TITELTHEMEN: WERKZEUGMASCHINEN – PRODUKTIONSANLAGEN – SMART SERVICES – VERFÜGBARKEIT – PRODUKTIVITÄTSSTEIGERUNG ALS SERVICE 26.08.2020, 00:00 Uhr

Inhalte der Online-Ausgabe 7/8-2020

Verfügbarkeitssteigerung durch gezielte Datenanalyse

E. Uhlmann – Institut für Werkzeug­maschinen und Fabrikbetrieb (IWF), Technische Universität Berlin (Editorial)

Die Weiterentwicklung der digitalisierten Produktion ist eine wesentliche Voraus­setzung zur Realisierung der Smart Factory. Die Individualisierung einzelner Produkte lässt sich mit höherer Produktivität und verbesserter Ressourceneffizienz bis zu einer Losgröße von 1 verwirklichen. Cyber-Physische-Systeme bilden in der Smart Factory die Basis zur Vernetzung von Maschinen und Anlagen, die mit ihrer Umwelt kommunizieren. Durch die Erfassung und Analyse sensorischer Daten sowie gezielter Soll-Ist-Wert-Vergleiche können die Produktionsprozesse in Echtzeit gesteuert und dadurch sich stetig ändernde Produktanforderungen erfüllt werden. S. 461

Fräsen von Wolframkarbid-basierten MMC-Werkstoffen*

E. Uhlmann, C. Hein, J. Polte, C. Jahnke; M. Polte – Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Berlin; IWF; Berlin

Die Herstellung von Kunststoffkomponenten mittels Spritzguss ist weit verbreitet. Spritzgusswerkzeuge, welche statt aus Stahl aus NE-Metallen und durch Fräsen gefertigt werden, können die Wirtschaftlichkeit steigern. Um den Belastungen beim Spritzgießen gerecht zu werden, können diese Werkezuge durch das Einbringen von Hartpartikel in ihre Oberfläche gegen Verschleiß verstärkt werden. Gegenstand dieses Beitrages ist das Mikrofräsen solcher Verschleißschutzschichten (Metal-Matrix-Composites). Dafür wurde polykristalliner Diamant ohne Bindephase als Schneidstoff qualifiziert. S. 462

Einsatz eines naturanalogen Algorithmus*

E. Uhlmann, J. Streckenbach, M. Osmanovic; M. Polte, J. Börnstein – IWF, Berlin; Fraunhofer IPK, Berlin

Dieser Beitrag stellt die Ergebnisse zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit des Optimierungsverfahrens Evolutionsstrategie (ES) am Beispiel des funkenerosiven Bohrens vor. Dazu wurden zwei ES-Typen untersucht. Als Elektrodenwerkstoffe kamen Messing für das Werkzeug und für das Werkstück gehärteter Stahl zum Einsatz. Im Ergebnis konnte die Erosionsdauer reproduzierbar um 37 % verringert werden. Dieser Nachweis bildet die Grundlage für den industriellen Einsatz der Evolutionsstrategie beim funkenerosiven Bohren. S. 467

Dornhonen mit induzierten Schwingungen*

E. Uhlmann, S. Zimmermann, J. Thalau – IWF, Berlin

Die Dornhonbearbeitung wird eingesetzt, wenn hohe Form- und Maßgenauigkeiten bei der Bearbeitung von Zylinder­innenflächen gefordert sind. Durch den Einsatz induzierter Schwingungen können die Prozesskenngrößen und Arbeits­ergebnisse gezielt beeinflusst werden. In diesem Beitrag werden kinematische Grundlagen verschiedener Schwingungsparameter analysiert und deren Auswirkungen bei der Dornhonbearbeitung ermittelt. S. 471

Dynamik beim Bürstspanen*

A. Hoyer, E. Uhlmann – IWF, Berlin

In dieser Forschungsarbeit wurde untersucht, unter welchen Bedingungen beim Einsatz von Rundbürsten dynamisches Werkzeugverhalten auftritt und ob es gezielt eingestellt oder sogar zur Steigerung von Materialabtrennungsrate und Produktivität eingesetzt werden kann. Stellgrößen, die für das Auftreten von Dynamik entscheidend sind, wurden mit einer Mehrkörpersimulation für einzelne Schleiffilamente ermittelt und anhand von technologischen Untersuchungen mit Rundbürstwerkzeugen validiert.   S. 478

