In einem Produktionssystem erfordern Produktionsabläufe mit hohen menschlichen Leistungsanforderungen, wie beispielsweise Umformprozesse, bei der Entwicklung eines neuen Produktes eine Anpassung der Prozessparameter aller Produktionsschritte. Unzulänglichkeiten sind hauptsächlich auf das Fehlen effizienter Möglichkeiten für sicheren Datenaustausch und Rekonfigurationsresilienz zurückzuführen. FLEX4RES erhält eine Förderung von Horizon Europe (Project number: 101091903) für die Erstellung einer offenen Plattform zur Rekonfiguration von Produktionsnetzwerken als Unterstützung resilienter Wertschöpfungsketten in der Fertigung. Hierbei wird eine plattformbasierte Fertigung genutzt, die auf hochmodernen Technologien wie Gaia-X und IDS für den Datenaustausch aufbaut, sowie die Asset Administration Shell (AAS) für die Umsetzung von innerbetrieblichen Rekonfigurationsverfahren.
Im Rahmen von FLEX4RES ermöglicht der digitale Zwilling des Wertschöpfungsnetzwerks als Schlüsseltechnologie die Realisierung von Rekonfigurationsprozessen in hochflexiblen Produktionssystemen und -netzwerken. Die Technologieverknüpfung wird durch das Schlüsselelement der Selbstbeschreibung mit verknüpften, standardisierten Informationsmodellen dargestellt - insbesondere in Bezug auf die Resilienz. Die entwickelte Plattform und spezielle Hardware sollen bestehende, in der Industrie bereits etablierte Lean-Management-Ansätze, die in Verbindung mit dem Rekonfigurationsmanagement stehen, mittels der Digitalisierung der Produktion, bekannt als Industrie 4.0, verbessern, indem der Informationsaustausch zwischen den Stakeholdern der Wertschöpfungskette ermöglicht wird.
Die Universität Siegen beschäftigt sich im Projekt hauptsächlich mit einem Anwendungsszenario einer rekonfigurierbaren Folgeverbundfertigung. Dies beinhaltet die Entwicklung eines rekonfigurierbaren Smart-Tool-Systems mit integrierten Sensoren in Zusammenarbeit mit anderen Projektpartnern. Das Smart-Tool-System umfasst ein Fehlererkennungssystem und eine KI-basierte Strategie für die effektive Anpassung der intelligenten Werkzeuge in unterschiedlichen Arbeitsschritten. Das KI-System unterstützt den gewerblichen Mitarbeiter bereits im ersten Prozessschritt bei der Erkennung, Bestimmung und Beseitigung von Fehlern. Hierzu gehören die physischen Anzeigegeräte, deren Einrichtung, das Erfassen von menschlichen Rückmeldungen, der kommunizierte Inhalt und das Interaktionskonzept zwischen dem Mitarbeiter und dem KI-System. Das Projekt ist von großer Bedeutung für die Realisierung hochflexibler Produktionssysteme und -netzwerke, bei denen die Rekonfiguration von Prozessen eine wesentliche Rolle spielt.
Im Produktportfolio, welches zur Herstellung i. d. R. von OEMs an Zulieferer weitergegeben wird, befinden sich sehr oft Karosseriebauteile, die mit der vorherrschenden Fertigungstechnik bei zuliefernden Mittelständlern nicht immer kostendeckend gefertigt werden können. Ursache ist eine hohe Anzahl an Varianten bei geringen Losgrößen. Statt solche Teile als Teilumfang großer Aufträge teuer und unprofitabel mitzuproduzieren, könnte eine varianten- und kapazitätsflexiblere Produktion geometrisch individualisierter Bauteile für mittelständische Zulieferer attraktiv und gewinnbringend machen.
Hierzu hat ein Konsortium mit 8 Partnern im Rahmen des Förderprogramm KoPa 35c des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BWMi) erfolgreich das Projekt SkaLaB beantragt (Förderkennzeichen: 13IK025B). Die Universität Siegen ist mit den Lehrstühlen FAMS, UTS und WiNeMe am Projekt SkaLaB beteiligt. Projektstart ist der 01.01.2023.
