Veröffentlichungen

Die Layoutaufnahme und Layoutauswertung stellen bei Fabrikplanungsprojekten einen hohen Aufwand dar, da sie durch manuelle Prozesse geprägt sind. Mit dem Einsatz von Drohnen und automatisierten Auswertealgorithmen sollen diese Prozesse beschleunigt und verbessert werden. Durch diesen Beitrag wird das steigende Digitalisierungsbedürfnis in der Industrie aufgegriffen und erste Ansätze für die digitale Aufnahme und Weiterverarbeitung eines Fabriklayouts aufgezeigt. Der Schwerpunkt liegt in dem Einsatz einer Drohne innerhalb eines Fabrikgebäudes und der Aufbereitung von dreidimensionalen Punktwolkenmodellen für Fabrikplanungsprozesse.

Drohne, Fabrikplanung, 3D-Fabriklayout, Objekterkennung

Die CO2-Emission der Logistikbranche und die resultierende Umweltbelastung sind als fortlaufend ansteigend zu konstatieren. Steigende Kosten für Energie und Ressourcen, erhöhte Sensibilität der Kunden, veränderte Gesetzesgrundlagen und der bevorstehende Klimawandel zwingen produzierende Unternehmen zu ökologieorientiertem Umdenken. Die fehlende Kenntnis über Wirkzusammenhänge, quantitative Auswirkungen von Maßnahmen und der Parameterausprägung hindern insbesondere KMU an der Umsetzung. Ein ganzheitliches ökologisch-logistisches Wirkmodell mit softwaretechnischer Umsetzung kann KMU dabei helfen, ihr Potenzial auszuschöpfen. Anforderungen an das Modell und grundlegende Beziehungen von logistischen Parametern zu ökologischen Zielgrößen werden in dieser Veröffentlichung vorgestellt.

KMU, Logistik, Ökologie

Immer mehr Akteure der deutschen Windenergiebranche beschäftigen sich mit der Frage, wie mit der alternden deutschen Windflotte umzugehen ist, denn rund 5.200 Anlagen werden Ende 2020 erstmals das Ende der Förderperiode der Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) erreichen. Bis Ende 2025 werden rund 8.000 Windenergieanlagen folgen. Die Betreiber der betroffenen Windkraftanlagen haben dann die Wahl zwischen (I) dem weiteren Betrieb der Altanlage im Rahmen der Direktvermarktung an der Europäischen Strombörse, (II) dem Repowering der Altanlage durch eine neue und effizientere Windkraftanlage mit anlagenspezifischen Einspeisevergütungen, die in den deutschen Erneuerbare-Energien-Auktionen ausgeschrieben wurden, oder (III) der endgültigen Ausmusterung der jeweiligen Anlage.
Die Frage der Wahl der richtigen Option stellt sich jedoch nicht nur für die Betreiber selbst, sondern auch für verschiedene andere Akteure der Windenergiebranche: Projektentwickler, Turbinenhersteller und Investoren sind an der Bewertung von anlagenspezifischen Repowering-Potenzialen in der bestehenden Windkraftanlage interessiert, um die Betreiber gezielt bei der Umsetzung neuer Projekte zu unterstützen; Demontagebetriebe und Entsorger suchen insbesondere nach Derivaten von anlagenspezifischen Demontagepotenzialen und den damit verbundenen Entsorgungs- und Recyclingströmen, um eine optimale Abwicklung der umfassenden Demontageprozesse zu ermöglichen; und regionale sowie überregionale öffentliche und politische Institutionen sind an Schätzungen über Veränderungen der installierten Windenergiekapazität interessiert, um eine optimale Steuerung des zukünftigen Kapazitätsausbaus unter Berücksichtigung gesellschaftlicher, wirtschaftlicher und politischer Gesichtspunkte zu ermöglichen.

