Dr. Gernot Frank, ehemals Cluster B). Zwei weitere Promotionsprojekte stehen ebenfalls kurz vor ihrem Abschluss und wurden bereits eingereicht: Einfluss von Dämpfungsparametern in Simulationsmodellen (Matthias Reuß, ehemals Cluster B) 51

57 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung (Fabian Rusitschka, ehemals Cluster B) Damit werden im Cluster C2 noch 14 Projekte mit aktiv bearbeitet, von denen eines im Berichtszeitraum neu begonnen wurde. Im Folgenden stellen wir die Arbeitsthemen und Arbeitsergebnisse der einzelnen Promotionsprojekte kurz dar. Im Bereich Product Life Cycle Analytics für strukturierte und unstrukturierte Daten wurde ein Proof of Concept für textbasierte automatische Datenklassifikation implementiert. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der semi-automatischen Pflege und Weiterentwicklung domänenspezifischer semantischer Ressourcen sowie auf der Implementierung der Architektur zur Problemeskalation in der Fabrik unter Einbeziehung sozialer Medientechnologien und unstrukturierter Daten. Aktuell ist eine Analyse zu produktlebenszyklusübergreifenden Datenvergleichen in Arbeit. Im Rahmen der Verbesserung der Governance von serviceorientierten Architekturen (SOA) wurde der Prototyp eines SOA Governance Repository zur durchgängigen Verwaltung aller an einer SOA beteiligten Artefakte entwickelt. Mit Hilfe dieses Prototyps werden derzeit Lösungen für Problemstellungen aus der Industrie umgesetzt und evaluiert sowie Ansätze zur Stabilisierung von Service-Schnittstellen entwickelt. Im Bereich mobiler Apps wurde eine Software-Architektur konzipiert, um einen mobilen kontextsensitiven Zugriff auf Engineering-Daten zu ermöglichen. Mobile Engineering Apps, die auf dieser Architektur basieren, stellen dabei beispielsweise nur die Informationen zur Verfügung, welche für die jeweilige Aufgabe relevant sind. Des Weiteren wurden verschiedene Apps entwickelt, um den Werker in der Fabrik zu unterstützen, unter anderen eine mobile PDM-App sowie eine App zur Fehlerklassifizierung. Neu gestartet ist ein Projekt zur Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produktlebenszyklus. Hierin wird ein Framework zur Messung und Verbesserung von Datenqualität entwickelt. Spezielle Anforderungen an ein Datenqualitätsframework für die datengetriebene Fabrik der Zukunft wurden identifiziert und eine entsprechende Ebene wurde in die SITAM-Architektur integriert. Neben ersten Schritten zur Entwicklung des Frameworks wurden Methoden zur Messung und Verbesserung von unstrukturierten Daten erforscht. Im Bereich der Visualisierung der Zusammenhänge von Konzepten in Patenten wurden die Arbeiten weitestgehend abgeschlossen. In der bisherigen Arbeit wurden zunächst Patentkonzepte aufgrund ihrer Ähnlichkeit hierarchisch gruppiert. Diese Struktur ermöglicht es, den Detailgrad der Konzepte-Gruppen und ihrer Zusammenhänge interaktiv zu visualisieren. Obgleich die Datengrundlage Patente waren, lassen sich die Ergebnisse auf Daten aus dem Advanced Manufacturing, wie etwa hochparametrisierte Produktionsdaten, anwenden. Im Bereich Software-Defined-Networking für die flexible und echtzeitfähige Vernetzung von Produktionssystemen wurden Mechanismen zur präzisen Umsetzung optimierter Schedules auf den Endsystemen entworfen, basierend auf hocheffizienten Paketverarbeitungsverfahren. Das Verfahren wurde prototypisch in einer Testumgebung implementiert und evaluiert. Zukünftige Arbeiten widmen sich vor allem der weiteren Verbesserung der Skalierbarkeit der Lösung und Integration zusätzlicher Kommunikationsfunktionen (Multicast). 52

58 Für die Kollaborationsplattform in der Produktion wurden die im Rahmen eines ressourcenzentrischen Ansatzes entwickelten Konzepte durch eine Abbildung auf ein relevantes Meta- Modell validiert. Das Zusammenspiel zwischen diesem Ansatz und weiteren existierenden Ansätzen wurde untersucht und es wurde ein neuer zielzentrischer Prozessmodellierungsansatz präsentiert, um dieses Zusammenspiel zu verbessern. Außerdem wurde eine neue Methode zur Verwendung der Konzepte in Organisationen vorgestellt. Im Rahmen des Forschungsprojekts IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle wurde eine empirische Studie zum aktuellen Stand von Additive Manufacturing im industriellen Umfeld durchgeführt. Untersucht wurden Auswirkungen von Additive Manufacturing auf den Produktlebenszyklus sowie mögliche Ansätze zur Kundenintegration entlang des Produktlebenszyklus mit dem Ziel, Handlungsfelder abzuleiten. Die Studie dient als Basis für die derzeit stattfindende Konzipierung von Experteninterviews. In diesen Interviews sollen Anforderungen für das angestrebte Template-basierte Konzept zur Strukturierung von Capabilities erhoben werden. Im Bereich Qualitätskontrolle in der Produktion auf der Basis neuartiger telezentrischer Messsysteme wird untersucht, inwiefern der Aufbau bildgebender Messsysteme vereinfacht werden kann, indem Abbildungsfehler algorithmisch kompensiert werden. Dazu wurden vier Sub-Pixel Kantendetektoren auf ihr Verhalten in Kombination mit Dekonvolution untersucht sowie ein vereinfachtes telezentrisches Objektiv mit 100mm Frontlinsendurchmesser und sechs Linsen in drei Gruppen designt und simuliert. Dieses Objektiv wird derzeit prototypisch im Labor aufgebaut und anschließend getestet. Im Projekt zur Entwicklung einer wandlungsfähigen FPGA-basierten Entwicklungs- und Testplattform wurde die Hardware der Plattform erfolgreich als FPGA implementiert sowie die Mikrobefehle entworfen und auf der Plattform gespeichert. Erste Tests der Plattform wurden erfolgreich abgeschlossen. Des Weiteren wurde das Kommunikationsprotokoll zwischen den Hardwarekomponenten sowie eine Programmierschnittstelle in Matlab definiert und implementiert. Im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung von Filterelementen für Automotive-Anwendungen wurde eine neue Simulationsmethode zur Kopplung von Fluid und Filterstruktur entwickelt. Zur Validierung der Methode ist hierfür ein neues Messsystem, basierend auf dem Prinzip der Lasertriangulation, entwickelt und in Betrieb genommen worden. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die neue Simulationsmethode kann somit zukünftig im Rahmen der Weiterentwicklung und Optimierung von gefalteten Filtermedien eingesetzt werden. Zur Ermöglichung der gekoppelten Berechnung des Transports von Fluidströmung und Schmutzpartikeln wurde ein numerischer Ansatz implementiert und einer ausführlichen Validierung unterzogen, um die physikalische Korrektheit der Ergebnisse zu gewährleisten. Hiermit wurde die Grundlage für die Untersuchung der Auswirkung der Form eines Schmutzpartikels auf dessen Bewegungsverhalten in einer Strömung gelegt. Die Darstellung weiterer Wechselwirkung zwischen Schmutzpartikeln untereinander wird mithilfe von Modellen für Kollisionsvorgänge und hydrodynamische Schmierungseffekte realisiert. Das resultierende Simulationswerkzeug erlaubt es nun, die Auswirkung nichtsphärischer Schmutzpartikelformen auf Partikeltransport- und Abscheidevorgänge innerhalb eines Filtermediums detailliert zu untersuchen. 53

59 Die Partikelabscheidung von Innenraumfiltern lässt sich durch elektrostatische Aufladung des aus synthetischen Fasern aufgebauten Filtermediums erheblich steigern. Um den Prozess der elektrostatischen Abscheidung grundlegend zu verstehen, wurden im Projekt zur Simulation von Filtermedien in der virtuellen Entwicklung von Innenraumfiltern zwei alternative Simulationsmethoden untersucht: die Kopplung von Molekulardynamik mit einem Lattice-Boltzmann- Fluid liefert sehr präzise Partikeltrajektorien, während ein vereinfachtes Modell ohne volle Wechselwirkungen der Partikel untereinander und mit der Strömung sehr schnelle Simulationen erlaubt. Im Forschungsprojekt zum Zerstäuben durch pneumatische Lackzerstäuber wurden Lack- und Wasserstrahlen, die durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zerlegt wurden, untersucht. Die Abhängigkeit der dimensionslosen Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls / vom dynamischen Druckverhältnis wurde ermittelt. Daraus wurden die Bedingungen für eine effiziente Zerstäubung hergeleitet. Der Einfluss der Viskosität der Flüssigkeit sowie der Einfluss der Hornluft auf die Zerstäubung waren in der Simulation zu beobachten. Zwei neue Projekte im Cluster C2 starten zum als Nachfolgeprojekte zu Advanced Manufacturing Analytics. Im Fokus werden Data-Mining-Algorithmen und das datengetriebene Wissensmanagement in Produktionsunternehmen stehen. Weitere nennenswerte Aktivitäten im Berichtszeitraum waren: Clusterspezifische Kolloquien Im Jahr 2015 fanden insgesamt 8 clusterspezifische Kolloquien statt Faktorisierungsverfahren für Big-Data Empfehlungssysteme Dr.-Ing. Stefan Uhlich, Sony GmbH Bluemix-Meetup: Internet of Things Technology Partnership Laboratory der Universität Stuttgart Die Entwicklung der Codierverfahren für bewegte Bilder Dr.-Ing. Thomas Wiegand, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, Berlin Große Textkollektionen fundiert analysieren Möglichkeiten und Herausforderungen für die Computerlinguistik Dr. Jonas Kuhn, IMS, Universität Stuttgart Stromspeicher im Kontext der Energiewende Peter-Michael Holzapfel, Siemens AG Augmented Reality als Zusammenspiel von Graphik, Computer Vision und Mensch- Computer-Interaktion Dr. Dieter Schmalstieg, TU Graz Perspektiven nach Studium oder Promotion: Gründung eines eigenen Unternehmens oder Einstieg in die Wirtschaft? Frau Claudia Böhnke, TTI GmbH Herr Dr. Marco Walter, Gründer Seismic Solutions Frau Camelia Maga, Robert Bosch GmbH Bluemix-Meetup: Mobile Application Development based on Bluemix Technology Partnership Laboratory der Universität Stuttgart Towards the Vehicular Cloud: From Connected Cars to Smart Cities Dr. Falko Dressler, Universität Paderborn 54

60 Doktorandenkolloquien In 4 Doktorandenkolloquien im Jahresverlauf wurden die Fortschritte einzelner Arbeiten vorgestellt Naresh Nayak: Real-time Complex Manufacturing Event Processing in Software-Defined Environments Jianxiong Zhang: Wandlungsfähige FPGA-basierte Entwicklungs- und Testplattform Timurhan Sungur: Integrating Human-oriented Processes into Context-driven Optimized Manufacturing Processes Eva Hoos: Towards Mobile Context-Aware Engineering Apps Michelle Moisa: IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle Jan Königsberger: Herausforderungen für große Unternehmen im SOA-Change-Management Carolin Schober: Cabin Air Filter Media Simulation with Focus on Electrets Dominik Herr: Visuelle Analyse der Verwandtschaft von Konzeptgruppen Cornelia Kiefer: Qualität von Daten im Produktlebenszyklus Dimitrij Gester: Qualitätssicherung in der Fertigung mit Werkzeugmaschinen auf Basis eines neuartigen telezentrischen Messsystems Timurhan Sungur: An Approach to Supporting and Automating Informal Processes Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters C2 Themen Gesamt DFG Industrie / FhG laufend mit laufend ohne ausgeschrieben abgeschlossen drop out Stand Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters C2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer C2-001 Product Life Cycle Analytics Analytics der nächsten Generation auf strukturierte und unstrukturierte Daten laufend mit Laura Kassner Daimler AG Mitschang C2-002 Zielorientierte Modellierung der Organisationen laufend mit Timurhan Sungur DFG Leymann C2-003 IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle laufend mit Michelle Moisa DFG Kemper C2-004 Flexible FPGA-based Development and Test Platform laufend mit Jianxiong Zhang DFG Berroth 55

61 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer C2-005 C2-006 C2-007 Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion Qualitätssicherung in der Werkzeugmaschinen-unterstützten Fertigung auf Basis eines neuartigen telezentrischen Messsystems Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus laufend mit laufend mit laufend mit Naresh Nayak Dimitrij Gester Jan Königsberger DFG DFG Daimler AG Rothermel Simon Mitschang C2-008 Apps im Engineering laufend mit Eva Hoos Daimler AG Mitschang C2-009 Scalable Visual Analytics for Advanced Manufacturing laufend mit Dominik Herr DFG Ertl C2-010 Engineering- und Bedienkonzepte unter Betrachtung neuer Mobil-Technologien für die Automatisierungstechnik ausgeschrieben DFG Verl C2-011 Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraumfiltern mit Fokus auf Elektretfasern laufend mit Carolin Schober MANN+ HUMMEL GmbH Mehl C2-013 Datengetriebene Optimierung von Montageprozessen ausgeschrieben Daimler AG Mitschang C2-014 Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produktlebenszyklus Data Quality across the Product Life Cycle laufend mit Cornelia Kiefer DFG Mitschang C2-015 Datengetriebenes Wissensmanagement in Industrieunternehmen ausgeschrieben DFG Mitschang B1 Einfluss von Dämpfungsparametern in Simulationsmodellen laufend ohne Matthias Reuß DFG Verl B2 IT-Integration verteilter Wertschöpfungsnetzwerke standby Alexander Walz DFG Herzwurm B4 Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber laufend mit Bo Shen Fraunhofer IPA Westkämper B7 Prozessmodellierung und -überwachung in Engineering Umgebungen standby Sema Zor DFG Leymann B9 Product-Lifecycle-Management für einen Motorenhersteller standby Kristofer Kolb MTU- Friedrichshafen Westkämper B12 Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen abgeschlossen Gernot Frank Siemens AG Westkämper B15 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung laufend ohne Fabian Rusitschka AUDI AG Binz 56

62 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer B16 Ganzheitliche skalierbare Fabrikmodellierung ausgeschrieben Fraunhofer IPA Westkämper B17 Optimizing embossing of pleated filters by fluid-structure-simulation of virtual prototypes laufend mit Alexander Traut MANN+ HUMMEL GmbH Piesche B18 Virtual prototyping of next generation oil and fuel filter media by enhanced particle modelling laufend mit Friedemann J. Hahn MANN+ HUMMEL GmbH Piesche E4 Neue Kommunikationsarchitektur für Echtzeitfabriken laufend ohne Bilal Hameed DFG Rothermel E5 Das maschinenorientierte Data Warehouse Entwicklung eines ITbasierten Konzepts zur Entscheidungsunterstützung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion abgeschlossen Philip Hollstein DFG Kemper E6 Advanced Manufacturing Analytics Ganzheitliche datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen abgeschlossen Christoph Gröger DFG Mitschang * Veränderungen 2015 sind fett markiert Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster C2 Thema C2-006: Qualitätssicherung in der Werkzeugmaschinen-unterstützten Fertigung auf Basis eines neuartigen telezentrischen Messsystems Doktorand: M. Sc. Dimitrij Gester Thesis Committee: Dr.-Ing. Sven Simon (IPVS) Dr. Rainer Gadow (IFKB) dimitrij.gester@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Moderne Produktionssysteme agieren immer deutlicher im Spannungsfeld Qualität, Produktionsvolumen und Kosten. Die Erwartungen an Reaktionszeiten und Kosteneffizienz bei gleichzeitiger Steigerung der Produktqualität engen den "Rentabilitätskorridor" eines Unternehmens immer weiter ein. Entwicklungen zeichnen sich unter dem Oberbegriff der vierten industriellen Revolution ab, nach denen u.a. künftig die Nachverfolgbarkeit aller relevanten Parameter eines Gutes über dessen gesamten Lebenszyklus in den Vordergrund tritt. Diese Entwicklungen fordern effizientere Prozesse und stringente Qualitätskontrolle durch alle Ebenen. In der Werkzeugmaschinen-unterstützten Fertigung spielt die Qualitätssicherung u.a. aufgrund mechanischen Verschleißes des Werkzeugs eine wichtige Rolle. In manchen dieser Anwendungsgebiete ist somit eine 100%-Kontrolle unabdingbar. Berührungslose Inspektion mit Hochgeschwindigkeitskameras erlaubt hohe Durchsatzraten bei der Prüfung von bspw. Stanzteilen oder auch Leiterplatten (PCBs). Die automatische optische Inspektion umfasst hierbei 57

63 die Kategorien Oberflächengüte und Bauteilmaßtoleranzen. Es können heute Messtoleranzen von wenigen Mikrometern bei einem 100mm Messfeld erreicht werden. Die Justage aller am Messprozess beteiligten Komponenten aufeinander ist hier von entscheidender Bedeutung von der Lichtquelle, über die Optik inklusive Kamera bis hin zu den Auswertealgorithmen. Abb. 19: Prinzipieller Aufbau des Messsystems Links: Vereinfachtes telezentrisches Objektiv. Mitte: Smart Camera mit Bildaufbereitung in Echtzeit. Rechts: Rechner mit angepassten Auswertealgorithmen Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung und dem Aufbau eines bildgebenden telezentrischen Kamerasystems für dimensionelle Messungen in einem ganzheitlichen Ansatz. Die Disziplinen der Photonik, der Elektrotechnik und der Informatik werden hier miteinander vereint. Das Ziel liegt im Erreichen einer Messtoleranz von weniger als zwei Mikrometern bei einem vollen Messfeld von mehr als 100mm Durchmesser. Hierbei wird unter Einfluss wirtschaftlicher Aspekte die Reduktion der Komplexität optischer Komponenten priorisiert. Besonderen Stellenwert bekommt die digitale Bildaufbereitung mittels Dekonvolution und die Auswahl passender Auswertealgorithmen. Der Bildformungsprozess ist integraler Bestandteil der durchgeführten Untersuchungen und überspannt als maßgebliches Designkriterium die drei Disziplinen. Diese Maßnahme erlaubt größere Toleranzen bei optischen Komponenten, ohne dabei Messpräzision zu vergleichbaren Systemen einzubüßen. Gleichermaßen ergibt sich hier die Möglichkeit zur Steigerung der Genauigkeit über die Grenzen konventioneller Messsysteme hinaus. Nicht zuletzt strebt diese Arbeit an, Disziplinen-übergreifend einen Beitrag zur Kostenreduktion metrologischer Systeme zu leisten. Thema C2-B18: Virtual prototyping of next generation oil and fuel filter media by enhanced particle modeling Doktorand: M. Sc. Friedemann Hahn Thesis Committee: Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Moderne Filtermaterialien begegnen stetig wachsenden Ansprüchen an die Filtrationsleistung und müssen daher maßgeschneidert zur optimalen Erfüllung der jeweiligen Filtrationsaufgabe entwickelt werden. Die simulationsgestützte Optimierung virtueller Materialprototypen stellt ein Werkzeug dar, mithilfe dessen Filtermaterialien gezielt zur Erfüllung bestimmter Anforderungen entworfen werden können. Zu diesem Zweck ist es jedoch zwingend erforderlich, die 58