Detektion des Vorspannungsverlusts in Kugelgewindetrieben*

M. Veith; A. Zimmerman; J. Hillenbrand, J. Fleischer – ifm diagnostic gmbh, Rosenheim; August Steinmeyer GmbH, Albstadt; Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wbk Institut für Produktionstechnik

Ziel der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen ist die Verfügbarkeitsabsicherung, um hohe Bauteilqualität und Produktivität zu gewährleisten. Die Kenntnis des Vorschubachsenzustandes, im Besonderen des Kugelgewindetriebs, ist daher von enormer Wichtigkeit. Das „Guard-Plus“-System, eine Entwicklung der August Steinmeyer GmbH und der ifm diagnostics GmbH, ermöglicht dies durch Detektion des Vorspannungs­verlustes aufgrund von Verschleiß. Untersuchungen zur Systemfunktion wurden in diesem Beitrag durch das wbk Institut für Produktionstechnik durchgeführt. S. 485

Industrie-4.0-Nachrüstkit für Werkzeugmaschinen*

D. Barton, J. Fleischer; S. Mergler; R. Stamm; C. Bardenhagen – KIT wbk, Karlsruhe; Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Schweinfurt; Heidelberger Druckmaschinen AG, Wiesloch; Siemens AG, Stuttgart

Erste Erprobung in zwei Bearbeitungszentren, im Labor und in der Produktion (siehe Bild). Bild: Heidelberger Druckmaschinen

Industrie 4.0 verspricht ein hohes wirtschaftliches Potenzial für produzierende Unternehmen. Allerdings wird dieses in bestehenden Werkzeugmaschinen bisher nur wenig ausgeschöpft. Um das Ausrollen von Funktionen für die zustandsorientierte Instandhaltung und die Überwachung des Bearbeitungs­prozesses zu ermöglichen, wurde ein modulares Nachrüstkit entwickelt. Mit dem Kit können Maschinen individuell um Hardware- und Softwarebausteine erweitert werden. S. 491

Predictive Maintenance für Schutzabdeckungen

F. Hoffmann, B. Brockhaus, J. Metternich, M. Weigold – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen PTW, Darmstadt

Predictive Maintenance ist eines der bestimmenden Themen im Kontext von Industrie 4.0. Ein Blick in heutige Produktionsstätten zeigt jedoch, dass die Voraussetzungen zur Umsetzung dieser Technologie für den überwiegenden Teil der Industrie­anwendungen bisher nicht gegeben sind. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den notwendigen Schritten – vom Geschäftsmodell zur Anwendung in der industriellen Praxis – am Beispiel einer Schutzabdeckung für Werkzeugmaschinen. S. 496

Frühzeitige Detektion von Oberflächenzerrüttungen*

T. Schlagenhauf, P. Ruppelt, J. Fleischer – KIT wbk, Karlsruhe

Die Zustandsüberwachung von Anlagen, Maschinen und deren Bauteilen ist eine zentrale Thematik von Industrie 4.0. Unvorhergesehene Ausfälle von Werkzeugmaschinen sind häufig auf den Verschleiß und das daraus resultierende Versagen von Kugelgewindetrieben zurückzuführen. Aufgabe dieser Arbeit ist die frühzeitige Detektion von Oberflächenschäden auf der Kugelgewindetriebspindel mit einem elektromechanischen Kamerasystem in Kombination mit Deep-Learning-basierten Modellen, um entsprechende Wartungsmaßnahmen abzuleiten. S. 501

Autonomes Oberflächenschleifen von Aluminium-Anbauteilen*

J.-O. Brassel, S. Hönle; J. Fleischer; H. Pulli – Audi AG, Neckarsulm; wbk KIT, Karlsruhe; Audi Planung GmbH, Neckarsulm

Zum Erfüllen der hohen Anforderungen an fehlerfreie Blechteiloberflächen werden häufig manuelle Aufwendungen in die Fertigstellung der Bauteile investiert. Mit Blick auf Produktivität und Wiederholgenauigkeit sollen Teilumfänge der Fertigstellung automatisiert werden. Inhalt dieses Beitrags ist die Konzeption einer Prozesskette zum autonomen Schleifen von Karosseriebauoberflächen sowie die Betrachtung eines Algorithmus zur Berechnung der Bearbeitungsreihenfolge. S. 507

Optimierung geklebter Stahl-Keramik-Verbunde*

M. Stroka, S. Stribick, M. Raab – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

Der Beitrag beschreibt, wie sich die Festigkeiten geklebter Stahl-Keramik-Verbunde durch eine Laserstrukturierung der Oberflächen gezielt beeinflussen lassen. Dabei wurden unterschiedliche Strukturierungsmuster aufgebracht und Laserparameter wie Leistung und Frequenz variiert und deren Auswirkungen auf die Klebfestigkeit untersucht. S. 511

