Wiedersehen macht Freude

NEWS Mitteilungen der WiGeP

Liebe Leserinnen und Leser,

dass sich Mut manchmal lohnt, hat unsere diesjährige Herbsttagung gezeigt. Nur Dank des unverdrossenen planerischen Vorgehens unserer Aachener Kollegen konnten wir die Gunst der Stunde nutzen eine weitgehend unbefangene Herbstta- gung mit Tuchfühlung durchführen, die wir alle sehr genossen haben. Vielen Dank dafür, auch von dieser Stelle an unserer Gastgeber Professor Georg Jacobs und sein Team.

Mut werden wir aber auch brauchen, wenn wir uns den mannigfaltigen vor uns liegenden Herausforderungen und den damit verbundenen Veränderungen in Forschung und Lehre stellen.

In diesen vorliegenden WiGeP News wird an den verschiedenen Stellen über Digi- talisierung und Datenmanagement be- richtet. Multi-Materialität und gradierte Materialien sowie Adaptivität stellen weitere Chancen für die methodische Produktentwicklung dar. Smarte Mensch- Maschine-Systeme, aber auch Prothe- tik und Haptikuntersuchungen werden ebenfalls thematisiert. Mit dem Thema Zirkularität wird Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit diesmal zwar nur ange- sprochen, auch das wird uns in Zukunft beschäftigen.

Wir bedanken uns bei den Mitgliedern für die zahlreichne Beiträge.Bleiben Sie ge- sund und viel Spaß bei der Lektüre, Ihr/ Euer

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer

Bild 1: Gruppenbild Herbsttagung 2021

N

ach zwei Jahren konnte die WiGeP Herbsttagung unter Einhaltung eines Hygienekonzepts wieder in Präsenz statt- finden. Die dreitägige Veranstaltung wurde nach Einladung von Professor Jacobs in Aachen ausgetragen und zeichnete sich durch eine große Teilnehmeranzahl sowie eine belebte Diskussionskultur aus.

Die Tagung begann mit einem gemeinsamen Abendessen im Aachener Parkhotel Quel- lenhof und wurde durch Herrn Professor Stahl als Vorstandvorsitzenden und Herrn Professor Jacobs als Gastgeber eröffnet. Es wurde gut gegessen und das Wiedersehen durch viele Gespräche genossen.

Am zweiten Tag begann der offizielle Teil der Tagung mit der Mitgliederversamm-

WiGeP Herbsttagung 2021

Wiedersehen macht Freude

lung, bei der neben den vereinsrechtlichen Tagespunkten auch aus den Fach- und Arbeitsgruppen und anderen WiGeP- nahen Gesellschaften berichtet wurde. Zudem gab es einen Vortragsblock mit Gastrednern.

Neben Herrn Prof. Brecher, Präsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produkti- onstechnik (WGP) und Herr Dr. Biedermann von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), waren Herr Dr. Grün vom Springer- Verlag sowie Herr Fouhy und Herr Schnell von den VDI Fachmedien anwesend und berichteten von aktuellen Themen inner- halb Ihrer Organisationen. Außerdem wurde in Absprache mit Herrn Fouhy und Herrn Schnell beschlossen, dass die Fachzeitschrift

„Konstruktion“ um eine Doppelseite eigens

Abendessen im Restaurant mundArt im Drehturm Belvedere kling die Tagung im besinnlichen Beisammensein aus.

Der Vorstand bedankt sich bei allen Teilneh- mern für eine spannende und gelungene Herbsttagung und freut sich auf die Früh- jahrstagung 2022 in Graz.

Für die WiGeP

Kevin Herrmann, M. Eng.

seine Dissertation mit dem Pahl-Beitz-Preis geehrt wurde. Des Weiteren bekamen Herr Claas Blume und Herr Thomas Vorsatz für ihr Start-Up „CLOUS GmbH“, Herr Mat- thias Eisenmann und Herr Thomas Nelius für die Forschungsarbeit „Design Analysis of Competing Hypotheses (Design-ACH)“ und Herr Dr. Martin Ebner für die Forschungs- arbeit „Selbstschmierung hochbelasteter Zahnradkontakte mit schmierstoffgetränkten porösen Eisenwerkstoffen“ die neu ins Leben gerufenen Innovation Awards. Nach der Abendveranstaltung wurde das gesellige Bei- sammensein an der Hotelbar und der Innen- stadt fortgesetzt. Der letzte Tag der Tagung begann mit einer Führung durch das Center for Wind Power Drives (CWD) und den Chair for Digital Additive Production (DAP) auf dem Campus der RWTH Aachen, welche einen umfassenden Eindruck der Vielzahl der Forschungsfelder der RWTH Aachen ver- mittelte. Nach dem anschließenden Fach- gruppentreffen wurde der offizielle Teil der Tagung beendet. Durch ein abschließendes für die WiGeP ergänzt wird, auf der fachlich

relevante Beiträge der WiGeP-Mitglieder ver- öffentlich werden. Die WiGeP bedankt sich bei Herrn Fouhy und Herrn Schnell für diese Möglichkeit und freut sich auf die Zusam- menarbeit. Nach der Mitgliederversammlung wurde der Tag mit einem Gala-Dinner in der Alten Feuerwache in Würselen beendet.

Neben dem Abendessen wurde Professor Bertsche für sein langjähriges Engagement als Geschäftsführer der WiGeP mit der Ehren- medaille geehrt. Der zweite Höhepunkt des Abends war eine Preisverleihung auf der Herr Dr.-Ing. Marius Christian Fechter für

U

m aus zunehmend verfügbaren Daten zielführende Informationen abzuleiten, ist nach Bodendorf (2006) das Verstehen der semantischen Beziehungen zwischen den Datenpunkten notwendig [1]. So ist ein einzelner Temperatur-Wert erst dann sinnhaft interpretierbar, wenn z.B. der zugehörige Sensor, das Produkt und der

Einsatzort bekannt sind. Ontologien bie- ten in Form von Graphen ein mächtiges Werkzeug, diese semantischen Beziehun- gen über diverse Datenquellen hinweg abzubilden und mittels entsprechender Datenbanken abrufbar zu machen. Die Knoten bilden dabei die einzelnen Daten- punkte, die Kanten deren Beziehungen

zueinander. Im Forschungsprojekt „Hoch- temperatur Anwendungen Digitalisierung (HTA-DI)“ soll mithilfe einer Ontologie ein zentrales Informations-Management System über vielfältige Datenquellen reali- siert werden, welches das Produktionsum- feld in der additiven Fertigung semantisch als Digitalen Zwilling abbildet (vgl. Bild 1) und als Grundlage für mehrwertschaffende Funk-tionen eingesetzt wird. Die Ontologie bildet somit das semantische Metadaten- modell der Schattendaten (z.B. Betriebs- daten aus Druck-Maschinen) sowie der Masterdaten (z.B. Produktdaten), wodurch semantische Abfragen ermöglicht wer- den. Die Ontologie ist folglich der zentrale Ankerpunkt im Datenmanagementsystem und erfüllt die Funktion eines Data Cata- logs. Somit resultiert aus der Ontologie eine umfassende Informationsdarstellung einzelner Druckjobs (Fehlermeldungen, Temperaturverläufe, Bauteilgeometrie, Laser-Verläufe etc.) und eine Nachver- Bild 1: Konzept des Digitalen Zwillings in der additiven Fertigung mit Ontologie als zentralem Daten-

modell für das Datenmanagement

Semantisches Datenmanagement von Schatten- und Masterdaten im Digitalen Zwilling

Nutzung von Ontologien für Digitale Zwillinge in der additiven Fertigung

Inhalt der WiGeP-News

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Bericht Herbsttagung

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Wissenschaftliche Berichte

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Publikationen

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Zukünftige Veranstaltungen

folgbarkeit dieser Daten (Data Lineage) hin zur ursprünglichen Datenquelle [2].

Im Projekt HTA-DI wird im ersten Schritt die zielgerichtete Modellierung der Ontologie untersucht, um so eine Standardi-sierung in der Datenmodellierung zu erreichen. Dabei ist spezifisches Domänenwissen erforder- lich, um die semantischen Beziehungen der Daten derartig abzubilden, sodass die im additiven Fertigungsprozess benötig- ten Informationen bereitgestellt werden können. Die Modellierung der Ontolo- gie ist dabei ein iterativer Prozess, der nie final abgeschlossen ist. Neben der kor- rekten Modellierung der Ontologie, müs- sen zudem auch Datenquellen zugänglich gemacht werden, indem Schnittstellen für vielfältige IT-Systeme geschaffen werden.