64 Schmutzabscheideleistung einer gegebenen Filtermaterialstruktur präzise vorhersagen zu können. Die größte Herausforderung besteht hierbei in der Berechnung der Wechselwirkungen zwischen den Filterfasern, dem Fluid und den abzuscheidenden Schmutzpartikeln, deren Komplexität aus einer Vielzahl physikalischer Einflüsse resultiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell zur physikalisch korrekten Darstellung von Filtrationsvorgängen entwickelt. Kernelement bildet hierbei ein auf der Fictitious-Domain- Methode (FDM) basierender Ansatz zur gekoppelten Berechnung des Transports von Fluidströmung und Schmutzpartikeln. Das Modell wurde implementiert und unter Verwendung verschiedener Kopplungsstrategien validiert, um die physikalische Korrektheit der dargestellten hydrodynamischen Effekte sicherzustellen. Um die Kontaktwechselwirkungen der Schmutzpartikel untereinander darstellen zu können, wurde die Methode weiterhin durch Modelle für Kollisionsvorgänge sowie hydrodynamische Schmierungseffekte ergänzt. Das resultierende Simulationswerkzeug ermöglicht nun die gezielte Untersuchung verschiedener Einflüsse auf den Partikelabscheideprozess eines Flüssigkeitsfiltermediums. Ein Aspekt von besonderem Interesse ist die Auswirkung nichtsphärischer Schmutzpartikelformen auf die Beladungskinetik eines Filtermediums, zu dessen Verständnis die in dieser Arbeit entwickelte Methode einen entscheidenden Beitrag leisten soll. Thema C2-009: Scalable Visual Analytics for Advanced Manufacturing Doktorand: Dipl.-Inf. Dominik Herr Thesis Committee: Dr. Thomas Ertl (VIS) Zusammenfassung Das Projekt befasst sich mit der Unterstützung von Experten aus der Domäne der Produktion und Fertigung auf zwei Ebenen. Zum einen soll das Verständnis von hochdimensionalen Parameterräumen, beispielsweise von Konzepten aus Patenten, erhöht werden. Zum anderen sollen die Raum-Zeit-Zusammenhänge von Fehlern in der Produktion und den Prozessparametern innerhalb einer Fabrik oder innerhalb einer Werkzeugmaschine mit dem Ziel einer Prozessoptimierung und Ausschussverringerung besser verständlich gemacht werden. Im vergangenen Jahr wurden die Arbeiten im Bereich der Patentanalyse weitestgehend abgeschlossen, sodass hier nur noch die Publikation der Ergebnisse aussteht. Im Feld der Produktionsanalyse wurden erste Kontakte mit Industriepartnern aufgebaut und eine studentische Abschlussarbeit erfolgreich durchgeführt. Im Rahmen der Kooperationen mit den Industriepartnern wurden zudem Daten akquiriert, die für die weitere Forschung im Rahmen des Projekts genutzt werden können. 59

65 Thema C2-008: Apps im Engineering Doktorandin: Dipl.-Inf. Eva Hoos Thesis Committee: Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS), Dr. Georg Herzwurm (BWI - Abt. VIII) Dr. Stefan Kramer (Daimler AG) eva.hoos@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Anwendungen auf mobilen Endgeräten wie Tablet-PCs und Smartphones, sog. Apps, sind in den letzten Jahren zu einem Kernbestandteil des digitalen Lebens vieler Konsumenten geworden. Sie können jederzeit und überall eingesetzt werden, sind intuitiv bedienbar und verfügen über zahlreiche Sensoren, die kontextsensitive Anwendungen ermöglichen. Diese charakteristischen Eigenschaften machen Apps auch für den Einsatz im Engineering interessant. Gleichzeitig stellt der effektive und effiziente Einsatz von Apps neue Anforderungen u.a. an IT- und Unternehmensarchitekturen, Software-Entwicklungsmethoden und Daten-Management- Konzepte. Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines IT-Rahmenwerks für den Einsatz von Apps im Engineering, also in der Produktentwicklung und Prozessplanung. Auf der Basis von App-orientierten Potenzialuntersuchungen und Anwendungsfallanalysen sind Anforderungen für den zielorientierten App-Einsatz zu ermitteln und umzusetzen. Hierfür wurde die Methode ValueApping entwickelt, um wertschöpfende Anwendungsfälle für mobile Apps zu identifizieren. Ein Kernbestandteil des IT-Rahmenwerks ist die Weiterentwicklung der IT-Architektur durch die Konzeption einer Engineering-spezifischen Middleware, die die App-Entwicklung erleichtert und standardisiert. Dabei werden spezielle Herausforderungen aus dem Engineering-Bereich adressiert, wie bspw. die Handhabung von großen Datenmengen oder die hohen Sicherheitsanforderungen für den Umgang mit Produktdaten. Die Middleware ermöglicht einen mobilen, kontextsensitiven Zugriff auf Engineering Daten sowie deren Zwischenspeicherung auf dem mobilen Endgerät. So bekommen die Anwender und Anwenderinnen exakt die Daten, die sie für ihre aktuelle Aufgabe benötigen, unabhängig von der Netzwerkverbindung. Thema C2-001: Product Life Cycle Analytics Analytics der nächsten Generation auf strukturierte und unstrukturierte Daten Doktorandin : M. A. Laura Bernadette Kassner Thesis Committee: Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dr. Frank Leymann (IAAS) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) laura.kassner@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Unstrukturierte Textdaten sind heutzutage nur in sehr unzureichendem Umfang durch automatische Analysen in Integration mit strukturierten Daten erschlossen, obgleich sie große 60

66 Mengen an wettbewerbsrelevantem Wissen enthalten. Allmählich entsteht in der Industrie ein Bewusstsein für die Notwendigkeit der Erschließung dieses Wissens. Aktuelle Ansätze zur Analyse unstrukturierter Daten decken weder den gesamten Produktlebenszyklus ab, sondern sind oft auf einzelne Datenquellen fokussiert, noch betrachten sie ganzheitlich die Potenziale der Arbeitserleichterung und Wertschöpfung durch Text Analytics. Im vorliegenden Forschungsprojekt werden diese Forschungslücken in Angriff genommen. Nach Projektstart im März 2013 wurde zunächst eine eingehende Analyse der Datenlage an Industriebeispielen erstellt. In einer ersten Publikation wurde eine Referenzarchitektur und die Anforderungen für Product Life Cycle Analytics definiert, in einer weiteren ein Konzept für eine integrierte Datenanalyse im Exception Handling in der Smart Factory. Im vergangenen Forschungsjahr wurde ein Proof of Concept an einem Fallbeispiel aus der Industrie implementiert, der im Frühjahr 2016 publiziert wird. Dazu konnte seit Februar 2015 die Daimler AG als fester Kooperationspartner gewonnen werden. Im konkret bearbeiteten Anwendungsfall wird eine extrem feingranulare Klassifikation von unstrukturierten Fehlerberichten aus dem After-Sales-Bereich durch eine automatische Vorklassifizierung anhand des Inhalts der Textberichte unterstützt. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt war die Erweiterung und Maintenance von domänenspezifischen semantischen Ressourcen wie z.b. Taxonomien und Ontologien, die in einer Publikation konzipiert wurde. Eine Implementierung ist im Gange, eine weitere Publikation geplant. Im Bereich Exception Handling in der Smart Factory erfolgt aktuell die Betreuung eines studentischen Projekts, das einen Prototypen für ein soziales Netzwerk mit automatischer Datenanalyse zur Unterstützung der Arbeit auf dem Shop Floor implementiert. Geplant ist zudem eine Ausweitung des Anwendungsfalls beim Industriepartner auf den automatischen Vergleich von Qualitätsdaten aus verschiedenen Quellen. Thema C2-014: Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produktlebenszyklus Data Quality across the Product Life Cycle Doktorandin: M. Sc. Cornelia Kiefer Thesis Committee: Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dr. Frank Leymann (IAAS) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Zusammenfassung Die Qualität von Daten rund um den Produktlebenszyklus beeinflusst maßgeblich die Qualität der darauf basierenden Entscheidungen. Datenqualitätsprobleme kosten Unternehmen sehr viel Geld und können die Wettbewerbsfähigkeit am Markt einschränken. Heutzutage kann Wissen aus strukturierten und unstrukturierten Daten automatisch extrahiert werden und die selbstlernende Fabrik wird zu einer greifbaren Vision für die Zukunft. Die Sicherstellung der Qualität der zugrundeliegenden Daten ist ein essenzieller Grundstein für eine datengetriebene Fabrik. Bestehende Ansätze zur Messung und Verbesserung von Datenqualität werden den neuen Anforderungen nicht in vollem Umfang gerecht. 61

67 Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, diese Forschungslücken zu schließen und Methoden zur Messung und Verbesserung der Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produktlebenszyklus zu entwickeln. Hierzu wird ein Framework entwickelt und implementiert, das die Bewertung der Datenqualität (1) für ausgewählte Fälle echtzeitnah, (2) nach jedem relevanten Analyseschritt von der Datenquelle bis hin zum Benutzer und (3) für strukturierte und unstrukturierte Datentypen ermöglicht. Seit Projektbeginn im April 2015 wurden folgende Schritte unternommen: Da die Datenqualität von unstrukturierten Daten in der Forschung bisher kaum betrachtet wurde, stellt die Entwicklung von Methoden zur Messung und Verbesserung von Textdaten ein erstes Arbeitspaket dar. Die Arbeit hierzu dauert noch an, eine Veröffentlichung ist bereits im Entwurfsstatus. Eine grobe Skizzierung des Frameworks und der neuen Anforderungen wurde bereits im Rahmen eines gemeinschaftlichen Papers über eine IT-Architektur für die datengetriebene Fabrik der Zukunft zur Publikation eingereicht. Weiterhin wurden erste Schritte zur Entwicklung des Frameworks unternommen. Thema C2-007: Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus Doktorand: Dipl.-Inf. Jan Königsberger Thesis Committee: Dr.- Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dr. Hans-Georg Kemper (BWI) Dr. Martin Schaaf (Daimler AG) Zusammenfassung Zunehmende Globalisierung und dadurch steigende Konkurrenz sowie kundenindividuelle Massenfertigung erfordern es heutzutage, dass insbesondere die fertigende Industrie ihre IT- Systeme schnell an sich ändernde Marktbedingungen anpassen muss. Dazu setzen Organisationen zunehmend auf serviceorientierte Architekturen, die viele Vorteile in Hinsicht auf Flexibilität, Agilität und Wiederverwendung bieten. Leider wurden dabei häufig die sich daraus ergebenden neuen Herausforderungen, insbesondere prozessualer und organisationaler Natur, ignoriert was zum Scheitern vieler dieser SOA-Initiativen führte. Zum Management aller Aspekte einer SOA ist ihre Governance, also die Definition und Überwachung von Prozessen, Regeln und Richtlinien, absolut unverzichtbar. Allerdings decken aktuelle Ansätze zur SOA-Governance nicht alle Anforderungen komplett ab, was einen vollumfänglicheren Blick auf SOA-Governance erfordert. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines Konzepts für eine IT-Unterstützung der SOA-Governance. Dazu wurde nach einer Anforderungsanalyse für ein SOA-Governance- Repository zur durchgängigen Verwaltung von SOA-Artefakten, dieses prototypisch umgesetzt und in weiteren Iterationen mit Semantic-Web-Technologien erweitert. Dieser Prototyp dient dazu, Lösungsansätze für Probleme des Industriepartners umzusetzen und zu evaluieren. Des Weiteren wurden Konzept-Ansätze zur Abstraktion und Stabilisierung von Service- Schnittstellen und Datenmodellen mithilfe sog. Business Objects entwickelt und untersucht. 62

68 Thema C2-003: IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle Doktorandin: M. Sc. Michelle Moisa Thesis Committee: Dr. Hans-Georg Kemper (BWI) Zusammenfassung Additive Manufacturing ( 3D-Druck ) gilt als Fertigungstechnologie, die verschiedene Schichtbauverfahren zusammenfasst und ursprünglich aus dem Prototypenbau stammt. Bei ihrem Einsatz in der industriellen Produktion beeinflusst die Technologie den gesamten Produktlebenszyklus sowie die dazugehörigen Geschäftsprozesse. Grund dafür sind technologiespezifische Besonderheiten wie die nahezu werkzeuglose Fertigung oder die hohe Konstruktionsfreiheit. Damit einhergehend ergeben sich auch Auswirkungen auf die prozessunterstützenden Informations- und Kommunikationssysteme sowie auf die übergeordneten Geschäftsmodelle. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Template-basierten Konzepts, das zur Strukturierung sogenannter Capabilities (Fähigkeiten) im Kontext von Additive Manufacturing dient. Das Konzept kann dann zur unternehmensspezifischen Ausgestaltung von Capabilities herangezogen werden. Capabilities bündeln verschiedene Unternehmensressourcen wie Prozesse, IT und Personal. Mit deren Kombination werden Unternehmen befähigt, am Markt kompetitiv aufzutreten. Sie dienen außerdem zur strategischen Ausrichtung der IT an den Unternehmenszielen, der Unternehmensstrategie und am Geschäftsmodell (Business-IT-Alignment). Nachdem im Forschungsvorhaben zunächst die oben genannten Auswirkungen durch den Einsatz von Additive Manufacturing untersucht wurden, werden im weiteren Verlauf Konzeptanforderungen mittels Experteninterviews erhoben. Ein wesentlicher Bestandteil ist dabei die Identifizierung relevanter Strukturierungskomponenten. Damit kann die Herbeiführung eines Business-IT-Alignments adäquat unterstützt werden. Thema C2-005: Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion Doktorand: M. Sc. Naresh Nayak Thesis Committee: Dr. Kurt Rothermel (IPVS) naresh.nayak@gsame.uni-stuttgart.de 63

69 Zusammenfassung Moderne Fertigungssysteme sind mit einer Vielzahl vernetzter Sensoren und Aktoren ausgestattet, die zusammen mit Kontrollrechnern ein sogenanntes Cyber-Physical System bilden, in dem physische Prozesse mit Hilfe von Rechnern geregelt werden. An die zugrunde liegenden Kommunikationsnetze werden dabei vor allem zwei Anforderungen gestellt: (1) Harte Echtzeitfähigkeit mit deterministischen Verzögerungen im Bereich von 250 µs - 1 ms sowie einer Verzögerungsvarianz (engl. jitter) kleiner 1 µs zur Regelung zeitkritischer Prozesse. (2) Flexibilität, um insbesondere notwendige Anpassungen wie das Hinzufügen neuer Sensoren oder Aktoren zu unterstützen. Begründet durch die große Verbreitung von IP-basierten Netzen und lokalen Netzen nach dem IEEE 802 Standard besteht ein großes Interesse, diese Technologien nicht nur für die sogenannte Best Effort Kommunikation (ohne Zeitgarantien), sondern auch für die Echtzeitkommunikation in der Fertigung einzusetzen. Deutlich wird dieses Interesse vor allem an den Aktivitäten der zwei großen Standardisierungsgremien, Internet Engineering Taskforce und IEEE, die jeweils dedizierte Arbeitsgruppen zur Standardisierung von Netzen mit deterministischem Zeitverhalten ins Leben gerufen haben (IEEE 8021 Time-Sensitive Networking Task Group; IETF DetNets Working Group). Abb. 20: Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion Konform zu diesen Bemühungen ist das Ziel dieses Forschungsprojekts der Entwurf von Konzepten und Mechanismen zur Realisierung flexibler echtzeitfähiger Kommunikationsnetze für die Fertigung. Hierzu sollen die Vorteile zweier aktueller Technologietrends in der Kommunikation vereint werden: Flexibilität soll durch Methoden des sogenannten Softwaredefined Networkings (SDN) erzielt werden sowie Echtzeitfähigkeit durch Methoden des sogenannten Time-sensitive Networkings (TSN). Die resultierenden Time-sensitive Softwaredefined Networks (TSSDN) verwenden zentral konfigurierte, zeitgetriggerte Paket-Scheduling- Mechanismen zur Garantie harter Zeitschranken und erlauben die gleichzeitige Weiterleitung von best effort Verkehr. Speziell entworfene Optimierungsverfahren, die auf einer umfassenden (globalen) Sicht auf Kommunikationsvorgänge aufbauen, stellen sicher, dass sowohl geforderte Echtzeitgarantien bestimmter Kommunikationsflüsse als auch die optimale Ausnutzung von Kommunikationsressourcen erzielt werden. 64

70 Thema C2-011: Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraumfiltern mit Fokus auf Elektretfasern und Adsorption Doktorandin: Dipl.-Ing. Carolin Schober Thesis Committee: Dr. Miriam Mehl (IPVS) Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Dr.-Ing. Uwe Janoske (ISM, Uni. Wuppertal) Dr.-Ing. Martin Lehmann (MANN+HUMMEL GmbH) Zusammenfassung Innenraumfilter dienen der Abscheidung von Partikeln, wie beispielsweise Pollen, Feinstaub oder Ruß, im Lüftungssystem eines Autos. Typischerweise besteht ein solcher Innenraumfilter aus einem synthetischen Vliesmedium, das aus einzelnen Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebaut ist. In diesem Filtermedium werden Partikel aufgrund von mechanischen Separationseffekten (z.b. Trägheit, Diffusion) angelagert. Durch eine elektrostatische Aufladung der Kunststofffasern ist es möglich, die Abscheidung erheblich zu steigern, ohne dabei die Luftdurchlässigkeit zu verringern (würde zu einem erhöhten Energieverbrauch führen). Zu den genauen Abläufen der zusätzlich wirksamen elektrostatischen Abscheidung fehlt jedoch bisher das grundlegende Verständnis. Um den Prozess im Detail zu verstehen, werden daher Simulationen eingesetzt. Ein grundlegend neuer Ansatz zur Simulation von Filtrationseigenschaften wurde mit der Software ESPResSo entwickelt. ESPResSo basiert auf einem molekulardynamischen Ansatz und ermöglicht es so, den Abscheideprozess auf der Mikroskala sehr präzise zu beschreiben. Die komplexen Berechnungen führen allerdings zu einem hohen Rechenaufwand. Abb. 21: Mechanische und elektrostatische Mechanismen zur Abscheidung von Partikeln an einer Einzelfaser 65

71 Die Kontinuumssoftware GeoDict dagegen ist im Bereich der Filtration sehr etabliert. Im Gegensatz zu ESPResSo werden hier einige vereinfachende Annahmen getroffen wie z. B. die Vernachlässigung von langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen geladenen Partikeln in der Strömung. Um die beiden Methoden bezüglich der Genauigkeit und des Rechenaufwands zu vergleichen, wurde ein Standard Ansatz aus der Luftfiltration herangezogen. Basierend auf dem Modell einer ungeladenen Einzelfaser in einem periodischen Rechengebiet wurden die Abscheidegrade unter gegebenen Randbedingungen simuliert. Herausforderungen, Limitierungen und Vorteile der verschiedenen Softwares sollen im weiteren Verlauf herausgearbeitet werden. Thema C2-B4: Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber Doktorand: Dipl.-Ing. Bo Shen Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Fraunhofer IPA Zusammenfassung Das Verständnis und die Vorhersage von Zerstäubung, Tropfentransport, Verdampfung und Tropfenkoaleszenz sowie die Gesamtmodellierung von Sprühsystemen sind von großer Bedeutung für den Beschichtungsvorgang durch Sprühlackieren mit Flüssigkeitstropfen. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anforderungen an eine hohe Beschichtungsqualität in der Automobilindustrie erweist sich die numerische Simulation als eine wichtige Methode zur Vorhersage und Optimierung des Spritzlackierprozesses. Die Zerstäubung ist der zentrale Vorgang bei der Spritzlackierung und besteht im Prinzip aus dem Primär- und dem Sekundärzerfall. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der Primärzerfall des Flüssigkeitsstrahls durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl untersucht. In der Simulation wurden Lack- und Wasserstrahlen, die durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zerlegt wurden, analysiert. Die Abhängigkeit der dimensionslosen Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls / vom dynamischen Druckverhältnis wurde ermittelt. Daraus wurden die Bedingungen für eine effiziente Zerstäubung hergeleitet. Der Einfluss der Viskosität der Flüssigkeit auf die Zerstäubung war durch den Vergleich des Zerfalls von Lack- und Wasserstrahl zu beobachten. Der Einfluss der Hornluft auf die Zerstäubung wurde in der Simulation ebenfalls untersucht. Im Forschungsprojekt zum Zerstäuben durch pneumatische Lackzerstäuber wurden Lack- und Wasserstrahlen untersucht, die durch einen koaxialen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zerlegt wurden. Die Abhängigkeit der dimensionslosen Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls / vom dynamischen Druckverhältnis wurde ermittelt. Daraus wurden die Bedingungen für eine effiziente Zerstäubung hergeleitet. Der Einfluss der Viskosität der Flüssigkeit sowie der Einfluss der Hornluft auf die Zerstäubung waren in der Simulation zu beobachten. 66

