Fertigungstechnik

Deutsch: In der modernen industriellen Fertigung lässt sich trotz hoher Stückzahlen eine zunehmende Individualisierung der Produkte beobachten. Die Digitalisierung, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 und 5.0, bietet großes Potenzial, diesen Trend zu beschleunigen und Marktbedürfnisse zielgerichteter zu befriedigen. Digital Twins (DTs) spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie Transparenz schaffen und zuvor isolierte Unternehmensbereiche verknüpfen. Trotz intensiver Forschungsbemühungen weisen DT-Projekte in der Industrie im Jahr 2024 noch einen geringen Reifegrad auf. Diese Dissertation untersucht anhand umfangreicher empirischer Studien die Gründe für den niedrigen Reifegrad von DTs in Fertigungsunternehmen und identifiziert dabei technische, organisatorische und methodische Herausforderungen. Der Fokus liegt besonders auf organisatorischen und methodischen Faktoren wie der Kostenbewertung, der Benutzerakzeptanz und der Zielsetzung, die zentrale Hürden darstellen. Zur Bewältigung dieser Handlungsfelder wurde ein neuartiges Framework entwickelt, das die Entwicklung und Implementierung von DTs systematisiert und die Erfolgsaussichten solcher Projekte erhöht. Das Kober Digital Twin Framework (KDTF) umfasst fünf neu entwickelte Modelle: 1. Digital Twin Stakeholder Communication Model (DT-SCM): Ein ganzheitliches Modell, das die Kommunikation zwischen den Stakeholdern durch eindeutig definierte Dimensionen verbessert. 2. Digital Twin Fidelity Requirements Model (DT-FRM): Ein strukturiertes Modell zur präzisen Zielsetzung und Priorisierung von Einflussfaktoren. 3. Digital Twin Benefit Curves (DT-BC): Grafische Darstellungen der Beziehung zwischen DT-Fidelity, Mehrkosten und Einsparpotenzialen. 4. Digital Twin Fidelity Calculation Model (DT-FCM): Ein methodischer Ansatz zur Berechnung der optimalen DT-Fidelity. 5. Digital Twin Cost-Benefit Framework (DT-CBF): Ein systematisches Modell zur Identifizierung und Bewertung der Potenziale und Kosten von DTs. Es wurde mithilfe der Design Science Research (DSR) Methodik entwickelt und validiert, welche eine flexible, iterative Entwicklung und kontinuierliche Verbesserung ermöglichte. Die übergeordnete Validierung des gesamten Frameworks erfolgte anhand eines fortschrittlichen Fallbeispiels aus der industriellen Praxis eines innovativen Sägewerks. Es wurde deutlich, dass das Framework die Entwicklung und Implementierung wirtschaftlich erfolgreicher und technisch komplexer DTs ermöglicht. Fertigungsunternehmen werden dabei unterstützt, ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Entwicklung und Implementierung von DTs zu realisieren und informierte Entscheidungen der verantwortlichen Stakeholder zu fördern. Abschließend stellt das in dieser Dissertation entwickelte Framework eine wesentliche Innovation dar, die sowohl wissenschaftlich fundiert ist als auch praktische Anwendung findet. Es trägt dazu bei, die Verbreitung von DTs in der Fertigung zu fördern und sichert somit die nachhaltige Relevanz dieses Forschungsfeldes.