Demontage, Windenergieanlagen

Gurtfördersysteme sind eine ausgezeichnete Möglichkeit, Schüttgut zu fördern. Mit zunehmender Belastung und Entfernung werden diese Systeme größer und die Energieeffizienz wird zu einem wichtigen Faktor. Der Energieverbrauch von Gurtfördersystemen wird in erster Linie durch die Antriebsleistung bestimmt. Die Antriebsleistung ist die Summe aus der Hauptantriebsleistung und der Leistung aller Zwischenantriebe, sofern vorhanden. Die Implementierung von angetriebenen Stützrollen ermöglicht es, die Belastung des konventionellen Antriebs am Kopf eines Fördersystems zu reduzieren, indem die Belastung auf mehrere angetriebene Rollen aufgeteilt wird. Der Hauptantrieb kann kleiner gebaut werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch und damit zu Kosteneinsparungen bei der Produktion führt.

Trotz der großen Möglichkeiten und vielversprechenden Eigenschaften der angetriebenen Rollen wurden sie bisher nicht im täglichen Betrieb eingesetzt. Ohne ausreichende Kenntnisse über das Verhalten der angetriebenen Rollen unter bestimmten Bedingungen, wie Hitze oder Kälte und deren Wirtschaftlichkeit, wird der Nutzen in Frage gestellt. Um den Mangel an Wissen zu beheben, müssen Untersuchungen und Forschungen durchgeführt werden. Ein Prüfstand für angetriebene Rollen ist unerlässlich, um diese Technologie zur Marktreife zu bringen. Gleichzeitig muss ein Testprozess implementiert werden.

Dieses Papier gibt einen Überblick über angetriebene Rollen und einen genauen Einblick in die Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung angetriebener Rollen. Mit diesem Prüfstand kann der Einsatz von angetriebenen Rollen unter bestimmten klimatischen Bedingungen simuliert werden. Darüber hinaus können mit Hilfe modernster Technik auch unterschiedliche Lasten und Geschwindigkeiten simuliert werden.

angetriebene Tragrollen, Gurtförderanlagen, Energieeffizienz, Prüfstand, Kosteneinsparungen

Ende des Jahres 2020 fallen gleichzeitig etwa 6.000 Windkraftanlagen erstmals aus der zwanzigjährigen Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Etwa 8.000 weitere Windturbinen folgen bis Ende 2025. Betreiber betroffener Windkraftanlagen haben dann die Wahl zwischen dem Weiterbetrieb der Altanlage zu den deutlich geringeren Spotmarktpreisen der European Power Exchange (EPEX), dem Betrieb einer neuen und effizienteren Windkraftanlage am Standort der Altanlage (Repowering) zu auktionierten Förderkonditionen oder der endgültigen Stilllegung. Quo vadis Ü20-Anlagen (so der zunehmend an Beliebtheit gewinnende Sammelbegriff für die Altanlagen)? Diese Frage bewegt die Windbranche, aber auch Rückbau- und Entsorgungsbetriebe immer mehr. Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) haben sich deshalb im durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt „DemoNetXXL“ in Kooperation mit dem Institut für Wirtschaftsinformatik der Leibniz Universität Hannover mit der Auswahl und Ausgestaltung optimaler Nachnutzungsstrategien für Windkraftanlagen beschäftigt. 

Windkraftanlagen, Repowering, Nachnutzungsstrategien, Demontage

Im automobilen Leichtbau werden hybride Strukturen sowohl aus unterschiedlichen Materialien, als auch aus Massiv- und Blechelementen eingesetzt. Durch hybrides Verbundschmieden können ein Stahlblech und ein Aluminiummassivteil schon im Umformprozess stoffschlüssig verbunden werden. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH erforscht gemeinsam mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal, wie massive Aluminiumbolzen und Stahlbleche stoffschlüssig gefügt werden können. In Diesem Artikel werden die entscheidenden Umformparameter erläutert. Des Weiteren wird die Werkzeugkonstruktion für die Fügeversuche vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Verbundschmieden

Die Fügestelle ist der schadensanfälligste Bereich an einem hybriden Halbzeug in der Innenhochdruckumformung. In realen Prozessen würde daher eine Umformung an der Fügestelle verhindert werden, um einer Schädigung vorzubeugen. Eine bessere Kenntnis des Umformverhaltens trägt dazu bei, den Aufwand bei der Auslegung zu reduzieren. Zu diesem Zweck sollen in dieser Studie die Umformeignung der Werkstoffpartner simulativ und die Umformeigenschaften der Fügestelle des hybriden Stahl-Aluminium-Halbzeugs experimentell untersucht werden.