72 L/Dl M Abb. 22: Dimensionslose Länge des intakten Lackstrahls in Abhängigkeit vom dynamischen Druckverhältnis Thema C2-002: Zielorientierte Modellierung der Organisationen Doktorand: M. Sc. C. Timurhan Sungur Thesis Committee: Dr. Frank Leymann (IAAS) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dr. Georg Herzwurm (BWI Abt. VIII) timurhan.sungur@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Organisationen setzen sich ihre organisatorischen Ziele, um ihre aktuellen Zustände zu verbessern wie beispielsweise einen höheren Umsatz, eine gesteigerte Produktivität usw. Um diese Ziele zu erreichen, definieren sie Vorgehensweisen, die durch bestimmte betriebliche Vorgänge, d.h. durch Geschäftsprozesse, verwirklicht werden. Sofern diese Geschäftsprozesse keine alltäglichen Aktivitäten beinhalten, sollen menschliche Aktoren benötigte Aktivtäten herausfinden und sie durchführen. Deshalb ist es meistens schwierig und nicht wertvoll, solche Prozesse mit sich ständig ändernden Aktivitäten zu modellieren. In diesem Forschungsprojekt wird diese Problematik bewältigt, indem der neue Ansatz Informal Process Essentials (IPE) zur Modellierung von solchen menschzentrierten Prozessen vorgestellt wird. Um erfolgreiche Ergebnisse der vergangenen Ausführungen von Geschäftsprozessen wieder zu schaffen, konzentriert der Ansatz sich auf Ressourcen der menschenzentrieten Prozesse, statt sich auf sich ständig ändernde Aktivitäten zu konzentrieren. Im 67

73 Endeffekt ist der IPE-Ansatz kein Ersatz für aktivitätsorientierte Ansätze, sondern ein ergänzendes Vorgehen. IPE-Modelle beinhalten die Ressourcen, die man während der Ausführung von einem Geschäftsprozess braucht. Außerdem wird ein Hauptziel für Ressourcen gesetzt. Um den IPE-Ansatz systematisch in Organisationen durchführen zu können, wird die Methode InProXec vorgestellt. Diese Methode ermöglicht sowohl die automatisierte Ausführung der menschlichen Prozesse bis zu einem gewissen Grad als auch die Auffindung der relevanten Fähigkeiten und Ressourcen, die für einen bestimmten Prozess gebraucht werden könnten. Außerdem wird ein verbesserter organisatorischer Modellierungsansatz vorgestellt, um die Ausführung jeglicher Realisierungen von organisatorischen Vorgehensweisen zu automatisieren. Thema C2-B17: Optimizing Embossing of Pleated Filters by Fluid-Structure Simulation of Virtual Prototypes Doktorand: Thesis Committee: M. Sc. Alexander Traut Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMV) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Fahrzeugfilter schützen die Komponenten eines Motors unter verschiedensten Betriebsbedingungen vor einem vorzeitigen Verschleißen oder einer Beschädigung durch Partikel. Bei der Weiterentwicklung und Optimierung der Filterelemente gewinnt dabei, u.a. durch steigende Anforderungen an deren mechanische Stabilität, die wechselseitige Beeinflussung von Strömung und poröser Filterstruktur zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde hierfür eine Simulationsmethode zur Kopplung von Fluid und Filterstruktur, basierend auf einem partitionierten Ansatz, entwickelt. Dabei wird das Filtermedium aufgrund seiner strömungs- und strukturmechanischen Richtungsabhängigkeit als orthotrop behandelt. Für die virtuelle Abbildung der Staubeinlagerung wird ein vereinfachtes Beladungsmodell verwendet. Simulationen an Hand eines symmetrischen Faltenmodells, unter Berücksichtigung der neuen Methode, zeigen deutlich, dass bereits geringe Beladungszustände zu einer signifikanten Erhöhung des lokalen Strömungswiderstands führen und somit überproportionale Verformungen des Filtermediums auftreten können. Zur Validierung der Simulationen wurde ein neues Messsystem, basierend auf dem Prinzip der Lasertriangulation, entwickelt und in Betrieb genommen. Die Ergebnisse der Simulation zeigen dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die neue Simulationsmethode kann somit zukünftig im Rahmen der Weiterentwicklung und Optimierung von gefalteten Filtermedien eingesetzt werden. 68

74 Abb. 23: Fluid-Struktur-Simulation einer angeströmten, symmetrischen Einzelfalte. Visualisierung des Druckfeldes und der daraus resultierenden statischen Deformation. Thema C2-004: Flexible FPGA-based Development and Test Platform Doktorand: Dipl.-Ing. Jianxiong Zhang Thesis Committee: Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA) Zusammenfassung Typical characters of today's economy are increased competition; faster product development and increased product differentiation which require product lifecycles become shorter and shorter. However, the complexity of information system increases drastically. As a consequence an adequate test platform for high-speed data converter is mightily needed. With such test platform a product/information system can be developed and optimized faster. The hardware structure of the test platform is successfully implemented in the FPGA as shown in the figure below. The micro instructions are well designed and the communication protocol is clearly defined and implemented in the test platform. The USB interface for communication with PC is improved to 2 MBps (now is 115 KBps) but is not integrated in the test platform for some technical reasons. A 6 GSps ADC is tested with the platform and it works very well. The software of the platform is developed in Matlab. The library for the communication with the hardware are developed and tested. It works properly. A colleague of INT developed a 100 GSps ADC in the last year. And the test of such high speed device becomes a biggest challenge of the test platform. The first test will be taken in February 2016 and the application architecture for the test platform will be designed later. 69

75 Abb. 24: Block diagram of the Test Platform 3.4 Cluster D2 Betriebsmittel und Service Engineering Clusterdirektor: Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (IAT) Entwicklung des Clusters D2 Das Forschungscluster D2 befasst sich mit neuen Technologien und Dienstleistungen als wesentliche Treiber für Innovationen, neue Produkte und verbesserte Produktionsprozesse. Die angedachten Lösungsansätze sollen u. a. auf den gewonnenen Erkenntnissen des bisherigen Forschungsclusters F Wissensbasiertes Management aufbauen. Die thematischen Schwerpunkte des Forschungsclusters D2 liegen in den Bereichen new forms of added value, innovative organizational and business models sowie industrialization of the service economy. Sie werden in zwei laufenden Dissertationsvorhaben konkretisiert. Das Dissertationsvorhaben Entscheidungsfindung zur Entwicklung produktionsunterstützender Service-Konzepte widmet sich einer ausgewählten, konkreten Fragestellung, die die beiden erstgenannten Themenschwerpunkte vereint. Der thematische Schwerpunkt industrialization of the service economy adressiert die Vielzahl und Vielfalt der vorhandenen Daten im Unternehmen, die bei einer intelligenten Verknüpfung eine prospektive Möglichkeit bieten, schnell neue Dienstleistungen bzw. Produkt-Dienstleistungskombinationen zu generieren. Wissensmanagement und neue Technologie wie Web 2.0 und semantische bzw. ontologiebasierte Systeme können hierzu einen wesentlichen Beitrag leisten. Zur Unterstützung der Forschungen wurde ein Auslandaufenthalt an der Stanford University durchgeführt. Ein Thema zur Erforschung der Kompetenzförderung und des Know-how-Transfers älterer Beschäftigter in Verwaltungsbereichen im Kontext des demografischen Wandels in Kooperation mit der Daimler AG wurde kontinuierlich bearbeitet und weiterentwickelt. 70

76 Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters D2 Themen Gesamt DFG Industrie / FhG laufend mit laufend ohne ausgeschrieben standby 0 abgeschlossen drop out Stand Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters D2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Erstbetreuer D2-001 Entscheidungsfindung zur Entwicklung produktionsunterstützender Service- Konzepte laufend mit Eva Maria Grochowski DFG Spath/ Bauer D2-002 Prozesssichere Montage von konischen Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) ausgeschrieben DFG Binz D2-003 ausgeschrieben D2-006 D2-007 * Veränderungen 2015 sind fett markiert Rechnerunterstützte Erstellung von Simulationsmodellen für die virtuelle Inbetriebnahme von Produktionseinrichtungen Systematik zur Analyse und Gestaltung des Transfers von Erfahrungswissen in Planungsbereichen Wissensmanagement in Folge eines Change-Management-Vorhabens getriebene Prozessentwicklung zur Generierung und Anwendung von implizitem und explizitem Wissen laufend mit Daniela Baumhauer DFG Daimler AG Klemm Herzwurm standby DFG Spath Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster D2 Thema D2-006 Systematik zur Analyse und Gestaltung des Transfers von Erfahrungswissen in Planungsbereichen Doktorandin: Dipl.-Oec. Daniela Baumhauer Thesis Committee: Dr. Georg Herzwurm (BWI) Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Dr. Sabine Pfeiffer (Uni Hohenheim) Dipl.-Ing. Oskar Heer, Daimler AG daniela.baumhauer@gsame.uni-stuttgart.de 71

77 Zusammenfassung Der demografische Wandel in Deutschland geht mit einer sinkenden Bevölkerungszahl im erwerbsfähigen Alter bei einer gleichzeitig steigenden Zahl älterer Arbeitskräfte einher. Die Unternehmen sehen sich zunehmend mit dem Ausscheiden großer Gruppen von Mitarbeitern mit hohem Erfahrungswissen konfrontiert. Zudem müssen wettbewerbsfähige Unternehmen ihre Fabriken und Produktionen in einem turbulenten Umfeld betreiben. Die Herstellung von noch individuelleren Produkten sowie unsichere Absatzprognosen aufgrund der hohen Marktvolatilität erfordern eine höhere Flexibilisierung. Dies impliziert eine steigende Komplexität und Vernetzung von Produkten, Prozessen und Arbeitssystemen. Um die Wettbewerbsfähigkeit in diesem komplexeren Umfeld zu erhalten, sollten Unternehmen die Expertise und Fähigkeiten Ihrer Beschäftigten optimal ausrichten und nutzen. Eine Möglichkeit dies zu erreichen, stellt der Transfer und Erhalt von erfahrungsbasiertem (Fach-, Methoden-, Sozial-) Wissen in die vorhandenen Arbeitsprozesse dar. Das Arbeitsvermögen, das durch das Auseinandersetzen mit komplexen Situationen und Problemstellungen entstanden ist, unterstützt die Person, bei zukünftigen unsicheren Situationen handlungsfähig zu sein und sich an strukturelle Neuerungen anzupassen. Die Relevanz des Erfahrungswissens in Arbeitsprozessen sowie die organisatorischen Einflussfaktoren auf den Transfer dieses Wissens sind noch nicht ausreichend bekannt. Ziel des Forschungsprojekts: Entwicklung einer Systematik zur Analyse- und Gestaltung des Transfers von Erfahrungswissen in Produktionsplanungsprozessen Anwendungsbezug: Wissenschaftlicher Beitrag zum Transfer des relevanten Erfahrungswissens in Arbeitsprozessen, der zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit führen soll. Abb. 25: Forschungsprojekt Übersicht Methodik: Durch die zwei Ansätze Arbeitsvermögen (vgl. Pfeiffer 2004; 2015) und Subjektivierendes Arbeitshandeln (vgl. Böhle/Bolte/Drexel/Dunkel/Pfeiffer/Porschen 2009) werden erfahrungsgeleitete Kompetenzen von Mitarbeitern in Produktionsplanungsbereichen abgebildet. Je nach 72

78 (Erfahrungs-) Relevanz der zugeordneten Aufgabe soll eine Systematik entstehen, die das Erfahrungswissen durch Transfer-Methoden in das tägliche Arbeitsumfeld, in Entscheidungsprozesse sowie Arbeitsformen integriert. Für die Systematik sollen überdies organisationale und personale Einflussfaktoren und Wirkzusammenhänge ermittelt werden, die für den Transfer förderlich sind. Empirie: Vorbefragung (04/ /2015); explorative, teilstandardisierte Experteninterviews Hauptbefragung (QII 2016); qualitative Forschungsmethodik Literatur: Böhle, F., Bolte, A., Drexel, I., Dunkel, W., Pfeiffer, S., Porschen, S. (2009): Umbrüche im gesellschaftlichen Umgang mit Erfahrungswissen. Theoretische Konzepte, empirische Befunde, Perspektiven in der Forschung. München. Pfeiffer, S. (2004): Arbeitsvermögen. Ein Schlüssel zur Analyse (reflexiver) Informatisierung.Wiesbaden. Pfeiffer, S., Suphan, A. (2015): Der AV-Index. Lebendiges Arbeitsvermögen und Erfahrung als Ressourcen auf dem Weg zu Industrie 4.0., Working Paper, Thema D2-001: Entscheidungsfindung zur Entwicklung produktionsunterstützender Service-Konzepte Doktorandin: M. Sc. Eva Maria Grochowski Thesis Committee: Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Zusammenfassung Der Erfolg der deutschen Automobilindustrie hängt von ihrer Rolle als Technologieführer ab. Sie bewegt sich im Premiumsegment, in welchem die höchsten Margen realisierbar sind und damit Ressourcen für Forschung und Entwicklung generiert werden. Ohne den technologischen Wettbewerbsvorteil würde sich die deutsche Automobilindustrie einem Preiswettbewerb stellen müssen, welcher nachteilig für sie sein dürfte. Neben dem globalen Wettbewerb treiben die wachsende Produktpalette, die Marktsättigung in der Triade, die Klimapolitik sowie die Verknappung der Ressourcen den Wandel in der Automobilindustrie an. Die zentralen Themen in der Branche sind Emission, Verbrauch, Gewicht und zunehmend Antriebskonzepte und Autoarchitekturen. Die Komplexität des Automobils als auch die arbeitsteilige Struktur in der Branche fordern eine enge Zusammenarbeit der Akteure. Darüber hinaus ist eine offene Kultur im Forschungs- und Entwicklungsbereich notwendig, um Trends aus anderen Branchen und den aktuellen Forschungsstand in den Innovationsprozess integrieren zu können. Die Herausforderung hierbei ist die Schaffung eines Kooperationsumfeldes, welches Kollaboration zwischen den interdisziplinären, interorganisationalen Akteuren ermöglicht. Verschiedene empirische Untersuchungen im Forschungscampus ARENA2036 und im Silicon Valley zeigen, dass divergierende Ziele als auch verdeckte Interessen die Zusammenarbeit nachhaltig hemmen. Dies entspricht auch dem Stand der Wissenschaft. Bisher existieren 73

79 keine Ergebnisse, die die Sicht kleiner und mittelständischer Unternehmen (KMU) in dieser Art Kooperation beleuchten. Das Ziel der Forschungsarbeit ist zunächst die empirische Erfassung der Ziele der KMU und der Veränderung während der Kooperation. Die Ergebnisse werden auf Abweichungen mit den Zielen der großen Unternehmen untersucht und ein Lösungsansatz zur Verbesserung der Kollaboration entwickelt. 3.5 Cluster E2 Material und Prozessengineering Clusterdirektor: ord. Univ.- Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow Entwicklung des Clusters E2 Die inhaltliche Weiterentwicklung des Clusters wurde fortgesetzt. Neben Werkstoffgruppen mit hoher Wertschöpfung bzw. spezifischen Eigenschaften stehen Prozesse sowie Fragestellungen der Prozessführung, -überwachung und -regelung für eine qualitätssichere Herstellung spezieller Werkstoffe und Bauteile im Mittelpunkt. Die wissensgetriebene Auslegung und Kontrolle von Prozessen auf allen Größenskalen durch experimentelle Prozessuntersuchungen, Modellbildung und Simulation sowie Echtzeit-Analytik im Prozess stellt dabei den inhaltlichen Schwerpunkt dar. Die Werkstoffgruppen, die hierbei exemplarisch betrachtet werden, weisen einen anwendungsgetriebenen Schwerpunkt hinsichtlich von Zukunftsmärkten (Leichtbau, Biomedizin, Mikrotechnik etc.) auf. Weiterhin wird die Entwicklung neuer Prozesse, nachhaltiger, effizienter Prozesse und Technologien für das Recycling strategischer Rohstoffe betrachtet. Neu besetzte Forschungsthemen 2015: Mit Kooperationspartner: E2-020: Untersuchung der Wirkzusammenhänge beim Laserabtrag von Dickschicht-Sensoren Zwei Promotionsverfahren wurden erfolgreich abgeschlossen. Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters E2 Themen Gesamt DFG Industrie / FhG / HBS laufend mit laufend ohne ausgeschrieben standby abgeschlossen drop out Stand

80 Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters E2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Erstbetreuer E2-001 Elektrochemische Prozesse für die Rückgewinnung strategischer Metalle aus Elektronikschrott laufend mit Johannes Öhl Fraunhofer IPA Bauernhansl E2-002 Recycling von Technologiemetallen am Beispiel der Seltenerdpermanentmagnete Einflussfaktoren, Prozesse und Untersuchung der induzierten Ko- Abscheidung aus wässrigen Elektrolyten laufend mit Daniel Fischer DFG Bauernhansl E2-003 Grundlagen der Strahleinkopplung in der laserbasierten Materialbearbeitung laufend mit Daniel Förster DFG Graf E2-004 Energieeffiziente Temperaturführung im variothermen Spritzgießprozess am Beispiel der induktiven Temperierung ausgeschrieben DFG Schinköthe E2-007 Untersuchung und Weiterentwicklung von Verschleißschutzschichten für Blechumformwerkzeuge laufend mit Markus Singer DFG Liewald E2-008 Potenzial räumlicher und zeitlicher Strahlführung für die industrielle Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulsstrahlquellen laufend mit Lara Bauer TRUMPF Laser GmbH + Co. KG Graf E2-009 Serientaugliches Remote-Laserschweißen von hochfesten Aluminiumbauteilen laufend mit Martin Sommer AUDI AG Graf E2-010 Optimierung der Ausgestaltung von Lackierkabinen mit besonderem Fokus auf der Overspray-Abscheidung laufend mit Nils Schmeinck Eisenmann AG Piesche E2-011 Energie- und ressourcenschonende Produktion in der Industrie laufend mit Kamran Taheri Hans-Böckler- Stiftung Gadow E2-013 Umformen moderner Blechwerkstoffe für den Karosserie-Leichtbau ausgeschrieben DFG Liewald E2-014 Validierung von Versagensmodellen in der Blechumformtechnik ausgeschrieben DFG Liewald E2-015 Mechanismen der Entstehung von Schnittunregelmäßigkeiten beim Schneiden mit dem Festkörperlaser laufend mit Oliver Bocksrocker TRUMPF Laser GmbH + Co. KG Graf E2-016 Modelluntersuchungen, numerische Strömungssimulation und experimentelle Untersuchungen zur Beschreibung von Zerstäubungsvorgängen mit Hohlkegeldüsen laufend mit Sebastian Egger DFG Piesche E2-017 Massivkeramische Strukturen und Keramische Schichten für Biomedizinische Anwendungen laufend mit Irina Arhire DFG Gadow 75

81 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Erstbetreuer E2-018 Hochleistungsbeschichtungstechnik mit keramischen Suspensionen laufend mit Martin Plachetta DFG Gadow E2-020 Untersuchung der Wirkzusammenhänge beim Laserabtrag von Dickschicht-Sensoren laufend mit Paul Sieffert Robert Bosch GmbH Graf C1 Erweiterung der Werkstoffeinsatzgrenzen mittels Beschichtungen laufend mit Venancio Martinez- García DFG Gadow C4 Laser-Bearbeitung innovativer Werkstoffe laufend ohne Christian Freitag DFG Graf C18 Remote-Laserschweißen von Aluminium abgeschlossen Peter Stritt AUDI AG Graf C24 Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen abgeschlossen Minh Nguyen DFG Schinköthe C25 Alumina Splats Deposition on Stainless Steel Substrates using Atmospheric Plasma Spraying laufend mit M. A. El-horiny DFG Gadow C26 Modellbasierte Prozessführung beim Laserstrahlschneiden standby TRUMPF Laser GmbH + Co. KG Graf C28 Anpassungskonzept für Hochrotationszerstäuber für rheologisch komplexe Fluide laufend mit Rim Zerriaa Eisenmann AG Piesche * Veränderungen 2015 sind fett markiert Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster E2 Thema E2-017: Massivkeramische Strukturen und Keramische Schichten für Biomedizinische Anwendungen Doktorandin: M. Sc. Irina Arhire Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Dr.-Ing. Christian Bonten (IKT) irina.arhire@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Indirektes dreidimensionales Drucken ist als generatives Fertigungsverfahren vielversprechend für die Herstellung komplex geformter Knochenersatzstrukturen mit einer definierten, offenen Porenstruktur. Herausforderungen liegen heutzutage vor allem bei einer geringen Druckauflösung und Druckgenauigkeit aufgrund mangelnder Kenntnisse über den Einfluss von Pulver- und Druckparametern auf die resultierende Druck- und Bauteilqualität. 76

