Systemdenken für die neue Fabrik an der Technischen ...

29.08.2016 Seite 1

Systemdenken für die neue Fabrik an der Technischen Universität Ilmenau?

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

Fachgebiet FabrikbetriebFachgebiet FertigungstechnikFakultät MaschinenbauTechnische Universität Ilmenau

Technische Universität IlmenauFachgebiet Fertigungstechnik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J.P. Bergmannwww.tu-ilmenau.de/fertigungstechnik/

© Ch. Mentzel

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2 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/

Technische Universität IlmenauFakultäten und Studienmöglichkeiten

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Elektrotechnik und In-formationstechnik (EI)

Informatik und Automatisierung (IA)

Maschinenbau (MB)

Mathematik und Natur-wissenschaften (MN)

Wirtschaftswissen-schaften und Medien

(WM)

Technische Universität Ilmenau

TU Ilmenau – Fakultäten

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TU Ilmenau – Einige Zahlen

Anzahl Studierende 6.700

Anteil Studierender aus dem Ausland (stark wachsend) 15%

Anzahl Professuren 100

Anzahl wissenschaftliches Personal Grundausstattung 300

Anzahl wissenschaftliches Personal Drittmittel 500

Anzahl technisches und Verwaltungspersonal 580

Budget Grundausstattung/Jahr 70 Mio €

Drittmittelaufkommen/Jahr 45 Mio €

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TU Ilmenau – Für ihre Größe äußerst forschungsstark!

[Forschung und Lehre 01/2015]

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1894 Thüringisches Technikum für Maschinenwesen und Elektrotechnik

1926 Ingenieurschule Ilmenau mit den Studien-gängen Maschinenbau und Elektrotechnik

1953 Hochschule für Elektrotechnik

1955 Fakultät für Feinmechanik und Optik (weltweit die erste Fakultät mit diesem Profil) – Vorläufer der heutigen Fakultät für Maschinenbau

1963 Technische Hochschule Ilmenau

1968 Aus der Fakultät für Feinmechanik und Optik entsteht die Sektion Konstruktion und Technologie der Elektronik und Feingerätetechnik

1972 Umbenennung in Sektion Gerätetechnik;sie war eine der sieben Sektionen der TH Ilmenau.

1990 Sektion Gerätetechnik wird Fakultät für Maschinenbau mit einem Schwerpunkt Feinwerktechnik

1992 Technische Universität Ilmenau mit fünf Fakultäten

Fakultät für Maschinenbau – Historie

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60 Jahre Fakultätfür Maschinenbau

am 04.11.2015!

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Fakultät für Maschinenbau – Einige Zahlen (2015)

Anzahl Studierende 1.200

Eingeschriebene Doktoranden 160

Anzahl Professuren:

Haushaltsfinanziert 19

Apl. Professur 1

Stiftungsprofessuren, Stiftungs-Juniorprofessur 5

Anzahl wissenschaftliches Personal Grundausstattung 50

Anzahl technisches und Verwaltungspersonal Grundausstattung 70

Anzahl Personal Drittmittel 120

Budget Grundausstattung/Jahr 8 Mio €

Drittmittelaufkommen/Jahr > 15 Mio €

Σ 25

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Prozesse, Maschinen, Ausrüstungen, Geräte,

intelligente Komponentenund Werkstoffe

für Maschinenbau,Präzisionstechnik,Fahrzeugtechnik

Fakultät für Maschinenbau – Wissenschaftsprofilund Fachgebiete (01.10.2015)

Konstruktion• Maschinenelemente• Konstruktionstechnik• Feinwerktechnik/

Precision Engineering

Prozessmess- undSensortechnik• Prozessmesstechnik• Fertigungs- und

Präzisionsmesstechnik

Produktionstechnik• Fertigungstechnik• Fabrikbetrieb• Arbeitswissenschaft• Qualitätssicherung und

Industrielle Bildverarb.• Kunststofftechnik

Thermo- u. Fluiddynamik• Techn. Thermodynamik• Strömungsmechanik• Aerodynamik

Mechanik u. Mechatronik• Technische Mechanik• Mechanismentechnik• Mechatronik• Rechneranwendung

im Maschinenbau• Mikromechan. Systeme• Biomechatronik

Technische Optikund Lichttechnik • Technische Optik• Lichttechnik• Optik-Design, Modellier./

Simulation opt. Systeme

Fahrzeugtechnik • Kraftfahrzeugtechnik• Energieeffiziente

Fahrzeugantriebe

Werkstofftechnik• Anorganisch-nichtmetall.

