Vortrag TU Ilmenau - VDMA

Transcrição

Systemdenken für die neue Fabrik an der
Technischen Universität Ilmenau?
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann
Fachgebiet Fabrikbetrieb
Fachgebiet Fertigungstechnik
Fakultät Maschinenbau
Technische Universität Ilmenau
© Ch. Mentzel
29.08.2016
Seite 1
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J.P. Bergmann
www.tu-ilmenau.de/fertigungstechnik/
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Fakultäten und Studienmöglichkeiten


2
TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/

TU Ilmenau – Fakultäten
Elektrotechnik und Informationstechnik (EI)
Maschinenbau (MB)
Mathematik und Naturwissenschaften (MN)
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Informatik und
Automatisierung (IA)
Wirtschaftswissenschaften und Medien
(WM)


3

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
 70 Mio €
Drittmittelaufkommen/Jahr
 45 Mio €
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Budget Grundausstattung/Jahr


4

[Forschung und Lehre 01/2015]
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TU Ilmenau – Für ihre Größe äußerst forschungsstark!


5

Fakultät für Maschinenbau – Historie
1894 Thüringisches Technikum
für Maschinenwesen und Elektrotechnik
1926 Ingenieurschule Ilmenau mit den Studiengängen Maschinenbau und Elektrotechnik
1953 Hochschule für Elektrotechnik
60 Jahre Fakultät
für Maschinenbau
am 04.11.2015!
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
1990 Sektion Gerätetechnik wird Fakultät für Maschinenbau mit einem
Schwerpunkt Feinwerktechnik
1992 Technische Universität Ilmenau mit fünf Fakultäten
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1972 Umbenennung in Sektion Gerätetechnik;
sie war eine der sieben Sektionen der TH Ilmenau.


6

Fakultät für Maschinenbau – Einige Zahlen (2015)
 1.200
Anzahl Studierende
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 €
> 15 Mio €
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Drittmittelaufkommen/Jahr
Σ 25


8

Fakultät für Maschinenbau – Wissenschaftsprofil
und Fachgebiete (01.10.2015)
Konstruktion
• Maschinenelemente
• Konstruktionstechnik
• Feinwerktechnik/
Precision Engineering
Produktionstechnik
Mechanik u. Mechatronik
•
•
•
•
•
•
•
•
Fertigungstechnik
Fabrikbetrieb
Arbeitswissenschaft
Qualitätssicherung und
Industrielle Bildverarb.
• Kunststofftechnik
Technische Mechanik
Mechanismentechnik
Mechatronik
Rechneranwendung
im Maschinenbau
• Mikromechan. Systeme
• Biomechatronik
Prozesse, Maschinen,
Ausrüstungen, Geräte,
Kraftfahrzeugtechnik
intelligente Komponenten Prozessmess- und
Energieeffiziente
Sensortechnik
Fahrzeugantriebe
und Werkstoffe
• Prozessmesstechnik
für Maschinenbau,
• Fertigungs- und
Präzisionsmesstechnik
Präzisionstechnik,
Thermo- u. Fluiddynamik
• Techn. Thermodynamik
Fahrzeugtechnik
Fahrzeugtechnik
• Strömungsmechanik
• Aerodynamik
Werkstofftechnik
• Anorganisch-nichtmetall.
Werkstoffe
• Metallische Werkstoffe
und Verbundwerkstoffe
* Stiftungsprofessuren
Technische Optik
und Lichttechnik
• Technische Optik
• Lichttechnik
• Optik-Design, Modellier./
Simulation opt. Systeme
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•
•


