Bericht 2018 - Uni Stuttgart · 2019-07-01 · 13. Oktober 2016 10:15 bis 17:45 Uhr 14. Oktober...

13. Oktober 2016 10:15 bis 17:45 Uhr

14. Oktober 201611:00 bis 13:45 Uhr

AUDI AG, AUDI Forum Neckarsulm

GSaMEJAHRESTAGUNG 2016

GSaME Graduate School of Excellenceadvanced Manufacturing Engineering in StuttgartUniversität Stuttgart

Nobelstraße 1270569 Stuttgart

Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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Der Industrieanteil am Bruttoinlandsprodukt liegt in Deutsch-land mit fast 23 Prozent auf hohem Niveau. In vielen High-Tech-Branchen sind Unternehmen mit Sitz in Deutschland weltweit führend. Sie behaupten sich im globalen Wettbe-werb durch Flexibilität, Qualität und Stabilität. Gleichzeitig befi ndet sich die industrielle Produktion in Deutschland in einer Zeit des Umbruchs.

In immer stärkerem Maße erfordern schnellere Produkt-lebenszyklen bei höherer Variantenzahl, individuelle Kunden-wünsche und kleinere Losgrößen Flexibilität und Schnelligkeit in der Fertigung. Neue Produkte und fortschreitende Globali-sierung bewirken unvorhersehbare Bedarfsschwankungen und verschärfen den Wettbewerb um Preise, Ressourcen und Märkte. Innovation wird zu einem absolut entscheiden-den Erfolgsfaktor für Produktivität, Nachhaltigkeit und Res-sourceneffi zienz in einer Produktion von hoher Variabilität. Notwendige Maßnahmen, wie eine umfassende Digitalisie-rung von Produktionsprozessen und Arbeitsabläufen in glo-balen Wertschöpfungsnetzwerken, neue Technologien und grundlegend neue Unternehmens- und Geschäftsmodelle, schaffen und erhalten globale Wettbewerbsvorteile. Die Er-schließung bisher nicht genutzter Wertschöpfungspotenziale und eine Kultur in Organisationen, die zur Beherrschung des zu erwartenden sozialen und ökologischen Wandels von digi-taler Arbeitswelt und Gesellschaft beiträgt, ermöglichen dies zudem. Gefragt sind neue Ideen und innovative Lösungen für eine aktive, vorausschauende Technologieentwicklung.

Die Industrie der Zukunft braucht für ihren Erfolg: Kompetenz in Details und damit die funktionale und branchenspezifi sche Exzellenz. Gleichzeitig müssen, über Fachdisziplinen und Or-ganisationen hinweg, Chancen erkannt, Kooperationen auf-gebaut, neue Problemlösungen entwickelt und in den Markt eingeführt werden.

Welche Methoden, Modelle, Instrumente und Verfahren eines „Value Added Manufacturing“ rücken in das Zentrum der Forschung? Welche Forschungsthemen und Strategien für eine wettbewerbsfähige Produktion erlangen aus Sicht der Industrie Bedeutung in der Produktionstechnologie? Im Rah-men der Jahrestagung 2016 der Graduiertenschule GSaME Stuttgart, die gemeinsam mit der AUDI AG veranstaltet wird, geben Wissenschaftler, Forscher, Führungskräfte und Nach-wuchswissenschaftler im Dialog Antwort auf diese Fragen, stellen ihre Ergebnisse vor und leiten daraus neue Ansätze und Strategien künftiger Forschung ab.

Chance // MotivationProf. Dr.-Ing. Bauer, Wilhelm / Institutsleiter IATUniversität Stuttgart

Dipl.-Oec. Baumhauer, Daniela / Doktorandin GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Bocksrocker, Oliver / Doktorand GSaME, TRUMPF Werkzeug-maschinen GmbH + Co. KG, GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Brenner, Dominik / Doktorand GSaMEGSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Phys. Frangen, Joachim / Programmleiter „Industrie 4.0 – Connected Industry“, Robert Bosch GmbH, Renningen

ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Gadow, Rainer / Instituts-leiter IFKB, Universität Stuttgart

Prof. Dr. phil. nat. Graf, Thomas / Institutsleiter IfSW, Universität Stuttgart

M. A. Kassner, Laura / Doktorandin GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Inf. Königsberger, Jan / Doktorand GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

M. Sc. Mall, Jochen / Doktorand GSaME, Institut für Luftfahrtantriebe, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.- Ing. habil. Mitschang, Bernhard / Institutsleiter IPVS Universität Stuttgart

Dr.-Ing. MTM Oppelt, Mathias / Head of Simulation Center for Process Automation, Siemens AG, Karlsruhe

M. Sc. Pöschl, Sebastian / Doktorand GSaME, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing GmbH, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr. Post, Peter / Leiter Corporate Research and Technology Festo AG & Co. KG, Esslingen

Dipl.-Wi.-Ing. Stettner, Helmut / Werkleiter NeckarsulmAUDI AG, Ingolstadt

Unger, Karl / Leiter Produktionsstrategie / -system / Technologieentwicklung, AUDI AG, Ingolstadt

Prof. Dr.-Ing. habil. Witt, Gerd / Institut für Produkt Engineering, Fertigungstechnik, Universität Duisburg-Essen

Dipl.-Wi.-Inform. Wlcek, Stefan / Leiter Abteilungübergreifende Soft-ware-Dienste, TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Ditzingen

Podiumsdiskussion

Moderation: Mitschang, B.

Teilnehmer: Bauer, W. / Graf, T. / Post, P. / Unger, K. / Wlcek, S.

Referenten // Moderatoren

Foto: Frank Pusch Gestaltung: i/i/d Institut für Integriertes Design, Bremen, www.iidbremen.de

Die Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart GSaME wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Universität Stuttgart etabliert. In der zweiten Runde der Exzellenzinitiative 2012 wurde sie von internationalen Experten erneut als exzellent begutachtet und wird von der DFG gefördert.

PRODUKTION IM DIALOG Perspektiven und Handlungsfelder veränderter Wertschöpfung – Daten, Prozesse, Management

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GSaMEJAHRESVERANSTALTUNG 2013

Exzellenz in Forschung und Quali� zierung Innovationen für nachhaltige Fabriken

21. März 2013Haus der Wirtschaft, Stuttgart

TAGUNGSBAND



Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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Ressourcen, Innovation, Wertschöpfung Fabriken im Spannungsfeld von Digitalisierung, Globalisierung und Nachhaltigkeit


TAGUNGSBAND

11. Oktober 2012 10:15 bis 17:45 Uhr

12. Oktober 201211:00 bis 13:45 Uhr

Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach CH


Die Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering GSaME in Stuttgart wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Universität Stuttgart etabliert und von der DFG gefördert. In der zweiten Runde der Exzellenzinitiative wurde sie erneut von internationalen Experten als exzellent begutachtet und wird weiter von der DFG gefördert.



Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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PRODUKTION IM DIALOG Wissen, Technologien, Innovation – Produktionsstrategien für Wertschöpfung und Nachhaltigkeit

Die industrielle Produktion ist bis heute der zentrale Treiber für Wertschöpfung und Beschäftigung in Deutschland. Kein anderes Industrieland hat einen vergleichbar hohen Anteil der direkt und indirekt von der Produktion abhängigenArbeitsplätze und deren Wertschöpfung. Dabei ist Deutsch-land gegenwärtig Nutznießer der global weiter zunehmenden Nachfrage nach Industrieprodukten, vor allem infolge des Wachstums der Weltbevölkerung und Aufschließens der Schwellenländer zu den entwickelten Industriestaaten.

Die Rahmenbedingungen der Produktion sind jedoch durch rasante technische, ökonomische und soziale Umwälzungen und Brüche charakterisiert. Strategische Erfolgspositionen der Unternehmen müssen unter den Bedingungen von Globa-lisierung und der damit verbundenen Verschiebung von Märkten, radikaler Veränderungen der Wertschöpfungspro-zesse, begrenzter Ressourcen, global verfügbaren Wissens, globaler Trends wie Klimaschutz und demographischer Wandel sowie rasanter technologischer Entwicklung zukunfts fähig besetzt werden. Hierbei stellen die Steige-rung von Ressourceneffi zienz, die Versorgungssicherheit für Rohstoffe, Material und Energie, die Durchdringung aller Bereiche mit Informationstechnologie und nachhaltige Lösungen wertschöpfungsorientierten Wachstums, orientiert am Zielausgleich von Ökologie, Ökonomie und Sozialem, die großen Herausforderungen dar. Die Verfügbarkeit qualifi zier-ter Fachkräfte wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor zukünftiger Produktion. Neue Methoden des Personal-managements sind ebenso gefragt wie eine an Nach-haltigkeit orientierte Führungskultur.

Welche Lösungen sind erforderlich, damit die industrielle Produktion preislich wettbewerbsfähig am Standort bleibt? Welche Methoden, Modelle, Instrumente und Verfahren des advanced Manufacturing Engineering rücken zukünftig in das Zentrum der Forschung? Welche Forschungsthemen, Strategien und Konzepte für wettbewerbsfähige Produktion erlangen in Zukunft aus Sicht der Industrie Bedeutung für dauerhafte Spitzenleistungen in der Produktionstechnologie? Im Rahmen der Jahrestagung 2012 der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering Stuttgart, die gemeinsam mit der Endress+Hauser Flowtec AG veran-staltet wird, geben Wissenschaftler, Forscher, Führungskräfte und Nachwuchswissenschaftler im Dialog Antwort auf diese Fragen, stellen ihre Ergebnisse sowie Erfahrungen vor und leiten daraus Erkenntnisse für neue Ansätze und Strategien ab.

Chance // MotivationBrobeil, Wolfgang / Head of Division Industrial Engineering Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Drahm, Wolfgang / Head of Department Basic Research Group Flow Endress+Hauser GmbH & Co. KG, Freising

Dipl.-Ing. (FH) Flörchinger, Marie-Louise / Doktorandin GSaME Institut für Umformtechnik, GSaME, Universität Stuttgart

Dr. Frey, Volker / Head of Division Industrial EngineeringEndress+Hauser GmbH & Co. KG, Maulburg

Dipl.-Ing. Frank, Gernot / Doktorand GSaME, Siemens AGGSaME, Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Jost, Gerhard / Corporate Director Production, Member of the Executive Board, Endress+Hauser Group; Managing Director, Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Dipl.-Ing. Kolb, Kristopher / Doktorand GSaME, MTU Friedrichshafen GmbH, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr. rer. nat. Kück, Heinz / Institutsleiter IZFM Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Landherr, Martin / Doktorand GSaME, FhG-IPA GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.- Ing. habil. Mitschang, Bernhard / Vorstandsmitglied IPVS Universität Stuttgart

Dr. sc. techn. Montau, Robert / Director Business Development Central /Eastern Europe, Siemens Industry Software AG, Zürich

Dipl.-Ing. Neumann, Michael / Doktorand GSaME, FhG-IPA GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Piesche, Manfred / Institutsleiter IMVTUniversität Stuttgart

Dipl.-Ing. (FH) Pfeifroth, Tobias / Doktorand GSaME, Institut für Werkzeugmaschinen, GSaME, Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Sauter, Jürgen / Geschäftsführer FE-DESIGN GmbH, Karlsruhe

Staudenmaier, Bertram / Mitglied der GeschäftsführungVoith GmbH, Heidenheim

Steinhoff, Frank / Direktor Technologie, GeschäftsführungInnovation und Technologie, Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Dipl.-Ing. Wagner, Lena / Doktorandin und Absolventin GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Westkämper, Engelbert / Sprecher und Vorstandsvorsitzender GSaME,GSaME, Universität Stuttgart

Podiumsdiskussion

Moderation: Wagner, L.

Teilnehmer: Drahm, W. / Jost, G. / Mitschang, B. / Montau, R. / Westkämper, E.


24.09.2009 Tognum-Gruppe/MTU Friedrichshafen GmbH

TAGUNGSBANDJAHRESVERANSTALTUNG GSaME

Märkte und Technologien im Wandel – Herausforderung für Forschung, Produktion und Quali�zierung

Im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern hat die Universität Stuttgart unter der Koordination von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper, Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb, die Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering GSaME konzipiert. GSaME wurde von internationalen Experten als exzellent begutachtet und wird von der DFG gefördert.



Tel.: +49 711 685-61890Fax: +49 711 685-51869

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GSaMEJAHRESTAGUNG 2018 10 Jahre Exzellenzförderung – Führungskräfte für Fabriken der Zukunft

VERNETZUNG, AGILITÄT, EFFIZIENZ –Schlüssel zukunftsfähiger Produktion

13. April 2018Haus der Wirtschaft, Stuttgart

TAGUNGSBAND

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2014 2015 2016 2017

2008

Bericht 2018

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

GSaME Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineeringin StuttgartUniversität Stuttgart


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Inhaltsverzeichnis

Vorwort ………………………………………………………………………………………………...1

1 Die GSaME – Zusammenfassung ................................................................................... 2

1.1 Über Notwendigkeit und Zweck von Graduiertenschulen ........................................... 2

1.2 Selbstverständnis und Zielsetzung der GSaME .......................................................... 7

1.3 Alleinstellungsmerkmal und Zielerreichung ................................................................. 7

2 Aktualität des Forschungsprogramms ............................................................................. 11

3 Ziele und Ergebnisse der Cluster .................................................................................... 19

3.1 Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung ............ 19

3.2 Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion ........................................ 47

3.3 Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion .... 55

3.4 Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering ............................................... 72

3.5 Cluster E2 – Material und Prozessengineering ......................................................... 77

3.6 Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen ................................................... 88

3.7 Nachwuchsgruppen ................................................................................................. 103

4 Dissertationen ............................................................................................................... 104

5 Preise und Auszeichnungen ......................................................................................... 112

6 Mitglieder der GSaME ................................................................................................... 113

7 Mentoring und Supervision ........................................................................................... 116

8 GSaME-Tagungen ........................................................................................................ 117

9 Publikationen ................................................................................................................. 119

10 Patente .......................................................................................................................... 123

11 Auslandsaufenthalte ...................................................................................................... 123

12 Ausblick 2019 ................................................................................................................ 124

Anhang ……………………………………………………………………………………………...128

ii

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Status der 2018 ausgeschrieben Forschungsthemen nach Clustern und Finanzierung; vergeben = gestartete Projekte ....................................................... 16

Abb. 2: Gesamtanzahl neu gestarteter Forschungsprojekte nach Clustern ab der 2. Förderperiode bis 12/2018 .................................................................................... 16

Abb. 3: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten für laufende Promotionsprojekte 2018 und aktuell ausgeschriebene Themen .......................... 18

Abb. 4: Verteilung der erstbetreuenden Professoren auf die Fakultäten für alle laufenden Promotionsprojekte im Berichtszeitraum 2018 ...................................................... 18

Abb. 5: Wertschöpfungskurve des Prozesses „Innovation Lasermeter“ [Fin 99] ............... 20

Abb. 6: Wertschöpfungskette nach Porter [Por 96] ............................................................ 21

Abb. 7: Adaptierte Wertschöpfungskette nach Porter [BFGS 17]. ..................................... 22

Abb. 8: Schrittweise Veränderung der Wertschöpfungsprozesse und Geschäftsmodelle [nach BFGS 17]. ................................................................................................... 23

Abb. 9: Wertschöpfungsanteil an den gesamten Prozessleistungen in Anlehnung an [WKL 16] .......................................................................................................................... 25

Abb. 10: Wertschöpfung in der Produktion in Anlehnung an [WKL 16], 2016 ...................... 27

Abb. 11: Planung der Implementierung von CPS in der Produktion zur Wertschöpfungssteigerung .................................................................................... 33

Abb. 12: Struktur einer Methode zur Qualitätssicherung additiver Verfahren ...................... 38

Abb. 13: Lebenszyklusbezogenes System des verschwendungsarmen Werkzeugwesens 40

Abb. 14: Industrie 4.0 als sozio-technisches System ........................................................... 42

Abb. 15: Modellierung der Produktionssysteme durch Kombination der Petri-Netze mit genetischen Algorithmen und neuronalen Netzen ................................................. 44

Abb. 16: Vergleich von virtueller Inbetriebnahme (links) und realer Inbetriebnahme (rechts) .................................................................................................................. 45

Abb. 17: Forschungsprogramm des Clusters B2 ................................................................. 48

Abb. 18: Problemdomäne des Vertrauens im Cloud Manufacturing .................................... 51

Abb. 19: Untersuchungsmodell ............................................................................................ 52

Abb. 20: Wechselwirkungen zwischen Kosten- und Resilienzmanagement ........................ 53

Abb. 21: Klassifikation der Komplementoren im iIoT auf Grundlage des Wissensschwerpunkts ........................................................................................... 54

iii

Abb. 22: Geschäftsmodelltaxonomie für iIoT-Plattformen .................................................... 55

Abb. 23: Zusammenführung von Datenquellen* .................................................................. 60

Abb. 24: Workflow der zu entwickelnden Mehrskalensimulation ......................................... 61

Abb. 25: Illustration eines Textanalyseprozesses* ............................................................... 62

Abb. 26: Einfache, leitfähige Metallgewebe als Filtermedien* ............................................. 65

Abb. 27: Rahmenbedingungen der Produktbewährung ....................................................... 67

Abb. 28: Prozessmodell für die umfassende Verwaltung von Modellen des maschinellen Lernens .................................................................................................................. 68

Abb. 29: Komponenten des Rahmenwerks für Analyselösungen in einer prozessbasierten Darstellung* ........................................................................................................... 69

Abb. 30: Lernendes System ................................................................................................. 70

Abb. 31: Skalen in der Filtration ........................................................................................... 71

Abb. 32: Optische, markerlose Tracking-Systeme* ............................................................. 75

Abb. 33: Wirkbeziehungen zwischen Design, Fergiung und Kosten (Zusammenfassung von Gestaltungsmodell und Analysemodell) ................................................................ 76

Abb. 34: Calciumphosphat/PLA Komposite, hergestellt auf Basis des FDM-Verfahrens .... 81

Abb. 35: Schematische Darstellung der im Forschungsvorhaben zu entwickelnden Unterstützungen und ihre Einordnung im Entwicklungsprozess ............................ 82

Abb. 36: Gegenüberstellung des Photodioden-Signals und der räumlichen Entwicklung der Absorptionsbereiche beim Schweißen von Glas mit Ultrakurzpuls-Lasern ........... 83

Abb. 37: Schematischer Aufbau des Prozesses, um eine elektrische Komponente auf eine metallisierte Kupferschicht zu fügen* ..................................................................... 84

Abb. 38: Drei Bohrlöcher im Querschnitt (gleiche Prozessführung, verschiedene Materialien)* .......................................................................................................... 85

Abb. 39: Schematische Darstellung der Einflussnahme des Prozesses auf den Werkstoff und das Bauteil, sowie die Forderungen der Bauteils und des Werkstoffes auf den Prozess .................................................................................................................. 86

Abb. 40: Signale aus dem Stanzprozess und daraus ableitbare Erkenntnisse .................... 87

Abb. 41: Synchronisierung der Engineering-Modelle des Digitalen Zwillings basierend auf Ankerpunkten der mechatronischen Komponenten ............................................... 91

Abb. 42: Erzeugung des „Digitalen Zwillings“ auf Basis aktueller Informationen cyber-physischer Systeme............................................................................................... 92

Abb. 43: Geplantes System zur Objekterkennung ............................................................... 94

iv

Abb. 44: Schematischer Aufbau eines Laser-Wendelbohrsystems mit allen relevanten Kernelementen ...................................................................................................... 95

Abb. 45: Architekturkonzept des Werkzeugs für Montagelinienautomatisierung ................. 96

Abb. 46: Fresnel-Absorption von Laserstrahlung der Wellenlänge 1030 nm in Eisen für unpolarisiertes und linear polarisiertes Licht.......................................................... 98

Abb. 47: Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus* .................................. 101

Abb. 48: Prinzip des selektiven Laserschmelzens (links). Grafische Darstellung des Projekt-Workflows (rechts) ............................................................................................... 102

Abb. 49: Aufbau und Funktionen eines temporär energieautarken Vakuumsystems ........ 103

Abb. 50: Preise und Auszeichnungen ................................................................................ 113

Abb. 51: Impressionen zur GSaME-Jahrestagung am 13. April 2018 im Haus der Wirtschaft in Stuttgart ........................................................................................................... 118

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Angestrebte Ziele 2. Förderperiode, Maßnahmen und deren Erfüllung einschließlich Überbrückunsphase…………………………………………………….10

1

Vorwort Seit 2008 nehmen wir unsere Berichte zum Anlass, Bilanz über unsere Forschungs- und Qualifizierungsarbeit zu ziehen sowie Eindrücke von wichtigen Ereignissen und Aktivitäten unserer Promovierenden, Mitglieder und Kooperationspartner zu vermitteln. „Exzellenz“ stellt dabei für uns ein Qualitätsinstrument dar, das an konkrete Zielsetzungen, Inhalte sowie Akteure eines, vielfältige Aspekte umfassenden Gesamtprozesses zur Realisierung optimaler Rahmenbedingungen für die Promotionsphase und die Qualifizierung akademischer Nach-wuchskräfte in einem interdisziplinären Kontext geknüpft ist. „Exzellenz“ war und ist damit eng an das Selbstverständnis der GSaME gebunden. Die Bewertung erzielter Ergebnisse und gewonnener Erfahrungen sowie die kritische Analyse der Wirksamkeit der GSaME, orientiert an ihren Zielsetzungen, sind kein Selbstzweck und keineswegs gebunden an unsere Förde-rung durch die Exzellenzinitiative. Sie sind ein Erfordernis, um sich im Wettbewerb etablierter Promotionsprogramme und institutioneller Struktur- und Organisationsmodelle weiterhin erfolgreich zu behaupten. Sie bieten zudem die Möglichkeit, sich auf Stärken und Erfolgs-faktoren zu besinnen sowie Potenziale erforderlicher Veränderungen zu erkennen. Schluss-folgernd daraus wurde das Forschungsprogramm mit neuen Themen weiterentwickelt, Prozesse und Strukturen effizienter gestaltet und so das Leistungsprofil der Graduiertenschule geschärft. Auf diese Weise konnte einer sich abzeichnenden Verunsicherung bei Bewerbern, Promovierenden und Kooperationspartnern im Zusammenhang mit förderpolitischen Entschei-dungen entgegengewirkt und für 2018 erneut festgehalten werden: Die GSaME hat ihre Ziele umfänglich realisiert und sich damit von einem bereits sehr guten Niveau mit vielfältigen Aktivi-täten in Forschung und Qualifizierung sowie hohen Standards der Betreuungsleistung weiter verbessert. Eine Promotionsförderung mit hohem wissenschaftlichen Anspruch, hochwertiger Qualifizierung und hervorragenden Leistungen bei der Betreuung von Promovierenden wie auch deren beschäftigungswirksamen Ergebnisse verdienen nach wie vor die Aufmerksamkeit und Unterstützung vor allem des Wissenschafts- und Forschungssystems. Die Promotion nimmt eine Schlüsselstellung in diesem System ein und von akademischen Nachwuchskräften werden wichtige Beiträge zu wissenschaftlichem und gesellschaftlichem Erkenntnisgewinn und zu Innovationen sowie zur Sicherstellung hochqualifizierter Arbeitskräfte in der Wissens-gesellschaft erwartet. Darüber hinaus stellt die Promotion im außerakademischen Bereich einen bedeutsamen Kompetenznachweis dar. Mit der Vernetzung der Wertschöpfung und der Digitalisierung, der Dynamik des wissenschaft-lich-technischen Fortschritts, der Verschärfung des internationalen Wettbewerbs um eigene lokale Wertschöpfung sowie der Entkopplung von Ressourcenverbrauch und Wachstum durch nachhaltige Technologien erleben wir Herausforderungen, die das forschende und industrielle Umfeld der GSaME besonders betreffen. Als industriestärkstes Bundesland mit der höchsten Exportquote muss sich Baden-Württemberg intensiv damit auseinandersetzen, wie der Produktionsstandort unter diesen Bedingungen erhalten und sich abzeichnenden Wachstums-risiken begegnet werden kann. Die GSaME mit ihrem interdisziplinären Promotionsprogramm, ihrer Einbettung in eine leistungsstarke Forschungsumgebung und Vernetzung in die Industrie hat das Potenzial, mit innovativen Ideen auch künftig einen Beitrag zur Bewältigung des Para-digmenwechsels in der Wertschöpfung zu leisten: durch Qualifizierung eines leistungsfähigen Nachwuchses, durch die Lösung komplexer Problemstellungen sowie durch Forschungs- und Innovationsbeiträge aus und für Kooperationen mit einer innovationsorientierten Wirtschaft.

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang Prof. Dr.-Ing. Sylvia Rohr

2

1 Die GSaME – Zusammenfassung

1.1 Über Notwendigkeit und Zweck von Graduiertenschulen

Das Bemerkenswerte und Faszinierende an der Exzellenzinitiative für die GSaME war es, Teil von Veränderungsprozessen zu sein, die Möglichkeiten des Wandels eines Systems gestalte-risch nutzen zu können und zu erleben, wie Grenzen zwischen Disziplinen, Instituten, Institutionen und Interessenslagen fließender wurden, um eine gemeinsame, innovative Idee Realität werden zu lassen. Es wäre ohne die Exzellenzinitiative wohl kaum möglich gewesen, einen neuen Weg zur Promotion als „alternatives System zum bislang etablierten System der Promotionsförderung in den Ingenieurwissenschaften“ (DFG 2007) als Experiment modellhaft zu realisieren, dessen Erfolg in mehr als 10 Jahren gezeigt wurde und für den die Möglichkeit der Fortführung besteht.

Mehr als 10 Jahre Existenz einer wissenschaftlichen Einrichtung können eine kurze, aber auch eine lange Zeit sein. Kurz: bezogen auf die Entwicklung des gesellschaftlichen Umfeldes, lang: im Hinblick auf die dynamischen Prozesse in Wissenschaft und Technik und auf die inhaltliche und strukturelle Entwicklung einer Einrichtung. Es hat sich für die GSaME als tragfähig erwiesen, ihre Entwicklung dynamisch zu gestalten, Konzepte, Prozesse und Strukturen auf Basis gewonnener Erfahrungen zu überprüfen und ggfs. zu korrigieren bzw. zu modifizieren.

Die Etablierung der Graduiertenschule GSaME im November 2007 war eng verknüpft mit den sich vollziehenden Veränderungen im deutschen Hochschulsystem mit dem Ziel der Ver-besserung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der Universitäten als zentrale Träger des Forschungssystems, einschließlich eines effizienten und transparenten Nachwuchssystems.

Es gilt als allgemein anerkannt, dass Wissen und Wissenschaft Schlüsselfaktoren für die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit einer Volkswirtschaft sind. Dies gilt im besonderen Maße für rohstoffarme Länder wie Deutschland, deren Wohlstand entscheidend von wissens-intensiven Dienstleistungen, Technologien und Prozessen abhängt. Die wissenschaftliche Qualifizierung des notwendigen Personals für Forschung und Innovation, insbesondere des wissenschaftlichen Nachwuchses, erfolgt vorrangig an den Hochschulen und außer-universitären Forschungseinrichtungen, die damit Hauptträger der Nachwuchsqualifizierung und -förderung in Deutschland sind. Dabei dient die wissenschaftliche Qualifizierung einerseits der Rekrutierung des eigenen wissenschaftlichen Nachwuchses. Zudem steigt die Nachfrage nach hochqualifizierten Nachwuchskräften mit forschungsorientierter Ausbildung für wissen-schaftsbasierte Berufe nicht nur innerhalb des Wissenschaftssystems in engerem Sinne, sondern auch in der Wirtschaft. Ein Großteil des wissenschaftlichen Nachwuchses verlässt daher die Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Anschluss an die Promotion und nimmt eine Tätigkeit außerhalb des akademischen Bereichs auf. Dies unterstreicht die Bedeutung der Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrich-tungen und damit auch des wissenschaftlichen Nachwuchses für die Gesellschaft insgesamt (Bundesbericht Wissenschaftlicher Nachwuchs 2017). Wissenschaft und Wirtschaft sind konfrontiert mit einer Reihe sich dynamisch verändernder Umfeldfaktoren, die zu geänderten Anforderungs- und Qualifikationsprofilen von akademischen Nachwuchskräften sowie dem Fach- und Führungskräftenachwuchs in Wissenschaft und Wirtschaft führen und damit die Anforderungen an die Ausgestaltung der Promotionsphase beeinflussen. Für eine, globalen

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Arbeitsmarktanforderungen entsprechende Qualifizierung des wissenschaftlichen Nach-wuchses im Sinne der Selbstreproduktion des Wissenschaftssystems und der Nachwuchs-entwicklung für wissenschaftsbasierte Berufe in der Wirtschaft nimmt die Gestaltung attraktiver Promotions- und Forschungsbedingungen eine Schlüsselrolle ein. Zudem wird im Rahmen von Promotionen ein hoher Anteil der gesamten Forschungsleistungen erbracht.

Die Doktorandenausbildung ist daher seit Langem wiederholt Gegenstand von Situations- und Defizitanalysen sowie daraus abgeleiteter Empfehlungen, Reformbemühungen und hoch-schulpolitischer Entwicklungen und eines der wichtigsten wissenschaftspolitischen Themen. Dabei werden insbesondere Qualitätsaspekte in Bezug auf die Promotion wie hohe Abbruchquoten, eine lange Promotionsdauer, mangelnde Transparenz und Verbindlichkeit der Betreuung sowie die unzureichende Vermittlung von Schlüsselqualifikationen für den (nicht-akademischen) Arbeitsmarkt, die Vielfalt von Promotionswegen, ein steigendes Durchschnitts-alter der Promovierenden, die Unterrepräsentanz von Frauen, Betreuung und Qualitäts-sicherung, diskutiert.

Bereits Mitte der 90er Jahre vertrat der Wissenschaftsrat zur ersten Qualifizierungsphase (Post-Graduierte, Doktoranden) die Auffassung, „dass die Betreuung und Förderung... an deutschen Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen nicht in vollem Maße den Anforderungen gerecht werden, die innerhalb wie außerhalb von Hochschule und Wissenschaft an wissenschaftlich qualifizierte Nachwuchskräfte gestellt werden“ (Wissen-schaftsrat 1996) und es wurde eine Reihe struktureller Defizite und deren negative Folgen aufgezeigt. Als entscheidende strukturelle Schwächen wurden die fehlende Selbständigkeit des Nachwuchses und seine langjährige Abhängigkeit vom jeweiligen Institutsleiter oder Lehrstuhlinhaber betrachtet. Nicht selten müssten forschungsfremde Dienstleistungen erbracht werden. Außerdem sei die Lehrbelastung oft zu hoch. Mit notwendigen Verände-rungen ging es dem Wissenschaftsrat um Effizienz, Transparenz und langfristige Sicherheit der Förderung. Angestrebt wurde u.a. die sinnvolle Begrenzung und Verkürzung der Promotionszeit durch entsprechenden methodischen und thematischen Zuschnitt der Disser-tationsvorhaben, Bereitstellung notwendiger Infrastruktur, forschungsorientierte Zentren für Graduiertenstudien, deutliche Markierung eines für Promovierende und Betreuer verbindlichen zeitlichen Rahmens. Im Grundsatz zielten die Empfehlungen des Wissenschaftsrates darauf, „die bereits vielfältig existierenden Ansätze einer strukturierten Doktorandenausbildung vor dem Hintergrund veränderter Rahmenbedingungen auszubauen und in der Fläche zu etablie-ren“ (Wissenschaftsrat 2002), und zwar unter betonter Berücksichtigung der fachspezifischen Unterschiede bei der Gestaltung der Promotionsphase.

Die Hochschulrektorenkonferenz (HRK 2003) formulierte übereinstimmend damit sechs Prüfpunkte für Hochschulpraxis und -politik:

transparente und überindividuelle Regelung der Verantwortung für die Ausbildung, die verlässlich wahrgenommen und nach außen dokumentiert wird,

feste Organisationseinheiten in Form von Graduate Schools, in denen auch schon an die erste Ausbildungsphase angeknüpft werden kann,

aktives Qualitätsmanagement und Koordinierung der fachorientierten Maßnahmen in der Doktoranden- und Graduiertenausbildung,

externe Promotion und Kooperation mit externen Forschungseinrichtungen

4

Am 18. Juli 2005 einigten sich Bund und Länder in der Exzellenzvereinbarung (ExV I 2005) auf ein umfangreiches Programm zur projektbezogenen Förderung von Spitzenforschung an deutschen Universitäten und etablierten damit die Exzellenzinitiative. Deren erklärtes Ziel lag darin,

den Wissenschaftsstandort Deutschland nachhaltig zu stärken,

seine internationale Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern und

Spitzen im Universitäts- und Wissenschaftsbereich sichtbarer zu machen.

Das Programm sollte dabei eine Leistungsspirale in Gang setzen, die auch eine Anhebung der Qualität des Hochschul- und Wissenschaftsstandorts Deutschlands in der Breite zum Ziel hat. Zu diesem Zweck wurde u.a. die Förderlinie „Graduiertenschulen“ zur Förderung des wissen-schaftlichen Nachwuchses etabliert. In dieser Förderlinie wurden die Universitäten dabei unter-stützt, die Rahmenbedingungen für die Qualifizierung des wissenschaftlichen Nachwuchses gezielt zu verbessern und universitäre Standards für die strukturierte Promotion in allen Fächern und über Fakultätsgrenzen hinweg durchzusetzen. Graduiertenschulen sind auf die Qualifizierung des Nachwuchses in der Promotionsphase fokussiert.

Graduiertenschulen wurden zunächst über einen Fünfjahreszeitraum gefördert. Die Aus-schreibung durch die DFG im August 2005 eröffnete die erste Bewilligungsrunde, die zweite startete im April 2006 und endete im Oktober 2007. Als Förderkriterien galten:

die Qualität eines übergreifenden Forschungs- und Studienprogramms in profilbildenden Wissenschaftsfeldern

die Attraktivität für in- und ausländische Absolventinnen und Absolventen

bestmögliche Betreuung und Herstellung einer frühestmöglichen Selbständigkeit des wissenschaftlichen Nachwuchses

Die Gemeinsame Kommission zur Exzellenzinitiative kommt in ihrem Bericht an die Gemein-same Wissenschaftskonferenz (Bonn, 11/2008) u.a. zu der Einschätzung, dass die bisherigen Erfahrungen mit der Förderlinie Graduiertenschulen sehr positiv sind und die Einrichtung des Programms den Weg zu einer neuen Promotionskultur in Deutschland geebnet und seit Langem überfällige Änderungen der Promotionsordnungen beschleunigt hat.

Auch mit der Entscheidung von Bund und Ländern im Juni 2009 zur Fortsetzung der Exzellenzinitiative in einer zweiten Förderphase ab dem 1. November 2012 sollten die Graduiertenschulen entsprechend der Zielsetzung der Exzellenzinitiative einen wesentlichen Beitrag zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses leisten und die Strukturierung der Promotionsphase als Ergänzung oder Ersatz zum herkömmlichen Doktorvater- bzw. Doktor-muttermodell etablieren. Die Begutachtungskriterien waren:

Forschung und Umfeld

1. Qualität der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

2. Qualität des wissenschaftlichen Umfelds

3. Fächerübergreifende Ausrichtung und Mehrwert durch Interdisziplinarität

4. Beitrag zum wissenschaftlichen Profil der Hochschule

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Qualifizierungskonzept

5. Qualität und Attraktivität des Qualifizierungsprogramms

6. Rekrutierung, Betreuungskonzept und Status der Promovierenden

7. Bisherige Erfolge in der Promotionsförderung

8. Integration in das Nachwuchskonzept der Universität

9. Internationale Vernetzung

10. Konzepte zur Gleichstellung

Strukturen

11. Mehrwert durch Kooperation mit weiteren Einrichtungen

12. Organisation, Management und Infrastruktur

13. Implementierung und Nachhaltigkeit der Graduiertenschule (auch bei Neuanträgen: ggf. bisherige Anstrengungen)

Gesamteinschätzung: Mehrwert der Förderung

Insgesamt wurden 51 Graduiertenschulen gefördert, davon 7 in den Ingenieurwissenschaften.

Die Gemeinsame Kommission zur Exzellenzinitiative kommt in ihrem Bericht an die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (Bonn, 06/2015) u.a. zu der Einschätzung:

Im Zuge der Exzellenzinitiative wurde die strukturierte Promotionsbetreuung stärker als bislang in der Breite des deutschen Universitätssystems verankert.

Die Exzellenzeinrichtungen wirken in hohem Maße standardbildend.

Es ist zu erwarten, dass mittelfristig alle Universitäten über überfachliche Dachstrukturen und hohe Betreuungsstandards für die strukturierte Graduiertenförderung verfügen werden.

Das Deutsche Modell der strukturierten Promotionsbetreuung in der Kombination aus eigenständiger Forschungsleistung, intensiver Betreuung und Vermittlung überfachlicher Kompetenzen wird als sehr erfolgreich und nachahmenswert wahrgenommen.

Die internationale Expertenkommission zur Evaluation der Exzellenzinitiative kommt in ihrem Endbericht vom Januar 2016 zu der Einschätzung, dass strukturierte Promotionsprogramme an den meisten deutschen Universitäten in der ein oder anderen Form eingeführt sind und empfiehlt, auf die Fortsetzung der Graduiertenschulen als eigenständige Förderlinie im Rahmen eines Nachfolgeprogrammes der Exzellenzinitiative zu verzichten. Es wird erwartet, dass sich voraussichtlich Elemente strukturierter Promotionsverfahren auf allen Ebenen weiterverbreiten werden.

Aktuell halten die Diskussionen um die weitere Ausgestaltung der Promotion, um Status, Rolle und Zweck und vor allem die Qualitätssicherung sowie die institutionellen Rahmen-bedingungen und Promotionsmodelle, besonders im Wissenschaftssystem angesichts von organisatorischen und hochschulpolitischen Entwicklungen, von Veränderungsprozessen in

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Wirtschaft und Gesellschaft weiter an und werden besonders im Hinblick auf die institutionelle Verantwortung und wissenschaftsorganisatorische Qualitätssicherung zum Teil kontrovers geführt. In der Stellungnahme vom Juli 2017 „Promotion im Umbruch“ der Union der deut-schen Akademien der Wissenschaften e.V., der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina e.V. und der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften e.V. wird darauf hingewiesen, dass die häufig gebrauchten Ausdrücke „Promotionsstudium“ und „Graduierten-schule“ irreführend und ungeeignet sind, den Doktorandenstatus und die Promotions-einrichtung zu beschreiben. Vor Tendenzen der Verschulung der Promotionsphase wird durch die Autoren gewarnt.

Der Bundesbericht Wissenschaftlicher Nachwuchs 2017 kommt zusammenfassend zu dem Ergebnis, dass die Datenlage in Deutschland zu Promovierenden defizitär ist, verlässliche Informationen kaum vorhanden sind, keine klaren Definitionen zu strukturierten Promotions-programmen vorliegen und einzelne Studien zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Es konnten somit keine eindeutigen Unterschiede zwischen strukturierten und nicht-strukturierten Promotionsformaten festgestellt werden. Es besteht weiterhin erheblicher Forschungsbedarf, um zu gesicherten Erkenntnisse z.B. über den Einfluss der Auswahl-verfahren der Promovierenden, der Betreuung auf die Promotionsdauer und den Promotions-erfolg wie auch den wissenschaftlichen Output, die Promotionsdauer unterschiedlicher Promotionstypen und über den Promotionsabbruch zu gelangen.

Fazit:

Angebote von strukturierten Promotionsprogrammen sind in den letzten Jahren verstärkt als Ergänzung oder auch Ersatz neben die traditionelle, weniger reglementierte Art der Promotion getreten. Strukturierte und traditionelle Formen sind gleichwertig und haben je nach Interesse und Ziel der Promovierenden/des Promovierenden und den Bedingungen an der betreuenden Professur ihre Vorzüge. Sie stehen im Wettbewerb untereinander, um die „Besten“ zu gewinnen.

Graduiertenschulen sind für Promovierende eine attraktive Option geworden. Sie bieten diesen die Möglichkeit zu interdisziplinärem Austausch, zur Erkennung neuer Fragestellungen, zur Identifikation von Problemfeldern und zur inhaltlichen und methodischen Weiterentwick-lung ihrer wissenschaftlichen Vorgehensweise mit dem Ziel der Promotion. Die Kombination aus eigenständiger Forschungsleistung, intensiver Betreuung und Vermittlung überfachlicher Kompetenzen wird als sehr erfolgreich und nachahmenswert wahrgenommen.

Ob und wie die den Graduiertenschulen zugeschriebene modell-, standard- und struktur-bildende Wirkung nachhaltig erzielt und Graduiertenschulen weiter in der Breite in verschiede-nen, vor allem bisher unterrepräsentierten Wissenschaftsgebieten etabliert werden, wird die Zukunft zeigen. Dies dürfte auch davon abhängen, wie es gelingt, bisher noch ungeklärte strukturelle und Verfahrensfragen zu klären und einen Konsens zwischen den Ziel-, Werte- und Anreizsystemen strukturierter Promotionsprogramme, speziell Graduiertenschulen, mit anderen universitären Ziel-, Werte- und Anreizsystemen herzustellen. Die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses in der Promotionsphase erfordert neben engagierten Professorinnen und Professoren auch unterstützende Infrastruktur und eine in Kapazität und Kompetenz angemessene Personalausstattung.

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1.2 Selbstverständnis und Zielsetzung der GSaME

Die Graduiertenschule GSaME hatte sich mit ihrer Gründung 2007 dem Anspruch gestellt, mit Realisierung ihres Forschungs- und Qualifizierungsprogramms auf dem Gebiet des „advanced Manufacturing Engineering“ (aME) den Herausforderungen an Spitzenforschung und Innova-tion aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik zusammen mit ihren Partnern auf höchstem akademischen Niveau, mit Relevanz für den Wirtschaftsstandort und international sichtbar Rechnung zu tragen. Mit ihren Forschungsergebnissen und durch ihre hochqualifizierten Absolventen/-innen leistet sie einen Beitrag zur Stärkung des Standorts und zur Sicherung europäischer Exzellenz auf einem wirtschaftlich bedeutsamen Gebiet.

Die GSaME versteht sich als Forschungs-, Qualifizierungs- und Innovationseinrichtung für die Promotionsphase, die jungen Wissenschaftlern/-innen aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Betriebswirtschaft optimale Promotionsbedingungen im Sinne adäquater Rahmenbedingungen zur Entfaltung individueller Leistungsfähigkeit für die eigenständige Bearbeitung ihres Forschungsprojektes sichert. Die Dissertation und damit die individuell nachzuweisende Forschungsleistung der Promovierenden stehen im Zentrum der GSaME. Mit ihrer wissenschaftlichen Arbeit werden originäre und innovative Beiträge zur Erweiterung des Standes von Wissenschaft und Technik auf dem Gebiet des advanced Manufacturing Engineering (aME) geleistet, deren Umsetzung durch eine disziplinübergreifende Zusammen-arbeit mit Partnern der Wissenschaft und Kooperationen mit der Wirtschaft entlang der Innovationskette im dualen Grundkonzept der GSaME gefördert wird.

Die Integration der Promovierenden in einen interdisziplinären und internationalen Kontext sowie das spezifische Qualifizierungsprogramm, das Qualitätssicherung der wissenschaft-lichen Leistung mit Orientierung an zukünftigen Fach- und Führungsaufgaben im universitären und industriellen Kontext verbindet, ermöglichen es, neben international anerkannten Beiträgen zum wissenschaftlichen Fortschritt, die Berufsfähigkeit und Entwicklungsperspek-tiven der Promovierenden entsprechend den aktuellen und zukünftigen Anforderungen des globalen Arbeits- und Marktumfeldes zu verbessern und den konkreten und direkten Wissens- und Technologietransfer zu fördern.

Die Zielsetzung der GSaME bestand innerhalb der Förderung durch die Exzellenzinitiative darin, sich vom Modell der erstmaligen Übertragung des dualen Grundkonzeptes in die Promotionsphase als international führendes wissenschaftliches Zentrum für Innovationen aus Theorie und Praxis der Produktionsgestaltung mit hoher Attraktivität für internationale und auch weibliche Promovierende zu etablieren sowie durch bestmögliche interdisziplinäre Qualifizierung von Promovierenden die wissenschaftlichen Grundlagen der Produktions-gestaltung zu verbessern und so zur Stärkung der europäischen Exzellenz auf dem Gebiet des aME beizutragen.

1.3 Alleinstellungsmerkmal und Zielerreichung

Die GSaME ist eine thematisch orientierte, forschungsbasierte Graduiertenschule. Mit der erfolgreichen Etablierung des dualen Grundkonzepts, in seiner Verbindung von Theorie und Praxis als Best Practice, wurde ein Paradigmenwechsel in Gestaltung der Promotionsphase und der Qualitätssicherung von Promotionen vollzogen. Eine praxisorientierte Kompetenz- und

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Persönlichkeitsentwicklung durch eigenständige Forschungsleistung mit hoher Selb-ständigkeit und Eigenverantwortung in einem attraktiven, interdisziplinären Umfeld von Grundlagen- und angewandter sowie industrieller Forschung in Verbindung mit wissenschaft-licher Ausbildung und außerfachlicher Qualifikation sowie verbindliche, transparente und angemessene Betreuungsstrukturen bilden die Basis wirksamer Promotionsförderung der GSaME als ein neuer Weg.

Der besondere Stellenwert der GSaME liegt in der grundlegenden Ausrichtung und kontinuier-lichen Weiterentwicklung ihres Forschungsprogramms auf ein zukunftsorientiertes, wert-schöpfungsstarkes Forschungsgebiet sowie in der spezifischen Anpassung des dualen Grundkonzepts für die Promotionsphase und dessen Etablierung als besondere Form der Gestaltung strukturierter Promotionsprogramme begründet. In ihrem wissenschaftlichen Wettbewerbsumfeld besitzt sie national und international damit ein Alleinstellungsmerkmal. Qualitätsgesichert werden auf hohem akademischem Niveau Forschung, Nachwuchs-förderung und Innovation in einem ganzheitlichen Ansatz verbunden. In Kooperation mit 6 Fakultäten der Universität Stuttgart, mehr als 30 Professorinnen und Professoren sowie externen Kooperationspartnern wird den Promovierenden die eigenständige Durchführung von Forschungsprojekten in Unternehmen, an Instituten und Forschungseinrichtungen ermöglicht und mit einer forschungsgeleiteten und -unterstützenden, interdisziplinären Qualifizierung in Theorie und Praxis, Technologie und Management, Forschung und Anwendung verbunden.