Ziel ist die Entwicklung und Erprobung hochflexibler, in Serie herstellbarer Herstellungscenter für in allen Dimensionen skalierbare Karosserieblechbauteile (Geometrie, Halbzeug, Werkstoff, Fertigungsmenge). Die Herstellcenter sollen erstmals ermöglichen, die Prozessreihenfolge in der Serienproduktion bauteilindividuell verändern zu können. Damit sollen die Herstellkosten für neue, geometrisch unterschiedliche Karosserievarianten gesenkt werden.
Bislang verwendet die Folgeverbundfertigung von Blechbauteilen fest verknüpfte Umformstufen zur Herstellung eines Bauteils. Mehrere Bauteile werden später im Zusammenbau zu Baugruppen gefügt. Stand heute werden praktisch keine Fertigungsfolgen in der Blechteileherstellung, die Fügen und Umformen koppeln bzw. mischen, genutzt. Ebenso erfolgt die Aufteilung von Umformschritten fest verknüpft unter einem Stößel, so dass Optimierungen an einer Stelle auch immer Auswirkungen auf alle anderen Stufen haben.
Durch ein technisches Auflösen der Einzelschritte und Fertigungsfolgen kann eine deutliche Erhöhung der Flexibilität erreicht werden. So kann z. B. eine variantenbildende Unterscheidung durch Schweißen eines bereits gebogenen Teils in der Prozesskette nach hinten verlagert werden, um Losgrößeneffekte zu erzielen. Notwendig ist dann jedoch eine intelligente Verknüpfung durch einen Prozessgenerator. Dieser wahrt zum einen die Produktivität und stellt zum anderen die geforderten Teileeigenschaften sicher. alt: Trennen → Umformen 1 → Umformen 2 → … → Spannen → Fügen neu: Trennen → Umformen 1→ Spannen → Fügen → Umformen 5 → Umformen 4 → Trennen Fügen → Umformen 2 → Fügen
Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) kombiniert die Fähigkeiten von Menschen und Robotern, um zukünftig inklusivere und menschzentriertere Produktionsprozesse in der Industrie zu ermöglichen. Die Möglichkeiten von MRK in der Fertigung sind in Laborumgebungen breit erforscht worden. MRK-Systeme kommen jedoch bislang kaum in der Produktion zum Einsatz. Als wichtige Gründe hierfür können die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit angesehen werden, die die Kollaborationseffizienz beschränken – insbesondere für Bewegungen mit höherer Geschwindigkeit. Eine der aktuellen Herausforderungen für die reale Kollaborationsfähigkeit von MRK ist die kollaborative Handhabung eines Objekts. Hierbei ist es noch unklar, wie sich Roboter und Menschen verhalten sollten, um ein Objekt gemeinsam zu handhaben und die Bewegung zur gegenseitigen Unterstützung zu antizipieren. Ein Ansatz ist, Roboterbewegungen so zu erzeugen, dass Risiken für menschliche Körperteile vermieden werden, welche z. B. aus hohen Geschwindigkeiten des Tool-Center-Points des Roboters, die als Reaktion auf menschlicher Bewegung resultieren könnten, entstehen. Hierfür Bewegungsmodelle zu koppeln ist schwierig, da anders als Industrieroboterbewegungen menschliche Bewegungen mit geometrischen oder analytischen Modellen wie der Festkörperdynamik nicht realitätsnah modelliert werden können. Stattdessen werden in unterschiedlichen Forschungs- und Industrieanwendungen z. B. in Sport, Gesundheit, Film, Ergonomie und Produktion Modelle zur Erzeugung realistischer, menschlicher Bewegungen auf Basis von Motion-Capture-Daten genutzt.
HiSMoT wird von der DFG (Projektnummer: 500490184) in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum gefördert. In diesem Forschungsprojekt, der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Montage (FAMS) untersuchen, wie um datengetriebene Bewegungsmodelle für Menschen mit Bewegungsmodellen für Roboter in MRK-Anwendungen echtzeitfähig zu koppeln. Hierbei konzentriert sich das Projekt auf die kollaborative Handhabung starrer Teile. Bei der echtzeitfähigen Modellierung werden Bewegungen mit hoher Geschwindigkeit sowie die Körperkontaktkraftmodellierung zur Vermeidung gefährlicher Sekundärkollisionen (z. B. zwischen Roboterarm und Ellenbogen) bei der Trajektorienerzeugung berücksichtigt. Eine zentrale Forschungsfrage ist, wie menschliche und robotische Bewegungsmodelle basierend auf Motion-Capture-Daten realisiert und gekoppelt werden können. Hierfür werden Methoden zur Regelung in Latent Spaces erforscht und untersucht, ob sie für hohe gegenseitige Unterstützung und Antizipation geeignet sind.
