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Die steigende Nachfrage nach individuell gefertigten Produkten führt zu einer wachsenden Varianten-vielfalt und damit einhergehend zu einer Verringerung der zu fertigenden Losgrößen. Insbesondere die Produktion von Multi-Material-Bauteilen stellt die Industrie vor Herausforderungen, aufgrund der belast-baren Verbindung zwischen artfremden Materialien sowie die zugleich kostengünstige und varianten-flexible Fertigung von kleinen Losgrößen. Das Ziel des Verbundprojektes ist daher die Umsetzung und exemplarische Validierung einer industriell skalierbaren, robotergestützten Prozesskette zur Herstel-lung von Metall-Kunststoff-Bauteilen. Für die Erreichung des Ziels wurden innerhalb des Projektes ver-schiedene Roboterendeffektoren und entsprechende Bahnplanungsansätze entwickelt. Darüber hin-aus standen die Prozessentwicklung der roboterbasierten Fertigung und die experimentelle Erprobung der entwickelten Prozesse im Vordergrund. Auf Basis der Endeffektoren für die metallseitige Oberflächenstrukturierung und dem endkonturnahen Kunststoff-3D-Druck konnte gezeigt werden, dass die in Aluminium eingebrachten Oberflächenstruktu-ren eine zuverlässige Verbindung zwischen Metall und Kunststoff ermöglichen. Für den innerhalb der Prozesskette anschließenden Fräsprozess wurde eine adaptive Spanerfassung entwickelt, welche die Späne prozessnah erfasst und einen Spanerfassungsgrad von bis zu 95% erreicht. Der Fräsprozess wird dabei über die Erfassung der Spindelleistung geregelt, sodass verschiedene Materialien mit zuge-hörigen Parametern (Vorschub, Spindeldrehzahl) bearbeitet werden können. Für die exemplarische Validierung der Prozesskette wurde anhand eines Erlanger Trägers (einer weit-verbreiteten Testgeometrie aus dem Bereich der Automobilindustrie) ein Demonstrator gefertigt sowie eine Machbarkeitsstudie an einem Rahmen einer Kniegelenksprothese (Ottobock) begonnen. Hierzu sind Aluminiumgrundkörper erarbeitet worden, auf welchen automatisiert Strukturen zur Verklamme-rung des aufgedruckten Kunststoffs aufgebracht werden konnten. Abschließend wurde das Metall-Kunststoff-Bauteil spanend in seiner Endkontur definiert. Es ist davon auszugehen, dass die industrielle Anwendung der im Forschungsprojekt untersuchten skalierbaren, robotergestützten Prozesskette die Produktion von individuell gefertigten Bauteilen in kleinen und mittleren Stückzahlen nachhaltig verändern wird.

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Vakuumbasierte Handhabung wird in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsbereiche eingesetzt, beispielsweise zur roboterbasierten Handhabung von Karosserieblechen in Presswerken oder zur Handhabung von Versandkartons in der Intralogistik. Aufgrund der verlustbehafteten Energiewandlungskette in der vakuumbasierten Handhabung ist der wirtschaftliche Umgang mit der Druckluft von hoher Priorität. Eine Herausforderung hierbei liegt in der Vielzahl von Unsicherheiten und äußeren Störeinflüssen. Industriell etablierte Auslegungsansätze begegnen diesen Einflüssen mit der Überdimensionierung mittels Sicherheitsfaktoren, beispielsweise durch die Bereitstellung einer erhöhten Haltekraft. Dies steht einer wirtschaftlichen Druckluftnutzung für die vakuumbasierte Handhabung jedoch entgegen. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die Haltekraft des Greifsystems mit dem Ziel einer hohen Prozesssicherheit und eines geringen Druckluftverbrauchs angemessen zu dimensionieren. Der methodische Kern der vorliegenden Dissertation liegt daher in der modellbasierten Greifsystemauslegung, mit Fokus auf der Blechhandhabung. Im Einzelnen wurden Methoden zur Greifpunktoptimierung und Greifsystemdimensionierung erarbeitet. Das Ziel der Greifpunktoptimierung ist, die an den einzelnen Greifpunkten erreichbare Haltekraft zu maximieren. Auf Basis einer vorgegebenen Robotertrajektorie wird anschließend überprüft, ob die Haltekraft ausreichend für einen stabilen Handhabungsprozess (ohne Bauteilverlust) ist. Im Rahmen der Greifsystemdimensionierung werden abschließend Saugeranzahl und -baugröße sowie die Regelparameter des Vakuumejektors dimensioniert, um den Energieaufwand zur Bereitstellung der erforderlichen Haltekraft zu minimieren. Als Kern dieser Auslegungsmethoden wurden im Rahmen dieser Dissertation drei Vorhersagemodelle erarbeitet. Das methodische Vorgehen für die Modellbildung basiert auf der Abstraktion von konkreten industrielle Bauteilen zu repräsentativen Prüfobjekten mit primitiven Oberflächengeometrien, sowie der Abstraktion industrieller Pick and Place Bewegungen auf die wesentlichen Lastfälle am Greifer-Objekt-Interface (Normal- und Querbelastung, wobei in dieser Arbeit ausschließlich die Normalbelastung betrachtet wurde). Auf Grundlage dieser Abstraktionsschritte wurde eine experimentelle Prüfmethode entwickelt, mit der die Versuchsdaten zur Parametrierung der Vorhersagemodelle aufgenommen wurden. Das methodische Vorgehen der Modellbildung lässt sich auf beliebige weitere Sauger-Objekt-Paarungen übertragen und somit eine breite Anwendbarkeit ermöglichen. Als Gegenentwurf zur Modellierung physikalischer Wirkzusammenhänge an der Sauger-Objekt-Grenzfläche für die Greifsystemauslegung wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Prozessauslegungsmethode basierend auf Maschinellem Lernen erarbeitet und anhand des Beispiels der Kartonhandhabung experimentell untersucht. Basierend auf dem Deep Q-Learning, einer modellfreien Methode des Reinforcement Learning, wurde ein selbstständig lernendes Software-Agentensystem implementiert. Es wurde gezeigt, dass dieses System nach wenigen Hundert Versuchsiterationen in der Lage dazu ist, den Versorgungsdruck des Vakuumejektors so einzustellen, dass der Druckluftverbrauch um bis zu 70% reduziert werden konnte. Die Effizienzsteigerung in der vakuumbasierten Handhabung erfordert allgemein anwendbare und effiziente Auslegungsmethoden mit dem Ziel der Minimierung des Druckluftbedarfs. Die erarbeiteten modellbasierten und modellfreien Methoden liefern für die informierte Auslegung von vakuumbasierten Greifsystemen und den zugehörigen Prozessparametern einen wesentlichen Beitrag., Vacuum-based handling is used in a variety of different applications, for example for robot-based handling of car body panels in press shops or for handling shipping cartons in intralogistics. Due to the lossy energy conversion chain in vacuum-based handling, the economical use of compressed air is a high priority. One challenge here is the multitude of uncertainties and external disturbances. Industrially established design approaches counter these influences with oversizing using safety factors, for example by providing an increased holding force. However, this stands in the way of economical use of compressed air for vacuum-based handling. A central challenge is to appropriately dimension the holding force of the gripping system with the goal of high process reliability and low compressed air consumption. The methodological core of this dissertation therefore lies in model-based gripping system design with a focus on sheet metal handling. In detail, methods for gripping point optimization and gripping system dimensioning were developed. The goal of gripping point optimization is to maximize the holding force achievable at each gripping point. Based on a given robot trajectory, it is then evaluated if the holding force is sufficient for a stable handling process (without losing the grasp object). Finally, as part of the gripping system dimensioning, the number and size of the suction cups and the control parameters of the vacuum ejector are dimensioned in order to minimize the energy required to provide the necessary holding force. As the core of these design methods, three prediction models were developed within the scope of this dissertation. The methodological approach for model building is based on the abstraction of concrete industrial components to representative test objects with primitive surface geometries, as well as the abstraction of industrial pick and place movements to the essential load cases at the gripper-object interface (normal and transversal load, whereas in this thesis only the normal load was considered). Based on these abstraction steps, an experimental test method was developed to record the test data for parameterization of the prediction models. The methodological approach to model building can be applied to any other gripper-object pairings, thus enabling broad applicability. As an alternative to the modeling of physical cause-effect relationships at the gripper-object interface for gripping system design, a process design method based on machine learning was developed in the present work and experimentally investigated using the example of carton handling. Based on Deep Q-Learning, a model-free reinforcement learning method, a self-learning software agent system was implemented. It was shown that after a few hundred test iterations, this system is capable of variably adjusting the supply pressure of the vacuum ejector over time in such a way that compressed air consumption can be reduced by up to 70%. Increasing efficiency in vacuum-based handling requires generally applicable and efficient design methods with the goal of minimizing compressed air consumption. The developed model-based and model-free methods provide a significant contribution for the informed design of vacuum-based gripping systems and the associated process parameters.