Das profilbildende Forschungsprogramm greift die be- und entstehenden Herausforderungen des geänderten Charakters des globalen Wettbewerbs, sich abzeichnende technologische und organisatorische Entwicklungen und Effekte auf die industrielle Produktion dynamisch und in einem interdisziplinären Ansatz auf. Mit den erzielten Forschungsergebnissen aus mehr als 100 bearbeiteten Forschungsthemen in der 2. Förderperiode einschließlich der Über-brückungsphase wird der Stand von Wissenschaft und Technik beeinflusst, international führend mitbestimmt und der zur wissenschaftlich fundierten Produktionsgestaltung erforder-liche Wissensvorlauf erbracht. Das Programm bietet den Rahmen für interdisziplinäre Kooperationen mit den Instituten sowie Kooperationen mit Unternehmen, unabhängig von Unternehmensgrößen und Branchen und sichert exzellentes Forschungsniveau und Praxis-bezug. Relevanz, Aktualität und Qualität des Programms drücken sich in kontinuierlich steigender Nachfrage seitens der Bewerber, steigender Akzeptanz und Nachfrage der Kooperationspartner aus Wissenschaft und Wirtschaft, internationaler Universitäten und Institutionen sowie in dem erzielten Forschungsoutput aus. Der geregelte und transparente Promotionsprozess ist charakterisiert durch verbindliche, individuelle Betreuung bei Erhalt von Eigenständigkeit und Eigenverantwortung der Promovierenden, umfassende, individuell angepasste Qualifizierung, die Entwicklung von Schlüsselqualifikationen und Forschungs-tätigkeit in Unternehmen und/oder bei Partnern aus der Wissenschaft. Das duale Konzept, Promovierende unterschiedlicher Disziplinen, der Austausch zwischen Wissenschaft und Wirt-schaft in vielfältiger und differenzierter Form sowie die Integration von Wissenschaftlern und Experten verschiedener Disziplinen in die Betreuung schaffen für Promovierende und die Kooperationspartner eine einzigartige Umgebung aus Grundlagen- und industrierelevanter Forschung sowie Vernetzungsplattformen auf unterschiedlichen Ebenen. Der Mehrwert der GSaME für Promovierende wie auch interne und externe Partner besteht neben quantifizier-baren Ergebnissen in der Etablierung spezifischer interner und externer Netzwerke und eines

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„innovativen Milieus“ für Forschung und Innovation mit nicht quantifizierbaren, qualitativen Effekten.

Durch Umsetzung ihrer Forschungs- und Qualifikationsstrategie hat die GSaME ihre Ziele mit Ablauf der Überbrückungsphase zum 31.12.2018 erreicht.

Die Zielerreichung ist in Tabelle 1 auf der folgenden Seite zusammengestellt.

Der Forschungsschwerpunkt „advanced Manufacturing Engineering“ (aME) befähigt die GSaME hochaktuell, den technischen, methodischen und fachlichen Herausforderungen für Forschung, Entwicklung und Qualifizierung, aus der Veränderung von Produktionssystemen und Produktionstechnik, zusammen mit ihren Partnern auf höchstem akademischen Niveau und in der Verbindung erforderlicher Schlüsseldisziplinen und -technologien sowie industrie-relevant, Rechnung zu tragen.

Trotz gewisser Verunsicherungen aufgrund förderpolitischer Entscheidungen konnte die Kontinuität der Nachfrage seitens der Kooperationspartner 2018 gesichert werden, wobei weiterhin stabile strategische Partnerschaften bestehen. Die Aktualisierung des Forschungs-programms der GSaME erfolgte 2018 über mehr als 15 neu definierte Forschungsthemen, die zum Teil in Kooperation mit Partnern angeregt und gemeinsam beraten wurden. Mit der Bewilli-gung einer Überbrückungsfinanzierung seitens der DFG über den bisherigen Förderzeitraum hinaus wurden die Möglichkeiten verbessert, weitere Forschungsprojekte zu initiieren. Nach einem Auswahlprozess zu den neuen Themenvorschlägen erfolgten Ausschreibungen, in deren Ergebnis die geplante Zahl von > 10 Neuzulassungen erreicht werden konnte.

Zentrale Ergebnisse der Leistungsfähigkeit der GSaME 2018 sind:

1. Die Gewinnung von 12 Promovierenden, davon 5 für Kooperationsprojekte, 2. Die Gewinnung von 4 weiblichen Promovierenden, 3. 22 laufende Kooperationsprojekte 12/2018, 4. 6 gestartete Projekte mit Kooperationspartnern, 5. Abschluss weiterer Promotionen

Darüber hinaus wurden folgende Ergebnisse realisiert:

63 Promovierende mit Finanzierung unterschiedlicher Laufzeit bis 12/2018

42 Promovierende mit Finanzierung 12/2018

43 Publikationen und Konferenzbeiträge

5 Preise und Auszeichnungen

9 abgeschlossene Promotionen, insgesamt 70

Promotionsdauer abgeschlossener Promotionen: 4,6 Jahre

Dropout-Quote von 18%

Zulassung von 104 Promovierenden seit 11/2012

Steigerung des Bekanntheitsgrades der GSaME im nationalen und internationalen Umfeld, Zulassung von 3 internationalen Promovierenden 2018

Intensivierung der Qualitätssicherung von Promotionen durch Einführung eines “Abgangsprotokolls”

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Ziele 2. FP Maßnahmen Ergebnisse bis 12/2018

Nachhaltige Etablierung als international führendes Zentrum für Ausbildung, Forschung und Innovation auf dem Gebiet von aME

Nachhaltigkeitsstrategie: strategische Partnerschaften, Vertretung im Senat, Kooperation mit GRADUS, Beteiligung an EU-Programmen, Präsentation auf World Manufacturing Forum (WMF) 2012, strukturelle Weiterentwicklung

Voraussetzungen und Rahmenbedingungen einer PPP analysiert, Entscheidungsfindung zugunsten strategischer, nicht institutionalisierter Partner-schaften, Weiterentwicklung Kooperations-regelungen, Vertretung im Senat indirekt durch Mitglieder der GSaME, Verankerung in SEPUS 2013-2017 (4.2.1), Verankerung in SEPUS 2018-2022 vorbereitet, Partner des World Manufacturing Forum (WMF) 2012

Exzellente Rahmenbedingungen für Promovierende und Förderung von Karrieren, Promotionsdauer 4 Jahre

>130 Forschungsthemen, Seilkinematik-Demonstrator als Lern- und Forschungsplattform, 3 Nachwuchsgruppen, internationale Transformation, strukturierte Betreuung

104 definierte Forschungsthemen in Projekten umgesetzt, mehr als 25 strategische Kooperationspartner, Demonstrator in Betrieb, 3 Nachwuchsgruppen etabliert, davon eine 2018 aktiv, internationaler Transfer mit Partnern in China, erfolgreiche Berufswege aller Absolventen/ -innen nahezu ausschließlich in der Wirtschaft, Promotionsdauer 4,6 Jahre

Weiterentwicklung von Forschungs- und Qualifizierungs-programm und der Betreuung

Weiterentwicklung Forschungsprofil, teamorientierte Projekte, Promotoren-programm, Vorprogramm zur Eignungsfeststellung, Überarbeitung Qualifizierungsprogramm

6 Cluster, > 130 Themen, > 200 Doktoranden-kolloquien, davon 27 in 2018, 24 interdisziplinäre Arbeiten, 7 Mentoringvereinbarungen im Promotorenprogramm, 1 Lecturerstelle vergeben, weiterentwickeltes Qualifizierungskonzept

Externe Sichtbarkeit und internationale Orientierung

Akquisition internationaler Partner für Transformation, Einladung internationaler Experten, Teilnahme an internationalen Konferenzen, Exkursionen, Auslandsaufenthalte

Projekt in Umsetzung, in China mit einem Kooperationspartner, Konferenzbeiträge in >20 Ländern innerhalb und >10 Ländern außerhalb Europas, Regelmäßige CIRP-Teilnahme, 10% Promovierende mit internationalem Abschluss, Auslandsaufenthalte ab 3. Jahr

Verbesserung der Effizienz von Forschung und Innovation

>80 Promovierende

Mehr als 80 Promovierende (30 DFG, 50 in Kooperationsprojekten), 25 strategische Kooperationspartner, 6 interdisziplinäre Cluster, Jahrestagungen, Summer Schools, Gewinnung neuer PI`s

> 175 Gesamtzulassungen, davon 104 bis 12/2018, seit 11/2012 mehr als 25 Kooperations-partner, 4 Jahrestagungen mit ca. 790 Teilnehmern von insgesamt 7, Gendertagungen, Dialogforum Arbeitswelt 4.0 Wissenschaft-Wirtschaft, 3 Deutsch-Chinesische Summer Schools

Erhöhter Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit der nationalen und europäischen Industrie

>90 Forschungsthemen, Wissens- und Technologietransfer, Skills für aME, Ausrichtung auf Nachhaltigkeit, Aktualisierung der Gremien

Ergebnisse aus 178 Forschungsprojekten, davon seit der 2. FP 102 bis 12/2018, Wissens- und Technologietransfer über: Veranstaltungen, 38 Patente, davon 33 bis 12/2018; Pilotanwendungen, 4 Unternehmensgründungen, >400 Publikationen, 70 abgeschlossene Promotionen, neuer Typus von jungen Akademikern/-innen

Gender >25% Zulassungsquote, Qualifizierungsstipendien, gender-spezifisches Bewerbermanagement, Mentoringprogramm, Gendertagung, Karriereunterstützung

22% Zulassungsquote/Gesamtzulassungen, alle Doktorandinnen im Mentoringprogramm, Öffent-lichkeitsarbeit/Bewerbermanagement, Weiter-bildungsmaßnahmen, Beteiligung an FEMTEC-Veranstaltungen, Gendertagungen mit 90 Teilnehmern, Einbindung von 3 Professorinnen, Career Service, Promotionsdauer 4,6 Jahre

Beitrag zur Strategie der Universität Stuttgart

Beteiligung der Promovierenden in den Forschungszentren, Überbieten der Standards von GRADUS

Projekte mit ARENA 2036, Unterstützung Produktionstechnisches Zentrum, Standards wesentlich über GRADUS, Integration in SEPUS

Qualitätssicherung Betreuung durch Thesis Committees,

Promotionsvereinbarungen, Etablierung EFQM und Selbstmonitoring

Etablierte Qualitätssicherung, Handbuch, umfassendes, datengestütztes Selbst-Monitoring, Reporting- und Steuerungsinstrument, jährliche Berichte zu Zielerfüllung, externe Expertise

Tab. 1: Angestrebte Ziele 2. Förderperiode, Maßnahmen und deren Erfüllung einschließlich Überbrückungs-phase

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Quellen:

Bericht der Gemeinsamen Kommission zur Exzellenzinitiative an die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz, DFG, Wissenschaftsrat, Bonn, Juni 2015

Bericht der Gemeinsamen Kommission zur Exzellenzinitiative an die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz, DFG, Wissenschaftsrat, Bonn, November 2008

Bundesbericht zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, BMBF, Bonn, 2008 Bundesbericht wissenschaftlicher Nachwuchs 2017, Konsortium Bundesbericht wissenschaftlicher

Nachwuchs, Bertelsmann Verlag GmbH&Co.KG, Bielefeld 2017 DFG-Bewilligungsschreiben GSC 262/1, 07/2007 Eckpunktepapier: Qualitätssicherung im Promotionsverfahren, MWK Baden-Württemberg, April 2013 Endbericht, Internationale Expertenkommission zur Evaluation der Exzellenzinitiative, Januar 2016 HRK: Zur Organisation des Promotionsstudiums, Entschließung des 199.Plenums, Bonn, Februar 2003 Promotion im Umbruch, Nationale Akademie Leopoldina, acatech – Deutschen Akademie der

Technikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, Juni 2017, Halle (Saale) Wissenschaftsrat, Empfehlungen zur Neustrukturierung Doktorandenausbildung und -förderung, in

Empfehlungen und Stellungnahmen, 1995, Bd. 1 Wissenschaftsrat, Empfehlungen zur Neuordnung der Promotion in Deutschland,

http://www.wissenschaftsrat.de/texte/5459-02

2 Aktualität des Forschungsprogramms

Das Forschungsprogramm der GSaME stellt den inhaltlichen Rahmen für die Forschungs-themen der Promovierenden dar. 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 Produktions-technologien, 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 Wandlungsfähigkeit bei gleichzeitiger Sicherung der Performance (min. Zeiten, Kosten; max. Qualität). Technische Intelligenz wird durch mecha-tronische Systeme und Automation erreicht, wobei vor allem die Verwendung von Hoch-leistungskomponenten (Antriebe, Steuerungen, Sensoren) vorangetrieben werden soll. Realitätsnahe „Digitale Engineering Werkzeuge“ unterstützen die Gestalter und Betreiber in ihrer Arbeit. Weitere Arbeiten sind auf die Entwicklung von Maschinen mit technischer Intelli-genz und Integrierbarkeit in Cyber-Physische Produktionssysteme sowie auf eine Automatisie-rung der vorbereitenden und peripheren Prozesse gerichtet. Modelle technischer oder auch organisationaler Prozesse sind einer der Ansätze zur Realisierung technisch intelligenter und wissensbasierter, lernfähiger Konzepte. Im Zentrum einer zukünftigen, softwaregetriebenen Produktionstechnik liegen deshalb die Entwicklung wissenschaftlich nachgewiesener Modelle und deren Überführung in lernfähige Simulationssysteme. Innovative Technologien richten sich vor allem auf Verfahrenstechnologien zur generativen Herstellung und Beschichtung von Bauteilen komplexer Geometrien mit hoher Funktionsintegration und neuartigen Eigenschaf-ten sowie die Verarbeitung von Ingenieur-Werkstoffen. 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 um aktuelle Forschungsthemen im Kontext der Digitalisierung der Produktion, fortgeschrittener Fertigungsverfahren sowie veränderter Produktionstechnologien kontinuierlich erweitert

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Datengetriebene Fabriken

Konzepte für die global und/oder regional vernetzte Produktion

Daten und Datenmanagement im Produktlebenszyklus

Cyber-physische Produktionssysteme

Digitaler Zwilling

Production Intelligence durch Integration von (Prozess-)Wissen in Engineering- und Führungssysteme

Datengetriebene Geschäftsmodelle

Zukunft der Arbeitsgestaltung

Die Leitlinien der Forschungsarbeiten der GSaME orientieren sich an

Wandlungsfähigkeit auf allen Ebenen des Produktionssystems (technische Ebene, Arbeitsprozesse, Organisationsstrukturen, Strategien und Geschäftsmodelle, Einfluss-nahme auf bzw. Sensibilität für die Organisationsumwelt)

Erweiterter Wertschöpfung, schneller Prozessfähigkeit, umfassende Transparenz, hoher Flexibilität, maximaler Effizienz

Nachhaltigkeit als narrative Idee für die Art und Weise des Produzierens und Wirt-schaftens (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 Produktions-systems.

Strukturell sind die Forschungsschwerpunkte 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

A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Clusterdirektor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)

Ausgehend vom konzipierten „Stuttgarter Unternehmensmodell“ sowie vom Prinzip der Ganz-heitlichkeit 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 Mega-

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trends hinsichtlich der Wandlungsnotwendigkeit und des Wandlungspotenzials von Produk-tionssystemen 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 2018: 1 DFG, 0 Kooperationspartner

Laufende Forschungsthemen 12/2018: 3 DFG, 2 Kooperationspartner

B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr. rer. pol. habil. 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 Wertschöp-fungsketten 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 Kommuni-kationstechnologie und durch die globale Vernetzung Governance- und Diversity-Konzepte, das Management von Kosten und Kompetenzen sowie die Geschäftsmodelle und Geschäfts-modellkomponenten, 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.



C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Clusterdirektor: Prof. 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 „Echt-zeitfähigen Fabrik“ erfordert eine verbesserte Agilität von Geschäfts- und Fertigungs-prozessen, eine intensivere Zusammenarbeit und Integration der Phasen im Produktlebens-zyklus sowie ein umfassendes Komplexitätsmanagement. Folglich müssen bestehende Informations- und Kommunikationstechnologien verbessert werden, um selbstanpassende

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und selbstoptimierende Prozesse mit Hilfe von Echtzeit-Informationsverarbeitung auf ver-schiedenen 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 zunehmend mit Partnern aus der Industrie.



D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Clusterdirektor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath (IAT)

Treiber von Innovationen sind neben neuen Technologien auch (unternehmensnahe) Dienst-leistungen, die neue Einsatzmöglichkeiten und Kombinationen von Produkten erwarten lassen. 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 Produktionsentwick-lung 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.



E2 – Material- und Prozessengineering

Clusterdirektor: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow (IFKB)

Energieeffizienz, Ressourcenoptimierung, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit, Multimaterial-systeme, Mischbauweisen sowie hybride Technologien haben für die Fertigung heraus-ragende Bedeutung: die Herstellung und Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Schicht-verbunden, 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 Oberflächen-eigenschaften sind Beispiele dafür. In einer globalen, hochgradig dynamischen Umgebung kommt dem Prozessengineering die Aufgabe zu, Materialbearbeitungsprozesse und Prozess-ketten zunächst in Fertigungszellen einzubinden und schließlich die Integration in eine ganz-heitliche Fabrikplanung und -steuerung zu ermöglichen.

Das Gebiet der Prozessentwicklung für die Herstellung von Leichtbaukomponenten durch Formgebung und Bearbeitung von Leichtmetallen, Verbundwerkstoffen und Sandwiches sowie Schichtverbunden wird im Cluster E2 fortgeführt. Einen weiteren Schwerpunkt stellen

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Fertigungstechnologien zur Herstellung von miniaturisierten Bauteilen dar. Die Themen-bereiche Prozessbeobachtung und Messtechnik sowie Prozessmodellierung werden vertieft und sollen in wissensbasierte Systeme in der Werkstoff- und Prozesstechnik münden.



F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Clusterdirektor: Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf

Intelligente Fertigungseinrichtungen überwachen Prozesse, erkennen Veränderungen auto-matisch, reagieren in geeigneter Weise, haben eine modulare Struktur und sind adaptierbar an neue Produktionsanforderungen. Sie überwachen ihre internen Zustände, sagen die Not-wendigkeit 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:

Lernfähigkeit, zum Beispiel durch die Integration von selbstoptimierenden Simulations-modellen 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

Einsatz des Digitalen Zwillings



Mit mehr als 175 bearbeiteten Forschungsthemen – 102 davon bis 12/2018 – 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, Branchen, und sichert exzellentes Forschungsniveau und Praxisbezug.

Die Forschungsschwerpunkte der Cluster wurden im Berichtszeitraum 2018 bis 12/2018 mit 63 laufenden Forschungsprojekten realisiert.

Den Promovierenden wird dafür die Integration in ein interdisziplinäres Umfeld aus hervor-ragender 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.

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Die Forschungsthemen der GSaME wurden regelmäßig alle zwei Monate auf der Homepage ausgeschrieben. Insgesamt erfolgten 7 Ausschreibungsrunden bis 12/2018.

ausgeschrieben vergeben

DFG Industrie / FhG / HBS DFG Industrie / FhG / HBS

Cluster A2 1 2 0 0 1 0 0 0

Cluster B2 1 0 0 0 1 0 0 0

Cluster C2 4 6 0 0 0 1 0 0

Cluster D2 2 0 0 0 0 0 0 0

Cluster E2 3 5 0 0 0 2 0 0

Cluster F2 8 5 0 0 2 3 0 0

18 0 0 6 0 0

Gesamt 19 18 4 6

37 10

Abb. 1: Status der 2018 ausgeschrieben Forschungsthemen nach Clustern und Finanzierung; vergeben = gestartete Projekte

Die Zusammenstellung der bearbeiteten Forschungsprojekte im Förderzeitraum einschließlich der Überbrückungsfinanzierung in Abhängigkeit von der Finanzierung in Abbildung 2 zeigt, dass insgesamt mehr Themen vergeben und in Projekten realisiert werden konnten, als im Antrag geplant. Allerdings konnte das antragsgemäße Ziel der Finanzierung von 50 Projekten aus Kooperationen mit externen Partnern, trotz einer Steigerung gegenüber der 1. Förder-periode nicht vollständig erreicht werden. Die GSaME hat seit 2008 insgesamt 80 Koopera-tionsprojekte mit der Industrie/FhG/HBS realisiert. Von den neu ausgeschriebenen Koopera-tionsprojekten wurden 6 im Berichtszeitraum 2018 gestartet. 12/2018 befanden sich 22 Forschungsprojekte mit Kooperationspartnern in Bearbeitung.

Ab der 2. Förderperiode wurden bis 12/2018 insgesamt 75 Themen mit DFG-Finanzierung bearbeitet, von denen 55 Themen Neuzulassungen von Promovierenden ab der 2. Förder-periode betrafen. Ende 2018 waren noch 20 DFG-Themen in Bearbeitung.

Cluster A2 Cluster B2 Cluster C2 Cluster D2 Cluster E2 Cluster F2 Gesamt

DFG 10 12 10 4 8 11 55

Kooperationspartner 13 0 9 2 14 9 47

Gesamt 23 12 19 6 22 20 102

Abb. 2: Gesamtanzahl neu gestarteter Forschungsprojekte nach Clustern ab der 2. Förderperiode bis 12/2018

Die GSaME hat seit 2008 insgesamt 80 Kooperationsprojekte mit der Industrie/FhG/HBS realisiert. Von den neu ausgeschriebenen Kooperationsprojekten wurden 6 im Berichts-zeitraum 2018 gestartet. 12/2018 befanden sich 22 Forschungsprojekte mit Kooperations-partnern in Bearbeitung.

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Die bestehenden Kooperationsbeziehungen erweisen sich als stabil, wobei die positiven Erfahrungen seitens der Kooperationspartner mit der GSaME hervorgehoben werden. Die Akquisition weiterer Kooperationsprojekte mit der Industrie/FhG sowie von weiteren Promovierenden muss als prioritäre Zielsetzung weiterhin beibehalten werden. Die Betreuung von Kooperationsprojekten ist dafür auf eine breitere Basis zu stellen. Mit folgenden Partnern bestehen Kooperationen:

Abgeschlossene Kooperationsverträge bis 12/2018 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, Fraunhofer IAO, Hans-Böckler-Stiftung, J. Schmalz GmbH, Leitz GmbH & Co. KG, MANN+HUMMEL GmbH, Robert Bosch GmbH, Siemens AG, Trumpf Gruppe, 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, Wolf Produktions-systeme GmbH, TTS Tooltechnic Systems AG & Co. KG

Abgeschlossene Zusatzvereinbarungen:

agilplan GmbH (2/0), Astrium GmbH – EADS Gruppe (1/0), AUDI AG (8/1), Bosch Rexroth AG (1/0), Daimler AG (15/3), Endress+Hauser Conducta GmbH+Co. KG (1/0), Fraunhofer IPA (10/0), J. Schmalz GmbH (2/1), MANN+HUMMEL GmbH (5/3), Robert Bosch GmbH (5/2), Siemens AG (2/1), Trumpf Gruppe (10/4), Tognum AG / MTU-Friedrichshafen GmbH (1/0), ZF Friedrichshafen AG (1/0), Hans-Böckler-Stiftung (4/0), EISENMANN SE (2/0), Festo AG & Co. KG (3/2), EM-motive GmbH (1/0), Infineon Technologies AG (1/0), GPS GmbH (1/0), Wolf Produktionssysteme (1/1), ARENA2036/SLM (3/3), TTS Tooltechnic Systems AG & Co. KG (1/1)

Weitere Projekte mit Kooperationspartnern sind für 2019 in Vorbereitung.

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 Wettbewerbs-umfeld durch eine hohe Attraktivität bei den Absolventen und Relevanz für die Wirtschaft zu behaupten.

Der interdisziplinäre Ansatz der GSaME wird in der Mitwirkung von Professoren aus sechs Fakultäten der Universität Stuttgart in den Thesis Committees zur Betreuung der Forschungs-arbeiten der Promovierenden deutlich.

Die Verteilung der Erstbetreuer auf die an der GSaME beteiligten Fakultäten 2018 zeigt, dass die Mehrzahl der Betreuer erneut deutlich aus der Fakultät 7 resultiert, jedoch auch die Fakultäten 5 und 10 erheblich an den Forschungen der GSaME beteiligt sind, s. Abb. 4.

Es entfallen 58 % 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 Zunahme ist bei den Themen zu verzeichnen, die in der Fakultät 5 betreut werden, s. Abb. 3.

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Abb. 3: Verteilung der Themen (Erstbetreuung) auf die beteiligten Fakultäten für laufende Promotions-projekte 2018 und aktuell ausgeschriebene Themen

Im gesamten Zeitraum der 2. Förderperiode bis 12/2018 waren >35 Professoren als Erstbetreuer in der GSaME engagiert. Die Mehrzahl resultierte aus den Fakultäten 7, 5 und 10, was die thematischen Schwerpunkte der GSaME widerspiegelt, s. Abb. 4.

Abb. 4: Verteilung der erstbetreuenden Professoren auf die Fakultäten für alle laufenden Promotionsprojekte im Berichtszeitraum 2018

Das Forschungsprogramm wurde im Berichtszeitraum 2018 mit 63 Promovierenden (mit Vertrag) umgesetzt.

Bis 12/2018 haben insgesamt 25 Promovierende ohne Promotionsabschluss vorzeitig die GSaME als Dropout verlassen, darunter 8 Doktorandinnen, von denen 6 Doktorandinnen innerhalb der 2. Förderperiode zugelassen wurden. Auch wenn die Zulassungszahl weiblicher

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Promovierender mit 23 Zulassungen in der 2. Förderperiode bis 12/2018 gegenüber der 1. Förderperiode mit 12 Zulassungen deutlich gesteigert wurde, bedeutet dies eine Dropoutquote von 26% und damit eine Zunahme gegenüber der ersten Förderperiode mit nur 16,6%.

2018 haben 17 Promovierende haben eine Tätigkeit im Unternehmen bzw. im Institut übernommen und schließen die Promotion berufsbegleitend ab. 9 Promovierende haben ihre Promotion im Berichtszeitraum abgeschlossen, womit die Zielsetzung 2018 erreicht wurde.

3 Ziele und Ergebnisse der Cluster

3.1 Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Clusterdirektor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

E-Mail: [email protected]

Die im Cluster A2 seit 2013 fortgeschriebenen beiden Strategieausrichtungen

Forschungen zur Unterstützung funktionaler Managementstrategien und Forschungen zur Initiierung spezifischer Technologiestrategien

wurden auch 2018 grundsätzlich beibehalten und weiterentwickelt.

Aus Unternehmenssicht sollen beide Ausrichtungen dazu beitragen, Produktivitätssteige-rungen bei der industriellen Wertschöpfung am Standort sowie auch in den Wertschöpfungs-ketten über die Unternehmensgrenzen hinaus zu erzielen (Wertschöpfungsverteilung). Der Begriff „added value“, also Mehrwert bzw. Wertschöpfung, bezieht sich auf wirtschaftliche Einheiten, wie etwa Volkswirtschaften, aber auch auf Unternehmen oder Unternehmensteile, die in einen übergreifenden Prozess der Leistungserstellung eingebettet sind und einen Wert zu den Vorleistungen anderer Wirtschaftseinheiten hinzufügen [Fin 99]. Konkretisiert produkt-bezogen bezeichnet die Wertschöpfung den Wert nach der Verarbeitung minus dem Wert vor der Verarbeitung (Entstehungsrechnung oder subtraktive Ermittlung). Die Wertschöpfung lässt sich demnach ins Verhältnis zu den Vorleistungen (Wertschöpfungsgrad oder Veredlungs-grad), zur Ressourcennutzung (z.B. Wertschöpfung je Arbeitsstunde, Wertschöpfung je Euro Sachanlagevermögen) oder zum Bruttoproduktionswert (Wertschöpfungsquote) setzen und erhält so Produktivitätskennzahlen zur Messung und Steuerung von wirtschaftlichen Einheiten [Fin 99].

Der „pragmatische“ Wertschöpfungsbegriff legt den Schwerpunkt auf die Wertentstehung und ihre Haupteinflussfaktoren: den Kundennutzen und die ihn bestimmenden Faktoren Zeit, Kosten und Qualität. Er beruht auf der Überprüfung jeder einzelnen Aktivität hinsichtlich ihres Beitrags zum Kundennutzen und einer entsprechenden Aktivität [Fin 99]. Nach Womack und Jones wird der Wert eines Produkts oder einer Dienstleistung vom Kunden definiert [WoJo 2004]. Alle nicht-wertschöpfenden Aktivitäten gelten als Verschwendung, die nach Möglichkeit eliminiert, zumindest aber minimiert werden sollen. Als Verschwendung gilt derjenige Anteil, für den der Kunde nicht bereit ist zu zahlen [BeLa 09]. – In Abbildung 5 wird die im Rahmen eines Forschungsvorhabens beispielhaft ermittelte Wertschöpfungskurve wiedergegeben, die im Kontext der Projektvalidierung in einem Industrieunternehmen erzeugt wurde. Die Prozess-

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kosten und anteilige Prozesserlöse sind dabei jeweils für die Teilprozesse eines Haupt-prozesses kumuliert aufgetragen. Das Prozessergebnis ist als Differenz zwischen den beiden Kurven zu erkennen. Aus den Steigungen der beiden Kurven lassen sich im Prozessablauf steigende, konstante oder fallende Kosten und Erlöse einfach erkennen [Fin 99].

Abb. 5: Wertschöpfungskurve des Prozesses „Innovation Lasermeter“ [Fin 99]

An diesem praktischen Beispiel lässt sich veranschaulichen, dass konkrete Aussagen zur unternehmerischen Wertschöpfung den Detaillierungsgrad „Prozess“ erfordern. Der mögliche direkte oder indirekte Beitrag eines Dissertationsprojekts zur Wertschöpfungsbeeinflussung kann sich durch die Prozessorientierung auf ein abgrenzbares Forschungsfeld beschränken und die erkannte Problemtiefe wissenschaftlich beleuchten.

Eine Wertschöpfungskette bezeichnet die Stufen des Transformationsprozesses, die ein Produkt oder eine Dienstleistung durchläuft, vom Ausgangsmaterial über die Verwendung [Har 94] bis zum internen/externen Recycling bzw. zur Entsorgung. Die zuletzt angedeutete Ketten-erweiterung trägt dem Grundgedanken der zirkulären Wertschöpfung Rechnung. Beruhend auf systemumfassenden Innovationen zielt dieses Konzept darauf ab, Produkte, Prozesse und Dienstleistungen neu zu entwickeln, um Abfall überflüssig werden zu lassen sowie negative Auswirkungen des Konsums zu minimieren [SSZI 04]. – Die in den 90er Jahren von Porter neu geschaffene „Wertschöpfungskette“ nutzte dieser als Instrument der strategischen Planung mit dem Ziel, durch die Ausrichtung unternehmerischer Aktivitäten auf die Steigerung des Kundennutzens Wettbewerbsvorteile zu erwirken [Por 96]. Die zentralen Aktivitäten eines Unternehmens werden in der Wertschöpfungskette nach dem Verrichtungsprinzip dargestellt (Abbildung 6). Dabei unterscheidet Porter zwischen primären und sekundären, unterstützen-den Aktivitäten. Durch die Analyse der Glieder der Wertkette können die strategisch entschei-denden Wertschöpfungsaktivitäten definiert und die Ressourcen auf diese konzentriert

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werden. Als Ergebnis der Wertkettenanalyse ergibt sich oft eine Änderung der Wert-schöpfungstiefe der Unternehmen, da unattraktive Tätigkeiten, die keine Wettbewerbsvorteile bringen, kostengünstiger durch Lieferanten durchgeführt werden (vgl. Zulieferpyramide in der Automobilindustrie – Tier-1, Tier-2 usw.)

Abb. 6: Wertschöpfungskette nach Porter [Por 96]

Das Wertkettenkonzept von Porter wurde von MacDonald [MaD 91] erweitert, indem der strategische und damit relativ globale Ansatz von Porter auf einzelne Geschäftsprozesse heruntergebrochen wird. Dabei ist die Wertkette mit den Prozessablaufdarstellungen verbun-den. So werden die Wertaktivitäten von Porter als Spitze einer Prozesshierarchie betrachtet und top-down bis auf bewertbare Teilprozesse zerlegt. Die so gewonnenen Detailprozesse werden durch Kosten der Kategorien Investitionen, Vorleistungen, Bearbeitungskosten, Kosten der Vor- und Nachbearbeitung sowie Kosten des Overheads beurteilt [Fin 99].

Dieses Vorgehen ist seit langem bekannt. Es wird mehr oder weniger überall in der Industrie praktiziert, wobei zu beachten ist, dass die Prozesse selbst dem Kunden keinen direkten Nutzen bieten, sondern ihr Output, die Produkte. Der „Wert“ manifestiert sich in den Produkten, die „Schöpfung“ im Prozess. Der Output der Prozesse trägt dazu bei, dass Unternehmen ihre Ziele erreichen, also Umsätze und Erlöse generieren. Allgemein dienen Prozesse der Erreichung von Zielen des Unternehmens, insbesondere der Befriedigung von Kunden-wünschen [Fin 99].

Im Kontext der digitalen Transformation in Industrieunternehmen wird die Digitalisierung der Wertschöpfungskette als besondere Herausforderung empfunden. In einer geförderten und 2017 veröffentlichten Studie zum Thema „Digitalisierung industrieller Wertschöpfung – Trans-formationsansätze für KMU“ nutzten die Autoren für die Durchführung der Studie das Wert-kettenkonzept von Porter als Untersuchungsreferenz [BFGS 17]. Mithin wurden die Prozesse und Aktivitäten nach den Primäraktivitäten (Produktion, Logistik, Vertrieb und Marketing, Services) und nach gegenwartsnahen Unterstützungsaktivitäten (Innovation und Transforma-tion, Vernetzung und Kooperation, Daten und Analytik, Organisation der Arbeit) gegliedert (Abbildung 7).

Die Autoren gehen davon aus, dass die Primäraktivitäten im Zusammenhang mit der fort-schreitenden Digitalisierung den Kern der industriellen Wertschöpfung bilden und sich durch

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neue Technologien (Cyber-physische Systeme, Digitaler Zwilling, Internet der Dinge, 3D-Druck usw.) funktional weiterentwickeln.

Abb. 7: Adaptierte Wertschöpfungskette nach Porter [BFGS 17].

Die von Porter vor der Digitalisierung formulierten Sekundäraktivitäten (Unterstützungs-aktivitäten) erfordern jedoch einen neuen inhaltlichen Zuschnitt [BFGS 17]. Aufgrund der gestiegenen Relevanz von Daten, Informationen, Wissen, Vernetzung usw. empfehlen sie, vier neue Kontextfaktoren für die Wertschöpfung einzuführen, die teilweise Porters Unterstützungsaktivitäten aufgreifen, darüber hinaus aber auch neue Aspekte anführen [nach BWE 15]:

Unterstützungsaktivitäten im Bereich „Innovation und Transformation“ bilden die hohe Bedeutung von FuE für die Wertschöpfung sowie die Transformation durch neue digitale Technologien und organisatorische Innovationen ab (Verknüpfung agiler Methoden in der FuE mit Lean-Management-Konzepten, Cocreation, 3D-Druck, Cloudtechnologien, Simulation, Virtual- und Augmented-Reality, DevOps, Data-Analytics usw.).

Aktivitäten im Kontext von „Vernetzung und Kooperation“ unterstreichen die gestiegene Bedeutung von Kooperationsbeziehungen im Wertschöpfungsprozess (Wertschöpfungs-netzwerke, Wertschöpfungspartnerschaften usw.).

Der Umgang mit „Daten und Analytik“ reflektiert einen neuen Aspekt der Wertschöpfung, der sich unmittelbar aus der Digitalisierung der Primäraktivitäten ergibt (Datenschutz, Datensicherheit, Big-Data-Technologien: Data Mining, Business-Intelligence-Plattformen, Process Mining usw.).

Aktivitäten im Bereich „Organisation der Arbeit“ adressieren den Zusammenhang zwischen neuen Technologien, Personalstruktur und unternehmerischen Organisations-strukturen [Qualifikation, kontinuierliche Investitionen in (digitale) Kompetenzen, innova-tionsfreundliche Kultur usw.].

Mit Bezug zum Thema „Digitalisierung industrieller Wertschöpfung (KMU)“ kommen die Autoren der Studie zum folgenden Résumé:

Erfolgsfaktoren hinsichtlich der Thematik sind insbesondere die Öffnung für neue Partner-strukturen und Kooperationen sowie die Kundeneinbindung über digitale Technologien in einzelne Prozessschritte der Wertschöpfung. Die Umsetzung einer geeigneten Digitalisie-rungsstrategie sollte neben der Entwicklung und dem Einsatz neuer digitaler Technologien

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auch organisatorische Innovationen und Investitionen in spezifische Qualifikation und Kompe-tenzen der Mitarbeiter umfassen [BFGS 17].

Empfohlen wird eine schrittweise Neupositionierung, die ausgehend von den Kunden-bedürfnissen neue Geschäftsmodelle identifiziert und auf einem erweiterten Verständnis von Innovation basiert, welches neben der Technologie-Entwicklung auch organisatorische Innovationen und ein Change-Management umfasst [BFGS 17]. Ein iterativer Gesamtprozess für eine derartige Neupositionierung ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abb. 8: Schrittweise Veränderung der Wertschöpfungsprozesse und Geschäftsmodelle [nach BFGS 17].

Ergänzend zu den skizzierten Entwicklungen beim Begriff „Wertschöpfung“ ist mit Blick auf die in der GSaME verfolgten „Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung“ insbesondere hinsichtlich zeitgemäßer Geschäftsmodelle von einer neuen Erfolgslogik – der konsequenten Serviceorientierung – auszugehen:

Die konsequente Serviceorientierung beginnt mit der Bereitstellung eines echten Mehrwerts bzw. eines entsprechenden Wertversprechens für die Bedürfniserfüllung des Kunden. Dieses Wertversprechen wird bedarfsorientiert und wirtschaftlich über eine Kombination modularer, in vielen Fällen auch offener Hardware und Software bereitgestellt. Hier werden – sowohl im Bereich der Hardware als auch bei der Software und den Services – Plattformen bestimmend sein, die öffentliche oder private Infrastrukturen wirtschaftlich nutzen, um das Leistungs-angebot zum Kunden zu bringen. Daraus ableitbare Erfolgsfaktoren in den Geschäftsmodellen und künftigen Ecosystemen der Wertschöpfung sind vor allem die Fähigkeit, wertorientierte Angebote (end-)kundenfokussiert zu entwickeln und sicher und einfach zur Verfügung zu stellen, sowohl was den Zugang und die Nutzung über den kompletten Lebenszyklus hinweg als auch was die Bezahlung angeht. Dies muss für alle Elemente des Leistungsangebots (Hardware, Software und Service) durchgängig auf hohem Qualitätsniveau erfolgen.

Ein hohes Maß an Kooperationsfähigkeit in Richtung Kunden, Lieferanten und Partnern, das weit über eine reine Käufer-Verkäufer-Beziehung hinausgeht, bildet hierfür eine wichtige Basis. Im Extremfall ist der Kunde bzw. Konsument in den Produkterstellungsprozess einge-bunden und empfindet dies als echten Mehrwert, er wird zum Prosumer. Das iPhone ist ein besonders einleuchtendes Beispiel für solch ein hochstandardisiertes Produkt, das vom

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Kunden personalisiert wird und dadurch erst seine eigentlichen Funktionalitäten erhält. Für die Apps, die der Kunde auf sein Gerät lädt, bezahlt er häufig auch noch. Zusätzlich gibt es Daten preis, mit denen Unternehmen wiederum weitere Geschäfte realisieren können.

Der Aspekt der Wertschaffung durch Daten und Wissen wird in naher Zukunft auch in den Geschäftsmodellen des Maschinen- und Anlagenbaus eine zentrale Rolle spielen (siehe die neuen Unterstützungsaktivitäten). Die Herausforderung ist es, aus den gesammelten Daten verwertbare Informationen und Wissen automatisiert zu generieren sowie die riesige Masse an Daten wirtschaftlich zu verwalten und zu nutzen. Grundsätzlich gibt es zwei Strategien, um große Datenmengen für die Generierung von Mehrwert zu nutzen.

Die erste Möglichkeit ist das Erkennen von Mustern und Abhängigkeiten in großen Datenmen-gen. Ist dies in einem bestimmten Anwendungskontext, beispielsweise für eine Maschine-/ Material-/Werkzeug-Kombination möglich, können besonders effiziente Kombinationen gezielt gesucht und immer wieder bereits in der Planung angestrebt werden.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, zunächst ein digitales Modell der Realität, beispielsweise einer Produktionsszene, bestehend aus Anlage, Auftrag, Werkzeug, Werker, Logistik-equipment, zu erzeugen und das generierte Model im zweiten Schritt durch kontinuierliche (Echtzeit-)Informationen anzureichern, die helfen, den Wertschöpfungsprozess zusätzlich zu unterstützen. Entscheidend für die Akzeptanz von wertorientierten Leistungsangeboten über innovative Geschäftsmodelle ist die möglichst genaue Einschätzung der jeweiligen „Nutzen-funktion“ der Zielkunden.

Literaturverzeichnis

[FIN 99] Finkeisen, A.: Prozesswertschöpfung: Neukonzeption eines Modells für die Analyse und Bewertung, Heidelberg, Die Deutsche Bibliothek, ISBN 3-89811-435-X, 1999

[HAR 94] Harting, D.: Wertschöpfung auf neuen Wegen, in: Beschaffung aktuell 7/94, S. 20-22

[SSZI 04] Scheelhaase, T.; Zinke, G.: Potenzialanalyse einer zirkulären Wertschöpfung im Land Nordrhein-Westfalen, Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen, Düsseldorf, Hamburg, Berlin, 2016

[WOJO 04] Womack, J.P.; Jones, D.T.: Lean Thinking: Ballast abwerfen, Unternehmensgewinn steigern. Frankfurt: Campus, 2004

[BELA 09] Bergmann, L.; Lacker, M.: Denken in Wertschöpfung und Verschwendung. In: Dombrowski, U. et al (Hrsg.): Modernisierung kleiner und mittlerer Unternehmen: Ein ganzheitliches Konzept, Berlin: Springer, 2009

[POR 96] Porter, M.E.: Wettbewerbsvorteile: Spitzenleistungen erreichen und behaupten. Frankfurt/Main, New York: Campus, 1996

[MAD 91] MacDonald, K. H.: The Value Process Model, in: Scott Morton M.S. (Hrsg.): The Corporation of the 1990s – Information Technology and Organizational Transformation. Oxford 1991, S. 2999-309

[BFGS 17] Buchholz, B.; Ferdinand, J.-P.; Gieschen, J.-H.; Seidel, U.: „Digitalisierung industrieller Wert-schöpfung – Transformationsansätze für KMU“. Begleitforschung AUTONOMIK für Industrie 4.0, Berlin: iit-Institut für Innovation und Technik in der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, 2017

[BWE 15] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Hrsg.): Industrie 4.0. Volks- und betriebswirtschaft-liche Faktoren für den Standort Deutschland – Eine Studie im Rahmen der Begleitforschung zum Technologieprogramm AUTONOMIK für Industrie 4.0, 2015

Im Kontext der bisher skizzierten Gedanken zum Thema „industrielle Wertschöpfung“ und deren Bedeutung für wirtschaftliches Handeln liegt es nahe, aktuelle und exemplarisch vorgestellte Forschungsprojekte der GSaME mit dem „Wertschöpfungsgedanken“ zu verknüpfen.

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Dominik Brenner: Nach Westkämper ist die Wertschöpfung (𝑊 𝑡 ) als zeitliche Funktion mehrerer Prozessstufen zu verstehen, indem die Eingangsgrößen bzw. externe Vorleistungen (𝐾 ) durch materielle und immaterielle interne Leistungen zu höherwertigen Ausgangsgrößen und damit zu Erlösen (E) transformiert werden. Damit stellt die Wertschöpfung den Beitrag eines Unternehmens dar, der die Wertsteigerung eines Produkts oder einer Dienstleistung verkörpert. Sie ist die Differenz zwischen den Erlösen und Vorleistungen (Abbildung 9) [WKE 06, WKL 16]. Nach dieser Definition ist es möglich, die Fertigungstiefe einer Produktion monetären Werten zuzuordnen.

Zur Ermittlung des Effizienzgrads der intern erbrachten Leistungen erweitert Westkämper die Wertschöpfungsdefinition durch die nicht wertschöpfenden Leistungen und die Bestands-änderung (𝐾 Ä), die ebenso von den Erlösen subtrahiert werden müssen und damit die Wert-schöpfung mindern [WKL 16]. Nicht wertschöpfende Leistungen sind kostenverursachend, erzeugen keine Wertsteigerungen des Produkts/der Dienstleistung und senken somit die Prozesseffizienz. Diese Leistungen lassen sich in Nebentätigkeiten bzw. Stützleistungen (𝐾 ) und Verschwendungen (𝐾 ) bzw. Blindleistungen und Fehlleistungen unterteilen. Es ist zu beachten, dass die Zielerfüllung oder der Output eines Prozesses stets aus Sicht des internen oder externen Kunden und dessen Bedürfnissen bewertet werden [WoJo 03].

Abb. 9: Wertschöpfungsanteil an den gesamten Prozessleistungen in Anlehnung an [WKL 16]

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Methodik zur Gestaltung eines verschwendungs-armen Systems des lebenszyklusbezogenen Werkzeugwesens in der variantenreichen Fertigung“ werden einen wissenschaftlichen Beitrag zur Steigerung der unternehmens-spezifischen Wertschöpfung aus dem Blickwinkel des Werkzeugwesens durch die Steigerung der Werkzeugkosten- und Werkzeugbestandseffizienz liefern. Hierzu sind die materiellen und

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immateriellen Verschwendungsarten mit der erweiterten lebenszyklusbezogenen Wertstrom-methode zu identifizieren, zu bewerten und danach durch geeignete Maßnahmen zu eliminieren oder zu reduzieren.

Darüber hinaus wird untersucht, ob eine Steigerung der Instandsetzungstiefe durch Integration spezifischer Werkzeugfamilien dazu beiträgt, die Auslastung der Werkzeugversorgung positiv zu beeinflussen und gleichzeitig die Wertschöpfung zu steigern.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt tangiert sowohl die primären Aktivitäten (Eingangs- und Ausgangslogistik, Produktion) als auch die unterstützenden Aktivitäten (Technologieentwicklung, Beschaffung).


[WKE 06] Westkämper, E: Einführung in die Organisation der Produktion. Berlin [u.a.]: Springer (Springer-Lehrbuch), 2006.

[WKL 16] Westkämper, E; Löffler, C.: Strategien der Produktion. Technologien Konzepte und Wege in die Praxis. Hrsg. v. Carina Löffler. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2016

[WOJO 03] Womack, J. P.; Jones, D. T.: Lean thinking. Banish waste and create wealth in your corporation. Rev. and updated ed. New York: Free Press, 2003

Bernd Waschneck: Die unternehmensbezogene Wertschöpfung bezieht sich auf das Ergebnis des Transformationsprozesses von Input- zu Output-Faktoren. Die Zielsetzung ist dabei, die Maximierung des Mehrwerts unter Einsatz der vorhandenen, beschränkten Ressourcen (Input). Das Forschungsprojekt „Autonome Entscheidungsfindung in der Produk-tionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen“ zielt insbesondere auf die Optimierung des Einsatzes der Potenzialfaktoren, demnach auf die Betriebsmittel und auf die menschliche Arbeit im Zusammenhang mit der Produktentstehung. Die Produktionssteuerung bestimmt die Effizienz der Potenzialfaktoren in der Produktion. Ein Beispiel hierfür ist die Maschinen-auslastung: Durch Minimierung der Rüstzeiten bei einer Maschine kann der Durchsatz gesteigert werden. Hierdurch entsteht ein gesteigerter Output bei gleichem Kapitaleinsatz für die Maschine (Betriebsmittel). Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz wurde im Forschungsprojekt eine Produktionssteuerung entwickelt, die hinsichtlich der globalen Optimierungsziele in komplexen Werkstattfertigungen bessere Ergebnisse erzielt, als im Stand der Wissenschaft und Technik aktuell erwähnt werden.