IHU, THT, Tailored Forming, Stahl-Aluminium, FEM

Dieses Paper beschreibt die Entwicklung und prototypische Implementierung eines energieautarken Sensors zur Zustandsüberwachung von nasslaufenden Lamellenkupplungen in Schiffsgetrieben. Für die präzise Steuerung eines automatisierten Systems und die Überwachung seiner Leistungsfähigkeit ist das Wissen über den möglichen Verschleiß eine wesentliche Voraussetzung. Darüber hinaus bietet die Speicherung von Sensordaten über die Lebensdauer des Systems die Möglichkeit einer langfristigen Zustandsüberwachung. Die Kombination mit verschiedenen anderen technologischen Komponenten schafft eine Lösung, die eine kostengünstige Zustandsüberwachung von Schiffsgetrieben ermöglicht. Im Vergleich zu bestehenden Systemen werden beispielsweise die Kosten für Installation und Wartung erheblich reduziert. Sowohl die Methodik von der morphologischen Box bis zum Feinkonzept als auch die ersten Messungen der Sensoren werden vorgestellt.

automatisiertes System, Zustandsüberwachung, Metrologie, Kupplung, Getriebe

Der automobile Leichtbau setzt zunehmend auf hybride Strukturen aus Stahl und Aluminium. Die Verbindung dieser Werkstoffe erfolgt derzeit vorwiegend durch Formschluss, beispielsweise durch Nieten. Auch Schweißen und Kleben werden zum Fügen der beiden Werkstoffe eingesetzt. Das hybride Verbundschmieden erlaubt ein Fügen der unterschiedlichen Bauteilelemente während der Umformung. Dies verkürzt die Prozesskette. Mithilfe von Zink als Lotwerkstoff werden die Bauteile stoffschlüßig verbunden. In dieser Veröffentlichung die Ergebnisse der simulative Parameterstudie erläutert. Es wird gezeigt, wie Temperatur, Geometrie und Geschwindigkeit das Fügeergebnis beeinflussen. Weiterhin werden erste Ergebnisse von praktischen Fügeversuchen vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Simulative Parameterstudie

Ressourcenverknappung und Klimawandel sind die Haupttreiber für den raschen Wandel der Stromerzeugungsstrukturen. Die Energiewende führt zu einem Anstieg der Energiepreise für die Herstellung von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Innerhalb des letzten Jahrzehnts haben sich die Energiepreise in Deutschland verdoppelt und werden voraussichtlich weiter wachsen. Metallverarbeitende KMU schreiben bereits 4,5 Prozent ihres Bruttoproduktionswerts den Stromkosten zu. Das Paper zeigt mögliche Einsparpotenziale bei der Nutzung von Lagerbeständen als Energiespeicher und bietet Ansätze für eine effiziente Lösung der damit verbundenen Optimierungsprobleme.

Produktionsprogrammplanung, Energiekosten, Lagerbestand, Energiespeicher

Der Planungszyklus und das Störungsmanagement von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS) sind meist manuelle Prozesse, für die der Einsatz von Experten notwendig ist. Für die Auslegung eines FTS oder das Abstellen einer Störung arbeitet der Experte nach einem definierten Prozess. Dieses Vorgehen kann zeit- und kostenintensiv sein und entwickelte Lösungen sind stets auf die Erfahrungen des bearbeitenden Experten beschränkt. Die vorliegende Arbeit diskutiert die Entwicklung eines fallbasierten Expertensystems für ein automatisiertes Sörungsmanagement in FTS.

