Veröffentlichungen

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

Der Beitrag beschreibt die Entwicklung von Technologien zur automatisierten 2D- und 3D-Layouterfassung in Fabriken. Dazu sollen teilautonom fliegende Drohnen eingesetzt werden, die 2D- oder 3D-Luftaufnahmen erzeugen. Durch die automatisierte Zusammensetzung der Bilder (Stitching/Mapping) kann ein maßstabsgetreues Gesamtbild der Fabrik erzeugt und automatisiert ausgewertet werden – beispielsweise werden Flächen und Maschinen automatisch erkannt und vermessen. Die gewonnenen Daten können direkt im Fabrikplanungsprozess verwendet werden, zum Beispiel zur Raumbucherstellung, sowie zur Erstellung von digitalen 3D-Modellen oder physischen, 3D-gedruckten Modellen.

Drohne, Dreidimensionale Fabriklayouterfassung, Objekterkennung in Punktwolken, Fabrikplanung

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

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.