Im Projekt wird zur informationstechni- schen Implementierung der Ontologie die Graphda-tenbank Neo4J genutzt, die bereits vielfäl-tige vordefinierte Schnittstel- len, wie z.B. für Streaming-Daten aus der Maschine via Apache Kafka, bereitstellt.

Dennoch sind gerade im Produktionskon- text die eingesetzten IT-Systeme häufig nicht für die Vernetzung mit vielfältigen Systemen ausgelegt. Somit ergibt sich aus der notwendigen IT-Anbindung für die Datenintegration eine der wesentlichen

Heraus-forderungen für die praxisnahe Imple-mentierung einer Ontologie. Darüber hinaus ist nicht nur die Integration der Daten in die Ontologie eine Herausforderung, sondern auch die Integration der durch die Ontologie erzeugten Informationen in die Fertigungsaktivitäten. Hierfür müssen passende Schnittstellen zu Nut-zern (User Interfaces) und zu anderen IT-Systemen, wie z.B. Application Programming Inter- faces (APIs), definiert und implementiert werden. Im Projekt HTA-DI werden nicht nur die Einsatzpotenziale der semantischen Datenvernetzung mit Ontologien aufge- zeigt, sondern auch deren praktische Her- ausforderungen bei der Implementierung in typische Produktionsumgebungen unter- sucht, die diese digitalisierungstreibende Projekte häufig als „Long Tail“ begleiten.

Für die nächsten Schritte ist ein Proof-of- Concept für begrenzte Anwendungsfälle (Use Cases) und darauf aufbauend eine sukzessive Erweiterung der Anwendungs- fälle vorgesehen, die sich durch einen sin- kenden inkrementellen Aufwand auf-grund der Wiederverwendbarkeit von geschaffe- nen Schnittstellen sowie der Erweiterbar- keit der Semantik auszeich-nen. Zudem erlaubt eine validierte Semantik, neben der primären Funktion als Data Catalog, wei-

tere Anwendungen, wie die graphbasierte Datenanalyse (bspw. zur Root-Cause Ana- lyse von Fehlern im Fertigungsprozess), die perspektivisch betrachtet werden sollen.

Das Projekt wird durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.

LITERATUR

[1] Freimut Bodendorf, Daten- und Wissensmanagement. Berlin, Heidelberg:

Springer Berlin Heidelberg, 2006. [Online].

Available: http://swbplus.bsz-bw.de/

bsz264354249cov.htm

[2] Jesus Barrasa, Amy Hodler, Jim Webber, Knowledge Graphs: Data in Context for Responsive Businesses:

O`Reilly, 2021.

AUTOREN

Till Blüher, M. Sc. (TU Berlin)

Pascal Lünnemann, M. Sc. (Fraunhofer IPK)

Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark

Fachgebiet Industrielle Informationstech- nik

TU Berlin

Forschungsdatenmanagement in Verbundprojekten

SFB 1368 - Sauerstofffreie Produktion

D

er Sonderforschungsbereich (SFB) 1368 Sauerstofffreie Produktion wird seit 2020 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Am SFB 1368 sind neben Instituten der Gottfried Wilhelm Leibniz Uni- versität auch Institute der Technischen Uni- versität Clausthal sowie das Laser Zentrum Hannover e.V. beteiligt. Insgesamt arbeiten im SFB rund 40 Forschende unterschied- licher Fachrichtungen an den Grundlagen auf dem Weg zu sauerstofffreien Produkti- onsprozessen. Im Rahmen dieses Verbund- projektes werden Prozesse und Wirkzonen in sauerstofffreier Atmosphäre zur Entwick- lung zukunftsfähiger Produktionstechnolo- gien erforscht. Die Produktionsprozesse der metallverarbeitenden Industrie werden in der Regel unter Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt, welches in der Produktions-

technik häufig ein wesentlicher Störfaktor ist.

Im SFB soll der Sauerstoffgehalt auf bisher nicht erreichbar niedrige Werte reduziert werden. In einer sauerstoff-freien Umgebung können ganz neue, energieeffiziente und res- sourcenschonende Prozesse und eine effizi- entere Produktion realisiert werden. Ziel ist es also ein grundle-gendes Verständnis über die Vorgänge und Mechanismen in Prozessen der Fertigungs-, Montage- und Handha- bungstechnik unter (technisch) vollständigem Ausschluss von Sauerstoff zu erlangen.

Das Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (IPeG) ist gemeinsam mit dem Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften (TIB) im zentralen SFB Teilprojekt Informationsinfrastrukturprojekt (INF) beteiligt. Das INF-Team implementiert

ein Forschungsdatenmanagementsystem (FDM-System) im SFB, das Funktionen für die Sammlung, Verarbeitung, Langzeitspeiche- rung und den Zugriff auf Forschungsdaten bereitstellt. Ergänzend wird ein kollabora- tives Wissensmanagementsystem entwickelt mit dem Ziel, eine formalisierte Daten- und Informationsvernetzung sowie ein Wissen- saustausch zwischen den beteiligten SFB- Teilprojekten zu etablieren. Das effiziente Management von Daten und Informationen, die in Forschungsprozessen anfallen und die Gewinnung von Wissen daraus sind kritische Erfolgsfaktoren für große Verbundprojekte.

FDM Prozesse sind Ingenieurswissenschaf- ten aktuell jedoch stark fragmentiert. Häufig gibt es keine einheitlichen Standards für die Beschreibung der Daten und die Dokumenta- tion der Datenerzeugung. Dabei ermöglicht

An-forderungen, um Daten mit Metadaten zu versehen und so Informationen über den Kontext eines Datensatzes zu liefern und die korrekte Interpretation dessen zu gewähr- leisten. Basierend auf Forschungsaktivitä- ten, Datenstrukturen und Gerätschaften der Forschenden ist ein Klassifikationssystem für die Komponenten der zu entwickelnden Technologie sowie ein verbundprojektspezi- fisches Vokabular abgeleitet worden, wel- ches die Grundlagen für die Entwicklung von Ontologien darstellen. Ontologien werden dann in FDM-Werkzeugen zur semantischen Vernetzung von Informationen eingesetzt und unterstützten bei der Implementierung von Wissenskomponenten. Zur Erleichte- rung der Nachnutzung von Forschungsdaten nach Ende des Verbundprojektes werden Open-Source-Systeme eingesetzt. Das im die umfassende Dokumentation und zeit-

nahe Bereitstellung von Daten über mehrere zusammenhängende Teilprojekte hinweg allen Beteiligten eine effizientere Verarbei- tung und Analyse. Daten Repositorien dienen als FDM-System der Archivierung und dem späteren Zugriff auf Daten, sie werden durch Metadaten umfangreich beschrieben. Wis- sensmanagementsysteme (WMS) ergänzen die Dokumentation der Daten-Provenienz:

Warum, wie, wo, wann und von wem wurden Daten erzeugt. Die Verknüpfung und kom- binierte Nutzung solcher Systeme erzeugt Mehrwerte für Forschende, insbesondere bei der Identifi-zierung von Zusammenhängen und sind wichtige Hilfsmittel bei der Imple- mentierung der FAIR-Data-Prinzipien (Fin- dable, Accesible, Interoperable, Reusable).

Die Prinzipien beschreiben unter anderem die

SFB eingesetzte FDM-System beinhaltet ein zentrales Datenmanagementsystem (CKAN), ein WMS (Semantic Mediawiki, kurz: SMW) sowie eine Versionsverwaltung (Git) zur Ver- sionierung von Software, Skripte und Kon- figurationsdateien für Simulationen. Mittels eines projektspezifischen Vokabulars, eines Klassifkationssystems sowie Ontologien wird die semantische Vernetzung innerhalb der drei im INF-Porjekt konzipierten FDM- Säulen ge-währleistet (vgl. Bild 1). In der CKAN-Instanz werden Forschungsdaten gespei-chert. In SMW wird das domänen- spezifi-sche Wissen zur Verfügung gestellt, z.B. in Form von Versuchs,- Test-, Simualti- onspro-tokollen, bearbeiteten Werkstücken, verwendeten Werkstoffen oder Betriebsmit- teln. Die zu annotierenden Inhalte werden in Wiki-Seiten organisiert und gespeichert, welche auf den domänenspezifischen Onto- logien aufbauen.

Weitere Informationen unter:

https://www.sfb1368.uni-hannover.de/

AUTOREN

Osman Altun, M. Eng.