Hybridlaminate aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metall bieten aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeiten der Werkstoffe, in Kombination mit dem lageweisen Aufbau eines Laminats ein großes Potential für die Variation der Federsteifigkeit von Blattfedern. Die Herausforderung bei der Entwicklung einer Blattfeder, basierend auf einem Hybridlaminat, liegt in der Vorauslegung des variierenden Lagenaufbaus aus FVK und Metall. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines empirischen Prognosemodells zur gezielten Variation der Federsteifigkeit von Hybridlaminaten durch den Lagenaufbau. Der Lösungsweg zu diesem Ziel zeigt die systematische Herleitung des empirischen Prognosemodells auf. Für die Herleitung dieses Prognosemodells werden die signifikanten Einflussparameter und Wechselwirkungseffekte zwischen dem Lagenaufbau und den fertigungsbedingten Einflussgrößen aus dem Herstellungsverfahren bestimmt. Weitere Teilschritte zur Zielerreichung dieser Arbeit behandeln die Ausarbeitung einer angepassten Fertigungsstrategie zur Herstellung von Hybridlaminaten im Vakuuminfusionsverfahren und die Reduzierung des Versuchsumfangs für die Ermittlung der Messdaten für das empirische Prognosemodell. Im letzten Schritt wird die Validierung des Prognosemodells an einem praxisnahen Fallbeispiel durchgeführt. Für die Validierung werden numerische Modelle auf Grundlage eines dreidimensionalen Modellierungsansatzes aufgebaut und hinsichtlich ihrer Prognosegüte mit dem empirischen Prognosemodell verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die erfolgreiche Prognose der Federsteifigkeit von hybriden Blattfedern durch das empirische Modell. Die resultierenden Abweichungen zwischen der prognostizierten und der gemessenen Federsteifigkeit der Hybridlaminate liegt dabei unter 10 %. Weiterhin ist ein neues methodisches Vorgehen zur Kodierung von Versuchsplänen für Hybridlaminate aufgezeigt und eine neue Methode zur Reduzierung des Versuchsumfangs um 65 % erarbeitet worden., Hybrid laminates consisting of fibre-reinforced plastic (FRP) and metal have a great potential for varying the spring stiffness of leaf springs due to the different stiffnesses of materials in combination with the layer structure of a laminate. The main challenge in the development of a leaf spring based on a hybrid laminate is to anticipate the varying layer structure of FRP and metal. The aim of this work is the development of an empirical prognosis model for a specific variation of the spring stiffness of hybrid laminates through the layer structure. The approach is to achieve this goal by systematically deriving an empirical prognosis model. For the derivation of this prognosis model, the significant influencing parameters and interaction effects between the layer structure and the production-related influencing factors from the manufacturing process are determined. Further steps to achieve the objective of this work include the development of an adapted manufacturing strategy for the production of hybrid laminates in the vacuum infusion process and the reduction of the scope of experiments for the determination of the measurement data used in the prognosis model. In a final step, the validation of the prognosis model is carried out by means of a practical case study. For the validation, numerical models are built based on a three-dimensional modelling approach and compared with the empirical prognosis model with regard to their prognosis quality. The results of this work show the successful prognosis of the spring stiffness of hybrid leaf springs by the empirical model. The resulting deviations between the predicted and the measured spring stiffness of the hybrid laminates are less than 10 %. Furthermore, a new methodical procedure for the coding of experimental designs of hybrid laminates has been demonstrated and a new method for reducing the scope of experiments by 65 % has been developed., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2022

Steigende Kundenanforderungen führen zu einer zunehmend vielseitigen Produktgestaltung. Die einzelnen Produktbauteile müssen diesen ständig wachsenden Anforderungen gerecht werden und gewinnen daher an Komplexität. Der Einsatz multimaterieller Bauteile, die beispielsweise aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen, verspricht, hohe mechanische Anforderungen bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion zu erfüllen. Ein solcher multimaterieller Aufbau führt jedoch zu steigenden Material- und Produktionskosten, weshalb der Vermeidung von Ausschuss eine hohe Bedeutung zukommt. Damit ist der vermehrte Einsatz von zerstörungsfreien und produktionsbegleitenden Prüfverfahren zur Sicherung der Bauteilqualität erforderlich. Mit der Luftultraschalluntersuchung in Transmission hat sich in den letzten Jahren ein zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt, das in der industriellen Anwendung zunehmend zur Prüfung von multimateriellen Bauteilen mit geometrisch komplexer Formgebung eingesetzt wird. Die Prüfköpfe arbeiten kontaktlos und der Auftrag eines Koppelmediums entfällt. Das Messsignal der Luftultraschalluntersuchung in Transmission weist jedoch starke Abhängigkeiten von der Bauteilgeometrie, den Materialparametern und eventuell auftretenden Fehlerstellen auf. Die Beeinflussung des Messsignals durch die Bauteilgeometrie und die Materialparameter kann über den Einbezug von Konstruktions- und Simulationsdaten prognostiziert und kompensiert werden, sodass dadurch tatsächliche Fehlerstellen durch die Veränderung des Messsignals eindeutig identifizierbar werden. Der Grad der Messsignalbeeinflussung durch die Bauteilgeometrie und die Materialparameter ist für multimaterielle Bauteile jedoch nur aufwendig zu ermitteln und insbesondere für faserverstärkte Kunststoffe bislang nicht bekannt. Deshalb ist die Luftultraschalluntersuchung zur produktionsbegleitenden Qualitätssicherung bislang nicht mit ausreichender Güte einsetzbar. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, durch einen mathematischen Ansatz das Messsignal anhand der gegebenen Bauteilgeometrie und Materialparameter zu prognostizieren. Die Schaffung eines systemischen Verständnisses für das Prüfverfahren an sich sowie für die Wechselwirkungen und Phänomene im Bauteil während der Prüfung trägt wesentlich zur Zielerreichung bei. Dazu werden fehlerfreie Prüfkörper mit variierten Geometrien und Materialparametern aufgebaut und analysiert. Die aus experimentellen Messungen erhaltenen Ergebnisse validieren den in dieser Arbeit entwickelten mathematischen Ansatz. Es wird gezeigt, dass veränderte geometrische Ausprägungen sowie Variationen in den Materialparametern von faserverstärkten Kunststoffen mithilfe des mathematischen Ansatzes abgebildet werden können., Rising customer requirements lead to an increasingly varied product design. The individual components must meet the constantly growing requirements and are therefore becoming increasingly complex. The use of multi-material components, for example made of fiber-reinforced plastics, promises to meet high mechanical requirements while keeping weight down. However, the multi-material structure leads to increasing material and production costs, which is why the prevention of rejects is of major importance. This development demands an increased use of non-destructive and in-process testing methods to ensure component quality. With the air ultrasound examination in transmission, a non-destructive testing method has developed in the past years, which is increasingly used in industrial applications for testing multi-material components with geometrically complex shapes. The probes operate without contact and the application of a coupling medium is not necessary. The measuring signal of the air ultrasonic examination in transmission shows strong dependencies on the component geometry, the material parameters and occurring defects. The influence of the component geometry and the material parameters on the measurement signal can be predicted and compensated for by including design and simulation data, so that actual defects can be clearly identified by the change in the measurement signal. However, the degree of influence of the measurement signal by the component geometry and the material parameters is difficult to determine for multi-material components and, in particular, is not yet known for fiber-reinforced plastics, which is why air ultrasonic examination cannot yet be used with sufficient quality for in-process quality assurance. Against this background, the present work aims to use a mathematical approach to predict the measurement signal based on the given component geometry and material parameters. The creation of a systemic understanding for the test procedure itself as well as the interactions and phenomena in the component during the test contribute significantly to the achievement of the objective. For this purpose, defect-free test specimens with varied geometries and material parameters are built and analyzed. The results obtained from experimental measurements validate the mathematical approach developed in this thesis. It is shown that modified geometric specifications as well as variations in the material parameters of fiber-reinforced plastics can be reproduced using the mathematical approach., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2022

