Technische Entwicklungen sowie Elemente der Automatisierung führen im Maschinen- und Anlagenbau zu einer steigenden Komplexität, welche mit einem gesteigerten Gesamtwirkungsgrad (nach (DIN 8743:2014-01) der Endprodukte einhergeht. In der Bedienung kann jedoch, bspw. in der Lebensmittelverarbeitungs- und -verpackungsindustrie, eine Diskrepanz des technisch möglichen und real erzielten Wirkungsgrades im zweistelligen Prozentbereich festgestellt werden (Schult, Oehm, Klaeger & Carsch 2018). Mit den Ironies of automation wurde bereits in den 1980er Jahren eine Ursache dafür identifiziert. Die fehlende Erfahrung sowie fehlendes Prozessverständnis im Umgang mit komplexen Systemen auf Bedienenden-Seite führen zu Problemen im Umgang mit ebenjenen (Bainbridge 1983). Insbesondere bei biogenen Rohstoffen mit volatilen Eigenschaften können weit verzweigte Ursache-Wirkungs-Kausalitäten im Störungsfall weder verstanden noch nachhaltig behoben werden. Diese theoretische Annahme wird auch durch Analysen am Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Dresden bestätigt. Seit 1995 konnte in über 6.000 Stunden Maschineneffizienzanalysen in der Lebensmittelverarbeitung und -verpackung festgestellt werden, dass die Prozesse von so genannten Mikrostörungen, also Unterbrechungen kürzer als 2 Minuten, geprägt sind (Schult, Beck & Majschak 2015). Ein für die nachhaltige Problemlösung notwendiger Erfahrungsaustausch und -aufbau unter den Mitarbeitenden wird dabei häufig durch Personalfluktuation, Fachkräftemangel und Kommunikationsbarrieren behindert. [...aus der Einleitung]

Zur Herstellung und Verpackung von Konsumgütern wie Lebensmitteln, Getränken und Pharmazeutika werden hochautomatisierte Verarbeitungsmaschinen eingesetzt. Die Entwicklung dieser Maschinen erfordert die Anwendung und Zusammenführung spezieller Kenntnisse aus unterschiedlichen Wissensdomänen, wie bspw. Maschinenbau, Lebensmittel-, Kunststoff- und Automatisierungstechnik, sowie den Umgang mit volatilen, oft unbekannten und nur begrenzt bestimmbaren Eigenschaften von Naturstoffen. Aufgrund dieser branchenspezifischen Besonderheiten stellt insbesondere die Definition des Innermaschinellen Verfahrens (IMV) als Funktions- und Prinzipstruktur im Funktionsbereich Stoff in einer frühen Phase der Maschinenentwicklung eine besondere Herausforderung dar. Die Arbeit in dieser Entwicklungsphase ist vor allem durch ein heterogenes Informationsumfeld geprägt, welches die Anwendung des Erfahrungswissens von einzelnen Entwickelnden unabdingbar macht (Hacker 1992). So wird insbesondere bei der im Mittelpunkt stehenden Lösungssuche für das IMV, neben dem vorhandenen Fachwissen, dieses Erfahrungswissen genutzt, um den Zeit- und Kostenzielen der Entwicklung gerecht zu werden und rasch zu geeigneten Lösungen für die vorliegende Entwicklungsaufgabe zu gelangen (Turki 2014). Dabei bleiben jedoch oftmals potentielle Lösungsmöglichkeiten durch das stereotypische Vorgehen unberücksichtigt und mögliche Alternativen, die etwaige Vorzüge mit sich bringen, werden nicht betrachtet (Badke-Schaub & Frankenberger 2004). Erfahrungen einer Person können zudem nur dann einfließen, wenn diese in der aktuellen Problemlösesituation verfügbar ist und sie diese Erfahrungen auch mit dieser Situation assoziiert. Die demografische Entwicklung und die zunehmende Fluktuation der Mitarbeitenden erschweren die bedarfsgerechte Verteilung des Erfahrungswissens und fordern die Unternehmen somit heraus, das Erfahrungswissen der Mitarbeitenden aus der frühen Entwicklungsarbeit, aber auch aus anderen Bereichen der Produktentwicklung und -entstehung sowie aus dem Einsatz des fertigen Produktes selbst, als Wettbewerbsvorteil dauerhaft zu sichern (Schley et al. 2008). Werden durch den Mangel an Erfahrungswissen bei der Definition des IMV Entscheidungen ohne fundierte Kenntnis der jeweils zusammengestellten Prinziplösungen getroffen, kann dies bei der weiteren Entwicklungsarbeit zu neuen Herausforderungen und somit zu kosten- und zeitintensiven Iterationsschleifen führen. Der Arbeitsanteil in der Konzeptphase ist, gemessen am gesamten Entwicklungsaufwand im Verarbeitungsmaschinenbau, besonders hoch. Dies wird bedingt durch wechselnde Randbedingungen für gleiche oder ähnliche Verarbeitungsaufgaben und durch hohe Innovationsraten in der Konsumgüterentwicklung, insbesondere bei der Konsumgüterverpackung. Vor allem durch Marketing getriebene, neue Lösungen und Details erfordern nicht selten eine Anpassung „bewährter“ IMV. Gerade hier werden aber wesentliche Voraussetzungen für einen effizienten und sicheren Betrieb der zu entwickelnden Systeme gelegt. Demzufolge tragen die Entwickelnden besonders in der Konzeptphase erhöhte Verantwortung für Entwicklungs- sowie Herstell- und Betriebskosten der geplanten Maschine (Majschak 1997). Unterstützungsmöglichkeiten in Form softwarebasierter Assistenzsysteme für die Definition des IMV und die damit verbundene Suche nach verarbeitungstechnischen Prinziplösungen unter Einbeziehung von Erfahrungswissen sind für diesen frühen Entwicklungsschritt bisher nicht verfügbar, aber im Zuge fortschreitender Modularisierung umso wünschenswerter. Im Folgenden wird daher die Konzeption eines solchen softwarebasierten Assistenzsystems im Rahmen des Forschungsprojekts „Smarte Werkbank - Grafisches Assistenzsystem für die interdisziplinäre Entwicklung von produktionstechnischen Systemen“ vorgestellt.