Die Produktionssteuerung sichert zudem die Einhaltung von Lieferterminen. Hierdurch entsteht ein indirekter Mehrwert für das Unternehmen, da Zusagen an Kunden eingehalten werden können.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt betrifft im Kern die primären Aktivitäten (Produktion). Jedoch garantiert die hier im Forschungsfokus stehende Produktionssteuerung die kontinuierliche Ausführung der Produktion (primäre Aktivität). Die Produktionssteuerung könnte so als eine indirekte, primäre Aktivität eingestuft werden, wobei auch der „unterstützende Charakter“ mit zum Tragen kommt.

Sarah Müller: Bei der Wertschöpfung handelt es sich um eine Funktion der Zeit, die sich als Differenz zwischen dem Output und dem Input berechnen lässt. In dieser vereinfachten Betrachtungsweise müssen noch die Verlustleistungen berücksichtigt werden (Abbildung 10) [WKE 06, WKL 16].

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Abb. 10: Wertschöpfung in der Produktion in Anlehnung an [WKL 16], 2016

Das Ziel eines Wirtschaftsunternehmens liegt darin, die Wertschöpfung und somit den Output bzw. Erlös zu maximieren. Dies kann entweder durch eine Steigerung der Effizienz, der Effektivität oder durch eine Erhöhung der Fertigungstiefe erfolgen, wobei damit immer eine Reduktion der Verluste einhergeht. Wenn weitere Produktkomponenten im Unternehmen gefertigt und nicht mehr zugekauft werden, erhöht sich in der Regel die Durchlaufzeit und somit die Fertigungstiefe. Ein Effektivitätszuwachs lässt sich durch eine frühzeitige Orientierung an den aktuellen und zukünftigen Kundenwünschen erzielen. Dadurch können kundenorientierte Produkte entwickelt und das Risiko für Produktflops und Reklamationen gesenkt werden. Ein weiterer Zuwachs entsteht durch eine Effizienzsteigerung aufgrund der Minimierung nicht-wertschöpfender Prozesse (Logistik, Transport etc.) sowie der Produktionsverluste (Abfälle, Ausschuss) und Nacharbeit.

Als disruptive Technologie greift die additive Fertigung in die Effektivitäts- sowie Effizienz-beziehungen ein. Sie hat bereits in Teilbereichen zu einem Umbruch in der konventionellen Fertigung geführt. Aufgrund der werkzeuglosen Fertigung lassen sich bisher fremdgefertigte Teile ohne die Anschaffung weiterer Maschinen oder Werkzeuge herstellen. Darüber hinaus können komplexere Bauteile und Baugruppen gefertigt werden, wodurch oft Montage-operationen entfallen können. In der Produktentwicklung entstehen durch neue Design- und Konstruktionsfreiheiten neue Produkte auch für neue Kundenstrukturen. Aufgrund der Möglichkeit, die Produktion von Einzelteilen dezentral zu organisieren, leistet die additive Fertigung einen Beitrag zur Erhöhung der Effizienz, wobei die vorherigen Verluste durch Lagerung und Transport vermindert werden. Auch kann bei vielen additiven Technologien das nicht verwendete Rohmaterial bei weiteren Bauprozessen wieder als Ausgangsmaterial dienen und führt somit zu einer nachhaltigeren Produktion mit weniger Rohmaterialverlust.

Die von Westkämper zur Maximierung der Wertschöpfung geforderte Konzentration auf die Kerngebiete der Technologie und damit einhergehende Null-Fehler-Produktion setzen einen beherrschten Prozess voraus [WKL 16]. Obwohl der additive Prozess in Teilgebieten bereits

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beherrscht wird und überwacht werden kann [DEB 18], bringen die Durchdringungs-bemühungen hinsichtlich dieser Technologie in unterschiedlichen technischen Bereichen derzeit überwiegend noch prototypische Lösungen hervor [FRA 14], [GAO 15], [GEB 16]. Die Ergebnisse aktueller Forschungen werden die Grundlage zur Erhöhung der Durchdringungs-rate liefern und im Weiteren wissenschaftlich fundierte Beiträge zur Erhöhung der industriellen Wertschöpfung leisten.

Die im Forschungsprojekt „Modell zur Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit in der additiven Fertigung durch Präzisierung der Wirkzusammenhänge auf metallisch-mikroskopischer Ebene“ zu konzipierende Architektur soll es erlauben, die Wirkzusammenhänge am kleinsten Rohmaterialelement in Erfahrung zu bringen, um letztlich eine Übereinstimmung des Soll- und Ist-Zustands zu erreichen. Darauf aufbauend kann die Prozesseffizienz verbessert sowie die Effektivität von additiven Produkten gesteigert werden. Durch die zu erzeugende Qualitäts-verbesserung der Endprodukte lässt sich der additive Prozess eher in das unternehmerische Produktionsportfolio aufnehmen, was eine Zunahme der Fertigungstiefe zur Folge hat.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt ist den unterstützenden Aktivitäten zuzuordnen (Technologieentwicklung) mit direktem Bezug zur Produktion.


[WKL 16] Westkämper, E; Löffler, C.: Strategien der Produktion. Technologien, Konzepte und Wege in die Praxis. Hrsg. v. Carina Löffler. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2016

[WKE 06] Westkämper, E: Einführung in die Organisation der Produktion. Berlin [u.a.]: Springer (Springer-Lehrbuch), 2006

[DEB 18] DebRoy, T. et. al.: Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties in Progress in Materials Science. Ausgabe 92: Seite 112-224, 2018

[FRA 14] Frazier, W. E.: Metal Additive Manufacturing: A Review in Journal of Materials Engineering and Performance, Jahrgang 23, Ausgabe 6: Seite 1917-1928, 2014

[GAO 15] Gao W. et. al.: The status, challenges, and future of additive manufacturing in engineering in Computer Aided Design. Ausgabe 69, Seite 65-89, 2015

[GEB 16] Gebhardt A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping -Tooling – Produktion. 5. Auflage. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, München, 2016

Fei Long: Zufällige Maschinenausfälle führen zu unerwarteten Unterbrechungen in den Produktionsabläufen. Daraus resultieren „Effizienzverluste“. Das Problem kann durch eine Prognose der Maschinenausfälle gemindert werden. Die zur Reduzierung der Lebensdauer der Maschinen führenden Aspekte, wie Alterung und Verschleiß, können mit stochastischen Verteilungsfunktionen realitätsnah beschrieben werden [BEL 04].

Im Forschungsprojekt „Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0“ werden die Produktionssysteme mit der grafischen Modellierungsmethode Petri-Netz unter der Berücksichtigung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Produktionssysteme (Maschinen) modelliert. Dadurch können die Maschinenausfälle prognostiziert werden. Nach der Prognose lassen sich geeignete Instand-haltungsmaßnahmen rechtzeitig vor den Ausfällen durchführen. Überdies können die Schwachstellen der Produktionssysteme aufgrund der Referenz „Maschinenzuverlässigkeit“ analysiert und beseitigt werden. Des Weiteren werden die durch Maschinenausfälle erzeugten Produktfehler rechtzeitig erkannt und die Auswirkungen der Fehlerfolge in nachfolgenden Prozessen vermieden. Die durch Maschinenausfälle entstehenden Verluste können so reduziert werden.

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Darüber hinaus sind die Unternehmen in der Lage, die Lebensdauer der hergestellten Produkte durch Analyse der Zuverlässigkeit zu prognostizieren. Sie können ihren Kunden eine entsprechende Garantie und eine angemessene Haftung anbieten. Andererseits können die Kunden rechtzeitig nach einer Prognose auf ihren Produktentstehungsprozess reagieren, bevor größere Schäden aufgrund unerwarteter Maschinenausfälle auftreten. Dadurch kann die Kundenzufriedenheit erhöht werden.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt erstreckt sich sowohl auf die primären Aktivitäten (Produktion und teilweise Service) als auch die unterstützenden Aktivitäten (Forschung und Technologieentwicklung).

Literaturverzeichnis:

[BEL 04] Bertsche, B.; Lechner, G.: Zuverlässigkeit im Fahrzeug- und Maschinenbau – Ermittlung von Bauteil- und Systemzuverlässigkeit. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2004

Niels Piero: Moderne (Automobil-) Produktionen zeichnen sich durch eine hohe Varianz der produzierten Produkte aus. Wurden 1995 bei der Daimler AG neun unterschiedliche Modelle produziert, sind es 2016 72 [KOT 17]. Gleichzeitig sinken die Produktlebenszyklen jedes einzelnen Modells. In der Folge wandeln sich insbesondere die Montagewerke fortwährend.

Die aktuell in der Automobilmontage eingesetzten Qualitätsprüfsysteme können den Anforderungen der sich wandelnden Montagelinie nicht gerecht werden. Veränderungen der zu montierenden Produkte müssen zeitnah und ressourcenarm durch die Qualitätsprüf-systeme prüfbar sein. Heutige Qualitätsprüfsysteme sind für die Serienproduktion ausgelegt und reagieren träge auf Veränderungen in der Montage. Diese Trägheit führt dazu, dass parallele Qualitätsprüfmethoden in die Montage integriert werden müssen, um in den zur Verfügung stehenden Anpassungszeiträumen die geforderten Produktqualitäten sicherstellen zu können. Der Einsatz paralleler Methoden bedeutet jedoch einen gesteigerten Ressourcen-bedarf, der die unternehmensbezogene Wertschöpfung durch zusätzliche Ausgaben verringert.

Im Forschungsprojekt „Integration von wandlungsfähigen Qualitätsprüfungssystemen in der variantenreichen Montage“ wird eine Methodik zum wandlungsfähigen Einsatz und zur frühen Verfügbarkeit von Qualitätsprüfsystemen entwickelt. Die Methode soll dazu beitragen, den zusätzlichen Einsatz paralleler Prüfmethoden zu reduzieren. Diese Reduktion dient der Erhöhung der Wertschöpfung durch die Verringerung des benötigten Inputs von Ressourcen in das Produktionssystem.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt erstreckt sich sowohl auf die primäre Aktivität (Produktion) als auch die unterstützenden Aktivitäten (Technologieentwicklung).


[KOT 17] Kothes, R.: Intramarkenimagekonfusion. Eine empirische Untersuchung zur Ermittlung rer Wirkung von Intramarkenimagekonfusion am Beispiel der Automobilindustrie. Universität Bremen: Dissertation [in Druck]. Google Scholar, 2017

Marcel Clappier: Knapper werdende fossile Energieressourcen, gesetzliche Rahmen-bedingungen sowie ein steigendes Umweltbewusstsein der Bevölkerung führen in der Auto-mobilindustrie zur Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben. Maßnahmen wie Downsizing von Verbrennungsantrieben bei Hybridfahrzeugen oder die Substitution des Verbrennungsmotors

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durch eine elektrische Maschine bei Elektrofahrzeugen bewirken eine Veränderung der akustischen Gegebenheiten und Maskierungseigenschaften im Fahrzeug. Elektrische Antriebe bilden elektromagnetisch bedingt tonale, hochfrequente sowie drehzahlabhängige Ordnungen aus, die im Fahrzeug wahrgenommen werden können. Deren Ausprägung stellt ein wichtiges Design- und Qualitätsmerkmal dar und beeinträchtigt das Kaufverhalten der Endkunden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Simulation des elektromagnetischen Geräusches einer permanent-magnetisch erregten Synchronmaschine unter Berücksichtigung der Rotordynamik und mechanischer Fügestellen“ wird ein Simulationsansatz zur Berechnung des elektro-magnetischen Geräuschs unter Berücksichtigung rotordynamischer Effekte entwickelt, der frühzeitige Geräuschprognosen im Produktentwicklungsprozess von E-Maschinenherstellern ermöglicht.

Durch die Anwendung des entwickelten Verfahrens lassen sich in ersten Musterphasen Produktverbesserungsmaßnahmen virtuell ableiten und umsetzen, was zur Reduktion der Entwicklungszeit und -kosten beiträgt. Intensive numerische Betrachtungen in der frühen Entwicklungsphase ermöglichen es, die Herstell- und Koordinationsaufwände für Erprobungs-muster und die gesamten Entwicklungskosten zu reduzieren. Weiterhin können variable und kurzfristige Änderungen von akustischen Produktanforderungen mit geringem Kostenaufwand im Entwicklungsprozess bewertet und abgefangen werden. Des Weiteren bietet die Simula-tionskette die Möglichkeit, ein besseres Verständnis über die komplexen Wirkzusammen-hänge zur E-Maschinenakustik zu bekommen. Die gesamten Maßnahmen führen frühzeitig im Entwicklungsprozess zur Erhöhung der Wertschöpfung im entwickelnden und produzierenden Unternehmen.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt tangiert vordergründig zum einen die unterstützenden Aktivitäten (Technologieentwicklung). Zum anderen ist zu bedenken: Wenn die Produktentwicklung keine gut durchdachte, leistungsstarke, wettbewerbsfähige Produkt-platzierung mit der erwarteten Nachfrage am Markt ermöglicht, dann wird auch der Absatz nach „vollendeter“ Wertschöpfung kein Erfolg. Basierend auf diesem realen Szenario ist die Produktentwicklung im Allgemeinen und der wissenschaftliche Beitrag des Forschungs-projekts im Besonderen auch als Teil der primären Aktivitäten zur anforderungsgerechten akustischen Produktgestaltung anzusehen.

Wolfgang Kern: Das im Forschungsprojekt „Methodik zur Gestaltung eines modularen Montagesystems in der variantenreichen Serienproduktion“ entwickelte modulare Montage-system kann als Alternative zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie in zweierlei Weise dazu beitragen, die unternehmensbezogene Wertschöpfung abzusichern bzw. zu erhöhen.

Einerseits wird das Konzept eines modularen Produktionssystems insofern einen Beitrag leisten, als der bisherige und zukünftige Anstieg der Vielfalt und Dynamik im Produktportfolio von Automobilherstellern und vergleichbaren variantenreichen Serienproduktionen wirtschaft-lich realisieren werden kann, indem die interne Komplexität der Organisationsform und des Kapazitätsangebots der äußeren Komplexität des vielfältigen Produktangebots sowie der schwankenden Produktnachfrage angepasst wird. Dem steigenden Aufwand zur Aufrecht-erhaltung einer Variantenfließfertigung durch die Produktvielfalt und Marktdynamik (Ineffizienzen) kann somit entgegengewirkt werden. Ein Beispiel hierfür sind die entkoppelten

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Stationen einer modularen Produktion, deren Gestaltung sich vorwiegend am Wert-schöpfungsprozess und den Mitarbeitern und nicht an einem starr verketteten Fließband und einer einheitlichen Taktzeit orientiert. Dadurch können Laufwege und kleinteilige Prozess-schritte vermieden werden. Andere Beispiele sind die Integration der vorgelagerten Material-bereitstellungsprozesse oder nachgelagerten Fertigstellungsprozesse und somit die Reduzie-rung von Handhabungsschritten und Fertigstellungsaufwänden im Gesamtsystem. Anderer-seits kann die Organisationsform einer modularen Produktion den Kundennutzen erhöhen, indem die erhöhte Flexibilität und Wandlungsfähigkeit kürzere Produkt- und Technologie-lebenszyklen erlaubt, eine Individualisierung und Personalisierung der Produkte einer variantenreichen Serienproduktion zulässt, zu einer kürzeren Lieferdauer beiträgt und neue Formen der Demontage und Wiederaufwertung von Produkten im Laufe des Produktlebens-zyklus ermöglicht. Dadurch können bestehende Grenzen (Ineffektivität) der Fließband-fertigung überwunden werden, während die Vorteile der Arbeitsteilung und der Serien-produktion erhalten bleiben.

Neben der Absicherung der unternehmensbezogenen Wertschöpfung lässt sich durch die Organisationsform der modularen Produktion der Wertschöpfungsbeitrag der Mitarbeiter erhalten, indem das Fertigungskonzept trotz hoher Arbeitsteilung eine Anpassung an die Leistungseinschränkungen der Mitarbeiter gestattet und diese somit einen dauerhaften Wertschöpfungsbeitrag leisten und zu ihrer Beschäftigungssicherung beitragen können.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Als neue Organisationsform der Montage und damit des Herstellungsprozesses werden die wissenschaftlichen Ergebnisse des Forschungsprojekts einen Beitrag zu den primären Aktivitäten (Produktion) liefern.

Wolf Tönnes: Insbesondere in der Automobilindustrie bedingt der Megatrend der Individuali-sierung eine steigende Komplexität der Fertigungsprozesse. Am stärksten ist hiervon die Fließmontage betroffen, wo zunehmend mehr Modelle mit unterschiedlichen Ausstattungs-varianten unter geringem Automatisierungsgrad gefertigt werden. Dies begünstigt vom Menschen verursachte, zufällig auftretende Fehler, die durch technische und organisatorische Maßnahmen nur teilweise zu vermeiden sind und daher die unternehmerische Wertschöpfung verringern.

Mitarbeiter einer Montagelinie, die versuchen diese Fehler zu beheben, müssen abwägen, ob das Produkt in-situ nachgearbeitet werden kann oder nicht. Dazu müssen sie wissen, welche Tätigkeiten notwendig sind und welche Reihenfolge am effizientesten ist.

Dies erfordert die Berücksichtigung von technischen, organisatorischen, räumlichen und zeitlichen Restriktionen, wie die möglicherweise eingeschränkte Zugänglichkeit der Fehler-stelle am Produkt, der damit verbundene Demontageaufwand, die Wahl der Werkzeuge sowie der Messmittel oder der auszuwechselnden Bauteile. Alle vorherrschenden Restriktionen bezüglich eines Fehlers zu kennen und zu bewerten, ist für einen Menschen nicht möglich. Ziel des Forschungsprojekts „In-situ-Fehlermanagement in der variantenreichen Fließ-montage“ ist es, Menschen in-situ mit Informationen zu versorgen, damit sie richtig und schnell auf datenseitig erfasste Fehlerereignisse reagieren können, was Wertschöpfungsverluste durch Fehlerfolgen reduziert.

Für diesen unterstützenden Informationsprozess wird mit Hilfe einer Simulation unter der Nutzung von Fehler- und Produktionsdaten bewertet, welche Fehler noch innerhalb der vorgegebenen Fließmontagezeiten bewältigt werden können und welche nicht. Im Falle der

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Erledigung sollen gezielt ausgewählte Mitarbeiter eine Meldung zur Fehlerbeseitigung in Echtzeit durch ein wissensbasiertes System erhalten. Im anderen Fall erfolgt keine Benach-richtigung. Stattdessen werden bei Bedarf die Gründe für die nicht erfolgte Nacharbeit dargelegt. Die Simulation, als Teil des wissensbasierten Systems, dient somit nicht nur dem In-situ-Fehlermanagement, sondern auch als digitales Werkzeug zur Planung und Optimie-rung von Nacharbeitsprozessen und gleichermaßen der Minimierung von Wertschöpfungs-verlusten.

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt betrifft sowohl die primären Aktivitäten (Produktion) als auch die unterstützenden Aktivitäten (Forschung und Technologie-entwicklung). Primär: Das ist der direkte Informationsprozess, bei dem Mitarbeiter eine Meldung zur Fehlerbeseitigung in Echtzeit während der Montage erhalten. Unterstützend: Das ist die Simulation als digitales Werkzeug zur Planung und Optimierung von Nacharbeits-prozessen, die auch die Gründe für die am Montageband nicht möglichen Nacharbeiten veranschaulicht.

Christoph Taphorn: Wertschöpfung in der industriellen Produktion erfolgt durch die Wand-lung von Ressourcen in höherwertige Produkte. Dieser Prozess wird mit dem Wissen der Mitarbeiter und mithilfe von Werkzeugen/Betriebsmitteln ausgeführt. Die technische Gestal-tung und das Zusammenwirken der Instanzen Mitarbeiter, Betriebsmittel und Produkt beein-flussen dabei die Effizienz der Fabriken und somit das Maß der Wertschöpfung [WKL 16]. Durch die Reduzierung der Durchlaufzeiten, durch Kostensenkungen und die Erhöhung der Qualität liefert die Produktion einen Beitrag zur Steigerung der Wertschöpfung eines Unternehmens.

Aufgrund der Erweiterung der im System beteiligten Instanzen mit IT-Komponenten wie Sensoren, Aktoren und der Fähigkeit, Daten auszuwerten und auszutauschen, entstehen Cyber-Physische-Systeme (CPS). Diese können sich untereinander dynamisch vernetzten und die Wertschöpfung mit den zur Verfügung stehenden, relevanten Daten optimieren [DIE 15]. Das Zusammenwirken zwischen Mitarbeitern, Produkten und Betriebsmitteln wird durch eine derartige Erweiterung verändert. Experten erwarten von diesen Veränderungen signifi-kante Potenziale zur Kostensenkung, Komplexitätsbeherrschung und Qualitätsverbesserung und damit schlussendlich zur Steigerung der Wertschöpfung in der industriellen Produktion (bspw. [BAH 14], [BAU 14]).

Die entstehenden Potenziale einer gewinnbringenden Implementierung von IT in die Produk-tion müssen zielgerichtet zur Erhöhung der Wertschöpfung eingesetzt werden. Hierfür ist eine langfristige strategische Planung des gesamten Systems Produktion erforderlich [WKL 16]. Dabei sind die komplexen Wirkbeziehungen innerhalb der Produktion und deren Umfeld miteinzubeziehen.

Die im Forschungsprojekt „Verfahren zur Planung des Einsatzes von Cyber-Physischen-Systemen in der Produktion“ entwickelten Methoden und Werkzeuge sollen dazu beitragen, für Unternehmen die individuellen Einsatzmöglichkeiten von CPS in der Produktion zu identifi-zieren, diese bezüglich ihrer Auswirkungen zu analysieren und eine Systematik zur Implemen-tierung bereitzustellen. Dafür wurde eine durchgängige Strukturierung entlang der System-elemente der Produktion und deren Erweiterung um CPS-Grundfunktionen erstellt. Im Verfahren werden Ansätze zur Prozessoptimierung identifiziert und deren Auswirkungen auf

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die Prozesse untersucht. Die Potenziale der Digitalisierungsansätze zur Erhöhung der Wert-schöpfung im Prozess können so ermittelt werden.

Basierend auf der Anforderung einer ganzheitlichen Planung wurde für die Umsetzungs-planung ein angepasster Technologiekalender entwickelt. Ausgehend von den Verände-rungen werden darin die Ansätze zeitlich und inhaltlich synchronisiert. Die Entwicklung der Prozesse wird gemeinsam mit der Entwicklung der Systemelemente, den strukturellen Veränderungen und der Produktentwicklung geplant. Es entsteht eine ganzheitliche Produk-tionsstrategie, mit der die Wertschöpfung in der Produktion gesichert und erhöht werden kann, wie in Abbildung 11 dargestellt.

Abb. 11: Planung der Implementierung von CPS in der Produktion zur Wertschöpfungssteigerung

Porter-Einordnung (Abb. 6): Das Forschungsprojekt ist teilweise den primären Aktivitäten (Produktion), teilweise mit größerer Hinwendung den unterstützenden Aktivitäten (Unternehmensinfrastruktur, Technologieentwicklung) zuzuordnen.

Philipp Humbeck: Der Maschinen- und Anlagenbau unterliegt einem grundlegenden Wandel. Informationstechnik durchdringt die Branche auf verschiedene Weise [EM 15]. Abläufe und Prozesse werden digitalisiert, es werden zunehmend datenbasierte Entscheidungen getroffen, aber vor allem wird der Kundennutzen über Softwarelösungen generiert. Mitunter ändern sich ganze Wertschöpfungsstrukturen durch plattformbasierte Geschäftsmodelle. Jedoch ist die Digitalisierung mehr als eine technologische Evolution. Denn durch das Verschwinden von strikten Unternehmensgrenzen entsteht eine Revolution der Transaktionskosten [GA 19]. Um die Innovationsfähigkeit zu wahren bzw. den Beitrag der unternehmerischen Wertschöpfung sicherzustellen, öffnen sich etablierte Anbieter mehr denn je, um komplementäre sowie neue

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Kompetenzen und Technologien zu nutzen und somit den Kundennutzen zu stimulieren und dadurch langfristigen Markterfolg sicherzustellen.

Durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Akteure aus verschiedenen Branchen entstehen Business-Ökosysteme, die Kundenbedürfnisse auf eine neue Art und Weise bedienen können und somit Wachstum ermöglichen, das im Alleingang nicht realisierbar gewesen wäre [GE 18]. Business-Ökosysteme bestehen aus einem losen Netzwerk von Anbietern, Distributoren, Outsourcing-Unternehmen, Technologieanbietern sowie einer Vielzahl anderer Organisationen, die interagieren müssen, damit ein Werteversprechen erbracht werden kann [IA 04], [AD 16]. Damit lassen sich Business-Ökosysteme nicht in den klassischen Kategorien der Wertschöpfung Porters verorten [JA 16], [AD 16]. Die unternehmensbezogene Wertschöpfung hängt von einer Vielzahl von Unternehmen in einem erweiterten Wertschöpfungssystem – dem oben erwähnten Business-Ökosystem – ab. Ein Beispiel für diese interorganisationale Wertschöpfung sind sogenannte Prosumer-Ansätze, bei denen Kunden durch die Nutzung eines spezifischen Produkts, oftmals Minimal Viable Products (MVP), ihr individuelles Feedback in unterschiedlichen Phasen der Produkt-enwicklung einbringen. Auswirkungen auf die Fertigungstiefe sowie Prozesseffizienz lassen sich auf Basis aktueller empirischer Forschung nicht fundiert beschreiben, jedoch hat die Forschung zu Ökosystemen beachtlich zugenommen [KA 18].

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Managementmodell zur Entwicklung von Produkt-Service-Systemen in Ökosystemen des Maschinen- und Anlagenbaus“ sollen in produzie-renden Unternehmen dazu beitragen, Gesamtlösungen im Sinne eines innovativen Produkt-Service-Systems unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen und strukturellen Besonderhei-ten aufkommender Business-Ökosysteme in angemessener Zeit zu steuerbaren Kosten und gleichbleibender Qualität zu ermöglichen. Dadurch soll hinsichtlich des angebotenen Nutzens für den Kunden eine nachhaltige unternehmensbezogene Wertschöpfung abgesichert und gesteigert werden.

Porter-Einordnung (Abb. 6, Abb. 7): Das Forschungsprojekt ist bei den unterstützenden Aktivitäten (Forschung und Entwicklung) (Abb. 6) einzuordnen, wobei auch überlagert die unterstützenden Aktivitäten der Abb. 7 zum Tragen kommen.


[EM 15] Emmrich, V.; Bauernhansl, T.: Döbele, M.; Paulus-Rohmer, D.; Schatz, A.; Weskamp, M.,: Geschäftsmodell-Innovation durch Industrie 4.0: Chancen und Risiken für den Maschinen- und Anlagenbau, 2015, verfügbar unter: https://www.wieselhuber.de/migrate/attachments/ Geschaeftsmodell_Industrie40-Studie_Wieselhuber.pdf, Zugriff am: 10.12.2018

[GA 19] Gackstatter, S.; Lemaire, A.; Lingens, B.; Böger, M.: Business ecosystems: Partnership of equals for corporates, SMEs and startups. München, 2019

[GE 18] Geissbauer, R.; Lübben, E.; Schrauf, S.; Pillsbury, S.: Digital Champions: How industry leaders build integrated operations ecosystems to deliver end-to-end customer solutions, Global Digital Operations Study 2018

[IA 04] Iansiti, M.; Levien, R., 2004. Strategy as Ecology, 2004

[AD 16] Adner, R.: Ecosystem as Structure 43, DOI: 10.1177/0149206316678451, 2016

[JA 16] Jacobides, M. G.; Cennamo, C.; Gawer, A.: Towards a theory of ecosystems. Strategic Manage-ment Journal 39 (8), S. 2255–2276, DOI: 10.1002/smj.2904, 2016

[KA 18] Kapoor, R.: Ecosystems: broadening the locus of value creation. Journal of Organization Design 7 (1), S. 39, DOI: 10.1186/s41469-018-0035-4, 2018

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Zusammenfassung und Ausblick

Zur Beurteilung der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit eines Unternehmens wird unter anderem der Indikator „Wertschöpfung“ genutzt. Er soll Aufschluss darüber geben, wie gut ein Unternehmen die Erwartungen und Bedürfnisse seiner Kunden erfüllen kann. Diese sehr starke Kundenorientierung veranlasste Porter, ein Konzept zur Abbildung von Wert-schöpfungsketten unter dem Blickwinkel „Werte für Kunden schaffen“ vorzuschlagen. Die nachfolgenden Forschungen verdeutlichen, dass die funktionale Betrachtungsweise der Unternehmensstrukturen nach Porter auf Wertschöpfungsprozesse heruntergebrochen werden müssen, um anhand der prozessbezogenen Input- und Outputgrößen eine Wert-schöpfungsanalyse und damit eine Prozesseinschätzung durchführen zu können. Die Gliederungsvorschläge von Porter nach primären und sekundären (unterstützenden) Aktivitäten zusammen mit der Prozessorientierung kann als Referenz für die Einordnung der GSaME-Forschungsprojekte des Clusters A2 dienen. Mittelfristig sind die erzielten Ergebnisse der Forschungsprojekte somit zweckdienlich.

Die in einer aktuellen Studie durchgeführten Untersuchungen zur Anwendung der Wertkette von Porter unter dem Aspekt der „Digitalisierung industrieller Wertschöpfung – Transforma-tionsansätze für KMU“ ergab eine Anpassung der Kette insbesondere bei den unterstützenden Aktivitäten. Die unter anderem durch Befragungen ermittelten „neuen Unterstützungs-aktivitäten“ wie Innovation und Transformation, Daten und Analytik usw. erweitern die vier „alten Unterstützungsaktivitäten“ mit einer noch differenzierteren Kundensicht, die auch eine konsequente Serviceorientierung mit einschließt. Unter Services können ganz allgemein Leistungen verstanden werden, die nicht im traditionellen Kompetenzbereich der Anbieter von Produktionsanlagen liegen. Zukünftig werden Services die Positionierung in der Wert-schöpfungskette verschieben und somit den Beteiligten neue Angebots- und Kooperations-optionen bieten.

Die skizzierte Einordnung der GSaME-Forschungsprojekte in die Wertkette von Porter (Abbildung 6) sowie in die angepasste Version (Abbildung 7) weist daraufhin, dass in Dissertationen auch die Anforderungen an künftige Fabriken mit Bezug zur industriellen Wertschöpfung, wie sie Porter versteht, einfließen sollten. In der vereinfachten Wertkette „Know-how-Aufbau/Anwendung – Innovation – Kundennutzen – Markterfolg“ hat das erste Kettenglied als Treiber einer positiven Wertschöpfungsveränderung eine hohe Bedeutung. Die Dissertationen können den dafür notwendigen Know-how-Beitrag leisten. Bei der Zuordnung zu den Funktionen in der Wertkette von Porter ist es offensichtlich, dass die unterstützenden Aktivitäten „Forschung und (Technologie-)Entwicklung“ (Abbildung 6) umfänglich zum Tragen kommen. Ergänzend dazu wird aber auch ein direkter Bezug dieser Aktivitäten zur primären Aktivität „Produktion“ angenommen (siehe Beispiele Brenner, Müller, Long, Piero, Clappier, Tönnes und Taphorn).

Die sich aktuell verstärkt abzeichnende Serviceorientierung hat zur Folge, dass neben der Wertschöpfungsstruktur (Aufbauorganisation usw.) und der hier zuvor behandelten Wert-schöpfungsprozesse insbesondere eine neu zu definierende Wertschöpfungsarchitektur (siehe auch Wertschöpfungskonfiguration) an Bedeutung gewinnen. Bei dieser „Architektur“ sind Daten, Informationen und Wissen mit den Wertschöpfungsprozessen sowie Wert-schöpfungsnetzwerken so zu verknüpfen, dass ein hohes Maß an Kooperationsfähigkeit in Richtung Kunden, Lieferanten und Partnern erreicht werden kann.

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Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters A2

Im Cluster wurden 2018 insgesamt 12 Themen, davon 12/2018 noch 5 mit Finanzierung betreut.

Themen Gesamt DFG Industrie /FhG

laufend mit Finanzierung 5 3 2

laufend ohne Finanzierung 6 3 3

ausgeschrieben 1 1 0

abgeschlossen 2 2 0

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2018

Tabelle mit Übersicht der Forschungsthemen des Clusters A2

Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/in Finanzierung Erstbetreuer

A2-002

Beurteilung der Montierbarkeit von Turboflugtriebwerksturbinen während des Vorentwurfs

laufend ohne Finanzierung

Jochen Mall

DFG Prof. Staudacher

A2-003

Meta-Cognition in Distributed Intelligent Systems


Tobias Störzinger

DFG Prof. Misselhorn

A2-004

Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpoten-zialen in regionalen Produktions-netzwerken

ab-geschlossen

Benjamin Kuch

DFG Prof. Westkämper

A2-009

Design for NVH – Geräuschoptimie-rung von E-Maschinen im unverbau-ten und im verbauten Zustand


Marcel Clappier

EM-motive GmbH

Prof. Westkämper

A2-010

Verfahren zur Analyse, Bewertung und Gestaltung der digitalen Trans-formation von Produktionssystemen


Christoph Taphorn

agiplan GmbH

Prof. Westkämper

A2-011

Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigura-tionen in der variantenreichen Serienmontage – am Beispiel der Automobilindustrie

abgeschlossen Christian Küber

Daimler AG Prof. Bauernhansl

A2-012

Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeug-verbrauchsdaten am Beispiel der Bearbeitung von Bauteilen aus Holzwerkstoffen


Jürgen Lenz


A2-015

Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0

laufend mit Finanzierung

Fei Long

DFG Prof. Bertsche

A2-019

Modell für eine Effizienzsteigerung der Prozessgestaltung von justage-intensiven Fabriksystemen


Sebastian Pöschl

Trumpf GmbH

Prof. Bauernhansl

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A2-020

Methodik zur Gestaltung eines verschwendungsarmen Systems des lebenszyklusbezogenen Werkzeug-wesens in der variantenreichen Fertigung


Dominik Brenner


A2-021

Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit Metall


Sarah Müller


A2-022

Entwicklung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Beurteilung von Class-A Faserverbundkunststoff-oberflächen


Matthias Krämer

AUDI AG Prof. Bauernhansl

A2-023

Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen


Bernd Waschneck

Infineon AG Prof. Bauernhansl

A2-024

Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungsansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld


Nils Piero

Daimler AG Prof. Bauernhansl

A2-A16

Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen

abgeschlossen Yiwen Xu

ZF Friedrichs-hafen AG

Prof. Westkämper

A2-A17

Methode zur Qualitätssicherung additiver Verfahren durch modellie-rungsbasierte, präventive Prozess-optimierung am Beispiel des Fused Deposition Modeling


Friedrich Bähr


A19 Steigerung der Effektivität und Effizienz ganzheitlicher Fabrik-planungsprozesse

abgeschlossen Mark Hillmann

agiplan GmbH

Prof. Westkämper

A2- A26

Ein Managementmodell zur Entwick-lung von Produkt-Service Systemen in Ökosystemen des Maschinen- und Anlagenbaus


Philipp Humbeck

Trumpf GmbH

Prof. Bauernhansl

A2-A20

Energieeffizienz von Vakuumhand-habungssystemen

abgeschlossen Florian Fritz

J. Schmalz GmbH

Prof. Westkämper

A2-A21

Produktsicherheit im globalen Entwicklungs- und Produktions-verbund

abgeschlossen Steffen Häfele

Daimler AG Prof. Westkämper

A2-A26

Ressourceneffiziente Erzeugung transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostruturen

abgeschlossen Thomas Ackermann

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

A2-A27

Methodik für eine komplexitätsge-rechte Gestaltung und Steuerung der Endmontage einer Variantenflieβ-fertigung in der Automobilproduktion

abgeschlossen Stefan Keckl

AUDI AG Prof. Westkämper

A2- A3

Nachhaltige Wissensentwicklung und sozial-ökologische Adaptabilität von Industrieunternehmen

abgeschlossen Frauke Goll

DFG Prof. Zahn

A2-B19

In-situ-Fehlermanagement in der variantenreichen Serienfertigung


Wolf Tönnes


A2-F2-012

Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie


Wolfgang Kern

AUDI AG Prof. Bauernhansl

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A2- H4

Ein Geschäftsmodellkonzept als Umsetzungswerkzeug zur Steigerung der Ressourceneffizienz

ab-geschlossen

Maximilian Regenfelder


A2-027

Regeln und organisatorische Strukturen für Industrie 4.0-Umgebungen“


Christian Flack

DFG Prof. Burr

* Veränderungen 2018 sind fett markiert

Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster A2

Thema A2-A17: Methode zur Qualitätssicherung additiver Verfahren durch modellierungsbasierte, präventive Prozessoptimierung am Beispiel des Fused Deposition Modeling

Doktorand: M. Sc. Friedrich Bähr

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Additive Manufacturing hat das Potenzial, konventionelle Fertigungsverfahren auf disruptive Art abzulösen. Unbeherrschte Prozesse sowie mangelhafte Bauteilqualität bremsen jedoch gegenwärtig die Verbreitung in der Serienfertigung. Defizite bestehen insbesondere bei der Vorhersage von qualitativen Eigenschaften und bei der zuverlässigen Reproduktion geo-metrischer Features. Ansätze zur Absicherung der Qualität basieren im Allgemeinen auf manueller Überprüfung von kritischen Attributen. Mit Blick auf Losgröße eins reichen dem Prozess nachgelagerte Kontrollmaßnahmen jedoch nicht mehr aus.

Abb. 12: Struktur einer Methode zur Qualitätssicherung additiver Verfahren

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In der Forschungsarbeit wird eine Methode zur präventiven Qualitätsabsicherung für additive Verfahren vorgestellt. Entlang der entwickelten Vorgehensweise wird zunächst durch Modellierung ein Beitrag zu gesteigertem Prozessverständnis geleistet. Detaillierte Betrach-tung innerer Wirkmechanismen sowie ein eigens entwickelter, verfahrensspezifischer Prüf-körper bilden die Grundlage für eine zweistufige Finite-Elemente-Simulation. Transient wird der thermische Gradient des Prüfkörpers im Abkühlprozess analysiert. Darauf aufbauend folgt eine mechanisch-statische Analyse zur Bestimmung von prozess- und materialbedingter Schwindung, Eigenspannungen und Verzug. Die Methode wird an dem kunststoffbasierten Fused Deposition Modeling Verfahren evaluiert und validiert. Es wurde ein Werkzeug zur Vorhersage geometrischer Eigenschaften vorgestellt, das sowohl praktisch applikabel ist, als auch Anwendung für weitere Schichtbauverfahren finden kann.

Thema A2-020: Methodik zur Gestaltung eines verschwendungsarmen Systems des lebenszyklusbezogenen Werkzeugwesens in der variantenreichen Fertigung

Doktorand: Dipl.-Ing. Dominik Brenner



Zusammenfassung

Eine hohe Effizienz des Produktionssystems ist aufgrund der dynamischen Umgebungs-bedingung und der daraus resultierenden Einflussfaktoren nur dann möglich, wenn die bisherigen Bilanzgrenzen erweitert und die dynamischen Einflussfaktoren beherrschbar gemacht werden. Die Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus nimmt dabei eine entscheidende Rolle ein. Es gilt die Wertschöpfung in den Mittelpunkt allen Handels zu stellen und damit Verschwendungen zu eliminieren. Dies gilt ebenso für die Kosten des Werkzeug-wesens, welche einen Anteil von 8-32 % der gesamten Fertigungskosten ausmachen.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, einen Beitrag zur Steigerung der Werkzeugkosten- und Werkzeugbestandskosteneffizienz zu leisten. Zur Bewertung der finanziellen Systemeffizienz gilt es, den bisherigen Regelkreis zur Planung und Steuerung des Werkzeuglebenszyklus mit übergeordneten Zielkennzahlen zu erweitert.

Notwendig sind ein für den Werkzeuglebenszyklus angepasster Methodenkatalog sowie die Bestimmung der lebenszyklusbezogenen Interdependenzen der jeweiligen Maßnahmen. Diese dienen zur Identifikation und Eliminierung der materiellen und immateriellen Verschwen-dungen in den technischen, organisatorischen oder kommunikationstechnischen Bereichen des Werkzeugwesens. Zur nachhaltigen Befähigung einer lernenden Organisation wird darüber hinaus ein Wissensmanagementsystem eingeführt, welches die Analyse, Bewertung, Wissensbewahrung und -verteilung der eingesetzten Methoden unterstützt.

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Abb. 13: Lebenszyklusbezogenes System des verschwendungsarmen Werkzeugwesens

Thema A2-027: Regeln und organisatorische Strukturen von Industrie 4.0-Umgebungen

Doktorand: M. Sc. Christian Flack

Thesis Committee: Prof. Dr. Wolfgang Burr (BWI – Abt. I) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)


Zusammenfassung

Technologien und Konzepte von Industrie 4.0, wie cyber-physische Systeme und das Internet of Everything mit der digitalen Einbindung und Verknüpfung von Gegenständen, Services und Menschen, lassen Möglichkeiten der weitreichenden Beeinflussung der Wertschöpfungsaktivi-täten von Unternehmen erkennen. Diese Veränderungen zeigen sich nicht nur bei einzelnen Ressourcen und Aktivitäten, sondern auch bei unternehmerischen Fähigkeiten und Prozessen. Weiterhin werden eine Zunahme der Servitization, die Abwendung von realen Sachgütern und die Hinwendung zu einer Verbindung von Sachgütern und Dienstleistungen deutlich. Darüber hinaus ist der Trend zur Individualisierung und der direkt auf den Endkunden zugeschnittenen Produkte ungebrochen.

Soll

Kennzahlen(Messglied)

Mitarbeiter A

Mitarbeiter Werkzeugwesen

(Regler)

Abweichung (Ist)Kennzahl Z

Kennzahl YKennzahl X

Mitarbeiter BMitarbeiter C

--

-

Regelgröße X

Regelgröße Y

Regelgröße Z

Zie

lgrö

ße

CZ

ielg

röß

e B

Zie

lgrö

ße

A

Soll Abweichung (Ist)-

lebenszyklusumfassendeZielgröße

finanzielle Systemeffizienz

Prozesseigner

Externe KomplexitätenTypologie Fertigung

Verantwortungsbereich(Einflussfaktoren)

Methodenkatalog(Stellglied)

Werkzeug-lebenszyklus(Regelstrecke)

Maßnahmen-katalog

MethodenWissen

k

x

LernenKVP

Interne KomplexitätenMethodeninterdependenz

Verschwendungen(Störgrößen)

Soll-Zustand

Ist-Zustand

?

?

? ?

?

?

?

? Forschungsteilgebiete

?

Zeit Qualität

Daten-verwaltung

MaßnahmenTechnik

Organisation ?

?

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Aus unternehmensstrategischer Sicht sind dadurch nicht nur Evaluierungen und Analysen zur Neugestaltung der Wertschöpfungsstrukturen und der Wertschöpfungsprozesse erforderlich, sondern es muss auch die Organisation der Wertschöpfungsarchitektur und die Koordination von Leistungserstellung und Wertschöpfungsaktivitäten über die Grenzen des Unternehmens hinaus betrachtet werden. Letzterer Bereich ist dabei unerlässlich, um die Potenziale von Industrie 4.0 und der zugrundeliegenden Technologien umfassend nutzen zu können, da sich hier Fragen zu erforderlichen Unternehmenskompetenzen, zur Zusammenarbeit mit Partnern, der Eigenerstellung oder der Auslagerung von Leistungen oder des On- und Offshorings ergeben.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines konzeptuellen Bezugsrahmens zur Strukturierung und Erklärung der Einflüsse von Technologien, Techniken und Konzepten von Industrie 4.0 auf die Gestaltung und Koordination von über die Unternehmensgrenzen hinausreichenden Wertschöpfungsaktivitäten.

Thema A2-026: Ein Managementmodell zur Entwicklung von Produkt Service Systemen in Ökosystemen des Maschinen- und Anlagen-baus

Doktorand: M. Sc. Philipp Humbeck

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII)

Dr. rer. pol. Julia Duwe (TRUMPF)


Zusammenfassung

Der Maschinen- und Anlagenbau steht hinsichtlich der Ausschöpfung des Digitalisierungs-potenzials im Gegensatz zu anderen Branchen wie beispielsweise der Telekommunikations-branche noch am Anfang. Als zentrale Herausforderung erweist sich der Wandel vom Produkt-hersteller zum Gesamtlösungsanbieter. Im Rahmen dieses Wandels wird Kundennutzen zunehmend über Softwarelösungen generiert, digitale Kundenschnittstellen werden von neuen Wettbewerbern aus der IT- und Internet-Branche besetzt, die Rolle etablierter Anbieter wird durch plattformbasierte Geschäftsmodelle grundsätzlich verändert. Aufgrund dieser markt- und technologieseitigen Veränderungen muss sich auch die strategische Ausrichtung der Unternehmen innerhalb dieser Branche verändern. Um Optionen für die Entwicklung innova-tiver Lösungen zu schaffen, werden neue und komplementäre Kompetenzen und Technolo-gien benötigt. Dies macht häufig das Entwickeln in Partnerschaften mit diversen Unternehmen in unterschiedlichen Modi notwendig, was zu einem multilateralen Beziehungsgeflecht sowie Interdependenzen in Teilsystemen und Aktivitäten führt. Dieser Sachverhalt wird in der obigen Abbildung verdeutlicht.

Um die Entstehung eines innovativen Produkt-Service Systems – als Gesamtlösung – in angemessener Zeit, zu steuerbaren Kosten und gleichbleibender Qualität garantieren zu können, wird ein Managementmodell benötigt, welches die wirtschaftlichen und strukturellen Beziehungen des Ökosystems berücksichtigt.

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Ziel des Forschungsprojekts ist daher die Entwicklung eines Modells zum Management der Entwicklung von Produkt-Service Systemen in Ökosystemen des Maschinen- und Anlagen-baus. Dieses Modell wird anschließend im Rahmen der Entwicklung verschiedener TRUMPF-Produkte angewendet und evaluiert.

Abb. 14: Industrie 4.0 als sozio-technisches System

Thema A2-F2-012: Alternativen zur Fließbandfertigung in der Automobil-industrie

Doktorand: M. Sc. Wolfgang Kern

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)

Dr. Henning Löser (AUDI AG)


Zusammenfassung

Die Fließbandfertigung hat einst die arbeitsteilige Massenproduktion von Gütern ermöglicht und prägt die Automobilindustrie und zahlreiche andere Branchen bis heute. Jeder Auftrag hat an jeder Station in fester Abfolge eine einheitliche Taktzeit zur Bearbeitung zu Verfügung. Einmal ideal getaktet, basiert das Prinzip auf langen Produktlebenszyklen und einer stabilen Nachfrage. Der Automobilbau ist in den letzten Jahren jedoch mit einer starken Produkt-differenzierung, kürzeren Produktlebenszyklen, Auftragsschwankungen und Ungewissheit konfrontiert. Der Aufwand zur Aufrechterhaltung und die Grenzen des starren Fertigungs-konzepts werden zunehmend deutlich. Diese Entwicklung wird sich durch neue Produktions-technologien, durch alternative Antriebskonzepte sowie eine stärkere Individualisierung und Personalisierung der Produkte weiter fortsetzen. Um dieser Vielfalt und Dynamik auch in Zukunft gerecht zu werden, ist eine Anpassung der Fertigungskonzepte an die veränderten Anforderungen notwendig. Zugleich bestehen durch die Vernetzung der Systemelemente in einem cyber-physischen Produktionssystem, neue Möglichkeiten mit dieser Komplexität effizient umzugehen.