Hybride Materialkombinationen ermöglichen die synergetische Nutzung unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil. Je nach Anwendungsfall kann eine signifikante Reduzierung der Bauteilmasse, die Steigerung der strukturmechanischen Bauteileigenschaften und/oder die Erhöhung der Bauteilfunktionalität erreicht werden. Die Gewährleistung der Kräfteüberleitung im Kopplungsbereich bei Metall-Faser-Kunststoff Verbundstrukturen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verklammerung zur formschlüssigen Verbindung von Metall-Faser-Kunststoff Verbundstrukturen. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, hybride Bauteile nach dem Prinzip des In-Mould Assembly (IMA) bei gleichzeitigem Verzicht von zusätzlichen Hilfsstoffen oder -elementen herzustellen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erzeugung einer räumlichen Verklammerungsstruktur auf der metallischen Seite, die eine Materialverklammerung mit der Kunststoffmatrix und/oder dem Fasermaterial ermöglicht. Das hier entwickelte Verfahren zur Strukturerzeugung wurde aus der Theorie zur Fließspanbildung abgeleitet. Es beruht auf der Entstehung einer Spanwurzel, welche nicht vom Grundwerkstoff abgetrennt wird. Für diesen Prozess galt es entsprechende Werkzeuge und die relevanten Prozessparameter zu identifizieren. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen sind von numerischen Methoden gestützt worden. Als Ergebnis liegen für unterschiedliche Werkstoffe und Prozessparameter Strukturkataloge vor, die anhand von geometrischen Merkmalen hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Materialverklammerung charakterisiert wurden. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zur Strukturerzeugung folgte die Bewertung der Materialverklammerung im hybriden Verbund. Die Probenherstellung fand im Hybrid-Spritzguss statt, die Analyse der Verbundfestigkeit durch unterschiedliche Kopf- und Scherzugproben. Im Fokus stand die Bewertung der Strukturausprägung, der Einfluss unterschiedlicher Lastrichtungen auf den Verklammerungseffekt und die Analyse verschiedenster Strukturfelder. Zudem wurde die Auswirkung der Strukturdichte auf die maximal übertragbaren Kräfte im Grenzflächenbereich der beiden Materialien betrachtet. Wie bereits bei der Strukturerzeugung wurden die experimentellen Untersuchungen durch numerische Berechnungsmodelle ergänzt. Hierdurch konnten ebenfalls die Versagensmechanismen diskutiert und eine Beurteilung der bauteilinneren Spannungsverteilung vorgenommen werden., Hybrid material combinations enable the synergetic effects of different material properties in one component. Depending on the application and design, a significant reduction of the component mass, an increase in structural-mechanical component properties or of the component functionality can be achieved, for example. However, ensuring the transfer of forces in the coupling area of a metal-fiber-plastic composite structure is a major challenge. The present work deals with a process for the production of a mechanical interlocking effect for a metal-fiber-plastic composite structure. This creates an additional possibility to manufacture hybrid components according to the In-Mold Assembly (IMA), without additional auxiliary materials or joining elements. The main focus of this work is the creation of an interlocking structure on the metallic side, which enables a material interlocking with the plastic matrix and/or the fiber material. For this purpose, a manufacturing process for creating structures is selected, the process is developed with a suitable tool and an optimization is carried out. As a result, structure catalogs are available for different materials and process parameters. The structures are characterized on the basis of geometric features. Based on the knowledge gained on the creation of structures, the evaluation of the material interlocking in the hybrid composite follows. Experimental investigations are conducted, the analysis of which is supported by validated numerical calculation models. The focus is on the structure characteristics, the influence of different load directions and the structure density. In addition, the failure mechanisms are discussed and the internal component stress distribution is assessed. The work contributes to the expansion of the manufacturing possibilities that are used in the manufacture of hybrid components. The different process steps during development are shown and an initial analysis of the bond strength is presented. The work also provides validated models that can be used as a basis for further process optimization and adjustments., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2022

Der sehr hohe Automatisierungsgrad innerhalb des Fahrzeugkarosseriebaus, die sehr hohen Qualitätsansprüche und die zunehmende Forderung nach einer produktflexiblen Produktion bilden einen Zielkonflikt, dessen Lösung mit marktverfügbaren Systemen derzeit nur unter erheblichen Einbußen hinsichtlich Taktzeit, Produktionsfläche und Wirtschaftlichkeit möglich ist. Die größten Herausforderungen bei der Flexibilisierung der Betriebsmittel des Karosseriebaus ergeben sich in Bezug auf die Entwicklung modellflexibler Geometrievorrichtungen, wobei die geometrischen und qualitativen Anforderungen bei der Fertigung von Fahrzeugtüren am größten sind. Für die modellübergreifende Produktion ohne Betriebsmittelaustausch wird in dieser Arbeit am Beispiel von Fahrzeugtüren eine Methode sowie eine konstruktive und technische Lösung für flexible Geometriespannvorrichtungen entwickelt. Durch softwaregestützte Analysen mit teilweise spezifisch entwickelten Softwareprogrammen, durch experimentelle Untersuchungen, sowie anhand empirischer Erfahrungen aus Gesprächen mit Anlagenbetreibern, Planern und Vorrichtungsbauern werden Methoden generiert, Anforderungen definiert und letztendlich standardisierte und modular einsetzbare Kinematiksysteme entwickelt. Anhand zweier umgesetzter Prototypen werden experimentelle Analysen zur Validierung der Anforderungen durchgeführt sowie abschließend mit Hilfe von Simulationsmethoden ein Regelungskonzept zur steuerungstechnischen Nachgiebigkeitskompensation der Kinematiksysteme entwickelt.:Bibliographische Beschreibung I Referat I Schlagworte I Vorwort II Inhaltsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis VI Kurzzeichenverzeichnis VIII Indizes X Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV Glossar XVI 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 4 2.1 Automobilproduktion und Karosseriebau 4 2.2 Anlagentechnik im Karosseriebau 5 2.2.1 Spannvorrichtungen im Karosseriebau 9 2.2.2 Grundaufbau der Vorrichtungskomponenten 12 2.2.3 Fahrzeugkoordinaten- und Referenzpunktsystem 13 2.3 Flexibilitätssteigerung im Karosseriebau 15 2.3.1 Modellflexibilität durch Austauschkonzepte 15 2.3.2 Modellflexibilität durch Kinematiksysteme innerhalb von Spannvorrichtungen 17 2.3.3 Flexible Vorrichtungssysteme für den automobilen Karosseriebau 19 2.3.4 Systeme zur automatisierten Justage 24 2.4 