Die Verwaltung von Produkt- und Prozessdaten in industrieller Produktentstehung ist seit dem Aufkommen der rechnergestützten Assistenzsysteme einer der großen Hebel bei der Suche nach Effizienzsteigerungen. Neben dem Flugzeugbau ist es insbesondere die Automobilindustrie, an deren komplexen Arbeitsabläufen Neuerungen auf den Gebieten der Datenhaltung, -verwaltung und der prozessübergreifenden Zusammenarbeit erprobt werden. Die rechnergestützte Umsetzung entlang des Produktentstehungsprozesses hat zum Ziel, eine bessere Abbildbarkeit, Durchgängigkeit und Verfolgbarkeit der virtuellen Geschäftsobjekte und letztlich der tatsächlichen Produkte sicherzustellen. [... aus der Einleitung]

Dieser Beitrag untersucht Potenziale des Einsatzes von MBE-Ansätzen bei der Validierung von Fahrerassistenzsystemen. Ziel ist die Untersuchung der Machbarkeit des Aufbaus einer Validierungsumgebung zur Automatisierung von Tests im Rahmen der kontinuierlichen Validierung von Fahrerassistenzsystemen. [... aus der Einleitung]

Das Potenzial, welches der 3D-Druck im Tissue Engineering für Weichteilgewebe und Knochenersatz hinsichtlich Formgebung und Materialanpassung bietet, wird zunehmend genutzt, weiterentwickelt und ausgebaut. Die Diversität der dabei betrachteten, biologisch aktiven Biomaterialien setzt voraus, dass unterschiedliche Technologien wie Stereolithographie (STL), Fused Deposition Modelling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) in verschiedenen Ausbaustufen zum Einsatz kommen. In medizinischen Anwendungen und besonders im pharmazeutischen Bereich, sind neben den drei räumlichen Dimensionen zusätzlich weitere Dimensionen hinsichtlich der Produkteigenschaften interessant. Einerseits besteht diese Mehrdimensionalität aus strukturellen und geometrischen Gradienten (An, Teoh, Suntornnond & Chua, 2015; Jones et al., 2007; Neri Oxman, Steven Keating & Elizabeth Tsai, 2012). Zusätzlich sind aber auch stoffliche Abstufungen der prozentualen Anteile wichtig. Das betrifft beispielsweise die Einbringung von Wirkstoffen in die generativ aufgebauten Strukturen (Goole & Amighi, 2016; Kalaskar, 2017; Ursan, Chiu & Pierce, 2013). Meist werden dabei scharf abgegrenzte Abstufungen der Materialeigenschaften gezeigt. Dies erfolgt im 3D-Druck beispielsweise durch die Nutzung unterschiedlicher Dosierköpfe in einem Prozess für die jeweiligen Materialien/Materialabstufungen oder durch die getrennte Herstellung der einzelnen Bereiche und anschließendem Fügen der Scaffolds (Diaz-Gomez et al., 2019). Ein allmählich ansteigender/abflachender gradueller Verlauf des zugemischten Anteils (Wirkstoff/Marker) wird bisher nicht beschrieben. Gelingt eine Regelung der Wirkstoffzumischung während des generativen Prozesses, entstehen neue Freiheitsgrade in der Gestaltung der Eigenschaften, wie beispielsweise der pharmazeutischen Wirksamkeit der Produkte. Im biomedizinischen Kontext sind durch Gradientengestaltung innerhalb eines Implantates, unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen oder funktionelle Parameter, wie Festigkeit, Verformbarkeit oder Reaktivität einstellbar. Bei der Zumischung innerhalb des 3D-Drucks ist auch der Einsatz solcher Wirkstoffe denkbar, die bei konventionellen Herstellungsprozessen herausgelöst oder zersetzt würden. Innerhalb der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Pharmazeutischen Technologie (Institut für Pharmazie, Medizinische Fakultät) der Universität