Expertensystem, fahrerlose Transportsysteme, Störungsmanagement

Im Durchschnitt wurden seit 1997 jährlich mehr als 1.275 Windenergieanlagen in Deutschland installiert und mehr als 27.000 Windenergieanlagen sind heute in Betrieb. Die technische und wirtschaftliche Lebensdauer von Windenergieanlagen beträgt etwa 20 bis 25 Jahre. Folglich wird die Demontage von veralteten Windenergieanlagen in den kommenden Jahren durch Repowering oder Stilllegung von Windparks deutlich zunehmen und zu Millionen von Kosten für die Betreiber führen. Eine Möglichkeit, die kostspielige und zeitraubende Demontage von Windenergieanlagen komplett vor Ort zu ersetzen, ist der Aufbau eines Demontage-Netzwerkes, in dem teilweise demontierte Windenergieanlagen zur weiteren Bearbeitung zu spezialisierten Demontageplätzen transportiert werden. Dieses Netzwerk erfordert ein Optimierungsmodell zur Ermittlung der optimalen Standorte und eine angemessene Verteilung der Demontageschritte auf die Demontagestandorte. Die Herausforderung besteht darin, die Abhängigkeit der Netze vom Trade-off zwischen Transport- und Rückbaukosten zu berücksichtigen, die wiederum von der Wahl der Rückbautiefen und Standorte abhängt. Aufbauend auf dem Koopmans-Beckmann-Problem wird ein mathematisches Optimierungsmodell zur Lösung des beschriebenen Standortplanungs- und Allokationsproblems vorgestellt. Um einen Proof-of-Concept zu ermöglichen, wenden wir unser Modell auf eine Fallstudie eines beispielhaften Windparks in Norddeutschland an. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Modell Demontagebetrieben helfen kann, effiziente Demontagenetze für Windenergieanlagen aufzubauen und von entstehenden wirtschaftlichen Vorteilen zu profitieren.

Demontage, Windenergieanlagen, Optimierungsmodell

Strukturierte Fabrikplanung stellt einen Schlüssel zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit in Hinblick auf den ständig steigenden Druck durch Globalisierung und die hohe Marktdynamik dar. Die Durchführung von Fabrikplanungsprojekten wird jedoch von Unternehmen gescheut, da diese Projekte mit hohem Aufwand verbunden sind. Aus diesem Grund sollen die Prozesse der Fabriklayoutaufnahme und -auswertung durch neue Techniken ergänzt, teilautomatisiert und damit effizienter gestaltet werden.

Fabriklplanung, Drohne, Photogrammetrie, Laserscan, Bildverarbeitung

Schwarze Markierung als mikrometerskalierte Binärcodierung, die von ultrakurzen gepulsten Lasern mit hohem Kontrast und ohne Abtragung auf Wellen als berührungsloses Sensorsystem zur kombinierten Messung von Winkelposition und Drehmoment aufgebracht wird.

Lasermaterialbearbeitung, Sensoren, Absorption, Bildverarbeitung

Ständig steigende Qualitätsanforderungen und immer strengere Auflagen stellen die Gießerei vor große Herausforderungen: Sie müssen die vom Markt geforderten hochwertigen Komponenten zu vertretbaren Kosten herstellen. Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, diese Herausforderung zu meistern. Bis vor Kurzem stützte sich die Produktion, vom Entwurf des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess, weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen. Wichtige Daten und Informationen über den Schmelzprozess – zum Beispiel die Temperaturen und die Form des Aluminiumblocks im Ofen – können jedoch mit herkömmlichen experimentellen Methoden kaum erreicht werden, da die Temperaturen 700 ° C überschreiten. Das Forschungsprojekt untersucht daher erstmals die Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Oberflächenform des Blocks während des Schmelzprozesses vorherzusagen, da es aufgrund des Wärme- und Energieverlustes während der Messung nicht möglich ist, eine konstante Überwachung aufrechtzuerhalten. Um die notwendigen Daten zu generieren, wird eine 3D-Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen. Der Grundgedanke ist, eine allgemeine Methode zur Kurvenmodellierung aus Streustrahlendaten auf der Aluminiumoberfläche im 3D-Raum zu finden. Anhand der (x, y, z)-Daten der 3D-Kamera wird die Aluminiumoberfläche als Polynomfunktion modelliert. Dabei wird der Koeffizient mit verschiedenen Interpolations- und Approximationsmethoden abgeleitet. Um das optimale Polynomfunktionsmodell zu finden, beschreibt die Aluminiumoberfläche während des Schmelzprozesses durch Interpolation oder Approximation, wobei die beste Methode zur Kurvenanpassung erweitert und implementiert wird für die Oberflächenmodellierung. 