Megatrends wie die Neo-Ökologie, Urbanisierung und Individualisierung führen gegenwärtig zu neuen Wertschöpfungsansätzen. Einer dieser Ansätze ist das Städtenetzwerk Fab City, wel-ches darauf abzielt, zukünftig nahezu alles, was in einer Stadt konsumiert wird, auch dort zu produzieren. Die Bekanntheit dieses Ansatzes wurde durch jüngere Ereignisse wie die COVID-19 Pandemie oder den russischen Angriffskrieg in der Ukraine deutlich erhöht, da er aufgrund des überwiegenden Anteils an Eigenproduktion verspricht, resiliente und lokale Produktions-netzwerke mit kurzen Lieferketten sowie geringe Abhängigkeiten zu schaffen. Um diese Po-tenziale auszuschöpfen und das Ziel von Fab City zukünftig zu erreichen, bedarf es einer an diesen Anwendungsfall angepassten Produktionsplanung und -steuerung, die gegenwärtig noch nicht existiert. Ziel dieser Arbeit ist daher die ganzheitliche Modellierung dieser Produktionsplanung und steuerung für dezentrale, vernetzte und offene Produktionswerkstätten am Fallbeispiel Hamburg. Hierfür werden zunächst die Anforderungserhebung in einer Einzelfallstudie durch halbstrukturierte Experteninterviews sowie offene und direkte Beobachtungen in unterschiedli-chen Produktionswerkstätten durchgeführt. Die anschließende Modellierung erfolgt in Anleh-nung an das House of Quality auf Grundlage des Aachener PPS-Modells. Zu diesem Zweck werden die erhobenen Anforderungen aus der Marktsicht systematisch mit Leistungsmerkma-len des Aachener PPS-Modells aus der Prozesssicht verbunden. Als Ergebnis bietet das Open PPS Modell sowohl auf der Netzwerkebene als auch auf der lo-kalen Ebene elementare Neuerungen. Einen wesentlichen Paradigmenwechsel stellt der Fo-kus auf die Planung von Maschinenfunktionen statt von Produkten oder Produktfamilien dar, wodurch das Netzwerk gleichzeitig standardisiert und flexibilisiert wird. Außerdem sind alle Ak-teure untereinander gleichberechtigt. Hierfür sieht das Modell mit den Nutzern, Betreibern und Kunden drei heterarchische Rollen vor. Open PPS ist darüber hinaus als Planungs- und Steue-rungssystem für ein öffentlich nutzbares Netzwerk konzipiert, an das die gesamte Bevölkerung Produktionsanfragen melden kann. Die Vergabe dieser Anfragen an den jeweiligen Produzen-ten erfolgt durch ein neues und eigens entwickeltes Steuerungs- und Prioritätssystem, das die Anfragen anhand der Parameter Komplexität und Liegezeit bewertet. Neben der klassischen Form der Materialbeschaffung über Einzelbestellungen stehen auf der lokalen Ebene ferner neue und standardisierte Beschaffungswege durch die Bestellung in Kontingenten und den Materialaustausch zwischen den einzelnen offenen Produktionswerkstätten zur Verfügung, was zu einem geringeren Aufwand für die einzelnen Produzenten und zu kürzeren Lieferketten innerhalb der Stadt führt. Einen Mehrwert bietet Open PPS als interdisziplinäres Modell grundsätzlich allen Akteuren, die ein lokales und kollaboratives Netzwerk für die urbane Produktion mit mehreren Partnern anstreben. Ein Beispiel hierfür sind die einzelnen Fab Cities, die mit ihren offenen Produktionswerkstätten ein solches Netzwerk verwirklichen wollen. Die Nutzer und Betreiber profitieren dabei von der Organisationsstruktur des Netzwerks und den klaren und standardisierten Abläufen. Die Kunden erhalten bedarfsorientiert hochgradig individualisierte Produkte und profitieren von einer zunehmenden Preisreduzierung durch das kontinuierliche Teilen von Fertigungsdaten im gesamten Netzwerk. Open PPS unterstützt damit den Fab City Ansatz in unternehmerischer Hinsicht durch die Professionalisierung der Produktion und in Hinblick auf die Forschung durch die Möglichkeit der individuellen Herstellung von Prototypen und Demonstratoren. Zudem können KMUs und große Unternehmen gleichermaßen von dem Modell profitieren. Damit leistet diese Forschungsarbeit einen wesentlichen Beitrag zur Produktionsplanung und steuerung in regionalen Netzwerken, wodurch zukünftig kurze Lieferketten und regionale Resilienz sichergestellt werden sollen. Für die Implementierung sind als nächste Schritte die Entwicklung des User Interfaces sowie die technische Entwicklung der Schnittstellen notwendig. Anschließend kann das Open PPS-Modell testweise implementiert werden. Weiteren Forschungsbedarf wird es dann hinsichtlich der Interaktionen mit dem Modell und der tatsächlichen Anwendbarkeit geben. Außerdem wird der Abgleich der im Rahmen der vorliegenden Arbeit im Kontext Hamburg erhobenen Anforde-rungen mit Anforderungen in anderen Fab Cities und Produktionsnetzwerken Aufschluss über die Anwendbarkeit der Open PPS in anderen urbanen Räumen liefern. Nicht zuletzt ermöglicht Open PPS neue Formen kollaborativer Wertschöpfung, weshalb die Entwicklung neuer Ge-schäftsmodelle ein eigenes Forschungsfeld bilden kann. Es liegt nun an den jeweiligen Netz-werk- und Fab City Akteuren, die Ergebnisse dieser Arbeit zu nutzen, um eine Produktionspla-nung und -steuerung für ihren städtischen Raum umzusetzen.