Leipzig und der Fakultät Maschinenbau und Energietechnik (Maschinenbautechnisches Institut) an der HTWK Leipzig wurde ein miniaturisierter Doppelschneckenextruder (DSE-DK) als Dosierkopf in eine 3D-Druckanlage integriert. Mit der auf dem FDM-Verfahren basierenden Technologie konnte bereits nachgewiesen werden, dass Polymere wie Polycaprolacton (PCL) verarbeitet und mit zugemischten Pulvern homogenisiert werden können (Flath et al., 2016). Es wurden innerhalb eines 3D-Druckprozesses Materialmischungen aus einer aufgeschmolzenen Polymerphase und einem zugeführten Pulver erzeugt. In diesem Aufbau konnten alle Materialien als Pulver zugeführt und dosiert werden. Ziel der hier betrachteten Arbeiten war es, den DSE-DK für pastöse Ausgangsstoffe zur Erweiterung des Einsatzspektrums nutzbar zu machen. Zusätzlich sollten Pasten/Pulver Mischungen und die Möglichkeit der Herstellung von graduellen Zusatzstoffkonzentrationen während der dreidimensionalen Verarbeitung untersucht werden. [... aus der Einleitung]

Beschäftigte im öffentlichen Dienst sind einer steigenden Zahl von Übergriffen und Bedrohungen ausgesetzt. Auch in den Statistiken der Unfallversicherungsträger und der Polizei findet sich das Phänomen Gewalt verstärkt wieder. Die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung durch eine Stichwaffe ist in Deutschland deutlich höher einzustufen als die mittels einer Schusswaffe bzw. einem Projektil. Zudem werden stichhemmende und Stichschutzwesten nicht nur für den Einsatz im behördlichen, militärischen und Sicherheitsbereich angeboten, sondern auch für Privat- und Geschäftsleute. Die Westen sollen die Träger vor Angriffen mit Messern, Nadeln und spitzen Gegenständen schützen, sind jedoch in ihrem Tragekomfort verbesserungswürdig. Derzeit erfolgt die Abschwächung von Angriffen mit Stichwaffen durch integrierte Schutzplatten aus Aluminium, Edelstahl, Kunststoff, Keramik und/oder Metall-Ringgeweben. Die Stichschutzwesten besitzen zum einen ein beträchtliches Gewicht (je nach Modell und Größe 1,5 bis 5 kg). Zum anderen weisen sie bei langer Tragedauer und hohen Außentemperaturen (z. B. während der Sommermonate) ein schlechtes thermophysiologisches Verhalten auf. Üblicherweise nimmt die Schutzwirkung mit steigendem Gewicht zu. Eine Gewichtserhöhung vermindert jedoch den Tragekomfort, wodurch auch die Trageakzeptanz, d. h. die Bereitschaft einer Person zum Tragen der Schutzkleidung, verringert wird. Diese Trageakzeptanz stellt ein entscheidendes Kriterium für den erfolgreichen Personenschutz dar. Einen möglichen Lösungsansatz bietet die Realisierung von Leichtbaupotenzialen mittels neuer Technologien und hybriden Materialien. Durch eine Überarbeitung des bisherigen Designs der Schutzkleidung soll der Tragekomfort unter Beibehaltung der Funktionalität deutlich verbessert werden. Statt der bisher angewandten Schutzplatten wird eine körperformabhängige Segmentierung von bioinspirierten Interlocking-Strukturen aus Hochleistungsfaserstoffen entwickelt. Die Verstärkungskomponente mit hoher Schlagzähigkeit, Bruchdehnung und Zugfestigkeit besteht aus Aramidfasern. Zudem werden die Stichschutzelemente mittels additiver Fertigung auf biegeweiche Maschenwaren appliziert. Die Schutzkleidung lässt sich an die jeweilige Körperform anpassen und bietet neben dem Stichschutz einen verbesserten ergonomischen, thermophysiologischen sowie hautsensorischen Komfort. [... aus der Einleitung]