Werkstoffe• Metallische Werkstoffe

und Verbundwerkstoffe* Stiftungsprofessuren

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Pressschweißen- Diffusionsschweißen - Reibbasierte Fügeverfahren- Ultraschallschweißen

Lasermaterialbearbeitung- Laserstrahlschweißen - Laserstrahlschneiden- Laseroberflächenmodifikation

Lichtbogentechnik- Schweißen- Auftragschweißen- Verwandte Verfahren

Zerspanung- Drehen- Fräsen- Mikrobearbeitung



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Additive Manufacturing- 3D Druck- Lichtbogenbasierte Verfahren

Fachgebiet Fertigungstechnik

Standort: Newtonbau

Gruppe16 Wissenschaftler6 technische Mitarbeiter1 Verwaltungsangestellte

Einrichtung eines Schwerpunktes in 2015

Thüringer Zentrum für MaschinenbauThüringer Zentrum für Maschinenbau

29.08.2016Seite 13Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnikund Entwicklung Schmalkalden e.V.

Günter-Köhler-Institutfür Fügetechnik und Werkstoffprüfung

Wissenschaftseinrichtungen

Thüringer Zentrum für MaschinenbauThüringer Zentrum für Maschinenbau

29.08.2016Seite 14Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

Welche Rolle spielen Produktionstechnik und Werkstoffe in diesem Kontext und Umfeld?

Prozesse und Verfahren sind Bausteine der Produktion und haben den direkten Bezug zu den Werkstoffen und zu neuen Werkstoffen

Über die Bestrebungen in Industrie 4.0 lassen sich weitere Chancen und Potenziale für effiziente Produktionsverfahren ableiten

Der Übergang von einer ereignisorientierten Überwachung/Regelung zu einer prospektiven Regelung/Überwachung soll/muss geschaffen werden



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Megatrend: Globalisierung, Urbanisierung und demographischer Wandel

Erhaltung der Konkurrenzfähigkeit

2015

2030

- Automatisierung

- Modularisierung Fertigungszelle

- Vernetzung/Bündelung von

Forschungsressourcen

Carstens, P.; FAZ [7]



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Was ist der Grundgedanke und welche Rahmenbedingungen liegen vor?

In einer Fabrik erfolgt die Wertschöpfung in dem aus Rohstoffen oder Halbzeugen mittels Maschinen, unter Arbeitsteilung und nach einem Organisationsprinzip Halb- oder Fertigfabrikate erzeugt werden.

- Massenproduktion Einzelfabrikate zur Befriedigungeinzelner Kundenwünsche

- Hohe Qualität

- kurze Lieferzeiten bei kürzer werdenden Produktlebenszyklen

- umwelt- und menschenverträgliche Produktion

- regionaler globaler Markt (aber „vor Ort Produktion“)



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Reagieren wir zur Zeit? oder müssen wir „lediglich“ die unterschiedlichen Disziplinen in einem neueren Kontext bewerten und entwickeln?

Verstärkung der Interdisziplinarität



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Feststellung

- Die Entwicklung von Sensorik und Messtechniken verknüpft mit der Möglichkeit, Daten auch in größeren Mengen zu verarbeiten und ortsungebunden zur Verfügung zu stellen eröffnet eine völlig neue Sichtweise des Systems Fabrik!

Echtzeit Anpassung in Produktionsprozessen Übergabeinformationen Auswertung und Abgleich von Modellen… Veränderung Arbeitsnehmer/Arbeitgeber Verhältnis

Reagieren wir zur Zeit? oder müssen wir „lediglich“ die unterschiedlichen Disziplinen in einem neueren Kontext bewerten und entwickeln?



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Wo liegt der Kern in der Produktion und in der Fabrik?…und wie entwickelt sich dann ein Systemgedanken?

Produktidee und die Frage nach der Herstellbarkeit

Produktentwicklung Produktion-/Fertigungstechnik

Frühzeitige Möglichkeit, im Entwicklungsprozess die Darstellung „fassbar“ zu machen

Frühzeitige Möglichkeit, die Umsetzbarkeit und insbesondere die beeinflussenden Bedingungen einzugrenzen

Ungeachtet davon steht die Herausforderung, dass Unternehmen „verdienen müssen“!