Softwareunterstützung zur Prozess- und Betriebsmittelplanung 25 2.5 Fügetechnik im Karosseriebau 27 2.6 Anforderungen an Bauteile und Karosseriebauvorrichtungen 30 2.6.1 Qualitätsmerkmale einer Pkw-Karosserie 30 2.6.2 Grundlagen zur qualitätsrelevanten Steifigkeitsbetrachtung 32 2.7 Fazit zum Stand der Technik 33 3 Definition der Zielstellung und Vorgehensweise 35 3.1 Zielstellung 35 3.2 Forschungsfrage 36 3.3 Hypothesen 36 3.4 Vorgehensweise 37 4 Fokussierung und Vorbetrachtungen 39 4.1 Detaillierung des Betrachtungsraumes 39 4.2 Prozessbedingte Vorbetrachtungen 44 5 Analytische Betrachtungen sowie Methoden- und Konzeptentwicklung 47 5.1 Spannstellenanalyse 47 5.2 Methode zur Bauteilausrichtung 55 5.3 Restriktion der Referenzpunkverteilung unterschiedlicher Fahrzeugmodelle 67 5.4 Prozesslastanalysen an Spannvorrichtungen 69 5.4.1 Lastanalysen in der Serienfertigung 69 5.4.2 Lastanalysen in der Forschungsanlage 78 5.5 Bauraumuntersuchungen 83 5.6 Kinematikkonzeptionierung 88 5.7 Konkretisierung der Anforderungen auf Basis der Analysen 93 6 Technische Entwicklung und Konstruktion der Kinematik 97 6.1 Konstruktive Gestaltung 98 6.2 Methode zur Vorrichtungssynthese 105 7 Umsetzung Prototypen und Funktionstests 109 7.1 Prototypenbau 109 7.2 Experimentelle Untersuchungen 111 7.2.1 Bestimmung der Funktionsparameter 111 7.2.2 Verformungsanalyse bei Belastung in X-Richtung 127 7.2.3 Dauerversuche im Laborumfeld 131 7.2.4 Dauerversuche in industrieller Schweißumgebung 132 7.2.5 Zusammenfassung der Funktionstests 137 8 Ableitung eines Regelungskonzeptes zur Nachgiebigkeitskompensation 138 8.1 Vorbetrachtungen zur Kompensation statischer Strukturverformungen 138 8.1.1 Auswahl des Ansatzes zur Verformungskompensation 139 8.1.2 Definition der Simulationsmethode und -umgebung 140 8.2 Simulationsgerechte Aufbereitung der Komponenten 140 8.2.1 Linearführungen und Lager 141 8.2.2 Antriebsstrang 143 8.2.3 Gesamtmodell 145 8.2.4 Validierung des Simulationsmodelles 147 8.3 Durchführung der Arbeitsraumstudien 152 8.4 Konzeptionierung der Positionsregelung 158 8.4.1 Simulationsbasierte Nachgiebigkeitsregelung 158 8.4.2 Realwertbasierte Nachgiebigkeitsregelung 160 9 Auswertung und Zusammenfassung 161 10 Ausblick 164 Literaturverzeichnis 166 Lebenslauf 179 Eigene Veröffentlichungen 180

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Ziel der Prozessstabilisierung in der Präzisionsmontage. Die besonderen Herausforderungen innerhalb eines Präzisionsmontage-Prozesses sind hohe Bauteil- und Anlagen-Kosten, geringe Stückzahlen und daraus resultierend eine geringe Datengrundlage. Als zentrale Herausforderung werden die sehr hohe geforderte Montagegenauigkeit (Präzisionsmontage) und die vielfältigen Störeinflüsse auf den Montageprozess aufgefasst. Diese Herausforderungen stellen einen Forschungsbedarf dar, der im Rahmen dieser Arbeit zu lösen ist. Innerhalb dieser Arbeit werden zwei Methoden entwickelt. Die erste Methode ist die Methode zur Analyse von Fertigungsprozessen mit beschränkter Datenbasis. Diese Methode befasst sich mit der strukturierten Aufzeichnung einer Datenbank. Für die Abbildung der Fertigungs-Prozessstruktur werden Expertenbefragungen durchgeführt auf dessen Basis eine Vorabschätzung der relevanten Montageprozess-Einflüsse erfolgt. Anschließend kann durch eine Bewertung und Priorisierung der zuvor gefundenen Wirkungszusammenhängen eine erste Datenvernetzung abgeleitet werden. Die zweite Methode ist die Methode der prozessorientierten Datensegmentierung und Analyse. Unter der prozessorientierten Datensegmentierung wird die Auswahl von Teilmodulen anhand der in der vorhergehenden Methode erstellten Priorisierung verstanden. Mit dieser zweiten Methode wird eine Analyse des Fertigungsprozesses sowie der darin enthaltenen Ereignis-Kausalitäten durchgeführt. Hierbei wird der Fertigungsprozess in Teilfertigungsprozessketten unterteilt und eine Modellstruktur abgeleitet. Mit den vorliegenden Methoden sollen die Herausforderungen der Präzisionsmontage lösen lassen. Beide Methoden zielen darauf ab, die zwar kleine, jedoch aufgrund der Vielzahl verfügbarer Sensoren, qualitativ hochwertige Datenbasis optimal zu nutzen. Die gewonnene Teilmodulare-Struktur ermöglicht zudem eine spätere Erweiterung der bereits aufgestellten Teilmodule um weitere Datenpunkte oder Teilprozesse. So kann dynamisch auf Prozessadaptionen reagiert werden. Im experimentellen Teil der Arbeit werden am Beispiel eines konkreten Präzisionsmontage-Prozesses die zwei vorgeschlagenen Methoden angewendet. Damit der Nutzen der Modularisierung nachgewiesen werden kann, wird eine Studie der Übertragbarkeit der beiden Methoden auf einen weiteren Präzisionsmontage-Prozess durchgeführt., This thesis deals with the topic of process-oriented predictive data mining in precision assembly. Within precision assembly processes, there are many special challenges which include the high component and machine costs and comparatively low volumes of produced parts. Acting against the process are disturbances, which are unpredictable and when going unchecked can cause the process to exceed its limits. Although the process data can counteract some of these effects, it is not able to bring the information together to predict the resulting assembly accuracy. Within this thesis two methods are introduced, one of which focuses on the concepts process-orientation and the other on data mining. The first method explores the analysis of manufacturing processes together with a limited database. This method deals with the structured process-specific recording of a database. Expert surveys are carried out to map the manufacturing process structure. A preliminary estimate of the relevant assembly process influences, and a list of their interdependencies are also carried out on the basis of expert interviews. Subsequently, an initial data network can be derived by evaluating and prioritizing these. The second method is the method of process-oriented data segmentation and analysis. Process-oriented data segmentation means the selection of submodules based on the prioritization created in the previous method. This second method performs a complex analysis of the manufacturing process and the event causalities it contains. The manufacturing process is subdivided into partial manufacturing process chains and a model structure is derived in partial modules following the partial manufacturing process chain. On the basis of the data infrastructure planning carried out in the first methods, central submodules can be identified and modelled. The proposed methods can be used to solve the challenges of precision assembly, high required assembly accuracy with various influences on the assembly process. The resulting modular structure can then be expanded at a later date to include additional data points or subprocesses. In this way it is possible to react dynamically to process adaptations. In the experimental part of the work, the two proposed methods are applied using the example of a concrete precision assembly process. In order to demonstrate the benefit of modularization, a study of the transferability of the two methods to another precision assembly process is carried out., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2021