Die Entwicklungszeiten in der Automobilindustrie werden immer kürzer, die Produktpalette deutlicher breiter und die Anforderungen an Insassen- und Fußgängerschutz immer höher. Dafür müssen aus Sicht eines Engineeringdienstleisters Konzepte bereitgestellt werden, welche gut individualisierbar sind, mit geringem Aufwand an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden können und gleichzeitig abgesichert sind. Dies ist insbesondere für das noch junge Feld der Elektromobilität von Bedeutung. Gerade hier sind flexible Konzepte wichtig, da neben den etablierten OEM auch neue Wettbewerber erscheinen. Für diesen Zweck wird bei EDAG ein Technologieträger einer modularen Zusatzbatterie entwickelt, welches auf einer Struktur aus Halbzeugen (Strangpressprofile) in Kombination mit individualisierbaren, funktionsintegrierten, additiv gefertigten Knoten basiert. Die Struktur der Knoten ist mittels Topologieoptimierung auf einen Crashlastfall ausgelegt und außerdem die Funktionen zur Medienverteilung, Profilanbindung, Karosserieversteifung und Halteelemente integriert. Nachfolgend werden die für die Entwicklung dieses Bauteils nötigen Grundlagen, der aktuelle Projektstand und der Engineeringprozess beschrieben. [... aus der Einleitung]

Die Digitalisierung stellt die Unternehmen über alle Industrien hinweg vor große Herausforderungen (Fitzgerald 2014). Im Kontrast dazu, bieten die neuen Technologien und die damit verbundenen Methoden ein riesiges Potential für den Erfolg eines jeden einzelnen Unternehmens. Um diesen Herausforderungen zu begegnen und die Mehrwerte aus den neuen Technologien zu schöpfen, sind im Themengebiet der Digitalisierung gut informierte und gut ausgebildete Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter ein wichtiger Faktor. Die Belegschaft von morgen sind die Schülerinnen und Schüler von heute. Diese jungen Talente müssen mit geeigneten Maßnahmen an die Digitalisierung und die entsprechenden Arbeitsweisen herangeführt werden. Dies ist insbesondere im Prozess der Berufs- und Studienorientierung wichtig (Hammer 2010). Allerdings werden diese Kompetenzen kaum oder nicht in Schulen vermittelt (Reher 2010). Eine Möglichkeit dafür bilden Schülerlabore, die als außerschulischer Lernort einen Raum zum Entwerfen, Entwickeln und Erleben bieten (Streller 2011). Hauptziel der Schülerlabore ist es, die Interessen für die Fachgebiete zu wecken, und die Technologien, die Methoden und deren Berufsbilder zu vermitteln (Engeln 2004). Die drei Phasen, Entwerfen, Entwickeln und Erleben sollen am Beispiel des PROJECT 10|2018, einem gemeinsamen Ferienprojekt der Schülerlabore Create IT Studio von SAP und dem Future Mobility Campus von VW, verdeutlicht werden. In Abschnitt 2 werden die Begrifflichkeiten eines Schülerlabors näher erläutert und das Beispiel des Create IT Studios aufgezeigt. Danach folgt die theoretische Auseinandersetzung mit den Effekten auf Schülerinnen und Schüler durch regelmäßiges Experimentieren im Rahmen eines Schülerlabors in Abschnitt 3. Abschnitt 4 beschreibt die Produktentwicklung im Rahmen des Projektes 10|2018. Das Projekt wird durch eine Auswertung des Feedbacks der Teilnehmerinnen und Teilnehmer evaluiert und Rückschlüsse für die nächsten Projekte im Rahmen von Schülerlaboren getroffen. [... aus Punkt 1]