82 Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden anhand der durchgeführten Versuche mit unterschiedlichen biokeramischen Pulvern und Variationen der Druckparameter um diese Kenntnisse zur Optimierung der Druck- und Bauteilqualität erweitert. β-tricalciumphosphat (TCP) war die Basis für sechs verschiedene Pulverfeedstocks, die auf verschiedenen Prozesspfaden hergestellt wurden. Der Einfluss der unterschiedlichen Herstellungsarten und unterschiedlicher Polymere auf die Druckbarkeit wurde analysiert. Das Bindemittel (Dextrin, Polyethylenglycol und Polyvinylpyrrolidon) ist auf drei Wegen in das TCP eingebracht worden. Die Einbringung erfolgte entweder durch Beschichten des Granulats, durch Mischen des Granulats mit dem Polymer oder durch Beimischen in die Suspension mit späterem Trocknen und Brechen. Genauer beleuchtet wurden im speziellen die Pulverherstellung durch Sprühtrocknung und der Einfluss auf die Benetzbarkeit dieser durch verschiedene Bindemittel. Ein weiterer Fokus liegt jetzt bei der Untersuchung und Herstellung neuer Bindemittelzusammensetzungen, die das Standardbindemittel ersetzen könnten. Die Studie untersucht den Einfluss der neuen Tinten hinsichtlich physikalischer Eigenschaften (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung usw.) sowie auf die Druckbarkeit von Keramikpulvern. Thema E2-008: Potenzial räumlicher und zeitlicher Strahlführung für die industrielle Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulsstrahlquellen Doktorandin: Dipl.-Phys. Lara Bauer Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW), Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Dr.-Ing. Birgit Faißt (TRUMPF) Zusammenfassung Sprödharte Materialien finden zunehmend Akzeptanz in verschiedenen Industriesektoren. Insbesondere Glas erfährt derzeit eine hohe Nachfrage in der Entertainment Branche. Die Bearbeitung von sprödharten Materialien stellt eine Herausforderung dar, da hohe Qualitätsstandards gefordert sind. Die Bearbeitung mit Ultrakurzpulsstrahlquellen bietet eine vielversprechende Alternative zu den gängigen Verfahren. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Material ist jedoch noch nicht weit genug erforscht, um gleichzeitig die Effizienz und die Qualität der Schnitte zu verbessern. So treten während des Abtragprozesses Schädigungen der Kante, der Flanke und der Rückseite auf. Ziel des Forschungsprojekts ist es, das Potenzial von räumlicher und zeitlicher Strahlformung hinsichtlich Effizienz und Qualität zu erforschen. Dazu wurde zunächst der Einfluss der Pulsdauer auf den Prozess evaluiert. Weiterhing wurde die Auswirkung verschiedener räumlicher Energieverteilungen über verschiedenen Multispotanordnungen mit unterschiedlichen Abständen und Anordnungen auf den Prozess untersucht. Diese werden mit einer adaptiven Optik generiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch geeignete Energieverteilung die Abtragrate gesteigert, die Rückseitenbeschädigung vermieden und die Kantenschädigung reduziert werden kann. Derzeit wird zudem die Entstehung der Flankenschädigung untersucht. 77

83 Abb. 26: Ergebnisse durch Multispotanordnungen Links: Intensitätsverteilung einer Multispotanordnung. Rechts: Laserscanning Mikroskop Aufnahme des Abtrags auf Aluminosilikatglas bewirkt durch eine Multispotanordnung. Thema E2-015: Mechanismen der Entstehung von Schnittunregelmäßigkeiten beim Schneiden mit dem Festkörperlaser Doktorand: Dipl.-Ing. Oliver Bocksrocker Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Zusammenfassung Das Laserschneiden metallischer Werkstoffe ist im heutigen Umfeld der Lasermaterialbearbeitung das am weitesten verbreitete Fertigungsverfahren. Die hohe Flexibilität der Strahlführung eines Festkörperlasers bei einer Wellenlänge von ca. 1 µm und die Anwendungsbreite bei hochreflektierenden Materialien sind vorteilhaft gegenüber dem bisher dominanten CO 2 - Laser bei einer Wellenlänge von ca. 10 µm. Im industriellen Einsatz unterliegt der Laserschneidprozess einer Fülle von Einflussfaktoren. Schwankungen in der Legierungszusammensetzung des zu verarbeitenden Materials, Oberflächeneigenschaften und Verschmutzungen können nicht in ihrer Gesamtheit bei der Ermittlung von Schneidtechnologien berücksichtigt werden. Im schlimmsten Fall können diese externen Einflüsse zu einer verminderten Schnittqualität bis hin zum Schnittabriss führen. Die Fehlermechanismen beim Schneiden mit dem Festkörperlaser unterscheiden sich dabei häufig von der Fehlerentstehung beim Schneiden mit einem CO 2 - Laser. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Fehlermechanismen beim Schneiden mit dem Festkörperlaser zu beschreiben und Prozessmerkmale messbar zu machen, die auf eine Verminderung der Schnittqualität und auf die Fehlerentstehung hindeuten. Der Fokus liegt hierbei auf der Wechselwirkungszone des Lasers und des zu bearbeitenden Materials, der sogenannten Schneidfront. Der Einfluss der Schneidfrontgeometrie auf den Schmelzeaustrieb soll untersucht werden, um Hinweise auf den Zustand des Laserschneidprozesses zu erhalten. Am Ende soll ein Modell entstehen, das die Wirkkette physikalischer Veränderungen im 78

84 Schneidprozess bis hin zum Fehlschnitt beschreibt und Lösungsansätze liefert, wie Fehlerentstehungen rechtzeitig vermieden werden können. Abb. 27: Vorgehensmodell zur Untersuchung von Fehlermechanismen beim Laserschneiden Thema E2-016: Modelluntersuchungen, numerische Strömungssimulation und experimentelle Untersuchungen zur Beschreibung von Zerstäubungsvorgängen mit Hohlkegeldüsen Doktorand: M. Sc. Sebastian Egger Thesis Committee: Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Hohlkegeldüsen kommen als Zerstäuber in zahlreichen Anwendungen, wie beispielsweise der Zerstäubung von Düngemitteln, zum Einsatz. Aufgrund des günstigen Betriebsverhaltens werden die Düsen dabei meist im Bereich des aerodynamischen Zerwellens betrieben. Dieser Zerfallsvorgang lässt sich mittels einer linearen Stabilitätsanalyse mathematisch beschreiben, wobei die Anfangsstörung der Flüssigkeitslamelle bisher unbekannt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die unbekannte Störung aus den sich ausbildendenden Instabilitäten innerhalb der Düse abzuleiten und schießlich eine Vorhersage über das Betriebsverhalten von Hohlkegeldüsen in Abhängigkeit ihrer Geometrie treffen zu können. Die Drallströmung entlang der konkaven Düseninnenwand erfüllt das Kriterium nach Rayleigh für das Auftreten einer zentrifugalen Instabilität. Diese gegenläufig rotierenden Wirbelsysteme entsprechen den erstmals von Görtler untersuchten Wirbeln und sind in der Größenordnung der Grenzschicht. Sie treten ab einer kritischen Düsenreynoldszahl auf und hängen maßgebend von der Düsengeometrie ab. 79

85 Ausgangspunkt der Untersuchungen sind numerische Berechnungen mittels der freien CFD- Software OpenFOAM. Hierfür wird ein rotierender, mit Flüssigkeit gefüllter Hohlzylinder abgebremst. Die entstehenden Instabilitäten werden mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur abgeglichen. Die Untersuchungen zeigen hohe Anforderungen an die Gitterqualität und die numerische Diskretisierung. Es ist insbesondere notwendig, die Grenzschicht ausreichend fein auszulösen. Die Simulation der zweiphasigen Düsenströmung erfolgt unter Verwendung der Volume-of- Fluid Methode. Der Abgleich mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur zeigt eine gute Übereinstimmung hinsichtlich des Druckverlusts und der Ausbildung des Flüssigkeitshohlkerns innerhalb der Düse. Abb. 28: Numerische Strömungssimulation Links: Numerische Strömungssimulation der rotationssymmetrischen Phasenverteilung innerhalb einer Hohlkegeldüse. Rot entspricht der Flüssigphase. Rechts: Numerische Strömungssimulation des Zerfalls einer drallbehafteten Hohlkegellamelle Thema E2-C25: Alumina Splats Deposition on Stainless Steel Substrates using Atmospheric Plasma Spraying Doktorand: M. Sc. Eng. Mohamed Abdelhalim El-horiny Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Dr.-Ing. Peter Klemm (ISW) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Zusammenfassung The attained splat shape in thermal spraying processes greatly influences the adhesion and stability of a deposited coating system. Due to the extremely short process time and size scale, experimental observation of the splat formation process requires very sophisticated measures, which are very tedious to implement. This resulted in a present need for attaining a deeper insight into the whole process. 80

86 Abb. 29: Temperature distribution on the bottom of a deforming alumina splat after 0.6 µs of impacting on stainless steel substrate Numerical simulations can indeed accurately simulate fluid flow and heat transfer during droplet s impact, spreading and solidification. Based on that, CFD models (both 2D and 3D) were created in order to simulate the impact, spreading and solidification of alumina droplets depositing on stainless steel substrates using atmospheric plasma spraying technique. The results showed that adopting Marangoni shear stress for modeling the slip conditions at the droplet-substrate interface is the relevant choice compared to the No-Slip conditions. On contrary to the slip conditions, no certain value of contact angle was favored compared to others. The results showed the models compatibility in predicting the flower-shaped and pancake-shaped splats attained, respectively, on non-preheated and preheated substrates. The incorporation of temperature-dependent dynamic viscosity in the models in order to obtain reliable splat-shape prediction was proved to be of high significance. Thema E2-002: Recycling von Technologiemetallen am Beispiel der Seltenerdpermanentmagnete Einflussfaktoren, Prozesse und Untersuchung der induzierten Ko-Abscheidung aus wässrigen Elektrolyten Doktorand: Dipl.-Chem.-Ing. Daniel Fischer Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF/IPA) Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) daniel.fischer@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Das Recycling von Technologiemetallen aus End-of-life-Geräten gewinnt bei zunehmend kürzeren Produktlebenszyklen in einem rohstoffarmen Land wie Deutschland immer stärker an Bedeutung. Die Metalle der Seltenen Erden erfuhren in diesem Zusammenhang 2011/2012 ein starkes Medienecho, nachdem der wichtigste Exporteur China Exportrestriktionen eingeführt hatte. 81

87 Seltenerdpermanentmagnete enthalten die chemischen Elemente Neodym (Nd), Dysprosium (Dy), Praseodym (Pr) und Terbium (Tb) und finden unter anderem in Geräten wie Mobiltelefonen, Industriemotoren, Hybridfahrzeugen und Windkraftanlagen Verwendung. Das Recycling aus diesen Geräten findet jedoch bisher nur in sehr begrenztem Umfang statt. Politische und wirtschaftliche Randbedingungen für das Recycling von Technologiemetallen sind dabei unter anderem rechtliche Vorgaben auf nationaler und europäischer Ebene sowie die Rohstoffpreise. Abb. 30: Einordnung des Recyclings Seltener Erden und Prozesse In diesem Forschungsprojekt werden die grün markierten Bereiche untersucht Durch stoffliches Recycling, s. Abb. 30, kann Nd für die Primärproduktion der Magnete bereitgestellt werden. Die Metalle der Seltenen Erden sind jedoch sehr unedel, oxidieren im Kontakt mit Luft und müssen daher zunächst reduziert werden. Da geeignete Reduktionsverfahren neben den basalen Interessen an einer Kreislaufwirtschaft auch immer an ihrer Wirtschaftlichkeit gemessen werden, sind effiziente Verfahren notwendig. In dieser Arbeit wird hierzu ein neuartiges Verfahren, die induzierte Ko-Abscheidung aus wässrigen Elektrolyten, untersucht. Die Vorteile bestehen im Vergleich zum Stand der Technik im einfachen technischen Aufbau sowie der niedrigen realisierbaren Betriebstemperatur. Thema E2-003: Grundlagen der Strahleinkopplung in der laserbasierten Materialbearbeitung Doktorand: M. Sc. Daniel Förster Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) 82

88 Zusammenfassung Die Einkopplung von Energie, die durch einen Laserstrahl in ein Werkstück eingebracht wird, ist von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig, die zusätzlich Abhängigkeiten untereinander aufweisen. Ausgehend von den Fresnel-Formeln zur Absorption von Laserstrahlung an Festkörperoberflächen wurde bereits das Absorptionsverhalten in statischen Kapillaren unterschiedlicher Geometrien untersucht. Darauf aufbauend wird zurzeit der Raytracing-Algorithmus um ein vereinfachtes Ablationsmodell erweitert, um in Zukunft die Entstehung von Bohrkapillaren mit großen Pulsanzahlen simulieren zu können. Zur Kalibration werden des Weiteren Grundlagenexperimente zum Perkussionsbohren durchgeführt. Die Ausweitung der numerischen Untersuchungen auf weitreichende Ablationsmodelle, die weitaus zeitintensiver sind, erlauben sehr viel detailliertere Einblicke in Energie-Umverteilungsmechanismen während der Laserablation. Die lokale Absorption hängt stark vom jeweiligen Phasenzustand der Materie ab, auf die die verwendete Laserstrahlung trifft und ist somit stark pulsdauerabhängig. Simulationen von Einzelpulsablationen im Vergleich mit experimentellen Daten hierzu runden das Forschungsprojekt ab. Ziel ist ein tieferes Prozessverständnis beim Abtrag mit wenigen Pulsen sowie Perkussionsbohrungen. Abb. 31: Ablationskrater auf Silizium für 1 ps Pulsdauer (lks.), 100 fs Pulsdauer (re.) bei gleich eingebrachter Pulsenergie (Einzelpuls) Thema E2-C1: Erweiterung der Werkstoffeinsatzgrenzen mittels Beschichtungen Doktorand: Dipl.-Ing. Venancio Martínez-García Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Dr. Thomas Ertl (VIS) venancio.martinez@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Beschichtungen werden oft verwendet, um funktionale (etwa Korrosions-/Verschleißschutz, Sensorik) oder dekorative Eigenschaften einer Objektoberfläche zu gewährleisten. Schichten besitzen aber häufig herstellungsbedingte Eigenspannungen, die unerwünschte Effekte 83

89 erzeugen (z.b. Schichtabplatzung, Rissbildung). Es ist deshalb von Interesse, die Eigenspannungen und ihre Auswirkungen im Verbund zu kennen, um die Schichtherstellung in geeigneter Weise anzupassen. In dieser Arbeit wurde eine theoretisch-numerische Methode zur Untersuchung der Entstehung der im Bauteil vorhandenen Eigenspannungen aufgrund der makroskopisch wirksamen thermischen Dehnungen entwickelt, basierend auf der thermo-mechanischen Prozesssimulation und der Anwendung der Submodelltechnik (Meshverfeinerung) für bessere Berechnungsergebnisse in Teilbereichen des Modells des Schichtabscheideprozesses. Zunächst wurde ein makroskopisches Modell entwickelt, welches dann um die Modellierung von Schichtinkrementen auf einer meso- und mikroskaligen Ebene ergänzt wurde, um die Genauigkeit auf der Ebene von einem einzelnen Splat zu erhöhen. Abb. 32: Datenflussdiagramm für die Thermische Spannungsanalyse zwischen makro-, meso- und mikroskaliger Ebene für die Anwendung der Submodelltechnik: Randbedingungen (Langstrichpunktlinie), die Anfangsbedingungen (runde Punkt-Linie) und Körperbelastungen und Lösungen (durchgezogene Linie) Für die Validierung des Modells wurde einerseits die Entwicklung und der Bau einer Anlage zur Eigenspannungsmessung anhand der inkrementellen Bohrlochmethode sowie eines Geräts für die Kalibrierung dieser Messmethode durchgeführt. Andererseits wird durch digitale Bildverarbeitung der Infrarot-Thermografie die Temperaturanalyse validiert, wodurch die Temperatur während der fortlaufenden Beschichtung in unterschiedlichen Tiefen des Bauteil gemessen werden kann. Thema E2-001: Elektrochemische Prozesse zur Rückgewinnung strategischer Metalle aus Elektronikschrott Doktorand: Dipl.-Chem. Johannes Öhl Thesis Committee: Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IPA/IFF) Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) 84

90 Zusammenfassung Einige in der industriellen Produktion essenzielle Hochtechnologiemetalle werden in verschiedenen Studien auf nationaler und EU-Ebene als kritisch bezeichnet. Ihre Versorgung für den europäischen Markt ist von Risiken geprägt, zum Beispiel einer sehr starken Importabhängigkeit oder zur Neige gehender Reserven. Eine Sicherstellung des ausreichenden Nachschubs für die europäische Industrie ist unerlässlich. Da für die meisten dieser Metalle in Europa keine nutzbaren Reserven vorhanden sind, ist die langfristig nachhaltige Versorgung ausschließlich über das Recycling von End-of-Life-Produkten realisierbar. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Rückgewinnung der Seltenerdelemente Neodym und Dysprosium, die essenziell für die Herstellung von Hochleistungsmagneten für Elektromotoren und -generatoren sind. Bei der stofflichen Verwertung der Magnete fallen diese Metalle am Ende der hydrometallurgischen Aufbereitung als Salze an. Zur erneuten Verwendung ist eine Reduktion des Neodyms bzw. Dysprosiums zum elementaren Metall notwendig. Als Technologie für die Reduktion von sehr unedlen Metallen wie den Seltenen Erden wird die Schmelzflusselektrolyse verwendet. Dabei wird das Seltenerdsalz in einer Salzschmelze gelöst und an zwei eingetauchten Elektroden ein Strom angelegt. Diese Technologie wird bereits im technischen Maßstab in der Primärgewinnung der Metalle eingesetzt. Das Forschungsprojekt setzt den Fokus auf den Einsatz der Schmelzflusselektrolyse in Recyclingprozessen bei niedrigeren Temperaturen als beim Stand der Technik. Erfolgreich abgeschlossen wurden die Installation des Elektrolyseaufbaus in einem Hochtemperaturofen und die erfolgreiche Elektrolyse von Neodymchlorid in einer Salzschmelze aus Kalium- und Lithiumchlorid bei 500 C. Die größte Herausforderung ist derzeit die Herstellung eines verwertbaren Produkts, da das abgeschiedene Neodym bisher sehr stark mit Rückständen der Salzschmelze verunreinigt ist. Geplant sind deshalb eine Optimierung der Prozessparameter zur Gewinnung einer homogenen Neodym-Schicht und die Aufbereitung von verunreinigtem Produkt mittels Waschen. Thema E2-018: Hochleistungsbeschichtungstechnik mit keramischen Suspensionen Doktorand: Dipl.-Ing. Martin Plachetta Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Zusammenfassung Funktionale Oberflächenbeschichtungen aus Keramik besitzen eine hohe Relevanz für eine Reihe unterschiedlichster Gebiete wie Leichtbau, Katalyse oder Biomedizin. Eine Möglichkeit der Herstellung (und für einige Anwendungsfälle das einzige geeignete Verfahren) sind hochenergetische Beschichtungsverfahren wie Plasmaspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Von besonderem Interesse ist dabei die Verwendung von keramischen Suspensionen im Spritzprozess, da diese den Einsatz nanoskaliger Pulver erlauben und zusätzliche 85