Das Werteversprechen – ein Produkt-Service-System

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Als Alternative zur Fließbandfertigung in der Automobilindustrie wurde im Forschungsprojekt ein modulares Montagesystem für eine variantenreiche Serienproduktion konzipiert. Grund-lage des alternativen Fertigungskonzepts bilden die Prinzipien der Modularität, Vernetzung und Selbstorganisation. Es besteht aus entkoppelten Arbeitsstationen, einem flexiblen Fertigungsfluss und besitzt keine einheitliche Taktzeit. Die entkoppelten Stationen werden individuell und bedarfsabhängig von den Produkten angefahren. Die Zuweisung der Bedarfe und Ressourcen erfolgt selbstorganisiert und berücksichtigt die jeweilige Situation im Montagesystem. Für die daraus resultierenden Anforderungen an die Fertigungsplanung und -steuerung, die Arbeitsorganisation und die Produktionslogistik wurde eine geeignete Planungsmethodik und Steuerungslogik entwickelt.

Durch den Wertschöpfungsfokus in den Stationen, die Selbstorganisation im Abgleich zwischen Bedarfen und Kapazitäten und die ganzheitliche Betrachtung von Montage inkl. Produktionslogistik können die Vorteile der Fließfertigung hinsichtlich Arbeitsteilung und Effizienz erhalten sowie deren Nachteile bezüglich Flexibilität und Wandlungsfähigkeit über-wunden werden. Dies wurde bisher durch die Anwendung der Methodik auf reale Fallbeispiele, die Simulation der Steuerungslogik und die Umsetzung in einer Versuchsanlage bestätigt. Somit kann die notwendige Flexibilität und Wandlungsfähigkeit einer zukünftigen Automobil-produktion mit diesem alternativen Fertigungskonzept wirtschaftlich realisiert werden.

Thema A2-015: Realitätsnahe Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0

Doktorand: M. Sc. Fei Long

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche (IMA) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)


Zusammenfassung

Mit steigender Globalisierung werden anpassungsfähige effiziente Produktionssysteme zur Herstellung der kundenorientierten individuellen Produkte gefordert. Zufällige Maschinen-ausfälle führen zu unerwarteten Unterbrechungen der Produktion und den daraus resultieren-den Verlusten. Das Problem kann durch Modellierung der Verfügbarkeit der Produktions-systeme behoben werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, um die Maschinenausfälle der Produktionssysteme vorherzusagen und die Produktionssysteme nach den Schwachstellen zu optimieren.

Die Produktionssysteme werden mit der grafischen Modellierungsmethode Petri-Netz modelliert. Dadurch können die Zustände der Systeme und deren Veränderungen beschrieben werden. Mit stochastischen Verteilungsfunktionen werden die Lebensdauer der Maschinen und die Produktionszeit beschrieben. Durch Kombination der genetischen Algorithmen mit Petri Netz können die gesamten Produktionsverläufe beschrieben werden. Mit den neuronalen Netzen können die Modelle selbst Entscheidungen nach den Kundenverträgen und vorhande-nen Ressourcen (Lieferzeit, Kosten usw.) treffen, um die Produktion mit Berücksichtigung der Maschinenausfälle und Instandhaltung zu optimieren. Die Methode wird anschließend mit realen Produktionssystemen evaluiert.

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Abb. 15: Modellierung der Produktionssysteme durch Kombination der Petri-Netze mit genetischen Algorithmen und neuronalen Netzen

Thema A2-021: Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit Metall

Doktorandin: Dipl.-Ing. Sarah Müller



Zusammenfassung

Die Zahl der Anwendungen für additive Fertigungsverfahren wächst, aufgrund ihrer Möglich-keiten in der Produktentwicklung und -gestaltung, stetig. Gleichzeitig stellt die unzuverlässige Vorhersagegenauigkeit und Qualität für Unternehmen eine Hürde bei dem Einsatz der Techno-logie dar. Eine Vielzahl der heute durchgeführten Experimente dient der Sammlung und Auswertung von Daten, um neue Korrelationen zwischen Prozessparametern und Bauteil-eigenschaften aufzudecken. Trotzdem bleiben viele Zusammenhänge zwischen Prozess und Ergebnis unklar.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines Prozessmodells, womit die Vorhersage-genauigkeit der Bauteileigenschaften verbessert werden kann. Zur Aufdeckung von Zusam-menhängen wird der Prozess auf verschiedenen Ebenen analysiert. Dazu werden zuerst der Schritt des Schmelzens von Metallpulver auf der makroskopischen Ebene betrachtet und die Hauptwirkmechanismen bestimmt. Dann erfolgt die Untersuchung eines einzelnen Pulver-partikels unter statischen und anschließend dynamischen Bedingungen. Abschließend werden die, auf unterschiedlichen Ebenen ermittelten, Wirkmechanismen miteinander verglichen.

Modelle der realen Produktionssysteme

Produktionssysteme

Verfügbare Ressourcen: Maschinen, Mitarbeiter,

Ersatzteile, Rohmaterialien, …

Entscheidungsfindung Kürzeste Herstellungszeit,niedrigste Kosten, max. Gewinn, …

Zustände der Systeme: Lebensdauer der Maschine,

Fertigungszeit, …

Ergebnisse: Produktions-

prozesse (Reihenfolge, Verlauf, …)

Instandhaltungs-maßnahme

Kundenvertrag: Variante, Stückzahl, Lieferzeit, Kosten, Qualität, …

Grafische Modellierung der realen Produktionssysteme mit Petri-Netz

Entscheidungsfindung mit neuronalen Netzen

Beschreibung der Produkte und Produktionsverläufe mit genetischen

Algorithmen

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Thema A2-024: Ausgestaltung eines durchgängigen Qualitätssicherungs-ansatzes auf Basis von modellbasiertem Tracking im dynamischen Produktionsumfeld

Doktorand: M. Eng. Nils Piero

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)

Dr.-Ing. Oliver Geißel (Daimler AG)


Zusammenfassung

Die Komplexität heutiger Produkte und die Produktion der Varianten mit einer Tendenz zu kundenindividualisierten Einzelprodukten führen zu einem stetigen Wandel von Montagelinien, welche eine anhaltende Herausforderung für die industrielle Produktion darstellt.

Zur Sicherung produzierter Qualität werden kamerabasierte Qualitätsprüfungssysteme eingesetzt. Aktuelle Anwendungen der Bildverarbeitung zur Qualitätsprüfung sind jedoch für die Serienfertigung ausgelegt. Eine Inbetriebnahme dieser Anwendungen findet im Hochlauf der Montagelinie statt. Während dieser Inbetriebnahmephase kann das Qualitätsprüfungs-system nicht genutzt werden und zusätzliche Qualitätsprüfungsmethoden müssen parallel eingesetzt werden. Änderungen in der Montagelinie, am Produkt oder das Hinzufügen von neuen Produkten oder Varianten in die bestehende Montagelinie führen zu erneuten Anpassungen und Systemausfällen. Als Herausforderung dieser Arbeit kann somit zusammengefasst werden, dass heutige kamerabasierte Qualitätsprüfungssysteme nicht die geforderte Wandlungsfähigkeit bei Veränderungen der variantenreichen Montage mit sich bringen und erst spät – nicht zur Prüfung der ersten produzierten Produkte – einsatzfähig sind.

Abb. 16: Vergleich von virtueller Inbetriebnahme (links) und realer Inbetriebnahme (rechts)

Zielsetzung der Arbeit ist es, eine Methodik zum wandlungsfähigen Einsatz und zur frühen Integration von Qualitätsprüfungssystemen in der variantenreichen Montage zu entwickeln. Dazu wird einerseits eine Schließung der Lücke zwischen virtueller Produktplanung und realer Produktion angestrebt. Andererseits wird ein Teil der Inbetriebnahme in den virtuellen Raum verlagert, um eine frühere Einsatzfähigkeit zu erreichen. Die nachfolgende Abbildung zeigt im linken Bild die Prüfung eines Betriebsmittels im virtuellen Raum, im rechten Bild erfolgt die identische Prüfung anhand des realen Betriebsmittels.

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Thema A2-003: Metacognition in distributed intelligent Systems

Doktorand: Tobias Störzinger (StEx: Phil., Politik, Geschichte)

Thesis Committee: Prof. Dr. Catrin Misselhorn (Philo)


Zusammenfassung

Fabriken lassen sich aus theoretischer Perspektive als verteilte sozio-technische Systeme beschreiben, innerhalb derer nicht nur Handlungen, sondern auch kognitive Prozesse realisiert werden. Die Arbeit Metakognition in verteilten intelligenten Systemen erarbeitet ein theore-tisches Konzept mit dessen Hilfe geklärt werden kann, inwiefern und unter welchen Bedingungen verteilte Systeme dazu in der Lage sind, ihre kognitiven Prozesse und Zustände erkennen, evaluieren und kontrollieren zu können. Hierzu wird in einem ersten Schritt eine funktionale Theorie von Metakognition als „Monitor&Control“-Kompetenz entwickelt, die auch auf verteilte Systeme angewendet werden kann. Zweitens wird mittels einer Auseinander-setzung mit philosophischen Theorien zu „Gruppenakteuren“, Theorien zum Phänomen der kollektiven Intentionalität und eine kritische Würdigung der kognitionswissenschaftlichen Literatur zur verteilten Kognition, expliziert, inwiefern verteilte sozio-technische Systeme Kognition besitzen. In einem dritten Schritt wird die funktionale Theorie von Metakognition auf verteilte sozio-technische Systeme angewendet und so Metakognition in verteilten Systemen als organisationale Eigenschaft identifiziert, die durch unterschiedliche Strukturen und Mechanismen realisiert sein kann. Die Arbeit befindet sich in der abschließenden Phase der Korrektur des Manuskripts.

Thema A2-023: Autonome Entscheidungsfindung in der Produktions-steuerung komplexer Werkstattfertigungen

Doktorand: M. Sc. Bernd Waschneck

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)

Dr. Thomas Altenmüller (Infineon)


Zusammenfassung

Traditionell sind ein Großteil der in der Halbleiterindustrie gefertigten Komponenten Speicher-bausteine und Prozessoren, die in wenigen Varianten und großem Volumen produziert werden. Durch das Internet der Dinge sind neue, spezialisierte Halbleiterprodukte wie z.B. Sensoren gefragt, die häufig in geringer Stückzahl und vielen Varianten hergestellt werden.

Das ständig wachsende, diverse, volatile Portfolio moderner Halbleiterhersteller stellt neue Anforderungen an die Produktionssteuerung der Frontend-Reinraumfertigungen. Das Fertigungsprinzip einer Halbleiterproduktion ist die flexible Werkstattfertigung. In einer flexiblen Werkstattfertigung wird die Reihenfolgeplanung in Echtzeit durch Heuristiken und lokal durch

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lineare Optimierung vorgenommen, wobei beide Methoden bei gestiegener Komplexität an ihre Grenzen stoßen.

In diesem Forschungsprojekt wurde ein neuer Ansatz für Produktionssteuerung in Werkstatt-fertigungen entwickelt, der auf künstlicher Intelligenz basiert. Zielsetzung ist, die hohe Aus-lastung der Maschinen, geringe Durchlaufzeiten und eine hohe Liefertreue in der komplexen Umgebung zu gewährleisten. Dabei wird die Methode des Deep Reinforcement Learnings eingesetzt, um die Produktionssteuerung in einer Simulation zu verbessern. Mehrere Reinforcement Learning Agenten erlernen kooperativ Strategien zur Optimierung des globalen Fabrikziels. Die neue, selbstlernende Methodik übertrifft dabei in ihren Ergebnissen hinsicht-lich der Zielsetzung den Stand der Wissenschaft. Das Forschungsprojekt wurde 2018 erfolg-reich abgeschlossen.

3.2 Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr. rer. pol. habil. Georg Herzwurm (BWI)


Entwicklung des Clusters B2

Das Forschungsprogramm des Clusters B2 beinhaltete drei Themenschwerpunkte (Abb. 17):

Management von globalen Produktionsnetzwerken

Dienstleistungen in globalen Produktionsnetzwerken

Kulturelle Vielfalt und Nachhaltigkeit in globalen Produktionsnetzwerken

Aus diesen Schwerpunkten wurden Forschungsthemen abgeleitet, die in sieben laufenden Dissertationsvorhaben im Berichtszeitraum bearbeitet wurden. Die Dissertation zum Thema „Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungs-dienstleistungen“ (T. Tauterat) konnte erfolgreich verteidigt und im Oktober 2018 veröffentlicht werden.

Während des Berichtszeitraums 2018 wurde ein neues Dissertationsvorhaben gestartet, dessen Gegenstand die Erforschung von Managementaspekten im Produktionsanlauf ist. Zur vollständigen Nutzung von Vorteilen eines globalen Produktionsnetzwerks ist es notwendig, so früh wie möglich den Produktionsanlauf effektiv und effizient zu gestalten. Die Dissertation verfolgt das Ziel, dafür ein situatives Koordinationswerkzeug zu entwickeln und zum Manage-mentschwerpunkt des Clusters beizutragen. Weiterhin wurden im Jahr 2018 entscheidende Fortschritte in den laufenden Dissertationsvorhaben erzielt. Die Forschungsergebnisse der Nachwuchsgruppe, zu denen die Promovierenden des Clusters B2 beigetragen haben, werden im entsprechenden Kapitel des vorliegenden Berichts dargelegt.

Zur Unterstützung der Forschungen der Promovierenden, ihres fachspezifischen Diskurses wie auch zur interdisziplinären Zusammenarbeit fanden während des Berichtszeitraums zahlreiche clusterspezifische Doktorandenkolloquien statt. Es wurden zwei Fachvorträge für Kolloquien innerhalb des Kernprogramms organisiert. Im Rahmen eines Kamingesprächs hat Prof. Dr. André Bächtiger vom Institut für Sozialwissenschaften einen vielbeachteten Vortrag zum Thema „Regieren im 21. Jahrhundert: repräsentative Demokratie, partizipative

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Demokratie oder Technokratie“ gehalten. Das jährliche betriebswirtschaftliche Symposium bot auch 2018 ein spannendes und aktuelles Thema. Mittlerweile in der 38ten Ausgabe und unter dem Titel „Wie bezahlen wir in Zukunft“, ergaben sich interessante Diskussionen und Gedanken. So stellte beispielsweise Prof. Dr. Schäfer von der Uni Stuttgart fest: „Banken braucht man eigentlich nicht“ und lässt mit dem Wort „eigentlich“ Raum für Diskussionen.

Abb. 17: Forschungsprogramm des Clusters B2

Des Weiteren konnten die Promovierenden im Rahmen des Arbeitskreises Wirtschafts-informatik des BWI an einem Erfahrungsaustausch zwischen Theorie und Praxis teilnehmen. Dem Arbeitskreis gehören Vertreter aus über 50 Unternehmen der Region Stuttgart und Umgebung an. Bei diesen von Prof. Dr. Herzwurm und Prof. Dr. Kemper organisierten Veranstaltungen konnten die Promovierenden wertvolle Einblicke in Themen erlangen, die für Unternehmen in global aufgestellten Produktionsnetzwerken von hoher Relevanz sind. Das Leitthema 2018 lautete „Gezähmte Agilität – Auf dem Weg zu (fr)agiler Planbarkeit“.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters B2

Themen Gesamt DFG Industrie / FhG




abgeschlossen 1 1 0

drop out 1 1 0

Stand 31.12.2018

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Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters B2


B2-001

Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungsdienstleistungen

abgeschlossenTobias Tauterat

DFG Prof. Herzwurm

B2-002

Kompetenzmessung in Fabrik-verbünden – ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories


Christian Katzfuß

DFG Prof. Burr

B2-004

Kosten- und Resilienzmanagement in globalen Produktionsnetzwerken


Johannes Nickel

DFG Prof. Pedell

B2-005

Diversity-Kompetenzen für globale Produktionsnetzwerke: Theoretische Perspektiven, Anforderungen und Potenziale für den Umgang mit personaler Vielfalt

dropout Benjamin Frank

DFG Prof. Tilebein

B2-010

Systematische Bewertung von Innovationen in Produktions-netzwerken


Robert Henzel

DFG Prof. Herzwurm

B2-006

Wettbewerbsfähigkeit globaler Produktionsnetzwerke – Ökonomische Analyse situativer Erfolgspotenziale grundlegender Netzwerkkonfigura-tionen


Richard Horn

DFG Prof. Oesterle

A2-001

Das Leitmodell des Clusters als adap-tives System unter Berücksichtigung des Realoptionsgedankens

abgeschlossen Kristina Dewes

DFG Prof. Schäfer

B2-007

Digitale Plattformen zur Integration von Wertschöpfungspartnern in produzierenden Unternehmen


Dimitri Petrik

DFG Prof. Herzwurm

B2-D9

Integriertes Projektmanagement für Produktionsnetzwerke

abgeschlossen Claudia Piesche

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

B2-D10

Integrierte Produktionsnetzwerke – eine industriespezifische Analyse

abgeschlossen Max Monauni

DFG Prof. Zahn

B2-008

Industrie 4.0 ernst genommen - Effekte der Digitalisierung auf produktionswirtschaftliche Modelle


Marc Wiedenmann

DFG Prof. Größler

B2-009

Strukturelle, technokratische und personenorientierte Koordination des Produktionsanlaufs in globalen Netzwerken


Simon Dreher

DFG Prof. Oesterle


Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster B2

Thema B2-009: Strukturelle, technokratische und personenorientierte Koordination des Produktionsanlaufs in globalen Netzwerken

Doktorand: M. Sc. Simon Dreher

Thesis Committee: Prof. Dr. Michael-Jörg Oesterle (BWI – Abt. IX)


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Zusammenfassung

Mit der netzwerkmäßigen Dezentralisierung der Produktion über Länder- und Unternehmens-grenzen hinweg werden zwar Voraussetzungen für eine effektive und effiziente Fertigung geschaffen, jedoch erweisen sich Produktionsnetzwerke bei kürzer werdenden Produkt-lebenszyklen als zunächst einmal kritisch, da sie für einen gegenüber zentral angelegter Produktion gestiegenen und zeitintensiveren Abstimmungsbedarf sorgen. Dies trifft insbesondere auf die Phase des Produktionsanlaufs zu: in dieser Phase muss nicht nur die typische Herausforderung einer Abstimmung zwischen den beteiligten Entwicklungs- und Produktionseinheiten bewältigt werden, sondern vielmehr ist eine zeitliche, qualitäts- sowie quantitätsbezogene Abstimmung zwischen den international gestreuten, unternehmens-internen und/oder unternehmensexternen Fertigungsstandorten herbeizuführen. Zusätzlich wird der anlaufbezogene Abstimmungsbedarf durch die innerhalb des Netzwerks vorherr-schende Ausgestaltung der Liefer- und Leistungsströme beeinflusst. Die bewusste Deckung dieser netzwerkinduzierten Abstimmungsbedarfe im Produktionsanlauf mittels struktureller, technokratischer und personenorientierter Koordinationsinstrumente ist als eine Kernheraus-forderung des Managements globaler Netzwerke zu bezeichnen. Diese Herausforderung muss bewältigt werden, um die Vorteile globaler Produktionsnetzwerke nutzen zu können.

Bisherige Untersuchungen zur Koordination der Anlaufphase in globalen Netzwerken gehen vornehmlich von einem eher allgemeinen Netzwerkverständnis im Sinne einer Zulieferer-Abnehmer-Beziehung aus. Spezifische Aspekte globaler Netzwerke, wie die Internationalität bzw. Interkulturalität der Netzwerkakteure sowie die organisatorische Grundform (internes und/oder externes Netzwerk sowie gepoolte, sequentielle oder interdependente Liefer- und Leistungsströme) werden dabei kaum thematisiert. Gerade diesen Aspekten dürfte jedoch große Bedeutung für die Eignung und Wirksamkeit genannter Instrumente zur Koordination innerhalb der Anlaufphase zukommen.

Dies gilt umso mehr als unterschiedliche Entwicklungen vermehrt zur Ausdifferenzierung globaler Netzwerke führen dürften. Einem Forschungsdefizit stehen somit eine zukünftig weiter steigende Bedeutung globaler Netzwerke und eine entsprechende Notwendigkeit zur Koordination des Produktionsanlaufs gegenüber.

Das Ziel des Dissertationsprojekts besteht darin, für unterschiedliche Netzwerktypen jeweils effektive und effiziente Koordinationsinstrumentarien des Produktionsanlaufmanagements zu erarbeiten. Genauer wird der Frage nachgegangen, bei welchen generellen Charakteristika des globalen Netzwerks welcher Koordinationsinstrumenten-Mix am ehesten zur Realisierung der Ziele des Produktionsanlaufmanagements beiträgt.

Thema B2-010: Systematische Bewertung von Innovationen in Produktionsnetzwerken

Doktorand: M. Sc. Robert Henzel

Thesis Committee: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)


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Zusammenfassung

Cloud Manufacturing überträgt die Prinzipien des Cloud Computing auf die Produktions-landschaft. Die High-level Idee ist das Zusammenspiel der Integration von verteilten Ressourcen (Produktionsressourcen oder Produktionsfähigkeiten) sowie die Verteilung von diesen integrierten Ressourcen über eine Cloud Plattform.

Innerhalb der Literatur wurde identifiziert, dass das Thema der Informationssicherheit sowie das Vertrauen in dieses neue Produktionsparadigma bisher unzureichend untersucht worden ist. Während die Vertrauenssituation beim klassischen Cloud Computing bereits eine signifi-kante Rolle spielt, ist diese beim Cloud Manufacturing grundsätzlich verschärft, da der ganzheitliche Produktionsprozess über eine Cloud abgewickelt wird. So stehen neben Informationen und Daten nun auch bspw. Betriebsgeheimnisse und Spezialwissen rund um die Produktion „in der Cloud“ – diese können, bei Missbrauch oder fälschlicher Handhabung, gar zum Verlust von Wettbewerbspositionen und der Wettbewerbsfähigkeit führen. Demnach ist diese Situation ebenfalls durch einen hohen Grad an Unsicherheit und Verletzbarkeit der Anwender charakterisiert.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, signifikante Einflussfaktoren aus der Anwender-perspektive zu determinieren, welche einen positiven oder negativen Einfluss auf die Bildung des Vertrauens gegenüber einer Cloud Manufacturing Plattform ausüben. Diese stellen schließlich die Basis, um Gestaltungsempfehlungen für die Anbieter von Cloud Manufacturing Plattformen ableiten zu können. Innerhalb der bisherigen Arbeit konnte die Problemdomäne des Vertrauens im Cloud Manufacturing definiert und strukturiert werden. Damit wurde nebst der existierenden Forschungslücke eine klare Untersuchungsnotwendigkeit identifiziert, da sich bisherige Erkenntnisse in thematisch benachbarten Bereichen nicht direkt übertragen lassen. Abbildung 18 stellt die ermittelte Problemdomäne des Vertrauens im Cloud Manufac-turing dar.

Innerhalb dieser Problemdomäne wurde durch sogenanntes Clustering nach First- und Second-Order Gruppen klassifiziert. Dies geschah durch die Gioia-Methode. Durch diese Strukturierung wird neben der Anreicherung der qualitativen Datensammlung im folgenden Schritt ebenfalls eine rigorose Einordnung in die bestehende Literatur nach Gewinnung der gewünschten Erkenntnisse ermöglicht.

Abb. 18: Problemdomäne des Vertrauens im Cloud Manufacturing

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Für das Kalenderjahr 2019 ist eine groß angelegte Delphi-Studie zusammen mit Gruppen-diskussionen in Planung, um die möglichen Einflussfaktoren zur Bildung des Vertrauens explorativ erfassen zu können. In einer Folgestudie werden diese Faktoren auf ihre statistische Signifikanz hin in der Grundgesamtheit mithilfe der varianzbasierten Strukturgleichungs-modellierung Partial Least Squares (PLS) untersucht.

Thema B2-002: Kompetenzmessung in Fabrikverbünden – ein Beitrag zur Identifizierung von Lead Factories

Doktorand: Dipl.-Kfm. techn. Christian Katzfuß

Thesis Committee: Prof. Dr. Wolfgang Burr (BWI – Abt. I) Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl (IFF)


Zusammenfassung

Unternehmen besitzen zunehmend komplexere sowie global verteilte Fabrikverbünde. Die verschiedenen Produktionsstandorte innerhalb eines Fertigungsverbundes müssen hierbei häufig unterschiedliche strategische Rollen einnehmen und demgemäß organisationale Fähig-keiten 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 Kompetenzen der einzelnen Fabriken spezifisch entwickeln.

Abb. 19: Untersuchungsmodell

Gegenstand des Forschungsprojekts ist die Untersuchung möglicher Potenzialfaktoren zur Beeinflussung dieser Kompetenzen einzelner Fabriken. Auf Grundlage ressourcenbasierter Ansätze sowie des Konzepts des organisationalen Lernens wurden potenzielle Erfolgsfaktoren und Ergebnisse durch theoretische Überlegungen erarbeitet. Die hypothetischen Zusammen-hänge wurden im Rahmen einer quantitativ statistischen Befragung von Fabrikmanagern geprüft. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können sodann Hinweise zur zielgerichteten Entwicklung von Fähigkeiten und somit strategischer Rollen einzelner Fabriken abgeleitet werden.

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Thema B2-004: Kosten- und Resilienzmanagement in Produktions-netzwerken

Doktorand:

Thesis Committee:

E-Mail:

Dipl.-Kfm. techn. Johannes Nickel

Prof. Dr. Burkhard Pedell (BWI – Abt. V) Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME)

[email protected]

Zusammenfassung

Globale Märkte sind mehr denn je durch Turbulenz gekennzeichnet. Bedrohungen für den Fortbestand einer Unternehmung liegen in technologischen Veränderungen, regulatorischen Umbrüchen, geopolitischen Schocks, schnell veränderten Kundenwünschen, Finanzkrisen, Naturkatastrophen, Terroranschlägen sowie einer wachsenden Anzahl neuer Wettbewerber. Im turbulenten Umfeld wird der konstruktive Umgang mit unerwarteten Ereignissen und Entwicklungen als entscheidender Wettbewerbsvorteil angesehen. Unternehmen, welche die Fähigkeit besitzen, sich anzupassen, gestärkt aus Rückschlägen hervorgehen und sich proaktiv verändern können, werden als resilient bezeichnet. Gleichzeitig sind produzierende Unternehmen permanent aufgefordert, ihre Effizienz zu steigern, sodass ein erfolgreicher Fortbestand im Wettbewerb möglich ist.

Gegenstand der Forschungsarbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Maßnahmen des Kosten- und des Resilienzmanagements innerhalb produzierender Unternehmen. Hierzu wurde mittels einer systematischen Literaturrecherche der Forschungs-stand zum organisationalen Resilienzmanagement erschlossen. Darauf aufbauend wurde ein konzeptioneller Bezugsrahmen entwickelt, welcher die Gestaltungsziele des Kostenmanage-ments sowie des Resilienzmanagements gegenüberstellt. Basierend auf den konzeptionellen Überlegungen entstand ein Interviewleitfaden, um neue Erkenntnisse zu den Wechsel-wirkungen innerhalb produzierender Unternehmen zu gewinnen. Es wurden halbstrukturierte Interviews mit Unternehmensvertretern aus den Bereichen Produktmanagement, Controlling, Produktion, Business Continuity Management sowie der Geschäftsleitung geführt. Die Interviews wurden transkribiert und mittels der Gioia-Methode ausgewertet. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Aufbau von Redundanzen zu Zielkonflikten innerhalb von Unternehmen führt, da diese mit einer Steigerung des Kostenniveaus einhergehen. Darüber hinaus werden sowohl auf Seiten des Kostenmanagements als auch des Resilienz-managements Maßnahmen identifiziert, welche in einem Zielkonsens zu einander stehen. Nachfolgende Abbildung 20 zeigt die Vorgehensweise zur Bestimmung der Wechsel-wirkungen.

Abb. 20: Wechselwirkungen zwischen Kosten- und Resilienzmanagement

Gestaltungsziele

• Flexibilität

• Redundanz

Resilienzmanagement

Gestaltungziele

• Kostenniveau

• Kostenstruktur

Kostenmanagement

Konflikt oder

Konsens

Maßnahme Maßnahme

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Basierend auf der Datenauswertung wird aktuell ein Instrument entwickelt, welches die Aspekte Kosten und Resilienz integriert betrachtet. Dieses wird im Rahmen einer Fallstudie empirisch validiert. Die integrierte Betrachtung soll produktorientierte Entscheidungen inner-halb von Unternehmen verbessern, so dass im Wettbewerb nachhaltige Vorteile erzielt werden.

Thema B2-007: Boundary Resources für industrielles IoT

Doktorand:

Thesis Committee:

E-Mail:

M. Sc. Dimitri Petrik

Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI - Abt. VIII) Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Bauer (FhG-IAO)

[email protected]

Zusammenfassung

Um die Herausforderungen der Digitalisierung im Maschinenbau zu bewältigen, gewinnen offene Plattformansätze zunehmend an Bedeutung. In der Praxis als industrielle Internet of Things (iIoT)-Plattformen bekannte Softwareprodukte, bieten Lösungen zur Erbringung wert-schöpfender digitaler Services (wie z.B. die datengetriebene Instandhaltung) und bilden die technische und die organisationale Grundlage für flexible und offene Wertschöpfungs-netzwerke. Bedingt durch die aus der Offenheit resultierende Komplexität, wird in der Wissenschaft die Orchestrierung des Wertschöpfungsnetzwerks als Erfolgsfaktor im Plattform-wettbewerb diskutiert. Im Forschungsfeld der Softwareökosysteme wurde die Boundary Resources Theorie zur Steuerung der Wertschöpfungspartner im Netzwerk entwickelt. Als Boundary Resources sind z.B. solche Ressourcen des Plattformanbieters wie Programmier-schnittstellen, Entwicklungsumgebungen oder die Dokumentation definiert. Durch das Design dieser Ressourcen kann ein Plattformanbieter das Wertschöpfungsnetzwerk und die plattform-basierten Services kontrollieren. Dennoch berücksichtigt die Boundary Resource Theorie nicht die Vielfalt der Stakeholder im iIoT oder die besonderen Ausprägungen der Offenheit bei den im Maschinenbau genutzten Plattformen. Deshalb wurden zu Beginn des Forschungsprojekts, in einer qualitativen Studie über die Erfahrung der Maschinenbauunternehmen im Einsatz von Plattformen, die heterogenen Stakeholdertypen im industriellen IoT identifiziert.

Abb. 21: Klassifikation der Komplementoren im iIoT auf Grundlage des Wissensschwerpunkts

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Ein weiteres Ergebnis dieser Studie bildet die Kriterienliste für die Geschäftsmodelle der aktuell relevanten iIoT-Plattformanbieter, die als eine Taxonomie strukturiert wurde. Die Taxonomie wird im weiteren Verlauf des Forschungsprojekts dazu verwendet, die zu unter-suchenden iIoT-Plattformen einzugrenzen.

Abb. 22: Geschäftsmodelltaxonomie für iIoT-Plattformen

Folglich besteht das Ziel des Forschungsprojekts darin, die Boundary Resources für die besonderen Anforderungen des iIoT in der Domäne des Werkzeugmaschinenbaus anzu-passen und die Boundary Resources Theorie dahingehend zu erweitern. Der Lösungsansatz zur Erweiterung basiert auf einer Gewichtung der erweiterten Boundary Resources. Mit Hilfe der Gewichtung soll ein Wachstumsmodell für Wertschöpfungsnetzwerke im industriellen IoT entwickelt werden.

3.3 Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Clusterdirektor: Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang (IPVS)


Entwicklung des Clusters C2

Durch aktuelle Trends wie Industrie 4.0 und Digitalisierung nehmen Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) eine Schlüsselstellung für produzierende Unternehmen ein. Dies spiegelt sich auch in der thematischen Fokussierung der Projekte im Cluster C2 wider. Das Cluster betrachtet den vollständigen Lebenszyklus von Daten, welche Produkte, Maschinen oder ganzen Fabriken näher beschreiben. Dieser Lebenszyklus startet mit der Generierung der Daten über intelligente Sensoriken und einer echtzeitfähigen, drahtlosen Datenübertragung in virtuelle Abbilder der Produkte und Produktionsprozesse. Ebenso stellen komplexe Simulationsmethoden weitere strukturierte und unstrukturierte Daten bereit. Den

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Kern der im Cluster C2 entwickelten Technologien stellt eine Plattform dar, welche diese verschiedenen Daten und zugehörigen Prozesse ganzheitlich verwaltet und dabei auch die Qualität der Daten sicherstellt. Darüber hinaus bietet die Plattform eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Analyse und Auswertung der umfassenden und qualitativ hochwertigen Datenbasis. Dabei werden in einigen Projekten Analyseverfahren aus den Bereichen des maschinellen Lernens, der Textanalyse und der visuellen Analyse im Hinblick auf ihre Nutzbarkeit im Rahmen der Produktion untersucht. Solche Verfahren ermöglichen es, aus den Daten wertvolle Informationen oder sogar wertvolles Wissen zu extrahieren, wodurch die datengetriebene und lernende Fabrik zu einer greifbaren Vision für die Zukunft wird.

Drei Promovierende aus dem Cluster C2 konnten im Berichtszeitraum ihre Promotion erfolgreich abschließen:

Smart Engineering Apps für eine mobile und situationssensitive Bereitstellung von Engineeringdaten (Dr.-Ing. Eva Hoos).

Scheduling & Routing Time-triggered Traffic in Time-sensitive Networks (Dr.-Ing. Naresh Nayak).

Resource-driven Processes: Concept, Use, and Incorporation (Dr.-Ing. Celal Timurhan Sungur).

Zudem hat Jan Königsberger seine Dissertation zum Thema „Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus“ eingereicht und steht kurz vor der Promotionsprüfung im Jahr 2019.

Im Jahr 2018 wurde ein neues Projekt gestartet, das in Kooperation mit der Festo AG & Co. KG durchgeführt wird. Herr Yannick Wilhelm bearbeitet das Thema „Wissens- und datengetriebenes System zur Entscheidungsunterstützung in automatisierungstechnischen Anlagen“, das nahtlos an die bisherigen Projekte und deren Ergebnisse im Cluster C2 anknüpft. Herr Wilhelm wird neuartige Methoden entwickeln, um über Datenanalysen generiertes Wissen mit Expertenwissen von Ingenieuren und Werkern zu kombinieren. So sollen Entscheidungen in einer lernenden Fabrik noch effektiver zur Optimierung der Produktion und Produktionsprozesse beitragen.Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters C2

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters C2





abgeschlossen 3 3 0

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2018

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Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters C2


C2-001

Product Life Cycle Analytics – Analy-tics der nächsten Generation auf strukturierte und unstrukturierte Daten

abgeschlossen Laura Kassner

Daimler AG Prof. Mitschang

C2-002

Ressourcengetriebene Auflösung und Erreichung der organisatorischen Ziele

ab-geschlossen

Timurhan Sungur

DFG Prof. Leymann

C2-003

IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing – Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle


Michelle Moisa

DFG Prof. Kemper

C2-004

Flexible FPGA-based Development and Test Platform


Jianxiong Zhang

DFG Prof. Berroth

C2-005

Softwaregesteuerte echtzeitfähige Kommunikationsnetze für die Produktion

abgeschlossen

Naresh Nayak

DFG Prof. Rothermel

C2-006

Intelligente Sensorik für die schnelle Inspektion in der Fertigung und das Monitoring schneller Prozesse im Prozess Engineering


Dimitrij Gester

DFG Prof. Simon

C2-007

Ein technologieunabhängiges und domänenorientiertes Datenmodell für den Engineering Service Bus


Jan Königsberger


C2-008

Apps im Engineering ab-geschlossen

Eva Hoos


C2-009

Scalable Visual Analytics for Advanced Manufacturing


Dominik Herr

DFG Prof. Ertl

C2-021

Entwicklung und Anwendung von Data Analytics Methoden in der Produktbewährung Powertrain


Marco Spiess


C2-011

Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraum-filtern mit Fokus auf Elektretfasern


Carolin Schober

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Mehl

C2-013

Datengetriebene Unterstützung von Nacharbeitsprozessen im End-Of-Line Prüffeld von Montagelinien


Vitali Hirsch


C2-014

Qualität von strukturierten und unstrukturierten Daten im Produkt-lebenszyklus – Data Quality across the Product Life Cycle


Cornelia Kiefer

DFG Prof. Mitschang

C2-022

Time-to-Market im Serviceprozess – Additive Manufacturing für die digitale Ersatzteilversorgung


Kathrin Pfähler

DFG Prof. Kemper

C2-015

Eine Plattform zur Verwaltung von Modellen des maschinellen Lernens im Umfeld von Industrie 4.0


Christian Weber

DFG Prof. Mitschang

C2-016

Modellierung der Verarbeitung von Filtermedien


Kai Höss

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Schmauder

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C2-018

Ganzheitliches Daten- und Prozess-management für virtuelle Entwicklung von Multiskalen-, Multiphysik-prototypen


Julian Ziegler

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Mitschang

C2-020

Ein Rahmenwerk zur Auswahl und Konfiguration komplexer Daten-analyselösungen für die Produktion


Alejandro G. Villanueva Zacarías

DFG Prof. Mitschang

B1 Einfluss von Dämpfungsparametern in Simulationsmodellen

abgeschlossen Matthias Reuß

DFG Prof. Verl

B4 Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls durch pneumatische Lackzerstäuber


Bo Shen

Fraunhofer IPA

Prof. Westkämper

B15 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung

abgeschlossen Fabian Rusitschka

AUDI AG Prof. Binz

B17 Optimizing embossing of pleated filters by fluid-structure-simulation of virtual prototypes

abgeschlossen Alexander Traut

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Piesche

B18 Virtual prototyping of next generation oil and fuel filter media by enhanced particle modelling


Friedemann J. Hahn

MANN+ HUMMEL GmbH

Prof. Piesche

E4 Neue Kommunikationsarchitektur für Echtzeitfabriken

abgeschlossen Bilal Hameed

DFG Prof. Rothermel

C2-027

Wissens- und datengetriebenes System zur Entscheidungsunter-stützung in automatisierungs-technischen Anlagen


Yannick Wilhelm

Festo AG & Co. KG

Prof. Mitschang


Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster C2

Thema C2-006: Intelligente Sensorik für die schnelle Inspektion in der Fertigung und das Monitoring schneller Prozesse im Prozess Engineering

Doktorand: M. Sc. Dimitrij Gester

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Sven Simon (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW)


Zusammenfassung

In der werkzeugmaschinenunterstützten Fertigung spielt eine 100%-Kontrolle zunehmend eine wichtige Rolle. Optische Messsysteme erlauben hier eine eine schnelle, berührungslose Inspektion maschinell bearbeiteter Teile. Weiter steigende Anforderungen an Messtoleranzen werden von physikalischen Einschränkungen bei bildgebenden Messverfahren eingeengt.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, Messtoleranzen optischer Messsysteme bei ganzheitlicher Betrachtung um 7%-15% zu verringern. Hierbei wird in einem interdisziplinären Ansatz die

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Auswirkung des Objektivaufbaus, des verwendeten Bildsensors in der Kamera, der einge-setzten Bildaufbereitungsalgorithmen und der auswertenden Sub-Pixel Kantendetektoren auf die Messgenauigkeit simulativ und experimentell untersucht. In einem zweiten Schritt wird ein vereinfachtes telezentrisches Messsystem beispielhaft ausgelegt und gebaut. Zuletzt werden die auf den Einsatzzweck zugeschnittenen Algorithmen auf eine FPGA-basierte Hardware-plattform portiert und das Gesamtsystem als Proof-of-Concept verifiziert.

Thema C2-013: Datengetriebene Unterstützung von Nacharbeitsprozessen im End-of-Line Prüffeld von Montagelinien

Doktorand: M. Sc. Vitali Hirsch

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW)

Dipl.-Ing. (FH) Oliver Kirn (Daimler AG)


Zusammenfassung

In der finalen Qualitätskontrolle, dem End-of-Line (EoL) Prüffeld, führt die steigende Komplexität und Variantenvielfalt technisch anspruchsvoller Produkte zu einer Zunahme an festgestellten Qualitätsmängeln. Qualitätsmängel werden in Form von Nacharbeiten durch erfahrene Mitarbeiter behoben, die in vielen Fällen mehrere Reparaturversuche benötigen. In Hochlohnländern wie Deutschland führen diese Mehraufwände zu erheblichen Mehrkosten und senken die Rentabilität von produzierenden Unternehmen. Gleichzeitig werden Produktions- und Qualitätsdaten generiert, welche ein großes Potenzial für datengetriebene Optimierungsansätze bieten, z.B. um im Anwendungsfall die Anzahl unnötiger Reparatur-versuche zu reduzieren. Diese Ansätze basieren auf den Methoden des maschinellen Lernens und müssen an die jeweilige Anwendungsdomäne angepasst werden. Insbesondere muss die Auswahl und Konfiguration geeigneter Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens die domänenspezifischen Datencharakteristika berücksichtigen. Die Daten aus dem Qualitäts-management zeichnen sich beispielsweise durch einen geringen Umfang und einer inhärenten Varianz aus. Aktuelle Ansätze aus dem Stand der Wissenschaft adressieren zwar einzelne Aspekte der untersuchten Anwendungsdomäne, schlagen jedoch keinen Gesamtansatz für das EoL-Prüffeld vor, das alle zugrundeliegenden Datencharakteristika unterstützt.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines adaptiven Empfehlungssystems zur Unterstützung von manuell durchgeführten Nacharbeitsprozessen im EoL-Prüffeld technischer Produkte. Dieses Empfehlungssystem macht den Mitarbeitern mithilfe einer Datenanalyse Vorschläge, wie sie einen konkreten Qualitätsmangel mit wenig Reparaturversuchen beheben können. Von besonderer Relevanz ist die Untersuchung von Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens, um die Eignung dieser Methoden für Fertigungsdaten mit den domänenspezifischen Datencharakteristika zu bewerten sowie geeignete Methoden zu kombinieren und an die Domäne anzupassen. Daneben steht die nachhaltige Fehlerabstellung in der Montagelinie im Fokus, indem mithilfe der Datenanalysen fehlerverursachende Montagestationen identifiziert werden. Abb. 23 illustriert diesen Sachverhalt schematisch.

Im Forschungsjahr 2018 konnten die konkreten Herausforderungen an das zu entwickelnde Empfehlungssystem definiert und ein analytischer Ansatz erarbeitet werden. Der analytische

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Ansatz wurde beim Industriepartner prototypisch implementiert. Außerdem wurden experimentelle Untersuchungen und Simulationen durchgeführt, um Methoden aus dem maschinellen Lernen hinsichtlich ihrer Eignung zu bewerten. Aus den gewonnen Erkennt-nissen konnte eine Kombination angepasster Methoden abgeleitet werden, die mit den Herausforderungen und Datencharakteristika der Anwendungsdomäne besser umgehen kann. Des Weiteren ist ein Anforderungskatalog erstellt worden, um den Ansatz in den laufenden Serienbetrieb einzubetten.

Abb. 23: Zusammenführung von Datenquellen*

*) um Methoden aus dem maschinellen Lernen für eine Generierung von Empfehlungslisten zur Behebung von Qualitätsmängeln anzuwenden.

Thema C2-016: Modellierung der Verarbeitung von Filtermedien

Doktorand: Dipl.-Ing. Kai Höss

Thesis Committee: Prof. Dr. Siegfried Schmauder (IMWF)

Dr. Florian Keller, MANN+HUMMEL GmbH


Zusammenfassung

Aufgrund der fortschreitenden technischen Entwicklung entstehen neue Herausforderungen in der Produktion von Filtermedien. Während die Einschränkung des Bauraums fortschreitet, steigen die Anforderungen an Filtereffizienz, Druckverlust und Staubspeicherkapazität. Deshalb gewinnt der Einsatz von synthetischen Filtermedien an Bedeutung. Zudem ist es heute gängig, auf der Grundlage von Parameter-Optimierungen neue mehrlagige Filtermedien mit gradueller Faserdichte und höherer Performance zu entwickeln. Das komplexe Material-verhalten dieser neuen, synthetischen Filtermedien stellt die Fertigungsabteilungen und die Filtersimulation vor neue Herausforderungen. Die Materialien zeigen ein stark anisotropes, elastisch-plastisches Materialverhalten, möglicherweise mit viskosen Effekten.

MotorDiagnose

…

Vergleich

PrLauf

Motor

Messwerte

Muster

Mining

Data

PR1

Vergleich

PR2 PR3

Messwerte

PRn

Aggregat

Top n Fehlerbilder

Fehlerhafte Aggregate: Aggregate, die Prüffeld nicht bestanden habenNC-Kosten: Non-konformitätskosten Pr: Prüflauf

Fehlerbild

• Reduzierung von NC-Kosten mittels Empfehlungslisten

• Identifizierung fehler-verursachender Montagestationen

Zielsetzung

Fehlerbild 2Fehlerbild

3Fehlerbild n

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Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Beschreibung dieses Materialverhaltens und die Ermittlung ihres Einflusses auf die Produktionsprozesse, mithilfe eines numerischen Simula-tionsmodells. Letztendlich beeinflusst das Materialverhalten im Produktionsprozess die resul-tierende Faltengeometrie erheblich und beeinflusst somit die Filterleistung. Um das Material beschreiben zu können, ist es notwendig, das Materialverhalten sowohl auf der Ebene der makroskopischen Filtermedien als auch der mikroskopischen Faserebene zu beschreiben. Die Berücksichtigung dieser beiden Skalen soll deshalb in einem Mehrskalenmodell (Abb. 24) umgesetzt werden.

Abb. 24: Workflow der zu entwickelnden Mehrskalensimulation

Eine dynamische Prozesssimulation des rotativen Produktionsprozesses für Filterelemente wird mit einer Simulation auf Faserebene kombiniert, die das komplexe Verhalten der Polymerfasern auf mikroskopischer Ebene abbildet. In einem ersten Schritt wurde ein umfangreiches Materialtestprogramm gestartet, um das bisher unbekannte Materialverhalten auf Kontinuumsebene zu charakterisieren. Für Umwandlungsprozesse wie Schneiden, Prägen, Kalandrieren und Falten ist besonders das Materialverhalten außerhalb der Ebene von großer Bedeutung. Durch Verwendung eines ARCAN-Geräts war es möglich, die erforder-lichen Materialtests durchzuführen, um diese Eigenschaften außerhalb der Ebene zu ermitteln. Die in den Tests gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklung sowohl der Mikrostruktursimualtion als auch der makroskopischen Prozesssimulation voranzutreiben. Dieser duale Ansatz verspricht neue Einblicke in den Einfluss des Produktionsprozesses auf die Faltengeometrie, der Mikrostruktur des Filtermediums und letztendlich der Filterleistung synthetischer Filterelemente.

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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: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Frank Leymann (IAAS)


Zusammenfassung

Im Produktlebenszyklus fallen strukturierte Daten, z.B. im Enterprise-Resource-Planning, sowie unstrukturierte Daten wie Fehlerberichte und Bilder an. Diese Daten enthalten hochrelevante Informationen, welche unter Verwendung von Datenanalyseprozessen extra-hiert werden können. Bei der Extraktion von Informationen aus Daten kommen unterschied-liche Tools innerhalb eines Datenanalyseprozesses zur Anwendung. Diese Tools bieten z.B. Funktionen zur Datenvorbereitung, zur Erkennung von Zusammenhängen zwischen Daten und zur Visualisierung der Daten und der Analyseergebnisse an.

