Eine autonom fliegende Indoor-Drohne entwickelt das IPH im Forschungsprojekt AIMS 5.0 als eines von 20 Anwendungsbeispielen für die Industrie der Zukunft. Das Projekt wird von der EU gefördert, beteiligt sind 53 Forschungs- und Industriepartner aus zwölf Ländern.
Drohne, Kopter, Datenerfassung, Digitaler Zwilling, Industrie 5.0
Der Einsatz eines digitalen Tools zur Arbeitsplatzbewertung ermöglicht es, aufwandsarm Produktionsarbeitsplätze bezüglich ihrer Ergonomie zu dokumentieren und zu bewerten. Im Rahmen des Digitalisierungsprojekts wurde mithilfe eines digitalen Tools ein Konzept zur Optimierung der Arbeitsplatzergonomie entwickelt und in einen Maßnahmenkatalog umgewandelt. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) hat als Partner des Mittelstand-Digital Zentrums Hannover die WISTRO Elektro-Mechanik GmbH aus Langenhagen in einem Projekt dabei unterstützt, eine systematische Arbeitsplatzbewertung innerhalb eines digitalen Tools durchzuführen. Darüber hinaus wurden ergonomische Optimierungsmaßnahmen für einen Montagearbeitsplatz aufgezeigt und anhand einer individuellen Nutzwertanalyse bewertet.
Mit der Durchführung des Projekts konnten konkrete Maßnahmen und ein Bewusstsein für die Thematik der Ergonomie geschaffen werden und damit die Möglichkeiten zur Steigerung der Mitarbeitermotivation.
Ergonomie, Digitalisierung, Mitarbeiterzufriedenheit
Ein elementarer Faktor zur Beeinflussung der Prozessqualität und des Energiebedarfs einer energiegebundenen Umformmaschine stellt das gespeicherte Arbeitsvermögen dar. Gegenwärtig erfolgt die Berechnung der Umformenergie über die Arbeitsenergie, die in das System eingebracht wird. Hierbei werden Faktoren wie die Spindelverdrehung oder Reibwiderstände nur überschlägig betrachtet.
Im Rahmen des durch die Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) geförderten Forschungsprojekts „Entwicklung eines Nachrüstsystems für Reibspindelpressen zur Automatisierung und Minimierung der Einrichtzeit und Entwicklung eines Sensorarrays zur erstmaligen Erfassung elementarer Prozessgrößen wie der Umformkraft“ (AutoPress) streben das IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH und die JOBOTEC GmbH eine automatisierte Prozessregelung von Spindelpressen an und liefern hierbei erste Erkenntnisse.
Retrofit, Umformtechnik, Digitalisierung
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs-Hybridbauteilen. Die Kombination von Aluminium und Stahl kann das Gewicht von Bauteilen reduzieren und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen. Beim Schweißen von Aluminium und Stahl bildet sich eine spröde intermetallische Phase, die die Lebensdauer des Bauteils verringert. Nach dem Schweißen wird das Werkstück inhomogen erwärmt und in einem Querkeilwalzverfahren warm umgeformt. Da die intermetallische Phase während der Warmumformung temperaturabhängig wächst, ist die Temperaturführung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der prozessintegrierten Kontakttemperaturmessung mit Dünnschichtsensoren untersucht. Dazu wird die Anfangstemperaturverteilung nach der induktiven Erwärmung des Werkstücks bestimmt. Anschließend wird ein Querkeilwalzen durchgeführt und die Daten der Dünnschichtsensoren mit den Temperaturmessungen nach der Erwärmung verglichen. Es zeigt sich, dass in das Werkzeug eingebrachte Dünnschichtsensoren in der Lage sind, Oberflächentemperaturen bereits bei einer Kontaktzeit von 0,041 s zu messen. Die neue Prozessüberwachung der Temperatur ermöglicht es, ein besseres Prozessverständnis zu entwickeln sowie die Temperaturverteilung weiter zu optimieren. Langfristig lassen sich aus der Kenntnis der Temperaturen in den verschiedenen Werkstoffen auch Qualitätsmerkmale sowie Erkenntnisse über die Ursachen möglicher Prozessfehler (z.B. Bruch der Fügezone) ableiten.