Dr. Iryna Mozgova

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer Institut für Produktentwicklung und Gerä- tebau

Leibniz Universität Hannover

Strukturen aus kontinuierlich-diskontinuierlich faser- verstärkten Kunststoffen

Projektstart für die dritte Generation des internationalen Graduiertenkollegs IRTG GRK 2078 „Integrated engine-ering of continuous-discontinuous long fiber reinforced polymer structures“ (CoDiCoFRP)

D

er Einsatz von Leichtbaustrategien zur Reduktion des Bauteilgewichts hat in der Vergangenheit zunehmend an Bedeutung gewonnen. So steht der Transportsektor vor der Herausforderung, bewegte Massen mög- lichst zu verringern, um CO2 Emissionen zu reduzieren und die gesteckten Kli-maziele zu erreichen. Ein Ansatz ist hierbei die Nutzung

Leichtbauwerkstoffen. Dabei erlangten faser- verstärkte Kunststoffe (FRP) auf Grund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei gleich- zeitig niedriger Dichte eine besondere Auf- merksamkeit.

Faserverstärkte Kunststoffe können allge- mein abhängig von der Faserlänge in konti-nuierliche FRP (CoFRP) und diskonti-

nuierli-che FRP (DiCoFRP) aufgeteilt werden.

CoFRP weisen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit in eine Vorzugsrichtung auf, sind dadurch allerdings eingeschränkt in der Desi- gnfreiheit. DiCoFRP hingegen besitzen zwar schlechtere mechanische Eigenschaf-ten, können sich jedoch durch eine hohe Desig- nfreiheit auszeichnen.

Bild 1: Bestandteile des Forschungsdatenmanagementsystems in SFB1368

DAS IRTG GRK 2078

Das Ziel des IRTG GRK 2078 ist es, ein grund- legendes Verständnis für das Materialsystem von CoDiCoFRP Strukturen zu erarbeiten.

Hierfür wird neben dem Strukturverhalten unter anderem die Herstellung die Pro- duktentwicklung mit dem Materialsystem untersucht. Innerhalb von drei Generationen werden in Zusammenarbeit der Doktoranden und Doktorandinnen auf den Forschungsge- bieten Charakterisierung, Simulation, Tech- nologie sowie Design die Materialsysteme Sheet Molding Compound (SMC) sowie langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) erforscht. Auf Basis gewonnener Erkennt- nisse, beispielsweise zur Modellierung oder der Verarbeitung, wird so der Produktent- wicklungsprozess von CoDiCoFRP Strukturen optimiert.

Als Teil des Konsortiums beschäftigt sich das IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einerseits mit der rechnergestützten Desig- noptimierung unter Berücksichtigung des Herstellungsprozesses, andererseits mit dem Wissensmanagement zur Unterstützung des Produktentwicklers bei der Entwicklung von CoDiCoFRP Strukturen. Im Rahmen der ersten beiden Generationen konnten so unter anderem erfolgreich Methoden zur Kopplung von Herstellungsprozesssimulationen mit der Strukturoptimierung von Strukturen aus SMC entwickelt werden. Bild 1 zeigt eine Übersicht über die Projekte der zweiten Generation.

Hierbei wurde unter anderem die Sickenop- timierung von SMC Komponenten zur Er- höhung der Steifigkeit und eine Methode zur Bestimmung des Produktreifegrads ent- wickelt.

START DER DRITTEN GENERATION

Mit dem Start der dritten Generation wird der Forschungsschwerpunkt des IRTG GRK

2078 auf das integrierte Engineering von LFT gelegt. Aufbauend auf den Erkenntnissen zum Materialsystem SMC werden neue Methoden entwickelt, um die veränderten Charakteristiken des Materials und der Her- stellung zu erforschen und die Potentiale von LFT in der Produktentwicklung nutzbar zu machen.

Hierfür wird am IPEK auf dem Forschungs- gebiet Design aufbauend auf den Ergebnis- sen der ersten beiden Generationen eine rechnergestützte Optimierungsmethode ent- wickelt. Eine zentrale Rolle spielen dabei die durch den Herstellungsprozess von LFT indu- zierten Eigenspannungen sowie der daraus resultierende Verzug, welcher einen großen Einfluss auf die finale Bauteilgestalt hat.

Um die gewonnenen Erkenntnisse des IRTG GRK 2078 nutzbar zu machen, wird des Weiteren eine integrierte Methodik entwi- ckelt, um die Anwendbarkeit von Wissen aus der Forschung, beispielsweise über den Her- stellprozess, und damit die Definition eines Referenzsystems für die Entwicklung neuer

Produkte in der industriellen Praxis zu ver- bessern.

Durch das IRTG GRK 2078 wird eine Grundlage für die Industrie geschaffen, die Potentiale von CoDiCoFRP Strukturen aus- zuschöpfen und neue Leichtbaulösungen zu realisieren.

AUTOREN

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers Patrick Haberkern, M. Sc.

Christoph Kempf, M. Sc.

IPEK – Institut für Produktentwicklung Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Weltweit erstes adaptives Hochhaus mit adaptivem Tragwerk und adaptiven Fassaden

Das Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD) der Universität Stuttgart forscht interdiszip-linär im Sonderforschungsbereich (SFB) 1244 an adaptiven Bauwerken.

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ünfzehn Institute, über 50 wis- senschaftliche Mitarbeiter*innen, Postdoktorand*innen und Professor*innen

Bild 1: Übersicht des Forschungsgebiets Design der zweiten Generation des IRTG GRK 2078

aus insgesamt 9 Disziplinen arbeiten zusammen an einem Ziel: Bauwerke adaptiv zu gestalten.

MOTIVATION

Das Bauwesen sieht sich in den nächsten

des SFB 1244, kurz: D1244, sind sowohl ein Teil der Stützen als auch einige der dia- gonalen Aussteifungselemente mit Hyd- raulikaktoren versehen (Bild 2). In Summe sind so 24 adaptive Tragwerkselemente verbaut. Die Aktuierung beschränkt sich auf lineare Tragwerkselemente, die auf Zug und Druck belastet sind. In den Stützen sind Hydraulikaktoren parallel zum Lastab- trag im Tragwerk angeordnet, während sie in den diagonalen Versteifungselementen in Serie geschaltet sind. Mit dieser Anord- nung können sowohl dynamische als auch statische Lasten kompensiert werden. Die Aktoren stellen dabei Kräfte von bis zu 400 Manipulation des Lastabtrags angestrebt,

so dass die Maximalbeanspruch-ungen deutlich reduziert werden können. Bei der Dimensionierung der Tragwerkselemente führt das zu einem deutlich reduzierten Materialeinsatz. Die Adaptionszielgrößen können je nach Tragwerkselement Span- nungen, Verformungen oder Schwingungen sein. Neben der Adaption dynamischer Lasten kann auch die Adaption von quasi- statischen Lasten, bspw. in Stadien und Hörsälen, zielführend sein. Die adaptiven Systeme setzen eine ständige Interaktion von Aktoren, Sensoren und Steuerungsein- heiten voraus. Im Demonstrator-Hochhaus Jahren einem enormen Wandel gegenüber.

Während beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau in den letzten Jahren insbe- sondere die Digitalisierung große Produk- tivi-tätszuwachse ermöglichte, sind viele der Methoden, Tools und Prozessabläufe in der konservativen und verhältnismäßig kleintei- lig organisierten Baubranche noch nicht angekommen. Eben jene Produktivität und Effizienz wird jedoch dringend benötigt, um zentrale Probleme zu lösen, die in den nächsten Jahren zu erwarten sind. Im Vor- dergrund steht hier insbesondere das Bevöl- kerungswachstum von etwa zwei Milliarden Menschen bis 2050, welches zusammen mit dem Effekt der Urbanisierung zu einem Bedarf an städtischem Wohnraum für etwa 2,5 Milliarden Menschen führt. Gleichzeitig war das Bauwesen bereits 2017 für 50 – 60

% des weltweiten Ressourcenverbrauchs, 36 % des globalen Endenergieverbrauchs und 39 % der energie- und prozessbezoge- nen Emissionen verantwortlich. Die Heraus- forderungen, welche hinter ambitionierten Klimazielen wie denen in der EU stehen (Klimaneutralität bis 2050), sind vor diesem Hintergrund nur zu erahnen.

INNOVATION

Um die Klimaziele trotz der großen Heraus- forderungen dennoch zu erreichen, bedarf es disruptiver und innovativer Ansätze. Eine solche Invention sind adaptive Bauwerke (Bild 1). In dieser Form weltweit einzigartig wird im SFB 1244 daran geforscht, wie sich Bauwerke besser an die Umgebungsbedin- gungen und auch an die Bewohner anpas- sen können. Adaptive Bauwerke bestehen hierbei ebenso aus einem adaptiven Trag- werk wie auch aus adaptiven Fassaden.