Bereits in den 80er-Jahren wurde deutlich, dass physische menschliche Arbeit auch mit beträchtlichem Aufwand nicht komplett durch Automatisierung zu ersetzten ist. Wenngleich sich die Fähigkeiten der Maschinen in den letzten dreißig Jahren deutlich erweitert haben und viele repetitive Tätigkeiten heute durch Maschinen ausgeführt werden, wird der Mensch als physisch agierende Arbeitskraft in vielen Bereich der Produktion weiterhin benötigt und kann sich nicht allein auf eine überwachende Rolle zurückziehen. Mit physischer Arbeit einher geht eine Belastung des Muskelskelettsystems, die insbesondere für Zwangshaltungen wie Tätigkeiten in und über Kopfhöhe mit dem Auftreten arbeitsbedingter Muskelskeletterkrankungen (wMSD) verbunden ist. Während dies in früherer Zeit toleriert wurde, steigt mit dem demographischen Wandel der Druck, die Risiken durch physische Belastung am Arbeitsplatz zu reduzieren. Gemäß Arbeitsschutzgesetz sind Arbeitgeber verpflichtet hierbei ursächlich vorzugehen und zunächst die Arbeitsplätze umzugestalten. Oftmals ist dies jedoch praktisch unmöglich oder wirtschaftlich nicht tragbar. Um auch in diesen Fällen die Belastung zu reduzieren, werden seit einigen Jahren Exoskelette mit dem Ziel getestet, die Belastung durch bspw. Zwangshaltungen zu reduzieren und physisch anstrengende Arbeit angenehmer zu gestalten. Bisher entwickelte Exoskelette für die Arbeitswelt sind in erster Linie passiv und daher nur bedingt auf die Tätigkeit abstimmbar. Aktuell bestehende aktive Exoskelette sind oftmals schwer und basieren technologisch auf Komponenten aus der industriellen Robotik. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher untersucht, welche Anforderungen für aktive Exoskelette zur Unterstützung des Hebens, Haltens und Tragens insbesondere im Bereich des Antriebs und der Steuerung zu berücksichtigen sind und wie diese beispielhaft für ein aktives Exoskelett zur Unterstützung von Tätigkeiten in und über Kopfhöhe umgesetzt werden können. Neben der aktiven Antriebs- und Steuerungstechnologie wurde auch eine morphologische Struktur des Exoskeletts entwickelt, um die Eigenschaften des aktiven Antriebs zu berücksichtigen. Dabei hat sich gezeigt, dass nah am Körper verlaufende Strukturen vorteilhaft sind, da diese sowohl bei Haupt- als auch bei Nebentätigkeiten weniger stören als ausladende nicht-anthropomorphe Kinematiken. Trotz körpernahem Verlauf der Struktur konnte diese so gestaltet werden, dass ein aktiver Antrieb je Seite ausreicht und die restlichen Freiheitsgrade freilaufend ohne Antrieb ausgeführt werden können. Als Antrieb hat sich für die Anwendung beim Heben, Halten und Tragen im Vergleich mit elektrischen Antrieben der pneumatische Antrieb als überlegen hinsichtlich Gewicht, Trägheit und autonomer Laufzeit herausgestellt. Dieser wurde daher für die praktische Umsetzung ausgewählt. Aufbauend auf Erkenntnissen der Kognitionspsychologie zur physischen Interaktion von Menschen wurde ein durch den Nutzer während der Tätigkeit beeinflussbares aktives Steuerungskonzept entwickelt und mit unterschiedlichen während der Aufgabe konstant unterstützenden passiven Modi verglichen. In qualitativen Untersuchungen mit 8 Probanden hat sich gezeigt, dass durch einen aktiven Unterstützungsmodus der wahrgenommene Widerstand beim Senken der Arme reduziert werden kann. In quantitativen Messungen der Muskelaktivität mittels Oberflächen-Elektromyographie (sEMG) konnte dieser Vorteil des aktiven Modus gegenüber dem passiven Modus bisher nicht durch eine verringerte Aktivität der zum Senken des Arms notwendigen Muskulatur bestätigt werden. Gleichsam zeigen sEMGMessungen eine Reduktion der Muskelaktivität im Bereich der Schulter und des Rückens und somit eine Entlastung dieser Bereiche an. Insgesamt konnte das Potenzial aktiver Exoskelette zur Unterstützung beim Heben, Halten und Tragen gegenüber passiven Exoskeletten bestätigt werden. Insbesondere bei hohen und wechselnden Lastgewichten sind aktive gegenüber passiven Exoskeletten vorteilhaft. Aus methodischer Sicht konnte zudem dargestellt werden, dass sich die im Rahmen der Entwicklung von Exoskeletten auftretenden Prozesse an Hand wiederkehrender Handlungsmuster strukturieren lassen. Durch Orientierung an diesen wiederkehrenden Handlungsmustern konnte die Entwicklung über verschiedene technische Domänen (Mechanik, Antriebstechnik und Software) methodisch angeglichen werden und ein Transfer von Funktionen zwischen den Domänen erleichtert werden. Neben dieser übergeordneten methodischen Ausrichtung wurde zudem demonstriert, welchen Beitrag eine ganzheitliche, an den Bedürfnissen der Nutzer ausgerichtete, Entwicklung von Exoskeletten und dabei insbesondere die Berücksichtigung von Erkenntnissen der Kognitionspsychologie und Biomechanik auf die Anforderungsklärung haben kann.