Querkeilwalzen, Dünnschichtsensoren, Hybridbauteile, Aluminium, Temperaturüberwachung
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine innovative Prozesskette zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die hybriden Werkstücke werden zunächst gefügt und anschließend durch Querkeilwalzen umgeformt. Um das Verhalten der Fügezone bei erhöhter Komplexität des Umformprozesses zu untersuchen, wurden Ritzelwellen hergestellt. Zu diesem Zweck wurden sechs Arten von Werkstücken, die mit drei Arten von Fügeverfahren hergestellt wurden, zu Ritzelwellen umgeformt. Das Referenzverfahren liefert eine Welle mit einem glatten Lagersitz. Es wurde festgestellt, dass die erhöhte Komplexität im Vergleich zu den Referenzprozessen keine Herausforderungen darstellte. Bei den Ritzeln aus Stahl wurde eine nahezu endkonturnahe Geometrie erreicht.
Hybridbauteile, Querkeilwalzen, Warmumformung, Laserstrahlschweißen, LHWD-Schweißen
Die Globalisierung ermöglicht selbst kleinen und mittleren Unternehmen einen weltweiten Vertrieb ihrer Produkte. Einhergehend damit vergrößert sich für diese allerdings auch der Kreis der direkten Wettbewerber. Durch den stetig zunehmenden Wettbewerb bauen insbesondere kleinere Unternehmen Maßnahmen zu Direktvertrieb und E-Commerce aus. Dafür müssen Ressourcen für Verpackung, Lager und Kommissionierung vorgehalten werden. Der hohe Wettbewerbsdruck, dem die Unternehmen ausgesetzt sind, kann die Beachtung der Anforderungen der Ressource Mensch in den Hintergrund des unternehmerischen Handelns geraten lassen. Wird diese Ressource nicht nachhaltig genutzt, entsteht für diese Unternehmen oft auf kurze und lange Sicht ein Wettbewerbsnachteil in der Form, dass jenes Unternehmen Ersatz für kurzfristig ausfallende Mitarbeiter suchen muss und wichtiges Erfahrungswissen durch betroffene Mitarbeiter verliert. Dies stellt insbesondere für kleinere und mittlere Unternehmen einen Wettbewerbsnachteil dar. Ebenso ist der volkswirtschaftliche Schaden zu betrachten: Für erkrankte Mitarbeiter müssen Aufwendungen für Genesung und Umschulung aufgebracht werden. Des Weiteren sind Stellen durch ein zunehmendes Gesundheitsbewusstsein schwerer zu besetzen, wenn nicht auf die Gesundheit jedes Mitarbeiters eingegangen wird. Das Forschungsvorhaben mit dem Titel „Automatisierte kamerabasierte ergonomische Evaluation von Arbeitsplätzen” (kurz AkEvAp) setzt genau an diesem Punkt an, um den Menschen als Ressource nachhaltig für die Kommissionierung zu nutzen.
Kommissionierung, AkEvAp, Ergonomie
Energiewende ja, aber ein Windrad in der Nähe? Nein! Der Ausbau der Windenergie ist dringend notwendig, doch Widerstand in der Nachbarschaft und von Naturschutzvereinen verzögert oder stoppt viele Bauprojekte. Mit Künstlicher Intelligenz (KI) will das interdisziplinäre Verbundprojekt WindGISKI den Ausbau der Windenergie beschleunigen. Acht Unternehmen, Verbände und Forschungseinrichtungen entwickeln ein Geoinformationssystem, das die Erfolgsaussichten von Windenergie-Bauprojekten vorhersagen soll.