Bei der Analyse von unstrukturierten Textdaten werden zusätzlich spezielle Tools zur Verarbeitung von natürlicher Sprache angewandt. Wie in Abb. 25 gezeigt, wird hierbei etwa zuerst die Sprache innerhalb eines Datensatzes identifiziert (Englisch, Deutsch usw.), und es werden Wortarten annotiert (Nomen, Adjektiv…), um danach Entitäten wie Personennamen, Firmen und Orte zu erkennen. Für jeden Schritt in diesen Analyseprozessen sollte die Qualität der Daten messbar sein und bei Bedarf verbessert werden können. Nur so können durchgängig qualitativ hochwertige Informationen gewährleistet werden. Ob Daten in hoher oder niedriger Qualität vorliegen, hängt sehr stark davon ab, welches Tool die Daten verarbeitet und wie gut Tool und Daten zusammenpassen. Die Qualität einer Sprach-erkennung kann maßgeblich durch Datencharakteristika wie z.B. die Anzahl der verwendeten Abkürzungen und/oder die Textlänge beeinflusst werden. Die korrekte Erkennung von Entitäten kann hingegen insbesondere durch Texte ohne korrekte Groß- und Kleinschreibung sowie falsch gewählte Trainingsdaten behindert werden.

In diesem Promotionsprojekt werden ein Konzept und schnell ausführbare Methoden entwickelt, die es ermöglichen, Datenqualität für verschiedene Tools spezifisch messen und verbessern zu können. Insbesondere zur Messung und Verbesserung der Qualität von Textdaten sind bisher nur sehr wenige Forschungsansätze vorhanden, weshalb dieser Datentyp fokussiert wird.

Abb. 25: Illustration eines Textanalyseprozesses*

*) in dem in Kurznachrichten aus Twitter Informationen zur verwendeten Sprache sowie zu enthaltenen Wortarten und Entitäten (z.B. Personen, Orten) hinzugefügt werden.

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Im Jahr 2018 wurde eine Methode zur Veröffentlichung eingereicht und akzeptiert, mit der die Qualität von Analyseergebnissen aus strukturierten Daten mit Freitextfeldern verbessert werden kann. Weiterhin wurden konkrete Metriken erarbeitet, die auf die Eingabedaten einer Textanalyse angewendet werden können, um die Qualität des Analyseergebnisses vorher-zusagen.

Ein Ansatz, der automatisch misst, wie gut die von vielen Analysetools standardmäßig genutzten Trainingsdaten für die tatsächlich zu analysierenden Daten geeignet sind, wurde verfeinert und ist als Veröffentlichung im Jahr 2019 geplant. Ebenso wird ein aus diesen einzelnen Bausteinen integriertes Gesamtkonzept präzisiert und zur Veröffentlichung eingereicht, das eine umfassende Messung und Verbesserung der Qualität von Daten in Analyseprozessen ermöglicht.

Thema C2-003: IT-basierte Capabilities im Additive Manufacturing – Konzeption des Informationsmanagements für innovative Geschäftsmodelle

Doktorandin: M. Sc. Michelle Moisa

Thesis Committee: Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI – Abt. VII)


Zusammenfassung

Die Fertigungstechnologie Additive Manufacturing (AM) eröffnet aufgrund technologie-spezifischer Besonderheiten zahlreiche Einsatzpotenziale entlang des Produktentstehungs- und -nutzungsprozesses. Möglichkeiten zur kostengünstigen Einzel- und Kleinserienfertigung erlauben bspw. in der Produktplanung die Erschließung neuer Marktsegmente, während Frei-räume im Bereich der Geometrieintegration in der Produktion zur Reduzierung von Fertigungs-schritten führen können. Die AM-Einsatzpotenziale bieten für Industrieunternehmen demnach wertvolle Ansatzpunkte zur Gestaltung neuer bzw. Weiterentwicklung bestehender Geschäfts-modelle.

Bei der Realisierung AM-basierter Geschäftsmodelle stehen Unternehmen jedoch vor der Herausforderung, wie AM in bestehende Betriebsstrukturen und -abläufe integriert werden kann. Die Integration hängt maßgeblich von der zielorientierten Gestaltung prozessualer, personeller, organisationaler und technologischer Ressourcen ab. Aus der Bündelung dieser Ressourcen lassen sich Geschäftsfähigkeiten (Capabilities) herleiten, die als Basis für Entwicklungsentscheidungen hinsichtlich dieser Ressourcen herangezogen werden können. Aufgrund des hohen Digitalisierungsgrads AM-basierter Prozesse liegt ein besonderer Fokus auf der strategischen Ausrichtung informationstechnologischer Ressourcen (Business-IT-Alignment).

Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Capability-Konzepts für die Umsetzung AM-basierter Geschäftsmodelle unter Berücksichtigung von Business-IT-Alignment. Im Rahmen des Promotionsprojekts wurde mithilfe quantitativer und qualitativer Explorationen ein umfang-reicher Anforderungskatalog für die Erstellung des Capability-Konzepts erarbeitet.

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Dieses entworfene Konzept steht als Kernartefakt im Mittelpunkt der Arbeit und umfasst u.a. einen Strukturierungsrahmen, ein Datenmodell und mehrere Anwendungsfalldiagramme. Mit diesen Komponenten wird spezifiziert, wie den relevanten Entscheidungsträgern (AM-Verantwortliche und IT-Verantwortliche) ressourcenbezogene Entwicklungsbedarfe aufgezeigt werden können und womit sie ihre Investitionsentscheidungen lenken können. Zur Qualitätssicherung wurden die Ergebnisse abschließend mittels Verifikation und Validierung evaluiert, wobei das Konzept zur praxisnahen Validierung IT-prototypisch instanziiert wurde.

Thema C2-022: Time-to-Market im Serviceprozess – Additive Manufacturing für die digitale Ersatzteilversorgung

Doktorandin: M. Sc. Katrin Pfähler

Thesis Committee: Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI – Abt. VII) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW)


Zusammenfassung

Additive Manufacturing (AM) findet als Fertigungstechnologie verstärkt Einsatz in unterschied-lichen industriellen Anwendungsgebieten – bspw. im Prototypenbau, in der Kleinserien-fertigung und in der zeit- und ortsunabhängigen Herstellung von Ersatzteilen. Gerade die Ersatzteilversorgung stellt aufgrund bestehender prozessualer Strukturen und organisations-übergreifender Zusammenarbeit eine komplexe Funktion in industriellen Unternehmen dar.

Obwohl der ansteigende Reifegrad von AM eine zunehmend wirtschaftlichere Herstellung verschiedenartiger Ersatzteile erlaubt, stehen Industrieunternehmen oftmals vor der Heraus-forderung, AM – als Schlüsseltechnologie – in bestehende Ersatzteilversorgungsprozesse zu integrieren. Neben den fertigungstechnischen Hürden – wie Prozesslaufzeiten oder Sicher-stellung der Prozessqualität – sind strategische Fragestellungen zu klären. Bereits die Identifikation geeigneter, additiv fertigbarer Bauteile auf Basis fertigungstechnischer, organisatorischer und wirtschaftlicher Restriktionen ist ein komplexer Vorgang. Hieraus leiten sich weitergehende Fragestellungen zur Planung der AM-Produktionsprozesse und die Ausgestaltung unterschiedlicher Anwendungsszenarien ab, wobei sich diese Entscheidungen durch IT-Systeme unterstützen lassen.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Konzeption eines entscheidungsunterstützenden IT-Systems, das verschiedene Entscheidungsträger im Unternehmen befähigt, AM in die bestehende Ersatzteilversorgung zu integrieren. Bisherige Forschungsaktivitäten dieses Promotionsprojekts widmeten sich qualitativen und quantitativen Forschungsmethoden zur Exploration bestehender Ersatzteilversorgungsprozesse und zugehöriger Strukturen, der Identifizierung von AM-Einsatzszenarien und der Anforderungserhebung an das zu entwickelnde System. Die Forschungsaktivitäten werden durch die kooperative Zusammen-arbeit eines Industrieunternehmens – als Use Case des Promotionsprojekts – praxisnah unter-stützt. Die prototypische Umsetzung des IT-Systems dient der späteren anwendungsnahen Evaluierung.

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Thema C2-011: Simulation von Filtermedien zur virtuellen Entwicklung von Innenraumfiltern mit Fokus auf Elektretfasern

Doktorandin: Dipl.-Ing. Carolin Schober

Thesis Committee: Prof. Dr. Miriam Mehl (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche (IMVT)


Zusammenfassung

Die computergestützte Weiterentwicklung geladener Innenraumfiltermedien stellt derzeit aufgrund der Überlagerung mehrerer, komplexer elektrostatischer Effekte eine große Herausforderung dar. Während des Promotionsvorhabens wurden bereits Werkzeuge zur Simulation der bisher vernachlässigten elektrostatischen Partikel-Partikel-Wechselwirkungen im Einströmbereich von Filtermedien entwickelt.

Experimentelle Untersuchungen ergänzen nun vorhandene Theorien und Simulationen und tragen so als drittes Standbein zum Erkenntnisgewinn bei. Die Substitution von Filtermedien durch einfache, leitfähige Metallgewebe (Abb. 26) stellt dabei den Schlüsselfaktor der Analysen dar. Sie erlaubt die spezifische Betrachtung der, im Fokus dieser Arbeit stehenden, Partikelladungseffekte.

Experimentelle Messergebnisse bekräftigen die aus der Simulation gewonnen Erkenntnisse bezüglich einer unmittelbaren elektrostatischen Agglomeration zwischen Staubpartikeln beim Eintritt in die Prüfeinrichtung. Weiterhin zeigen die gemessenen Abscheidegrade der Metall-gewebe einen deutlichen Unterschied für unbehandelte (geladene) und elektrostatisch ent-ladene Staubpartikel. Diese sind auf sogenannte Spiegelladungseffekte zurückzuführen.

Mithilfe der durchgeführten Analysen wurde ein erheblicher Beitrag zum Verständnis kom-plexer elektrostatischer Filtrationseffekte geliefert. Außerdem konnte die Lücke zwischen experimentellen Messungen und Simulationen deutlich verringert werden. Die Messungen zeigten überdies, dass computergestützte Simulationswerkzeuge notwendig sind um detaillier-te Analysen zu elektrostatischen Filtrationseffekte durchzuführen.

Abb. 26: Einfache, leitfähige Metallgewebe als Filtermedien*

*) Durch ihre einfache Struktur und ihr leitfähiges Material eigenen sich Metallgewebe hervorragend um spezifische Filtrationseffekte zu analysieren. Die drei dargestellten modellierten Metallgewebe unterscheiden sich in ihrer Maschenweite, ihrem Drahtdurchmesser und der verwendeten Webtechnik (Köpergewebe (links und mittig), glattes Gewebe (rechts)).

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Thema C2-021: Entwicklung datengetriebener Ansätze zur Unterstützung von Ursachenanalysen technischer Produktmängel

Doktorand: M. Sc. Marco Spieß

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW)

Dipl.-Wi.-Ing. Dominik Bretschneider, Daimler AG


Zusammenfassung

Qualitative Produktmängel, die erst in der Nutzungsphase beim Endkunden auftreten, können für produzierende Unternehmen einen Verlust empfindlicher Marktanteile bedeuten. Der Fokus des Forschungsprojekts liegt auf der Ursachenanalyse identifizierter Produktmängel im Gewährleistungszeitraum. Untersucht wird, wie sich dieser non-triviale Prozess mittels daten-getriebener Ansätze verbessern lässt. Die zugrundeliegende Anwendungsdomäne ist die Produktbewährung, welche u.a. das Ziel einer frühzeitigen Erkennung von Mängeln im Feld als auch deren nachhaltigen Abstellung verfolgt. In der nachfolgenden Abbildung 27 werden die Rahmenbedingungen der Produktbewährung exemplarisch aufgezeigt. Am Beispiel eines Fahrzeuges ist dargestellt, dass dem Fahrer eine vorhandene Fehlfunktion signalisiert und das Aufsuchen einer Werkstatt empfohlen wird. Die von der Werkstatt ausgetauschten Bauteile werden in die Produktionswerke des Erstausrüsters zurückgeführt und einer detaillierten Schadteilanalyse unterzogen. Diese technische Analyse von schadhaften Bauteilen dient dabei zur Identifizierung von bisher unbekannten Produktmängeln und stellt damit eine Vorstufe der eigentlichen Ursachenanalyse dar.

Ziel des Forschungsprojekts ist die konzeptionelle Entwicklung von datengetriebenen Ansätzen zur Unterstützung der Ursachenanalyse technischer Produktmängel. Im Kontext der Produktbewährung soll z.B. die Ursachenforschung von Bauteilausfällen in Kundenfahrzeugen unterstützt werden. Als Grundlage können Datenquellen wie Produktions-, Garantie- oder Diagnosedaten herangezogen werden. Des Weiteren werden verschiedene Techniken und Methoden aus dem Bereich der Datenanalysen sowohl konzeptionell als auch experimentell evaluiert. Somit sollen für die identifizierten Anwendungsszenarien geeignete Lösungen für die Datenanalyse entwickelt werden.

Im Jahr 2018 konnte beim Kooperationspartner eine Methodik zur gezielten Steuerung unter-schiedlicher Varianten eines Bauteils in der Serienfertigung entwickelt werden. Basierend auf den Garantie- und Produktionsstammdaten werden Fahrzeugvarianten identifiziert, welche mit der Bauteilvariante X eine nachweislich höhere Ausfallrate im Kundenbetrieb haben. Diese Fahrzeugvarianten werden anschließend mit der Bauteilvariante Y ausgestattet, die keine technischen Mängel im Feld aufweist. Somit findet über die Analyse der Garantiedaten eine Wissensrückkopplung aus dem Feld in die laufende Produktion statt. Die Analyseergebnisse werden beim Kooperationspartner bereits produktiv genutzt. Aktuell liegt der Fokus darauf, diese Methodik zu formalisieren und zu untersuchen, inwiefern sie sich allgemeingültig für andere Anwendungsszenarien nutzen lässt. Darüber hinaus wird bereits an der Weiterentwick-lung der Methodik gearbeitet. Ziel dabei ist es, dass nicht nur zu produzierende Fahrzeuge bei der Behebung oder Vermeidung technischer Produktmängel betrachtet werden, sondern auch diejenigen, die bereits im Kundeneinsatz sind. Somit können gezielte Aufrufe für Werkstatt-besuche zur präventiven Reparatur eingeleitet werden.

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Abb. 27: Rahmenbedingungen der Produktbewährung

Thema C2-015: Eine Plattform zur Verwaltung von Modellen des maschinellen Lernens im Umfeld von Industrie 4.0

Doktorand: M. Sc. Christian Weber

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI – Abt. VII)


Zusammenfassung

Durch kleine Losgrößen, enorme Vielfalt und immer kürzer werdende Produktlebenszyklen sind Fabriken von einer hohen Dynamik geprägt, die durch manuelle Entscheidungsprozesse nicht mehr effektiv beherrscht werden kann. Informationen, die als wichtige Entschei-dungsgrundlage dienen können, liegen durch die zunehmende Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0 in Form von Daten vor. Diese Daten werden in kürzester Zeit erzeugt und sind teils enorm groß. Um die Daten nutzbar zu machen, müssen sie zuerst mit maschinellen Lernverfahren analysiert werden. Die Ergebnisse der Analysen sind Modelle des maschinellen Lernens, die z.B. zur Vorhersage von Auffälligkeiten, Fehlern und Störungen in Fertigungs-prozessen verwendet werden können. Auf Basis solcher Vorhersagen können proaktiv Entscheidungen getroffen werden, die sich auf den Unternehmenserfolg auswirken. Zum Beispiel können Modelle auf Basis von Sensordaten Wartungsintervalle von Maschinen vorschlagen, so dass manuelle Überprüfungen entfallen und Kosten eingespart werden können. Dadurch werden Modelle des maschinellen Lernens zu wertvollen immateriellen Vermögensgegenständen, die aktiv verwaltet werden müssen. Dies erfordert eine Modell-verwaltung, bei der nicht nur die Modelle selbst, sondern auch ihr Lebenszyklus und ihre Entwicklung über alle Phasen dieses Lebenszyklus hinweg dokumentiert werden muss. Insbesondere die Wiederverwendbarkeit von Modellen stellt eine Herausforderung dar, da für

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verschiedene Anwendungen unterschiedliche Verfahren des maschinellen Lernens verwendet und somit auch viele unterschiedliche Modelle generiert werden.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, eine Plattform für die Verwaltung von Modellen des maschi-nellen Lernens im Anwendungskontext von Fabriken zu entwickeln. In Abgrenzung zu bisherigen Ansätzen in der Modellverwaltung stellt diese Plattform verschiedene Metadaten im Fertigungskontext zur Verfügung, die mit den Modellen verknüpft werden. Die Plattform und die Metadaten sollen es Nutzern erleichtern, Modelle für ihre Anwendungsfälle zu suchen, diese wiederzuverwenden und eigene Modelle mit anderen Nutzern zu teilen. Ebenso ermöglicht sie, Nutzern geeignete Modelle vorzuschlagen. Insgesamt leistet die Plattform einen Beitrag zur Beherrschung der Komplexität verschiedener im Produktionsumfeld eingesetzter Analyseanwendungen.

In 2018 wurden verschiedene Technologien für die Modellverwaltung evaluiert und ein erster Prototyp der Plattform entwickelt. Weiterhin wurde ein Prozessmodell entworfen, das die verschiedenen Lebenszyklusphasen eines Modells abbildet und die Komplexität der Verwal-tung von Modellen aufzeigt (Abb. 28). Die nächsten Schritte bestehen darin, die Plattform um verschiedene Funktionalitäten zur Suche und Vorschlagsgenerierung zu erweitern. Dabei fließen praxisrelevante Aspekte aus der Expertise eines Werkzeugmaschinenherstellers in die weitere Umsetzung mit ein.

Abb. 28: Prozessmodell für die umfassende Verwaltung von Modellen des maschinellen Lernens

Thema C2-020: Ein Rahmenwerk zur Auswahl und Konfiguration komplexer Datenanalyselösungen für die Produktion

Doktorand: M. Sc. Alejandro G. Villanueva Zacarías

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Melanie Herschel (IPVS)


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Zusammenfassung

Produktionsunternehmen erzeugen in verschiedenen Bereichen der Fertigungsprozesse eine Fülle an Daten, die ihnen wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung ihrer Prozesse, Anlagen oder Systeme anbieten können. Die effektive Ausnutzung dieser Industriedaten erfordert den Einsatz von Analysetechniken, darunter Algorithmen des maschinellen Lernens (ML-Algorith-men). Dabei sind verschiedene Komponenten einer Analyselösung auszuwählen und zu konfigurieren, wie z.B. die Datenaufbereitungstechniken, die IT-Recheninfrastruktur und die ML-Algorithmen selbst. Eine auf rein technische Informationen basierte Wahl dieser Kompo-nenten kann die Leistung der resultierenden Analyselösung beeinträchtigen, da die domänen-spezifischen Zielsetzungen und Anforderungen des Anwendungsfalls nicht explizit betrachtet worden sind.

Im Rahmen dieses Promotionsprojekts werden domänenspezifische Faktoren für die Auswahl und Konfiguration geeigneter ML-Algorithmen in der Produktion untersucht. Ein auf Basis dieser Untersuchung vorgeschlagenes Rahmenwerk ermöglicht die Spezifikation aller für eine Analyselösung erforderlichen Komponenten. Zusätzlich zu den Daten, der IT-Rechen-infrastruktur und der ML-Algorithmen können über geeignete Spezifikationen auch die Problemstellung der Analyselösung über domänenspezifische Zielsetzungen und Anforde-rungen definiert werden. Ebenso erlaubt es das Rahmenwerk, verschiedene Experten aus der jeweiligen Anwendungsdomäne und aus der Informatik bzw. den Datenwissenschaften in den Entwicklungsprozess einzubeziehen und deren Zusammenarbeit besser zu strukturieren. So können auch Querbezüge zwischen den Spezifikationen der Problemstellung, Daten, IT-Recheninfrastruktur und ML-Algorithmen definiert werden, um damit Analyselösungen ganz-heitlich gestalten, umsetzen und validieren zu können.

Im Forschungsjahr 2018 wurde das Rahmenwerk für Analyselösungen durch ein profil-basiertes Konzept formalisiert. Es besteht aus vier Profilarten, die den oben genannten Komponenten entsprechen (Abb. 29). Über eine zusätzliche Visualisierungskomponente (ACP Dashboard) kann ein Domänenexperte die mit dem Rahmenwerk entwickelten Analyse-lösungen hinsichtlich ihres Leistungspotenzials und des Entwicklungsaufwands untersuchen und vergleichen. Mit einer prototypischen Implementierung des Rahmenwerkes wurde seine Anwendbarkeit demonstriert. Als nächstes Ziel werden zusätzliche Vorhersagemodelle entwickelt, die das Leistungspotenzial und den Entwicklungsaufwand einer Analyselösung vor deren Entwicklung und Validierung abschätzen können.

Abb. 29: Komponenten des Rahmenwerks für Analyselösungen in einer prozessbasierten Darstellung*

*) Domänen- und Informatik-Experten tragen zur Auswahl und Konfiguration geeigneter ML-Algorithmen bei.

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Thema C2-027: Wissens- und datengetriebenes System zur Entscheidungsunterstützung in automatisierungstechnischen Anlagen

Doktorand: M. Sc. Yannick Wilhelm

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW) Dr. Wolfgang Gauchel (Festo AG & Co. KG)


Zusammenfassung

Die fortschreitende Digitalisierung und Vernetzung der Produktion ermöglicht den Einsatz von datengetriebenen Analysen zur Optimierung automatisierungstechnischer Industrieprozesse. Durch die Interpretation der Analyseergebnisse unterschiedlicher Datenquellen können Entscheidungen im Sinne einer Handlungsempfehlung vorbereitet oder automatisch vom zugrundeliegenden IT-System getroffen werden. So können beispielsweise Handlungen des Wartungspersonals veranlasst oder direkt Maschinenparameter verändert werden. Im indus-triellen Prozessumfeld, das durch sich häufig ändernde Umgebungsbedingungen und sehr spezielle Anwendungsfälle gekennzeichnet ist, besteht eine Herausforderung in der Ableitung von nachvollziehbaren Handlungsempfehlungen bzw. Systementscheidungen von hoher Zuverlässigkeit und zweckmäßiger Qualität. Hierzu ist es notwendig, die Wissenswelt der Datenanalyse mit der Modellwelt von Komponenten und Systemen sowie mit dem Experten-wissen von Werkern und Ingenieuren über ein lernendes System zu vereinen. Es ist zudem erforderlich, den Erfahrungsgewinn aus bereits getroffenen Entscheidungen in zukünftigen Systemzuständen zu berücksichtigen, damit sich das System weiter selbstoptimiert.

Abb. 30: Lernendes System

Als Ziel dieses im Oktober 2018 gestarteten Forschungsprojekts sollen Methoden entwickelt werden, um unterschiedliche Daten- und Wissensquellen in einem lernenden und selbst optimierenden System zu kombinieren. Auf diese Wiese soll schließlich die Qualität und Nach-vollziehbarkeit von Handlungsempfehlungen bzw. autonomen Systementscheidungen erhöht werden. Hierbei gilt es zu untersuchen, welche Arten von Vorgehensmodellen, algorith-mischen Methoden und Software-Werkzeugen für welchen Anwendungsfall zwischen Handlungsempfehlung und autonomer Systementscheidung sinnvoll eingesetzt werden können. Die entwickelten Konzepte und Vorgehensmodelle werden schließlich anhand eines realen Anwendungsfalles der Firma Festo AG & Co. KG über einen Demonstrator umgesetzt und evaluiert.

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Thema C2-018: Ganzheitliches Daten- und Prozessmanagement für virtuelle Entwicklung von Multiskalen-, Multiphysikprototypen

Doktorand: M. Sc. Julian Ziegler

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Miriam Mehl (IPVS) Dr. Florian Keller, MANN+HUMMEL GmbH


Zusammenfassung

Das Computer-Aided Engineering (CAE) ist ein essenzieller Bestandteil einer jeden modernen Produktentwicklung. CAE umfasst das Design der Produkte in entsprechenden CAD-Anwendungen bis hin zu computergestützten Tests dieser virtuellen Produktdesigns hinsicht-lich ihrer Eigenschaften und Verträglichkeit mit zu erfüllenden Spezifikationen. Dabei ist die Computersimulation Kernbestandteil solcher virtuellen Produktentwicklungs- und Produkttest-prozesse. Eine besondere Herausforderung stellen Mehrphysik- und Mehrskalensimulationen dar. Die Simulationsprozesse beim Kooperationspartner MANN+HUMMEL GmbH betrachten beispielsweise drei Skalen der Filtration, welche in Abb. 31 dargestellt sind.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird ein ganzheitlicher Ansatz für die Verwaltung und Integration heterogener Daten von Mehrphysik- und Mehrskalensimulationen entwickelt. Der Fokus liegt darauf, eine Plattform zu schaffen, welche als Basis für Datenanalysen dienen kann. Anwendungsmöglichkeiten umfassen neben prädiktiven Analysen zur Vorhersage relevanter Produkteigenschaften auch präskriptive Analysen zur Herleitung von Empfehlungen für Verbesserungen von Produktdesigns hinsichtlich der Eigenschaften. Ein weiteres Haupt-augenmerk liegt auf Analysen zur Verbesserung der Datenqualität und der datengetriebenen Optimierung des Simulationsprozesses. Um all dies zu erreichen, bedarf es zudem geeigneter Metadatenstrukturen, welche in der Lage sind, die anfallenden Daten und die datenerzeugen-den Prozesse sowie Zusammenhänge zwischen mehreren Daten und Prozessen beschreiben zu können.

Abb. 31: Skalen in der Filtration

Im Forschungsjahr 2018 wurde ein erster Prototyp der Datenverwaltungsplattform konzipiert, der das Ziel der datengetriebenen Optimierung von Simulationsprozessen unterstützt. Dieser Prototyp wird im folgenden Jahr auf einen konkreten Simulationsprozess beim Kooperations-partner angewendet, um die Genauigkeit der Simulation zu erhöhen. Anschließend wird die Plattform hinsichtlich weiterer Datenanalysen zur Vorhersage und Verbesserung von Produkt-eigenschaften wie der Filtrationsleistung erweitert.

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3.4 Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Clusterdirektor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath (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 thematischen Schwerpunkte des Forschungsclusters D2 liegen in den Bereichen „Neue Formen der Wertschöpfung“, innovative Organisations- und Geschäftsmodelle sowie Industrialisierung der Dienstleistungswirtschaft. Sie werden in derzeit fünf laufenden Forschungsvorhaben konkretisiert, wobei eine Dissertation 2018 abgeschlossen wurde und perspektivisch eine Dissertation Anfang 2019 abgeschlossen sein soll.

Es wurden neue Themen für 2019 vorbereitet mit dem Fokus auf Veränderungen im Innovationsystem und -verhalten von Unternehmen. Unstrittig ist, dass Innovationen für die Unternehmen zu einer immer stärker werdenden Grundlage für die Positionierung des Unter-nehmens im internationalen Wettbewerb werden. Generell stellt sich die Frage, ob ein Unternehmen sich noch allein dieser Herausforderung stellen kann oder ob es vielmehr mit anderen Unternehmen zusammenarbeiten muss. Diese Arbeit über Unternehmensgrenzen hinweg ist bei kleinen Verbesserungen der bestehenden Produkte, Prozesse und Dienst-leistungen einfach zu gestalten. Die Komplexität erhöht sich jedoch bei der Gestaltung von disruptiven Innovationen.

Diese grundlegende Frage, verbunden mit der Erweiterung der Partner auf die Wissenschaft, ist eine der neuen Themenlandschaften, die das Cluster in den Mittelpunkt der weiteren Arbeit stellt. Hinzu kommt als eine weitere Schwerpunktsetzung die Umsetzung dieser Erkenntnisse in die betriebliche Praxis. Beide Themen sind nicht singulär einer Wissensdomäne zuzuordnen, vielmehr muss hier zwingend interdisziplinär gearbeitet und geforscht werden. Eine Erweiterung in andere Disziplinen wie z.B. Kulturwissenschaften kann neue und wettbewerbsentscheidende Lösungsansätze hervorbringen.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters D2





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Stand 31.12.2018

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Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters D2


D2-001

Entscheidungsfindung zur Entwick-lung produktionsunterstützender Service-Konzepte


Eva Maria Grochowski

DFG Prof. Zahn

D2-008

Entwicklungsbegleitende Kosten-modellierung der Wertschöpfungs-kette von in China zu produzierenden elektrischen Maschinen


Jing Zhang

Robert Bosch GmbH

Prof. Spath

D2-011

Auswirkungen der Digitalisierung auf das Management von Produktlebens-zyklen am Beispiel „Vernetzter Fahr-zeuge“


Lukas Block

DFG Prof. Spath

D2-006

Gestaltungsansatz für Kollabora-tionen zum Transfer von Erfahrungs-wissen in der Produktionsplanung

ab-geschlossen

Daniela Baumhauer

Daimler AG Prof. Herzwurm

D2-013

Nutzerzentrierte Konzepte für den Engineering Arbeitsplatz der Zukunft


Manuel Dixken

DFG Prof. Spath

D2-012

Integrationskonzept für Industrie 4.0 – Gebäude 4.0


Rene Hellmuth

DFG Prof. Spath

Veränderungen 2018 sind fett markiert

Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster D2

Thema D2-011: Entwicklung von Fahrzeug-E/E-Architekturen unter Unsicherheit

Doktorand: M. Sc. Lukas Block

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)


Zusammenfassung

Die Entwicklungszeit moderner Personenkraftwagen beträgt 3 Jahre mit einer Gesamtlebens-zyklusdauer von circa 25 Jahren. Der Elektrik/Elektronik (E/E) Architekturentwurf wird in der Vorentwicklung – also circa 3 Jahre vor Serienstart – verabschiedet. Relevante Auslegungs-entscheidungen wie der geplante Funktionsumfang oder die Hardwaretopologie werden dem-entsprechend unter unvollständiger Information bezüglich der später vom Kunden gewünsch-ten und realisierten Ausgestaltung des Fahrzeugs getroffen. Nicht berücksichtige Funktions-umfänge oder technologische Neuentwicklungen können eine Anpassung der E/E-Architektur nach sich ziehen oder deren Implementierung verhindern.

E/E-Architekten antizipieren während des Entwurfsprozesses mögliche zukünftige System-zustände implizit und berücksichtigen diese, indem entsprechende Freiheitsgrade in der Architektur vorgehalten werden. Durch zunehmend iterativ-inkrementelle Entwicklungs-

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prozesse und die Möglichkeit, Software auch nach Ende des Entwicklungsprozesses aufzu-spielen, steigt die Anzahl der potenziellen Systemanpassung an. Der damit verbundene Komplexitätszuwachs sowie die davon betroffenen Auslegungs- und Kostenentscheidungen erfordern ein explizites, strukturiertes Vorgehen, um Freiheitsgrade gezielt an risikobehafteten E/E-Komponenten zu erhalten. Vorhandene, wissenschaftliche Ansätze beschreiben a posteriori Methoden zur Bewertung von Systemflexibilität, sind jedoch nicht in der Lage, Unsicherheiten in frühen Entwicklungsphasen abzubilden und mit den notwendigen Anpassungen der Produktarchitektur zu verknüpfen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, eine Methodik zu entwickeln, die die Auswirkungen fehlender Information auf den E/E-Architekturentwurf abbildet. Basierend darauf sollen einzelne Komponenten bezüglich ihrer Änderungskritikalität bewertet und Freiheitsgrade gezielt vorgehalten werden. Den Ausgangspunkt der Methodik bildet eine informationsbasierte Problemperspektive: Heterogene Beschreibungen der fehlenden Information in Bezug auf zukünftige Systemzustände werden gesammelt und strukturiert. Aufbauend auf einer Anpassung der Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse werden die Auswirkungen der fehlenden Information mit den einzelnen Komponenten der E/E-Architektur verknüpft. Unter Anwendung der Real Options Theory können die Komponenten bezüglich ihrer Änderungskritikalität bewertet und Freiheitsgrade abgeleitet werden. Die entwickelte Methodik soll abschließend bei einem deutschen Automobilhersteller evaluiert werden.

Thema D2-013: Nutzerzentrierte Konzepte für den Engineering Arbeits-platz der Zukunft

Doktorand: M. Eng. Manuel Dixken

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW)


Zusammenfassung

Während des gesamten Produktlebenszyklus, angefangen bei der Forschung und Entwick-lung, über die Konstruktion bis hin zum Recycling oder der Entsorgung finden digitale Werkzeuge zur Unterstützung der Arbeitsprozesse Anwendung. Die Gesamtheit dieser Werkzeuge wird als Computer-Aided Everything- oder CAx-Anwendungen bezeichnet. Im Laufe der letzten drei Jahrzehnte haben sich die Mensch-Computer-Schnittstellen dieser Anwendungen im Gegensatz zu deren Funktionsumfang im Wesentlichen nicht weiterent-wickelt. Es kommen Desktoparbeitsplätze zum Einsatz, die mit bis zu drei Monitoren, 3D-Maus, herkömmlicher Maus und Tastatur ausgestattet sind. Um Methoden der virtuellen Realität (VR) zu verwenden, wird seit Ende der 1980er Jahre auf am Kopf getragene Displays (HMD) oder stereoskopische Raumprojektionen (CAVE) zurückgegriffen. Die erweiterte Realität (AR) wird ebenfalls mittels HMD realisiert, wodurch virtuelle Objekte in der realen Welt platziert werden können.

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten des On-Body Computings, bei dem der menschliche Körper des Anwenders als Mensch-Computer-Schnittstelle verwendet wird, untersucht. Zu den

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Vorteilen dieser Art der Interaktion zählen die ständige Verfügbarkeit des eigenen Körpers, die Bedienung ohne notwendige visuelle Reize oder die ermüdungsarmen Interaktionsformen. Es bestehen jedoch Herausforderungen hinsichtlich der zuverlässigen Erfassung der Eingaben und der präzisen Darstellung der Ausgabe, die mit Hilfe AR- oder VR-gestützter Verfahren ermöglicht werden kann. Es wird eine Methode zur Integration des On-Body Computings in bestehende CAx-Anwendungen entwickelt. Diese soll am Beispiel des Computer-Aided Designs evaluiert werden.

Abb. 32: Optische, markerlose Tracking-Systeme*

*) Wobei (a) ein kommerzielles System von Leap Motion zur Erfassung der Hände zeigt und bei (b) ist ein System abgebildet, das sowohl über Ein- als auch Ausgabe verfügt (Harrison et al. 2011). (c) und (d) veranschaulichen optische markerbasierte Tracking-Systeme, wobei (c) auf passiven retroreflektierenden Markern (Bergstrom-Lehtovirta et al. 2018) und (d), ein Produkt von ART, auf aktiven Markern beruht.

Thema D2-012: Synchronisation der Fabrikplanung mit der Gebäude-planung bei Umbauprozessen in einer Fabrik

Doktorand: M. Sc. René Hellmuth

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)


Zusammenfassung

Durch eine steigende Produktvielfalt und Verkürzung der Produktlebenszyklen kommt es zu einem Anpassungsdruck des Fabrikgebäudes selbst. Bei einer anschließenden Umbau-planung müssen die Gebäudeplanung und Fabrikplanung (Produktionsplanung) synchronisiert werden. Eine geeignete Lösung ist ein aktuelles, digitales Modell der bestehenden Fabrik-infrastruktur, der digitale Gebäudezwilling. Dieser kann zur Verkürzung der Umbauplanungs-zeit durch die Verfügbarkeit und Aktualität von Gebäudedaten genutzt werden. Dadurch können frühzeitig Konstruktions- und Planungskollisionen identifiziert und ohne zeit- und kostenaufwendige Nacharbeit vorab berücksichtigt und angepasst werden. Voraussetzung für die Verwendung des digitalen Zwillings vom Fabrikgebäude ist allerdings, dass ein aktuelles (virtuelles) Gebäudemodell von allen technischen und strukturellen Gebäudeteilen des realen Gebäudes vorhanden ist.

Als Ziel des Forschungsprojekts soll eine Methode entwickelt werden, um die Aktualität eines digitalen Gebäudemodells zu gewährleisten und so die domänenübergreifende Synchronisie-

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rung der Gebäudemodelle mit den Fabrikplanungsmodellen bei der Umbauplanung zu ermög-lichen. Die Effizienzsteigerung des Umbauprozesses während des gesamten Lebenszyklus einer Fabrik steht im Fokus.

Thema D2-099: Design- und prozesskettenbasierte Kostenmodellierung für E-Motorenlamellenpakete

Doktorandin: M. Sc. Jing Zhang

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW)


Zusammenfassung

Die beschleunigende Elektrifizierung hinsichtlich der Individualmobilität und die geplanten Kostenziele bei der Produktentwicklung erfordern eine effiziente, vollständige Kosten-bewertung des Produkts bereits in der Designphase. Als methodischer Lösungsansatz wird hierzu vorgeschlagen, eine designabhängige und prozesskettenbasierte Kostenmodellierung des Produkts vorzunehmen, bei der unterschiedliche Fertigungsvarianten betrachtet und die Wirkbeziehungen zwischen Design und Fertigung in Bezug auf die Kosten analysiert werden können.

Abb. 33: Wirkbeziehungen zwischen Design, Fergiung und Kosten (Zusammenfassung von Gestaltungs-modell und Analysemodell)

Mit Blick auf den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen haben die elektrische Maschine und ihre Fertigung erhebliche Relevanz, da die Fertigung sowohl die Kosten des E-Motors als auch die technischen Eigenschaften des Designs beeinflusst. Aufgrund des hohen Stellenwertes

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des Lamellenpaketes bei einer E-Motorenfertigung, nicht zuletzt bezüglich des Kosten-einflusses und verschiedener Fertigungsausprägungen stehen die E-Motorenlamellenpakete im Fokus dieser Forschungen.

Für alle auszuräumenden Mängel in der Kostenbewertung werden zunächst die Wirk-beziehungen zwischen dem Design und der späteren Fertigung herausgearbeitet, um die Kosten für jede einzelne Fertigungsvariante abschätzen zu können. Parallel dazu werden die Einflüsse der Fertigungsvarianten auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Lamellen-paketes analysiert. Dies bietet die Möglichkeit, günstige Fertigungsvarianten zu identifizieren, die sowohl den Kostenaspekten als auch den der technischen Eigenschaften genügen.

Das Forschungsprojekt befindet sich aktuell in der zentralen Phase, bei der die Wirk-zusammenhänge zwischen dem Design und den Fertigungsparametern zu behandeln sind. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der theoretischen Einflussanalyse der Fertigung auf die elektromagnetischen Eigenschaften genutzt, um entsprechende Prototypen herstellen und damit experimentelle Tests durchführen zu können.

3.5 Cluster E2 – Material und Prozessengineering

Clusterdirektor: ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow


Entwicklung des Clusters E2

Die Bedeutung von Materialien und Werkstoffen kann für Deutschland nicht hoch genug eingeschätzt werden. Dazu ist es zudem erforderlich, dem Ausbau vor- und nachgelagerter Verarbeitungs- und Dienstleistungsstufen die erforderliche Beachtung zu schenken. Neue Materialien sind aufgrund ihrer starken Ausstrahlung in vielen Branchen Innovationstreiber und rufen Entwicklungsschübe in unterschiedlichen Anwendungsbereichen hervor. Heute sind 70% aller technischen Innovationen in Deutschland mit Werkstoffinnovationen verbunden. Teils unscheinbare und für Anwender unsichtbare Materialien haben häufig eine Schlüssel-funktion inne und sind zur Lösung konkreter technologischer, ökologischer und gesellschaft-licher Probleme unverzichtbar.

Aktuell beträgt der Materialkostenanteil im verarbeitenden Gewerbe zwischen 35 bis 55 % und stellt bis zu 7 % an Einsparpotenzial einen strategischen Input-Faktor. Für die Sicherung internationaler Wettbewerbsfähigkeit kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Bisher war davon auszugehen, dass der globale Freihandel stetig zunehmen wird. In Zukunft muss mit wachsen-dem Protektionismus auf einzelnen Märkten und eventuell sogar in ganzen Wirtschaftsräumen gerechnet werden. Unter diesen Umständen werden Materialien und Werkstoffe, sowie davon abgeleitete innovative Prozesse und Produktentwicklungen, eine noch weitreichendere strate-gische Bedeutung erlangen. Innovationen aus der Materialforschung und Werkstoffentwick-lung sind für ein stark produktionsorientiertes und gleichzeitig rohstoffarmes Land von vorrangigem Interesse.

Auch im vergangenen Jahr lag der Forschungsschwerpunkt des Clusters E2 auf der Unter-suchung der material- und prozessspezifischen Wirkzusammenhänge bei der Verarbeitung und Fertigung fortgeschrittener Materialsysteme. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Einsatz von Lasern für umformende, trennende und fügende Verfahren, vermehrt jedoch

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auch auf urformenden Verfahren, wie sie bei additiven Fertigungstechnologien Verwendung finden. Im Bereich des Selective Laser Melting (SLM) zur Verarbeitung hochleistungsfähiger Aluminiumlegierungen konnten im Cluster E2 erhebliche Erkenntnisfortschritte erzielt werden, sowohl auf Seiten der Konstruktionsmethodik, der Simulation des Werkstoffeinflusses in Wechselwirkung mit dem Laserstrahl sowie der Prozessgestaltung in Abhängigkeit der geforderten Bauteileigenschaften. Aber auch andere Technologien des Additive Manufac-turing, beispielsweise das Binder Jetting zur Fertigung keramischer Bauteile für biomedizi-nische Anwendungen oder diverse Verfahren zur Formgebung polymerer Werkstoffe, erlangten im Cluster zunehmende Bedeutung, wodurch auch hier tieferes Wissen um die Prozesstechnik und die gezielte Aufbereitung der eingesetzten Werkstoffe sowie der davon abgeleiteten Produktentwicklung gewonnen werden konnte.

Neben den im Kern auf die industrielle Produktion zielenden Arbeiten kommt Innovationen in der Medizintechnik zur verbesserten Patientenversorgung mittels neuer Werkstoffe, Produkte und Produktionsweisen steigende Bedeutung zu. Die steht auch im Einklang zur strategischen Entwicklung der Universität Stuttgart. Neuartige Beschichtungen und Oberflächentechno-logien zur Verbesserung der Verträglichkeit von Dauerimplantaten und der Osseointegration sind hier ebenso von Bedeutung wie AM-basierte biokeramische Scaffolds auf Calcium-phosphat- und Bioglas-Basis. Solche resorbierbaren, das Knochenwachstum gezielt fördernde Strukturen sind auch international auf große Beachtung gestoßen.

Die Weiterentwicklung der Material- und Prozesstechniken von Faserverbundwerkstoffen leisten nicht nur einen Beitrag zum stofflichen und konstruktiven Leichtbau. Sie ermöglichen auch, wie am Beispiel der Metall-Matrix-Composites (MMC) gezeigt wird, die Herstellung steifer, biege- und torsionsfester Strukturen, wie sie künftig für drehmomentstarke Antriebe in der Elektromobilität unverzichtbar sein werden.

Ein weiteres Kompetenzprofil des Clusters liegt im Bereich der nicht entflammbaren Faserleichtstrukturen für die Verkehrs- und Energietechnik, wie bei den prekursorbasierten SiOC-Composites gezeigt werden konnte. Diese nicht brennbaren, brandschutzfähigen Faser-Verbundwerkstoffe für Flächengebilde sind ein Hybrid zwischen polymeren und keramischen Werkstoffen. Dazu wurden spezielle Verarbeitungsverfahren vom Naßwickeln über RTM bis zum neuen Verfahren der Pultrusion für Rohre und Profile unter besonderer Berücksichtigung der chemischen Technik entwickelt.

Die zukünftige Strategie des „Clusters E2 – Material- und Prozessengineering“ wird sich unter anderem weiterhin auf die Erforschung des Lasers als modernes Werkzeug der industriellen Fertigung und die Entwicklung der Additive Manufacturing Technologien zur Verarbeitung moderner Werkstoffe und der Fertigung hochkomplexer Bauteile richten. Immerhin gehen Prognosen davon aus, dass bis zum Jahr 2020 die Umsätze mit 3D-Druck auf 35,4 Milliarden US-Dollar ansteigen, was eine Verfünffachung gegenüber dem Jahr 2016 bedeuten würde.

Durch grundlegende Erforschung der Zusammenhänge zwischen Ausgangsmaterial, Herstellungsprozess, Struktur und Materialeigenschaften soll dabei gezeigt werden, dass resultierende neuartige Materialien sich nicht nur durch deutlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu etablierten Materialien am Markt, sondern auch durch eine kosten- und ressour-censchonendere Herstellung auszeichnen. Materialeffizienz und Substitutionsoptionen, Produktionseffizienz und Ressourcenschonung sollen als strategische Herausforderungen verstärkt in der Forschung im Cluster E2 Berücksichtigung finden.

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Ein Promotionsverfahren wurde 2018 erfolgreich abgeschlossen.

