Veröffentlichungen

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

Für Unternehmen besteht das Problem, Industrie 4.0-Anwendungsszenarien zu identifizieren und die damit verbundenen Potenziale zu nutzen. In diesem Fachbeitrag wird eine Strategie vorgestellt, die methodische und wissensbasierte Leitlinien für Entscheidungen beinhaltet, um die Wahrscheinlichkeit für nutzbringende Industrie 4.0-Transfomationen zu erhöhen.

Industrie 4.0, Einführungsstrategie, Produktionssystem

Auch heutzutage ist der Entwicklungsprozess von Massivumformverfahren in der Schmiedebranche durch eine getrennte Konstruktion und Simulation gekennzeichnet. Die dadurch entstehenden Iterationsschleifen benötigen viel Zeit. Am Beispiel eines gratlosen Umformprozesses für einen Flansch wird gezeigt, dass es mithilfe der Data-Mining Methode ”Neuronales Netzwerk” möglich ist, die Umformkraft zu prognostizieren ohne zeitaufwendige Finite-Elemente-Simulation durchzuführen.

Simulation, KI, Prognose, Umformkraft

Im Leichtbau werden neben hochfesten Stählen auch Leichtmetalle wie Aluminium eingesetzt. Eine Schweißverbindung aus Aluminium und Stahl führt jedoch zur Ausscheidung von spröden, intermetallischen Phasen und Kontaktkorrosion. Um die Vorteile dieser Kombination im Hinblick auf die Gewichtseinsparung zu nutzen, wurde das Hybride Verbundschmieden entwickelt. Dabei wurden ein Aluminium-Massivteil und ein Stahlblech in einem Arbeitsgang geformt und gleichzeitig mit Zink als Lotmaterial verbunden. Zu diesem Zweck wurde das Zink durch Schmelztauchverfahren auf das Aluminium aufgetragen, um über diese Schicht in einem Umformprozess unter Druck und Wärme eine Verbindung herzustellen. Durch die gebildete Zwischenschicht aus Zink ist die Bildung der intermetallischen Fe-Al-Phasen und die Kontaktkorrosion ausgeschlossen. Durch die Bestimmung der mathematischen Zusammenhänge zwischen den Fügeparametern und den Verbindungseigenschaften konnte die Festigkeit einer bestimmten Fügegeometrie auf das Niveau konventioneller Fügetechniken eingestellt werden. Neben der Darstellung der Verbindungseigenschaften wird auch der Einfluss des Fügeprozesses auf die Struktur der beteiligten Materialien dargestellt. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten bei statischer Zugspannung und Scherbeanspruchung aufgezeigt.

Leichtbau, Aluminium, Verbindungseigenschaften

Die Messung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments über Sensoren bildet die Grundlage für viele Industriezweige. Kombinierte Sensoren waren bisher nicht verfügbar, sodass durch getrennte Sensoren viel Bauraum beansprucht wird. Außerdem werden die Sensoreinstellungen schnell teuer. Daher wurde ein optisches und berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkel- und Drehmoments entwickelt. In diesem Beitrag werden die Validierungsmethodik, der Aufbau des Prüfstands und die Validierungsergebnisse vorgestellt. Mit einer Winkelauflösung von 0,001 Grad und einer Genauigkeit von mehr als 0,05 Prozent sind die Ergebnisse vielversprechend. Für die industrielle Anwendung sind jedoch weitere Untersuchungen zur Drehmomentenbestimmung und Miniaturisierung des optischen Aufbaus erforderlich.

Absoluter Drehwinkel, Winkeldifferenz, Sensor, Drehmoment

In diesem Paper ist die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage der Flittergratbildung beim gratlosen Schmieden basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM) beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Damit beeinflusst Flittergratblidung die Qualität von Prozess und Bauteil negativ. Eine direkte Berechnung des Flittergrats mittels FEM ist derzeit nicht möglich.

Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen. Anschließend wurde die vorformabhängige Flittergratbildung durch experimentelle Schmiedeversuche ermittelt. Die experimentell ermittelte Flittergratbildung wurde mit dem durch FEM-Simulationen berechnenten Druck in den Bereichen nahe des Fließspalts verglichen. Ausgehend vom FE-Knoten, der der Kante des Fließspalts am nächsten ist, wurden alle FE-Knoten entlang einer fiktiven Messlinie betrachtet, um Druckfunktionen P mittels polynomialer Regression zu bilden. Durch einen Vergleich der so ermittelten Druckfunktionen mit der experimentellen Flittergratbildung konnten die folgenden Schlüsse gezogen werden:

  1. In spez. Fertigteilbereichen weisen hohe Anstiege der simulativ ermittelten P-Funktionen in der unmittelbaren Nähe des Fließspalts auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  2. In spez. Fertigteilbereichen weisen höhere Absolutwerte des Drucks in fließspaltnahen Bereichen auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  3. Durch Analyse des Drucks in den fließspaltnahen Bereichen unmittelbar vor Erreichen der Formfüllung, können Bauteilbereiche, in denen Flittergratbildung entsteht, prognostiziert werden.

Schmieden, Gratloses Schmieden, FEM, Aluminium, Simulative Prognosemethode

Steigende Energiepreise sowie eine zunehmende Volatilität dieser, aufgrund der vermehrten Einspeisung von erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windenergie, stellen produzierende Unternehmen vor neue Herausforderungen: Beziehen Unternehmen ihren Strom kurzfristig zu schwankenden Preisen an Strombörsen oder über Energieeinkaufsgemeinschaften, kann die Fertigungssteuerung über ihre Stellgrößen die resultierenden Energiekosten bei konstantem Energieverbrauch beeinflussen. Gerade die Reihenfolgebildung, die kurzfristig über den nächsten zu bearbeitenden Auftrag entscheidet, weist dabei hohes Potenzial auf. Die in diesem Artikel vorgestellte energiepreisorientierte Reihenfolgeregel priorisiert zu Zeiten niedriger Energiepreise Aufträge mit einem hohen Energiebedarf und zu Zeiten hoher Energiepreise Aufträge mit einem niedrigen Energiebedarf, ohne dabei den geplanten Fertigstellungstermin zu vernachlässigen. Jedoch eignet sich die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nur unter bestimmten Voraussetzungen, die im vorliegenden Artikel anhand einer Simulationsstudie herausgearbeitet werden und die Wirkungsweise der Regel bestätigt wird.

Produktionsplanung und -steuerung, Fertigungssteuerung, Reihenfolgebildung, Energiekosten

In der Umformtechnik wie auch in anderen technischen Bereichen ist es heutzutage üblich, Prozesse zuerst zu simulieren, bevor experimentelle Vorversuche durchgeführt werden. Ein iterativer Simulationsprozess ist wirtschaftlicher als Vorversuche, nimmt aber dennoch viel Zeit in Anspruch, da eine Simulation mit realistischen Parametern meist viele Stunden dauert. Hinsichtlich eines wirtschaftlichen Entwicklungsprozesses entstand die Idee, zumindest Teile des Simulationsergebnisses innerhalb weniger Minuten durch Data Mining Verfahren vorherzusagen. In diesem Paper werden die vier Data Mining Verfahren Künstliches Neuronales Netz, Support Vector Machine, Lineare Regression und Polynomielle Regression bezüglich der Eignung zur Vorhersage der Umformkraft und simulativen Volumenschwundes durch Remeshing vorhergesagt. Beide Ausgangsgrößen wurden aufgrund ihrer Signifikanz für das Simulationsergebnis ausgewählt. Bei Betrachtung der Ausgangsgrößen kann für beide Vorhersagen festgestellt werden, dass das Künstliche Neuronale Netz am geeignetsten ist.