Hybrides Rotational-Moulding-Verfahren*

P. Ruhland, J. Nieschlag, S. Coutandin, J. Fleischer – KIT wbk, Kalsruhe

Hybride Faserverbund-Metall-Bauteile für Anwendungen als Antriebswellen, Achsen oder Zug-Druck-Stangen besitzen aufgrund ihres hohen Leichtbaugrades ein enormes Potenzial in den unterschiedlichsten Branchen. In diesem Beitrag wird das Rotational-Moulding-Verfahren vorgestellt, mit welchem derartige Bauteile schnell und kostengünstig hergestellt werden können. S. 517

Produktivitätssteigerung durch Hybridisierung im 3D-Druck*

M. Baranowski, M. Netzer, S. Coutandin, J. Fleischer – KIT wbk, Karlsruhe

Die additive Fertigung erlaubt eine standortunabhängige sowie de facto individualisierte Produktion von Bauteilen mit nahezu beliebiger Komplexität. Für die flexible Herstellung von hochfunktionalen Hybridbauteilen fehlt es allerdings an entsprechenden Maschinenkonzepten sowie Automatisierungs­lösungen. Durch ein hier vorgestelltes Anlagenkonzept sollen Funktionskomponenten in den additiven Herstellungsprozess integriert und neue Möglichkeiten der Bauteilhybridisierung erforscht werden.   S. 521

Additive Fertigung multi-funktionaler Bauteile*

T. Braun; C. Kiener – Technische Universität Berlin; Siemens AG, München

Bauteile mit hoher Geometriekomplexität sind wirtschaftlich attraktiv für die Herstellung mit additiven Fertigungsverfahren. Der Einsatz des V-Modells nach dem Model Based Systems Engineering (MBSE) erlaubt die Beherrschung dieser Komplexität im Entwicklungsprozess. Eine Fallstudie einer mit Laser-Strahlschmelzen (L-PBF) gefertigten Heatpipe demonstriert diese Komplexität: Wärmetransport, Nutzung des Kapilla­r­effekts sowie eine Vakuumisolierung sind in einem mono­lithischen Bauteil kombiniert. S. 526

Datengetriebene Steigerung der Verfügbarkeit*

R. Dumitrescu, M. Meyer; E. Uhlmann, D. Simsek; J. Polte – Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn; IWF, Berlin; Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, Paderborn

Die Zuverlässigkeit von Werkzeugmaschinen ist ein kritischer Faktor für den Erfolg produzierender Unternehmen. Durch die Analyse von Daten in der Produktplanung können Maschinenhersteller Ausfallursachen eliminieren und Maschinen systematisch verbessern. Jedoch stellt eine umfassende Datenanalyse viele Unternehmen vor große Herausforderungen. Die in diesem Beitrag vorgestellte Methodik adressiert diese Problematik und unterstützt Unternehmen bei der zielgerichteten Datenanalyse.   S. 532

3D-Evaluation hybrider Lösungsansätze

C. Köhler, T. Mahl; D. Lins, D. Arnold, C. Prinz; K. Herrmann – Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, WI Institut; Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Produktionssysteme; Festo Lernzentrum Saar GmbH, St. Ingbert

Der Beitrag beschreibt einen quantitativen und qualitativen Bewertungsansatz für Ideen beziehungsweise Konzepte ­hybrider Wertschöpfung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) unter Berücksichtigung existierender Fähigkeiten, erwarteter Erfolgspotenziale sowie dem Hybridisierungsgrad. S. 536

Smart Services in Produktionsnetzwerken modellieren*

F. Stamer, G. Leschinski, B. Häfner, G. Lanza; A. Korczok – KIT wbk, Karlsruhe; 4flow AG, Berlin

Für produzierende Unternehmen nehmen Smart Services weiter an Bedeutung zu. Daher ist eine einheitliche Methode wichtig, um diese Services im Umfeld von Produktionsnetzwerken zu entwerfen sowie Geschäftsmodelle für netzwerk­basierte Smart Services aufstellen zu können. Es wird ein Vorgehen vorgestellt, um Smart Services im Kontext von Produktionsnetzwerken zu modellieren. Der Ansatz soll helfen, Geschäftsmodelle für diese Services aufzustellen. S. 541