Die Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess mit der Umgebung, welcher zu einer allmählichen Zerstörung von metallischen Bauteilen führt. Um Korrosion zu verhindern, gibt es verschiedene Verfahren und Vorgehensweisen, wie z.B. das Feuerverzinken oder Lackieren, die allgemein als Korrosionsschutz bezeichnet werden. Das Feuerverzinken ist eine diskontinuierliche Verfahrenstechnik, bei der zuvor gefertigte Eisen- und Stahlteile in eine flüssige Zinkschmelze getaucht werden.
Speziell bei Bauteilen mit anspruchsvoller und komplexer Geometrie, wie z.B. Baugerüststangen, welche eine verzinkte Innenfläche aufweisen, muss hierbei manuell nachgearbeitet werden. Jedoch ist der Aufwand der manuellen Nacharbeit sehr hoch, wodurch sich beim Facharbeiter eine hohe Monotonie mit Ermüdungscharakter entwickeln kann. Zudem muss eine Mindestschichtdicke eingehalten werden, welche durch das manuelle Feinverputzen nicht unterschritten werden darf. Dies hat zur Folge, dass Fachkräfte mit einer hohen Erfahrung im Bereich der exakten Nachbearbeitung von feuerverzinkten Bauteilen benötigt werden. Dementsprechend herrscht in der gesamten Branche ein großer Mangel an Fachkräften.
Ziel dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens in Zusammenarbeit mit der Firma Jabertools & Robotics ist die Entwicklung eines roboterbasierten, selbstlernenden und automatisierten Feinverputz-Prozess von feuerverzinkten Bauteilen. Hierbei wird beabsichtig die Detektion und das Feinverputzen der Fehlstellen auf der Oberfläche von feuerverzinkten Bauteilen komplett automatisiert durchzuführen.
Die aktuellen Innovationsschübe additive Fertigungssysteme und Industrie 4.0 haben das Potenzial, die Produktionslandschaft umzuwälzen. Die derzeit übliche Fertigung komplexer Bauteile aus Einzelkomponenten und dem anschließenden Fügen zu Baugruppen könnte in Zukunft massiv zurückgehen, wenn sich funktionsintegrierte Lösungen in 3D-Druck Bauweise durchsetzen. Gleichzeitig entstehen neue Herausforderungen etwa in den vor- und nachgelagerten Prozessen. Insbesondere Mittelständler, die sich auf die Beherrschung aktueller Fertigungsprozesse spezialisiert haben, müssen sich frühzeitig auf die neue Situation vorbereiten. Gerade KMU scheuen jedoch die Einstiegsinvestitionen, die für den Know-How-Aufbau notwendig sind, da sie der Relevanz und Einsatzfähigkeit der neuen Technologien in ihrem Umfeld nicht vertrauen.
SmaPS ermöglicht als Forschungsinfrastrukturprojekt fünf Lehrstühlen der Universität Siegen den Einstieg in neue Technologien (3D-Druck, Steifigkeitsmessungen von Werkzeugen, Bewegung von Werkern mittels Motion Capture). Für die Unternehmen, insbesondere die KMU, besteht die Möglichkeit zur engagierten Mitarbeit im dabei entstehenden Zentrum SmaPS unter Vermeidung eigener, oftmals nicht realisierbarer, Großinvestitionen. SmaP kann dabei als verlängerte Experimentierbank genutzt werden, wo losgelöst vom Produktionsdruck, Experimente durchgeführt werden können, welche zwischen der Phase der Technologieentwicklung und der technischen Nutzbarkeit liegen.