Diese beiden Ansätze werden im Folgenden vorgestellt.

ADAPTIVES TRAGWERK

Gebäudetragwerke sind verschiedensten Umweltbelastungen, bspw. durch Stürme und Erdbeben, sowie Belastungen durch Personen oder Geräte und Maschinen im Innern ausgesetzt. Beim konventionellen Bau von Gebäudetragwerken sind die kriti- schen Lastfallkombinationen für die Dimen- sionierung maßgebend. Während der Lebensdauer eines Gebäudes treten diese jedoch nur selten bis nie auf, weswegen das Tragwerk somit für den größten Anteil seiner Lebensdauer überdimensioniert ist. Mittels adaptiver Tragwerke wird eine

Bild 1: Aktueller Baustand des ersten adaptiven Hochhauses der Welt in Stuttgart. (Foto: Voigt)

kN zur Verfügung. Neben linearen auf Zug/

Druck beanspruchten Tragwerkselementen soll in den nächsten Jahren auch ein adap- tives, biegebeanspruchtes Tragwerksele- ment, wie z. B. eine Geschossdecke, in den Demonstrator eingebaut werden. Dazu sollen Fluidaktoren direkt in den tragenden Querschnitt des Tragwerkselements einge- bracht werden. So wird eine lokale Mani- pulation der Beanspruchung ermöglicht.

Die Funktionsfähigkeit des Prinzips wurde bereits für einen Biegebalken nachge- wiesen. Im nächsten Schritt werden die hierzu verwendeten Aktoren für den Einsatz in flächigen Tragwerkselementen mit mehr- axialer Beanspruchung weiterentwickelt. Da Geschossdecken einen hohen Massenanteil von Gebäudetragwerken ausmachen, bietet sich ein großes Einsparpotenzial grauer Energie.

ADAPTIVE FASSADEN

Neben dem bereits gebauten adaptiven Tragwerk werden am D1244 insbesondere in der zweiten Förderperiode ab 2021 adap- tive Fassaden entwickelt und angebracht.

Aktuell sind, wie in Bild 1 und Bild 2 zu er-kennen, noch passive textile Platzhalter- Fassaden für den Witterungsschutz instal- liert. Die später nachgerüsteten adaptiven Fassaden können sich im Gegensatz zu herkömmlichen, meist passiv entwickelten Fassaden, an ihre Umgebungsbedingungen anpassen und bieten so eine Reihe von Vor- teilen. Klassischerweise wird in der Literatur hierbei darauf verwiesen, dass der Komfort des Innenraums auch bei einem reduzierten Energieverbrauch gewährleistet werden kann. Dies liegt darin begründet, dass bei herkömmlichen Fassaden Komfortdefizite durch wechselnde Umweltbedingungen mittels entsprechender Gebäudeausrüs- tung (z. B. Heizung, Klimaanlage oder Belüftung) ausgeglichen werden. Im Falle adaptiver Fassaden können bauphysikali- sche Parameter wie Strahlungsintensität, Permeabilität gegenüber Luft oder Wärme- durchgang adaptiv an die aktuellen Umge- bungsbedingungen angepasst und somit der Bedarf an Gebäudeausrüstung reduziert werden.

Im SFB 1244 werden hierzu auf den 12 Stockwerken des D1244 eine Vielzahl von adaptiven Fassaden getestet. In den oberen Stockwerken werden schaltbare Gläser ver- baut, welche durch Photovoltaikanlagen mit Energie versorgt werden. Ebenso wer-

den textile Fassadenelemente angebracht, die Regen auffangen und im Verlauf des Tages durch Evaporation eine Kühlung des umgebenen Stadtraums ermöglichen. Dies kann der zunehmenden Flächenversiege- lung und der damit steigenden Stadterwär- mung entgegenwirken. Auf einem weiteren Stockwerk wird eintretende Solarstrahlung reguliert und teilweise in den Himmel zu- rückreflektiert, oder es wird Sonnenenergie verwendet, um den Innenraum zu kühlen.

Auch im Erdgeschoss wird die Fassade adaptiv gestaltet. Hierbei kann ein Besucher direkt mit der Fassade in Interaktion treten.

Öffnet sich die Fassade, findet der Besu- cher hier nicht lediglich eine Tür, sondern kann beobachten, wie sich eine komplette Seite des Turms öffnet und somit die Gren- zen zwischen Innenraum und Außenraum verschwinden.

METHODENENTWICKLUNG

Neben der realen Entwicklung und dem Einbau der adaptiven Tragwerke und Fas- saden, werden am IKTD auch geeignete Methoden und integrale Prozesse entwi- ckelt, welche die interdisziplinäre und le- benszyklusorientierte Entwicklung (vgl.

„Planung“ im Bauwesen) unterstützen.

So wurde in der ersten Förderperiode (2017 – 2020) der gesamte Prozess bei der interdis-ziplinären Entwicklung des adaptiven Trag-werks dokumentiert und zu einer ersten Referenz für Folgeprojekte

aufgearbeitet. Ziel der zweiten Förderpe- riode (2021 – 2024) ist die Erweiterung des Prozesssche-mas um Aspekte adaptiver Fassaden mit dem langfristigen Ziel, eine umfassende Entwicklungsunterstützung für adaptive Bauwerke bereitzustellen.

ERÖFFNUNG AM 05.10.2021

Am 05.10.2021 wurde der Demonstrator- turm D1244 vom Universitätsbauamt in die Hände der Forscher*innen des SFB 1244 übergeben. Somit ist die Bauzeit des adapti- ven Tragwerks beendet und es beginnt die Phase der Versuche und der Aufrüstung von adaptiven Fassaden. Die offizielle Er- öffnung wurde dabei begleitet von der ba- den-württembergischen Landesministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Theresia Bauer.

DANKSAGUNG

Gefördert durch die Deutsche Forschungs- gemeinschaft (DFG) – Projektnummer 279064222 – SFB 1244

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz i.R.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer Dr.-Ing. Daniel Roth

Michael Voigt, M. Sc.

Matthias Bosch, M. Sc.

Timon Burghardt, M. Sc.

Institut für Konstruktionstechnik und Techni-sches Design (IKTD)

Universität Stuttgart

Bild 2: Hydraulikaktoren in Stützen und Diago-nalen des D1244. (Foto: Bosch)

D

as Thema Leichtbau erfährt unter ande-rem durch gestiegene Anforde- rungen an Ressourceneffizienz und Nach- haltigkeit ein gesteigertes Interesse aus den verschiedensten Industriebereichen.

Der Einsatz moderner Faser-Kunststoff- Verbund (FKV) Leichtbauwerkstoffe nimmt hierdurch, sowie durch neue und wei- terentwickelte Fertigungsverfahren zu.

Neben neuen Leichtbaupotentialen brin- gen die FKV-Werkstoffe jedoch auch neue Herausforderungen für die Produktentwi- ckelnden mit sich. Insbesondere endlosfa- serverstärkte FKV- Bauteile erhöhen durch ihren schichtweisen Aufbau (Laminat) aus einer Vielzahl an Einzelschichten, mit zusätzlichen Auslegungsparametern wie der Orientierung der Schicht, deren Dicke oder dem gewählten Faservolumenanteil, die Komplexität der Auslegung erheblich.

Um das Leichtbaupotential der FKV-Werk- stoffe voll auszuschöpfen sind spezielle Auslegungsmethoden notwendig, welche die anisotropen Materialeigenschafften berücksichtigen. Das Ziel besteht damit nicht nur in der Substitution eines isotro- pen Werkstoffs wie Aluminium durch ein quasi-isotrop ausgelegtes Laminat, son- dern in der Generierung eines belastungs- gerechten, leichtbauoptimalen Bauteils.

AUSLEGUNG VON FKV-BAUTEI- LEN

Zur Unterstützung des Produktentwi- ckelnden während der Auslegung von FKV-Bauteilen wurde am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg eine simulationsbasierte Methode entwi- ckelt und erforscht [1, 2]. Diese basiert auf der Computer Aided Internal Optimization (CAIO) Methode, welche die Ausrichtung von Fasern in Bäumen entlang des Kraft- flusses nachahmt [3]. Das Vorgehen des gesamten Auslegungsansatzes ist in Bild 1 dargestellt. Um die Applizierbarkeit auf Probleme industrieller Komplexität zu ver- bessern wurden Erweiterungen zur Anwen- dung mehrerer Lastfälle und Schichten entwickelt [4]. Die mit der erweiterten CAIO-Methode berechneten Kraftflüsse, welche auch die optimale Orientierung der Fasern repräsentieren, werden in einem zweiten Schritt reduziert indem ähnliche Richtungen zusammengefasst werden.