Einsatzbereitschaft und Verfügbarkeit sind Schlüsselelemente innerhalb des maritimen Sektors. Sie bestimmen den wirtschaftlichen Erfolg von Exportnationen, die auf den Schiffstransport angewiesen sind und den Erfolg einer maritimen, militärischen Operation. Schiffe sind zeitweise autarke Systeme. Innerhalb einer Versorgungsperiode, z. B. zwischen zwei Häfen, können Sie autark, unabhängig im Sinne von Versorgungs- und Verbrauchsgütern, handeln. Sollten jedoch innerhalb einer Periode Anlagen an Bord einen Defekt aufweisen, für die kein Ersatzteil mitgeführt wird, so ist die Autarkie gestört, da je nach Funktion der Anlage das Gesamtsystem Schiff eingeschränkt ist. Die Einsatzbereitschaft der Einheiten der Deutschen Marine hat innerhalb der letzten Jahrzehnte aus verschiedenen Gründen abgenommen. Dies ist unerwünscht aufgrund von logistischen Problemen wie die fehlende Verfügbarkeit und Obsoleszenz durch das Alter der Systeme und Anlagen in einem sich stetig weiter entwickelndem Umfeld. Dies führt dazu, dass Operationen abgebrochen oder umgeplant werden müssen. Durch den Ausbau von Geräten aus funktionierenden Einheiten aufgrund von Fehlbeständen wird die Einsatzbereitschaft weiter vermindert. Hierdurch steigen wiederum die Kosten für Instandhaltung und Betrieb der Schiffe. Durch die Integration Additiver Fertigung können diese Probleme in ihrer Schwere vermindert und die Resilienz gesteigert werden, sodass eine höhere Einsatzbereitschaft der Boote und Schiffe möglich ist. Hierzu wird ein Schema zur Strukturierung der Vielzahl von Additiven Fertigungsprozessen vorgestellt: Das Levelsystem der Additiven Fertigung. Dieses vereinfacht die Kommunikation von Experten und Personal an Bord sowie in den übergeordneten Behörden. Um den Einfluss Additiver Fertigung auf die Einsatzbereitschaft zu untersuchen, wurde eine diskrete Eventsimulation des logistischen Systems des 1.Korvettengeschwaders erstellt. Hierdurch ist es möglich, den Einfluss jedes einzelnen Levels sowie deren Kombination zu untersuchen. Von der Fertigung mit einfachen Anlagen an Bord Level 1 über die Nutzung von industriellen Systemen im Korvettengeschwader Level 2 zur Nutzung eines Additiven Fertigungszentrums in der Marine Level 3 bis zur zertifizierten Herstellung von hochbelasteten Bauteilen in der Industrie mit Level 4. Anschließend wurden die Erkenntnisse durch Experimente an Bord von Booten und Schiffen validiert. Zusätzlich wurde das Recycling von thermoplastischen Kunststoffen erforscht, mit dem Ziel, Ausgangsstoffe für die additive Fertigung zu gewinnen, um so eine weitere Autarkiesteigerung zu ermöglichen. Durch die Integration additiver Fertigungsanlagen innerhalb der Validierungsphase auf sechs Booten und Schiffen konnte die Einsatzbereitschaft erhöht werden. Unter den 153 Anwendungsfällen konnten allein im Versuchszeitraum 37 versorgungskritische Bauteile und Baugruppen identifiziert werden. Die Herstellung und Nutzung dieser entlasten das logistische System der Bundeswehr in dem Sinne, dass die Einsatzbereitschaft der Schiffe zeitweise gegeben ist. Die additiv gefertigten Bauteile dienen dabei als temporärer Ersatz, bis die Ersatzteile vom Hersteller durch das Beschaffungswesen logistisch versorgt werden können. Die Additive Fertigung ist daher kein Ersatz für das logistische System, sondern die logische Erweiterung des Funktionsumfanges und die Erhöhung der Kapazität. Die organisationsspezifische Implementierung auf allen Ebenen verlangt nach einer Integrationssystematik, anhand derer eine strukturangepasste Integration additiver Fertigungssysteme sowie integrierte Reverse Engineering Prozesse möglich ist. Diese wird in Zusammenarbeit mit dem Bedarfsträger Deutsche Marine im Rahmen dieser Arbeit erstellt.