Kraftstoffverbrauch, Schadstoff- und CO2-Emissionen von Verbrennungsmotoren können mittels Formhonen von Zylinderlaufbahnen reduziert werden, indem durch das Honen beliebiger Freiformen betriebspunktspezifische Zylinderverzüge fertigungstechnisch vorgehalten werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Formhonen von modernen, thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnen erforscht. Hierzu werden für die einzelnen Prozessschritte die Auswirkungen von Prozessgestaltung, Honleistenanpressdruck und Schneidmittel-spezifikation auf das Bearbeitungsergebnis untersucht. Die Erfassung des ortsaufgelösten Honleistenanpressdrucks erfolgt dabei durch ein eigens entwickeltes Inprozess-Kraftmesssystem, welches zusätzlich Rückschlüsse auf das Werkzeugübertragungsverhalten zulässt. Die Untersuchungen zeigen, dass zu Bearbeitungsbeginn die thermische Spritzschicht durch teils sehr hohe Honleistennormalkräfte derart geschädigt werden kann, dass die gewünschte Solloberfläche nicht mehr herstellbar ist. Durch die entwickelte Formhonstrategie mit zeitlich skalierten Ansteuerwerten für die Piezoaktoren können für die zeitlich und örtlich unterschiedlichen Zeitspanvolumen verbesserte und einheitlichere Oberflächentopografien erzielt werden. Dabei ermöglicht die Inprozess-Messmethodik zur Ermittlung der Honleistennormalkräfte eine optimale Auslegung der Skalierungsschrittweite. Neben dem absoluten Kraftniveau während des Honens kann damit auch erstmalig der zeitliche Verlauf der Honleistennormalkräfte beobachtet werden. Zur weiteren Oberflächenverbesserung erfolgt im Anschluss an die Formhonbearbeitung ein Glätthonprozess mit federnd gelagerten Honleisten. Zusätzlich können durch eine geeignete Schneidmittelauswahl die Anforderungen an die finale Solloberfläche erfüllt sowie wirtschaftliche Werkzeugstandmengen erzielt werden. Darüber hinaus werden beim Formhonen von lastpunktspezifischen Antiverzugskonturen neben der geforderten Oberflächengüte die an die Sollform gestellten Anforderungen hinsichtlich Dynamik, Formausprägung, Zerspanvolumen sowie Fomgenauigkeit erreicht., Form honing of cylinder bores can reduce fuel consumption, pollutants and CO2 emissions of combustion engines by honing random shapes that provide cylinder distortions of specific engine operating points. The form honing of modern, thermal sprayed cylinder bores is developed in this paper. For this, effects of process design, contact pressure of the honing stones and specifications of abrasives onto the machining results will be investigated for each process step. The recording of space-resolved contact pressure of the honing stones is carried out by a self-developed in-process force measurement system that additionally draws conclusions onto the honing tool performance. This study found that partially high contact pressures at the beginning of the honing process may damage the thermal sprayed layers to such an extent that the desired running surface cannot be produced afterwards. The developed form honing process uses temporally scaled control voltage for the piezo actuators. With the help of this strategy it is possible to achieve an improved and more consistent running surface for the temporally and locally different stock removal rates. At the same time the in-process measurement system, developed to determine the normal forces of the honing stones, facilitates an optimised design of the scaling factors. In addition to the absolute force level during the form honing process, the chronological sequence of the contact pressures of the honing stones can be monitored for the first time ever. After form honing a smoothing process that uses spring-loaded honing stones is performed to further improve the running surface. Moreover, suitable abrasives can obtain requirements for the final running surface and generate profitable tool life quantities. On top of that, form honing of operating-point-specific anti-distortion-shapes achieves the requested running surface as well as the required cylinder shape concerning dynamics, shape characteristics, stock removal rates and shape accuracy., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2021

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Kenntnisgewinn zur Prozessintegrierbarkeit von lastpfadgerechten Endlosfaserverstärkungen in den spritzgießtechnisch hergestellten hybriden Materialübergang von Metall zu thermoplastischem Kunststoff. Dazu wird für einen Spritzgießprozess ein neuartiges Werkzeugkonzept entwickelt und erforscht, mit dem die integrale Formgebung und Verbindung im Prozess erfolgen kann. Es wird der Nachweis geführt, dass der endlosfaserverstärkte Materialübergang mechanische und thermische Vorteile bietet. Dieser wird durch die Prozessintegration von Faserschlaufen in der Grenzschicht Metall-Kunststoff hergestellt. Das fluiddynamische Materialverhalten von Endlosfasern in der einströmenden Schmelze und die Positionierung wird sowohl analytisch als auch simulativ in einer Fluid-Struktur-Interaktion analysiert und für die geometrische Konzeptionierung des Materialübergangs genutzt. Die Arbeit liefert dazu im Wesentlichen Kenntnisgewinne zu eingießbaren freien Faserlängen im Metall-Kunststoff-Übergang, zum fließdynamischen Verhalten von Fasern in der Kunststoffschmelze und zur zielgerichteten Positionierung von Fasern über fluidgetriebene Werkzeugeinsätze. Ebenfalls werden die Prozessgrenzen der Faserinfiltration sowie des kritischen Faserbiegeradius sowohl modellbasiert als auch experimentell nachgewiesen. Für die konzeptionelle Auslegung von Material und Geometrie im Werkstoffübergang wird ein Berechnungstool konzipiert, mit dem in der frühen Entwicklungsphase die thermisch bedingte Schereinflusszone des Materialübergangs spannungsoptimiert ausgelegt werden kann. Im Zuge der experimentellen Verfahrensvalidierung wird die thermische Abhängigkeit des Materialübergangs auf die Verbundfestigkeit nachgewiesen und die relevanten Prozessparameter zur mechanischen Festigkeitssteigerung bestimmt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die atmosphärische Plasmavorbehandlung von E-Glasfasern ein zielführendes Verfahren zur weiteren Steigerung der Verbundfestigkeit bei der spritzgießtechnischen Direktimprägnierung mit Polyamid 6 ist., The objective of the present thesis is to gain knowledge about the process integration of load-path oriented continuous fibre reinforcements into the hybrid material interface from metal to thermoplastic manufactured by injection moulding. For this purpose, a novel tool concept for an injection moulding process is developed and researched, which allows the integral shaping and joining in one process. It is proven that the continuous fibre reinforced material interface offers mechanical and thermal advantages. This is achieved by the process integration of fibre loops in the metal-plastic boundary layer. The fluid-dynamic material behaviour of continuous fibres in the inflowing melt and its positioning is analysed both analytically and simulatively in a fluid-structure interaction and is used for the geometrical conception of the material interface. The work essentially provides knowledge about free fibre lengths in the metal-plastic interface, the flow dynamic behaviour of fibres in the plastic melt and the precise positioning of fibres via fluid-driven tool inserts. Furthermore, the process limitations of fibre infiltration and the critical fibre bending radius are verified both model-based and experimentally. For the conceptual design of material and geometry in the material interface, a calculation tool is being developed which allows the stress-optimised design of the thermally induced shear zone of the material interface in the early development phase. In the course of experimental process validation, the thermal dependence of the material interface on the composite strength is verified and the relevant process parameters for mechanical strength increase are identified. Furthermore, it is shown that the atmospheric plasma pre-treatment of E-glass fibres is a suitable process for improving the composite strength with polyamide 6 in injection moulding., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2021