91 Möglichkeiten der Einflussnahme auf den Spritzprozess bieten. Diese Nano-Pulver sind für die Anwendung sehr vielversprechend, da durch sie Thermisches Spritzen von Schichten mit einer Nanostruktur ermöglicht wird, welche besondere Eigenschaften unter anderem in ihrer Zusammensetzung und mechanischen Belastbarkeit zeigen. Im Fokus der Arbeit steht zunächst das Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen. Ein notwendiger Schritt in der Weiterentwicklung des Verfahrens ist die Entwicklung stabil arbeitender Suspensionsinjektoren zur kontrollierten Zerstäubung von keramischen Suspensionen und die Evaluierung der damit hergestellten Schichten. Für experimentelle Untersuchungen wurde ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut, in dem das Zerstäubungsverhalten unter Druckbedingungen, ähnlich denen der Brennkammer, beobachtet werden kann. Hier werden verschiedene entwickelte Injektorgeometrien auf ihr Zerstäubungsverhalten (und dessen Abhängigkeit von den Zerstäubungsparametern) hin untersucht. Ergänzend dazu wurde mit einer Modellierung des Systems begonnen. Dadurch sollen durch CFD-Simulationen sowohl die Zerstäubung als auch der Strömungsverlauf in der Brennkammer untersucht und die jeweiligen Geometrien optimiert werden. Die hergestellten oxidischen und nichtoxidischen Werkstoffsysteme sollen anschließend in Hinsicht auf ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften charakterisiert werden und die Korrelation von Zerstäubungsverhalten und Schichteigenschaften untersucht werden. Thema E2-010: Optimierung der Ausgestaltung von Lackierkabinen mit besonderem Fokus auf der Overspray-Abscheidung Doktorand: M. Sc. Nils Schmeinck Thesis Committee: Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung Zwischen 50 und 70 Prozent der Energie bei der Herstellung eines PKWs wird für die Lackierung der Karosserie verbraucht. Dieser Energieverbrauch resultiert größtenteils aus der Konditionierung und Förderung des abwärts gerichteten Luftstroms in der Kabine, welcher für den Abtransport und die Abscheidung der nicht auf die Karosserie aufgebrachten Lackpartikel benötigt wird. Die Abscheidung dieser Overspray-Partikel durch Filtersysteme aus dem Luftstrom ist mit einem Druckverlust verbunden, welcher einen erheblichen Anteil am gesamten Energieverbrauch einnimmt. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Filtersysteme, welche vorrangig aus Trägheitsabscheidern und Tiefenfiltern bestehen, numerisch und experimentell zu charakterisieren und bezüglich ihres Druckverlust-, Abscheidungs- und Beladungsverhaltens weiterzuentwickeln. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung von Trägheitsabscheidern bei turbulenten Strömungsbedingungen zur Aufnahme von hohen Beladungen. Dazu wurde der Stand der Technik und Wissenschaft untersucht und eine detaillierte Recherche der Patentsituation durchgeführt. Es wurde ein Simulationsmodell zur Vorhersage der bereits erwähnten Betriebsgrößen basierend auf numerischen Methoden erarbeitet. Im nächsten Schritt wurde dieses 86

92 Modell im Labor-Maßstab experimentell validiert. In der abschließenden Phase des Forschungsprojekts wird das erarbeitete numerische Modell auf verschiedene Abscheider- Geometrien aus der Praxis angewendet und mit experimentellen Ergebnissen aus einem zweiten Versuchsaufbau im Technikums-Maßstab verglichen. Thema E2-007: Untersuchung und Weiterentwicklung von Verschleißschutzschichten für Blechumformwerkzeuge Doktorand: Dipl.-Ing. Markus Singer Thesis Committee: Dr.-Ing. Mathias Liewald (IFU) Zusammenfassung Zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von Simulationsergebnissen muss eine genaue Kenntnis des auftretenden tribologischen Systems vorliegen. Aktuell werden Reibungszahlen für die Simulation durch vereinfachende Modellversuche, wie den Streifenziehversuch, ermittelt. Um die getroffenen Vereinfachungen zu reduzieren, ist das Ziel dieses Forschungsprojekts, durch eine neuartige In-situ-Messung der Rückhaltekräfte, die Modellebene zu erhöhen, lokal Reibungszahlen im realen Tiefziehprozess zu ermitteln sowie darauf aufbauend Verschleißschutzschichten und das tribologische System genauer bewerten zu können. Abb. 33: Werkzeug zum automatisierten Dauerlauftest auf der Servo-Presse des IFU Zu diesem Zweck werden Sensoren unter der Oberfläche des Stempels sowie des Ziehrings eingebracht. Diese messen die Rückhaltekräfte im Prozess; beeinflussen das Umformergebnis jedoch nicht durch Kanten oder Materialveränderungen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass eine solche Messung der Rückhaltekräfte möglich ist und unterschiedliche Prozessparameter abgebildet werden können. Während der Umformsimulation zeigen die über die gesamte Prozesszeit gemessenen Rückhaltekräfte eine bessere Vorhersagegenauigkeit als konventionelle, statische Reibungszahlen. Darauf aufbauend beschäftigen sich weitere 87

93 Untersuchungen mit der Beschreibung des tribologischen Systems im Laufe der Werkzeuglebensdauer sowie dessen Anlaufprozess. Dazu wird die Entwicklung der Verläufe der Reibungszahlen in einem automatisierten, serienähnlichen Dauerlaufversuch analysiert und bewertet. Abb. 34: Modell des Rechtecknapfes Jeder Fläche werden individuelle, zeitlich veränderbare Reibungszahlen zugewiesen Thema E2-009: Serientaugliches Laserstrahl-Remoteschweißen von hochfesten Aluminiumbauteilen Doktorand: M. Sc. Martin Sommer Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Zusammenfassung Durch den Einsatz von immer leichteren Materialien und gestiegenen Anforderungen an die Fertigungstechnik bezüglich Geschwindigkeit und Kosten sicherte mitunter das Werkzeug Laserstrahl effiziente Produktionen. Im modernen Karosseriebau zeichnen sich zunehmend die Vorteile von Aluminiumlegierungen gegenüber dem Einsatz von Stahl ab. Bei bisherigen Schweißverbindungen von Aluminium ist das Einbringen von Zusatzwerkstoffen zur Vermeidung von Fehlstellen und Heißrissen nötig. Immer kürzer werdende Taktzeiten fordern höhere Geschwindigkeiten und damit größere Arbeitsabstände bei der Lasermaterialbearbeitung, weshalb die Zufuhr eines Zusatzwerkstoffs zu der Fügestelle nicht praktikabel ist. Ziel des Forschungsprojekts ist die systematische Weiterentwicklung des Laserstrahl-Remoteschweißens von hochfesten Aluminiumlegierungen. Hierfür ist ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Fügeprozesses bis hin zu den metallurgischen Vorgängen erforderlich. Hinsichtlich des Optimierungspotenzials gilt es, Schweißnahttiefen unabhängig vom Fokusdurchmesser zu kontrollieren, um darauf aufbauend Fehlermöglichkeiten, wie beispielsweise Heißrisse und Durchschweißungen, zu vermeiden. Dafür sind Strategien zu entwickeln, die hohe Bearbeitungsabstände zulassen und das Einbringen von Zusatzwerkstoffen ausschließen. Durch detaillierte Untersuchungen sollen vorhandene Modellvorstellungen an Probekörpern validiert und zu Realbauteilen überführt werden. 88

94 Thema E2-011: Energie- und ressourcenschonende Produktion in der Industrie Doktorand: M. Sc. Kamran Taheri Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr. Dieter Oesterwind (HBS) Zusammenfassung Nachhaltigkeitsaspekte und insbesondere zunehmende Knappheit und Kosten der Ressourcen sind seit jeher die treibende Kraft hinter der Entwicklung von Wertschöpfungsprozessen. Für die Entwicklung künftiger Finanzstrategien müssen Fertigungsprozesse im Hinblick auf ihre Ressourceneinsparpotenziale optimiert werden. Die wissenschaftliche Aufgabenstellung wurde im Verlauf der Bearbeitung insbesondere auf den Aspekt der Untersuchung von Effizienzkriterien eingeschränkt, wobei die thermodynamische Analyse von Prozessen als Ansatz zur Ermittlung der Effizienz eines Systems ausgewählt wurde. Anhand der thermodynamischen, ganzheitlichen Bilanzierung werden Energieund Ressourcenverbrauch von Prozessen und Prozesskomponenten durch ein einheitliches System bilanziert und identifiziert. Hierfür wurde in bisherigen Arbeiten eine integrierte energetische- und exergetische-thermodynamische Methode weiterentwickelt, woraus sich eine Erweiterung und Verbesserung der bislang verfügbaren Systeme zur thermodynamischen Analyse ergibt. Im Gegensatz zur Energieanalyse, die nur die Quantität des Energieverbrauchs untersucht, wird bei einer Exergieanalyse die Quantität und Qualität der Energieströme betrachtet. Für die Validierung wurde eine detaillierte, thermodynamische Analyse für den Prozess des thermischen Spritzens durchgeführt, mit dem Ziel der Analyse und Optimierung des Energieumwandlungswirkungsgrads. Weitere Fallstudien wurden auch bei der Firma Mahle durchgeführt. Die Prozesskette einer Drucklufterzeugungsanlage sowie die Wärmerückgewinnung einer Wasserkühlanlage wurden mit der entwickelten exergetischen Analyse für die umfassende Optimierung des Energieeinsatzes untersucht. Abb. 35: Application of an exergy-based thermoeconomic method for manufacturing process analysis 89

95 Thema E2-C28: Anpassungskonzept für Hochrotationszerstäuber für rheologisch komplexe Fluide Doktorandin: Dipl.-Ing. Rim Zerriaa Thesis Committee: Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Zusammenfassung In der Automobilindustrie werden Karosserien und Anbauteile mittels elektrostatischunterstützter Hochrotationszerstäubung lackiert, da sie hochqualitative Lackschichten auch bei großen Durchsätzen gewährleistet und gleichzeitig weniger Energieverbrauch gegenüber anderen Zerstäubungsarten, wie hydraulische oder pneumatische Zerstäubung, aufweist. Bei der Prozessauslegung müssen sowohl hohe Kundenanforderungen an die Qualität der Lackierung als auch ökonomische und ökologische Aspekte berücksichtigt werden. Dabei werden hauptsächlich empirische Daten und Erfahrungswerte herangezogen, da u.a. umfassende Untersuchungen zur Hochrotationszerstäubung bisher kaum vorhanden sind. Zudem basieren die vorhandenen Untersuchungen hauptsächlich auf Newton sche Fluide, die sich im Vergleich zu realen Lacken anders verhalten. In dieser Arbeit soll der Prozess der Hochrotationszerstäubung unter praxisnahen Bedingungen in einer ersten Phase durch Experimente, vor allem hinsichtlich Zerfallsmodus und Tropfengrößenspektrum jeweils mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Laserbeugungsspektrometrie, charakterisiert werden. Dazu werden aktuelle Automobillacke in Modelllacken nachgestellt und letztere für die Versuche herangezogen. In der zweiten Phase soll ein mathematisch-physikalisches Modell zur Vorhersage von Tropfengrößen und abschließend ein Anpassungskonzept für rheologisch komplexe Fluide mit optimiertem Auftragswirkungsgrad und Energieeinsatz entwickelt werden. 3.6 Cluster F2 Intelligente Produktionseinrichtungen Clusterdirektor: Dr.-Ing. Peter Klemm Entwicklung des Clusters F2 Die steigende Komplexität der Systeme im Bereich ame (advanced Manufacturing Engineering) macht Intelligenz zu einer notwendigen Eigenschaft der Produktionssysteme. Intelligenz in Kombination mit Wandungsfähigkeit und Vernetzung erlaubt die schnelle und wirtschaftliche Reaktion auf sich verändernde Anforderungen. Das Cluster Intelligente Produktionseinrichtungen stellt sich diesen Herausforderungen. Im Cluster F2 wird der Forschungsschwerpunkt Anpassungsfähigkeit in mehreren Forschungsprojekten betrachtet. Im Rahmen des Forschungsprojekts Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion wurden die Aufgaben für 90

96 Montage und Demontage auf Basis geometrischer, topologischer und semantischer Information entworfen und implementiert, die eine zeitminimale Generierung der einzelnen Manipulationssequenzen zulassen. Die Planung erfolgt dabei auf Grundlage von CAD- sowie RGB-D-Sensordaten, wodurch ein Abgleich zwischen Modell und Realität möglich ist. Vernetzungen zwischen Produktionseinrichtungen sind weiterhin ein wichtiges Thema des Clusters. Im Rahmen des Forschungsprojekts Entwicklung einer IT-Architektur für modulare Produktionssysteme wird eine neue Methode erforscht und dafür auch eine genaue Software und Hardware Spezifikation ausgearbeitet. Experimentelle Validierungen in diesem Projekt wurden bereits begonnen. Die Forschung im Rahmen des Projekts Anwendung faseroptischer Sensoren in der Bewegungserfassung führt zu neuen und interessanten Möglichkeiten für die Erfassung von mechanischer Verformung und Temperatur. Das Forschungsprojekt Hochdynamische Lineardirektantriebe in der Produktionstechnik beschäftigt sich mit der Erforschung neuartiger Konzepte im Bereich Entwicklung und Konstruktion von Lineardirektantrieben wurde die früher ausgearbeitete theoretische Methodik mit neuen Arten von Lineardirektantrieben erweitert. Die Validierung durch Simulation wurde bereits begonnen. Dieser Themenbereich ermöglicht die Verringerung des Energiebedarfs durch die Anpassung von Lineardirektantrieben für Aufgaben in der Produktionstechnik. Die Erforschung von innovativen Bearbeitungsmethoden mit Lasersystemen gehört innerhalb des Clusters zum Themenbereich Prozesseffizienz. Im Rahmen des Forschungsprojekts Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern wurden Untersuchungen durchgeführt, die zeigen, dass die erforschten Methoden zur Vermeidung von Modenmischung in konventionellen Stufenindexfasern die bisher akzeptierten Grenzen verbessern. Im Rahmen des Forschungsprojekts Schnelle Scanner für die fertigungstechnische Umsetzung der Leistungsparameter künftiger UKP-Oszillatoren wurde 2015 ein neues Konzept zur Erzeugung radial polarisierter Femtosekundenpulse umgesetzt. Im Rahmen des Forschungsprojekts Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensorfusion wurde 2015 die Genauigkeit der benutzten Simulationsmethoden verbessert und ein Oberflächeninspektionssystem für die experimentelle Validierung konzipiert und aufgebaut. Der GSaME-Demonstrator spielt eine wichtige Rolle für die Validierung mehrerer Forschungsprojekte. Besonders wichtig ist er für das Forschungsthema Hochgenaue spanende Bearbeitung mit kinematischen Werkzeugmaschinensystemen (z.b. Seilkinematik-Werkzeugmaschine, Industrieroboter). Nach der Ermittlung von mehreren Methoden zur Genauigkeitssteigerung haben experimentelle Voruntersuchungen (s. Abbildung 36) und Simulationen die Überlegungen bestätigt und in der Praxis anwendbare Wege für die Verbesserung der Genauigkeit von Sonderkinematiken gezeigt wurde der GSaME-Demonstrator als Forschungsplattform auch für das Ausbildungsprogramm der GSaME genutzt. GSaME-Promovierende haben im Rahmen des Ausbildungsprogramms nach einer theoretischen Einführung in die Steuerungstechnik eine sehr praxisnahe Vertiefung auf dem Shop-Floor erhalten. 91

97 Abb. 36: Experimentelle Untersuchungen (Steifigkeitsmessung) am GSaME Demonstrator Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters F2 Themen Gesamt DFG Industrie / FhG laufend mit laufend ohne ausgeschrieben abgeschlossen drop out Stand Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters F2 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Erstbetreuer F2-001 Entwurfsmethodik für applikationsspezifische Lineardirektantriebe kleiner Leistung laufend mit Daniel Kreuzer DFG Schinköthe F2-003 Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern laufend mit Christian Röhrer DFG Graf F2-004 Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion laufend mit Christian Friedrich DFG Verl F2-006 Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineerings im Sondermaschinenbau laufend mit Tobias Helbig Festo AG & Co. KG Westkämper 92

98 Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Erstbetreuer F2-007 Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensorfusion laufend mit Haiyue Yang DFG Osten F2-008 Effiziente Modellierung von Maschinenkomponenten mit Wälzkontakten mittels Finite-Elemente-Methode ausgeschrieben DFG Verl F2-010 Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Sonderkinematiken in der Zerspanung (an Beispielen eines Gelenkarmroboters und eines Seilroboters) laufend mit Oleksandr Kuklevskyi DFG Gadow F2-011 Anwendung faseroptischer Sensoren in der Bewegungserfassung laufend mit Christoph Riehs DFG Verl F2-013 Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen ausgeschrieben Siemens Weyrich G3 Laserstrahlquellen für innovative Produktionseinrichtungen laufend ohne Katrin Wentsch DFG Graf G7 Service orientierte Architektur (SOA) für die Inbetriebnahme von Produktionsmaschinen Universal Plug and Produce laufend ohne Michael Abel DFG Klemm G13 UKP-Scheibenlaser laufend mit Michael Eckerle DFG Graf G14 Steuerungstechnik für eine energieeffiziente Kühlschmierstoffversorgung abgeschlossen Raphael Rahäuser Robert Bosch GmbH Klemm * Veränderungen 2015 sind fett markiert Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster F2 Thema F2-G13: UKP-Scheibenlaser Doktorand: Dipl.-Ing. Michael Eckerle Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) michael.eckerle@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) sind zu einem wichtigen Werkzeug der Lasermaterialbearbeitung geworden. Durch die extrem kurzen Laser-Material-Wechselwirkungszeiten, bei gleichzeitigen hohen Spitzenleitungen, kann die Energie gezielter in die bearbeiteten Werkstoffe eingetragen werden als es zum Beispiel mit CW-Lasern möglich ist. Die heutige Forschung im Bereich der UKP-Laser zielt auf immer kürzere Pulse und die Erhöhung der durchschnittlichen 93

99 Leistung ab. Ein weiteres vielversprechendes Forschungsfeld in der Lasermaterialbearbeitung ist die Strahlformung, beziehungsweise die Nutzung zylindrischer Polarisationsformen. So wirkt sich ein zylindrisch polarisierter Laserstrahl nachweislich positiv auf die Effizienz bei verschiedensten Lasermaterialbearbeitungsprozessen wie Bohren und Schneiden aus. Ziel der Arbeit ist es, den Entwicklungsstand beider Bereiche voranzutreiben und soweit wie möglich zusammenzuführen. Dabei sollen sowohl Oszillatoren als auch Verstärkersysteme zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Projekts wurde im vergangenen Jahr erfolgreich der erste radial modengekoppelte Scheibenlaser realisiert. Die erzielte Leistung, Pulsdauer und Effizienz übertreffen dabei klar die Werte radial polarisierter modengekoppelter Stablaser. In einem nächsten Schritt soll die Leistung mittels eines Single Crystal Fiber Verstärkers weiter erhöht werden. Des Weiteren sind für 2016 Versuche geplant, bei denen mittels neuer Lasermaterialien in einem Scheibenlaser-Multipasssystem Ausgangleistungen von über 300 W bei Pulsdauern kleiner 350 fs erzielt werden sollen. Thema F2-004: Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion Doktorand: M. Eng. Christian Friedrich Thesis Committee: Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW) Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA) christian.friedrich@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung In hochautomatisierten und dynamischen Produktionsprozessen spielt die Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit, vor allem im Hinblick auf ökonomische Ziele, eine entscheidende Rolle. Damit diese Faktoren berücksichtigt werden können, unterliegen heutige Produktionseinrichtungen regelmäßigen Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. Dabei werden vermehrt Diagnosesysteme (Condition Monitoring) zur automatisierten Erkennung von Fehlerzuständen eingesetzt. Die anschließend notwendige Wartungs- oder Instandsetzungsaufgabe wird allerdings meist manuell durchgeführt und stellt einen enormen Kostenfaktor dar. Diese Arbeit untersucht deshalb, wie robotergestützt Teilaufgaben der Instandhaltung zur Unterstützung des Werkers eingesetzt werden können. Beispielanwendungen sind etwa das Nachfüllen von Kühlschmierstoff an Werkzeugmaschinen oder der Austausch defekter Funktionseinheiten. Um dies zu ermöglichen, müssen Planungs-, Steuerungs- und Regelungsstrategien entwickelt werden, die es zulassen, geeignete Robotermanipulationen für die Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben zu generieren und auszuführen. Es wurde eine Robotersteuerungsarchitektur entwickelt, die die Integration der einzelnen Softwarekomponenten und Algorithmen modular erlaubt. Weitergehend wurde eine Planungsmethode auf Basis geometrischer, topologischer und semantischer Information entworfen und implementiert, die eine zeitminimale Generierung der einzelnen Manipulationssequenzen zulässt. Die Planung erfolgt dabei auf Grundlage von CAD- sowie RGB-D-Sensordaten, wodurch ein Abgleich zwischen Modell und Realität erlaubt wird. 94