Künstliche Intelligenz, KI, Energiewende, Windenergie, Flächenbewertung, Geoinformationssystem
Arbeitsbedingte Erkrankungen und die daraus resultierenden Fehlzeiten der Mitarbeiter können vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit haben. Gerade in der Schmiedeindustrie führt die manuelle Handhabung von Schmiedeteilen zu hohen körperlichen Belastungen und damit zu häufigen Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems, insbesondere des Hand-Arm-Systems. Eine Möglichkeit, diesem Umstand entgegenzuwirken, ist der Einsatz von ergonomischen Schmiedezangen. In der hier vorgestellten Studie wurde der Einfluss von ergonomischen Schmiedezangen auf die körperliche Belastung von Schmiedebeschäftigten mittels Simulation und Experiment untersucht und mit herkömmlichen Schmiedezangen verglichen. Im Rahmen der Simulation und der experimentellen Untersuchung wurden Schmiedeteile und Schmiedezangen variiert. In der Simulation konnte eine ergonomische Beurteilung der Schmiedesituation mit Hilfe des Ergonomic Assessment Worksheet bewertet werden. In der experimentellen Untersuchung wurde anhand von Greifkraft- und Kalorienmessungen ermittelt, wie sich die Handhabung der Schmiedezange auf die Schmiedearbeiter auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz der neuen ergonomisch optimierten Schmiedezange zu einer deutlichen körperlichen Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen kann. Die Erkenntnisse aus den ergonomisch entwickelten Konzepten sind auch auf andere Branchen übertragbar.
Umformtechnik, Ergonomie
Machine Learning findet bereits in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens Anwendung und bietet weitreichende Potenziale in der Produktion. Gleichzeitig gewinnt durch die zunehmende Relevanz von ESG der effiziente Einsatz von Ressourcen immer mehr an Bedeutung. Mit der Umsetzung von Machine Learning in der Produktion zur Steigerung der Ressourceneffizienz können Unternehmen effektiver und effizienter werden, wobei sie gleichzeitig ESG-Strategien umsetzen. Insbesondere KMU stellt die Einführung vor eine große Herausforderung. Neben der hohen Komplexität von Machine Learning-Anwendungen fehlt oft die Kenntnis über passende Anwendungsmöglichkeiten sowie die Überzeugung des Nutzens, der sich daraus ergibt. Im folgenden Artikel werden Anwendungen des Maschinellen Lernens zur Steigerung der Ressourceneffizienz entlang der internen Lieferkette sowie deren Potenziale diskutiert.
Machine Learning, Produktion, Ressourceneffizienz
Die Realisierung eines geplanten Layoutkonzepts stellt eine komplexe Teilaufgabe innerhalb der Fabrikplanung dar. Insbesondere die zeitliche Anordnung der notwendigen Umzugsschritte unter Berücksichtigung vorhandener Restriktionen wird nach aktuellem Stand meist manuell ausgeführt. Eine methodische Planungsunterstützung könnte zu einer entscheidenden Reduzierung des Aufwands der Realisierungsvorbereitung beitragen. Daher wurde in einem Forschungsprojekt eine einfach anwendbare Methode zur Planung eines Fabrikumzugs für Reorganisationsprojekte entwickelt, welche von Unternehmen im praktischen Kontext angewendet werden kann.