Der Lehrstuhl FAMS ist im Projekt an zwei Investitionsvorhaben beteiligt:
Sensoren für die Erfassung menschlicher Bewegungen im Produktionsbetrieb
Der Lehrstuhl FAMS hat drei Inertialsensor-basierte Systeme zur Erfassung menschlicher Bewegungen beschafft. Es handelt sich um zwei xsens MVN Link Systeme, bei denen die Sensoren mit Kabeln verunden sind und das mit 240 Hz arbeitet sowie ein robusteres xsens MVN Awinda System, bei dem die Sensoren kabellos arbeiten und das mit 60 Hz arbeitet. Die xsens Systeme werden durch zwei Paar Manus VR Handschuhe zur Erfassung von Fingerbewegungen sowie zwei Pupil Invisible Brillen zur Erfssung von Augenbewegungen ergänzt. Mit den Systemen können auch mehrere Stunden lang Bewegungen von Mitarbeitern im operativen Umfeld genau zu erfassen.
Nutzen: Digitale Arbeitsplanung auf Basis realer Bewegunsgabläufe, Arbeitsplatzoptimierung hinsichtlich Effizienz und Ergonomie
Additives Fertigungssystem zum Laserauftragsschweißen
Der Lehrstuhl FAMS ist aktuell dabei, in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Produktentwicklung (Prof. Reinicke) ein additives Fertigungssystem für Metalle zu beschaffen. Dabei handelt es sich um ein Laserschmelzsystem (LBM-Verfahren). Mit ihm kann auf bestehende Teile aufgeschweißt, Teile durch Aufschweißen gefügt und Teile lasergeschnitten werden.
Nutzen: Aufschweißen komplizierter und filigraner Gemoetrien, Sensorintegration in Bauteile, Aufbereitung gebrauchter Werkzeuge
Technologische Innovationen müssen zwangsweise mittels einer geeigneten Fertigung in den Markt eingeführt werden. Dabei ermöglichen neue Fertigungstechniken wie additive Fertigung oder Automatisierung von Prozessen die kostengünstige Umsetzung von vorher unwirtschaftlichen Ideen.
Zur Unterstützung der lokalen Industrie hat die Universität Siegen ein ZIM Forschungsprojekt (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) für neuartige Walzentechnologie in Kooperation mit einem ansässigen Hersteller begonnen. Das Projekt soll zum einen die traditionelle Fertigung erneuern und wirtschaftlicher gestalten, zum anderen die Möglichkeiten für Produktverbesserungen durch innovative Fertigungstechniken und -automatisierung erforschen.
So sollen durch die Integration von neuestem Wissen im Bereich der Produktionstechnik Produktverbesserungen wie Sensorintegration, Umkonstruktionen und Effizienzverbesserungen zur Steigerung der Nachhaltigkeit ermöglicht und durchgeführt werden. Der Lehrstuhl FAMS ist durch die Forschungskompetenzen im Bereich der additiven Fertigung, kollaborativer Robotersysteme und der Erfahrung in der Modellierung manueller Montageprozesse besonders dafür geeignet, innovative Techniken in die Wirtschaft einzubringen.
Eine Kernidee von Industrie 4.0 ist die Abbildung der Produktion in Form eines digitalen Schattens. Aber warum wird dabei menschliches Verhalten meist stark vereinfacht? „Menschliche Bewegungen sind so vielfältig, dass sie mit heutigen Mitteln sehr aufwändig zu modellieren sind“ sagt Professor Dr.-Ing. Martin Manns, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Montage an der Universität Siegen.
Das ITEA3-Forschungsprojekt MOSIM (End-to-end Digital Integration based on Modular Simulation of Natural Human Motions) möchte das ändern, indem es Verfahren aus der Spieleindustrie mit denen der Produktionsforschung kombiniert. Es wird ein Baukasten menschlicher Bewegungsmodule (sogenannte Motion Model Units) entwickelt, die sich zu 3D Simulationen zusammensetzen lassen. Damit sollen nicht nur optimale Soll-Bewegungen sondern die häufigsten Ist-Bewegungen mit geringem Aufwand simulierbar werden. Die Simulationen können in der Automobilmontage, der Bauindustrie sowie in Fußgängersimulationen genutzt werden.
Das Projekt MOSIM umfasst vier nationale Konsortien aus Deutschland, Schweden, Finnland und Österreich, in denen sich insgesamt 22 Partner beteiligen. Konsortialführer ist die Daimler AG. Die wissenschaftlichen Partner im deutschen Konsortium sind die Universität Siegen und das DFKI Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Saarbrücken.