Zwei Themenstellungen auf dem Gebiet des SLM wurden in Kooperation mit der ARENA2036 und der GSaME gestartet.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters E2

Themen Gesamt DFG Industrie / FhG / HBS




abgeschlossen 1 1 0

drop out / Abbruch 3 0 3

Stand 31.12.2018

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters E2

Nr. Forschungsthema Status* Doktorand/-in Finanzierung Erstbetreuer

E2-001

Beitrag zur energieeffizienten Elektro-lyse von Neodym in geschmolzenen Chloriden


Johannes Öhl

Fraunhofer IPA

Prof. Bauernhansl

E2-003

Grundlagen der Strahleinkopplung in der laserbasierten Material-bearbeitung


Daniel Förster

DFG Prof. Graf

E2-007

Untersuchung und Weiterentwicklung von Verschleißschutzschichten für Blechumformwerkzeuge


Markus Singer

DFG Prof. Liewald

E2-008

Potenzial räumlicher und zeitlicher Strahlführung für die industrielle Materialbearbeitung mit Ultrakurz-pulsstrahlquellen


Lara Bauer

TRUMPF Laser GmbH + Co. KG

Prof. Graf

E2-009

Serientaugliches Remote-Laser-schweißen von hochfesten Aluminiumbauteilen


Martin Sommer

AUDI AG Prof. Graf

E2-010

Optimierung der Ausgestaltung von Lackierkabinen mit besonderem Fokus auf der Overspray-Abscheidung

Abbruch Nils Schmeinck

Eisenmann AG

Prof. Piesche

E2-011

Energie-und Ressourceneffizienz in der industriellen Produktion durch An-wendung einer integrierten Exergie-, Energie- und Ökonomiemethode

abgeschlossenKamran Taheri

Hans-Böckler-Stiftung

Prof. Gadow

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E2-015

Mechanismen der Entstehung von Schnittunregelmäßigkeiten beim Schneiden mit dem Festkörperlaser


Oliver Bocksrocker

TRUMPF Laser GmbH + Co. KG

Prof. Graf

E2-016

Modelluntersuchungen, numerische Strömungssimulation und experimen-telle Untersuchungen zur Beschrei-bung von Zerstäubungsvorgängen mit Hohlkegeldüsen

ab-geschlossen

Sebastian Egger

DFG Prof. Piesche

E2-017

Inkjet 3D-Druck von Keramiken für biomedizinische Anwendungen


Steffen Eßlinger

DFG Prof. Gadow

E2-018

Prozesstechnik des Hoch-geschwindigkeitssuspensions-flammspritzens


Martin Plachetta

DFG Prof. Gadow

E2-020

Untersuchung der Wirkzusammen-hänge beim Laserabtrag von Dickschicht-Sensoren

Abbruch Paul Sieffert

Robert Bosch GmbH

Prof. Graf

E2-021

Vorhersage der Bohrlochform beim Mikrobohren mit ultrakurzen Laserpulsen


Alexander Kroschel

Robert Bosch GmbH

Prof. Graf

E2-028

Potenziale einer Prozessregelung beim Scherschneiden und Umformen in Stanzmaschinen


Stefan Nießner

Trumpf GmbH Prof. Liewald

E2-026

Prozessregelung und Qualitätskontrolle für das Schweißen von Gläsern mit UKP-Lasern


Sebastian Hecker

Trumpf GmbH Prof. Graf

E2-027

Verbindung von metallisierten Kupferschichten mit Komponenten der Leistungselektronik


Evelin Hirschfeld

Wolf Produk-tionssysteme GmbH

Prof. Graf

E2-C1

Erweiterung der Werkstoffeinsatz- grenzen mittels Beschichtungen

abeschlossen Venancio Martinez-García

DFG Prof. Gadow

E2-C4

Laser-Bearbeitung innovativer Werkstoffe

abgeschlossenChristian Freitag

DFG Prof. Graf

E2-C25

Alumina Splats Deposition on Stainless Steel Substrates using Atmospheric Plasma Spraying

abgeschlossenM. A. El-Horiny

DFG Prof. Gadow

E2-C28

Anpassungskonzept für Hochrotationszerstäuber für rheologisch komplexe Fluide

Abbruch Rim Zerriaa

Eisenmann AG

Prof. Piesche

E2-024

Werkstoff- und bauteilangepasste Prozessgestaltung beim Selectiv Laser Melting (SLM)


Artur Leis

Arena2036/

GSaME Prof. Graf

E2-031

Methodische Ansätze zur optimalen Bauteilgestaltung bei der generativen Fertigung mittels Selectiv Laser Melting (SLM)


Enno Garrelts

Arena2036/

GSaME Prof. Binz


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Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster E2

Thema E2-017: Inkjet 3D-Druck von Keramiken für biomedizinische Anwendungen

Doktorand: M. Sc. Steffen Eßlinger

Thesis Committee: Prof. Dr. Rainer Gadow (IFKB) Prof. Dr. Hans-Georg Kemper (BWI – Abt. VII)


Zusammenfassung

In Deutschland werden jährlich mehr als 160.000 Knochentransplantationen durchgeführt. Aus medizinischer Sicht ist die Übertragung körpereigenen Gewebes von einem Körperteil auf ein anderes Teil (autogene Transplantation) immer noch der goldene Standard. Allerdings ist dieses Verfahren sehr schmerzhaft und belastend für den Patienten. Eine vielversprechende Alternative bieten Knochenimplantate auf Basis bioaktiver Keramiken, die vom Körper innerhalb weniger Monate resorbiert und zu körpereigenem Material umgewandelt werden. Die additiven Fertigungsverfahren bieten hier das Potenzial, patientenindividuelle Implantate zu drucken und dies zu wirtschaftlichen Bedingungen.

In diesem Forschungsprojekt soll untersucht werden, inwieweit sich biokeramische Werkstoffe als Knochenersatzstrukturen eignen und welche Vorgehensweise zu favorisieren ist. Dabei ist nicht nur die eigentliche Formgebung durch additive Fertigungstechnologien zu beachten, sondern die gesamte Fertigungsprozesskette, um die Eigenschaften der gedruckten Struk-turen gezielt den medizinischen Anforderungen anpassen zu können.

Im vergangenen Forschungsjahr konnten weitere Erkenntnisse hinsichtlich der Aufbereitung und Verarbeitung von Calciumphosphatkeramiken und bioaktiver Gläser für das pulverbasierte Inkjet-3D-Drucken gewonnen werden. Die gedruckten, filigranen Strukturen, sogenannte Scaffolds, konnten erfolgreich mit MG-63 Zellen besiedelt werden. Die Ergebnisse deuten auf einen hohen Grad an Bioaktivität hin, d.h., die 3D-gedruckten Keramiken sind als mögliche Knochenersatzstrukturen geeignet. In der Folge wurden noch zwei alternative additive Fertigungsrouten auf Basis des Fused Deposition Modeling (FDM) initiiert. Erste Versuchs-ergebnisse deuten darauf hin, dass diese beiden Verfahren zweckmäßige Alternativen zum oben erwähnten Inkjet-3D-Druck darstellen und in einigen Bereichen sogar überlegen sind.

Abb. 34: Calciumphosphat/PLA Komposite, hergestellt auf Basis des FDM-Verfahrens

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Thema E2-031: Methodische Ansätze zur optimalen Bauteilgestaltung bei der generativen Fertigung mittels Selectiv Laser Melting (SLM)

Doktorand: M. Sc. Enno Garrelts

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz (IKTD) Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorf (IFB)


Zusammenfassung

Das Selektive Laserstrahlschmelzen (Englisch: Selectiv Laser Melting – SLM) ist ein additiver Fertigungsprozess, der Metallteile generiert. Beim SLM werden Schichten von Metallpulver mit einem Laser selektiv aufgeschmolzen. Dabei muss ein Laserstrahl jedes Volumenelement des gewünschten Bauteils einzeln erhitzen. Die Material-Laser-Interaktion generiert, je nach gewählten Prozessparametern, unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und ermöglicht geometrische Formen, die mit spanenden Fertigungsverfahren kaum herstellbar sind. Eine optimale Konstruktion für SLM Bauteile berücksichtigt sowohl die geometrischen als auch die werkstofftechnischen Möglichkeiten.

Eine methodische Unterstützung für den Konstruktionsprozess für SLM Bauteile, der diese Besonderheiten berücksichtigt, ist bisher nicht durchgängig gegeben. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung methodischer Ansätze zur optimalen Gestaltung von Bauteilen für SLM. Um diese (optimale) Gestaltung zu ermöglichen, werden verschiedene Konstruktionsmethoden für das Verfahren abgewandelt, beziehungsweise neu entwickelt. Insbesondere beim Aufstellen von geeigneten Funktionsstrukturen, der Auswahl von spezi-fischen Lösungsprinzipien, dem Ableiten einer leichtbaugerechten Variante auf Basis von Skizzen und dem Entwurf von leichten, schalenartigen Geometrien besteht Verbesserungs-potenzial.

Abb. 35: Schematische Darstellung der im Forschungsvorhaben zu entwickelnden Unterstützungen und ihre Einordnung im Entwicklungsprozess

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Thema E2-026: Prozessregelung und Qualitätskontrolle für das Schweißen von Gläsern mit UKP-Lasern

Doktorand: M. Sc. Sebastian Hecker

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IfSW) Prof. Dr. Alois Herkommer (ITO)


Zusammenfassung

Das Schweißen von Gläsern mit Ultrakurzpulslasern ist eine vergleichsweise neue Technologie, die innovative Produkte und eine effiziente Fertigung ermöglichen wird. Die Entwicklung und Einrichtung eines Schweißprozesses in Glas wird aktuell noch empirisch erarbeitet und ist mit hohem Aufwand verbunden. Zudem erfolgt die Bewertung des Schweiß-ergebnisses in einer dem Schweißen nachgelagerten, manuellen Prüfung. Dies bedeutet einen weiteren aufwendigen Prozessschritt.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, diese Prozesskette über eine In-Line Qualitätsbeurteilung und Prozessregelung für den einfachen, breiten Einsatz zu ertüchtigen. Zur Gewinnung fundierter Kenntnisse über die Steuerbarkeit und Überwachbarkeit des Bearbeitungs-prozesses wurde eine Prozesscharakterisierung durchgeführt. Aus den Ergebnissen ließ sich die Notwendigkeit einer Zwangsführung des Prozesses ableiten. Zudem konnte die emittierte Sekundärstrahlung als geeigneter Informationsgeber identifizieren werden. Zur Zwangs-führung des Prozesses wurde der Schweißprozess mittels zeitlicher Energiemodulation gesteuert. Es konnten positive Effekte hinsichtlich Schweißergebnis, Prozesstoleranzen und Überwachbarkeit festgestellt werden.

Abb. 36: Gegenüberstellung des Photodioden-Signals und der räumlichen Entwicklung der Absorptions-bereiche beim Schweißen von Glas mit Ultrakurzpuls-Lasern

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Thema E2-027: Verbindung von metallisierten Kupferschichten mit Komponenten der Leistungselektronik

Doktorandin: M. Sc. Eveline Hirschfeld

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IfSW) Prof. Dr. Siegfried Schmauder (IMWF)


Zusammenfassung

Durch steigende Miniaturisierung und Erhöhung der Integration von elektrischen Komponen-ten auf Schaltungsträger, steigt die Stromdichte, welche über die eng beieinander liegenden Verbindungstellen der Leistungskomponenten zu der Leiterplatte fließt. Zusätzlich muss die während des Fügeprozesses die parameterabhängig entstehende Wärmeeinflusszone so klein wie möglich gehalten werden, da die Bauteile sehr eng beieinanderliegen und oft temperaturempfindlich sind. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, soll im Rahmen dieser Arbeit ein Prozess entwickelt werden, mit welchem (vorverzinnte) elektrische Leistungs-komponenten direkt auf die metallisierte Schicht (z.B. auf einer Leiterplatte) gefügt werden können, ohne thermische Schädigung an der metallischen Schicht, dem Substrat oder der (vorverzinnten) elektronischen Komponente zu verursachen. Der zu entwickelnde Prozess soll stabil industriell einsetzbar sein.

Als erster Arbeitsschritt wurden die Temperaturgrenzen für den Prozess mit einem Experiment ermittelt. Mit diesem Experiment wurde das numerische Modell, welches für die Temperatur-feldbestimmung erstellt wurde, erfolgreich validiert. Die Simulation soll im nächsten Arbeits-schritt dazu verwendet werden, den Temperaturverlauf zu bestimmen und anschließend zu optimieren. Mit einem bekannten Temperaturverlauf soll der Zielprozess entwickelt werden.

Abb. 37: Schematischer Aufbau des Prozesses, um eine elektrische Komponente auf eine metallisierte Kupferschicht zu fügen*

*) Die eingezeichneten Temperaturen sind die wichtigsten Temperaturen für das zu bestimmende Temperaturfeld.

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Thema E2-021: Vorhersage der Bohrlochform beim Mikrobohren mit ultrakurzen Laserpulsen

Doktorand: M. Sc. Alexander Kroschel

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr. Wolfgang Osten (ITO) Dr. Andreas Michalowski (Robert Bosch GmbH)


Zusammenfassung

Bohren mit Laserstrahlung stellt ein wichtiges Fertigungsverfahren in der Produktionstechnik dar, bei dem nach wie vor ein großer Forschungsbedarf besteht. Durch den Einsatz moderner Ultrakurzpuls-Laser können Bohrungen mit höchster Präzision und Qualität in praktisch jedem Material hergestellt werden. Die entstehenden Bohrlochgeometrien hängen von zahlreichen Parametern ab, beispielsweise den Laserstrahl-, Werkstück- und Umgebungseigenschaften sowie der Prozessführung.

Im Forschungsprojekt soll ein Modell des Fertigungsprozesses Laserbohren erstellt werden, das eine Vorhersage der Bohrlochgeometrie in Abhängigkeit von verschiedenen Einfluss-parametern erlaubt. Dazu werden Modelle für die Strahlpropagation als auch die Absorption der Laserstrahlung entwickelt und gekoppelt. Mit einem numerischen Algorithmus kann daraus die Bohrlochform berechnet werden, die unter Berücksichtigung der gegebenen Parameter bei einer unendlich langen Bestrahlungsdauer als stationäre Endform erwartet wird.

Die Gültigkeit des Modells wurde anhand angefertigter Bohrlöcher, welche in verschiedenen Materialien hergestellt wurden, überprüft. Anhand von Querschliffen und mikroskopischen Analysen kann die Form der hergestellten Mikrobohrungen für den Vergleich mit der Modell-vorhersage ermittelt werden. Exemplarisch sind in Abbildung 38 drei Bohrlöcher mit gleicher Prozessführung, jedoch verschiedenen Materialien, sowie der vorhergesagte Verlauf der Bohrlochwand dargestellt (weiße Linie an der rechten Kante). Es liegt eine sehr gute Übereinstimmung vor. Für die Materialparameter, die in die Simulation eingesetzt wurden, sind ausschließlich bekannte Literaturwerte verwendet worden.

Abb. 38: Drei Bohrlöcher im Querschnitt (gleiche Prozessführung, verschiedene Materialien)*

*) Edelstahl (1), Kupfer (2) und Silizium (3) mit der Bohrlochgeometrievorhersage durch das Modell (weiße Linie an der rechten Bohrlochkante)

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Thema E2-024: Werkstoff- und bauteilangepasste Prozessgestaltung beim Selective Laser Melting (SLM)

Doktorand: M. Sc. Artur Leis

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr. Rainer Gadow (IFKB)


Zusammenfassung

Die additive Fertigung in Form des Selective Laser Meltings (SLM) zeigt sehr hohe Potenziale für die Fertigung hochkomplexer, individueller Produkte der Zukunft. Die Wirkzusammenhänge innerhalb der Interaktion zwischen Laser und Pulverbett sind noch nicht bekannt und bedürfen der Erforschung der Grundlagen. Dabei sind die Einflussnahmen des Prozesses auf den Werkstoff und das Bauteil, und deren entgegenwirkende Forderungen an den Prozess beim SLM in Abb. 39 beispielhaft dargestellt.

In der aktuellen Prozessgestaltung entsteht eine gerichtete, anisotrope Gefügestruktur in Baurichtung, so dass die Orientierung der Bauteile im Bauraum ausschlaggebend für die Festigkeiten ist. Durch die werkstoff- und bauteilangepasste Prozessgestaltung, wie sie beim konventionellen Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierung bereits erforscht ist, ist es möglich, Gefügestrukturen innerhalb der Schweißnaht frei einstellen zu können.

Als Ziel des Forschungsprojekts soll eine Methode entwickelt werden, um die Prozess-gestaltung innerhalb eines Baujobs im realen SLM-Prozess an der TruPrint 3000 in der ARENA2036 so zu beeinflussen, dass in definierten Bereichen der Bauteile definierte Gefüge-strukturen erzeugt werden. Hierdurch kann eine Funktionsintegration durch graduierte Materialeigenschaften ermöglicht werden.

Abb. 39: Schematische Darstellung der Einflussnahme des Prozesses auf den Werkstoff und das Bauteil, sowie die Forderungen der Bauteils und des Werkstoffes auf den Prozess

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Thema E2-028: Potenziale einer Prozessregelung beim Scherschneiden und Umformen in Stanzmaschinen

Doktorand: M. Sc. Stephan Nießner

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald (IFU) Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS)


Zusammenfassung

Im Vergleich zum Laserschneiden konnten die werkzeuggebundenen Stanz- und Umform-prozesse an der Marktdynamik nicht adäquat partizipieren. Die niedrigen Stückkosten beim Stanzen von kleinen bis mittleren Blechteilen können bei zunehmend kleineren Losgrößen bis hin zur Einzelteilfertigung nicht mehr ausgenutzt werden. Neben dem hohen Rüstaufwand sind zeit- und materialaufwändige Iterationen erforderlich, um die teilespezifisch geforderte Bearbeitungsqualität sicherzustellen. Das Bearbeitungsergebnis wird durch die Ausführung des Werkzeugsatzes (Stempel, Matrize, Abstreifer) bestimmt. Großen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis haben die Abarbeitungsstrategie, der Verschleißzustand der Werk-zeuge und die materialspezifischen und über den Bearbeitungsfortschritt sich ändernden Eigenspannungszustände des Blechs. Das resultierende Bearbeitungsergebnis kann in der Regel erst am Ende einer Tafelbearbeitung bewertet werden.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, neue messtechnische Ansätze zu validieren, die einen Aufschluss über qualitätsrelevante Prozessgrößen geben und damit eine Korrelation zum Bearbeitungsergebnis ermöglichen. Weiterhin sollen anhand der dabei erkennbaren Wirk-zusammenhänge, die sich aus den zusätzlich gewonnenen Prozesssignalen ableiten lassen, neuartige Prozessregelungen für Stanz- und Umformprozesse generiert werden.

Abb. 40: Signale aus dem Stanzprozess und daraus ableitbare Erkenntnisse

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Thema E2-009: Serientaugliches Laserstrahl-Remoteschweißen von hoch-festen Aluminiumbauteilen

Doktorand: M. Sc. Martin Sommer

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT)


Zusammenfassung

Durch den Einsatz von immer leichteren Materialien und gestiegenen Anforderungen an die Fertigungstechnik bzgl. 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 Vermei-dung 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 Porenbildung, zu vermeiden. Dafür sind Strategien zu ent-wickeln, die hohe Bearbeitungsabstände zulassen und das Einbringen von Zusatzwerkstoffen ausschließen. Durch detaillierte Untersuchungen sollen vorhandene Modellvorstellungen an Probekörpern validiert und zu Realbauteilen überführt werden.

3.6 Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Clusterdirektor: Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf


Entwicklung des Clusters F2

Intelligente Produktionseinrichtungen bilden die Grundlage für Industrie 4.0 und die Personalisierung und Digitalisierung der Produktion, da sie eine flexible, vernetze, wandelbare und ressourceneffiziente Fertigung von Produkten ermöglichen. Das Cluster „Intelligente Produktionseinrichtungen“ erforscht die dazu notwendigen Konzepte und Methoden. Intelligente Fertigungseinrichtungen überwachen Prozesse, erkennen Veränderungen auto-matisch, reagieren in geeigneter Weise und adaptieren sich und die Prozessführung an neue Produktionsanforderungen. Sie überwachen und regeln ihren internen Zustand genauso wie den der durchgeführten Prozesse, sagen die Notwendigkeit von Instandsetzungs- und Instandhaltungsmaßnahmen voraus und unterstützen die Maschinenbenutzer durch zweck-mäßige Diagnosemeldungen. Außerdem reduzieren sie den Bedarf an Ressourcen durch Steigerung der Produktivität und der Bearbeitungsqualität bei geringem Verbrauch an Material

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und Energie. Die Forschungsthemen des Clusters umfassen alle Aspekte intelligenter Produktionssysteme, von den maschinenbaulichen Komponenten bis zur Diagnose, Über-wachung und Regelung von Prozessen und Fertigungsanlagen sowie deren Einbindung in die übergeordneten Wertschöpfungsketten.

Im Cluster wurden 2018 fünf neue Projekte gestartet, davon 3 mit Kooperationspartnern.

Zusammenfassung des Forschungsstandes des Clusters F2





abgeschlossen 0 0 0

drop out 0 0 0

Stand 31.12.2018

Tabelle mit Übersicht der aktuellen Forschungsthemen des Clusters F2


F2-001

Entwurfsmethodik für applikations- spezifische Lineardirektantriebe kleiner Leistung

abgeschlossenDaniel Kreuzer

DFG Prof. Schinköthe

F2-003

Flexible Führung hochbrillanter Laser-strahlen mit neuartigen optischen Fasern


Christian Röhrer

DFG Prof. Graf

F2-004

Vorbeugende und automatisierte Wartung und Instandhaltung für die Produktion


Christian Friedrich

DFG Prof. Verl

F2-006

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammen-arbeit während des Engineerings im Sondermaschinenbau

abgeschlossenTobias Helbig

Festo AG & Co. KG

Prof. Westkämper

F2-007

Strategien zur modellbasierten Beschreibung und Detektion lokaler Oberflächendefekte im Framework multiskaliger Konzepte zur Sensor-fusion


Haiyue Yang

DFG Prof. Osten

F2-010

Steigerung der Bearbeitungsgenauig-keit von Sonderkinematiken in der Zerspanung am Beispiel eines Gelenkarmroboters und eines Seil-roboters


Oleksandr Kuklevskyi

DFG Prof. Gadow

F2-011

Entwicklung eines Verfahrens für die Erfassung von Gelenkwinkeln am Menschen mittels faseroptischer Sensoren


Christoph Riehs

DFG Prof. Verl

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F2-013

Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen


Berang Ashtari

Siemens AG Prof. Weyrich

F2-014

Automatische Erstellung digitaler Abbilder für den Automotive-Produktionsprozess


Florian Biesinger

Daimler AG Prof. Weyrich

F2-029

Produktivitätssteigerung durch Mehrstrahlbohroptik


David Brinkmeier

DFG Prof. Graf

F2-016

Autarke, intelligente Vakuumsauggreifer


David Straub

J. Schmalz GmbH

Prof. Verl

F2-030

Werkstoffeinflüsse beim selektiv Laser Melting von Leichtbauwerkstoffen


Saeid Sajadi

ARENA2036/GSaME

Prof. Schmauder

F2-G3

Laserstrahlquellen für innovative Produktionseinrichtungen

abgeschlossenKatrin Wentsch

DFG Prof. Graf

F2-G7

Service orientierte Architektur (SOA) für die Inbetriebnahme von Produk-tionsmaschinen – „Universal Plug and Produce“

abgeschlossenMichael Abel

DFG Prof. Klemm

F2-G13

UKP Scheibenlaser-Systeme zur Erzeugung radial polarisierter Ausgangsstrahlung


Michael Eckerle

DFG Prof. Graf

F2-035

Automatisiertes Engineering vollautomatisierter Montagelinien mittlerer Losgröße und erhöhten Flexibilitätsanforderungen durch Einsatz des Digitalen Zwillings


Daniela Brovkina

DFG Prof. Riedel

F2-032

Echtzeitnahe Produktionssteuerung für die variantenreiche Serien-produktion in dynamischen Produktionsnetzen


Carsten Messer

TTS AG und Co. KG

Prof. Riedel

F2-036

Single-Pixel Kamera mit Deep-ConvNet Signalverarbeitung für autonome Robotersysteme


Alexander Birk

DFG Prof. Osten

F2-037

Künstliche Intelligenz in der Automatisierungstechnik


Ralf Gulde

Festo AG & Co. KG

Prof. Riedel

F2-033

Polarisationsformungskonzepte für das Laserschneiden


Thomas Lehleiter

TRUMPF Prof. Graf


Forschungsstand ausgewählter Projekte in Cluster F2

Thema F2-013: Synchronisierung von digitalen Modellen und realen Fertigungszellen

Doktorand: M. Sc. Behrang Ashtari Talkhestani

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS)

Dr.-Ing. Wolfgang Schlögl, Siemens AG


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Zusammenfassung

Die Industrie steht zunehmend vor der Herausforderung, kundenspezifische Produkte in stetig kürzer werdenden Produktionszeiten zu liefern. Dies erfordert, dass flexible Produktions-systeme zur Verfügung stehen, die bei Bedarf effizient rekonfiguriert werden können. Dementsprechend müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden. Ein Aspekt ist die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit mithilfe der Verbesserung der Produktionsprozessschritte im Rahmen der Erstellung von individuellen Produkten. Der zweite Aspekt ist, dass mit verkürzten Lebenszyklen und steigenden Marktanforderungen eine ständige Verbesserung und Rekonfiguration der aktuellen Systeme stattfindet. Im Kontext der Cyber-Physical Systems (CPS) kann ein Digitaler Zwilling für ein Produktionssystem diese Herausforderung angehen, um Systeme einfach und schnell rekonfigurierbar zu machen, indem Rekonfigurations-Szenarien in einer simulativen Umgebung realisiert und getestet werden. Die Wiederinbetrieb-nahme des Fertigungssystems benötigt daher weniger Zeit und ermöglicht eine höhere Systemverfügbarkeit.

Voraussetzung für die Verwendbarkeit des Digitalen Zwillings eines Produktionssystems ist allerdings, dass ein aktuelles (virtuelles) Anlagenmodell der mechatronischen Bestandteile der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. Daraus leitet sich das Ziel der Forschung ab, eine Methodik zu erstellen, die die domänenübergreifende Synchronisierung der Engineering-Modelle des Digitalen Zwillings mit einer realen Fertigungs-zelle in der Automobilindustrie ermöglicht und damit einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz des Engineeringprozesses während des gesamten Lebenszyklus leistet.

Abb. 41: Synchronisierung der Engineering-Modelle des Digitalen Zwillings basierend auf Ankerpunkten der mechatronischen Komponenten

Hierfür wurde eine systematische Ankerpunktmethode entwickelt, mithilfe derer die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität während des Betriebs detektiert und ermittelt werden können. Basierend darauf wird ein Assistenzsystem realisiert, das die Änderungen in der realen Welt mit Hilfe eines Vergleichs des SPS-Programms einer Anlage zu verschiedenen Zeitpunkten detektiert. Dieses Assistenzsystem analysiert anhand eines Entscheidungsbaums die beiden SPS-Programme und detektiert damit die Änderungs-szenarien und Ankerpunkten der geänderten mechatronischen Komponente.

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Die Ankerpunkte einer Komponente bestehen aus der Item-ID der Komponente, mit Hilfe deren aus einer mit dem Assistenzsystem verknüpften mechatronischen Ressourcen Komponenten Bibliothek, welche in einer Integrations-Plattform umgesetzt wurde, die Daten und Modelle der Komponente ausgelesen werden sowie Positionsinformationen (geome-trische, elektrische und Software-Schnittstellen) der Komponente in der Anlage. Somit wird eine durchgängige, domänenübergreifende Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Fertigungszelle mit deren virtuellem Anlagemodell möglich.

Das Konzept wurde anhand eines Modularen Produktionssystems (MPS) als Demonstrator im Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme evaluiert. Die Ankerpunkt Methode wird anschließend anhand einer realen, flexiblen Anlage im Forschungscampus ARENA 2036 validiert.

Thema F2-014: Automatische Erstellung digitaler Abbilder für den Automotive-Produktionsprozess

Doktorand: M. Sc. Florian Biesinger

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS)

Dr. Davis Meike, Daimler AG


Zusammenfassung

Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, unterschiedliche Produktvarianten, darunter Verbrenner als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge, in bestehende Produktions-anlagen zu integrieren. Gleichzeitig ist eine Tendenz zu länger werdenden Anlagenlebens-zyklen zu erkennen, wobei sich eine Produktionsanlage aufgrund steigender Anforderungen kontinuierlich weiterentwickelt. Dies stellt Planer bei einer Integrationsplanung neuer Fahr-zeuge vor große Herausforderungen, denn im Gegensatz zur Anlage, bleibt ein Planungs-projekt auf dem ursprünglichen Stand und veraltet. Dies erschwert eine rasche und qualitativ hochwertige Integration. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird daher eine Methodik zur automatischen Erstellung eines digitalen Abbildes bestehender Produktionsanlagen auf Basis aktueller Informationen cyber-physischer Systeme entwickelt. Dieses digitale Abbild der Produktion, in Form eines aktuellen Planungsprojekts, wird auch „Digitaler Zwilling“ genannt.

Abb. 42: Erzeugung des „Digitalen Zwillings“ auf Basis aktueller Informationen cyber-physischer Systeme

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Zur automatischen Erzeugung des digitalen Zwillings werden neue Technologien, wie zum Beispiel das Echtzeitsystem „Manufacturing Service Bus“ als Datenquelle evaluiert. Die Inno-vation der entwickelten Methodik besteht aus der automatischen und detaillierten Abbildung der realen Produktionsstruktur sowie der anschließenden Umwandlung von aktuellen Anlagen-informationen in ein abstraktes digitales Planungsmodell. Der dabei entstehende Digitale Zwilling besteht aus für die Planung wichtigen Ressourcen-, Prozess- und Produkt-informationen. Diese ermöglichen dem Automobilunternehmen, schnell auf den sich verändernden Markt, mit einer raschen und qualitativ hochwertigen Integrationsplanung für neue Fahrzeugarchitekturen zu reagieren.

Thema F2-036: Single-Pixel Kamera mit Deep-ConvNet Signalverarbeitung für autonome Robotersysteme

Doktorand: M. Sc. Alexander Birk

Thesis Committee: Prof. Dr. Wolfgang Osten (ITO) Prof. Dr. Sven Simon (IPVS)


Zusammenfassung

Autonom und kooperativ agierende Roboter sind von entscheidender Wichtigkeit für die Produktionsprozesse der nächsten Generation. Zu den technischen Grundvoraussetzungen gehört es dabei, dass diese Roboter in der Lage sind, in ihrer Umwelt Objekte zu erkennen, um in Echtzeit adäquat auf diese reagieren zu können.

Dazu kommen heute aufwendige und teure Kamerasysteme zum Einsatz, die es erlauben, ein vollständiges dreidimensionales Abbild der Umgebung mithilfe mehrerer klassischer flächiger Bildsensoren zu rekonstruieren. Die so entstehenden großen Datenmengen machen leistungsfähige Datenkanäle, Computer und Algorithmen erforderlich, obwohl die tatsächlich benötigten Informationen (im Wesentlichen Position, Größe und Art von Objekten in der Nähe) recht übersichtlich sind.

Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Prozess durch ein neuartiges Konzept entscheidend zu verschlanken. Aktuelle Erkenntnisse und Verfahren des Machine Learning und des Single Pixel Imaging sollen es ermöglichen, die Sensorik auf einige Single-Pixel Time-of-Flight-Kameras sowie eine Einrichtung zur strukturierten Beleuchtung zu reduzieren, während das dahinterliegende neuronale Netz weiterhin in der Lage ist, die wesentlichen Informationen aus den so generierten, stark reduzierten Daten zurückzugewinnen. Zunächst muss der Nachweis erbracht werden, dass dies in der Tat möglich ist. Hierzu sind die ersten Ergebnisse bereits vielversprechend. Um nun das eigentliche Ziel erreichen zu können, finden umfangreiche Simulationen und theoretische Tests mit verschiedenen Varianten von neuronalen Netzen statt. Anschließend soll die Praktikabilität des Konzepts in einem realen Versuchsaufbau verifiziert werden. Als Ergebnis des Projekts erhoffen wir uns eine deutliche Kosten- und Komplexitätsreduktion bei leistungsfähigen Machine-Vision-Systemen und, damit einher-gehend, auch die Erschließung neuer Anwendungsbereiche.

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Abb. 43: Geplantes System zur Objekterkennung

Thema F2-029: Produktivitätssteigerung durch Mehrstrahlbohroptik

Doktorand: M. Sc. David Brinkmeier

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IfSW)


Zusammenfassung

Ultrakurzpulslaser sind aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in der Lage, unterschiedlichste Materialien mit hoher Präzision zu bearbeiten. Aus diesem Grund sind sie ein flexibles Werkzeug für zahlreiche Fertigungsprozesse, wie zum Beispiel das Bohren hochpräziser Mikrolöcher. Unter Mikrolöchern werden Bohrungen mit Lochdurchmessern bis minimal etwa 20 μm verstanden, bei denen höchste Anforderungen an Kriterien wie Rundheit, Geometrie (positiv/negativ konisch, zylindrisch), Oberflächengüte und Reproduzierbarkeit gestellt werden.

Ziel der Arbeit ist es zu definieren, wie und ob ein System ausgelegt werden kann, dass damit die hohen mittleren Leistungen von aktuellen und zukünftigen Hochleistungs-Ultrakurzpuls-lasern, unter Berücksichtigung der qualitativen Anforderungen an die Bohrlöcher1, in eine Produktivitätssteigerung umgesetzt werden können.

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Das zu untersuchende System besteht aus einer Ultrakurzpuls-Laserstrahlquelle, Laserbohr-optik (Wendelbohroptik), Strahlführung, Fokussieroptik und Werkstück. Ein schematischer Aufbau mit den relevanten Elementen ist in Abbildung 44 dargestellt.

Abb. 44: Schematischer Aufbau eines Laser-Wendelbohrsystems mit allen relevanten Kernelementen

Um die Frage nach dem notwendigen Systemdesign zu beantworten, wurde im ersten Schritt der Bohrprozess auf Basis der geometrischen Anforderungen an das spezifische Bohrloch unter Berücksichtigung der thermischen Grenzen (Wärmeakkumulation) definiert. Das Ergeb-nis dieser Betrachtung ist, dass zur Einbringung hoher mittlerer Laserleistungen eine Paralleli-sierung, Sequenzierung- oder Kombination beider Varianten notwendig ist.

In jedem Fall ist es ab einer loch- und laserparameterspezifischen mittleren Laserleistung erforderlich, mehrere Bohrungen gleichzeitig zu erzeugen. Im Fall einer gepulsten Strahlquelle kann dies grundsätzlich zeitlich (sequenziert) oder räumlich (parallelisiert) separiert umgesetzt werden. Gleichzeitig bedingt die Lochgeometrie, ausschlaggebend dabei die Lochtiefe, eine notwendige minimale Pulsenergie der gepulsten Strahlquelle für ein gegebenes Bohrloch in Abhängigkeit der Brennweite f.

Diese Anforderung muss durch das optische System derart realisiert werden, dass an jeder Stelle in der Bearbeitungszone die gleiche Bohrung, im Sinne der resultierenden Bohrloch-geometrie, entsteht. Aus der geometrisch-optischen Formulierung des optischen Systems kann, unter Berücksichtigung der genannten Randbedingung, der Lösungsraum analytisch im erweiterten Strahlmatrizenformalismus abgeleitet werden.

Im weiteren Verlauf folgt die experimentelle Umsetzung und Validierung auf Basis der aktuell verfügbaren optischen Systemtechnik. Das Schlüsselelement ist hierbei eine schnelle optische Ablenkeinheit, wobei die Anforderungen an dieses, im Vergleich zu anderen Anwendungs-fällen im Bereich der laserbasierten Produktionstechnik, besonders hoch ausfallen.

1) Im Kontext dieser Arbeit wird die Produktivität für Laserbohrprozesse als Löcher pro Zeit definiert.

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Thema F2-035: Automatisiertes Engineering vollautomatisierter Montage-linien mittlerer Losgröße und erhöhten Flexibilitätsanforderungen durch Einsatz des Digitalen Zwillings

Doktorandin: M. Sc. Daniella Brovkina

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW) Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich (IAS)


Zusammenfassung

Montagelinien sind seit vielen Jahren eine der wichtigsten Komponenten des Produk-tionsprozesses. Viele Arbeitsschritte der Montage werden noch immer von Menschenhand ausgeführt, weil die menschliche Intuition komplexe Montageaufgaben wirtschaftlicher löst als Roboteranlagen. Der Automatisierungsgrad definiert mehrere Merkmale der Montagelinie. Während bei kleineren Losgrößen die Montage meist von Hand erfolgt, ist bei großen Losgrößen die Montage weitestgehend automatisiert. Dies begründet sich darin, dass der sehr hohe Aufwand für die Planung, Auslegung und Inbetriebnahme vollautomatisierter Montage-linien für die Lösung von komplexen Produktionsanforderungen, hohe Anfangsinvestitionen erfordert und in der Regel können nur große Unternehmen solche Ausgaben aufwenden. Eine vollautomatisierte Montagelinie bleibt somit Großunternehmen vorbehalten. Teilautomatisierte Montagelinien sind eine typische Automatisierungsstufe für mittlere Losgrößen und erscheinen meist als Kompromiss zwischen dem Aufwand für die Prozessautomatisierung von komplexen Aufgaben sowie den Kosten der Arbeitskräfte. Jedoch resultiert der Mangel von Entschei-dungshilfen für eine optimale wirtschaftliche Systemkonfiguration in hohen Planungs- und Auslegungskosten, weil der Ressourcenbedarf für verschiedene Produktvarianten und -volumen und verschiedene Automatisierungslösungen, wie z.B. Produktionszeit, Anlagen-auslastung und benötige Produktionsmaschinen, manuell in Iterationen berechnet wird.

Abb. 45: Architekturkonzept des Werkzeugs für Montagelinienautomatisierung

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Mit dem heutigen Trend der kundenindividuellen Massenproduktion müssen auch vollauto-matisierte Produktionen von großen Losgrößen auf manuelle Lösungen umgestellt werden, um die Flexibilität zu erhöhen. Hohe Flexibilität muss daher ein notwendiger Parameter des modernen Produktionssystems sein, welchem geringe Durchlaufzeiten sowie niedrige Investitions- und Stückzahlkosten im Konflikt gegenüberstehen.

Ziel der Arbeit ist es, mit Modellen, Methoden und Werkzeugen aus der Digitalen Fabrik, kombiniert mit Ansätzen aus dem Model-based Systems Engineering, die Herausforderungen der wirtschaftlichen Automatisierung von Montagelinien für mittlere Losgrößen zu bewältigen.

Es soll ein Werkzeug als Entscheidungshilfe entwickelt werden, welches die hohen Anfangs-investitionen einer vollständigen Automatisierung reduzieren und hierdurch für geringere Losgrößen attraktiver gestalten soll. Dabei wird, wie in Abbildung 45 dargestellt, die virtuelle Inbetriebnahme eine zentrale Rolle spielen. Über die Model-in-the-Loop (MiL), Software-in-the-Loop (SiL) und Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulationen von Montagelinienkomponenten soll mithilfe ihres Digitalen Zwillings eine vollständig automatisierte Auslegungsplanung erfolgen. Die virtuelle Inbetriebnahme wird genutzt, um über einen iterativen Prozess die Auslegung zu optimieren, so dass eine situationsoptimale Auslegung einer Montagelinie bezüglich eines Zielprodukts resultiert. Für dieses Vorhaben werden einheitliche Modelle für Anlagenfähigkeiten, Montageprozesse und Produktionsbeschränkungen erforscht. Die wichtige Anforderung an das resultierende Werkzeug ist die Verwendbarkeit für die Vollautomatisierung von bestehenden Montagelinien mit abweichenden Produktanforde-rungen (Brownfield) und die Ermittlung der Systemkonfiguration von einer neuen Produktions-linie (Greenfield).

Thema F2-037: Künstliche Intelligenz in der Automatisierungstechnik

Doktorand: M. Sc. Ralf Gulde

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS)

Michael Voß (Festo AG & Co. KG)


Zusammenfassung

Damit Industrieunternehmen ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit erhalten und weiter ausbauen können, müssen sie sich den rasch wechselnden Marktgegebenheiten anpassen. Es gilt auf häufige Produktwechsel, wachsende Zahl von Varianten, sinkende Losgrößen und kundenindividualisierte Produkte flexibel und ohne aufwändige Umstellung der Produktion reagieren zu können. Die veränderten Umweltbedingungen wirken in besonderem Maß auf die Montage als letzte Stufe im Produkterstellungsprozess. Die Montage, als finaler Schritt der Wertschöpfungskette, verantwortet einen Anteil zwischen 55 % und 75 % der gesamten Herstellungskosten. In der Endmontage von kundenindividuellen Produkten liegt der Anteil manueller Tätigkeiten im Mittel bei 95 %.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Bereitstellung eines Robotersystems, welches die flexible Montage von Kleinserien ermöglicht und somit eine Steigerung des Automatisierungsgrads in

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der Montagetechnik bewirkt. Hierbei liegt der Fokus auf der autonomen Robotermanipulation, so dass auf eine aufwändige Programmierung des Robotersystems verzichtet werden kann. Um dies zu ermöglichen, soll eine durchgängige Architektur entwickelt werden, welche das Deployment von universellen Roboterfähigkeiten auf beliebige Knickarmroboter erlaubt. Solche Roboterfähigkeiten können vorab in einer Simulationsumgebung erlernt werden. Damit das Robotersystem adäquat auf Änderungen der Umwelt reagieren kann, wird aktuell an einem Konzept zur sensorbasierten Umgebungswahrnehmung geforscht. In einem zweistufi-gen Verfahren soll dabei zunächst ein metrisches Umweltmodell erzeugt und darauf basierend eine Semantikanalyse der Szene durchgeführt werden. Hierdurch soll eine programmierfreie Roboterautomatisierung von komplexen Montageaufgaben ermöglicht werden.

Thema F2-033: Polarisationsformungskonzepte für das Laserschneiden

Doktorand: M. Sc. Thomas Lehleiter

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr. Alois Herkommer (ITO)


Zusammenfassung

Die zum industriellen Laserschneiden von Stahl eingesetzte Laserstrahlung weist heute eine Polarisationsform auf, mit welcher der Absorptionsgrad beim Auftreffen auf das Werkstück maximal 40% beträgt. Demzufolge wird über die Hälfte der eingesetzten Energie nicht optimal genutzt, wodurch die Prozessperformance deutlich unter den theoretischen Möglichkeiten bleibt. Trotz des enormen Optimierungspotenzials ist die Polarisation beim industriellen Laser-schneiden bislang ein ungenutzter Freiheitsgrad.

Abb. 46: Fresnel-Absorption von Laserstrahlung der Wellenlänge 1030 nm in Eisen für unpolarisiertes und linear polarisiertes Licht

Durch eine gezielte Anpassung der Polarisation an die Schneidfrontgeometrie sind deshalb signifikante Steigerungen im Vorschub zu erwarten. Eine Herausforderung ist, dass die

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Formung der Polarisation direkt im Schneidkopf erfolgen muss, da für Hochleistungslaser keine polarisationserhaltenden Fasern verfügbar sind.

Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen verschiedene Konzepte zur Polarisationsformung entwickelt und dann an einem Demonstrator geprüft werden. Ein Fokus soll dabei auf der industriellen Realisierbarkeit der entwickelten Konzepte in Serienmaschinen liegen.

Thema F2-032: Echtzeitnahe Produktionssteuerung für die variantenreiche Serienproduktion in dynamischen Produktionsnetzen

Doktorand: M. Sc. Carsten Messer

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel (ISW) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) E-Mail: [email protected]

Zusammenfassung

In der Produktion und deren Steuerung liegt eine geringe Reaktionsfähigkeit auf Grund von manuellen und sich dadurch zeitlich verzögerten Erfassungen und Auswertungen der Störungen in der Produktion und den aktuellen Auftragseingängen vor. Durch aktuelle Themen, die sich mit Begriffen wie Industrie 4.0, Industrial Internet of Things und cyber-physische Systeme überschreiben lassen, geht es häufig um eine Datenakquise und Informa-tionsgenerierung. Die Daten werden zunehmend für einen aktiven Eingriff in den Produktions-ablauf genutzt. Allerdings ist dieser Zugriff meist sehr punktuell und lässt einen übergeordne-ten Blick auf den effektiven und effizienten Produktionsablauf des ganzen Systems vermissen. Genau in diesem Bereich soll das Forschungsprojekt ansetzen und eine Systematik ent-wickeln, wie die zur Verfügung stehenden Daten und Informationen zielgerichtet genutzt werden können, um das übergeordnete Produktionssystem echtzeitnah zu steuern und somit effizienter betreiben zu können.

Thema F2-011: Entwicklung eines Verfahrens für die Erfassung von Gelenkwinkeln am Menschen mittels faseroptischer Sensoren

Doktorand: M. Sc. Christopher Riehs

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW) E-Mail: [email protected]

Zusammenfassung

Trotz einer zunehmenden Automatisierung von Prozessen, nimmt der Mensch auch heute noch eine wichtige Rolle bei der Montage komplexer Teile ein. Für die Optimierung der Montageprozesse wird häufig sogenanntes Motion Tracking eingesetzt, wobei meist optische Marker oder Inertialsensoren verwendet werden, welche am Menschen angebracht sind.

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Während die Verwendung optischer Marker sehr präzise und für Langzeitmessungen geeignet ist, wird ausreichend Platz für mehrere Kameras und eine freie Sichtlinie auf den Werker be-nötigt. Inertialsensoren weisen diese Nachteile nicht auf, können aber aktuell nur für wenige Minuten eingesetzt werden, da es bereits nach kurzer Zeit zu einer ausgeprägten Signaldrift kommt. Stabile Langzeitmessungen, welche den Werker in seinem natürlichen Bewegungs-verhalten nicht negativ beeinflussen und einen Einsatz unter realitätsnahen Bedingungen ermöglichen, sind aktuell nicht realisierbar.

Ein potenziell geeignetes Sensorkonzept stellen faseroptische Sensoren dar, welche Standard-Telekom-Glasfasern als Trägersubstrat verwenden und in der Lage sind, an mehreren Stützstellen entlang der Faser Krümmung und Biegerichtung zu erfassen. Größte Herausforderung stellt hierbei die Anbindung der Sensorfasern an den Menschen dar, welche eine stabile Erfassung der Gelenkwinkel gewährleisten muss, gleichzeitig aber die empfind-lichen Fasern vor mechanischer Zerstörung schützen muss.

Im Verlauf des Forschungsvorhabens soll ein Verfahren entwickelt werden, welches die Erfassung von Gelenkwinkeln mittels faseroptischer Sensoren am Menschen erlaubt. Einen weiteren Aspekt des Verfahrens stellt die Kalibration der Sensor für jeden Benutzer dar, um anatomische Unterschiede ausgleichen zu können.

Thema F2-003: Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit neuartigen optischen Fasern

Doktorand: M. Sc. Christian Röhrer

Thesis Committee: Prof. Dr. Thomas Graf (IFSW) Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth (INT)


Zusammenfassung

In Hinblick auf den wachsenden Bedarf für die flexible, faserbasierte Führung hochbrillanter Laserstrahlung in der industriellen Fertigung wurden verschiedene optische Glaserfasern untersucht, mit dem Ziel, die aufgrund nichtlinearer Effekte beschränkte Übertragungslänge zu erweitern. Unter Verwendung eines monolithischen Aufbaus (vgl. Abb. 47 (a)) mit konven-tionellen Stufenindexfasern konnte die Erhaltung guter Strahlqualität über mehrere hundert Meter Übertragungslänge demonstriert werden, wobei eine lineare Zunahme der Beugungs-maßzahl M² mit zunehmender Faserlänge beobachtet werden konnte (vgl. Abb. 47 (b)). Dieses Verhalten steht in guter Übereinstimmung mit der von Gloge beschriebenen Energiefluss-gleichung, welche über die Faserlänge eine graduelle Kopplung der geführten Leistung in höhere Moden beschreibt (vgl. Gloge, D.: Optical Power Flow in Multimode Fibers. In: Bell Labs Technical Journal 51, 1972, pp. 1767-1783).

Für Anwendungen im Hochleistungsbereich ist die übertragbare Leistung aufgrund des Ein-setzens von stimulierter Raman Streuung (SRS) begrenzt. Unterhalb dieser Limitierung konnte eine Leistung von mehr als 1 kW bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M² ≈ 1,3) über eine Faserlänge von 100 m in einer Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm bei einer numerischen Apertur von 0,22 geführt werden.

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Abb. 47: Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus*

*) (a). Experimentell gemessene Beugungsmaßzahl M² in Abhängigkeit der Faserlänge (b). für Kerndurchmesser von 30, 40, 50 und 60 µm (zur besseren Übersichtlichkeit sind keine Fehlerbalken eingezeichnet, aber die Mess-unsicherheit betrug ±5 %)

.