Schmelzprozess, Lichtfeld

Ökologische Nachhaltigkeit wird von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) nach repräsentativen Umfragen als eines der wichtigsten zukünftigen Handlungsfelder wahrgenommen. Dem gegenüber steht die Logistikleistung, die unter ökologischen Aspekten betrachtet bisher wenig Aufmerksamkeit und Optimierung erfahren hat. Neben den hohen Schadstoffemissionen und der damit einhergehenden Schädigung der Umwelt wirkt sich diese fehlende Betrachtung der Ökologie innerhalb der Logistik auch negativ auf die Wettbewerbsfähigkeit aus. Durch das Forschungsprojekt „Entwicklung ökologisch-logistischer Wirkmodelle zur gezieltem Einflussnahme auf die Ökologie und Logistikleistung von KMU“ (ÖkoLogWi) soll Unternehmen befähigt werden, die CO2-Emissionen der Logistik transparent erfassen und optimieren zu können. Als Grundlage für dieses Modell werden in dieser Veröffentlichung daher die grundlegenden Einflussfaktoren und Zusammenhänge zwischen Logistik und Ökologie erörtert. Zudem werden mögliche Handlungsrahmen und Vorgehen zur Definition relevanter Bewertungskriterien skizziert.

Ökologie, Logistik, Wirkmodelle, CO2 Berechnung, Nachaltigkei-

Im Gesenkschmiedeprozess können Bauteile von hervorragender Qualität und technischen Eigenschaften hergestellt werden. Es ist jedoch nicht möglich Hinterschnittgeometrien, wie z. B. Kolbenbolzenbohrungen, zu schmieden. Diese werden normalerweise in nachfolgenden Prozessen eingebracht. Daher wurde ein Hinterschnittschmiedeprozess neu entwickelt. Dazu wurde ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt, das hohe Schließkräfte aufbringen muss. Mit den Forschungsergebnissen können die Anforderungen an das zentrale Bauteil, schwerer Spezial-Tellerfedern, reduziert werden und stattdessen normale Tellerfedern verwendet werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die Schließkraft hinsichtlich ihrer Entstehung und ihrer Einflussgrößen zu untersuchen, um den Werkzeugbau vereinfachen zu können. Daher werden in Schmiedesimulationen die Eingangsgrößen Pressengeschwindigkeit, Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform untersucht. Der Effekt der Parameter auf die Schließkraft wurde statistisch ausgewertet. Dabei stellte sich die Pressengeschwindigkeit als wichtigste Einflussgröße heraus. Die Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform zeigten einen geringeren, aber ebenfalls signifikanten Einfluss auf die Kraft. Eine günstige Kombination der Parameter wird ermittelt, sodass die Presskraft und die Belastung für das Werkzeug minimiert werden, sodass der Prozess auf kleineren, wirtschaftlicheren Pressen durchgeführt werden kann. Die Simulationen werden zuletzt durch experimentelle Versuche validiert.