Data Mining, Neuronales Netzwerk, Lineare und Polynomielle Regression, Support Vector Machine

Interaktive Assistenzsysteme wie Datenbrillen oder Headsets als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglichen durch die Vernetzung innerhalb der Fabrik eine Erhöhung der Prozessqualität und -geschwindigkeit. Jedoch stehen gerade kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Einführung dieser Systeme kritisch gegenüber. Daher beschreibt dieser Beitrag die Entwicklung eines Reifegradmodells zur systematischen Fähigkeitsanalyse und -steigerung zur Einführung interaktiver Assistenzsysteme in Produktion und Logistik

Industrie 4.0, Interaktive Assistenzsysteme, Reifegradmodelle, Einführungsunterstützung

In dieser Veröffentlichung wird der Herstellungsprozess und die anschliessende Umnformung von seriellen hybriden Stahlteilen beschrieben. Die Halbzeuge wurden mittels Laserschweißen hergestellt und mittels Querkeilwalzen umgeformt. Die präsentierten Ergebnisse sind nur ein erster Ansatz, um Einblicke in das Umformverhalten von lasergeschweißten und quekeilgewalzten Teilen zu erhalten. Die untersuchte Materialkombination ist C22 (1.0402) und 20MnCr5 (1.7147). Die neue Prozesskette ermöglicht die Herstellung von hybriden Bauteilen. Zut Bewertung der entwickelten Prozesskette werden Schweißnaht und Fügezone vor und nach dem Querkeilwalzen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Fügeprozess mittels Laserschweißen eine starke Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen mit einer höheren Härte in der Fügezone als für die einzelnen Materialien ermöglicht. Nach dem Umformprozess ist die Verbindung in der Fügezone noch vorhanden. Die Härte der Fügezone nimmt ab, bleibt aber höher als für die einzelnen Werkstoffe selbst.

Tailored Forming, Laserstrahlschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

Die Lagerplanung ist ein wichtiger Bestandteil der Fabrikplanung und stellt in Zeiten des globalen Wettbewerbs ein Optimierungspotenzial dar. Die Auswahl eines geeigneten Lager-, Kommissionier- und Transportsystems, im Folgenden LKT-System, ist speziell für kleine und mittlere Unternehmen eine große Herausforderung. In einem Forschungsprojekt am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH wird eine Methode entwickelt, mit der Unternehmen anhand des notwendigen Grads an Wandlungsfähigkeit und Automatisierung das optimale LKT-System bestimmen können. In diesem Artikel wird das Forschungsprojekt vorgestellt, der Lösungsweg erläutert sowie auf erste Ergebnisse eingegangen.

Lagerplanung, LKT-Systeme, Wandlungsfähigkeit, Automatisierung, Softwaredemonstrator

Der Energiebedarf von Gurtförderanlagen wird im Wesentlichen durch die notwendige Antriebsleistung bestimmt, die sich aus dem Hauptantrieb und Zwischenantrieben zusammensetzt. Durch den Einsatz von angetriebenen Tragrollen kann der konventionelle Antrieb am Kopfende der Förderanlage entlastet und damit geringer dimensioniert werden, was zu Energie- und Kosteneinsparungen führen kann. Im Gegensatz zu konventionellen Kopfantrieben ermöglichen angetriebene Tragrollen die Umsetzung von modularen Förderanlagen. Um die Vorteile von angetriebenen Tragrollen uneingeschränkt nutzen zu können, muss bei der Auslegung und Umsetzung von Förderanlagen eine nicht zu unterschätzende Anzahl von Hemmnissen überwunden werden, wie zum Beispiel die Stromversorgung entlang der kompletten Anlage.

Angetriebene Tragrollen, Prüfstand, Gurtförderanlage, Energieeffizienz

Um eine gratlos geschmiedete Kurbelwelle innerhalb weniger Prozessschritte und mit geringem Energieverbrauch herzustellen sind innovative Umformverfahren nötig. Beispiele sind hier das Querkeilwalzen und das mehrdirektionale Schmieden. Eine direkte Kombination dieser umformenden Fertigungsverfahren führt normalerweise zu Grat am unteren Ende der Kurbelwangenvorform. Der Grund ist die mehrdirektionale Umformung einer rotationssymmetrischen, querkeilgewalzten Vorform quer zur Rotationsachse. In diesem Paper wird ein Parameterfeld identifiziert, in dem eine gratfreie Kombination der beiden Umformverfahren möglich ist. Die Parameter, die innerhalb der experimentellen Versuche variiert wurden, sind der Schulterwinkel und die Querschnittflächenreduzierung beim Querkeilwalzen sowie der Lagerversatz, die Umformgeschwindigkeit und die Umformtemperatur beim mehrdirektionalen Schmieden. Die Grenzen des Parameterfeldes sind grafisch dargestellt. Für eine gratfreie Kombination des Querkeilwalzens und der mehrdirektionalen Umformung sind jeweils niedrige Werte für die signifikanten Einflussparameter Schulterwinkel (? = 30°) Querschnittsflächenreduzierung (?A = 30 %) und Umformtemperatur (T =1050 °C) empfehlenswert.

Mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, gratlos

Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.

So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.

Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz

Ein Teilziel des Forschungsprojektes „Vernetzte, kognitive Produktionssysteme (netkoPs)“ war die Entwicklung einer formalen Sprache Production Modelling Language (PML). Die PML ist als digitales Abbild des Produktes und des Produktionssystems zu verstehen. Aus dem Stand der Forschung sowie den Zielen des Forschungsprojektes netkoPs wurden zu Beginn Nutzpotenziale für die PML abgeleitet. Anschließend wurde auf Basis einer Anforderungsanalyse die benötigten Datenfelder für die PML klassifiziert. In einem nächsten Schritt wurde die PML, angelehnt an die AutomationML, umgesetzt. Die im Kontext von netkoPs formulierten Nutzenpotenziale konnten abschließend im Zusammenhang mit den weiteren Forschungsergebnissen aufgezeigt werden. So kann z. B. eine vorauseilende ProductPML Rüstvorgänge vor dem Eintreffen des Produktes anstoßen.

digitales Abbild, ProductionML, dezentrale Steuerung, Materialfluss

Die Losgrößenbildung ist eine wichtige Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung. Bei der Losgrößenbildung wird üblicherweise auf losgrößenabhängige Auftragswechselkosten- sowie Lagerhaltungskosten zurückgegriffen. Modelle zur Losgrößenbildung vernachlässigen jedoch den Aspekt von losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten. Insbesondere für Schmiedeunternehmen ist der Werkzeugverschleiß aber von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, weil die Werkzeugkosten einen Hauptkostenfaktor der Herstellungskosten darstellen. In diesem Artikel wird das deterministische Logsgrößenmodell von Andler um losgrößenabhängige Instandhaltungskosten erweitert. Hierfür wird zunächst der Zusammenhang zwischen der Losgröße und dem Werkzeugverschleiß als Funktion abgebildet. Diese Funktion wird im Anschluss mit losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten bewertet und in das Losgrößenmodell von Andler integriert. Die Validierung des erweiterten Losgrößenmodells erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die Funktionalität des erweiterten Losgrößenmodells validiert. Danach wird eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der losgrößenabhängigen Kosten und Stückkosten durchgeführt.

Losgrößenbildung, Werkzeugverschleiß, Schmiedeindustrie, Sensitivitätsanalyse

Falsch bücken, schwer heben, über Kopf greifen: Auf Dauer können solche Bewegungen krank machen. Um dem vorzubeugen, entwickeln Forscher am IPH und IFA ein System zur Ergonomiebewertung in der Montage: Mit Hilfe von 3D-Kameras sollen ungesunde Bewegungen automatisch erkannt werden.

3D-Kamerasystem, Ergonomiebewertung, Montage

In dieser Veröffentlichung werden Untersuchungen über die Verschiebung der Fügezone von seriell angeordneten hybriden Halbzeugen beim Querkeilwalzen vorgestellt. Die untersuchten Werkstoffkombinationen sind Stahl-Stahl (C22 und 41Cr4) und Stahl-Aluminium (20MnCr5 und AlSi1MgMn). Der Querkeilwalzprozess wurde mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend experimentell untersucht. Untersuchungsschwerpunkt ist die Untersuchung der Verschiebung der Fügezone in Abhängigkeit der Hauptparameter des Querkeilwalzens. Es konnte gezeigt werden, dass das Umformverhalten seriellen hybriden Halbzeugen aus Stahl-Stahl und Stahl-Aluminium mit der FEM beschrieben werden kann. Die Abweichung der Verschiebung gemäß Simulation im Vergleich zu den experimentellen Versuchen beträgt nur etwa 3 %, was eine gute Näherung ist.

Querkeilwalzen, Hybride Bauteile, Fügezone, Stahl, Aluminium

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.