Zur Strahlführung ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit hohen Pulsspitzenleistungen beziehungsweise hohen Pulsenergien, welche vor allem im der Mikromaterialbearbeitung Anwendung findet, müssen anstelle von Vollmaterialfasern (wie bspw. Stufenindexfasern) Hohlkernfasern verwendet werden. Da in der Mikrobearbeitung die Polarisation der Laser-strahlung entscheidenden Einfluss auf den Prozess hat, wurden „Inhibited Coupling Hollow-Core Photonic-Crystal Fibers“ (IC HC-PCF) im Hinblick auf ihr polarisationserhaltendes Verhalten untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der lineare Polarisationsgrad (DOLP) der transmittierten Strahlung von der Orientierung der Biegeebene, Länge der Biegung und dem Biegeradius der Faser abhängt. Ein optimal hoher DOLP wird für Biegungen der Faser parallel oder orthogonal zur Biegeebene erreicht. Numerische Simulationen zeigten eine gute Überein-stimmung mit den experimentellen Ergebnissen, worüber ein detailliertes Verständnis über die physikalischen Mechanismen welche zur Degradierung des Polarisationsgrades führen geschaffen werden konnte.

Thema F2-030: Werkstoffeinflüsse beim Selective Laser Melting von Leichtbauwerkstoffen

Doktorand: M. Sc. Saeid Sajadi

Thesis Committee: Prof. Dr. Siegfried Schmauder (IMWF) Prof. Dr. Rainer Gadow (IFKB)


Zusammenfassung

Die laserbasierten additiven Fertigungsverfahren werden vor dem Hintergrund von Industrie 4.0, der individualisierten Produktgestaltung und dem verstärkten Streben nach Leichtbau und ressourcenschonender Fertigung zu einem bedeutenden Baustein in der industriellen Produktion der Zukunft. Um dies zu erreichen, müssen allerdings die seit der Erarbeitung der verfahrenstechnischen Grundlagen vor gut zwei Jahrzehnten bekannten Limitierungen bezüglich Werkstoffeinflüssen und Prozessgestaltung überwunden und die Methodik zur

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systematischen Ausnutzung der den generativen Verfahren innewohnenden Vorteile weiter-entwickelt werden.

Um das unbestrittene Potenzial additiver Fertigungsverfahren bezüglich einer individualisier-ten und funktionsoptimierten Produktgestaltung in Verbindung mit einer ressourceneffizienten Fertigung für die zukünftige industrielle Produktion nutzbar zu machen, ist eine umfassende konstruktive Bauteilgestaltung erforderlich. Diese umfasst einerseits die werkstoffwissen-schaftliche Seite im Wechselspiel mit der physikalischen Prozessgestaltung und andererseits die systemtechnische Implementierung.

Als Ziel des Forschungsprojekts sollen die mikro- und makroskopischen Werkstoffeigen-schaften (Mikrostruktur, Porosität, Oberflächenrauigkeit, E-Modul, Festigkeit, Bruch- und Ermüdungsverhalten) von AlSi10Mg entlang der gesamten Prozesskette (Pulverform, -zusam-mensetzung, -einbringung, Aufschmelzen, Wiedererstarren einschließlich möglicher Nach-behandlungen) sowohl experimentell als auch simulativ untersucht werden, um gezielt bisher unentdeckte Optimierungspotenziale aufzudecken und die Werkstoffe für die additive Fertigung weiterzuentwickeln.

Abb. 48: Prinzip des selektiven Laserschmelzens (links). Grafische Darstellung des Projekt-Workflows (rechts)

Thema F2-016: Autarke intelligente Vakuumgreifsysteme

Doktorand: M. Sc. David Straub

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl (ISW)


Zusammenfassung

Die zunehmende Kollaboration zwischen Mensch und Roboter erfordert zusätzliche Sicher-heitsvorkehrungen im Vergleich zum Betrieb von Robotern in einer Zelle. Da als Endeffektoren an besagten Robotern häufig Vakuumgreifer zum Einsatz kommen, sind auch hier zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen von Nöten. Auf Grund der Tatsache, dass beim Greifen mit Vakuum die Greifer in der Regel nur von einer Seite in Kontakt mit dem Werkstück stehen und dadurch kein Formschluss vorliegt, stellt der Ausfall von Versorgungsenergieträgern und die damit unterbrochene Vakuumerzeugung ein besonderes Gefährdungspotenzial durch ein Herab-fallen des Werkstücks dar. Um dies zu unterbinden, besteht die Herangehensweise darin, ein

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sekundäres Vakuumsystem zu implementieren, dass im Unterbrechungsfall das Werkstück temporär in einer sicheren Position halten kann.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Ableitung eines Verfahrens für die Auslegung von temporär energieautarken Vakuumgreifsystemen auf Basis der Untersuchung fluidischer Vorgänge in Greifsystemen. Die Verifikation erfolgt anhand eines Beispielszenarios aus dem Montage-umfeld.

Abb. 49: Aufbau und Funktionen eines temporär energieautarken Vakuumsystems

3.7 Nachwuchsgruppen

Die Aufgabe der Nachwuchsgruppenleiter der GSaME bestand darin, die Themen der Cluster transdisziplinär selbständig im Rahmen des Forschungsgegenstandes der GSaME in einen Forschungszusammenhang zu integrieren und zur Weiterentwicklung des Forschungsprofils der GSaME beizutragen. Dazu führten sie eigenständige grundlagen- und anwendungs-orientierte Forschungsprojekte durch. Ihre Aufgaben im Rahmen der Qualifizierung waren darauf gerichtet, die konzeptionelle und inhaltliche Weiterentwicklung des Qualifizierungs-programms in Anpassung an das Forschungsprogramm mit neuen Arbeitsformen und dessen Umsetzung in Zusammenarbeit mit dem Studienkoordinator zu realisieren. Einen Schwerpunkt bildete die Organisation und Durchführung von Doktorandenkolloquien. Die Nachwuchs-gruppenleiter waren in die Betreuung der Promovierenden eingebunden. Unabhängig vom Stellenwert der eigenen wissenschaftlichen Arbeit hat die GSaME den Rahmen für cluster-übergreifende thematische Schwerpunkte geschaffen:

Intelligente Produktionssysteme

Regional und global vernetzte Produktion

IKT-Plattform für die Produktion

Die beiden Nachwuchsgruppen “Intelligente Produktionssysteme” und „Regional und global vernetzte Produktion“ haben mit Abschluss der 2. Förderperiode ihre Tätigkeit beendet.

Die Nachwuchsgruppe „IKT-Plattform für die Produktion“ wurde auch 2018 unter Beibehaltung der Schwerpunkte weitergeführt.

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Nachwuchsgruppe „IKT-Plattform für die Produktion“

Nachwuchsgruppenleiter: Dr. rer. nat. Peter Reimann


Für produzierende Unternehmen stellt die Weiterentwicklung ihrer Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) eine große Herausforderung dar, was durch aktuelle Trends wie Industrie 4.0 oder Digitalisierung beobachtet werden kann. Dieser Entwicklung trägt die Nachwuchsgruppe mit der Umsetzung und Evaluation einer zugeschnittenen IKT-Plattform Rechnung. Dabei wurde mit der „Stuttgart IT Architecture for Manufacturing“ (SITAM) eine IT-Architektur entwickelt, welche insbesondere eine über das ganze Produktions-unternehmen sowie über den gesamten Produktlebenszyklus reichende Integrations-umgebung für heterogene Informationssysteme und deren Daten bietet. Darauf aufbauend ermöglicht SITAM, sämtliche Daten zu analysieren sowie Mitarbeiter über mobile Endgeräte und eine mobile Informationsbereitstellung noch stärker in den Produktionsprozess einzubinden.

Die Forschungsarbeiten zielen primär darauf ab, die von der SITAM-Architektur angebotenen Möglichkeiten zur Datenanalyse auszuweiten. Dabei implementiert die Nachwuchs-forschungsgruppe verschiedene Analysemethoden und untersucht deren Potenzial, um im Produktlebenszyklus relevante Artefakte wie z.B. Produkte, ganze Fabriken oder einzelne Maschinen besser zu verstehen und zu optimieren. Abhängig von der Phase des Produkt-lebenszyklus, von den konkreten Daten sowie von der Zielsetzung der Analyse müssen hierbei ganz unterschiedliche Analysemethoden betrachtet und evaluiert werden. So können in der Phase Produktentwicklung heterogene Simulationsdaten mittels Reports oder komplexeren Data-Mining-Verfahren analysiert werden, um Empfehlungen für die Verbesserung eines Produktentwurfs herzuleiten. In der Phase Produktion kann über eine Analyse von Maschinen-daten Wissen extrahiert werden, welches z.B. eine vorausschauende Maschinenwartung erlaubt (Predictive Maintenance). Ebenso kann eine Fehlerursachenanalyse von Qualitäts-problemen, die während der Nutzung eines Produkts auftreten, für den Kundendienst interes-sant sein, um z.B. entsprechende Reparaturmaßnahmen oder Rückrufaktionen rechtzeitig einzuleiten. Dabei stellen sich jeweils insbesondere die Forschungsfragen, welche Analyse-methoden und Analysealgorithmen in welchen Szenarien auf welche Weise eingesetzt werden sollten und wie diese Methoden in komplexen Analyseprozessen kombiniert werden müssen.

4 Dissertationen

Im Berichtszeitraum wurden die folgenden 9 Projekte erfolgreich abgeschlossen. Eine Gesamtübersicht abgeschlossener Promotionen ist im Anhang zusammengestellt.

Nr. Dissertationsthema Abschluss Doktorand/-in Projektpartner Erstbetreuer

D2-006

Transfer von Erfahrungswissen im Arbeitsprozess der Produktionsplanung in der Automobilindustrie

2018 Daniela Baumhauer


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E2-016

Dynamik kohärenter Strukturen beim Zerstäuben mit Hohlkegeldüsen: Einfluss der Düseninnenströmung auf den Lamellenzerfall

2018 Sebastian Egger

DFG Prof. Piesche

C2-008

Smart Engineering Apps für eine mobile und situationssensitive Bereitstellung von Engineeringdaten

2018 Eva Hoos


A2-004

Managementmodell zur Identifikation und Aktivierung von Wertschöpfungs-potenzialen in regionalen Produktions-netzwerken

2018 Benjamin Kuch


A2-012

Modell zum maschinellen Lernen von Wirkzusammenhängen bei der Holzverarbeitung auf Basis von online-erfassten Werkzeugmaschinendaten

2018 Jürgen Lenz


C2-002

Resource Driven Processes: Concept, Use, and Incorporation

2018 Celal Sungur Timurhan

DFG Prof. Leymann

B2-001


2018 Tobias Tauterat

DFG Prof. Herzwurm

C2-005

Scheduling & Routing Time-triggered Traffic in Time-sensitive Networks

2018 Naresh Nayak

DFG Prof. Rothermel

A2-H4

Closed-Loop Business Models – Ein Geschäftsmodellkonzept für die ressourceneffiziente Produkt-entwicklung

2018 Maximilian Regenfelder

DFG Prof. Zahn

Die GSaME hatte die Zielsetzung, die Promotionsdauer zu verkürzen und eine durchschnitt-liche Promotionsdauer von 4 Jahren zu realisieren. Es kann eingeschätzt werden, dass für alle bisher abgeschlossenen Promotionen der 1. und 2. Förderperiode unter Zugrundelegung einer Promotionsdauer, berechnet vom Zeitpunkt des Projektstarts in der GSaME bis zur bestätigten Annahmereife der Dissertation, diese Zielsetzung nicht ganz erreicht wurde. Die durch-schnittliche Promotionsdauer abgeschlossener Promotionen liegt bei 4,6 Jahren. Es deutet sich an, dass die durchschnittliche Promotionsdauer ausstehender Promotionen ebenfalls etwas darüber liegen wird. Bisher konnten signifikante Zusammenhänge zwischen der Promotionsdauer und den Rahmenbedingungen der GSaME, einschließlich unterschiedlicher Fachdisziplinen, nicht ermittelt werden. Allerdings deutet sich im Vergleich von erster und zweiter Förderperiode eine geänderte Motivationslage für die Aufnahme einer Promotion wie auch der Eingangsvoraussetzungen der Promovierenden an. Eine genaue, langfristige und in

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einen Gesamtkontext eingeordnete Analyse möglicher Ursachen wie auch deren Konsequen-zen wäre zu empfehlen.

Die Zusammenfassungen werden aufgeführt, soweit diese verfügbar waren.

Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Thema A2-004: Managementmodell zur Identifikation und Gestaltung von Effizienzpotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken: Das Stuttgarter Regionalmodell

Doktorand: Dipl.-Ing. Benjamin Kuch

Thesis Committee: Prof. Dr.-Ing. Engelbert Westkämper (GSaME) Prof. em. Dr. Erich Zahn (GSaME) Prof. Dr. Burkhard Pedell (BWI – Abt. V)

Dissertationsthema

Managementmodell zur Identifikation und Aktivierung von Wertschöpfungspotenzialen in regionalen Produktionsnetzwerken

Zusammenfassung

Die vorliegende Forschungsarbeit adressiert ein Koordinationsproblem im erweiterten System der industriellen Produktion. Aufsetzend auf einem Fundament aus theoretischen und empirischen Beiträgen, wird im Zuge einer longitudinalen Fallstudie ein Managementmodell entwickelt, das zur Steigerung regionaler Wertschöpfung auf der Basis organisationaler Effizienzpotenziale beiträgt.

Die industrielle Produktion ist zunehmend abhängig von Netzwerken zwischen ihren Systemen und Subsystemen. In Bezug auf die strategische Ausrichtung produzierender Unternehmen verschiebt sich daher der Fokus von Ressourcen zu Relationen. Relationen zwischen Organisationen müssen koordiniert werden, was zunächst verschiedene Systeme der industriellen Produktion betrifft. Ferner ist die industrielle Produktion jedoch in einen hetero-genen Kontext eingebettet und daher in einer erweiterten Form zu betrachten. Integraler Bestandteil sind, neben den klassischen Lieferketten, weitere Organisationen der Wirtschaft, der Politik, der Wissenschaft und der Verwaltung. Regionen bieten die Handlungsräume, um diese verschiedenen Systeme zu integrieren und beeinflussen auf diese Weise die Leistungs-fähigkeit der in ihr operierenden Unternehmen. Daher müssen sich Managementmodelle zur Koordination industrieller Wertschöpfung an der regionalen Perspektive orientieren.

Aktuell ist diese Sichtweise jedoch unterrepräsentiert, insbesondere existieren keine Ansätze zur selbstkoordinierenden regionalen Wertschöpfung, die das Spannungsverhältnis zwischen Einzelorganisationen und Gesamtregion auflösen würden.

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Stuttgarter Regionalmodell bietet diese Art der Koordination und ist zudem anschlussfähig an den sich seit einigen Jahren ausprägenden digitalen Imperativ. Auf Basis eines Struktur- und Wertschöpfungsmodells werden regionale Leistungseinheiten und ein Kommunikationsmedium – regionale Effizienzpotenzialimpulse –

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konzipiert, die einen privatwirtschaftlichen Antrieb mit einer regionalwirtschaftlichen Ziel-setzung verbinden. Hierdurch wird eine auf regionale Wertschöpfung fokussierte selbst-organisierende Koordination ermöglicht.

Thema A2-012: Modell für das Online-Erfassen und Auswerten von Werkzeugverbrauchsdaten am Beispiel der Bearbeitung von Bauteilen aus Holzwerkstoffen

Doktorand: Dipl.-Ing. (FH), M. Sc. Jürgen Lenz


Dissertationsthema


Zusammenfassung

Aufgrund des immer härter werdenden globalen Wettbewerbs müssen produzierende Unternehmen, die auch in der Zukunft profitabel produzieren wollen, ihre Leistungsreserven nutzen. Die Möbelfertigung, die größte holzverarbeitende Industrie, besteht im Hauptprozess aus dem Fräsen von Holzwerkstoffen. Hierbei gibt es Leistungsreserven in der Einsatzplanung der Fräswerkzeuge. Gute Einsatzplanung ist die Voraussetzung für eine hohe Verfügbarkeit des Produktionssystems. Die Einsatzplanung wird durch Entwicklungen wie individuelle Möbelstücke, kleinere Losgrößen und neue Schneidstoffe erschwert. Die Herausforderung der Planungsunsicherheit beim Werkzeugeinsatz in der Holzbearbeitung wächst zusätzlich durch die größere Anzahl an industriell hergestellten Holzwerkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Abrasivität. Dadurch wird die Bestimmung der Reststandzeit eines Werkzeugs erschwert.

Zielsetzung dieser Arbeit ist die Planungssicherheit des Werkzeugeinsatzes durch eine exakte Planung des Werkzeugwechselfensters sowie durch Prognose der Reststandzeit zu erhöhen. Mithilfe dieser Prognose kann das gesamte Standvermögen des Werkzeugs verwendet werden. Das führt dazu, dass die Verfügbarkeit des Produktionssystems erhöht wird, da durch das Überschreiten der Werkzeugeinsatzgrenze bedingte Stillstände vermieden werden. Hierfür wurde ein Modell erstellt, das online erfasste Daten aus der Werkzeugmaschinen-steuerung mit kontextbezogenen Informationen aus Datenbanken wie dem ERP-System und der Werkzeugverwaltung kombiniert. Aus diesen Informationen wird eine werkzeugspezifische Einsatzhistorie gebildet und mit gemessenen physikalischen Werten über den Werkzeug-verschleiß und Kantenqualität des Werkstücks in Verbindung gebracht. Diese Verbindung von Bearbeitungshistorie und echten physikalischen Messgrößen bilden die Datenbasis für das maschinelle Lernen von Wirkzusammenhängen. Durch das Erlernen dieser Zusammenhänge kann die Reststandzeit eines Werkzeugs prognostiziert werden und somit die Planungs-genauigkeit des Werkzeugeinsatzes durch exakte Festlegung von Werkzeugwechselfenstern gesteigert werden. Zur Erprobung wurde das entwickelte Modell implementiert und seine Funktionsfähigkeit anhand einer Werkstoff-/Schneidstoffpaarung validiert. Diese Erprobung zeigte, dass die Wirkzusammenhänge erlernt werden können.

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Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Thema B2-001: Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungsdienstleistungen

Doktorand: M. Sc. Tobias Tauterat

Thesis Committee: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT)

Dissertationsthema

Verfahren zur Bewertung von Predictive Maintenance für Anbieter von Instandhaltungs-dienstleistungen

Zusammenfassung

Geprägt durch unterschiedliche globale Megatrends, wie beispielsweise der Globalisierung, der Individualisierung oder der Digitalisierung, befindet sich die Gesellschaft und die Wirtschaft in einem langfristigen und übergreifenden Transformationsprozess. So hat beispielsweise die Digitalisierung in den vergangenen Jahren stetig an Relevanz gewonnen und soll weiterhin einer der großen Treiber der Zukunft sein. In der Wirtschaft liegt das hauptsächlich darin begründet, dass Unternehmen große Potenziale in einer Vernetzung und Automatisierung von Prozessen durch die Informationstechnologie (IT) sehen und so ihre unterschiedlichen Unternehmensprozesse unterstützen sowie optimieren möchten. Aufgrund dieser Tatsache stellen sich Unternehmen aktuell die Frage, ob eine Digitalisierung ihrer Prozesse empfehlens-wert ist und welche Aspekte bei einer solchen Entscheidung berücksichtigt werden sollen? Im Rahmen dieser Arbeit wird diese Fragestellung für den Instandhaltungsprozess von Maschinen detailliert betrachtet.

Das Ziel dieser Arbeit ist hierbei die Entwicklung eines wissenschaftlich begründeten und allgemein akzeptierten Verfahrens zur Bewertung von Predictive Maintenance für Maschinen zur Unterstützung der Investitionsentscheidung für Anbieter von Instandhaltungsdienst-leistungen. Zur Erreichung dieses Ziels wird der Design Science Ansatz nach Peffers u.a. verfolgt. Innerhalb der Design Science Phase Design und Entwicklung der Lösung wird im Rahmen dieser Arbeit für die Entwicklung des Bewertungsverfahrens eine angepasste Vorgehensweise des Situational Method Engineerings verwendet.

Die Grundlagen für die Entwicklung des Bewertungsverfahrens stellen hierbei die Analyse des Status quo der Unternehmenspraxis und der Wissenschaft basierend auf drei Querschnitts-studien, die durch 24 Experteninterviews aus der Unternehmenspraxis ermittelten Anforderun-gen an die inhaltliche Ausgestaltung und die Metaanforderungen an das Bewertungsverfahren sowie die Analyse bestehender generischer Bewertungsmethoden dar.

Das basierend auf diesen Grundlagen entwickelte Bewertungsverfahren zur Unterstützung der Investitionsentscheidung in Predictive Maintenance besteht aus vier Hauptverfahrens-prozessen: Bewertung vorbereiten, Bewertung durchführen, Bewertung analysieren und Bewertung dokumentieren. Hierbei erfolgt im ersten Hauptverfahrensprozess die Aufnahme und Einordung des aktuellen Instandhaltungsprozesses in das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Reifegradmodell. Dieses Reifegradmodell ermöglicht es, den aktuellen Instand-haltungsprozess basierend auf seinem Softwareintensivierungsgrad im Vergleich zum Predictive Maintenance einzuordnen.

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Die Bewertung der Aufwände, Nutzenaspekte und Risiken erfolgt im zweiten Haupt-verfahrensprozess, indem für die Aufwandsbetrachtung die Kapitalwertmethode und für die Nutzen- und Risikobetrachtung die Prioritätenanalyse angewendet wird. Diese einzelnen Bewertungen werden anschließend im dritten Hauptverfahrensprozess zu einer anwendungs-fallspezifischen Gesamtbewertung kombiniert sowie die Entscheidungsunterstützung inklusive Ausblick abgeleitet.

Die Evaluation des entwickelten Bewertungsverfahrens erfolgt auf drei Arten. Im ersten Schritt werden durch eine theoretische Evaluation die erhobenen Anforderungen dem entwickelten Bewertungsverfahren gegenübergestellt und analysiert, ob das Bewertungsverfahren diese Anforderungen erfüllt. Für diese Gegenüberstellung wird die Forschungsmethode der argumentativ-deduktiven Analyse verwendet. Im zweiten Schritt wird der Einsatz des Bewertungsverfahrens in der Unternehmenspraxis basierend auf vier Evaluierungsworkshops bei unterschiedlichen Unternehmen dargestellt. Zusätzlich zur theoretischen und unter-nehmenspraktischen Evaluierung erfolgt die Umsetzbarkeitsevaluierung durch eine proto-typische Realisierung des Bewertungsverfahrens als App für mobile Endgeräte. Basierend auf diesen drei Evaluierungen kann abschließend festgehalten werden, dass die Relevanz und der Einsatz des Bewertungsverfahrens für die Unternehmenspraxis sowie die Umsetzbarkeit des Bewertungsverfahrens als App bestätigt werden kann.

Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Thema C2-002: Ressourcengetriebene Auflösung und Erreichung der organisatorischen Ziele

Doktorand: M. Sc. Celal Timurhan Sungur

Thesis Committee: Prof. Dr. Frank Leymann (IAAS) Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang (IPVS) Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII)

Dissertationsthema


Zusammenfassung

Die Erreichung der Ziele von Organisationen erfordert die Ausführung gewisser Geschäfts-prozesse (kurz: Prozesse). Die Modellierung, die Nutzung und die Verbesserung des vorhandenen Wissens über diese Prozesse ermöglichen die Einrichtung organisatorischer Erfolgsmethoden. Eine solche Einrichtung wird typischerweise durch die handlungsorientierte Modellierung, Nutzung und Verbesserung der Prozesse in Bezug auf ihre Aktivitäten und deren Reihenfolge durchgesetzt. Zudem können diese modellierten Aktivitäten mittels IT-Infrastrukturen automatisiert und koordiniert werden. Jedoch sind Aktivitäten und deren Reihenfolge nicht immer (i) vorhersehbar während der Modellierung und (ii) bei jeder Prozessausführung wiederholt. Diese Abweichungen von Aktivitäten und deren Reihenfolge in unterschiedlichen Ausführungen eines Prozesses beeinträchtigt die Verwendbarkeit der handlungsorientierten Modellierungsansätze und weckt einen Bedarf an einem Ansatz (i) zur Unterstützung menschlicher Akteure von derartigen Prozessen und (ii) zur Reproduzierbarkeit der gewünschten Ergebnisse. Außerdem erhöht die zunehmende Nachfrage nach

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individualisierten Produkten und Lösungen diesen Bedarf weiter, da jedes Produkt und jede Lösung maßgeschneiderte Aktivitäten mit verschiedenen Reihenfolgen fordern.

In dieser Dissertation wird ein ressourcengetriebener Ansatz zur Modellierung und Ausführung der Prozesse vorgestellt. Dieser Ansatz ermöglicht (i) die Unterstützung menschlicher Akteuren und (ii) die Reproduzierbarkeit der gewünschten Ergebnisse von Prozessen mittels der automatisch bereitgestellten zusammenhängenden Ressourcen. Um Definitionen ressourcengetriebener Prozesse zu erstellen, wird eine formale ressourcengetriebene Modellierungssprache von Prozessen mit unterschiedlichen Modellierungselementen vor-gestellt so wie Ziele, Fähigkeiten und zusammenhängende Ressourcen. Zur Evaluation und Validierung dieses Ansatzes wurden Umfragen mit 416 Personen durchgeführt. Die Ergeb-nisse der Umfragen untermauern unsere Behauptung, dass (i) die Unterstützung menschlicher Akteure von Prozessen und (ii) die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse durch unseren Ansatz ermöglicht werden können.

Um ressourcengetriebene Prozesse in Organisationen systematisch nutzen zu können, stellen wir einen Lebenszyklus mit vier Phasen vor. Die erste Phase enthält Schritte zur Vorbereitung einer IT-Infrastruktur, um die restlichen Phasen zu ermöglichen. Bei der zweiten Phase startet die Modellierung ressourcengetriebener Prozesse mit Zielen und endet mit der Modellierung zusammenhängender Ressourcen. Hierauf erfolgt die Ausführung von modellierten ressourcengetriebenen Prozessen in der Phase 3. Nach der Initialisierung der ressourcen-getriebenen Prozesse werden ausgewählte, zusammenhängende Ressourcen automatisch bereitgestellt, damit sie gemeinschaftlich Ziele des Prozesses verwirklichen. Daraufhin werden basierend auf den bei Ausführungen entstandenen Ressourceninteraktionen in der Phase 4 ressourcenzentrische Empfehlungen erzeugt, die Geschäftsexperten bei der Modellierung von ressourcengetriebenen Prozessen leiten. Die im Lebenszyklus eingeführten Konzepte wurden durch prototypische Implementierungen und eine Befragung validiert und bzw. evaluiert.

Nicht zuletzt wird die Aufnahme ressourcengetriebener Prozesse in handlungsorientierten Prozessen untersucht. Somit wird die neue Art von einer Aktivität, die „kontextsensitive Aktivität“, die die Ausführung an der vorhandenen Situation anpasst, vorgestellt. Kontext-sensitive Aktivitäten wurden dadurch validiert, dass ein Werkzeug von handlungsorientierten Prozessen erweitert wurde, um diese Aktivitäten zu unterstützen.

Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Thema D2-006: Gestaltungsansatz für Kollaborationen zum Transfer von Erfahrungswissen in der Produktionsplanung

Doktorandin: Dipl.-Oec. Daniela Baumhauer

Thesis Committee: Prof. Dr. Georg Herzwurm (BWI – Abt. VIII) Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath (IAT) Prof. Dr. Sabine Pfeiffer (Uni Hohenheim) Dipl.-Ing. Oskar Heer, Daimler AG

Dissertationsthema

Transfer von Erfahrungswissen im Arbeitsprozess der Produktionsplanung in der Automobil-industrie

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Zusammenfassung

Der demografische Wandel in Deutschland zeigt sich in einer sinkenden Bevölkerung im erwerbsfähigen Alter bei einer gleichzeitig steigenden Zahl älterer Arbeitskräfte.

Für die Unternehmen bedeutet dies einen Anstieg des Durchschnittsalters, verlängerte Erwerbszeiten und schließlich das Ausscheiden von Generationen mit großen Erfahrungs-schätzen. Für die Mitarbeiter bedeutet dies das Zusammenarbeiten mit vielen Generationen, das Einbringen und Weiterentwickeln ihres Wissens sowie das Erhalten ihrer Motivation und Leistungsfähigkeit bei einer verlängerten Lebensarbeitszeit. Hieraus resultiert insbesondere die Herausforderung, wie die Nutzung des bestehenden sowie der Transfer des abgehenden Erfahrungswissens zeitlebens geschaffen werden kann.

Neben dem Wandlungstreiber Demografie strömen weitere Anforderungen in Form von gestiegenen, individuellen Kundenwünschen und schnelleren Time-to-Market-Zeiten auf produzierende Unternehmen ein. Diese erhöhen den Innovationsdruck auf neue Produkt-varianten und führen damit zu kürzeren Entwicklungs- und Produktionszeiten, die innerbetrieb-lich gemanagt werden müssen. Neue Informationstechnologien führen zu einer schnelleren Verfügbarkeit von Wissen und unterstützen die Reaktionszeiten auf Anfragen. Allerdings erhöhen sich die Abstimmungsbedarfe.

In der Komplexität und Kurzfristigkeit des Produktionsumfeldes und der Veränderung durch die große abgehende Zahl von erfahrenen Wissensträgern untersucht die vorliegende Arbeit, wie das Erfahrungswissen im Arbeitsalltag besser genutzt und an bestehende und nach-folgende Generationen transferiert werden kann.

Hierzu wird systematisch herausgearbeitet, welche Relevanz Erfahrungswissen im heutigen Produktionskontext von Automobilherstellern spielt und welches Potenzial die tägliche Zusammenarbeit für den Erfahrungswissenstransfer birgt.

Bestehende Wissenstransfermethoden reichen aufgrund ihrer zeitlich befristeten Anwendung „losgelöst vom Arbeitsgeschehen“ nicht aus, das speziell durch Handlungen sichtbar werdende Erfahrungswissen zu transferieren. Anhand einer Fallstudie in der Produktions-planung identifiziert die vorliegende Arbeit Zusammenarbeitsformen, die sich für den Transfer von Erfahrungswissen eignen. Das „auslösende Moment“ für die Externalisierung von Erfahrungswissen sind unter anderem die Erarbeitung von Konzepten, die Besprechung von Vorgehensweisen oder die Diskussion von Problemlösungen am Gegenstand der Arbeit.

Eine Erkenntnis ist, dass die Produktionsplaner je nach inhaltlichem Anliegen zumeist „unbewusst“ auf die für sie geeignete Zusammenarbeitsform zurückgreifen. Das informale Kollegengespräch ist dabei die meist genutzte Form. Zurückgeführt wird die Wahl der Form auf bestimmte Rahmenbedingungen. Hierzu gehören Anlassbezogenheit, Interaktions-intensität, zeitliche Dauer oder Ort.

Zu förderlichen Rahmenbedingungen zählen außerdem Faktoren wie eine gemeinschaftliche und explorative Vorgehensweise bei der Lösung von Problemen oder die Eigeninitiative: Nicht zu warten, bis das nächste offizielle Gremium stattfindet, sondern die vorherige Klärung „am Arbeitsort“ bei der Entwicklungsabteilung oder der Produktion verhindern lange Abstimmungs-prozeduren und stärken die Arbeitsbeziehungen und den Erfahrungswissenstransfer.

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Überraschenderweise eignen sich auch formale Zusammenarbeitsformen für einen Erfahrungswissenstransfer, wenn diese bestimmte Rahmenbedingungen erfüllen. Entscheidend sind eine hohe Wechselseitigkeit in der Kommunikation oder das Einbinden von Erfahrungsträgern unterschiedlicher Fachbereiche.

Hieraus folgt als Handlungsempfehlung für die Praxis, dass formale Zusammenarbeitsformen durch informale Bausteine angereichert werden und mehr Zeit für informalen Austausch eingeräumt wird, bspw. durch die Einführung von „Off-Times“.

Zusätzlich werden personalpolitische Handlungsfelder identifiziert, die Organisationen einen Rahmen für erfolgreichen Erfahrungswissenstransfer aufzeigen.

Als Ergebnis für Unternehmen wird eine Online-Darstellung auf der firmeninternen Kommunikationsplattform, wie z.B. das Intranet, empfohlen, welche die Stellhebel und Ansatzpunkte für den Transfer von Erfahrungswissen systematisch aufzeigt. Führungskräfte und Mitarbeiter werden dabei unterstützt, für sie geeignete Instrumente für ihre spezifische Fragestellung auszuwählen.

5 Preise und Auszeichnungen

Folgende Promovierende wurden im Berichtszeitraum ausgezeichnet:

Mit dem Preis „Beste Dissertation der GSaME“ werden herausragende Dissertationen mit entsprechender Aufmerksamkeitswirkung in Wissenschaft und Wirtschaft ausgezeichnet, deren Einzigartigkeit von einer kompetenten, unabhängigen Jury bestätigt wird.

Die Universität Stuttgart hat 2018 wiederum gemeinsam mit dem Verein der Freunde und Förderer der GSaME e.V. (FraME) den Preis „Beste Dissertation der GSaME“ ausgelobt. Promovierte, die ihre Doktorprüfung mit „summa cum laude“ / „mit Auszeichnung bestanden“ abgeschlossen haben, konnten sich um den Preis bewerben. Für den Preis 2018 wurden GSaME-Promovierte berücksichtigt, die im Zeitraum 2013 bis 11/2017 die Doktorprüfung abgelegt hatten.

Jury-Mitglieder:

Prof. Dr.-Ing. Wolfram Ressel (Vorsitzender), Rektor der Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e. h. mult. Dr. h. c. mult. Hans-Jörg Bullinger, Senator der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Prof. Jörg Menno Harms, Vorsitzender des Aufsichtsrates Hewlett-Packard GmbH

Prof. Dr. Dr.-Ing. Dr. h. c. Jivka Ovtcharova, Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen, KIT Karlsruher Institut für Technologie

Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität München

Der Preis für die „Beste Dissertation der GSaME“ wurde anlässlich der Jahresveranstaltung der GSaME am 13. April 2018 an Dr.-Ing. Peter Stritt für seine Dissertation „Prozessstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Remote-Laserstrahlschweißen von AlMgSi 6016“ verliehen.

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Abb. 50: Preise und Auszeichnungen

Links: Die Urlunde für die „Beste Dissertation der GSaME“ erhielt Dr.-Ing. Peter Stritt an der GSaME-Jahrestagung 2018 von Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang.

Rechts: Best Student Paper für M. Sc. Bernd Waschneck

Steffan Esslinger erhielt einen 3. Platz bei JECS Trust Oral Competition auf der 16th European Inter-Regional Conference on Ceramics (CIEC) Fachtagung in Turin.

Christian Röhrer erhielt eine Auszeichnung durch The Optical Society (OSA) und die Sensirion AG als Best Student Paper 2. Platz für den Konferenzbeitrag „Preservation of Good Beam Quality over Several Hundred Meters in Highly Multimode Fibers” im Rahmen des Advanced Photonics Congress in Zürich, Schweiz, vom 02.-05.07.2018.

Mit dem Best Paper Award der 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP CMS 2018) wurde Bernd Waschneck ausgezeichnet für den Beitrag: Waschneck, B.; Reichstaller, A.; Belzner, L.; Altenmüller, T.; Bauernhansl, T.; Knapp, A.; Kyek, A.: Optimization of global production scheduling with deep reinforcement learning. In: Procedia CIRP, Volume 72, 2018, pp. 1264-1269, doi: 10.1016/j.procir.2018.03.212.

Bei der SEMI ASMC, der weltgrößten Konferenz für Halbleiterfertigung, konnte Bernd Waschneck zudem den Best Student Paper Award gewinnen. Die SEMI ASMC fand vom 30.4 - 03.05.2018 in Saratoga Springs, New York State, USA, statt.

6 Mitglieder der GSaME

Die Kontinuität der wissenschaftlichen Arbeit und Betreuung wurde 2018 durch folgende Professoren gesichert.

akad. Titel, Name Institut Forschungsgebiet

Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Wilhelm Bauer

IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement

Industrial Engineering, Arbeits-wissenschaft und Datenverarbeitung

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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

IFF Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb

Fabrikbetrieb, Fertigungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth

INT Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik

Integrierte Schaltungen, Optische Nachrichtentechnik

Prof. Dr.-Ing Bernd Bertsche

IMA Institut für Maschinenelemente Antriebstechnik, CAD, Dichtungstechnik und Zuverlässigkeitstechnik

Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz

IKD Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design

Antriebstechnik, methodische Produkt-entwicklung, Rechnerunterstützte Produktentwicklung (CAE), technisches Design

Prof. Dr. oec. publ. Wolfgang Burr

BWI – Lehrstuhl für ABWL, Innova-tions- & Dienstleistungsmanagement

Innovations- und Dienstleistungs-management

Prof. Dr. rer. nat. Dr. techn. h. c. Dr.-Ing. E. h. Thomas Ertl

VIS Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme

Visualisierung, Computergrafik, Mensch-Maschine-Kommunikation

ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow

IFKB Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile

Fertigungstechnologie keramischer Bauteile und Verbundwerkstoffe

Prof. Dr.-Ing. habil. i. R. Lothar Gaul

INM Institut für Nichtlineare Mechanik Rechnergestützte Simulation, experimentelle Analysen der Dynamik mechanischer Systeme

Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf

IFSW Institut für Strahlwerkzeuge Lasertechnik in der Fertigung

Prof. Dr. Andreas Größler

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Produktionswirtschaft

intra- und inter-organisationale Wertschöpfungsprozesse

Prof. Dr. rer. nat. Melanie Herschel

IPVS Institut für Parallele und Verteilte Systeme

data provenance, data integration, data cleaning (especially entity resolution), and data-centric workflow processing

Prof. Dr. rer. pol. habil. Georg Herzwurm

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Wirt-schaftsinformatik II (Unternehmens-software)

Unternehmenssoftware

Prof. Dr. rer. pol. Hans-Georg Kemper

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Wirt-schaftsinformatik I (Informations-management)

Unternehmenssoftware

Prof. Dr. rer. nat. Frank Leymann

IAAS Institut für Architektur von Anwendungssystemen

Architektur von Anwendungssystemen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA Mathias Liewald

IFU Institut für Umformtechnik Blechumformung, Massivumformung, Formgebungsverfahren

Prof. Dr. rer. nat. habil. Miriam Mehl


Numerische Simulation

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Prof. Dr. Catrin Misselhorn

PHILO Institut für Philosophie Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang


Informations-Management ‒ Daten- Management

Prof. Dr. oec. Michael-Jörg Oesterle

BWI – Lehrstuhl für ABWL, Internatio-nales und Strategisches Management

Internationalisierungsprozesse, Corporate Governance

Prof. Dr. sc. nat. Wolfgang Osten

ITO Institut für Technische Optik Sensor- und Messtechnik

Prof. Dr. oec. publ. Burkhard Pedell

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Controlling

Einflussgrößen und Wirkungen der Ausgestaltung von Unternehmens-rechnung und Controlling, Risikocontrolling, Regulierung

Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Piesche

IMVT Institut für Mechanische Verfahrenstechnik

Analyse und Synthese von Stoff- änderungs- / -umwandlungsvorgängen der Prozessintensivierung und der Produktgestaltung in verfahrens-technischen Grundoperationen

Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel

ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen

Technologien für die Produktion und Automatisierung, Produktionstechnische Informationstechnologien

Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt Rothermel


Erforschung innovativer Konzepte, Algorithmen und Protokolle für die systemseitige Unterstützung verteilter Anwendungen

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer

EEP Institut für Energieeffizienz in der Produktion

Energieeffiziente Technologien, Industrial Smart Grids, Urbane Produktion

Prof. Dr. rer. pol. Henry Schäfer

BWI – Lehrstuhl für ABWL und Finanz-wirtschaft

Bewertung von Vermögensobjekten, verhaltenswissenschaftliche Kapital-markttheorie und Marktmikrostruktur-theorie

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe

IKFF Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik

Kunststoffspritzguss, Aktorik, Mess-technik und Sensorik, Konstruktions-methode in der Feinwerktechnik

Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder

IMWF Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre Mikrostrukturmechanik, Nanosimulation

Prof. Dr.-Ing. Sven Simon


Hardwarearchitekturen für hochparallele Systeme

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath

IAT Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement

Technologie- und Innovations-management

Prof. Dr.-Ing. Stephan Staudacher

ILA Institut für Luftfahrtantriebe Beschreibung und Simulation des Verhaltens komplexer Systeme

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Prof. Dr. rer. pol. Dipl.-Ing.Meike Tilebein

IDS Institut für Diversity Studies in den Ingenieurwissenschaften

Diversity Management

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Alexander Verl

ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen

Mechatronik, Steuerungstechnik, Antriebs- und Maschinentechnik

Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper

GSaME Fertigungstechnik, Fabrikbetrieb und mehrskalige Modellierung und Simulation

Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

IAS Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme

Flexibilität und Verlässlichkeit von Automatisierungssystemen, Engineering von Cyber-physischen Automatisierungssystemen

Prof. em. Dr. rer. pol. Erich Zahn

GSaME Strategisches Management

Herr Prof. Dr.-Ing. habil. i. R. Lothar Gaul starb am 18.12.2018. Ihn und sein großes, positives Engagement werden wir vermissen.

7 Mentoring und Supervision

Studienkoordinator: Dr. rer. nat. Matthias Saric

Nachwuchsgruppenleiter:

IKT-Plattform für die Produktion Dr. rer. nat. Peter Reimann

Clusterübergreifende Betreuung: Dipl.-Ing. Hans-Friedrich Jacobi

Ein wesentliches Ziel für das Jahr 2018 bestand weiterhin in der Umsetzung des Anspruchs bestmöglicher, eigenständiger Forschungsleistung der Promovierenden und Qualitäts-sicherung von Promotionen bei einer durchschnittlichen Promotionsdauer von 4 Jahren. Dieses Ziel war mehrfach Gegenstand von Vorstandssitzungen, Mitgliederversammlung und Promotionsausschuss. In das Qualifizierungsprogramm wurden erneut verstärkt Angebote aufgenommen, die die Befähigung der Promovierenden zu wissenschaftlicher Arbeit gezielt verbessern. Basierend auf einer fundierten Analyse des Ist-Standes der Umsetzung des Qualifizierungsprogramms in den einzelnen Elementen wurden intensive Maßnahmen zur Qualitätssicherung und der Umsetzung der individuellen Curricula durchgeführt. Im Ergebnis wurde die Betreuung der Promovierenden in den Doktorandenkolloquien neu strukturiert.

Es wurden Maßnahmen intensiviert, um das Qualifizierungsprogramm entsprechend dem Selbstverständnis der GSaME und ihres Forschungsprogramms, der gewonnenen Erfahrun-gen in 10 Jahren Graduiertenförderung, der Voraussetzungen der Kandidatinnen und Kandidaten wie auch des Arbeitsmarktes weiterzuentwickeln. Diese Maßnahmen haben im Zusammenhang mit der Sicherung der Nachhaltigkeit der GSaME und aktuellen Debatten

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über Institution, Funktion und Ausgestaltung der Promotion zu einer Weiterentwicklung der Grundkonzeption des Qualifizierungsprogramms geführt, die 2019 konkretisiert und umgesetzt werden soll.

Weitere Maßnahmen:

Vollständige Dokumentation und regelmäßiges Monitoring individueller Curriccula

Festlegung individueller Zielvereinbarungen und Arbeitspläne für das Forschungsprojekt

Regelmäßige Durchführung von Gesprächen der Promovierenden mit den Thesis Committees

Durchführung der jährlichen Assessments

Umsetzung eines “Abgangsprotokolls” für jeden Promovierenden ohne annahmereife Dissertation zur Sicherstellung des Abschlusses

Einbeziehung externer und internationaler Berichter in die Begutachtung von Dissertationen

Hauptverantwortlich für die wissenschaftliche Betreuung der Promovierenden bei der Bearbei-tung ihrer Promotionsprojekte sind die Erstbetreuer. Sie werden bei der Ausübung ihrer Betreuungsaufgabe von den anderen Mitgliedern der jeweiligen Thesis Committees sowie von dem Nachwuchsgruppenleiter und dem Studienkoordinator unterstützt.

8 GSaME-Tagungen

Ein herausragendes Ereignis 2018 war die Jahrestagung unter dem Motto Vernetzung, Agilität, Effizienz – Schlüssel zukunftsfähiger Produktion. 10 Jahre Exzellenzförderung – Führungskräfte für Fabriken der Zukunft am 13. April 2018 im Haus der Wirtschaft in Stuttgart.

Mit der Jahrestagung 2018 setzte die Graduiertenschule GSaME bereits zum siebenten Mal ihren Anspruch um, Austauschforum zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zur Gestaltung gegenwärtiger Produktion und von Fabriken der Zukunft zu sein. Gemeinsam mit renommier-ten Referenten aus der Wissenschaft, Experten aus der Wirtschaft und Promovierenden der GSaME wurden Strategien und Lösungsansätze zur Weiterentwicklung von Produktions-technologien, zur Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik, zur Integration neuer Technologien und umfassenden datengetriebenen Abbildung aller Aktivitäten und Prozesse entlang des Produktlebenszyklus diskutiert, um eine möglichst flexible, effiziente und nach-haltige Produktion in einem, durch hohe Volatilität geprägten Umfeld, voranzutreiben.

Nach 10 Jahren Förderung im Rahmen der Exzellenzinitiative konnte die GSaME gemeinsam mit ihren Partnern und Unterstützern mit dieser Abschlussveranstaltung eine erfolgreiche Gesamtbilanz vor mehr als 190 Teilnehmern aus Wissenschaft und Wirtschaft ziehen und dies mit Daten und Fakten dokumentieren. Sie konnte zeigen, dass ihr Ziel im Rahmen der Exzellenzförderung erreicht wurde, sich als international führende, akademische Einrichtung für die Qualifizierung von jungen Akademikern/-innen, für Spitzenforschung und Innovation auf dem Gebiet des advanced Manufacturing Engineering zu etablieren. Mit nachgefragten, hochqualifizierten Absolventen/-innen, den erzielten Forschungsergebnissen und daraus resultierenden Innovationen leistet sie einen Beitrag zur Stärkung des Standorts und zur Sicherung europäischer Exzellenz auf einem wirtschaftlich bedeutsamen Gebiet.

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Die Schirmherrschaft des Ministerpräsidenten des Landes Baden-Württemberg, Winfried Kretschmann, und das von Ministerialdirektor Ulrich Steinbach übermittelte Grußwort der Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg, Theresia Bauer, würdigten die Leistungen und Gesamtergebnisse der GSaME.

Abb. 51: Impressionen zur GSaME-Jahrestagung am 13. April 2018 im Haus der Wirtschaft in Stuttgart

Die Veranstaltung beinhaltete Hauptvorträge im Plenum, am Nachmittag zwei parallele thematische Foren, zwei parallele Projekttalks sowie eine umfassende begleitende Fach-ausstellung und eine hochkarätig besetzte Podiumsdiskussion unter dem Thema „Digitalisierung, Vernetzung, Wertschöpfung – wie sichern wir eine Spitzenposition?“

Die Promovierenden 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.

Die Beiträge sind in einem Tagungsband veröffentlicht.