100 Abb. 37: Robotergestützte Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben Zukünftig werden Steuerungs- und Regelungsmethoden erarbeitet, die die robuste Ausführung der geplanten Robotermanipulationen erlauben. Diese werden dann am Demonstrator evaluiert, um die praktische Übertragbarkeit der Konzepte nachzuweisen. Thema F2-006: Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineerings im Sondermaschinenbau Doktorand: Dipl.-Ing. Tobias Helbig Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Peter Klemm (ISW) Zusammenfassung Im Sondermaschinenbau gewinnt das Engineering aufgrund von kundenindividuellen Anforderungen und der Integration neuer Technologien immer mehr an Bedeutung. Die Herausforderung ist es, in einem domänenübergreifenden Engineeringteam die Komplexität zu beherrschen und die Projektbearbeitung hinsichtlich Zeit, Qualität und Kosten zu optimieren. Die Schnittstellen zwischen den beteiligten Fachdomänen Mechanik, Elektrik und Software führen jedoch zu Informationsverlust und Brüchen im Engineering. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammenarbeit während des Engineerings im Sondermaschinenbau. Der Lösungsansatz dieser Arbeit, das Manufacturing System Dependency Model (MaSDeM), wurde entwickelt, um das domänenübergreifende Lösungsverständnis zu stärken und Abhängigkeiten zwischen den Domänen aufzuzeigen. Der Kerngedanke des Ansatzes ist die 95

101 Einführung eines domänenübergreifenden Lösungsmodells zu Beginn des Engineering- Prozesses, das von allen beteiligten Domänen erstellt, diskutiert und optimiert wird. Die Struktur des Lösungsmodells spiegelt die Sichtweisen der Beteiligten am Engineering-Prozess wider und gliedert sich in drei Teilmodelle, die eng miteinander verknüpft sind. Zur Darstellung der Lösungsidee wurde in dieser Arbeit eine funktionale Kategorisierung von Automatisierungskomponenten erarbeitet, die als Bausteine zur Erstellung der Lösung dienen. Zudem erfolgt eine Konsistenzprüfung, die sicherstellt, dass die entworfene Lösung den Konstruktionsregeln entspricht. Als zweiter Schritt der Methode wird die Prinziplösung nun in den Fachdomänen bis ins Detail ausgearbeitet. Hierbei sorgt das Datenformat AutomationML für die nahtlose Propagation der Daten in die domänenspezifischen Expertentools. Die Modellierung von Abhängigkeiten stellt die Bewahrung der Konsistenz des Systems sicher. Durch das gesteigerte Lösungsverständnis und die gemeinsame Optimierung der Prinziplösung können Fehler und Iterationen im späteren Engineering-Prozess vermieden werden. Damit leistet das MaSDeM einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz des Engineerings im Sondermaschinenbau. Thema F2-001: Entwurfsmethodik für applikationsspezifische Linearantriebe kleiner Leistung Doktorand: Dipl.-Ing. (FH) Daniel Kreuzer Thesis Committee: Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe (IKFF) Zusammenfassung Das Fortschreiten der Technik und die dadurch resultierenden erweiterten Anwendungsgebiete von Antrieben erfordern sehr oft applikationsspezifische Neu- und Weiterentwicklungen in der Antriebstechnik und Aktorik. In dieser Arbeit werden daher zwei neuentwickelte und schnelle Dimensionierungsmethoden für die Struktursynthese und auch Analyse vorgestellt, die mittels rechnergestützter Automatisierung, die für die projektspezifische Dimensionierung benötigte schnelle Lösungskonzeptfindung leisten können. Weiterführend wird eine schnelle Abschätzung des erforderlichen Bauraums bezüglich der realisierbaren Hubarbeit und Dynamik eingeführt. Diese ermöglicht es dem Entwickler mittels Zielvorgabenkenntnis, die für die Anwendung benötigte Antriebsoberfläche und somit die minimal benötigten Außenabmessungen zu bestimmen. Zur Vervollständigung der Dimensionierung werden die oftmals durch die Anwendung entstehenden Begrenzungen, wie die mögliche Spannungsversorgung und das benötigte Magnetvolumen, in den untersuchten Bauformen verglichen, so dass auch diese Sekundärparameter in die automatisierte Dimensionierung integriert werden können. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die erläuterten Dimensionierungsmethoden den Entwickler bei der Erstellung von Lineardirektantrieben stark unterstützen. Des Weiteren helfen diese effizient dem Anwender bei der anwendungsspezifischen Bauformwahl, da konkrete, an die Anwendung angepasste und optimierte Bauformen verglichen werden. 96

102 Weitere Schritte dieser Arbeit sind die Erweiterung der automatisierten Dimensionierung um weitere Bauformen, so dass eine, viele Bauformen umfassende, automatisierte, schnelle Dimensionierung generiert wird, um den Dimensionierungsprozess umfassender und deutlich schneller zu gestalten. Thema F2-010: Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Sonderkinematiken in der Zerspanung an Beispielen eines Gelenkarmroboters und eines Seilroboters Doktorand: M. A. Oleksandr Kuklevskyi Thesis Committee: Dr. Rainer Gadow (IFKB) Zusammenfassung Die Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Robotern in der Zerspanung ist heute von großer Bedeutung. Aufgrund seiner Verbreitung und universalen Verwendbarkeit bei der Bearbeitung von Oberflächen verschiedener Formen gilt dies insbesondere für das Fertigungsverfahren Fräsen. Deswegen wird der Genauigkeit des Fräsens in diesem Projekt besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Die bestehenden Verfahren und Mittel zur Erhöhung der Fräsgenauigkeit sind häufig nur für einen sehr engen Anwendungsbereich geeignet und begrenzen zusätzlich den Arbeitsraum des Roboters. Zugleich sind sie meistens für den industriellen Einsatz zu kompliziert und kostenaufwändig. Zur Lösung dieses Problems wird ein komplexer Ansatz in diesem Projekt vorgeschlagen, der aus folgenden Punkten besteht: Verwendung von inertialen Ausgleichs- und Dämpfungssystemen (ADS) zur Ratterunterdrückung; Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schnittkraftgröße; Ansatz zur systematischen Auswahl von Zerspanparametern. Das primäre Ziel des Projekts ist es, eine Methodik zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Sonderkinematiken in der Zerspanung zu entwickeln. Die Durchführung des Projekts basiert auf Ergebnissen aus Zerspanversuchen, FEM-Simulationen des "quasi-statischen" Zerspanprozesses und der Modellierung der Prozessdynamik. Eine Analyse der obigen Daten ermöglicht es, die Wirksamkeit und den Anwendbarkeitsbereich von ADS zu bestimmen sowie die folgende Methodiken zu erarbeiten: a) Auswahl von optimalen Zerspanparametern zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit (mit und ohne Einsatz von ADS); b) Bestimmung von Hauptparametern der Konstruktion und der Steuerung von ADS. In den zu entwickelnden Methodiken werden die Steifigkeit und Genauigkeit des Bearbeitungssystems, die Materialeigenschaften und die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit und die Produktivität berücksichtigt. 97

103 Abb. 38: Schematische Darstellung des Projektablaufs Thema F2-011: Anwendung faseroptischer Sensoren in der Bewegungserfassung Doktorand: M. Sc. Christoph Riehs Thesis Committee: Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW) Zusammenfassung Faseroptische Sensoren stellen einen noch relativ neuen Typ von Sensoren dar, welche primär für die Erfassung von mechanischer Verformung und Temperatur verwendet werden. Grundprinzip dieser Sensoren sind Faser-Bragg-Gitter (FBG), welche durch Laserlithographie oder direkt per Femtosekundenlaser in den Kern kommerziell verfügbarer Glasfasern geschrieben werden. FBGs stellen dabei eine periodische Änderung des Brechungsindexes dar, was zu einer wellenlängenabhängigen Reflexion des eingeleiteten Lichtes und einer deutlichen Spitze im reflektierten Spektrum führt. Durch Streckung, Stauchung oder thermische Ausdehnung ändert sich die Periode des FBG, wodurch es zu einer Verschiebung der reflektierten Wellenlängen im Lichtspektrum kommt. In Abhängigkeit der Breite der Intensitätsspitzen und deren Bewegungsbereich können bis zu 100 Sensoren in eine Glasfaser geschrieben werden. Neben den bereits geschilderten Effekten können FBG-Sensoren ebenfalls für die Erfassung von Biegung verwendet werden, indem man mehrere Fasern parallel angeordnet oder Fasern mit mehreren Kernen nutzt. Ein am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI), Berlin, neu entwickeltes Verfahren erlaubt das Schreiben von neuen Kernen und FBGs in den Mantel der Glasfaser, wodurch die Erfassung der Faserbiegung mit nur einer normalen Glasfaser ermöglicht wird. 98

104 Unter Verwendung dieses neuen Herstellungsprozesses soll untersucht werden, inwiefern FBG-Sensoren für die Erfassung von Bewegungen am Menschen eingesetzt werden können. Aufgrund des minimalen Gewichts und Durchmessers dieser Fasersensoren eignen sich diese für das Motion-Tracking von Arbeitern, um dadurch Arbeitsprozesse analysieren und optimieren zu können, ohne den Arbeiter in seiner Tätigkeit negativ zu beeinflussen. Nach ausführlicher Recherche und Untersuchung des Stands der Technik wurde die Entscheidung getroffen, den Fokus der Bewegungserfassung auf die oberen Extremitäten (Schulter, Ellbogen, Handgelenk) zu legen, da die Anbringung zusätzlicher Komponenten in diesem Bereich besonders schnell zu einer Beeinträchtigung der Bewegung führt. Die Erfassung der Armbewegung ist neben dem reinen Motion-Tracking zusätzlich für den Einsatz in Exoskelleten interessant, welche eine für die Industrie zunehmend interessante Technologie darstellen, da durch diese die körperliche Belastung von Arbeitern stark verringert werden kann. Exoskelette müssen dabei ein möglichst geringes Eigengewicht aufweisen, um eine effektive Entlastung des Menschen zu ermöglichen. Die Verwendung leichter FBG-Sensoren für die Erfassung der Gelenkwinkel kann hierbei eine vielversprechende Alternative darstellen. Um eine einfache Untersuchung des Einflusses von Sensorposition und Faserverlauf auf die Qualität der Bewegungserfassung durchführen zu können, wurde mit der Entwicklung einer Simulation begonnen. Neben den Sensoren stellt die Simulation der Glasfasern eine Herausforderung dar, da diese mechanisch, möglichst genau, simuliert werden müssen, um eine realitätsnahe Rückwirkung auf die FBG-Sensoren zu erzeugen. Aus diesem Grund wurde entschieden, die Fasern als geometrisch exakte, dynamische Splines darzustellen, deren Simulation aktuell in Bearbeitung ist. Abb. 39: FBG-Schreibprozess mit Femtosekundenlaser (lks.); Reflektionsspektrum und Formrekonstruktion einer Glasfaser (re.) Die Verifikation der Simulationsergebnisse stellt den nächsten Bearbeitungsschritt dar. Hierzu sind verschiedene Versuche angedacht, welche eine Vermessung der FBG-Sensoren als auch Biegeversuche im Zwei- und Dreidimensionalen einschließen. Durch das Fraunhofer HHI wurde angeboten, Sensoren und Auswerteelektronik, genannt Interrogator, für die Spektralanalyse zu stellen. Aufgrund dessen, dass eine Lieferung von beidem bisher nicht erfolgt ist, konnten noch keine praktischen Untersuchungen vor Ort durchgeführt werden. 99

105 Abb. 40: Erfassung der Bewegung von Schulter, Arm und Handgelenk Eine Lieferung für die nahe Zukunft ist jedoch wahrscheinlich. Die gestellte Elektronik bildet dabei ein System am unteren Leistungsspektrum, welches für erste Grundlagenuntersuchungen verwendet werden soll. Nach erfolgreich abgeschlossenen Untersuchungen ist die Anschaffung leistungsstärkerer Elektronik angedacht. Thema F2-003: Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern Doktorand: M. Sc. Christian Röhrer Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Zusammenfassung Ein großer Vorteil der Festkörperlaser für die industrielle Materialbearbeitung ist die Möglichkeit der faserbasierten Strahlführung, welche mit Multimode-Strahlen heute vor allem in der Makrobearbeitung weit verbreitet ist. Für moderne, hochbrillante, beugungsbegrenzte Laser ist die Strahlführung allerdings aufgrund nichtlinearer Effekte auf wenige Meter oder sehr geringe Leistung beschränkt. Basierend auf dem gegenwärtigen Stand des Wissens gilt es zuerst, die Grenzen der konventionellen Stufenindexfasern zu finden und auszuschöpfen. Dabei werden insbesondere die grundlegenden Kriterien für die Vermeidung von Modenmischung untersucht und bestimmt. Als theoretische Grenze der erfolgreichen Propagation von Singlemodestrahlung in einer Multimodefaser gilt ein effektiver Brechzahlunterschied zwischen der Grundmode und der nächsthöheren Mode von In den bisherigen Untersuchungen konnte allerdings gezeigt werden, dass auch für einen effektiven Brechzahlunterschied von lediglich 5*10-5 noch keine Modenmischung auftritt, wenn eine optimale Einkopplung in die Faser gewährleistet ist. Auch für Biegeradien von nur wenigen Zentimetern degradiert die Strahlqualität M 2 kaum und kann annähernd konstant zu 1,3 gemessen werden. Die hierbei verwendete Faser besitzt eine 100

106 numerische Apertur von 0,111 bei einem Kerndurchmesser von 77,4 µm, woraus sich theoretisch eine Übertragung von cw-strahlung mit mehr als 4,5 kw über 100 m realisieren lässt. Für die Zukunft sind weitere Experimente mit noch größerem Kerndurchmesser und dadurch noch kleinerem, effektiven Brechzahlunterschied geplant, um das Limit der konventionellen Stufenindexfasern zu finden und auszuschöpfen. Außerdem sollen die Propagationseigenschaften im Hochleistungsbereich experimentell untersucht werden. Abb. 41: Diagramm: Effektiver Brechzahlunterschied Δneff und Strahlqualität M2 über dem Kerndurchmesser. Rechts: Mikroskopische Aufnahme des gecleaveten Faserendes. Thema F2-007: Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensorfusion Doktorand: M. Sc. Haiyue Yang Thesis Committee: Dr. Wolfgang Osten (ITO) Dr. Sven Simon (IPVS) haiyue.yang@gsame.uni-stuttgart.de Zusammenfassung Optische Oberflächeninspektionssysteme spielen in der modernen industriellen Fertigung eine zunehmende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenqualität. Allerdings unterliegen entsprechende Sensoren auch einigen prinzipbedingten Limitierungen. Sowohl hinsichtlich der Wahl der Sensorprinzipien und Sensorparameter als auch der Implementierung der Algorithmen zur Defektdetektion ist es notwendig, das Ergebnis der Detektion für verschiedenste Objekte und Defekte jeweils vorhersagen zu können. Beim Stand der Technik wird dies rein experimentell erreicht. Dabei ergeben sich allerdings vielfältige Beschränkungen, denn in der Regel sind entsprechende Messungen nur bedingt möglich. Neben der Forderung nach Existenz entsprechend parametrierbarer Messtechnik (Referenzsysteme) liegt die fundamentale Beschränkung in der mangelnden Verfügbarkeit ausreichender Testobjekte mit allen relevanten Defekten. Ziel des Forschungsprojekts ist die Simulation der bildbasierten Erfassung verschiedener Defekte, die für den Bereich der technischen Oberflächen relevant sind (u.a. Kratzer, Lunker, 101

107 Poren, Dellen, Verschmutzungen, Riefen). Um diese Defekte in unterschiedlichen Skalen ausreichend realistisch zu simulieren, wurde ein optisches Oberflächeninspektionssystem mit einer lateralen Auflösung von 2.5 µm und 8 µm aufgebaut. Die physikalisch korrekten Darstellungen der oben genannten Defekte werden durch ein Monte-Carlo Path-Tracing- Verfahren mit verschiedenen BRDF-Modellen (Phong, Ashikhmin-Shirley) erreicht. Zusätzlich wird die Effizienz der Simulation durch eine Multiple-Importance-Sampling Methode erhöht. 3.7 Nachwuchsgruppen Die Nachwuchsgruppenleiter der GSaME integrieren die Themen der Cluster transdisziplinär selbständig im Rahmen des Forschungsgegenstandes der GSaME in einen Forschungszusammenhang. Sie führen eigenständige komplexe grundlagen- und anwendungsorientierte Forschungsprojekte unter Nutzung des dualen Konzepts und der Industriekooperationen zur Weiterentwicklung des Forschungsprogramms der GSaME durch. Ihre Aufgaben im Rahmen der Ausbildung sind darauf gerichtet, die konzeptionelle und inhaltliche Weiterentwicklung des Ausbildungsprogramms in Anpassung an das Forschungsprogramm mit neuen Arbeitsformen und dessen Umsetzung in Zusammenarbeit mit dem Studienkoordinator zu realisieren. Einen Schwerpunkt bildet die Organisation und Durchführung von Doktorandenkolloquien. Die Nachwuchsgruppenleiter sind in die Betreuung der Promovierenden eingebunden. Unabhängig vom Stellenwert der eigenen wissenschaftlichen Arbeit hat die GSaME den Rahmen für clusterübergreifende thematische Schwerpunkte geschaffen: IKT-Plattform für die Produktion Intelligente Produktionssysteme Regional und global vernetzte Produktion Die Leitung der Nachwuchsgruppe IKT-Plattform für die Produktion konnte 2015 nur kurzzeitig mit Herrn Gröger besetzt werden. Nachwuchsgruppe Intelligente Produktionssysteme Nachwuchsgruppenleiter: Dr.-Ing. Akos Csiszar akos.csiszar@gsame.uni-stuttgart.de Die Intelligenz eines Produktionssystems soll mit der Komplexität des Produktionssystems steigen, um den Aufwand, der für die effiziente Bedienung nötig ist, gering zu halten. Um dies zu erreichen, werden erweiterte Softwarefunktionen eingesetzt. In der Nachwuchsgruppe Intelligente Produktionssysteme werden Optimierungsverfahren angewandt, um verschiedene Probleme im Bereich ame (advanced Manufacturing Engineering) zu lösen. Probleme, die ohne Hilfe von geeigneten Software-Werkzeugen nur mit hohem Aufwand zu lösen sind, lassen sich durch Anwendung von Optimierungsverfahren in kurzer Zeit lösen. Als Beispiele innerhalb der GSaME können unter anderem die Planung der Montage-/Demontage-Sequenzen, die optimale Dimensionierung von Lineardirektantrieben und die optimale Bahnplanung für die Beschichtung mit Robotern dienen. Ein Workshop für die Anwendung von Optimierungsverfahren im Bereich ame wurde auf dem IEEE CASE 2015 (Conference on Automation Science and Engineering) angeboten und von der GSaME Nachwuchsgruppe Intelligente Produktionssysteme in Zusammenarbeit mit der 102