Fabrikplanung, Umzugsplanung, Projektplanung, Optimierung, Operations Research
Die Nutzung von Machine Learning hat sich bereits in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens etabliert und findet zunehmend Anwendung. Auch im Bereich der Produktion und Logistik gewinnt Machine Learning immer mehr an Bedeutung. Die komplexe Implementierung stellt jedoch vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) vor große Herausforderungen. Dies führt dazu, dass viele KMU auf die Nutzung von Machine-Learning-Anwendungen verzichten. Daher befasst sich das IPH – Institut für Integrierte Produktion gemeinsam mit dem IPRI – International Performance Research Institute in dem Forschungsprojekt „MLready“ mit der Entwicklung einer Einführungsstrategie, die KMU dazu befähigen soll, Machine Learning einfach und effizient implementieren und nutzen zu können
Maschinelles Lernen, KMU, Produktion, ML-Einführungsstrategie
Obwohl Fabrikplanung als Möglichkeit zur signifikanten Steigerung der Produktivität in der Fertigung weitgehend anerkannt ist, können die damit verbundenen Kosten in Bezug auf Zeit und Geld ein Hemmnis sein. In diesem Beitrag präsentieren wir eine Lösung für diese Herausforderung durch die Entwicklung eines Software-in-the-Loop (SITL) Frameworks, das ein automatisiertes unbemanntes Luftfahrtsystem (UAS). Das Framework beinhaltet simulierte Sensoren, ein UAS und eine virtuelle Fabrikumgebung. Darüber hinaus sellen wir einen Deep Reinforcement Learning (DRL) Agenten vor, der in der Lage ist, Kollisionen zu vermeiden und Explorationen mit dem Dueling Double Deep Q-Network (3DQN) mit priorisierter Erfahrungswiedergabe durchzuführen.
Künstliche Intelligenz, Bestärkendes Lernen, Unbemannte Luftfahrtsysteme
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Schmiedefolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Schmiedefolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Schmiedefolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Schmiedefolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedestücke mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Schmiedefolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Schmiedefolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Schmieden, Schmiedeabläufe, CAD, automatisierte Prozessgestaltung, Gesenkschmieden
Die Realisierung von Reorganisationsprojekten stellt eine komplexe und eigenständige Planungsaufgabe im Rahmen einer Fabriklayoutplanung dar. Es existieren nur wenig methodische Kenntnisse, welche die zeitlichen, räumlichen und organisatorischen Restriktionen in der Erstellung eines Terminplans berücksichtigen. Der vorliegende Beitrag soll die Wirkzusammenhänge in der Planung und Durchführung von Realisierungsprojekten darstellen und somit eine Diskussionsgrundlage für weiterführende Untersuchungen im Bereich der Terminplanung von Fabrikumzügen für die Reorganisation von Fabrikobjekten bereitstellen.
Fabrikplanung, Umzugsplanung, Projektplanung, Wirkmodellierung
Aufgrund der guten Fließeigenschaften von Aluminium neigt das Material beim gratlosen Präzisionsschmieden dazu, in Werkzeugspalte zu fließen und den sogenannten Flittergrat zu erzeugen. Zur industriellen Umsetzung von gratlosen Präzisionsschmiedeprozessen sollen, in Kooperation mit einem Industriepartner, eine innovative Prognosemethode für Flittergrat sowie Dichtungskonzepte erarbeitet werden. Simulative Untersuchungen zeigen, dass die lokale Formfüllung nicht gleichzusetzen ist mit einem hohen Druck respektive einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Flittergrat.
Flittergrat, FEM-Simulation, Dichtungskonzept, Präzisionsschmieden, Umformtechnik
Die fortschreitende Digitalisierung und neue Technologien haben die Entwicklung der Künstlichen Intelligenz (KI) in den letzten Jahren stark beeinflusst. Besonders für Unternehmen aus dem Bereich des Handwerks nimmt der Faktor Zeit aufgrund von verändertem Kundenverhalten, komplexer und anspruchsvoller werdenden Aufgaben und anderen Herausforderungen eine immer entscheidendere Rolle ein.