Schmieden, Hinterschnitt, FEM, mehrdirektional, Schließkraft, Werkzeugbau

Die Erstellung von Fabriklayouts nimmt bei Fabrikplanungsprozessen eine wichtige Rolle ein. Hierbei stellt die IST-Layoutermittlung aktuell einen hohe Kosten- und Zeitaufwand dar. Aus diesem Grund wird am IPH an einer neuen Layouterfassungsmethode per Drohne geforscht.

Drohne, Dreidimensionale Fabriklayouterfassung, Objekterkennung in Punktwolken, Fabrikplanung

Rotatorische Energy Harvester bieten die Möglichkeit, an drehenden Wellen im Rotationszentrum oder auch außerhalb des Rotationszentrums Energie zu generieren. Es gibt sowohl Konzepte mit Referenz zum äußeren Gehäuse als auch verschiedene Konzepte ohne feste Referenz. Außerdem sind Energy Harvester Lösungen verfügbar, die Energie am Gehäuse bereitstellen und durch die Rotation der Welle Energie generieren. Die Auswahl eines Konzeptes muss für jede Anwendung individuell getroffen werden und ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig. Entscheidend sind insbesondere der Bauraum, der Energiebedarf des Sensorknotens und die Drehzahl.

Energieversorgung, Mikrosysteme, Energy Harvesting, Rotatorische Energy Harvester, Powermanagement

Die derzeitig genutzten Methoden zur Planung von Fabriklayouts sind hinsichtlich ihrer Bewertungsmethoden beschränkt. Die Fabrikbewertung erfolgt entweder qualitativ oder quantitativ, hierbei aber beschränkt auf wenige Zielgrößen. Diese Defizite wurden durch die Entwicklung einer Methode zur quantitativen, mehrdimensionalen ad hoc Fabrikbewertung überwunden. Auf dieser Basis ist es nun möglich, eine Fabriklayoutplanungsmethode zu entwickeln, die den Planungsaufwand reduziert und die Lösungsgüte deutlich erhöht.

Fabriklayoutplanung, Fabrikplanung, Fabrikbewertung, Operations Research, mathematische Modellierung

Ihre Ansprechpartnerin

Judith Kebbe
M. A.

Referentin für Public Relations und Marketing

Anmerkung zu Veröffentlichungen bei sogenannten

„Predatory Publishers"

In der Vergangenheit sind unsere Mitarbeiter vereinzelt auf sogenannte „Predatory Publisher" hereingefallen. Dabei handelt es sich um Verleger, die sich nicht an die Regeln guter wissenschaftlicher Praxis halten, indem sie beispielsweise einen Peer-Review-Prozess vortäuschen, ohne dass dieser tatsächlich stattfindet. Vor Bekanntwerden der unwissenschaftlichen Motivation der Anbieter wurden diese durch das IPH als eine von mehreren Möglichkeiten gesehen, relevante Forschungsergebnisse einem breiten internationalen Publikum zugänglich zu machen.
Vom Vorwurf pseudowissenschaftlicher Beiträge möchte sich das IPH jedoch nachdrücklich distanzieren. Die Qualität der Anbieter ist nicht mit der inhaltlichen Qualität und dem allgemeinen wissenschaftlichen Anspruch der Beiträge des IPH, welche vorab immer in internen Reviewprozessen geprüft werden, gleichzusetzen.
In den Publikationslisten wurden diese Beiträge gelöscht, da sie unseren Anforderungen an Veröffentlichungen nicht genügen. Im Sinne der Transparenz und des offenen Umgangs mit diesem Thema haben wir uns jedoch dafür entschieden, diese ebenfalls in den Jahresberichten aufgeführten Veröffentlichungen in den auf unserer Webseite downloadbaren PDF-Dokumenten nicht zu verändern. Bei diesen handelt es sich um Zeitdokumente, die in ihrer gedruckten Form nicht nachträglich verändert werden können. Nach Bekanntwerden hat das IPH intern Prozesse inklusive eines systematischen Bewertungssystems für Anbieter etabliert, um sicherzustellen, dass diese Anbieter nicht weiter genutzt werden.