In einem Produktionssystem erfordern Produktionsabläufe mit hohen menschlichen Leistungsanforderungen, wie beispielsweise Umformprozesse, bei der Entwicklung eines neuen Produktes eine Anpassung der Prozessparameter aller Produktionsschritte. Unzulänglichkeiten sind hauptsächlich auf das Fehlen effizienter Möglichkeiten für sicheren Datenaustausch und Rekonfigurationsresilienz zurückzuführen. FLEX4RES erhält eine Förderung von Horizon Europe (Project number: 101091903) für die Erstellung einer offenen Plattform zur Rekonfiguration von Produktionsnetzwerken als Unterstützung resilienter Wertschöpfungsketten in der Fertigung. Hierbei wird eine plattformbasierte Fertigung genutzt, die auf hochmodernen Technologien wie Gaia-X und IDS für den Datenaustausch aufbaut, sowie die Asset Administration Shell (AAS) für die Umsetzung von innerbetrieblichen Rekonfigurationsverfahren.
Im Rahmen von FLEX4RES ermöglicht der digitale Zwilling des Wertschöpfungsnetzwerks als Schlüsseltechnologie die Realisierung von Rekonfigurationsprozessen in hochflexiblen Produktionssystemen und -netzwerken. Die Technologieverknüpfung wird durch das Schlüsselelement der Selbstbeschreibung mit verknüpften, standardisierten Informationsmodellen dargestellt - insbesondere in Bezug auf die Resilienz. Die entwickelte Plattform und spezielle Hardware sollen bestehende, in der Industrie bereits etablierte Lean-Management-Ansätze, die in Verbindung mit dem Rekonfigurationsmanagement stehen, mittels der Digitalisierung der Produktion, bekannt als Industrie 4.0, verbessern, indem der Informationsaustausch zwischen den Stakeholdern der Wertschöpfungskette ermöglicht wird.
Die Universität Siegen beschäftigt sich im Projekt hauptsächlich mit einem Anwendungsszenario einer rekonfigurierbaren Folgeverbundfertigung. Dies beinhaltet die Entwicklung eines rekonfigurierbaren Smart-Tool-Systems mit integrierten Sensoren in Zusammenarbeit mit anderen Projektpartnern. Das Smart-Tool-System umfasst ein Fehlererkennungssystem und eine KI-basierte Strategie für die effektive Anpassung der intelligenten Werkzeuge in unterschiedlichen Arbeitsschritten. Das KI-System unterstützt den gewerblichen Mitarbeiter bereits im ersten Prozessschritt bei der Erkennung, Bestimmung und Beseitigung von Fehlern. Hierzu gehören die physischen Anzeigegeräte, deren Einrichtung, das Erfassen von menschlichen Rückmeldungen, der kommunizierte Inhalt und das Interaktionskonzept zwischen dem Mitarbeiter und dem KI-System. Das Projekt ist von großer Bedeutung für die Realisierung hochflexibler Produktionssysteme und -netzwerke, bei denen die Rekonfiguration von Prozessen eine wesentliche Rolle spielt.
Im Produktportfolio, welches zur Herstellung i. d. R. von OEMs an Zulieferer weitergegeben wird, befinden sich sehr oft Karosseriebauteile, die mit der vorherrschenden Fertigungstechnik bei zuliefernden Mittelständlern nicht immer kostendeckend gefertigt werden können. Ursache ist eine hohe Anzahl an Varianten bei geringen Losgrößen. Statt solche Teile als Teilumfang großer Aufträge teuer und unprofitabel mitzuproduzieren, könnte eine varianten- und kapazitätsflexiblere Produktion geometrisch individualisierter Bauteile für mittelständische Zulieferer attraktiv und gewinnbringend machen.
Hierzu hat ein Konsortium mit 8 Partnern im Rahmen des Förderprogramm KoPa 35c des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BWMi) erfolgreich das Projekt SkaLaB beantragt (Förderkennzeichen: 13IK025B). Die Universität Siegen ist mit den Lehrstühlen FAMS, UTS und WiNeMe am Projekt SkaLaB beteiligt. Projektstart ist der 01.01.2023.