108 Setsunan Universität und der Kobe Universität durchgeführt. Im Rahmen dieses Workshops wurde eine problem- und praxisorientierte Einführung zu Planungsaufgaben dargestellt, angewandt auf fahrerlose Transportsysteme und die Ablaufplanung von Fertigungsprozessen. Ein besonderes Interesse besteht an der Optimierung bereits existierender Bahnen für Roboter und Werkzeugmaschinen. Für die Produktion von Werkstücken mit komplexen Freiformflächen werden heute die folgenden Arbeitsschritte durchgeführt: Zuerst wird die geometrische Gestalt des Werkstücks in einem CAD-System festgelegt. Anschließend wird eine Bearbeitungsstrategie definiert und ein CAM-System aus der geometrischen Beschreibung und der Bearbeitungsstrategie NC-Programme erzeugt. Die CNC decodiert das NC- Programm und erzeugt zyklische Antriebssollwerte in Echtzeit für die physikalischen Antriebe der Werkzeugmaschine. Diese Prozesskette ist sehr komplex und bietet noch erhebliches Optimierungspotenzial bei der Erzeugung von zeitoptimalen Trajektorien durch die CNC. Es gibt verschiedene Ursachen für nicht optimale Ergebnisse dieser Prozesskette (z.b. Verwendung verschiedener Algorithmen im CAM-System, Abtastrauschen und Rundungsfehler, zu geringe Auflösung bei Abtastung, Parameterwahl im CAM-System). Defekte im NC-Programm resultieren in einer stark wechselnden Konturkrümmung des Werkstücks. Bei hoch programmiertem Bahnvorschub führt dies zu starken Abbrems- und Beschleunigungsvorgängen der Achsen und damit, insbesondere aufgrund von Ruck-Beschränkungen, zu einem Einbruch der Bahngeschwindigkeit. Dabei haben schon kleinste Schwankungen im Krümmungsverlauf große Auswirkungen. Dies resultiert in einem höheren Energieverbrauch, einer höheren Bearbeitungszeit und damit auch in höheren Kosten. Außerdem leidet die Oberflächenqualität der Werkstücke. Im Rahmen der Nachwuchsgruppe wurde ein Verfahren zur Glättung von dreidimensionalen Polygonzügen entwickelt. Das Funktionsprinzip basiert auf der Minimierung (Optimierung) der Krümmungsänderung durch Verschieben von Punkten innerhalb der Bearbeitungstoleranzgrenzen. Abb. 42: Bearbeitungsprozessergebnisse vor und nach Krümmungsoptimierung Das entwickelte Glättungsverfahren weist dabei gegenüber dem reinen HSC B-Spline- Verfahren bei gleicher Gesamttoleranz Bearbeitungszeiteinsparungen von bis zu 11,5 Prozent auf. Der Einfluss des Glättungsverfahrens auf die Oberflächenqualität wurde mithilfe des GSaME Demonstrators experimentell untersucht. Dabei zeigte sich eine erhebliche Verbesserung der Oberflächenqualität. Zudem war eine deutlich höhere Laufruhe bei der Abarbeitung des geglätteten Programms zu beobachten. Wie in untenstehender Abbildung dargestellt, führt die Minimierung der Polynomkrümmung zu einer höheren Bahngeschwindigkeit im Vergleich zu dem HSC B-Spline-Verfahren. Die Verbesserung des Bearbeitungsprozesses zeigt sich auch in der Oberflächenqualität des Werkstücks. 103

109 Die App-Entwicklung ist weiterhin ein interessantes Thema für die Nachwuchsgruppe. Die Entwicklung der App für Robotervisualisierung und -programmierung wurde 2015 in der Nachwuchsgruppe weitergeführt. Eine Integration von mehreren Robotermodellen, aber auch die Anbindung an eine Erweiterte-Realität (AR, Augmented Reality) -Bibliothek wurden durchgeführt. Damit ist es möglich, existierende CAD-Modelle von Roboterzellen in die App zu importieren und die passenden Roboter dazu auszuwählen und diese durch AR zu visualisieren. Weiterhin wird die Nachwuchsgruppe sich mit Problemen der komplexen Produktionssysteme beschäftigen, die sich als Optimierungsprobleme formulieren und lösen lassen. Diese Probleme auch mit angewandtem maschinellem Lernen (bestärkendes Lernen) zu lösen, stellt eine interessante Möglichkeit für die Zukunft dar. Nachwuchsgruppe Regional und global vernetzte Produktion Nachwuchsgruppenleiter: Dr. rer. pol. Martin Mikusz Die Nachwuchsgruppe Regional und global vernetzte Produktion widmet sich der Weiterentwicklung des Forschungsprogramms der GSaME auf Basis des Leitbildes wandlungsfähiger Produktionsunternehmen, die im Rahmen von Produktionsnetzwerken agieren. Das Alleinstellungsmerkmal der Nachwuchsgruppe ist dabei die Betrachtung von global und regional agierenden Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Softwareund Serviceanbietern, die über Produktionsnetzwerke i.e.s. hinausgehen. Das Forschungsprogramm der Nachwuchsgruppe umfasste im Berichtszeitraum ein Forschungsvorhaben, das in enger Zusammenarbeit zwischen den Promovierenden und dem Nachwuchsgruppenleiter stattfand sowie weitere, eigenständige Forschungsarbeiten des Nachwuchsgruppenleiters. Das erstgenannte Forschungsvorhaben (noch nicht abgeschlossen) eine empirische Studie, die sich dem Zusammenspiel von Management globaler Produktionsnetzwerke und ihrer Wandlungsfähigkeit widmet findet als ein sogenanntes kooperatives Forschungsprojekt statt. Über die Mitarbeit an einem kooperativen Forschungsprojekt der Nachwuchsgruppe tragen die teilnehmenden Promovierenden zum Forschungsprogramm der Nachwuchsgruppe bei und erlangen dabei gleichzeitig fachlich-spezifisches bzw. methodisches Wissen, das für die Absolvierung ihres individuellen Ausbildungsprogramms und für die Bearbeitung ihres Dissertationsvorhabens dienlich ist. Das Vorhaben adressiert zwei Forschungslücken: Zum einen ist nicht hinreichend empirisch untersucht, welche betriebswirtschaftlichen Charakteristika globale Produktionsnetzwerke kennzeichnen. Die Studie konzentriert sich an dieser Stelle auf Charakteristika mit direktem Bezug zum Konzept der Wandlungsfähigkeit. Zum anderen hat das Konzept der Wandlungsfähigkeit auf der Ebene des Produktionsnetzwerks bisher nur wenig Beachtung erfahren, vor allem aus betriebswirtschaftlicher Sicht. Die bereits erarbeiteten konzeptionellen Grundlagen der laufenden Studie konnten bereits erfolgreich publiziert werden (Mikusz et al. 2015). Alle Co-Autoren sind Promovierende des Forschungsclusters B2. Die eigenständigen Forschungsarbeiten des Nachwuchsgruppenleiters konzentrierten sich im Berichtszeitraum zum einen weiterhin auf die Erarbeitung einer wissenschaftlichen Produktkonzeption für Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Software- 104

110 und Serviceanbietern. Die Produktkonzeption, vereinfacht artikuliert Was wird produziert, determiniert die Wertschöpfungskonzeption, vereinfacht artikuliert Wie wird produziert, und ist somit eine wichtige Determinante des ame. Den Forschungsarbeiten hierzu liegt grundsätzlich das Konzept der hybriden Wertschöpfung zugrunde. Damit wird der Bilanzrahmen der Produktion i.e.s. auf die Erstellung hybrider Leistungsbündel ausgeweitet. Diese bestehen sowohl aus physischen wie auch aus Dienstleistungs- und Softwarebestandteilen, die nicht mehr ohne weiteres einzeln erkennbar sind. Hybride Leistungsbündel werden üblicherweise in interorganisationalen Netzwerken als Organisationsform ökonomischer Aktivitäten erbracht. Im Fokus des Interesses stehen dabei sogenannte Cyber-physische Systeme (CPS), die als eine besondere, softwareintensive Form von hybriden Leistungsbündeln aufgefasst werden. Aufbauend auf den Vorarbeiten des Berichtszeitraums 2014 konnten im aktuellen Berichtszeitraum weitere Forschungsarbeiten zur Produktkonzeption für Wertschöpfungspartnerschaften produzierender Unternehmen mit Software- und Serviceanbietern veröffentlicht werden (Mikusz 2015a; Mikusz 2015b). Zum anderen konnten auf Grundlage dieses erarbeiteten Verständnisses mehrere Forschungsarbeiten durchgeführt und publiziert werden (Mikusz, Csiszar 2015; Mikusz, Schäfer, Jud 2015; Schäfer, Jud, Mikusz 2015). Weitere Forschungsarbeiten aus dem Berichtszeitraum befinden sich zum Zeitpunkt der Fertigstellung des vorliegenden Berichtes in der Begutachtung. 4 Dissertationen Im Berichtszeitraum wurden folgende Projekte erfolgreich abgeschlossen: Nr. Dissertationsthema Abschluss Doktorand/-in Projektpartner Erstbetreuer A5 Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen-Metallindustrie Eine Bewertung der kompetitiven Rückwirkungen vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) 2015 Fabian Kröner DFG Schäfer B12 Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen 2015 Gernot Frank Siemens AG Westkämper C18 Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Remote- Laserschweißen von AMIgSi Peter Stritt AUDI AG Graf C24 Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen 2015 Minh Nguyen DFG Schinköthe E5 Das maschinenorientierte Data Warehouse Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstützung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion 2015 Philip Hollstein DFG Kemper E6 Advanced Manufacturing Analytics Datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen 2015 Christoph Gröger DFG Mitschang 105

111 Nr. Dissertationsthema Abschluss Doktorand/-in Projektpartner Erstbetreuer G14 Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern 2015 Raphael Rahäuser Bosch GmbH Klemm Cluster A2 Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklun Thema B2-A5: Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen- Metallindustrie Eine Untersuchung der Adaptionsfähigkeit vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Fabian Kröner Thesis Committee: Dr. Henry Schäfer (BWI) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dissertationsthema Internationale Klimapolitik und die deutsche Nichteisen-Metallindustrie Eine Bewertung der kompetitiven Rückwirkungen vor dem Hintergrund der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) Zusammenfassung Die deutsche Nichteisen-Metallindustrie steht als Grundstoffindustrie am Anfang der industriellen Wertschöpfungskette und liefert für eine Vielzahl von Industriesektoren Vorprodukte als Input für deren Produktionsprozesse und zur Herstellung von Investitions- und Konsumgütern. Die Unternehmen der deutschen Nichteisen-Metallindustrie befinden sich aufgrund ihrer international gehandelten Endprodukte in einem starken globalen Wettbewerb. Neben den bestehenden Wettbewerbern innerhalb der EU und anderen Industriestaaten beginnen insbesondere Unternehmen aus den BRIC-Staaten und den Vereinigten Arabischen Emiraten (kurz VAE) Bestandteile der Erzeugungs- und Weiterverarbeitungsstufe in ihren Ländern zu platzieren. Das Dissertationsprojekt hat die Zielsetzung verfolgt, sowohl Chancen als auch Risiken zu identifizieren, die sich für die Unternehmen aus der Eingliederung in das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) ergeben und eine finanzmathematische Quantifizierung der Betroffenheit der deutschen Nichteisen-Metallindustrie bis zum Jahr 2020 dem Ende der dritten Handelsperiode des EU-EHS vorzunehmen. Die Ergebnisse aus der Untersuchung zeigen, dass die Unternehmen mit der Eingliederung in das EU-EHS im Wesentlichen zusätzliche finanzielle Belastungen und neue Risiken verbinden. Die Chancen, die sich z. B. aus dem Handel mit Emissionszertifikaten und der Durchführung von Emissionsminderungsprojekten ergeben, werden von den befragten Experten stark untergewichtet. Der bestehende hohe Effizienzstandard trägt zudem dazu bei, dass bei 106

112 der bestehenden Anlagentechnik nur geringe noch zu hebende Effizienz- und Emissionsreduktionspotenziale vorliegen. Dies führt auf der Grundlage der Expertenbefragung zu einer konstant ansteigenden Kostenbelastung, da sich die Unternehmen aufgrund eines prognostizierten Produktionswachstums bis zum Jahr 2020 vermehrt mit Emissionsberechtigungen eindecken werden müssen. Die unsichere regulatorische Rahmensetzung des EU-EHS wird von den Experten zudem für die bestehende Investitionszurückhaltung verantwortlich gemacht. Es besteht Konsens, dass insbesondere die hoch energieintensive Primärerzeugung von Nichteisen-Metallen mit hoher Wahrscheinlichkeit in rund zehn Jahren nicht mehr wettbewerbsfähig sein wird und in andere Regionen, die geringeren umweltpolitischen Auflagen unterliegen und niedrigere Energieträgerpreise aufweisen, abgewandert sein wird. Die Experten fordern daher von der Politik und den Regulierungsstellen neben einem stärkeren Bekenntnis zum Industriestandort Deutschland insbesondere langfristige Verlässlichkeit und Planbarkeit der klimapolitischen Regulierungsmaßnahmen, um kapitalintensive Investitionen in moderne Anlagentechnologie vornehmen und somit der Gefahr der Abwanderung von Teilen der Wertschöpfungskette der deutschen Nichteisen-Metallindustrie entgegenzuwirken zu können. Cluster C2 Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion Thema C2-B12: Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen Doktorand: Dipl.-Ing. Gernot Frank Thesis Committee: Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dissertationsthema Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen Zusammenfassung Immer kürzer werdende Produktlebenszyklen und kundenindividuellere Produkte zwingen Hersteller dazu, ihr Produktionssystem immer schneller anzupassen. Eine solche Anpassung bietet erhebliches Einsparpotenzial, wenn damit die Prozesskette optimiert wird. Dies kann häufig nur über individuell angepasste Maschinen erfolgen. Gerade in Hochlohnländern resultiert daraus eine erhöhte Nachfrage nach Sondermaschinen. Die Maschinenhersteller sind damit gezwungen, auftragsbezogene Entwicklungen durchzuführen, was einen hohen Anteil von Entwicklungskosten an der Gesamtinvestition mit sich bringt. Unter dem Gesichtspunkt eines bevorstehenden Fachkräftemangels ist ersichtlich, dass kurze Auftragsdurchlaufzeiten nur durch ein äußerst effizientes Engineering erreichbar sind. Allerdings ist die Entwicklung solcher Maschinen immer noch geprägt von einer sequenziellen Reihenfolge der Disziplinen Mechanik-, Elektrokonstruktion und Automatisierung. Neben weiteren Defiziten führen eine ungenügende Anforderungsaufnahme für die Entwicklung, eine sehr geringe Wiederverwendung von mechatronischen Modulen bzw. ein sehr hoher Aufwand zur 107

113 Erstellung dieser Module und voneinander entkoppelte Softwaresysteme zur Unterstützung der disziplinspezifischen Aufgaben zu unnötigen Aufwänden während der Projektabarbeitung. Deshalb ist es das Ziel der vorliegenden Dissertation, eine durchgängige softwaregestützte Methode für die integrierte mechatronische Sondermaschinenentwicklung bereitzustellen, welche die Disziplinen parallelisiert und eine Wiederverwendung bereits entwickelter mechatronischer Module mit sehr geringem Aufwand ermöglicht. Dazu wird zunächst analysiert, welche Abhängigkeiten die Disziplinen voneinander haben und wie mechatronische Module definiert werden können. Dies bildet die Basis für die erarbeitete Methode. Darin wird mit der Definition von Anforderungen, unterstützt von einer Sachmerkmalleiste begonnen. Anschließend werden die Anforderungen im Rahmen der Systementwurfsphase unter Einbeziehung aller Disziplinen auf Komponenten und Module heruntergebrochen. Dadurch entsteht ein mechatronisch abgestimmtes Maschinenkonzept. Dieses bildet die Basis für die nächste Phase, parallel in den verschiedenen Disziplinen die Detaillierungen auszuarbeiten. Die abschließende Phase der Systemintegration validiert die Ergebnisse. Zur Unterstützung aller Phasen der beschriebenen Methode werden erhältliche Softwareprodukte bzw. eigens entwickelte Prototypen genutzt und über ein semantisches Netz integriert. Die Methode und deren softwaretechnische Unterstützung werden anhand einer Firmware-Lademaschine validiert. Dadurch lassen sich die Anwendbarkeit und der Nutzen für eine Entwicklung von Sondermaschinen nachweisen. Thema C2-E6: Advanced Manufacturing Analytics Doktorand: M. Sc. Christoph Gröger Thesis Committee: Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dr. Frank Leymann (IAAS) Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Dissertationsthema Advanced Manufacturing Analytics Datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen Zusammenfassung Industrieunternehmen befinden sich heute in einem globalen Verdrängungswettbewerb, der durch einen enormen Preis- und Kostendruck, eine hohe Komplexität und ein turbulentes Umfeld geprägt ist. Transparente, agile und kontinuierlich verbesserte Fertigungsprozesse stellen hierbei einen zentralen Erfolgsfaktor dar. Traditionelle Ansätze zur Optimierung von Fertigungsprozessen, wie z.b. Lean Production und Total Quality Management, sind managementgetrieben und erfahrungsbasiert. Der zunehmende Einsatz cyber-physischer Systeme sowie die Digitalisierung des Fertigungsmanagements durch Manufacturing Execution Systems (MES) führen zu enormen Mengen an strukturierten und unstrukturierten Daten in der Fertigung, die das Potenzial für neuartige, datengetriebene Optimierungsansätze bieten. Es geht darum, systematisch neues Wissen zur kontinuierlichen Prozessverbesserung aus den Daten zu gewinnen. 108

114 Existierende Datenanalyse- bzw. Business-Intelligence-Anwendungen in der industriellen Praxis, wie z.b. MES und Online-Analytical-Processing-Systeme (OLAP-Systeme), sind durch vier wesentliche technische Schwachstellen geprägt, die eine umfassende Extraktion des in den Daten enthaltenen Wissens verhindern: (1) Die Ansätze verwenden nur einen kleinen Ausschnitt der vorhandenen Daten ohne eine ganzheitliche Sicht. (2) Sie sind meist rein deskriptiv und reaktiv konzipiert, ohne eine Erkennung komplexer Muster in den Daten zu unterstützen. (3) Die Analyseergebnisse sind typischerweise nur auf das leitende Personal ausgerichtet, ohne die Fertigungsebene selbst einzubeziehen. (4) Die Realisierung der Ansätze erfolgt einzelfallbezogen, d.h. es mangelt an generischen Business-Intelligence-Architekturen für die Fertigung. Im Zentrum der Dissertation stehen die Konzeption, prototypische Implementierung und Evaluation einer Business-Intelligence-Plattform, der sog. Advanced-Manufacturing-Analytics- Plattform (AdMA-Plattform), zur datengetriebenen Optimierung von Fertigungsprozessen. Die AdMA-Plattform adressiert die aufgeführten Schwachstellen existierender Ansätze, um eine ganzheitliche, datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen zu ermöglichen. Die Basis der Arbeit stellt eine umfassende konzeptionelle Strukturierung von Prozessen und IT- Systemen in der Fertigung dar. Ergänzend dazu werden grundlegende IT-Konzepte zur datengetriebenen Optimierung aus dem Bereich Business Intelligence dargestellt. Davon ausgehend erfolgt eine fundierte Schwachstellenanalyse existierender Business-Intelligence- Anwendungen für die Fertigung, wobei insbesondere MES sowie existierende Data-Mining- Ansätze betrachtet werden. Zusätzlich wird ein Praxisbeispiel aus der Automobilindustrie in Kooperation mit einem Industriepartner dargestellt. Es umfasst einen Fertigungsprozess zur Herstellung von Nockenwellen und dient der Untersuchung spezifischer Herausforderungen der datengetriebenen Prozessoptimierung für eine real vorliegende Produktqualitätsproblematik. Die konzeptionelle Architektur der auf dieser Grundlage entwickelten AdMA-Plattform (Gröger et al. 2012b, Gröger und Stach 2014) umfasst drei Schichten zur Datenbereitstellung, Prozessanalyse sowie zur Prozessoptimierung und integriert sämtliche technischen Komponenten zur datengetriebenen Optimierung von Fertigungsprozessen in einem Gesamtansatz. Hierbei sind die Architektur und ihre Komponenten generisch, d.h. einzelfallübergreifend für unterschiedliche Fertigungsprozesse, konzipiert. Kern der Datenbereitstellungsschicht bildet das Wissensrepository für die Fertigung (Gröger et al. 2012c, Gröger et al. 2014b, Gröger et al. 2014c). Es dient der Integration strukturierter und unstrukturierter Daten über den gesamten Fertigungsprozess mit sämtlichen Prozessschritten und Ressourcen und unterstützt die prozessorientierte Verwaltung von Wissen im Sinne von aus den Daten gewonnenen Analyseergebnissen, wie z.b. Data-Mining-Modellen. Hierfür wird ein Process-Warehouse-Ansatz auf der Basis eines generischen multidimensionalen Datenmodells für Fertigungsprozesse mit einer Repository-basierten Verwaltung von unstrukturierten Daten kombiniert. Zur technischen Umsetzung wird außerdem eine linkbasierte Integrationsarchitektur vorgestellt, die eine flexible Ad-hoc-Integration strukturierter und unstrukturierter Daten ermöglicht. Die Prozessanalyseschicht umfasst generische Analysedienste, die neben klassischen deskriptiven Analyseverfahren auch prädiktive und präskriptive Verfahren auf der Grundlage des Wissensrepository realisieren. Die prädiktive Fertigungsprozess-Analyse (Gröger et al. 2012a) bezieht sich auf Data-Mining-basierte Analyseverfahren für datengetriebene 109