Vernetzung und Interaktion­s­arbeit in Smarten Technischen Services

J. Abel, P. Ittermann, T. Wienzek; S. Kaczmarek, H. Middendorf – Sozialforschungsstelle Fakultät Sozialwissenschaften Technische Universität Dortmund; Lehrstuhl für Unternehmenslogistik, Technische Universität Dortmund

Mit fortschreitender Digitalisierung und Vernetzung der Produktion gewinnen Technische Services zunehmend an Bedeutung. Diese Services sind durch eine enge Vernetzung und Interaktion zwischen Produktionsausrüstern, Dienstleistern und Anwenderunternehmen gekennzeichnet, sichern die An­lagenverfügbarkeit und erlauben die Entwicklung von Geschäftsmodellen zu lösungsorientierten Produkt-Service-Systemen. Insbesondere der aus der Zunahme smarter Technischer Services resultierende Wandel wird sich auf die Instand­haltungs­arbeit auswirken. Der Beitrag skizziert mögliche Veränderungen und deren Folgen, die im BMBF-Projekt „Visits“ untersucht werden. Auf der Basis einer Typologie von Interaktionsarbeit in Technischen Services werden Kriterien Guter Interaktionsarbeit zwischen Dienstleister und Kunden abgeleitet. S. 545

3Dsupply – Ersatzteil­ver­sorgung aus dem 3D-Drucker

L. Schott, S. T. Kaysser, C.-A. Keun – CompriseTec GmbH, Hamburg

Um den disruptiven Risiken der additiven Fertigungstechno­logie für die Logistikbranche zu begegnen, wird ein Logistikdienstleister dazu befähigt, die Technologie in seinem Dienstleistungsportfolio einzugliedern. Die Besetzung der Schnittstelle zwischen Kunden und Produzenten ermöglicht es wertschöpfende Elemente in die Prozesskette des Logistikdienstleisters zu integrieren, indem dieser sich als Experte zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von additiven Bauteilen etabliert. S. 551

Lean Production Leader*

T. Saßmannshausen, P. Burggräf, J. Wagner, P. Weßel – Universität Siegen, Lehrstuhl International Production Engineering and Management (IPEM), Siegen (Open Access-Beitrag)

Die Sicherung und Steigerung der Produktivität ist eine Kernanforderung an Unternehmen, um auf dem Markt­wettbewerbsfähig zu bleiben. Daran anknüpfend stellt dieser Beitrag den Lean Production Leader vor, ein Führungsnavigator, der Verschwendungen der Leitungsebene in Produktionsbetrieben aufdeckt und diese systematisch abbaut. Dazu wird die Einflussstärke von Führungsaktivitäten und -fähigkeiten auf die Leistung und damit die Produktivität der Produktionsmitarbeiter untersucht. S. 556

Systematische Navigation für die Reihenfolgeplanung

E. Weber, E. Schenke, L. Dorotic, N. Gronau – Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik, insb. Prozesse und Systeme, Universität Potsdam

Dieser Beitrag stellt einen Algorithmus für das Job-shop-Scheduling-Problem vor, welcher den Lösungsraum indexiert und eine systematische Navigation zur Lösungssuche durchführt. Durch diese problemadäquate Aufbereitung wird der Lösungsraum nach bestimmten Kriterien vorzustrukturiert. Diese Problemrepräsentation wird formal beschrieben, sodass ihre Anwendung als Grundlage für ein navigationsorientiertes Suchverfahren dienen kann. Ein vergleichender Test mit anderen Optimierungsansätzen zeigt die Effizienz dieser Lösungsraumnavigation. S. 563

Neue Wege zur Qualifikation

M. Bues, T. Schultze – Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart

Top-qualifiziertes Personal in Produktion und Service ist bereits heute eine knappe Ressource. Training und Weiter­bildung sind jedoch oftmals teuer, und die Schulung an Produkt oder Produktionsanlage ist oft nur sehr eingeschränkt möglich. Virtual Reality (VR) ist ein entscheidender Baustein zur Lösung dieser Probleme: Service- und Produktionsprozesse werden realistisch am virtuellen 1:1-Objekt trainiert, mit und ohne Unterstützung durch einen erfahrenen Instruktor und an beliebigen Orten. Letzteres ist gerade in der durch das Corona-Virus bedingten Situation des Jahres 2020 von besonderer Bedeutung. S. 572

* Bei den mit einem Stern gekennzeichneten Beiträgen handelt es sich um Fachaufsätze, die von Experten auf diesem Gebiet wissenschaftlich begutachtet und freigegeben wurden (peer-reviewed).

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