Ziel ist die Entwicklung und Erprobung hochflexibler, in Serie herstellbarer Herstellungscenter für in allen Dimensionen skalierbare Karosserieblechbauteile (Geometrie, Halbzeug, Werkstoff, Fertigungsmenge). Die Herstellcenter sollen erstmals ermöglichen, die Prozessreihenfolge in der Serienproduktion bauteilindividuell verändern zu können. Damit sollen die Herstellkosten für neue, geometrisch unterschiedliche Karosserievarianten gesenkt werden.
Bislang verwendet die Folgeverbundfertigung von Blechbauteilen fest verknüpfte Umformstufen zur Herstellung eines Bauteils. Mehrere Bauteile werden später im Zusammenbau zu Baugruppen gefügt. Stand heute werden praktisch keine Fertigungsfolgen in der Blechteileherstellung, die Fügen und Umformen koppeln bzw. mischen, genutzt. Ebenso erfolgt die Aufteilung von Umformschritten fest verknüpft unter einem Stößel, so dass Optimierungen an einer Stelle auch immer Auswirkungen auf alle anderen Stufen haben.
Durch ein technisches Auflösen der Einzelschritte und Fertigungsfolgen kann eine deutliche Erhöhung der Flexibilität erreicht werden. So kann z. B. eine variantenbildende Unterscheidung durch Schweißen eines bereits gebogenen Teils in der Prozesskette nach hinten verlagert werden, um Losgrößeneffekte zu erzielen. Notwendig ist dann jedoch eine intelligente Verknüpfung durch einen Prozessgenerator. Dieser wahrt zum einen die Produktivität und stellt zum anderen die geforderten Teileeigenschaften sicher. alt: Trennen → Umformen 1 → Umformen 2 → … → Spannen → Fügen neu: Trennen → Umformen 1→ Spannen → Fügen → Umformen 5 → Umformen 4 → Trennen Fügen → Umformen 2 → Fügen
Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) kombiniert die Fähigkeiten von Menschen und Robotern, um zukünftig inklusivere und menschzentriertere Produktionsprozesse in der Industrie zu ermöglichen. Die Möglichkeiten von MRK in der Fertigung sind in Laborumgebungen breit erforscht worden. MRK-Systeme kommen jedoch bislang kaum in der Produktion zum Einsatz. Als wichtige Gründe hierfür können die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit angesehen werden, die die Kollaborationseffizienz beschränken – insbesondere für Bewegungen mit höherer Geschwindigkeit. Eine der aktuellen Herausforderungen für die reale Kollaborationsfähigkeit von MRK ist die kollaborative Handhabung eines Objekts. Hierbei ist es noch unklar, wie sich Roboter und Menschen verhalten sollten, um ein Objekt gemeinsam zu handhaben und die Bewegung zur gegenseitigen Unterstützung zu antizipieren. Ein Ansatz ist, Roboterbewegungen so zu erzeugen, dass Risiken für menschliche Körperteile vermieden werden, welche z. B. aus hohen Geschwindigkeiten des Tool-Center-Points des Roboters, die als Reaktion auf menschlicher Bewegung resultieren könnten, entstehen. Hierfür Bewegungsmodelle zu koppeln ist schwierig, da anders als Industrieroboterbewegungen menschliche Bewegungen mit geometrischen oder analytischen Modellen wie der Festkörperdynamik nicht realitätsnah modelliert werden können. Stattdessen werden in unterschiedlichen Forschungs- und Industrieanwendungen z. B. in Sport, Gesundheit, Film, Ergonomie und Produktion Modelle zur Erzeugung realistischer, menschlicher Bewegungen auf Basis von Motion-Capture-Daten genutzt.
HiSMoT wird von der DFG (Projektnummer: 500490184) in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum gefördert. In diesem Forschungsprojekt, der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Montage (FAMS) untersuchen, wie um datengetriebene Bewegungsmodelle für Menschen mit Bewegungsmodellen für Roboter in MRK-Anwendungen echtzeitfähig zu koppeln. Hierbei konzentriert sich das Projekt auf die kollaborative Handhabung starrer Teile. Bei der echtzeitfähigen Modellierung werden Bewegungen mit hoher Geschwindigkeit sowie die Körperkontaktkraftmodellierung zur Vermeidung gefährlicher Sekundärkollisionen (z. B. zwischen Roboterarm und Ellenbogen) bei der Trajektorienerzeugung berücksichtigt. Eine zentrale Forschungsfrage ist, wie menschliche und robotische Bewegungsmodelle basierend auf Motion-Capture-Daten realisiert und gekoppelt werden können. Hierfür werden Methoden zur Regelung in Latent Spaces erforscht und untersucht, ob sie für hohe gegenseitige Unterstützung und Antizipation geeignet sind.