Hierdurch wird eine Reduktion der erforder- lichen Faserorientierungen erreicht, welche während des Laminat Design durch clustern zu Verstärkungspatches abgedeckt werden.

Das somit entstandene Laminat, bestehend aus vollflächigen Trägerlagen und Ver-

stärkungspatches kann durch eine ange- schlossene Optimierung in Reihenfolge und Schichtdicke an die auftretenden Bela- stungen optimal angepasst werden, sodass alle zusätzlichen Laminatauslegungspara- meter mit dem Vorgehen definiert wurden.

TOLERIERUNG VON LAMINAT- PARAMETERN

Die Vielzahl an zusätzlichen Entwurfspara- metern, welche die FKV-Werkstoffe mit sich bringen wird durch das vorgestellte Ausle- gungsvorgehen abgedeckt. Jedoch treten im realen Bauteil zusätzlich Abweichungen und Unsicherheiten aus der Fertigung und dem Betrieb auf [5]. Diese können die Erfüllung der Funktionsanforderungen beeinflussen. Aus diesem Grund sind mög- liche Abweichungen und Unsicherheiten insbesondere für FKV-Bauteile während der Auslegung zu Berücksichtigen. Bishe- rige Ansätze des Toleranzmanagements gehen jedoch nicht auf die Besonderheiten des Werkstoffs ein. Das DFG geförderte Forschungsprojekt „Tolerierung bei der Auslegung endlosfaserverstärkter Faser- verbundbauteile“ nimmt sich genau die- ser Problemstellung an und setzt sich die Bereitstellung eines Vorgehens zur Tolerie- rung von endlosfaserverstärkten FKV-Struk-

Bild 1: Vorgehen zur beanspruchungsgerechten Auslegung und Tolerierung von Faser-Kunststoff-Verbund Bauteilen

Tolerierung bei der Auslegung endlosfaserver-stärkter Faserverbundbauteile

Eine simulationsbasierte Methode zur optimalen Auslegung und Tolerierung von Faser-Kunststoff-Verbundbau-

teilen

turen während der Auslegung zum Ziel.

Um die Auswirkungen der Abweichungen von Laminatauslegungsparametern und den Funktionen des Bauteils herstellen zu können muss die Verteilungsform der Para- meter bestimmt werden. Zudem bedarf es auch eines Zusammenhangs der Vertei- lung und zu definierenden Toleranzwerten.

Die im Projekt betrachteten Abweichungen der Laminatparameter beeinflussen sowohl das Verzugsverhalten während des Ferti- gungsprozesses, wie auch das Strukturver- halten unter Last. Beides wird im Rahmen der Sampling-basierten Toleranzanalyse durch Finite Element Analysen abgebildet.

Zur Reduzierung des Rechenaufwands wurden diese durch sogenannte Meta- modelle erfolgreich substituiert. Die effizi- ente Toleranzanalyse stellt die Grundlage des entwickelten Tolerierungsvorgehens dar, welches in Form einer Toleranzopti- mierung, wie in Bild 2 gezeigt, umgesetzt ist. Dabei werden für die Laminatpara- meter Toleranzwerte berechnet, sodass definierte Funktionen des Bauteils trotz Abweichungen erfüllt werden können. [6]

VERKNÜPFUNG VON AUSLE- GUNG UND TOLERIERUNG

Neben der Tolerierung von Bauteilen mit einem über das ganze Bauteil gleichblei- benden Lagenaufbau wurde zudem die Tolerierung der lokal verstärkten Laminate des Auslegungsvorgehens für FKV-Bauteile des KTmfk untersucht. Die optimierten, lokalen Verstärkungen weisen zusätzliche Entwurfsparameter auf, welche eben- falls Abweichungen unterliegen. Die Viel- zahl an Parametern erschwert dabei die Abschätzung wichtiger Einflussgrößen auf die Strukturantwort [7]. Die Verbindung des vorgestellten Auslegungsansatz nach KLEIN und WARTZACK mit dem Tolerie- rungsvorgehen wie in Bild 1 dargestellt ermöglicht damit auch die qualitative Absicherung optimierter FKV-Strukturen.

Zum Abschluss des Projekts steht somit ein ganzheitlicher Auslegungsansatz zur Verfügung. Dieser unterstützt die Pro- duktentwickelnden während der Lamina- tauslegung und –optimierung, bis hin zur Tolerierung der Laminatentwurfsparameter.

ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDE- RUNGEN

Das vorgestellte Auslegungsvorgehen für FKV-Bauteile erfordert das Vorliegen

der Bauteilgeometrie. Um das maximale Leichtbaupotential eines Bauteils zu nutzen ist jedoch die frühest mögliche Berücksich- tigung des Werkstoffs notwendig. Hierzu eignen sich Methoden der Topologieopti- mierung, welche die Anisotropie des Werk- stoffs integrieren. Eine solche Methode wurde ebenfalls am KTmfk erforscht und kann in einem zukünftigen Schritt in das vorgestellte Vorgehen integriert wer- den [8]. Somit kann die durchgängige Unterstützung des Produktentwickelnden über die verschiedenen Auslegungspha- sen von FKV-Bauteilen erreicht werden.

Weiterhin wurde ein Vorgehen zur Tole- rierung einzelner FKV-Bauteile gezeigt.

Die Komplexität der Tolerierung steigt jedoch weiter, sollen Baugruppen aus mehreren FKV-Halbzeugen gefügt wer- den. Die Abweichungen auf Laminatebene setzen sich hierbei durch resultierende geometrische Abweichungen in die Bau- gruppe fort und beeinflussen sowohl die geometrische Qualität der Baugruppe, als auch die Strukturelle. Die Tolerierung solcher Baugruppen erfordert damit die Integration des Fügeprozess in die Tole- ranzanalyse, was in zukünftigen For- schungsarbeiten umgesetzt werden soll.

DANKSAGUNGEN

Die Autoren danken der Deutschen For- schungsgemeinschaft für die Förderung des Forschungsprojekts „Tolerierung bei der Auslegung endlosfaserverstärkter Faser- verbundbauteile“ (DFG-WA 2913/29-1)

LITERATUR

[1] Klein D, Malezki W, Wartzack S (2015) Introduction of a computational approach

for the design of composite structures at the early embodiment design stage. In:

Proceedings of the 20th International Con- ference on Engineering Design (ICED15), Vol. 4: Design for X, 27.-30. Juli 2015, Mailand, 2015, S. 11-20, pp 105–115 [2] Klein D (2017) Ein simulationsbasierter Ansatz für die beanspruchungsgerechte Auslegung endlosfaserverstärkter Faser- verbundstrukturen. Dissertation, Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg [3] Mattheck C, Tesari I (2000) Design in Nature. In: Ibarra-Berastegi G, Brebbia CA,

Zannetti P (eds) Development and appli- cation of computer techniques to envi- ronmental studies VIII, vol 41. WIT Press, Southampton, UK, Boston, pp 217–226 [4] Völkl H, Franz M, Klein D et al. (2020) Computer Aided Internal Optimisation (CAIO) method for fibre trajectory optimisa- tion: A deep dive to enhance applicability. Des Sci 6:1. https://doi.org/10.1017/dsj.2020.1 [5] Franz M, Schleich B, Wartzack S (2019) Variation Analysis of Design Para- meters of Fibre-Reinforced Plastic Parts.

Proc Int Conf Eng Des 1:2725–2734.

https://doi.org/10.1017/dsi.2019.279 [6] Franz M, Schleich B, Wartzack S (2021) Tolerance management during the design of composite structures conside- ring variations in design parameters. Int J Adv Manuf Technol 204:359. https://

doi.org/10.1007/s00170-020-06555-5 [7] Franz M, Schleich B, Wartzack S (2019) Influence of layer thickness vari- ations on the structural behaviour of optimised fibre reinforced plastic parts.

Procedia CIRP 85:26–31. https://doi.

o rg / 1 0 . 1 0 1 6 / j . p ro c i r. 2 0 1 9 . 0 9 . 0 3 4 [8] Völkl H, Klein D, Franz M et al. (2018) An efficient bionic topology optimization method for transversely isotropic materials.