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Auftragsgesteuerte Produktion

„Die heute vergleichsweise starren, individuell ausgehandeltenBeziehungen von Unternehmen entlang der Wertschöpfungsketteverwandeln sich in ein stark fragmentiertes, dynamisches und sichteilweise je Auftrag änderndes Wertschöpfungsnetzwerk. Dies gilt sowohlhorizontal über den Herstellungsprozess als auch vertikal bezüglich derFertigungstiefe.“

„selbstständige Einbindung von externen Fabriken in den Produktionsablauf“

Lieferzeit!



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Wandlungsfähige Fabrik

„Das Anwendungsszenario der wandlungsfähigen Fabrik beschreibt den schnellen und unter Umständen auch weitgehend automatisierten Umbau einer Fertigung, sowohl im Hinblick auf geänderte Fertigungskapazitäten als auch auf geänderte Fertigungsfähigkeiten. Zentrales Konzept zur Umsetzung ist ein modularer und somit wandlungsfähiger Aufbau der Herstellung innerhalb einer Fabrik.“



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„LEGO in production sites, a new organisation challenge“

Wandlungsfähige Fabrik



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Warum?Auf Grund der kürzeren Zyklenzeiten und der Volatilität der Märkte ergeben sich Schwankungen…

Spath, D.; Ganschar, O.; Gerlach, S.; Hämmerle, M.; Krause, T.; Schlund, S.: Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0. Fraunhofer Verlag, (2013)



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Was sind oder können die Folge hier sein?

Standardisierung in der Entwicklung und in der Produktion geht im Bezug auf Bauweisen vollkommen verloren,

Die Variantenvielfalt nimmt zu, bis hin zur Losgröße 1, d.h. dass die Anzahl der benötigten Bauteile zwar gleich bleiben kann, jedoch die Losgrößen abnehmen. Beispiele hierzu erleben wir im Alltag.

Herausforderung aber auch Fluch für den Ingenieur!

Wie lässt sich die Losgröße 1 bei einem erhöhten Automatisierungsgrad überhaupt realisieren?

Wie können Werkzeuge aber auch insgesamt Investitionen in dieser Hinsicht getätigt werden?

Wie hoch ist das Risiko auch oder insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen?



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www.thueringen.info

Müssen wir uns von der klassischen Wertschöpfungskette mit klarer Trennung der Aufgaben verabschieden, insbesondere in der Wechselwirkung Kunde/Lieferanten/Fertigung?

Konzept der Fabrik: Ort der Wertschöpfung in dem aus Rohstoffen oder Halbzeugen mittels Maschinen, unter Arbeitsteilung und nach einem Organisationsprinzip Halb- oder Fertigfabrikate erzeugt werden.

Willkürlicher Pfad

Vernetzung

www.schulbilder.org

MobilitätGeschäftsmodelle

…

Kann es ein Modell sein? Welche Voraussetzungen?



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..oder so?



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Geschäftsmodell

In beiden Fällen kann von einem veränderten Geschäftsmodell gesprochen werden, in dem Liefer- und Wertschöpfungsketten im Sinne einer Kooperation und Kollaboration umgesetzt werden und die produkt- und/oder auftragsbezogen zusammengeführt werden.

Das kann unterschiedliche Ebene und Reifegrade aufweisen:

- Internetbasierte Verfügbarkeit von Ressourcen (Maschinen, Materialien), die somit gebucht und ausgetauscht werden können

- digitalbasierter Austausch von Köpfen und Entwicklungskapazitäten, um auch komplexe Aufträge oder Arbeiten annehmen zu können.