Beobachtungen der vergangenen Jahre zeigen, dass sich Unternehmen für die Entwicklung von Produkten zunehmend global verteilt aufstellen (Lindemann und Kern 2016). So bieten verteilt arbeitende Teams neben potenziellen Kostensenkungen und kürzeren Entwicklungszeiten auch die Möglichkeit, Synergieeffekte effektiv nutzen zu können. Insbesondere für die Entwicklung immer komplexer werdender Produkte, die an der Schnittstelle von Maschinenbau, Elektrotechnik oder Informatik entstehen, ist die überregionale Zusammenarbeit von Experten aus den verschiedenen Bereichen notwendig (Bavendiek et al. 2018a). Erst die Kooperation in verteilten Teams erlaubt es, das weltweit verteilte Know-How zu bündeln. Um den Produktentwicklungsprozess bedarfsgerecht zu unterstützen existiert eine Vielzahl von Methoden, die in den vergangenen Jahren einen immer größer werdenden Stellenwert in der Industrie erlangt haben. Trotz ihrer empirisch nachgewiesenen Vorteile für die Produktentwicklung (Graner & Behr 2012) lässt sich in der Praxis oftmals nur ein zögerlicher Methodeneinsatz beobachten (Gericke et al. 2016). Gerade in verteilten Entwicklungsprojekten stellt sich der Methodeneinsatz als Herausforderung dar, da viele Methoden für den Einsatz an einem Standort konzipiert und daher nur eingeschränkt für die spezifischen Anforderungen der verteilten Anwendung ausgelegt sind (Walter et al. 2016). Methoden können allerdings erst dann ihr volles Potential entfalten, wenn sie an die vorherrschende Entwicklungssituation angepasst werden. Allerdings fehlt zurzeit das Wissens um die entscheidenden Faktoren zur Beschreibung des Entwicklungskontextes in der standortverteilten Produktgenerationsentwicklung, was letztendlich dazu führt, dass Methoden zurzeit nicht bedarfs- und situationsgerecht an die entsprechende standortverteilte Entwicklungssituation angepasst werden können. Grundlegend hierfür ist zusätzlich ein allgemeingültiges Verständnis des Begriffs standortverteilte Produktgenerationsentwicklung. [... aus der Einleitung]

Der Umgang mit brennbaren Stoffen erfordert ein hohes Maß an Sicherheit und Aufmerksamkeit. Auf diese Anforderungen wird selbst in alltäglichen Situationen wie beispielsweise bei der Nutzung eines Gaskochers- und -grills hingewiesen. Fehler in der Handhabung können zu schwerwiegenden Folgen führen. Jedoch ist der Einsatz von brennbaren Stoffen in industriellen Prozessen und Produktionen notwendig. Unter definierten Bedingungen kann dabei der brennbare Stoff mit dem Sauerstoff aus der Luft eine explosionsfähige Atmosphäre bilden, die durch eine Zündquelle entzündet werden kann. Die Folge ist „eine plötzliche Oxidations- oder Zerfallsreaktion mit Anstieg der Temperatur, des Druckes oder beider gleichzeitig“ (ISO 8421 1987), eine Explosion. Durch Explosionen werden Menschen, Maschinen und Umwelt gefährdet. Die Zündquellen werden durch unterschiedlichste Ursachen bedingt. Am 07. Februar 2008 verursachte ein heiß gelaufenes Lager eine Explosion in einer Zuckerraffinerie, die 14 Menschen das Leben kostete (CSB 2009). Durch den Einsatz des Explosionsschutzes sollen solche Katastrophen und Unfälle verhindert werden. Dieses Gebiet der Sicherheitstechnik wird dabei in den elektrischen und nicht-elektrischen Explosionsschutz unterschieden. Im Rahmen des nicht-elektrischen Explosionsschutzes werden Geräte und Baugruppen betrachtet, die ihre Funktion mechanisch erfüllen (ISO 80079-36 2016). Essenzielle Komponenten sind dabei die klassischen Maschinenelemente wie Lager, Riemen oder Kupplungen. Diese Bauteile müssen alleinstehend und in Kombination die Anforderungen einer explosionsschutzgerechten Auslegung erfüllen. Diese Bedingung kann jedoch eine Herausforderung darstellen.