Composite Structures 204:359–367. https://

doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.07.079

AUTOREN

Michael Franz, M.Sc.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg (FAU)

Bild 2: Vorgehen zur Toleranzoptimierung von FKV-Bauteilen

M

ehr Funktionalitäten und Wechsel- wirkungen im Kraftfahrzeug führen zu steigender Komplexität in Systemen wie beispielsweise dem Bordcomputer und dem Batteriesystem. Besonders softwarebasierte Funktionalitäten unterliegen zusätzlichen Standards und Regularien, beispielsweise der UN ECE Regularie 156 mit dem Titel

„Software update and software update management system“. Das Einhalten dieser Regularien stellt die Automobilbranche bis zum Januar 2022 vor neue Herausforderun- gen. Eine Herausforderung ist die Sicherstel- lung der Rückverfolgbarkeit (Traceability) sowie die Auswirkungsanalyse für techni- sche Änderungen im gesamten Verlauf der Produktentstehung. Diese Herausforderung leitet sich daraus ab, dass Änderungen an sicherheitsrelevanten Komponenten eines Fahrzeugs oder am Quellcode der Software zu schwer vorhersehbaren Auswirkungen auf das Gesamtsystem führen können.

MODELLIERUNG UND ANALYSE VON WIRKKETTEN:

Am Lehrstuhl für Produktentstehung des Heinz Nixdorf Instituts (HNI-PE) der Uni- versität Paderborn laufen aktuell meh-

rere Projekte zur Wirkkettenmodellierung.

Dabei variiert die Zielsetzung von einer zer- tifizierungsgerechten Entwicklung mittels Rückverfolgbarkeit bis hin zur Effizienzstei- gerung durch ein verbessertes Änderungs- management. Daher wird das systematische Vorgehen jeweils bedarfsgerecht angepasst.

Mithilfe der eigens am Lehrstuhl entwickel- ten MECA (Model-based Effect Chain Ana- lysis) Methode zur Wirkkettenmodellierung werden Entwickler befähigt, Wirkketten zu modellieren und so Wechselwirkungen und Propagationseffekte nachzuvollziehen.

Modellbasierte Wirkketten ermöglichen die Abbildung und Interpretation von Abhän- gigkeiten zwischen vernetzten Systemele- menten. Die Abbildung einer Wirkkette erfolgt mithilfe von Modellierungstools, -sprachen und -methoden des Model- Based Systems Engineering. Im Vergleich zur konventionellen modellbasierten Sys- tementwicklung, bei der das Systemmodell als zentrales Artefakt modelliert wird, wer- den bei der Wirkkettenmodellierung nur spezifische Informationen abgebildet, die in unmittelbaren Ursache-Wirkungs-Bezie- hungen zueinanderstehen.

Das Vorgehen beginnt mit der Festlegung der Zielsetzung der Wirkkettenmodellierung und –analyse, wobei die Zielsetzung abhän- gig von dem Anwendungsfall ist. Beispiele hierfür sind die Einhaltung von Regula- rien oder die Sicherstellung der Rückver- folgbarkeit bzw. Traceability. Existierende Regularien, wie die UN ECE 156, umfassen Anforderungen an die Dokumentation und Nachweispflicht für softwareintensive Sys- teme der Automobilhersteller. Traceability wird zudem in der automobilspezifischen Norm Automotive-Spice gefordert. Die Modellierungsmethode des Lehrstuhls für Produktentstehung stellt somit die regel- konforme Dokumentation von Abhängig- keiten im zu entwickelnden System sicher.

Nach der Festlegung der Zielsetzung wer- den benötigte Daten systematisch mit den an der Entwicklung beteiligten Personen erhoben. Die Vollständigkeit und Konsistenz der Daten sind ausschlaggebend für Aus- sagekraft und Güte der Modellierung. Die Modellierung der Wirkketten erfolgt nach einer vom HNI-PE entwickelten Methode.

In einem abschließenden Schritt werden die Ergebnisse der Wirkkettenmodellierung mit den disziplinspezifischen Experten verifiziert und validiert.

Abhängig von der Zielsetzung und der geforderten Tiefe der Wirkketten unter- stützt der Lehrstuhl von Prof. Dr.-Ing. Iris Gräßler die Unternehmen bedarfsgerecht, indem die Lehrstuhl-Methode auf die vorliegenden Rahmenbedingungen abge- stimmt wird. Durch die Anpassung können spezifische Aspekte wie Expertenwissen oder partielles Wissen in disziplinspezifi- schen Modellen berücksichtigt werden.

Ebenso können begleitende Aspekte wie das Rollenmanagement und die Professi- onalisierung von MBSE im Unternehmen integriert werden.

AUSBLICK

Durch die systematische Modellierung Bild 1: Modellbasierte Wirkkettenmodellierung

Wirkkettenanalyse in der Automobilindustrie

Lehrstuhl für Produktentstehung modelliert Wirkketten in der Automobilindustrie, um Abhängigkeiten zwi-

schen Systemkomponenten nachvollziehbar zu machen.

der Wirkketten können die Potenziale der modellbasierten Systementwicklung erschlossen werden. Hierzu zählt die Tra- ceability innerhalb des Systemmodells, die Zentralisierung der Informationen in der Single Source of Truth sowie die Wieder- verwendbarkeit der Modelle in zukünfti- gen Projekten und Varianten. Zusätzlich

kann das beschriebene Vorgehen auf wei- tere Anwendungsfälle im Automobilbe- reich angepasst werden. Ein Beispiel ist die Modellierung von Wirkzusammenhängen zwischen den Automobilen und weiteren Systemen über das Internet der Dinge und Dienste (Car2X).

AUTOREN

Univ. Prof. Dr.-Ing. Gräßler, Iris Dominik Wiechel, M. Sc.

Anna-Sophie-Koch, M. Sc.

Heinz Nixdorf Institut

Fachgruppe für Produktentstehung Universität Paderborn

Bild 1: Richtlinie für Federn und Federelemente

Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Fe- derelemente

I

n 2017 wurde das gemeinsame For- schungsprojekt IGF18495 [1] zwischen der Technischen Universität Ilmenau (feder- füh-rend) und der Technischen Universität Darmstadt mit dem Titel „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Fe- derelemente“ abgeschlossen. Die neuen Ergebnisse des Projektes wurden nun in einer offiziell erhältlichen FKM-Richtlinie mit bereits genanntem Titel zusammenge- fasst [2].

PROBLEMSTELLUNG

Die FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festig- keitsnachweis für Maschinenbauteile“ [3]

beschreibt eine allgemeingültige Vorge- hensweise zum Festigkeitsnachweis für ver- schiedenste Maschinenbauteile. Im Rahmen

des Ermüdungsfestigkeitsnachweises wird das Verhältnis zwischen den im betrachte- ten Bauteil vorhandenen Spannungskenn- werten und Bauteilfestigkeitskennwerten im Sinne von ertragbaren Spannungen unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren gebildet. Die Bauteilfestigkeitskennwerte ergeben sich dabei aus Werkstofffestig- keitskennwerten und bauteil-spezifischen Konstruktionsfaktoren. Der Ermüdungs- festigkeitsnachweis ist erbracht, wenn der Quotient aus vorhandenen Spannungen und Bauteilfestigkeitskennwerten unter Berücksichtigung von Sicherheitsfak-toren kleiner oder gleich Eins ist. Grundsätzlich ist diese Herangehensweise auch für Federn und Federelemente möglich. Federspezifi- sche Besonderheiten werden jedoch in der allgemeinen Richtlinie [3] nicht bzw. nicht ausreichend berücksichtigt, wodurch eine sichere Auslegung von Federn und Feder- elementen damit nicht möglich ist.

Dies stellt Federhersteller vor große Heraus- forderungen. Einerseits müssen konkurrenz- fähige Produkte, in diesem Fall Federn, für Anwender mit entsprechend hoher Auslast- barkeit bereitgestellt werden. Andererseits muss der Nachweis erbracht werden, dass die Federn im Feld auch nicht versagen. Der Federhersteller hat nur zwei Möglichkei- ten. Entweder er führt überaus teure und zeitaufwendige Dauerschwingversuche an vielen Federn durch, wodurch statistisch abgesichert die zyklische Haltbarkeit der Feder nachgewiesen wird, oder er orien- tiert sich mit der Auslegung der Federn an Normen und darin enthaltenen Dauerfes- tigkeitsschaubildern. Solche Dauerfestig- keitsschaubilder existieren allerdings nur in begrenztem Umfang, beispielsweise für

Schraubendruckfedern. Sie sind jedoch veraltet und spiegeln nicht das Leistungs- vermögen moderner Federwerkstoffe und Fertigungstechnologien wieder, wodurch bei Anwendung als Auslegungsgrundlage keine konkurrenzfähigen Federn mehr hergestellt werden können. Ein Rückgriff auf teure Dauerschwingversuche ist dann unaus-weichlich.