Das Feld der additiven Fertigung hat in den vergangenen Jahren stark an Relevanz gewonnen. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei jenen Verfahren zu, welche die additive Herstellung metallischer Bauteile, üblicherweise im Schmelzverfahren, ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der additiven Fertigung kleiner metallischer Strukturen unter Nutzung galvanischer Depositionsmechanismen als alternativem Ansatz. Dabei hebt sich die Arbeit durch den vergrößerten Versuchsmaßstab und die folglich veränderte technische Umsetzung von vorangegangenen Arbeiten ab. Neben dem umfangreichen Stand der Technik und der Forschung der additiven Fertigung behandelt diese Arbeit ausführlich die im hiesigen Kontext relevanten Grundlagen der galvanischen Stoffabscheidung. Aus diesen wird der Lösungsansatz der lokalen Begrenzung der Stoffabscheidung mittels einer düsenartigen Vorrichtung abgeleitet. Randbedingungen, welche sich aus dem gewählten Lösungsansatz ergeben, werden dabei ebenfalls betrachtet sowie die resultierenden Effekte im Rahmen einer physikalischen Modellbildung postuliert. Ferner behandelt diese Arbeit die zur Validierung des Lösungsansatzes durchgeführten iterativen Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hierbei werden auch die gewonnenen Erkenntnisse zu möglichen Einfluss- bzw. Störfaktoren innerhalb der Versuche und die entwickelten Verbesserungen zu deren Behebung bzw. Kompensation erläutert. Ein besonderes Augenmerk dieser Arbeit liegt in diesem Zusammenhang auf der Darlegung der Notwendigkeit und der Umsetzung einer aktiven Prozessführung in Form einer Schichtdickenregelung. Schließlich werden die im Zuge der Versuche erzeugten metallischen Strukturen präsentiert und die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen hinsichtlich der getroffenen fertigungstechnischen Annahmen, der Oberflächencharakteristik und der Defektvolumen erläutert. Abschließend wird die Validität der entwickelten Fertigungstechnik an einem Demonstratorbauteil nachgewiesen.

Industrial exoskeletons are globally developed, explored, and increasingly implemented in industrial workplaces. Multiple technical, physical, and psychological aspects should be assessed prior to their daily application in various occupational environments. The methodology for evaluating these aspects is not standardised and differs in terms of focussed research objectives, used types of analyses, applied testing procedures, and use cases. The aim of this paper is to provide a matrix comparing the prevalence of different types of analyses combined with their respective research objective(s). A systematic review in the database 'Web of Science' identified 74 studies, mainly in laboratory settings, with a focus on short-term effects as well as with male-dominated samples being low representative for industrial workforces. The conducted evaluation methodologies are further discussed and compared in terms of testing procedure, sample, and research objectives. Finally, relevant aspects for prospectively evaluating industrial exoskeletons in a more harmonised and comprehensive way are suggested. Practitioner summary: Industrial exoskeletons are still inconsistently and insufficiently evaluated in scientific studies, which might hamper the comparability of systems, threaten the human health, and block an iterative system optimisation. Thus, a comprehensive evaluation methodology is needed with harmonised and multicriteria types of analyses.

In modern times, the collaboration between humans and machines increasingly rises, combining their respective benefits. The direct physical support causes interaction forces in human-machine interfaces, whereas their form determines both the effectiveness and comfort of the collaboration. However, their correct detection requires various sensor characteristics and remains challenging. Thus, this paper presents a developed low-cost sensor pad working with a silicone capsule and a piezoresistive pressure sensor. Its measurement accuracy is validated in both an isolated testing environment and a laboratory study with four test subjects (gender-balanced), and an application integrated in interfaces of an active upper-body exoskeleton. In the material-testing machine, it becomes apparent that the sensor pad generally features the capability of reliably determining normal forces on its surface until a certain threshold. This is also proven in the real application, where the measurement data of three sensor pads spatially embedded in the exoskeletal interface are compared to the data of an installed multi-axis load cell and a high-resolution flexible pressure map. Here, the consideration of three sensor pads potentially enables detection of exoskeletal support on the upper arm as well as "poor" fit conditions such as uneven pressure distributions that recommend immediate system adjustments for ergonomic improvements.