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9 Publikationen

Cluster A2 – Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung

Bähr, F.; Westkämper, E.: Correlations between Influencing Parameters and Quality Properties of Components Produced by Fused Deposition Modeling. In: Procedia CIRP, Volume 72, 2018, Pages 1214-1219, ISSN 2212-8271, https://doi.org/10.1016/j.procir. 2018.03.048, Stockholm, Sweden

Lenz, J.; Wuest, Th.; Westkämper, E.: Holistic Approach to Machine Tool Data Analytics; Journal of Manufacturing Systems, Elsevier, ISSN: 0278-6125; doi.org/10.1016/j.jmsy. 2018.03.003

Lenz, J.; Westkämper, E.: Prozessmodellierung mittels Werkzeugmaschinendatenanalyse; Fachzeitschrift holztechnologie, IHD Dresden, Seite 22-28, Ausgabe 59, Heft 4/2018

Waschneck, B.; Reichstaller, A.; Belzner, L.; Altenmüller, T.; Bauernhansl, T.; Knapp, A.; Kyek, A.: Deep reinforcement learning for semiconductor production scheduling. In: 29th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC), Saratoga Springs, NY, USA, 30.04.-03.05.2018, pp. 301-306, doi: 10.1109/ASMC.2018.8373191

Waschneck, B.; Reichstaller, A.; Belzner, L.; Altenmüller, T.; Bauernhansl, T.; Knapp, A.; Kyek, A.: Optimization of global production scheduling with deep reinforcement learning. In: Procedia CIRP, Volume 72, 2018, pp. 1264-1269, doi: 10.1016/j.procir.2018.03.212

Waschneck, B.; Altenmüller, T.; Bauernhansl, T.; Kyek, A.: Case Study on Operator Compliance to Scheduling Decisions in Semiconductor Manufacturing. In: IEEE 14th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Munich, Germany, 20.-24.08.2018, pp. 649-652, doi: 10.1109/COASE.2018.8560395

Brenner, D.; Weber, C.; Lenz, J.; Westkämper, E.: Total Tool Cost of Ownership Indicator for Holistical Evaluations of Improvement Measures within the Cutting Tool Life Cycle. 51th CIRP Conference on Manufacturing Systems, 16.-18.05.2018, Stockholm, Sweden

Brenner, D.; Kleinert, F.; Schröter, L.; Westkämper, E.: Die lebenszyklusorientierte Wertstromanalyse. Ganzheitliche Identifikation von Digitalisierungspotentialen am Beispiel des Werkzeugwesens. In: wt Werkstattstechnik online, vol. 11/12. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag; 2018. p. 821-827.

Störzinger, T.: „Ich glaube, dass p“ – Eine Analyse von Selbstzuschreibungen propositionaler Einstellungen und ihre Konsequenz für eine Theorie von Metakognition. In: Conference of the German Society of Analytic Philosophy (GAP), Cologne, Germany, 17-20.09.2018

Kern, W.: Die Modulare Montage als Alternative zur Fließbandfertigung. Fachkonferenz Montagesysteme 2018, Automotive Circle, Bad Nauheim, 20.-21.02.2018.

Müller, S.; Westkämper, E.: Modelling of Production Processes: A Theoretical Approach to Additive Manufacturing. In: The 51st Conference on Manufacturing Systems CIRP-CMS, Procedia CIRP, Volume 72, 2018, Stockholm, Sweden, 16.-18.05.2018, S. 1524-1549, DOI: 10.1016/j.procir.2018.03.010

120

Gewohn, M.; Piero, N.; Beyerer, J.; Usländer, T.: Information Technology based Quality Inspection in Vehicle Assembly – A Contribution to Transformation Ability and Production Quality. In 2018 International Conference on Industrial Internet of Things and Smart Manufacturing (IoTsm), London, United Kingdom.

Piero, N.: Eine Methode zur virtuellen Inbetriebnahme kamerabasierter Qualitätssicherungs-systeme für die variantenreiche Montage. In Längle, T. ; Puente León, F.; Heizmann, M. (Eds.), Forum Bildverarbeitung (pp. 129–134). KIT Scientific Publishing.

Piero, N.; Gewohn, M.: Design of demand-oriented camera-based quality assurance systems within the framework of the Digital Shadow. In 2018 International Conference on Industrial Internet of Things and Smart Manufacturing (IoTsm), London, United Kingdom.

Cluster B2 – Management vernetzter globaler Produktion

Petrik, D.; Schönhofen, F.; Straub, D.; Herzwurm, G.; Kuolt, H.: Application of a software ecosystem framework for connected vacuum gripping systems. In: Procedia CIRP2018, 72(1), pp. 580-585

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Henzel, R.; Herzwurm, G.: Cloud Manufacturing: A state-of-the-art survey of current issues. In: Procedia CIRP 72, 2018, pp. 947-952

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Cluster C2 – Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion

Gester, D.; Simon, S.: A spatial moments sub-pixel edge detector with edge blur compensation for imaging metrology, 2018 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), Houston, Texas, USA, 2018, pp. 1-6.

Gester, D.; Simon, S.: Steigerung der Messpräzision mittels Dekonvolution in dimensioneller optischer Messtechnik, Konferenz: Sensoren und Messsysteme – 19. ITG/GMA-Fachtagung Nürnberg, Deutschland, 26.- 27.06.2018

Königsberger, J.; Mitschang, B.: R2SMA – A Middleware Architecture to Access Legacy Enterprise Web Services using Lightweight REST APIs. In: Hammoudi, S. (Hrsg); Smialek, M. (Hrsg); Camp, O. (Hrsg); Filipe, J. (Hrsg): Tagungsband der 20. International Conference on Enterprise Information Systems (ICEIS), Funchal, Portugal, 2018

Weber, C.; Wieland, M.; Reimann, P.: Konzepte zur Datenverarbeitung in Referenzarchitek-turen für Industrie 4.0: Konsequenzen bei der Umsetzung einer IT-Architektur. In: Datenbank-Spektrum 18(1), pp. 39–50, 2018

121

Hirsch, V.; Reimann, P.; Kirn, O.; Mitschang, B.: Analytical Approach to Support Fault Diagnosis and Quality Control in End-Of-Line Testing. In: Wang, L. (Hrsg); Kjellberg, T. (Hrsg): Smart Manufacturing – Tagungsband der 51. CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP CMS), Stockholm, Sweden, 2018

Villanueva Zacarias, A.; Reimann, P.; Mitschang, B.: A Framework to Guide the Selection and Configuration of Machine-Learning-based Data Analytics Solutions in Manufacturing. In: Wang, L. (Hrsg); Kjellberg, T. (Hrsg): Smart Manufacturing – Tagungsband der 51. CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP CMS), Stockholm, Sweden, 2018

Brenner, D.; Weber, C.; Lenz, J.; Westkämper, E.: Total Tool Cost of Ownership Indicator for Holistical Evaluations of Improvement Measures within the Cutting Tool Life Cycle. In: Wang, L. (Hrsg); Kjellberg, T. (Hrsg): Smart Manufacturing – Tagungsband der 51. CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP CMS), Stockholm, Sweden, 2018

Hoos, E.; Hirmer, P.; Mitschang, B.: Automated Creation and Provisioning of Decision Information Packages for the Smart Factory. In: Complex Systems Informatics and Modeling Quarterly 15, pp. 72–89, 2018

Albrecht, H.; Drees, H.; Lachenmaier, J.; Pfähler, K.; Rittershaus, L.; Scholtes, W.: Develop-ment of an architecture framework for Intelligent Transport Systems. In: Proceedings of 7th Transport Research Arena TRA, 2018, DOI: http://doi.org/10.5281/zenodo.1483677

Hiller, S.; Moisa, M.; Morar, D.; Pfähler, K.: Leitfaden Additive Manufacturing – Wert-schöpfungsszenarien für die erfolgreiche Implementierung von Additive Manufacturing, Steinbeis Engineering Studie, Stuttgart 2018.

Lachenmaier, J.; Pfähler, K.; Kemper, H.-G.: Enterprise Architecture Management in dynamischen Wertschöpfungsnetzwerken – Empfehlungen zur Interoperabilität. In: Drews, P. (Hrsg.); Burkhardt, F. (Hrsg.); Niemeyer, P. (Hrsg.); Xie, L. (Hrsg.): Tagungsband Multi-konferenz Wirtschaftsinformatik (MKWI) 2018, Data driven X – Turning Data into Value, Leuphana Universität, Lüneburg, 06.-09.03.2018, pp 1454-1465

Pfähler, K.; Kemper, H.-G.: Tailoring IT-Architectures – Increasing Transparency for Companies in the Mechanical Engineering Industry. In: Proceedings of 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, 2018, Stockholm, Sweden, 2018, pp. 904–909, DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.03.231

Hirschmann, S., Lahnert, M., Schober, C.; Mehl, M., Pflüger, D.: Load-Balancing and Spatial Adaptivity for Coarse-Grained Molecular Dynamics Applications. In: HLRS Annual Report, 2018

Schober, C.; Keerl, D.; Keller, F.; Lehmann, M.; Mehl, M.: Simulating the Effect of Electrostatically Charged Particles on the Overall Filtration Efficiency of Wired Weaves, European Conference on Fluid-Particle Separation, Lyon, France, 15.-17.10.2018

Cluster D2 – Betriebsmittel und Service Engineering

Makropoulos C.; Pappa D.; Hellmuth R.; Karapidis A.; Wilhelm S.; Pitsilis V.; Wehner F.: DiscoVRCoolTour: Discovering, capturing and experiencing cultural heritage and events using

122

innovative 3D digitisation technologies and affordable consumer electronics. In: Proceedings of the 1st International Conference on Transdisciplinary Multisprectral Modelling and Coopera-tion for the Perservation of Cultural Heritage (TMM_CH), Athens, Greece, 10.-13.10.2018

Zhang, J.; Dieter, S.; Boronka, A.; He, Y.: Cost-efficient selection of manufacturing techno-logies for an electric traction motor shaft produced in China. In: The 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stockholm, Sweden, 16.-18.05.2018, pp 814-819, doi: https://authors.elsevier.com/sd/article/S2212827118303652

Zhang, J.; Dieter, S.; Boronka, A.; He, Y.: Cost-efficient selection of stamping machines for lamination production in the electric traction motor application. In the 8th Electric Drives Production Conference (EDPC), Schweinfurt, Germany, 04.-05.12.2018

Cluster E2 – Material- und Prozessengineering

Kroschel, A.; Michalowski, M.; Graf, T.: Model of the final borehole geometry for helical laser drilling. In: Advanced Optical Technologies, 2018, Vol. 7 (3), pp. 183-188, DOI: https://doi.org/ 10.1515/aot-2018-0006

Kroschel, A.; Michalowski, M.; Bauer, F.; Graf, T.: Calculating the Borehole Geometry Produced by Helical Drilling with Ultrashort Laser Pulses. In: Proceedings of LPM 2018 – the 19th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, Edinburgh, United Kingdom, 25.-28.06.2018

Kroschel, A.; Michalowski, M.; Bauer, F.; Graf, T.: Calculating the Borehole Geometry Produced by Helical Drilling with Ultrashort Laser Pulses. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 2018, Vol. 13, No. 3, pp. 263-267, DOI: https://doi.org/10.2961/ jlmn.2018.03.0020

Fetzer, F.; Sommer, M.; Weber, R.; Weberpals, J. P.; Graf, T.: Reduction of pores by means of laser beam oscillation during remote welding of AlMgSi. In: Optics and Lasers in Enginee-ring, 108, 2018.

Hagenlocher, C.; Sommer, M.; Fetzer, F.; Weber, R.; Graf, T.: Optimization of the solidification conditions by means of beam oscillation during laser beam welding of aluminum. In: Materials & Design, 160, 1178 – 1185, 2018.

Cluster F2 – Intelligente Produktionseinrichtungen

Ashtari Talkhestani, B. et al.: Consistency check to synchronize the Digital Twin of manufac-turing automation based on anchor points, Procedia CIRP, 72, pp. 159–164. doi: 10.1016/j.procir.2018.03.166

Biesinger, F.; Meike, D.; Kraß, B.; Weyrich, M.: A Digital Twin for the Production Planning based on Cyber-Physical Systems. In 12th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, CIRP ICME 2018; Procedia CIRP volume, CIRP ICME’18 proceedings, 2018

123

Biesinger, F.; Meike, D.; Kraß, B.; Weyrich, M.: A Case Study for a Digital Twin of Body-in-White Production Systems. In 2018 IEEE 23rd International Conference on Emerging Techno-logies and Factory Automation (ETFA), Torino, Italy, 04.-07.09.2018, DOI: 10.1109/ETFA. 2018.8502467

Biesinger, F.; Meike, D.; Kraß, B.; Weyrich, M.: Methode zum automatischen Abgleich eines Digitalen Zwillings von Automatisierungskomponenten im Feld und deren digitalen Planungs-ständen – Am Beispiel der Automobil-Produktion im Karosseriebau. In VDI-Kongress Automa-tion 2018, Baden-Baden, Deutschland, 2018

Röhrer, C.; Gérôme, F.; Debord, B.; Abdou Ahmed, M.; Graf, T.; Benabid, F.: Polarization Maintaining Behavior of Hollow-Core Fibers. In: Stuttgarter Lasertage (SLT), Stuttgart, Germany, 05.-06.06.2018

Röhrer, C.; Codemard, C.; Kleem, G.; Abdou Ahmed, M.; Graf, T.: Preservation of Good Beam Quality over Several Hundred Meters in Highly Multimode Fibers. In: OSA Advanced Photonics Congress, Zurich, Switzerland, 02.-05.07.2018

Straub, D.; Schaaf, W.: Experimental and Theoretical Investigation of Lightweight Pumps and Fluid Reservoirs for Electrically Driven Vacuum Systems in Automated Handling Processes. In: 11th IFK conference proceedings, Aachen, Germany, 19.-21.03.2018, pp. 434-445, DOI: 10.18154/RWTH-2018-224526

Straub, D.; Kern, B.: Visualization of the operating state of vacuum gripping systems in human-robot-collaboration applications. In: Procedia CIRP, Stockholm, Sweden, 17.-19.05.2018, pp. 147-152, DOI: 10.1016/j.procir.2018.03.290

Straub, D.; Kern, B.: Universal inline sensors for vacuum gripping systems, 19. ITG/GMA-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2018, Nürnberg, Germany, 26.-27.06.2018, Print ISBN: 978-3-8007-4683-5

10 Patente

Zwischen 2012 und 2018 (2. Förderperiode) wurden 33 Patente mit Beteiligung von GSaME-Promovierenden angemeldet bzw. publiziert. Insgesamt (1. und 2. Förderperiode) wurden 38 Patente mit Beteiligung von GSaME-Promovierenden angemeldet. Für 2018 ist die nach-folgend aufgeführte Meldung enthalten:

Biesinger, F.; Meike, D.; Kraß, B.; Schon, D.: Verfahren zum Ermitteln einer Konfigurations-änderung einer Produktionsanlage von Kraftwagen, Patentschrift DE102017009886 Deutsches Patent- und Markenamt Daimler AG, Einreichdatum 2017DE-10009886 2017-10-23, Publikationsdatum 09.05.2018

11 Auslandsaufenthalte

Die Vernetzung mit nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft war essenzieller Bestandteil des strategischen Grundkonzepts und Erfordernis des dualen Ansatzes für Forschung und Ausbildung der GSaME, als eine der in die führenden internatio-nalen Standorte produktionswissenschaftlicher Grundlagen-, angewandter und industrieller

124

Forschung eingebetteten Graduiertenschulen. Dies wurde in der Struktur abgebildet und in den Gremien umgesetzt, wie auch ganzheitlich realisiert: in Forschung, Ausbildung, Entwick-lung internationaler Erfahrungen der Promovierenden und ihre Einbindung in nationale und internationale Netzwerke – durch internationale Teams Promovierender, Besuch internationa-ler Konferenzen im In- und Ausland und Publikationen in nationalen und internationalen Journals, einen Auslandsaufenthalt im 3. Jahr, internationale Referenten und Gastwissen-schaftler, den Austausch mit internationalen Studenten und deren Betreuung sowie die Forschungstätigkeit in global agierenden Unternehmen.

Auslandsaufenthalte von Promovierenden sind daher in der GSaME ausdrücklich erwünscht. Ihr Ziel ist es, zum Fortschritt des Forschungsprojekts und zur Qualifizierung der Promovie-renden beizutragen. In diesem Sinne ist der Auslandsaufenthalt Bestandteil des individuellen Curriculums und erfolgt mit Zustimmung des Thesis Committees. Damit sollten folgende Ziele für die Promovierenden erreicht werden:

Erlangung bestmöglicher Kenntnisse über den Stand der internationalen Forschung auf dem Dissertationsgebiet

Austausch mit fachlicher Community

Unterstützung des Aufbaus eigener Netzwerke der Promovierenden in die wissenschaft-liche Community und die Wirtschaft.

2018 wurde kein Auslandsaufenthalt durchgeführt.

12 Ausblick 2019

2019 sind die Gesamtergebnisse der GSaME seit ihrer Etablierung 2007 in einem Abschlussbericht zu dokumentieren.

Die GSaME hat 2018 ihre gesteckten Ziele erreicht bzw. überboten. Damit konnten die 2. Förderperiode und die Phase der Überbrückungsfinanzierung der Exzellenzinitiative insgesamt erfolgreich abgeschlossen werden. Mit einem bisher beispiellosen Konzept zur Gestaltung der Promotionsphase wurden für junge Wissenschaftler/-innen aus den Ingenieur-wissenschaften, der Informatik und der Betriebswirtschaft optimale Promotionsbedingungen im Sinne adäquater Rahmenbedingungen zur Entfaltung individueller Leistungsfähigkeit interdisziplinär und international, orientiert an zukünftigen Fach- und Führungsaufgaben im universitären und industriellen Kontext geschaffen.

Durch ihre wissenschaftliche Arbeit wurden originäre und innovative Beiträge zur Erweiterung des Standes von Wissenschaft und Technik auf dem Gebiet des advanced Manufacturing Engineering (aME) erbracht, deren Umsetzung durch eine disziplinübergreifende Zusammen-arbeit mit Partnern der Wissenschaft und Kooperationen mit der Wirtschaft entlang der Innovationskette im dualen Grundkonzept der GSaME gefördert wurde. Die dabei gewonne-nen Erkenntnisse und Erfahrungen haben zu einer kontinuierlichen Weiterentwicklung der Kooperationsbeziehungen und ihrer Instrumente geführt und werden in die konzeptionellen und strukturellen Rahmenbedingungen zukünftiger Nachwuchsförderung der GSaME ein-fließen. Zudem gab es in den vergangenen Jahren umfängliche Reforminitiativen der Karriere- und Qualifizierungsstrukturen im Bereich der Nachwuchsförderung und Wandlungsprozesse zu den institutionellen Rahmenbedingungen und Verfahrensregeln sowie Diskussionen zur

125

Qualitätssicherung während der wissenschaftlichen Qualifizierung (Promotionsphase), die in der GSaME institutionell bereits vorweggenommen bzw. früh berücksichtigt wurden und die ggfs. neu überdacht und weiterentwickelt werden können.

Der konzeptionellen und thematischen Weiterentwicklung der GSaME werden ihre bewährten Stärken, Erfolgsfaktoren und ihr Alleinstellungsmerkmal zugrunde gelegt:

Innovative Nachwuchsentwicklung für den Paradigmenwechsel in der Produktion

Eigenständige und originäre wissenschaftliche Forschungsleistung

Themengenaue Unterstützung von spezialisierten Promotionsprojekten

Forschungs- und Innovationsbeiträge aus und für Kooperationen mit der Wirtschaft; Erschließung von Potenzialen für erhöhte regionale Wirksamkeit

Anregung neuer Forschungsfragen und Qualifikationsanforderungen aus dem industriellen Kontext

Interdisziplinäre, institutionenübergreifende Plattform zur Erprobung neuer Modelle und Kooperationsformen in der Verbindung von Nachwuchsförderung, Know-how- und Personaltransfer sowie Karriereentwicklung und besondere Förderung weiblicher Nachwuchstalente.

Das weitgefasste Arbeitsgebiet der Gestaltung und Optimierung industrieller Produktionen als inhaltliche Grundlage der GSaME stellte eine notwendige Bedingung für die erfolgreiche Realisierung des dualen Konzepts sowie die branchenunabhängige Zusammenarbeit mit der Wirtschaft dar und bildet auch das fundamentale Zukunftspotenzial der GSaME.

Der Prozess der Weiterentwicklung des Forschungsprogramms wird über neue Themen-stellungen, die in den Clustern erarbeitet werden, forciert. Dazu werden auch weiterhin neu berufene Professoren als wissenschaftliche Mitglieder für die GSaME gewonnen. Das Ziel 2019 besteht darin, neue Forschungsthemen zu definieren und mindesten 10 Promovierende zu gewinnen.

Einen Schwerpunkt der weiteren Entwicklung im Zeitraum der Auslauffinanzierung bis 10/2019 bildet das Qualifizierungsprogramm einschließlich erforderlicher Instrumente und Ordnungen, das darauf ausgerichtet ist, die Fähigkeiten der Promovierenden zu eigenständiger Forschungsarbeit zu verbessern, Forschungskompetenz zu stärken und überfachliche Qualifikation in neuen Formaten zu vermitteln.

Im Rahmen der Auslauffinanzierung müssen bisher konzipierte Nachhaltigkeitsstrategien unter Berücksichtigung von förderpolitischen Entscheidungen im Rahmen der Exzellenz-strategie wie der Nachhaltigkeitssicherung seitens des Landes weiter präzisiert und deren Umsetzung inhaltlich und organisatorisch vorangetrieben werden.

Schwerpunkte 2019 sind insbesondere

Integration der GSaME in SEPUS 2018-2022, abhängig von den Aktivitäten der Universität dazu

Konzeptionelle, vertragliche Weiterentwicklung/Geschäftsmodell nach 10/2019

Organisatorische Weiterentwicklung der Strukturen

126

Abschluss von ca. 15 weiteren Promotionsvorhaben

Gewinnung von neuen Promovierenden und Sicherstellung der für Attraktivität und Kontinuität erforderlichen Anzahl Promovierender

Sicherung individuell angepasster Betreuungsqualität und Monitoring der Promotions-prozesse

Kontinuität bei der Einbeziehung externer und internationaler Berichter

Abschluss der Überarbeitung der Qualifizierungsstrategie und der Überarbeitung des Qualifizierungsprogramms incl. erforderlicher Dokumentation

Akquisition neuer Kooperationspartner, Erweiterung des Netzwerks in die Wirtschaft

Projekt- und Vertragsvorbereitung mit weiteren Kooperationspartnern

Forschungs- und wissenschaftliches Qualifizierungsprogramm

Forschungsprogramm

Grundlagen Planung 2019

Qualitative und quantitative Gesamtziele

Rahmenbedingungen und Markt

Nachhaltigkeitssicherung

Entsprechend der Nachfrage durch die Unternehmen werden weitere Promovierende für Kooperationsprojekte und neue Forschungsthemen akquiriert. Dazu sind folgende Maß-nahmen geplant:

Akquisition neuer Forschungsthemen in Zusammenarbeit mit den bestehenden Koopera-tionspartnern und Gewinnung weiterer Partner

Vertragliche Weiterentwicklung der Kooperationen

Vertragliche Fixierung der in Vorbereitung befindlichen Forschungsprojekte.

Es wird geschätzt, dass mindestens fünf neue Projekte mit Partnern definiert und auch weitere Partner gewonnen werden.

Die GSaME wird 2019 weitere neue Forschungsthemen ausschreiben und kontinuierlich Promovierende zulassen. Nach Möglichkeit sollen daraus mindestens 10 Projekte resultieren. Maßnahmen dazu sind u.a.:

Ansprache und Gewinnung von Neuberufungen

Gewinnung neuer Industriepartner

Anwendung entwickelter Anreizsysteme

Definition des Forschungsrahmens

127

Qualifizierungsprogramm

Die konzeptionell-inhaltliche und methodisch-didaktische Überarbeitung des Qualifizierungs-programms wird bis 10/2019 einschließlich Dokumentation und Änderung der ZSPO abgeschlossen.

Durch ein effizienteres und der Qualifizierungsstrategie wirksamer gerecht werdendes Qualifi-zierungsprogramm und ein kontinuierliches und verbessertes Monitoring sollen die Promovie-renden im 3. Jahr das Qualifizierungsprogramm abgeschlossen haben.

128

Anhang

Von 2010 – 2018 wurden 70 Promotionsvorhaben erfolgreich abgeschlossen.

2018


D2-006

Transfer von Erfahrungswissen im Arbeitsprozess der Produktionsplanung in der Automobilindustrie

2018 Daniela Baumhauer


E2-016

Dynamik kohärenter Strukturen beim Zerstäuben mit Hohlkegeldüsen: Einfluss der Düseninnenströmung auf den Lamellenzerfall

2018 Sebastian Egger

DFG Prof. Piesche

C2-008

Smart Engineering Apps für eine mobile und situationssensitive Bereitstellung von Engineeringdaten

2018 Eva Hoos


A2-004

Managementmodell zur Identifikation und Aktivierung von Wertschöpfungs-potenzialen in regionalen Produktions-netzwerken

2018 Benjamin Kuch


A2-012


2018 Jürgen Lenz


C2-002


2018 Celal Sungur Timurhan

DFG Prof. Leymann

B2-001


2018 Tobias Tauterat

DFG Prof. Herzwurm

C2-005

Scheduling & Routing Time-triggered Traffic in Time-sensitive Networks

2018 Naresh Nayak

DFG Prof. Rothermel

A2-H4

Closed-Loop Business Models – Ein Geschäftsmodellkonzept für die ressourceneffiziente Produktentwicklung

2018 Maximilian Regenfelder

DFG Prof. Zahn

2017


A2-001

Das Leitmodell des Clusters als adaptives System unter der Berück-sichtigung des Realoptionsgedankens

2017 Kristina Dewes

DFG Prof. Schäfer

129


C25

Development of Coupled Offline Robot Trajectory Generation and Coating Simulation for Thermal Spraying Processes

2017

Mohamed Abdelhalim Saleh El-Horiny

DFG Prof. Gadow

A3 Wandlungsfähige Cluster-Initiativen – Ein Konzept interaktionsorientierter strategischer Führung

2017 Frauke Goll

DFG Prof. Zahn

C2-001

Product Life Cycle Analytics – Analytics auf unstrukturierten Daten für eine intelligentere Fertigung

2017 Laura Bernadette Kassner


A27 Gestaltung einer Endmontage in der variantenreichen Serienfertigung am Beispiel der Automobilproduktion

2017 Stefan Keckl


F2-001

Entwurfsmethodik für applikations-spezifische Lineardirektantriebe kleiner Leistung

2017 Daniel Kreuzer


A2-011

Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigurationen in der variantenreichen Serienmontage

2017 Christian Küber


C1 Spannungsanalyse beim atmosphärischen Plasmaspritzen durch Submodelltechnik

2017 Venancio Martínez García

DFG Prof. Gadow

B15 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung

2017 Fabian Rusitschka

AUDI AG Prof. Binz

E2-011

Energy and Resource Efficiency in Industrial Manufacturing Using an Integrated Exergy, Energy and Economic Method

2017 Kamran Taheri

HBS Prof. Gadow

B17

Numerische und experimentelle Untersuchungen zu strömungs-induzierten Verformungen von gefalteten Luftfiltermedien

2017 Alexander Traut

Mann+Hummel GmbH

Prof. Piesche

A16 Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen

2017 Yiwen Xu

ZF Friedrichshafen AG

Prof. Westkämper

2016


G7

Automatisierte Inbetriebnahme von rekonfigurierbaren Bearbeitungs-maschinen mit serviceorientierten Paradigmen

2016 Michael Abel

DFG Prof. Klemm

A2-A26

Ressourceneffiziente Erzeugung ultra-transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostrukturen

2016 Thomas Ackermann

FhG Prof. Westkämper

130


C4 Energietransportmechanismen bei der gepulsten Laserbearbeitung Carbon-faser verstärkter Kunststoffe

2016 Christian Freitag

DFG Prof. Graf

A20 Ein Modell zur energetischen Analyse und Bewertung von Vakuum-Greif-systemen

2016 Florian Fritz

J. Schmalz GmbH

Prof. Westkämper

A21

Methode zum Management der Produktsicherheit für einen globalen Produktionsverbund in der Automobil-industrie

2016 Steffen Häfele


E4 RFID-Based Real-Time Production Monitoring in a Variant Production Environment

2016 Bilal Hameed

DFG Prof. Rothermel

F2-006

Methode zur Verbesserung der domänenübergreifenden Zusammen-arbeit während des Engineering-Prozesses im Sondermaschinenbau

2016 Tobias Helbig

Festo AG Prof. Westkämper

A19

Systematik für eine proaktive Anlagen-planung zur Effektivitäts- und Effizienz-steigerung kapitalintensiver Fabrik-planungsprojekte

2016 Mark Hillmann

agiplan GmbH Prof. Westkämper

B2-D10

Wandlungskonzepte für Produktionsnetzwerke

2016 Max Monauni

DFG Prof. Zahn

B2-D9

Netzwerkkultur in Produktionsnetz-werken – Gestaltungsmöglichkeiten in der Automobilindustrie

2016 Claudia Piesche

FhG-IPA Prof. Westkämper

B1 Modeling Method for Simulation of Assembly Variances

2016 Matthias Reuss

DFG Prof. Verl

G3 Analyse Ytterbium-dotierter Materialien für den Einsatz in ultrakurz-gepulsten Scheibenlasersystemen

2016 Katrin Wentsch

DFG Prof. Graf

2015


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 Prof. Schäfer

B12 Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen

2015 Gernot Frank

Siemens AG Prof. Westkämper

131


C18 Prozeßstrategien zur Vermeidung von Heißrissen beim Remote-Laserschweißen von AMIgSi6016

2015 Peter Stritt

AUDI AG Prof. Graf

C24 Charakterisierung von Magnetspritzgießprozessen

2015 Minh Nguyen


E5

Das maschinenorientierte Data Ware-house – Entwicklung eines IT-basierten Konzepts zur Entscheidungsunterstüt-zung im Kontext der wandlungsfähigen Produktion

2015 Philip Hollstein

DFG Prof. Kemper

E6 Advanced Manufacturing Analytics – Datengetriebene Optimierung von Fertigungsprozessen

2015 Christoph Gröger

DFG Prof. Mitschang

G14 Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern

2015 Raphael Rahäuser

Bosch GmbH Prof. Klemm

2014


A7 Systematik der strategisch-taktischen Investitionsplanung für die Produktion

2014 Thorsten Pflüger

DFG Prof. Pedell

B11 Integrierte Produkt- und Montagekonfiguration für die variantenreiche Serienfertigung

2014 Martin Landherr


E3 Störungsunempfindliche Informationsübertragung in dynamischer Produktionsumgebung

2014 Michelangelo Masini

DFG Prof. Berroth

B3

Methode für eine situationsbasierte Adaption und Absicherung der Produktionsfähigkeit in der Serienmontage

2014 Michael Neumann


E1 Adaptive und wandlungsfähige IT-Architektur für Produktionsunternehmen

2014 Stefan Silcher

DFG Prof. Mitschang

B10 Visuelle Analysetechniken für das digitale und virtuelle Engineering

2014 Michael Wörner

DFG Prof. Ertl

F3 Kosten- und zeiteffizienter Wandel von Produktionssystemen: Balanced Resilience Change Management

2014 Frank Ehrenmann

DFG Prof. Reiß

C15 Technologietransfer und industrielle Entwicklung in Schwellenländern unter strukturellem Wandel

2014 Houssam-Eddine Bessam

HBS Prof. Gadow

G5 Hochdynamische Lineardirektantriebe in der Produktionstechnik

2014 Matthias Engel


132

2013


A2- A8

Ein Verfahren zur Personalplanung und -steuerung und Restrukturierung der Aufbauorganisation für eine bedarfsorientierte und wandlungsfähige Produktion

2013 Torsten Stock


A2- A9

Systematik für eine kontinuierliche und langfristig ausgerichtete Planung technologischer und kapazitiver Werksentwicklungen

2013 Markus Hartkopf

Bosch Rexroth AG

Prof. Westkämper

A2- H2

Nachhaltigkeitsverständnis in kleinen und mittleren Unternehmen – Strategie-implikationen zum nachhaltigen Wirtschaften

2013 Barbara Seeberg

DFG Prof. Zahn

B2- D1

Die Integration des Lieferanten in radikale Produktinnovationsvorhaben

2013 Mustafa Incekara

DFG Prof. Arnold

B2- D3

Erforderliche Kompetenzen für das Angebot eines hybriden Leistungs-bündels – Eine Methode zur Identifikation

2013 David Baureis

DFG Prof. Zahn

C2- E2

Hardware-effiziente Auswertealgorith-men für die bildgebende Echtzeit-Messung partikelbeladener Strömungen am Beispiel thermokinetischer Beschichtungsverfahren

2013 Lars Rockstroh

DFG Prof. Simon

D2- F2

Competitive Differentiation within the Shipbuilding Industry: The Importance of Competence in the Field of Services – An Empirical Investigation

2013 Christopher Sauerhoff

DFG Prof. Burr

D2- F4

Funktionenbasierte Vorgehensweise zur Ideenfindung für hybride Produkte in den frühen Phasen der Produkt-entwicklung

2013 Lena Wagner

DFG Prof. Spath

E2- C2

Manufacturing of Injection molded Ceramic Nanocomposites for Biomedical Applications

2013 M. Abbu El Ezz

Hans-Böckler-Stiftung

Prof. Gadow

E2- C7

In-Prozess Qualitätssicherung für das Laserstrahlschneiden von Metallen

2013 David Schindhelm

Trumpf Werkzeug-maschinen GmbH

Prof. Graf

E2- C8

Beitrag zur Verbesserung der spanen-den Bohrbearbeitung von CFK auf Basis von Schädigungsmechanismen

2013 Tobias Pfeifroth

DFG Prof. Heisel

F2-G8

Lackfilm-Strukturbildung bei der Spritzlackier-Applikation

2013 Christian Hager


E2-C17

Material- und Prozesscharakterisierung zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit Papierwabenkern und thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten für die Anwendung im Fahrzeuginterieur

2013 Benno Stamp

Daimler AG

Prof. Westkämper

133

2012


G4 Integration von Senorik und Modellierungsansätzen für die thermokinetische Beschichtung

2012 Miriam Floristan-Zubieta

DFG Prof. Gadow

D2 Datenverwaltung und Informations-bereitstellung in der Echtzeitfabrik

2012 Jorge Minguez Cortes

DFG Prof. Mitschang

D8 Collaborative Systems: ein system-theoretischer Ansatz für interorganisa-tionale Beziehungen

2012 Donald Neumann

DAAD Prof. Zahn

D2- F6

Ein Managementmodell zur Unterstüt-zung der frühen Phasen der Produkt-entwicklung im multikulturellen Kontext – Diversität in der Produktentwicklung

12/2012 Steffen Ehrenmann

DFG Prof. Spath

E2- C5

Konzepte und Implementierungen für die prozessnahe Integration optischer Sensoren

11/2012 David Fleischle

DFG Prof. Osten

2011


A2 New Taylorism 2011 Lukas Schreiber

DFG Prof. Zahn

A4

Entwicklung eines adaptiven Produktionskonzepts für kürzer werdende Produktlebenszyklen in der Automobilindustrie

2011 Carina Löffler


2010


C3

Prozessoptimierung für Schichtverbund-bauteile durch Simulation von Strömungsvorgängen bei der thermokinetischen Beschichtung

2010 Esther Dongmo

DFG Prof. Gadow

13. Oktober 2016 10:15 bis 17:45 Uhr

14. Oktober 201611:00 bis 13:45 Uhr

AUDI AG, AUDI Forum Neckarsulm




Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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Der Industrieanteil am Bruttoinlandsprodukt liegt in Deutsch-land mit fast 23 Prozent auf hohem Niveau. In vielen High-Tech-Branchen sind Unternehmen mit Sitz in Deutschland weltweit führend. Sie behaupten sich im globalen Wettbe-werb durch Flexibilität, Qualität und Stabilität. Gleichzeitig befi ndet sich die industrielle Produktion in Deutschland in einer Zeit des Umbruchs.

In immer stärkerem Maße erfordern schnellere Produkt-lebenszyklen bei höherer Variantenzahl, individuelle Kunden-wünsche und kleinere Losgrößen Flexibilität und Schnelligkeit in der Fertigung. Neue Produkte und fortschreitende Globali-sierung bewirken unvorhersehbare Bedarfsschwankungen und verschärfen den Wettbewerb um Preise, Ressourcen und Märkte. Innovation wird zu einem absolut entscheiden-den Erfolgsfaktor für Produktivität, Nachhaltigkeit und Res-sourceneffi zienz in einer Produktion von hoher Variabilität. Notwendige Maßnahmen, wie eine umfassende Digitalisie-rung von Produktionsprozessen und Arbeitsabläufen in glo-balen Wertschöpfungsnetzwerken, neue Technologien und grundlegend neue Unternehmens- und Geschäftsmodelle, schaffen und erhalten globale Wettbewerbsvorteile. Die Er-schließung bisher nicht genutzter Wertschöpfungspotenziale und eine Kultur in Organisationen, die zur Beherrschung des zu erwartenden sozialen und ökologischen Wandels von digi-taler Arbeitswelt und Gesellschaft beiträgt, ermöglichen dies zudem. Gefragt sind neue Ideen und innovative Lösungen für eine aktive, vorausschauende Technologieentwicklung.

Die Industrie der Zukunft braucht für ihren Erfolg: Kompetenz in Details und damit die funktionale und branchenspezifi sche Exzellenz. Gleichzeitig müssen, über Fachdisziplinen und Or-ganisationen hinweg, Chancen erkannt, Kooperationen auf-gebaut, neue Problemlösungen entwickelt und in den Markt eingeführt werden.

Welche Methoden, Modelle, Instrumente und Verfahren eines „Value Added Manufacturing“ rücken in das Zentrum der Forschung? Welche Forschungsthemen und Strategien für eine wettbewerbsfähige Produktion erlangen aus Sicht der Industrie Bedeutung in der Produktionstechnologie? Im Rah-men der Jahrestagung 2016 der Graduiertenschule GSaME Stuttgart, die gemeinsam mit der AUDI AG veranstaltet wird, geben Wissenschaftler, Forscher, Führungskräfte und Nach-wuchswissenschaftler im Dialog Antwort auf diese Fragen, stellen ihre Ergebnisse vor und leiten daraus neue Ansätze und Strategien künftiger Forschung ab.

Chance // MotivationProf. Dr.-Ing. Bauer, Wilhelm / Institutsleiter IATUniversität Stuttgart

Dipl.-Oec. Baumhauer, Daniela / Doktorandin GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Bocksrocker, Oliver / Doktorand GSaME, TRUMPF Werkzeug-maschinen GmbH + Co. KG, GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Brenner, Dominik / Doktorand GSaMEGSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Phys. Frangen, Joachim / Programmleiter „Industrie 4.0 – Connected Industry“, Robert Bosch GmbH, Renningen

ord. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Gadow, Rainer / Instituts-leiter IFKB, Universität Stuttgart

Prof. Dr. phil. nat. Graf, Thomas / Institutsleiter IfSW, Universität Stuttgart

M. A. Kassner, Laura / Doktorandin GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

Dipl.-Inf. Königsberger, Jan / Doktorand GSaME, Daimler AG GSaME, Universität Stuttgart

M. Sc. Mall, Jochen / Doktorand GSaME, Institut für Luftfahrtantriebe, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.- Ing. habil. Mitschang, Bernhard / Institutsleiter IPVS Universität Stuttgart

Dr.-Ing. MTM Oppelt, Mathias / Head of Simulation Center for Process Automation, Siemens AG, Karlsruhe

M. Sc. Pöschl, Sebastian / Doktorand GSaME, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing GmbH, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr. Post, Peter / Leiter Corporate Research and Technology Festo AG & Co. KG, Esslingen

Dipl.-Wi.-Ing. Stettner, Helmut / Werkleiter NeckarsulmAUDI AG, Ingolstadt

Unger, Karl / Leiter Produktionsstrategie / -system / Technologieentwicklung, AUDI AG, Ingolstadt

Prof. Dr.-Ing. habil. Witt, Gerd / Institut für Produkt Engineering, Fertigungstechnik, Universität Duisburg-Essen

Dipl.-Wi.-Inform. Wlcek, Stefan / Leiter Abteilungübergreifende Soft-ware-Dienste, TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Ditzingen

Podiumsdiskussion

Moderation: Mitschang, B.

Teilnehmer: Bauer, W. / Graf, T. / Post, P. / Unger, K. / Wlcek, S.


Foto: Frank Pusch Gestaltung: i/i/d Institut für Integriertes Design, Bremen, www.iidbremen.de

Die Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart GSaME wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Universität Stuttgart etabliert. In der zweiten Runde der Exzellenzinitiative 2012 wurde sie von internationalen Experten erneut als exzellent begutachtet und wird von der DFG gefördert.

PRODUKTION IM DIALOG Perspektiven und Handlungsfelder veränderter Wertschöpfung – Daten, Prozesse, Management

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Exzellenz in Forschung und Quali� zierung Innovationen für nachhaltige Fabriken


TAGUNGSBAND



Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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gsame_tagungsband_Umschlag_130306DV.indd 1 06.03.13 12:26



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Ressourcen, Innovation, Wertschöpfung Fabriken im Spannungsfeld von Digitalisierung, Globalisierung und Nachhaltigkeit


TAGUNGSBAND

11. Oktober 2012 10:15 bis 17:45 Uhr

12. Oktober 201211:00 bis 13:45 Uhr

Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach CH


Die Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering GSaME in Stuttgart wurde 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Universität Stuttgart etabliert und von der DFG gefördert. In der zweiten Runde der Exzellenzinitiative wurde sie erneut von internationalen Experten als exzellent begutachtet und wird weiter von der DFG gefördert.



Tel.: +49 711 685-61801Fax: +49 711 685-51869

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PRODUKTION IM DIALOG Wissen, Technologien, Innovation – Produktionsstrategien für Wertschöpfung und Nachhaltigkeit

Die industrielle Produktion ist bis heute der zentrale Treiber für Wertschöpfung und Beschäftigung in Deutschland. Kein anderes Industrieland hat einen vergleichbar hohen Anteil der direkt und indirekt von der Produktion abhängigenArbeitsplätze und deren Wertschöpfung. Dabei ist Deutsch-land gegenwärtig Nutznießer der global weiter zunehmenden Nachfrage nach Industrieprodukten, vor allem infolge des Wachstums der Weltbevölkerung und Aufschließens der Schwellenländer zu den entwickelten Industriestaaten.

Die Rahmenbedingungen der Produktion sind jedoch durch rasante technische, ökonomische und soziale Umwälzungen und Brüche charakterisiert. Strategische Erfolgspositionen der Unternehmen müssen unter den Bedingungen von Globa-lisierung und der damit verbundenen Verschiebung von Märkten, radikaler Veränderungen der Wertschöpfungspro-zesse, begrenzter Ressourcen, global verfügbaren Wissens, globaler Trends wie Klimaschutz und demographischer Wandel sowie rasanter technologischer Entwicklung zukunfts fähig besetzt werden. Hierbei stellen die Steige-rung von Ressourceneffi zienz, die Versorgungssicherheit für Rohstoffe, Material und Energie, die Durchdringung aller Bereiche mit Informationstechnologie und nachhaltige Lösungen wertschöpfungsorientierten Wachstums, orientiert am Zielausgleich von Ökologie, Ökonomie und Sozialem, die großen Herausforderungen dar. Die Verfügbarkeit qualifi zier-ter Fachkräfte wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor zukünftiger Produktion. Neue Methoden des Personal-managements sind ebenso gefragt wie eine an Nach-haltigkeit orientierte Führungskultur.

Welche Lösungen sind erforderlich, damit die industrielle Produktion preislich wettbewerbsfähig am Standort bleibt? Welche Methoden, Modelle, Instrumente und Verfahren des advanced Manufacturing Engineering rücken zukünftig in das Zentrum der Forschung? Welche Forschungsthemen, Strategien und Konzepte für wettbewerbsfähige Produktion erlangen in Zukunft aus Sicht der Industrie Bedeutung für dauerhafte Spitzenleistungen in der Produktionstechnologie? Im Rahmen der Jahrestagung 2012 der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering Stuttgart, die gemeinsam mit der Endress+Hauser Flowtec AG veran-staltet wird, geben Wissenschaftler, Forscher, Führungskräfte und Nachwuchswissenschaftler im Dialog Antwort auf diese Fragen, stellen ihre Ergebnisse sowie Erfahrungen vor und leiten daraus Erkenntnisse für neue Ansätze und Strategien ab.

Chance // MotivationBrobeil, Wolfgang / Head of Division Industrial Engineering Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Drahm, Wolfgang / Head of Department Basic Research Group Flow Endress+Hauser GmbH & Co. KG, Freising

Dipl.-Ing. (FH) Flörchinger, Marie-Louise / Doktorandin GSaME Institut für Umformtechnik, GSaME, Universität Stuttgart

Dr. Frey, Volker / Head of Division Industrial EngineeringEndress+Hauser GmbH & Co. KG, Maulburg

Dipl.-Ing. Frank, Gernot / Doktorand GSaME, Siemens AGGSaME, Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Jost, Gerhard / Corporate Director Production, Member of the Executive Board, Endress+Hauser Group; Managing Director, Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Dipl.-Ing. Kolb, Kristopher / Doktorand GSaME, MTU Friedrichshafen GmbH, GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr. rer. nat. Kück, Heinz / Institutsleiter IZFM Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Landherr, Martin / Doktorand GSaME, FhG-IPA GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.- Ing. habil. Mitschang, Bernhard / Vorstandsmitglied IPVS Universität Stuttgart

Dr. sc. techn. Montau, Robert / Director Business Development Central /Eastern Europe, Siemens Industry Software AG, Zürich

Dipl.-Ing. Neumann, Michael / Doktorand GSaME, FhG-IPA GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Piesche, Manfred / Institutsleiter IMVTUniversität Stuttgart

Dipl.-Ing. (FH) Pfeifroth, Tobias / Doktorand GSaME, Institut für Werkzeugmaschinen, GSaME, Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Sauter, Jürgen / Geschäftsführer FE-DESIGN GmbH, Karlsruhe

Staudenmaier, Bertram / Mitglied der GeschäftsführungVoith GmbH, Heidenheim

Steinhoff, Frank / Direktor Technologie, GeschäftsführungInnovation und Technologie, Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach

Dipl.-Ing. Wagner, Lena / Doktorandin und Absolventin GSaME, Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Westkämper, Engelbert / Sprecher und Vorstandsvorsitzender GSaME,GSaME, Universität Stuttgart

Podiumsdiskussion

Moderation: Wagner, L.

Teilnehmer: Drahm, W. / Jost, G. / Mitschang, B. / Montau, R. / Westkämper, E.


24.09.2009 Tognum-Gruppe/MTU Friedrichshafen GmbH

TAGUNGSBANDJAHRESVERANSTALTUNG GSaME

Märkte und Technologien im Wandel – Herausforderung für Forschung, Produktion und Quali�zierung

Im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern hat die Universität Stuttgart unter der Koordination von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper, Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb, die Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering GSaME konzipiert. GSaME wurde von internationalen Experten als exzellent begutachtet und wird von der DFG gefördert.



Tel.: +49 711 685-61890Fax: +49 711 685-51869

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GSaMEJAHRESTAGUNG 2018 10 Jahre Exzellenzförderung – Führungskräfte für Fabriken der Zukunft

VERNETZUNG, AGILITÄT, EFFIZIENZ –Schlüssel zukunftsfähiger Produktion

13. April 2018Haus der Wirtschaft, Stuttgart

TAGUNGSBAND

20132011

2009 2010

2012

2014 2015 2016 2017

2008

Bericht 2018

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

GSaME Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineeringin StuttgartUniversität Stuttgart


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Bericht 2018 - Uni Stuttgart · 2019-07-01 · 13. Oktober 2016 10:15 bis 17:45 Uhr 14. Oktober...

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