LÖSUNGSWEG UND ERGEBNISSE

Die neu erschienene Richtlinie für Federn und Federelemente [2] bietet für Federher- steller eine kostengünstige und einfach umsetzbare Alternative, um eine sichere Federauslegung bei gleichzeitigem Verzicht auf Dauerschwingversuche durchführen zu können.

Dazu wurde die seit langem vorhandene und in breiten Kreisen der Industrie aner- kannte Richtlinie für Maschinenbauteile [3]

durch gezielte Anpassung und Erweiterung auf federspezifische Besonderheiten adap- tiert und somit eine speziell für Federn und Federelemente optimierte Vorgehensweise zur Durchführung eines Ermüdungsfestig- keitsnachweises entwickelt. Im Fokus stan- den dabei Federn und Federelemente aus ölschlussvergütetem und patentiert gezoge- nem Material sowie korrosionsbeständiges Material aus 1.4310 [4].

Für die Anpassung und Erweiterung der bestehenden Richtlinie wurde in einem ers- ten Schritt eine Neuauswertung der vorhan- denen Datenbasis, bestehen aus zahlreichen Ergebnissen von Dauerschwingversuchen vorangegangener Forschungsprojekte, durchgeführt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse wurden verwendet, um die Ergebnisqualität des ursprünglichen allge- meinen Rechengangs nach FKM [3] für

Federn und Federelemente einschätzen zu können. Dafür wurden versuchstechnisch ermittelte ertragbare Spannungsamplitu- den (SBK_Versuch) über den nach FKM berechne-ten ertragbaren Spannungsam- plituden (SBK_Rechnung) aufgetragen.

Federn der bereits genannten Materialien.

Auf diese Weise konnte definiert werden, für welche Beanspruchungsarten sowie Materialgruppen größere Abweichungen zwischen Rechnung und Versuch vorliegen und eine Anpassung des ursprünglichen Rechengangs erforderlich ist. Ein Optimum der Ergebnisqualität liegt vor, wenn die Ergebnisse aus Rechnung und Versuch das gleiche ergeben. Werden die ertragbaren Spannungsamplituden durch die Rechnung überschätzt, ist keine sichere Auslegung mehr möglich. Werden durch den Rechen- gang die ertragbaren Spannungen unter- schätzt, kann eventuell vorhandenes Einsparungspotential nicht ausgenutzt wer- den. Bild 2 verdeutlicht, dass große Unter- schiede zwischen nach ursprünglichem Rechengang nach FKM berechneten und versuchstechnisch ermittelten ertragbaren Spannungsamplituden existieren. Vor allem bei biegebelasteten Draht-, Band- und Federproben wurden die ertragbaren Span- nungsamplituden durch den Rechengang teilweise deutlich überschätzt.

Verschiedene Anpassungen im bestehen- den Rechengang waren nötig und wurden durchgeführt, um einen für Federn und Federelemente optimierten Rechengang mit entsprechenden Übertragungsfaktoren unter Berücksichtigung federspezifischer Besonderheiten zu entwickeln.

Im Einzelnen wurden u.a. folgende Anpas- sungen vorgenommen:

- Definition materialabhängiger Übertragungsfaktoren zur Überführung statischer Materialkennwerten (Rm) in zyk- lische Materialkennwerte

- Berücksichtigung der Auswirkun-

gen von Wärmebehandlungen auf statische und somit zyklische Materialkennwerte - Ansätze zur Berechnung der hoch beanspruchten bruchkritischen Oberfläche und deren Berücksichtigung in Form einer statistischen Stützzahl

- Konzept der Mittelspannungs- verschiebung zur Berücksichtigung von in Federn vorhandenen Eigenspannungen - Definition weiterer Faktoren zur Definition von Mittelspannungsempfind- lichkeit und Wöhlerlinienverlauf (Neigungs- exponent)

Durch die genannten Anpassungen konnte eine deutliche Steigerung der Ergebnis- qualität erreicht werden. So reduzierte sich die mittlere Abweichung der ertragbaren Spannungsamplitude zwischen Rechnung und Versuch für Federn und Federele- mente aus ölschlussvergütetem Material von ursprünglich 98 MPa auf 39 MPa, aus patentiert gezogenem Material von ursprünglich 156 MPa auf 45 MPa und aus 1.4310 von ursprünglich 120 MPa auf 45 MPa. Trotz der signifikanten Verbesserun- gen sind gewisse Abweichungen zwischen Rechnung und Versuch unvermeidbar.

Gründe dafür liegen in unterschiedlichen Herstellungstechnologien und verschie- denen Qualitäten der Ausgangsmateria- lien. Um diesen Abweichungen Rechnung zu tragen, wurde der Rechengang zur Berechnung der ertragbaren Spannungs- amplituden durch ein zwei-stufiges Sicher- heitskonzept mit einem Teilsicherheitsfaktor jCn für ein erhöhtes Vertrauensniveau der Datenbasis und einem Teilsicherheitsfaktor

jS zur Ableitung von Spannungs-Quantilen mit höherer Zuverlässigkeit ergänzt.

Notwendige Informationen zur Berech- nung beider Teilsicherheitsfaktoren wur- den durch Auswertung der vorhandenen Datenbasis ermittelt und sind in der neuen FKM-Richtlinie enthalten. Der Anwender

hat so die Möglichkeit, unter Berücksichti- gung vorhandener Fertigungstechnologien, unterschiedlicher Ausgangsmaterialien und ge-forderter Überlebenswahrscheinlichkei- ten Stufen unterschiedlicher Konservativität anzuwenden.

AUSBLICK

Die für Federn und Federelemente optimier- te FKM-Richtlinie als erste maschinenele- mentespezifische FKM-Richtliniewurde bereits für die Erstellung neuer Dauerfestig- keitsschaubilder für Schraubendruckfedern verwendet [5]. Diese sollen die in DIN EN 13906-1 enthaltenen veralteten Good- man Diagramme ersetzen. Gegenwärtig laufen dazu Untersuchungen im industri- ellen Umfeld, um die neue Richtlinie und die damit berechneten Dauerfestigkeits- schau-bilder weiter zu validieren. Mit der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festig- keitsnachweis für Federn und Federele- mente“ handelt es sich um ein Werkzeug, mit dessen Hilfe sowohl Federhersteller als auch Federanwender Auslegungen und Nachrechnungen nach dem Stand der Forschung durchführen können. Bei nam- haften Federherstellern und auch Federan- wendern ist die neue Richtlinie bereits in Gebrauch. Aufgrund des in der Richtlinie enthaltenen multiplikativen Zusammen- hangs aller Übertragungsfaktoren und Kennwerte sowie des vollständigen Ver- zichts auf Ermittlung von Übertragungsfak- toren und Kennwerten aus Schaubildern oder Nomogrammen ist eine einfache Umsetzung des gesamten Rechengangs mit Hilfe einfacher Programme (bspw. MS Excel) möglich. Zukünftige Arbeiten werden sich mit der Erweiterung der Richtlinie auf andere Federwerkstoffe und Fertigungs- technologien (bspw. warmgeformte Federn) beschäftigen.

LITERATUR

[1] Kletzin, U.; Reich, R.; Oechsner, M.; Spies, A.: Rechnerischer Festigkeits- nachweis für Federn und Federelemente. – Abschlussbericht zum For-schungsvorhaben IGF18495, Ilmenau, 2017

[2] FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Federn und Fe- derelemente. VDMA Verlag GmbH, 1. Auf- lage, 2020

[3] FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile.