115 Ursachenanalysen und Prognosen über den gesamten Fertigungsprozess, um z. B. systematisch die Einflussfaktoren für eine Verschlechterung der Fertigungsqualität zu identifizieren. Die präskriptive Fertigungsprozess-Analyse (Gröger et al. 2014a) stellt ein Data-Miningbasiertes Analyseverfahren zur proaktiven Optimierung eines Fertigungsprozesses dar. Es ermöglicht die datengetriebene Generierung konkreter Handlungsempfehlungen zur Vermeidung einer prognostizierten Kennzahlenabweichung während der Prozessausführung. Gegenstand der Prozessoptimierungsschicht ist der Benutzerzugriff auf die Analysedienste. Hierfür wird das mobile Prozess-Dashboard (Gröger et al. 2013a, Gröger et al. 2013b, Gröger und Stach 2014) vorgestellt. Es ermöglicht die mobile und personalisierte Bereitstellung von Analyseergebnissen und ergänzenden Informationen für Fertigungsleiter und insbesondere Werker unter Verwendung mobiler Endgeräte, wie z. B. Tablet-PCs, um eine Integration mit der Fertigungsebene zu realisieren. Auf der Grundlage einer prototypischen Implementierung der AdMA-Plattform erfolgt eine experimentelle Evaluation, welche die Anwendung des Prototyps im Praxisbeispiel der Nockenwellenherstellung umfasst. Diese ergibt, dass die AdMA-Plattform sowohl die datengetriebene Ursachenanalyse der Einflussfaktoren der Qualitätsproblematik über den gesamten Fertigungsprozess als auch die datengetriebene Generierung konkreter Handlungsempfehlungen zur proaktiven Vermeidung der Qualitätsproblematik während der Prozessausführung ermöglicht. Zusätzlich werden im Rahmen einer komparativen Evaluation eine kriterienorientierte Bewertung und ein Vergleich der AdMA-Plattform mit existierenden Business-Intelligence-Anwendungen für die Fertigung vorgenommen. Summa summarum ermöglicht die AdMA-Plattform mit ihren prädiktiven und präskriptiven Analyseverfahren sowie einer gezielten Informationsbereitstellung auf der Grundlage einer ganzheitlichen Datenbasis die systematische Nutzung der enormen Datenmengen in der Fertigung zur Prozessoptimierung und bietet damit neue Potenziale zur Erhaltung und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Industrieunternehmen. Thema C2-E5: Das maschinenorientierte Data Warehouse Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstützung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion Doktorand: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Philip Hollstein Thesis Committee: Dr. Hans-Georg Kemper (BWI) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Dissertationsthema Das maschinenorientierte Data Warehouse Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstützung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion Eine Zusammenfassung liegt nicht vor. 110

116 Cluster E2 Material- und Prozessengineering Thema E2-C24: Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen Doktorand: Dipl.-Ing. Minh Nguyen Thesis Committee: Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe (IKFF) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Dissertationsthema Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen Eine Zusammenfassung liegt nicht vor. Thema E2-C18: Remote-Laserschweißen von Aluminium Doktorand: Dipl.-Ing. Peter Stritt Thesis Committee: Dr. Thomas Graf (IFSW) Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT) Dissertationsthema Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Remote-Laserstrahlschweißen von AlMgSi 6016 Eine Zusammenfassung liegt nicht vor. Cluster F2 Intelligente Produktionseinrichtungen Thema F2-G14: Steuerungstechnik für eine energieeffiziente Kühlschmierstoffversorgung Doktorand: Dipl.-Ing. M. Sc. Raphael Rahäuser Thesis Committee: Dr.-Ing. Peter Klemm (ISW) Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) 111

117 Dissertationsthema Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern Zusammenfassung Bei der spanenden Metallbearbeitung mit Kühlschmierstoff werden zur Kühlschmierstoffaufbereitung bevorzugt zentrale Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen eingesetzt, in denen der Kühlschmierstoff zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Reinheitsgrads permanent gereinigt wird. Beim Einsatz von Anschwemmfiltern besteht ein hohes Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz. Aufgrund der Wirkungsweise der Anlagen muss der Filter regeneriert werden, sobald der mit der Pumpe durchsetzbare Förderstrom durch die mit der Zeit ansteigende Filterverschmutzung einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat. Bisher werden die Pumpen nicht geregelt und zusätzlich gedrosselt, da dadurch auf einfache Weise über den am Filter messbaren Druck der durchsetzbare Förderstrom bewertet werden kann. Dadurch werden die Anlagen unabhängig vom momentanen Bedarf an gereinigtem Medium konstant unter Volllast und ineffizient betrieben. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zum energieeffizienten Betrieb von zentralen Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern vorgestellt. Bei diesem wird der Förderstrom durch die Filter über eine Folgeregelung mit drehzahlverstellbaren Pumpen an den Bedarf an gereinigtem Medium angepasst, wodurch der Energieeinsatz bei geringerem Bedarf reduziert wird. Der am Filter messbare Druck variiert im geregelten Betrieb mit der Förderstromanpassung und ist kein Maß mehr für den durchsetzbaren Förderstrom. Daher wird im geregelten Betrieb über ein Berechnungsmodell der Druck am Filter rekonstruiert, der sich beim ungeregelten Betrieb der Pumpe ergeben würde. Hierzu wird ein Berechnungsmodell in Form von einfach ausführbaren Algorithmen vorgestellt, welches eine leichte Identifikation im laufenden Betrieb ermöglicht. Das Verfahren wurde an einer Bestandsanlage erfolgreich umgesetzt. An der betrachteten Anlage ergibt sich durch das Verfahren, bei der Verwendung der bestehenden gedrosselten Pumpen, ein Energieeinsparpotenzial von 62 Prozent. Die Bewertung des Einsatzes des Verfahrens mit einer auf eine möglichst hohe Energieeffizienz ausgewählten Pumpe ergibt ein Energieeinsparpotenzial von 73 Prozent. 5 Preise und Auszeichnungen Folgende Promovierende wurden im Berichtszeitraum ausgezeichnet: Der 1. Preis des Hans-Jürgen Warnecke Innovationspreises 2015 ging am in Stuttgart u.a. an den Doktoranden Christopher Riehs, der mit der Gruppe um Herrn David Minzenmay ein neuartiges Exoskelett entwickelt hat, das den Träger bei schwerer Arbeit unterstützt, seine Bewegungsfreiheit aber nicht einschränkt. Der Titel des Siegerprojekts lautet Stuttgart Exo-Jacket erste Power Assist-Arbeitsjacke für Schwermontage und Logistik. Die Anwendung ist mit Antriebsmodulen an den Ellenbogen- und Schultergelenken ausgestattet, die bei Belastungen zusätzliche Energie zuführen, aber auch als Freilaufgelenke nutzbar sind. Zudem unterstützen Gelenkketten an den Schultern und ein an die menschliche Wirbelsäule angelehntes Rückenmodul passiv, lassen dabei aber alle Bewegungen dieser Körperpartien zu. 112

118 Auf der 8 th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21 st Century (LEM21), Japan, Kyoto, October 18-22, 2015, erhielt der Doktorand Matthias Reuss den Young Researcher Award für seine herausragende Arbeit zum Thema "Reasons and Impact of Assembly Variations on Machine Tools". Der Doktorand Tobias Tauterat wurde zusammen mit Georg Herzwurm und Sixten Schockert, Lehrstuhlmitarbeiter und Akao-Prize Inhaber, auf dem 21 st International Symposium on Quality Function Deployment (ISQFD) 2015, China, Hangzhou, September 25-26, 2015, für den Beitrag "Quality Function Deployment in Software Development mit dem Excellent Paper Award ausgezeichnet. Die Doktorandin Irina Arhire erhielt den Best oral presentation award (section F) auf der Modern Technologies in Industrial Engineering Conference, Mamaia, Romania, June 17-20, Im Rahmen des Jahrestreffens der ProcessNet-Fachgruppe Mechanische Flüssigkeitsabtrennung, März 2015 in Bremen, wurde der Doktorand Friedemann Hahn mit dem Best Poster Award für seinen Beitrag: Volumetrisch aufgelöste Simulation von Partikeltransportvorgängen in Flüssigkeitsmedien" ausgezeichnet. Finalteilnahme im Juni 2015 beim Wettbewerb CEO of the Future : Bei diesem Wettbewerb, ausgetragen von Bertelsmann, E.ON, McKinsey&Company, Porsche und SAP, erreichte der Doktorand Bernd Waschnek bei über 2100 Teilnehmern das Finale, bei dem die letzten 20 Teilnehmer zu Seminaren nach Kitzbühel eingeladen wurden. 6 Mitglieder der GSaME akad. Titel, Name Institut Forschungsgebiet Dr.-Ing. Wilhelm Bauer Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Dr.-Ing. Manfred Berroth Dr.-Ing Bernd Bertsche Dr.-Ing. Hansgeorg Binz Dr.-Ing. Christian Bonten Dr. oec. publ. Wolfgang Burr Dr. rer. nat. Thomas Ertl IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IFF Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb INT Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik IMA Institut für Maschinenelemente IKD Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKT Institut für Kunststofftechnik BWI Lehrstuhl für ABWL, Innovations- & Dienstleistungsmanagement VIS Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme Industrial Engineering, Arbeitswissenschaft und Datenverarbeitung Fabrikbetrieb, Fertigungstechnik Integrierte Schaltungen, Optische Nachrichtentechnik Antriebstechnik, CAD, Dichtungstechnik und Zuverlässigkeitstechnik Antriebstechnik, methodische Produktentwicklung, Rechnerunterstützte Produktentwicklung (CAE), technisches Design Polymer-Verarbeitung und -Behandlung, Werkstoff- und Verfahrens-Analyse Innovations- und Dienstleistungsmanagement Visualisierung, Computergrafik, Mensch- Maschine-Kommunikation 113

119 akad. Titel, Name Institut Forschungsgebiet ord. Univ.- Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow Dr.-Ing. habil. i. R. Lothar Gaul Dr. phil. nat. habil. Thomas Graf Dr. rer. nat. Melanie Herschel Dr. rer. pol. Georg Herzwurm Dr. rer. pol. Hans-Georg Kemper Dr.-Ing. Peter Klemm Dr. rer. nat. Frank Leymann Dr.-Ing. MBA Mathias Liewald Dr. rer. nat. habil. Miriam Mehl Dr. Catrin Misselhorn Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang Dr. oec. Michael-Jörg Oesterle Dr. sc. Wolfgang Osten Dr. oec. publ. Burkhard Pedell Dr.-Ing. Manfred Piesche Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt Rothermel IFKB Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile INM Institut für Nichtlineare Mechanik IFSW Institut für Strahlwerkzeuge IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme BWI Lehrstuhl für ABWL und Wirtschaftsinformatik II (Unternehmens-SW) BWI Lehrstuhl für ABWL und Wirtschaftsinformatik I (Informationsmanagement) ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen IAAS Institut für Architektur von Anwendungssystemen IFU Institut für Umformtechnik IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme PHILO Institut für Philosophie IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme BWI Lehrstuhl für ABWL, Internationales und Strategisches Management ITO Institut für Technische Optik BWI Lehrstuhl für ABWL und Controlling IMVT Institut für Mechanische Verfahrenstechnik IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme Fertigungstechnologie keramischer Bauteile und Verbundwerkstoffe Rechnergestützte Simulation, experimentelle Analysen der Dynamik mechanischer Systeme Lasertechnik in der Fertigung data provenance, data integration, data cleaning (especially entity resolution), and data-centric workflow processing Unternehmenssoftware Unternehmenssoftware CAD/NC-Verfahrenskette, Methoden und Software für die Steuerungstechnik und Simulation Architektur von Anwendungssystemen Blechumformung, Massivumformung, Formgebungsverfahren Numerische Simulation Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie Informations-Management Daten- Management Internationalisierungsprozesse, Corporate Governance Sensor- und Messtechnik Einflussgrößen und Wirkungen der Ausgestaltung von Unternehmensrechnung und Controlling, Risikocontrolling, Regulierung Analyse und Synthese von Stoffänderungs- / -umwandlungsvorgängen der Prozessintensivierung und der Produktgestaltung in verfahrenstechnischen Grundoperationen Erforschung innovativer Konzepte, Algorithmen und Protokolle für die systemseitige Unterstützung verteilter Anwendungen 114

120 akad. Titel, Name Institut Forschungsgebiet Dr. rer. pol. Henry Schäfer Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe Dr.-Ing. Sven Simon Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dieter Spath Dr.-Ing. Stephan Staudacher Dr. rer. pol. Meike Tilebein Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Alexander Verl Dr.-Ing. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper em. Dr. rer. pol. Erich Zahn BWI Lehrstuhl für ABWL und Finanzwirtschaft IKFF Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement ILA Institut für Luftfahrtantriebe IDS Institut für Diversity Studies in den Ingenieurwissenschaften ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen GSaME GSaME Bewertung von Vermögensobjekten, verhaltenswissenschaftliche Kapitalmarkttheorie und Marktmikrostrukturtheorie Kunststoffspritzguss, Aktorik, Messtechnik und Sensorik, Konstruktionsmethode in der Feinwerktechnik Hardwarearchitekturen für hochparallele Systeme Technologie- und Innovationsmanagement Beschreibung und Simulation des Verhaltens komplexer Systeme Diversity Management Mechatronik, Steuerungstechnik, Antriebs- und Maschinentechnik Fertigungstechnik, Fabrikbetrieb und mehrskalige Modellierung und Simulation Strategisches Management 7 Mentoring und Supervision Studienkoordinator: Dipl.-Ing. Alexander Bader Nachwuchsgruppenleiter: Intelligente Produktionssysteme Regional und global vernetzte Produktion IKT-Plattform für die Produktion Betreuung der Promovierenden in Cluster A2 Dr.-Ing. Akos Csiszar Dr. rer. pol. Martin Mikusz Dr.-Ing. Christoph Gröger (zeitweise) Dipl.-Ing. Hans-Friedrich Jacobi Ein wesentliches Ziel für das Jahr 2015 bestand weiterhin in der Umsetzung des Anspruchs internationaler Spitzenforschung und Qualitätssicherung von Promotionen bei kurzer Promotionsdauer. Dieses Ziel war mehrfach Gegenstand von Vorstandssitzungen und Mitgliederversammlung sowie Prüfungsausschuss. Darüber hinaus wurden u. a. die Betreuung der Promovierenden intensiviert und die Doktorandenkolloquien regelmäßig durchgeführt. 115

121 Weitere Maßnahmen: Festlegung und Monitoring individueller Ausbildungspläne Festlegung individueller Zielvereinbarungen und Arbeitspläne für das Forschungsprojekt Regelmäßige Durchführung von Gesprächen der Promovierenden mit den Thesis Committees Durchführung der jährlichen Assessments In die Begutachtung von Dissertationen wurden verstärkt externe und internationale Berichter einbezogen. Hauptverantwortlich für die wissenschaftliche Betreuung der Promovierenden bei der Bearbeitung ihrer Promotionsprojekte sind die Erstbetreuer. Sie werden bei der Ausübung ihrer Betreuungsaufgabe von den anderen Mitgliedern der jeweiligen Thesis Committees sowie von den Nachwuchsgruppenleitern und dem Studienkoordinator unterstützt. 8 GSaME-Tagungen Ressourcen, Innovation, Wertschöpfung Fabriken im Spannungsfeld von Digitalisierung, Globalisierung und Nachhaltigkeit Als etabliertes Austauschforum zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zur Gestaltung gegenwärtiger Produktion und von Fabriken der Zukunft informierte die GSaME auf ihrer Veranstaltung am 19. März 2015 im Haus der Wirtschaft in Stuttgart über aktuelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet des advanced Manufacturing Engineering. Renommierte Referenten aus der Wissenschaft und Experten aus der Wirtschaft gaben Impulse, wie die Aufgaben des erforderlichen Paradigmenwechsels industrieller Wertschöpfung wirksam angegangen werden können und stellten im Kontext der Diskussionen zu Industrie 4.0 neue Lösungsansätze und Anwendungsbeispiele für die betriebliche Praxis, für globale Produktion, Digitalisierung und Ressourceneffizienz vor. Die Schirmherrschaft des Ministerpräsidenten des Landes Baden-Württemberg, Winfried Kretschmann, und das Grußwort der Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden- Württemberg, Theresia Bauer, würdigten die Leistungen und Ergebnisse der GSaME. Die Veranstaltung zeigte aus Sicht von Unternehmen ebenso wie aus Sicht der Wissenschaft zukunftsorientierte, globale Forschungs- und Innovationsstrategien und anwendungsrelevante Lösungsansätze auf den Gebieten fortgeschrittener Fertigungsprozesse, der Entwicklung neuartiger Maschinen und Anlagen, des Einsatzes von Informations- und Kommunikationstechniken, der Gestaltung menschlicher Arbeit oder des strategischen und operativen Managements. Sie leistete einen Beitrag dazu, den evolutionären Wandel eines neuen technoökonomischen Paradigmas intelligenter Produktion zu gestalten. Die Veranstaltung beinhaltete Hauptvorträge im Plenum, am Nachmittag zwei parallel thematische Panels, zwei parallele Projekttalks sowie eine umfassende begleitende Fachausstellung und eine Podiumsdiskussion unter dem Thema Global, flexibel, intelligent heimische Wertschöpfung mit Zukunft?. 116

122 Abb. 43: GSaME-Jahrestagung 2015, Plenum Herausragende Referenten aus der Wissenschaft und Experten aus der Wirtschaft zeigten den ca. 200 Tagungsteilnehmern, mit welchen Ansätzen und Strategien die anspruchsvollen Aufgaben global wettbewerbsfähiger Produktion wirksam angegangen werden können und welche Beiträge aus der Kooperation zwischen Unternehmen und Wissenschaftseinrichtungen resultieren können. Promovierende der GSaME stellten in Vorträgen und im Rahmen der Poster-Ausstellung ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis und diskutierten ihre Forschungsergebnisse mit Vertretern aus Wissenschaft und Wirtschaft. Abb. 44: GSaME-Jahrestagung 2015, Kommunikationspause Die Beiträge sind in einem Tagungsband veröffentlicht. 117