Eine Betrachtung des Einsatzes endlosfaserverstärkter FKV-Halbzeuge auf dünnen, pressgehärteten Blechstrukturen führt zunächst zu der Annahme, dass der Kostenfaktor eine Umsetzung in die Praxis nicht ermöglicht. Hintergrund sind hierbei die hohen Materialkosten für die FKV-Halbzeuge. Steuert man den Einsatz dieser Werkstücke aber zielgerichtet, so ist es möglich, leichte Karosseriekomponenten zu fertigen, ohne dabei die Gesamtmaterialkosten unwirtschaftlich zu gestalten. Dabei steht dem sehr guten Verständnis zu den mechanischen Eigenschaften und dem möglichen Einsatzpotential dieser Hybridbauteile in der Fahrzeugkarosserie ein Mangel an geeigneten Fertigungsprozessen gegenüber. Die Herstellung solcher Komponenten wurde bislang nur in sequentiellen Prozessen der Blech- und Kunststoffverarbeitung durchgeführt. Dabei entstanden komplexe Prozessverkettungen mit zusätzlichen Logistik- und Handhabungsschritten. Bei der FKV-Applikation in einen Thermoformprozess kommt der Blechtemperatur eine zentrale Bedeutung hinsichtlich der Verbundeigenschaften zu. Eine zielgerichtete Veränderung dieser Temperatur hat direkten Einfluss auf das entstehende Werkstück. Hierbei wird das Blech auf ein Temperaturniveau erwärmt, welches es beim Presshärten bereits in der Abschreckphase durchlaufen hat. Für die Nutzung der thermischen Energie des Presshärteprozesses in einem unmittelbar nachgelagerten Thermoformprozess lagen bislang keine Auslegungskriterien vor, welche eine effiziente und integrierte Prozesskette ermöglicht hätten. Zur Schließung dieser Wissenslücke wurde in der vorliegenden Arbeit eine Untersuchung der Prozessintegrierbarkeit von Prozessketten des Presshärtens von Bor-Manganstählen und des Thermoformens von endlosfaserverstärktem, thermoplastischem FKV durchgeführt. Basierend auf einem eigenentwickelten Presshärtewerkzeug, das zur Einstellung bestimmter Blechzieltemperaturen nach dem Presshärten geeignet ist, wurde eine integrierte Prozesskette zur Herstellung eines stoffschlüssigen Hybridverbunds in einem unmittelbar nachgelagerten Thermoformprozess aufgebaut und untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Aufbau einer integrierten Prozesskette auf eine erneute Erwärmung des Blechs in einer sequentiellen Prozesskette zur Hybridbauteilherstellung verzichtet werden kann. In der Umformphase des Presshärtens von 3D-Geometrien kommt es zu ungleichen Werkzeug-Blech-Kontakten. Die Folge sind unterschiedlich wirkende Wärmeübertragungs-mechanismen, welche zu unterschiedlichen Abkühlraten führen. Hieraus resultieren eine inhomogene Blechtemperaturverteilung nach Prozessende und lokal variierende mechanische Blecheigenschaften. Die Temperaturunterschiede innerhalb des Blechs wirken sich dabei lokal negativ auf die stoffschlüssige Hybridverbindung aus, welche in einem nachgelagerten Thermoformprozess erzielt werden soll. Zur Einstellung einer homogenen Blechtemperaturverteilung bei definierter Blechzieltemperatur wurde auf Basis eines numerischen Vorgehens ein Presshärtewerkzeug abgeleitet, das die Einstellung einer homogenen Blechtemperatur nach Prozessende erlaubt. Durch die Einstellung einer bestimmten Blechzieltemperatur in einer integrierten Prozesskette konnte eine deutliche Zunahme der Verbundfestigkeit zwischen Blech und FKV erreicht werden. Unerwünschter Nebeneffekt war dabei eine leichte Reduktion der Zugfestigkeit des Blechs in der Hybridkomponente. Zur Untersuchung des Einflusses der Prozessführung auf die mechanischen Eigenschaften generischer Fahrzeugstrukturen wurde ein Demonstrator abgeleitet. Die Untersuchung der prozessintegriert hergestellten hybriden Demonstratoren ergab ein signifikant gesteigertes Lastaufnahmevermögen hybrider Bauteile trotz Reduzierter Zugfestigkeit der Blechkomponente in Folge der Einstellung einer bestimmten Blechzieltemperatur. Durch die Nutzung der thermischen Energie des Blechs aus dem Prozess des Presshärtens konnte eine unmittelbare Reduzierung des Wärmebedarfs bei der Hybridbauteilherstellung beobachtet werden. Das ermittelte Wissen zur Prozessführung kann genutzt werden, um Leichtbauziele durch den Einsatz hybrider Fahrzeugkomponenten auf Basis von Bor-Manganstählen zu erreichen., A consideration of the use of continuous fibre-reinforced FRP semi-finished products on thin, hot stamped sheet metal structures initially leads to the assumption that the cost factor does not allow implementation in practice. The background here is the high material costs for the FRP semi-finished products. However, if the use of these material components is controlled in a targeted manner, it is possible to manufacture lightweight car body components without making the overall material costs uneconomical. However, the very good understanding of the mechanical properties and the possible application potential of these hybrid components in the vehicle body contrasts with a lack of suitable manufacturing processes. The production of such components has so far only been carried out in sequential processes of sheet metal and plastics processing. This resulted in complex process chains with additional logistics and handling steps. When applying FRP in a thermoforming process, the sheet temperature is of central importance with regard to the composite properties. A targeted change in this temperature has a direct influence on the resulting workpiece. Here, the sheet is heated to a temperature level that it has already passed through in the quenching phase during hot stamping. For the utilisation of the thermal energy of the hot stamping process in an immediately downstream thermoforming process, there have been no design criteria so far that would have enabled an efficient and integrated process chain. In order to close this knowledge gap, an investigation of the process integrability of process chains of the hot stamping of boron-manganese steels and the thermoforming of continuous fibre-reinforced, thermoplastic FRP was carried out in the present work. Based on a hot stamping tool developed in-house, which is suitable for setting specific sheet target temperatures after hot stamping, an integrated process chain for the production of a materially bonded hybrid composite in an immediately downstream thermoforming process was set up and investigated. It could be shown that by setting up an integrated process chain, a renewed heating of the sheet metal in a sequential process chain for hybrid component production can be dispensed with. In the forming phase of hot stamping 3D geometries, unequal tool-sheet contacts occur. This results in differently acting heat transfer mechanisms, which lead to different cooling rates. This results in an inhomogeneous sheet temperature distribution after the end of the process and locally varying mechanical sheet properties. The temperature differences within the sheet have a locally negative effect on the adhesive hybrid joint, which is to be achieved in a downstream thermoforming process. For the adjustment of a homogeneous sheet temperature distribution at a defined sheet target temperature, a hot stamping tool was derived on the basis of a numerical procedure, which allows the adjustment of a homogeneous sheet temperature after the end of the process. By setting a specific target sheet temperature in an integrated process chain, a significant increase in the bond strength between sheet and FRP could be achieved. An undesired side effect was a slight reduction in the tensile strength of the sheet in the hybrid component. A demonstrator was derived to investigate the influence of process control on the mechanical properties of generic vehicle structures. The investigation of the process-integrated hybrid demonstrators showed a significantly increased load-bearing capacity of hybrid components despite the reduced tensile strength of the sheet metal component as a result of setting a specific target sheet metal temperature. By using the thermal energy of the sheet metal from the process of hot stamping, an immediate reduction of the heat demand during the hybrid component production could be observed. The knowledge gained about process control can be used to achieve lightweight construction goals through the use of hybrid vehicle components based on boron-manganese steels., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2022