Künstliche Intelligenz, Handwerk, Leitfaden
Es wird eine neue Prozesskette für die Herstellung von lastangepassten Hybridbauteilen vorgestellt. Die Prozesskette "Tailored Forming" besteht aus einem Auftragschweißprozess, der Warmumformung, der spanenden Bearbeitung und einer optionalen Wärmebehandlung. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Kombination des Laserstrahl-Warmdraht-Auftragschweißens mit anschließender Warmumformung zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die Anwendbarkeit wird für verschiedene Werkstoffkombinationen und Bauteilgeometrien, z. B. eine Welle mit Lagersitz oder ein Kegelrad, untersucht. Als Plattierungswerkstoffe werden der austenitische Edelstahl AISI 316L und der martensitische Ventilstahl AISI HNV3 verwendet, als Grundwerkstoffe werden Baustahl AISI 1022M und Einsatzstahl AISI 5120 eingesetzt. Die resultierenden Bauteileigenschaften nach dem Laserwarmdraht-Auftragschweißen und der Warmumformung wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand werden vorgestellt. Die Warmumformung bewirkt im Auftragschweißen und in der Wärmeeinflusszone eine Umwandlung von einem Schweißgefüge in ein feinkörniges Umformgefüge. Die Warmumformung beeinflusst den Eigenspannungszustand in der Umhüllung erheblich, wobei der resultierende Eigenspannungszustand von der Werkstoffkombination abhängt.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Auftragschweißen, Warmumformung, Eigenspannung, Tailored Forming
Geometrie, Design und Verarbeitung haben neben den thermoelektrischen Materialeigenschaften einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und Leistung von thermoelektrischen Generatoren (TEG). Während herkömmliche BULK-TEGs aufwändig herzustellen sind und nur begrenzte Variationen der Geometrie zulassen, sind gedruckte TEGs aufgrund der Verwendung organischer Materialien oft in ihrer Anwendung und Verarbeitungstemperatur eingeschränkt. In dieser Arbeit wird ein Proof-of-Concept für die Herstellung von modularen, anpassbaren und temperaturstabilen TEGs durch die Anwendung eines alternativen Laserprozesses demonstriert. Zu diesem Zweck wurden bei niedriger Temperatur gebrannte Keramiksubstrate großflächig beschichtet, mit einem Laser frei strukturiert, ohne Masken geschnitten und in einem einzigen optimierten thermischen Nachbearbeitungsprozess zu einer festen Struktur gesintert. Zum Nachweis der Machbarkeit wurde ein skalierbares Design mit komplexer Geometrie und großer Kühloberfläche für den Einsatz auf einer heißen Welle realisiert.
Thermoelektrik, Gedruckte Elektronik, Laserstrukturierung, Gedruckte Keramik, Sprühbeschichtung
Die digitale Erschließung von Räumen innerhalb der Stadt Hannover mittels digitalem Abbild ermöglicht es, Nutzungsbedarfe dieser Räume bedarfsgerechter und effizienter zu decken. Die Erstellung eines digitalen Abbilds, welches neue Möglichkeiten für den Zugang zum öffentlichen Raum erschließt, erfordert den Einsatz verschiedener Sensorik wie beispielsweise LiDAR-Sensoren und Tracking-Kameras zur 3D-Vermessung. Zur Auswahl geeigneter und mittels Multikopter einsetzbarer Sensoren, werden zunächst Anforderungen an das Gesamtsystem definiert, welche in Funktionsanforderungen für die Sensorik abgeleitet werden. Anschließend wird der Erfüllungsgrad der Funktionsanforderungen durch die unterschiedlichen Sensoren zunächst simulativ und anschließend praktisch ermittelt.
5G, Multikopter, digitales Abbild
Im Unrundwalzen wird die Machbarkeit untersucht, mehrere zueinander versetzte, lokal unrunde Formelemente in ein zylindrisches Halbzeug zu walzen. Ein Teilgebiet der Untersuchungen ist das Walzen von zwei elliptischen Abschnitten.
Aus drei unterschiedlichen Berechnungskonzepten für die Bestimmung der Werkzeuggravur wurde einer für eine simulative Parameterstudie gewählt. Die Haupteinflussgrößen, unter anderem die Länge und Breite der Gravur und ein Prozessfenster wurden identifiziert.
Umformtechnik, Fertigungstechnik, FEM