Die Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess mit der Umgebung, welcher zu einer allmählichen Zerstörung von metallischen Bauteilen führt. Um Korrosion zu verhindern, gibt es verschiedene Verfahren und Vorgehensweisen, wie z.B. das Feuerverzinken oder Lackieren, die allgemein als Korrosionsschutz bezeichnet werden. Das Feuerverzinken ist eine diskontinuierliche Verfahrenstechnik, bei der zuvor gefertigte Eisen- und Stahlteile in eine flüssige Zinkschmelze getaucht werden.
Speziell bei Bauteilen mit anspruchsvoller und komplexer Geometrie, wie z.B. Baugerüststangen, welche eine verzinkte Innenfläche aufweisen, muss hierbei manuell nachgearbeitet werden. Jedoch ist der Aufwand der manuellen Nacharbeit sehr hoch, wodurch sich beim Facharbeiter eine hohe Monotonie mit Ermüdungscharakter entwickeln kann. Zudem muss eine Mindestschichtdicke eingehalten werden, welche durch das manuelle Feinverputzen nicht unterschritten werden darf. Dies hat zur Folge, dass Fachkräfte mit einer hohen Erfahrung im Bereich der exakten Nachbearbeitung von feuerverzinkten Bauteilen benötigt werden. Dementsprechend herrscht in der gesamten Branche ein großer Mangel an Fachkräften.
Ziel dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens in Zusammenarbeit mit der Firma Jabertools & Robotics ist die Entwicklung eines roboterbasierten, selbstlernenden und automatisierten Feinverputz-Prozess von feuerverzinkten Bauteilen. Hierbei wird beabsichtig die Detektion und das Feinverputzen der Fehlstellen auf der Oberfläche von feuerverzinkten Bauteilen komplett automatisiert durchzuführen.
Die aktuellen Innovationsschübe additive Fertigungssysteme und Industrie 4.0 haben das Potenzial, die Produktionslandschaft umzuwälzen. Die derzeit übliche Fertigung komplexer Bauteile aus Einzelkomponenten und dem anschließenden Fügen zu Baugruppen könnte in Zukunft massiv zurückgehen, wenn sich funktionsintegrierte Lösungen in 3D-Druck Bauweise durchsetzen. Gleichzeitig entstehen neue Herausforderungen etwa in den vor- und nachgelagerten Prozessen. Insbesondere Mittelständler, die sich auf die Beherrschung aktueller Fertigungsprozesse spezialisiert haben, müssen sich frühzeitig auf die neue Situation vorbereiten. Gerade KMU scheuen jedoch die Einstiegsinvestitionen, die für den Know-How-Aufbau notwendig sind, da sie der Relevanz und Einsatzfähigkeit der neuen Technologien in ihrem Umfeld nicht vertrauen.
SmaPS ermöglicht als Forschungsinfrastrukturprojekt fünf Lehrstühlen der Universität Siegen den Einstieg in neue Technologien (3D-Druck, Steifigkeitsmessungen von Werkzeugen, Bewegung von Werkern mittels Motion Capture). Für die Unternehmen, insbesondere die KMU, besteht die Möglichkeit zur engagierten Mitarbeit im dabei entstehenden Zentrum SmaPS unter Vermeidung eigener, oftmals nicht realisierbarer, Großinvestitionen. SmaP kann dabei als verlängerte Experimentierbank genutzt werden, wo losgelöst vom Produktionsdruck, Experimente durchgeführt werden können, welche zwischen der Phase der Technologieentwicklung und der technischen Nutzbarkeit liegen.