Hybride Strukturen auf Basis thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten ein großes Potenzial, Anforderungen an Gewichtsreduzierung und Funktionalisierung von Bauteilen zu erfüllen. Eine vielversprechende Möglichkeit, hybride Strukturen, die aus flächigen FKV-Halbzeugen und Thermoplastspritzguss bestehen, herzustellen, ist die Prozesskombination aus Thermoformen und Spritzgießen. Die Herausforderung bei dieser Prozesskombination besteht in der Temperaturführung des Materials über die gesamte Prozesskette. Die Temperaturführung wirkt sich wesentlich auf die resultierende Verbundfestigkeit als Bauteilqualitätsmerkmal aus, ist jedoch abhängig von der jeweiligen Materialpaarung. Gleichzeitig muss angenommen werden, dass durch eine falsche Temperaturführung Materialschädigungen und hohe Energieverbräuche entstehen. Bekannte Technologien zur Erwärmung von Materialien innerhalb der Prozesskette sind entweder auf elektrisch leitende Materialien (z. B. bei der Induktion) beschränkt oder nicht effizient integrierbar und führen so zu langen Zykluszeiten oder Temperaturverlusten im Material. Vor diesem Hintergrund setzt sich die Arbeit ein grundlegendes Verständnis einer effizienten, werkzeugintegrierten Erwärmung von thermoplastischen FKV als Hauptziel. Zur Auslegung der werkzeugintegrierten Erwärmungstechnologie ist die Kenntnis des relevanten materialabhängigen Prozessfensters von Bedeutung. Zu seiner Bestimmung wird einerseits der Einfluss von Prozessparametern (Werkzeugtemperatur, Halbzeugtemperatur, Einspritzdruck etc.) auf die resultierende Verbundhaftung untersucht und andererseits mit thermoanalytischen Methoden das thermische Prozessfenster (Schmelz- und Rekristallisationsverhalten, Degradation etc.) identifiziert. Diese Erkenntnisse fließen in die nachfolgende Technologieauswahl ein. Das Ergebnis dieser Auswahl legt einen Einsatz von Infrarotstrahlern (IR-Strahler) zur Materialerwärmung nahe. Deren Verwendung erfordert eine konstruktive Konzeption eines Formwerkzeugs mit transparenten Werkzeugeinsätzen, die die Strahler schützen und ihnen dennoch einen Sichtbereich im Werkzeug ermöglichen. In Abhängigkeit der zu erwartenden mechanischen Lasten werden verschiedene transparente Materialien charakterisiert und eine Spinellkeramik zur weiteren Betrachtung ausgewählt. Mit dem Aufbau eines Funktionsdemonstrators erfolgt eine Technologie- und Prozessevaluation. Die Ergebnisse erlauben den Schluss, dass die werkzeugintegrierte Erwärmung für eine energie- und zeiteffiziente Erwärmung im Spritzgießprozess geeignet ist. Im Rahmen der Prozessevaluation wird der Erwärmungsprozess mit werkzeugintegrierter Erwärmungstechnologie hinsichtlich der Temperierung von thermoplastischen FKV im Vergleich zur externen IR-Erwärmung, induktiven Erwärmung und elektrischen Widerstandserwärmung untersucht, wobei die werkzeugintegrierte Erwärmung jeweils ein vorteilhaftes Erwärmungsverhalten mit den im Vergleich geringsten Erwärmungszeiten zeigt. Durch eine modellhafte Beschreibung der Wärmestrahlung im betrachteten System sowie der Wärmeleitung im Halbzeug kann die instationäre Temperaturverteilung dargestellt werden, mithilfe derer sich eine effiziente Prozesssteuerung bewerkstelligen lässt. Die vorgenommene Integration des Erwärmungsvorgangs in das Werkzeug ermöglicht eine Zykluszeitreduzierung von 28,4 % im Vergleich zum Referenzprozess und ermöglicht durch die Absenkung der Prozess- und Werkzeugtemperaturen auf die minimalen Verarbeitungstemperaturen eine signifikante Energieeinsparung im Betrieb. Die Ansätze zum Technologietransfer der werkzeugintegrierten Erwärmung auf die Herstellung komplexerer hybrider Bauteile und auf die Direktimprägnierung thermoplastischer FKV im Werkzeug zeigen ein großes Potenzial zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen., Hybrid structures based on fibre-reinforced thermoplastic (FRP) composites offer great potentials for meeting the requirements of weight reduction and functionalisation of components. A promising possibility to produce hybrid structures consisting of flat FRP semi-finished products and short fibre-reinforced thermoplastics is the process combination of thermoforming and injection moulding. The challenge with this process combination is the temperature control of the material over the entire process chain. The temperature control has a significant effect on the resulting composite strength as a component quality feature, but is dependent on the respective material pairing. At the same time, it must be assumed that incorrect temperature control may result in material damage and high energy consumption. Established technologies for heating materials within the process chain are either limited to electrically conductive materials (e.g. in induction) or cannot be integrated efficiently and thus lead to long cycle times or temperature losses in the material. Against this background, the main objective of this work is to achieve a fundamental understanding of efficient, mould-integrated heating of thermoplastic FRP. Knowledge of the relevant material-dependent process window is important for the design of the heating technology. In order to determine this, the influence of process parameters (mould temperature, process temperature, injection pressure, etc.) on the resulting bond strength is investigated on the one hand, and the thermal process window (melting and recrystallisation behaviour, degradation, etc.) is identified using thermoanalytical methods on the other hand. These findings are incorporated into the subsequent technology selection. The result of this selection suggests the use of infrared (IR) radiation for material heating. Their use requires a constructive conception of a mould with the integration of transparent mould inserts that protect the emitters and still allow them a viewing area in the mould. Depending on the expected mechanical loads, various transparent materials are characterised and a spinel ceramic is selected for further consideration. With the construction of a functional demonstrator, a technology and process evaluation is carried out. The results suggest the conclusion that mould-integrated heating is suitable for energy- and time-efficient heating in the injection moulding process. Within the framework of the process evaluation, the heating process with mould-integrated heating technology is examined with regard to the temperature control of thermoplastic FRP in comparison to external IR heating, inductive heating and electrical resistance heating, whereby the mould-integrated heating shows the best heating behaviour in each case. By describing the heat radiation in the system under consideration and the heat conduction in the semi-finished product, the transient temperature distribution can be represented, by the help of which efficient process control can be achieved. The integration of the heating process into the mould enables a cycle time reduction of 28.4 % compared to the reference process and enables significant energy savings in operation by lowering the process and mould temperatures to the minimum processing temperatures. The approaches to technology transfer of mould-integrated heating to the production of more complex hybrid components and to the direct impregnation of thermoplastic FRP in the mould show great potentials for improving the economic efficiency of production processes., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2022

Im Technologiefeld der Automobilen Service Robotik werden innovative Robotersysteme für Service- und Wartungstätigkeiten an automatisiert fahrenden Fahrzeugen untersucht. Um die wirtschaftlichen und technologischen Zielstellungen in den zukünftigen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ressourceneffizient bearbeiten zu können, müssen im Rahmen des Technologiemanagements frühzeitig strategisch wichtige Handlungsbedarfe aufgedeckt und bewertet werden. Insbesondere innovative Technologiefelder befinden sich in frühen Reifegradphasen in einem Spannungsfeld aus hohen Unsicherheiten in der Potenzialabschätzung, interdisziplinären Abhängigkeiten zwischen Technologieprojekten und hoher Entwicklungsdynamik technischer und wirtschaftlicher Leistungsparameter. Bestehende Ansätze weisen durch ihren meist intuitiven Charakter Defizite in der Berücksichtigung von vielschichtigen Abhängigkeiten zwischen Einzelprojekten und dynamischen Reifegradentwicklungen auf. Eine effiziente und projektübergreifende Bewertung von Handlungsalternativen im Sinne der übergeordneten Technologiestrategie ist somit nicht möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen strukturieren Ansatz zur Planung von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für innovative Technologiefelder mit komplexen dynamischen Wechselwirkungen zu schaffen, der eine Priorisierung von Handlungsalternativen auf Technologieebene ermöglicht und so die strategische Ausrichtung unterstützt. Hierzu wird ein mehrstufiger Ansatz entwickelt, der auf der Wechselwirkungsanalyse aufbaut, diese um Ansätze der Graphentheorie erweitert und mit der