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Technologie bzw. technologischer Grundprozess

Technologischer Prozess in der Produktion

- Strukturierte Kenntnisse der Wechselwirkungen- In-line Prüfung- Übergang von Prozessüberwachung zu Prozessregelung

auch in komplexen Systemen- Merkmale und Datenübertragung

Reproduzierbarkeit

Geringe Ausschussrate

Toleranz

Ressourcen/Energie

Emissionen



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Dauer: 30-80 minG4Si1Wandstärke Rohr: 4 mmWandstärke Ring: 5 mmDurchmesser Rohr: 100 mmDurchmesser Ring: 152 mm



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CAD-CAM Übersetzung und Slicen

Roboterbahngenerierung

Ding et al., (2015), Int. Journal of advanced manufacturing technologies

Verz

ug/S

pann

unge

n

Gef

üge/

Mik

rost

rukt

ur




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Trichter Eingang nach Stückzahl und Lieferzeit

Verfügbarkeit Anlagen und Halbzeuge

HR1: Zerspanung HR2: Schweißen HR3: Additives Fertigen

Bulk Material, Blech, Profile, Rohre Draht, Pulver

Bauteil bzw. BaugruppenBauteil bzw. BaugruppenBauteil bzw. Baugruppen

Schutzgas, Umgebungsbedingungen

Wärmebehandlung

Morphologischer Baukasten zur Entscheidung Herstellmöglichkeiten

Herstelldaten an Plattform Bauteilinformationen und vernetzte Bearbeitung

z.B. Gradierung im Bauteil, Härte etc.

z.B.

Zei

ten,

Wer

kzeu

ge, P

roze

sspa

ram

eter




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Einfluss haben diese Vorgänge auch auf die Nachbearbeitung, die es entlang der Wertschöpfungskette gibt und geben wird

Additiv hergestelltes Bauteil/Halbzeug

Wärmebehandlung

Zerspanen

Montage/Fügen

Welche Daten bzw. welche Kenngrößen sollen weitergegeben werden?

f

t

T

t

?

In Anlehnung an Isaev et al., (2016)Procedia CIRP




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Technologie bzw. technologischer GrundprozessAdditive Fertigung

Einflüsse auf:

- Intralogistik- Fertigungssteuerung- Produktentwicklung- Produktlebenszyklus- Fälschungssicherheit

[Fachgebiet Fabrikbetrieb]



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Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)

Quelle: Berghof Group



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Überlagerung eines Scheibenlasers mit einem Diodenlaser

Versuch 1PScheibe = 4 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps

Versuch 2PScheibe = 4 kWPDiode = 1 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps

Versuch 3PScheibe = 4 kWPDiode = 2 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps




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Technologie bzw. technologischer GrundprozessLaserstrahlformung- Abbildung des Laserstrahles kann in Abhängigkeit der Aufgaben und der

Emissionen aus dem bearbeiteten Bereich ausgelegt oder durch Aktorikangepasst werden

[1] Bryngdahl, O.: Optical Map Transformation; Opt. Comm. 10 (1974) [2] Streibl, N.: Beam Shaping with Optical Array Generators; J. Mod. Opt. 26 (1989)[3] Sinzinger, S., Jahns, J.: Microoptics, 2nd Edition, Weinheim: Wiley-VCH (2003)[4] Sinzinger, S., Kleindienst, R.: Microoptics and Freeform Optical Beam Shaping”, Landoldt-Börnstein, New Series Vol. III/1, Laser Physics and Applications, Springer-Verlag (2010)

Transform[1] Split[2] Diffuse[3]Multiplexing[4]

100µm

FG Fertigungstechnik, FG Technische Optik



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Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)



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Smarte Produktentwicklung (SP2) und Innovative Produktentwicklung (IPE)



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Auf einem ersten Blick…

Informationsfluss

Produkt-entwicklung, VR

Fertigungs-technologien

Maschinen- und Anlagen

Informationsfluss Informationsfluss

Modelle zur Abbildung der Prozesse Einbindung in übergeordnete Systeme

Mess- und Sensortechnik



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Auf einem ersten Blick…

Produkt-entwicklung, VR

Fertigungs-technologien und

Sensorik

Maschinen- und Anlagen

Informationsfluss Informationsfluss

InformationsflussE

chtz

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lnde

Pro

dukt

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plan

ung

Datenaufbereitung, Datensicherheit

Netzwerke, Datenaustausch

Um

gang

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Was bietet die TU Ilmenau …und das ThZM

Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke

Durchgängigkeit des Engineerings über die gesamte Wertschöpfungskette

Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme

Neue soziale Infrastrukturen der Arbeit

Technologie Cyber-Physical-Systems

Systemgetriebener Gedanke in den wissenschaftlichen Arbeiten als Grundlage für die Umsetzung neuer Modelle in der Fabrik

nach Acatec

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