Der Lehrstuhl FAMS ist im Projekt an zwei Investitionsvorhaben beteiligt:
Sensoren für die Erfassung menschlicher Bewegungen im Produktionsbetrieb
Der Lehrstuhl FAMS hat drei Inertialsensor-basierte Systeme zur Erfassung menschlicher Bewegungen beschafft. Es handelt sich um zwei xsens MVN Link Systeme, bei denen die Sensoren mit Kabeln verunden sind und das mit 240 Hz arbeitet sowie ein robusteres xsens MVN Awinda System, bei dem die Sensoren kabellos arbeiten und das mit 60 Hz arbeitet. Die xsens Systeme werden durch zwei Paar Manus VR Handschuhe zur Erfassung von Fingerbewegungen sowie zwei Pupil Invisible Brillen zur Erfssung von Augenbewegungen ergänzt. Mit den Systemen können auch mehrere Stunden lang Bewegungen von Mitarbeitern im operativen Umfeld genau zu erfassen.
Nutzen: Digitale Arbeitsplanung auf Basis realer Bewegunsgabläufe, Arbeitsplatzoptimierung hinsichtlich Effizienz und Ergonomie
Additives Fertigungssystem zum Laserauftragsschweißen
Der Lehrstuhl FAMS ist aktuell dabei, in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Produktentwicklung (Prof. Reinicke) ein additives Fertigungssystem für Metalle zu beschaffen. Dabei handelt es sich um ein Laserschmelzsystem (LBM-Verfahren). Mit ihm kann auf bestehende Teile aufgeschweißt, Teile durch Aufschweißen gefügt und Teile lasergeschnitten werden.
Nutzen: Aufschweißen komplizierter und filigraner Gemoetrien, Sensorintegration in Bauteile, Aufbereitung gebrauchter Werkzeuge
Technologische Innovationen müssen zwangsweise mittels einer geeigneten Fertigung in den Markt eingeführt werden. Dabei ermöglichen neue Fertigungstechniken wie additive Fertigung oder Automatisierung von Prozessen die kostengünstige Umsetzung von vorher unwirtschaftlichen Ideen.
Zur Unterstützung der lokalen Industrie hat die Universität Siegen ein ZIM Forschungsprojekt (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) für neuartige Walzentechnologie in Kooperation mit einem ansässigen Hersteller begonnen. Das Projekt soll zum einen die traditionelle Fertigung erneuern und wirtschaftlicher gestalten, zum anderen die Möglichkeiten für Produktverbesserungen durch innovative Fertigungstechniken und -automatisierung erforschen.
So sollen durch die Integration von neuestem Wissen im Bereich der Produktionstechnik Produktverbesserungen wie Sensorintegration, Umkonstruktionen und Effizienzverbesserungen zur Steigerung der Nachhaltigkeit ermöglicht und durchgeführt werden. Der Lehrstuhl FAMS ist durch die Forschungskompetenzen im Bereich der additiven Fertigung, kollaborativer Robotersysteme und der Erfahrung in der Modellierung manueller Montageprozesse besonders dafür geeignet, innovative Techniken in die Wirtschaft einzubringen.
Eine Kernidee von Industrie 4.0 ist die Abbildung der Produktion in Form eines digitalen Schattens. Aber warum wird dabei menschliches Verhalten meist stark vereinfacht? „Menschliche Bewegungen sind so vielfältig, dass sie mit heutigen Mitteln sehr aufwändig zu modellieren sind“ sagt Professor Dr.-Ing. Martin Manns, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Montage an der Universität Siegen.
Das ITEA3-Forschungsprojekt MOSIM (End-to-end Digital Integration based on Modular Simulation of Natural Human Motions) möchte das ändern, indem es Verfahren aus der Spieleindustrie mit denen der Produktionsforschung kombiniert. Es wird ein Baukasten menschlicher Bewegungsmodule (sogenannte Motion Model Units) entwickelt, die sich zu 3D Simulationen zusammensetzen lassen. Damit sollen nicht nur optimale Soll-Bewegungen sondern die häufigsten Ist-Bewegungen mit geringem Aufwand simulierbar werden. Die Simulationen können in der Automobilmontage, der Bauindustrie sowie in Fußgängersimulationen genutzt werden.
Das Projekt MOSIM umfasst vier nationale Konsortien aus Deutschland, Schweden, Finnland und Österreich, in denen sich insgesamt 22 Partner beteiligen. Konsortialführer ist die Daimler AG. Die wissenschaftlichen Partner im deutschen Konsortium sind die Universität Siegen und das DFKI Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Saarbrücken.