Methodik des Technologieroadmappings kombiniert. Im Rahmen des zyklisch aufgebauten Methodenansatzes werden zunächst relevante Einsatzszenarien zukünftiger Produkte identifiziert und mögliche Anwendungsfälle in ihrer funktionalen Struktur beschrieben. Die funktionale Beschreibung der Anwendungsfälle ermöglicht hierbei die Identifikation umsetzungsrelevanter Technologien und bestehender Konzepte. Ein Relationsmodell zur Abbildung technologischer, zeitlicher und monetärer Abhängigkeiten verknüpft die identifizierten Elemente miteinander, überführt das Technologiefeld in eine dynamische Graphendarstellung und strukturiert die Informationsgrundlage. Durch die Verwendung erweiterter Ansätze der Wechselwirkungsanalyse wird die technologische Realisierbarkeit von Einsatzszenarien und Anwendungsfällen systematisch untersucht und die Relevanz von einzelnen Technologieprojekten bestimmt., Automotive Service Robotics is a new research topic in the field of robotics. Motivated by the ongoing trend of automated driving, innovative robot systems for service and maintenance tasks on automated vehicles are investigated. In order to address the economic and technological objectives in future research and development activities in a resource-efficient manner, strategically important needs for action must be identified and evaluated in an early stage. Especially innovative technology fields are in an early stage of maturity in a conflict of aims between high uncertainties in the assessment, interdisciplinary dependencies between technology projects and high development dynamics of technical and economic performance parameters. Existing approaches in the field of strategic technology planning have major deficits in the consideration of complex dependencies between individual projects and dynamic maturity developments due to their mostly intuitive character. An efficient and cross-project evaluation of alternative courses of action in the sense of an overarching technology strategy is therefore not possible. The aim of this thesis is to create a structured approach for planning research and development activities in innovative technology fields with complex dynamic interactions, which enables prioritization of alternative courses of action at a technology level and thus supports the strategic alignment. To support the planning process, a multi-level approach is developed. This approach is based on the principles of cross-impact analysis and technology roadmapping, augmented by elements from the mathematical field of graph theory. In the first step of the cyclical approach, relevant application scenarios for future products are identified and possible applications are described in their functional structure. Through the abstraction of a functional description for each use case, potentially applicable technologies and existing products can be identified. A relationship model for mapping technological, temporal and financial dependencies links the identified elements with each other, converts the technology field into a dynamic graph representation and structures the information. Using adapted approaches of graph theory, the technological feasibility of scenarios and use cases can be examined. Furthermore, the relevance of technologies is determined and a need for action can be derived by balancing requirements and technological potentials., Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, vol. 2021

Der immer weiter steigende Bedarf an Batteriezellen wird sich zukünftig kaum durch die konventionellen Verfahren decken lassen. Selbst innovative Verfahren im Forschungsstadium können die erforderliche Anlagengeschwindigkeit von einer Sekunde pro Falte nicht erreichen. Diese Lücke aufgreifend wurde ein kontinuierliches Verfahren entwickelt, welches großformatige z-gefaltete Elektroden-Separator-Verbünde mit einer Geschwindigkeit von 0,7 Sekunden pro Falte stabil, und sogar bis rund 0,35 Sekunden pro Falte falten kann. Die Betrachtung eines Patents zum z-Falten eines Bahnmaterials und die Analyse eines Gestaltungsentwurfs für eine Gesamtanlage bilden den Ausgangspunkt für die Konzeptentwicklung dieses Verfahrens. Es werden Anforderungen an das kontinuierliche Verfahren abgeleitet und ein kinematisches Modell erstellt. Dieses Modell erlaubt es, die Bewegungen aller Elemente in dem System abhängig des Vorschubs des Separators zu beschreiben. Das darauf aufbauende Fehlermodell ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Modells zu berechnen und erwartete Fehler abzuleiten. Sowohl die Eignung des umlaufenden Transportsystems als auch weitere Anforderungen werden aus experimentellen Untersuchungen abgeleitet. Die Schwingungsanalyse, Messung der Positionier- und Bahngenauigkeit geben ein Gefühl dafür, welche Geschwindigkeiten mit welchen Abweichungen zu erwarten sind. Aus dem analysierten Gestaltungsentwurf und den Versuchen werden weitere Baugruppen entwickelt, um die Faltung zu realisieren. Ein pendelndes Rollenpaar übergibt den Separator in die Faltung, sodass ein Hintergreifen durch den Greifer überhaupt ermöglicht wird. Ebenso wird ein Gestaltungsentwurf für einen zwangsaktuierten Greifer für das umlaufende Transportsystem vorgestellt. Die Entwicklung schließt die Aufhängung des Transportsystems ab. Die prototypische Umsetzung der Bewegungsführung dieses kontinuierlichen Verfahrens wird anhand von Versuchen validiert. Diese Betrachtung erfolgt mit einem Greiferprototypen für unterschiedliche Verfahrensgeschwindigkeiten von bis zu 1000mm/s, welches rund 0,35 Sekunden pro Falte entspricht. Im Ergebnis der Arbeit steht ein kinematisches Modell für die kontinuierliche z-Faltung in der Batterieproduktion. Dieses Modell bildet die Basis für die implementierte Bahnplanung in der SPS des Demonstrators des Projektes KontiBat. Im Weiteren bildet die Untersuchung der Fehlereinflüsse in Kombination mit einer Fehlermodellbildung eine Abschätzung der erreichbaren Prozessgenauigkeit des betrachteten Verfahrens., The ever-increasing demand for battery cells will hardly be able to be met by conventional production methods in the future. Even innovative processes at the research stage cannot achieve the required speed of one second per fold. Through a newly developed process, this gap is addressed by a novel continuous process that can fold large-format z-folded electrode-separator composites stable at a speed of 0.7 seconds per fold, and even possibly at up to around 0.35 seconds per fold. The analyzation of a patent for z-folding web material and the analysis of a design concept is the starting point for the concept development of this process. Requirements for the continuous process are derived, and a kinematic model is created. This model enables the description of the motion of all elements in the system depending on the infeed of the separator. The fault model based on this allows the sensitivity of the model to be calculated and expected faults to be derived. Both the suitability of the circulating transport system and further requirements are derived from experimental investigations. Vibration analysis, measurement of the positioning and path accuracy give a feeling for which speeds which deviations are to be expected. From the analyzed design and the experiments, further assemblies are developed to realize the z-folding. A pair of oscillating rollers transfer the separator into the fold so that gripping from behind is possible at all. A design draft for an externally actuated gripper for the circulating transport system is presented. The development concludes with the suspension arrangement of the transport system. The prototypical implementation of the motion control is validated using experiments. This is done with a gripper prototype for different process speeds of up to 1000mm/s, which corresponds to about 0.35 seconds per fold. The result of the work is a kinematic model for continuous z-folding in battery production. This model forms the basis for the implemented path planning in the PLC of the demonstrator of the KontiBat project. Furthermore, the investigation of the error influences in combination with error modelling forms an estimation of the achievable process accuracy of the considered process.