9

Pressschweißen
- Diffusionsschweißen
- Reibbasierte Fügeverfahren
- Ultraschallschweißen
Lasermaterialbearbeitung
- Laserstrahlschweißen
- Laserstrahlschneiden
- Laseroberflächenmodifikation
Lichtbogentechnik
- Schweißen
- Auftragschweißen
- Verwandte Verfahren
Zerspanung
- Drehen
- Fräsen
- Mikrobearbeitung
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Standort: Newtonbau
Gruppe
16 Wissenschaftler
6 technische Mitarbeiter
1 Verwaltungsangestellte
Einrichtung eines Schwerpunktes in 2015
Additive Manufacturing
- 3D Druck
- Lichtbogenbasierte Verfahren
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Thüringer Zentrum für Maschinenbau
Wissenschaftseinrichtungen
Günter-Köhler-Institut
für Fügetechnik und Werkstoffprüfung
GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik
und Entwicklung Schmalkalden e.V.
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Thüringer Zentrum für Maschinenbau
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
-
Automatisierung
-
Modularisierung Fertigungszelle
-
Vernetzung/Bündelung von
Forschungsressourcen
Carstens, P.; FAZ [7]
2030
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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 Befriedigung
einzelner 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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Reagieren wir zur Zeit? oder müssen wir „lediglich“
die unterschiedlichen Disziplinen in einem neueren
Kontext bewerten und entwickeln?
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
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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
Frühzeitige Möglichkeit, im
Entwicklungsprozess die
Darstellung „fassbar“ zu
machen
Produktion-/Fertigungstechnik
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
„selbstständige Einbindung
von externen Fabriken in
den Produktionsablauf“
Lieferzeit!
„Die heute vergleichsweise starren, individuell ausgehandelten
Beziehungen von Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette
verwandeln sich in ein stark fragmentiertes, dynamisches und sich
teilweise je Auftrag änderndes Wertschöpfungsnetzwerk. Dies gilt sowohl
horizontal über den Herstellungsprozess als auch vertikal bezüglich der
Fertigungstiefe.“
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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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Wandlungsfähige Fabrik
„LEGO in production sites,
a new organisation challenge“
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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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Kann es ein Modell sein? Welche Voraussetzungen?
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
Mobilität
Geschäftsmodelle
…
www.schulbilder.org
www.thueringen.info
Müssen wir uns von der klassischen Wertschöpfungskette mit klarer
Trennung der Aufgaben verabschieden, insbesondere in der
Wechselwirkung Kunde/Lieferanten/Fertigung?
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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
Toleranz
Geringe Ausschussrate
Ressourcen/Energie
Reproduzierbarkeit
Emissionen
Technologischer Prozess
in der Produktion
-
Strukturierte Kenntnisse der Wechselwirkungen
In-line Prüfung
Übergang von Prozessüberwachung zu Prozessregelung
auch in komplexen Systemen
Merkmale und Datenübertragung
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Dauer: 30-80 min
G4Si1
Wandstärke Rohr: 4 mm
Wandstärke Ring: 5 mm
Durchmesser Rohr: 100 mm
Durchmesser Ring: 152 mm
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Ding et al., (2015), Int. Journal of advanced manufacturing technologies
Roboterbahngenerierung
CAD-CAM Übersetzung und Slicen
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Gefüge/Mikrostruktur
Verzug/Spannungen
Trichter Eingang nach Stückzahl und
Lieferzeit
Herstelldaten an Plattform
Bauteilinformationen und
vernetzte Bearbeitung
z.B. Zeiten, Werkzeuge, Prozessparameter
Morphologischer Baukasten
zur Entscheidung Herstellmöglichkeiten
Verfügbarkeit Anlagen und Halbzeuge
Bulk Material, Blech, Profile, Rohre
HR1: Zerspanung
Draht, Pulver
HR2: Schweißen
HR3: Additives Fertigen
Schutzgas, Umgebungsbedingungen
Wärmebehandlung
Bauteil bzw. Baugruppen
z.B. Gradierung im Bauteil, Härte etc.
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Einfluss haben diese Vorgänge auch auf die Nachbearbeitung, die es
entlang der Wertschöpfungskette gibt und geben wird
Welche Daten bzw.
welche Kenngrößen
sollen weitergegeben
werden?
T
Wärmebehandlung
t
f
Additiv hergestelltes
Bauteil/Halbzeug
Zerspanen
t
In Anlehnung an Isaev et al., (2016)Procedia CIRP
Montage/Fügen
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?
Additive Fertigung
Einflüsse auf:
-
[Fachgebiet Fabrikbetrieb]
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Intralogistik
Fertigungssteuerung
Produktentwicklung
Produktlebenszyklus
Fälschungssicherheit
Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)
Quelle: Berghof Group
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Überlagerung eines Scheibenlasers mit einem Diodenlaser
Versuch 1
PScheibe = 4 kW
vs = 15 m/min
@ 5000 fps
Versuch 2
PScheibe = 4 kW
PDiode
= 1 kW
vs = 15 m/min
@ 5000 fps
Versuch 3
PScheibe = 4 kW
PDiode
= 2 kW
vs = 15 m/min
@ 5000 fps
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Laserstrahlformung
- Abbildung des Laserstrahles kann in Abhängigkeit der Aufgaben und der
Emissionen aus dem bearbeiteten Bereich ausgelegt oder durch Aktorik
angepasst werden
Transform[1]
Split[2] [4]
Multiplexing
Diffuse[3]
100µm
[1] Bryngdahl, O.: Optical Map Transformation; Opt. Comm. 10 (1974)
FG Fertigungstechnik, FG Technische Optik
[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)
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Seite 45
Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)
29.08.2016
Seite 46
Smarte Produktentwicklung (SP2) und Innovative
Produktentwicklung (IPE)
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Seite 47
Auf einem ersten Blick…
Informationsfluss
Fertigungstechnologien
Produktentwicklung, VR
Mess- und Sensortechnik
Informationsfluss
Maschinen- und
Anlagen
Informationsfluss
Modelle zur Abbildung der Prozesse  Einbindung in
übergeordnete Systeme
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Seite 60
Auf einem ersten Blick…
Produktentwicklung, VR
Informationsfluss
Fertigungstechnologien und
Sensorik
Maschinen- und
Anlagen
Informationsfluss
Datenaufbereitung, Datensicherheit
Netzwerke, Datenaustausch
29.08.2016
Seite 61
Umgang mit Daten, Simulation und
Relevanz
Echtzeit wandelnde Produktionsplanung
Informationsfluss
Was bietet die TU Ilmenau …und das ThZM
Horizontale Integration über
Wertschöpfungsnetzwerke
Durchgängigkeit des
Engineerings über die gesamte
Wertschöpfungskette
Technologie Cyber-PhysicalSystems
Neue soziale Infrastrukturen der
Arbeit
Vertikale Integration und
vernetzte Produktionssysteme
nach Acatec
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Seite 62
Systemgetriebener
Gedanke in den
wissenschaftlichen
Arbeiten als
Grundlage für die
Umsetzung neuer
Modelle in der
Fabrik

Vortrag TU Ilmenau - VDMA

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