VDMA Verlag GmbH, 6. Auflage, 2012 Bild 2: Vergleich Rechnung/Versuch nach FKM

Aufla-ge 6 (alt)

Bild 3: Vergleich Rechnung/Versuch nach ange- passtem Rechengang (neu, [2])

Hochleistungskunststoffe im automobilen Hauptan- triebsstrang

Eine Validierungsumgebung zur Erprobung von PEEK als Zahnradwerkstoff für Hochdrehzahlverzahnungen

[4] DIN EN 10270 1-3 Federstahl- draht, 2017

[5] Kletzin, U.; Petrich, M: Erneue- rung der Dauerfestigkeitsschaubilder für kaltgeformte Schraubendruckfedern in

DIN EN 13906-1 mit methodisch rechne- rischer Herangehensweise. – Abschlussbe- richt zum Forschungsvorhaben IGF19693, Ilmenau, 2020

AUTOREN

Dr.-Ing. René Reich Prof. Dr.-Ing. Ulf Kletzin Fachgebiet Maschinenelemente Technische Universität Ilmenau

D

ie ständig wachsenden Anforderun- gen an die Reichweite, Leistung und Effizienz elektrifizierter Transportlösungen bedingen eine gesamtsystemische Heran- gehensweise zur Entwicklung innovativer Lösungsansätze zur Leistungssteigerung und Verlustminimierung hochbeanspruch- ter Bauteile im Antriebssystem. Aktu- elle Konzepte für elektrisch betriebene PKW setzen auf große und kostspielige E-Maschinen, mit welchen die von den Kunden geforderte Reichweite nur durch den Einsatz von Batterien mit hoher Lade- kapazität erreicht werden können. Dies führt jedoch zu hohen Kosten und macht einen beträchtlichen Anteil des Fahrzeug- gewichts aus. Forschungen zeigen das Leichtbau- und Effizienzpotenzial zukunfts- fähiger Antriebsstrangtopologien durch den Einsatz hochdrehender Traktionsmaschinen und schaltbaren Hochdrehzahlgetrieben (2-3 Gänge) auf, welche ein Downsizing des Elektromotors und eine Reduzierung

der Batteriekapazität ermöglichen. Bei einer Auslegung auf höhere Drehzahlen sinkt demnach durch das Zusammen- spiel zwischen kleineren Drehmomenten, reduziertem Motorvolumen und dem vermehrten Einsatz von Traktionsmaschi- nen ohne seltene Erden die Kosten der E-Maschine. Eine solche Topologie bietet durch den Einsatz eines Motors mit Dreh- zahlen bis zu 30.000 min-1 eine Einspa- rung der Gesamtmasse von bis zu 20 % bei gleichbleibender Gesamtleistung [1]. In die- ser Kalkulation wird bereits die Masse des zusätzlichen Schaltgetriebes berücksichtigt, welches großes Potenzial zur weiteren Ein- sparung von Gewicht sowie zur Leistungs- steigerung bietet. Das IPEK forscht seit Jahren an der Entwicklung und Validierung von Hochdrehzahlkonzepten. Im BMBF- Forschungsprojekt „Effect360°“ wurde beispielsweise ein lastschaltfähiges Hoch- drehzahlgetriebe mit Eingangsdrehzahlen von bis zu 30.000 min-1 entwickelt und die

neuen Anforderungen an die Subsysteme abgeleitet [2]. Die Beanspruchungskol- lektive, unter denen die Subsysteme ihre Funktion erfüllen müssen, ändern sich in derartigen Antrieben grundlegend – bishe- rige Auslegungs- und Validierungsansätze sind unter den Randbedingungen nicht mehr oder nur bedingt geeignet. Hieraus leitet das IPEK einen grundlegenden For- schungsbedarf hinsichtlich der wirkenden Mechanismen und innersystemischen Wechselwirkungen ab, um so zukünftig leichte, effiziente und robuste Subsysteme entwickeln und validieren zu können.

Besonders vielversprechend im Kontext hochdrehender Fahrzeuggetriebe ist der Einsatz von Leichtbaumaterialien wie dem Polymer Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) in trägheitskritischen Bauteilen wie den hochdrehenden Zahnrädern. Durch die veränderten Randbedingungen im Hoch- drehzahlantriebssystem und insbesondere dem reduzierten Drehmoment am Motor- ausgang ist der Einsatz weniger wider- standfähiger Werkstoffe möglich: In einem Forschungsvorhaben des IPEK wird daher die Integration von PEEK als Verzahnungs- material im automobilen Hochdrehzahl- Antriebsstrang untersucht. Durch den Einsatz dieser Materialklasse können neben dem Hauptaspekt einer reduzierten Trägheit positive Eigenschaften, wie beispielsweise ein vorteilhaftes NVH-Verhalten, erreicht werden, sofern die Wechselwirkungen und Wirkmechanismen innerhalb des Systems bekannt sind und gezielt im Gestaltungs- prozess eingesetzt werden.

Besonders herausfordernd beim Einsatz des neuen Materials ist der Einfluss der Fliehkraft und die Auslegung der Zahn- radschmierung. Derzeitige Erprobungen Bild 1: Hochdrehzahlprüfstand am IPEK mit 30.000 min-1 Maximaldrehzahl

werden zur initialen Validierung nach IPEK- XiL-Ansatz des Einsatzes des Hochleistungs- kunststoffs PEEK im Hauptantriebsstrang von Elektromobilitätssystemen geführt.

Die Validierungskonfiguration für hoch- drehende Getriebesysteme in elektrischen und hybriden Antriebssystemen (siehe Bild 1) ermöglicht Untersuchungen unter Dreh- zahlen bis 30.000 min-1 und einem Dreh- moment bis 20 Nm. Durch eine sich in der Entwicklung befindende Erweiterung des Hochdrehzahlprüfstands soll spätestens ab dem zweiten Halbjahr 2022 eine gezielte Untersuchung der Wechselwirkung der Oberflächengestalt von PEEK-Zahnrädern und dem Einfluss verschiedener Schmier- stoffe möglich werden. Ziel ist hierbei, ein

Verständnis des unter Fliehkraft entstehen- den tribologischen Kontakts zu ermöglichen und einen Beitrag zur gezielten Gestaltung eines Hochdrehzahlsystems unter Nutzung von Polymerwerkstoffen für Zahnräder zu leisten. Die Abbildung der Werkstoff- grenzen sowie der systemtribologischen Eigenschaften unter Berücksichtigung der neuartigen Belastungen und Wechselwir- kungen mit dem Restsystem steht hierbei im Vordergrund.

LITERATUR

[1] Gwinner, P.; Stahl, C.; Rupp, S.; Strube, A.: Innovatives Hochdrehzahl-Antriebs- strangkonzept für hocheffiziente elektrische Fahrzeuge. In: ATZ - Automobil-technische

Zeitschrift 119, 2017, pp. 72-75

[2] Reichert, U.; Bause, K.; Ott, S.: Presen- tation of a multispeed gearbox for a BEV in-creasing the efficiency and power den- sity. CTI - Car Training Institute, division of EUROFORUM Deutschland SE 2017

AUTOREN

Friedrich Lagier, M.Sc.

Dipl.-Ing. Katharina Bause Dipl.-Ing. Sascha Ott

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Albert Albers IPEK - Institut für Produktentwicklung Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

KI und Leichtbau in Paderborn

Kick-Off-Meeting des BMWi-geförderten Projekts BIKINI in Paderborn

L

eichtbau ist eine der Schlüsseltechnolo- gien zur Erreichung von Nachhaltigkeits- zielen. Ein Konsortium um den Lehrstuhl für Produktentstehung von Frau Prof. Gräßler setzt sich deshalb nun zum Ziel, den res- sourceneffizienten Leichtbau durch einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz mit Bio- nik und KI nachhaltig in die Produktentwick- lung zu integrieren. Das BIKINI-Konsortium umfasst IT-Partner und Ingenieurdienst- leister aus verschiedenen Branchen und Forschungsbereichen: EDAG Engineering GmbH, Additive Marking GmbH, Atos Information Technology GmbH, Alfred- Wegener-Institut, Krause DiMaTec GmbH, Rhaug GmbH und die Universität Pader- born. Aktuelle Bewertungskriterien für Leichtbauprodukte wie Kosten und Lei- stung werden um Nachhaltigkeitsaspekte wie ganzheitliche CO2-Emissionen, Res- sourceneinsatz im Herstellungsprozess und Recyclingfähigkeit von Materialien erwei-

tert. Gefördert wird das am 01.07.2021 gestartete Vorhaben mit einem Projektvolu- men von vier Millionen Euro und einer Lauf- zeit von drei Jahren vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE IM BIKINI-PROJEKT

Acht Forschungsschwerpunkte ermöglichen eine effiziente Entwicklung und Produktion von nachhaltigen Leichtbauprodukten:

• modell- und wissensbasiertes Advanced Requirements Engineering unter Berücksich- tigung von Anforderungsabhängigkeiten und KI-gestützter Analyse zur Vermeidung unnötigen Ressourcenverbrauchs bei Proto- typing und Produktnutzung

• 3D-Struktur- und Leistungsanalyse von Konstruktionsprinzipien biogener Leicht- baustrukturen von Planktonorganismen sowie Generierung von bionischen Leicht- baualgorithmen

• Konzepte und Methoden zur synerge- tischen Kombination von Fähigkeiten zur intuitiven Mensch-Maschine-Kollaboration durch die Integration von KI in Engineering- Prozesse

• automatisierte Nachhaltigkeitsbewer- tung eines Produktdesigns in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses durch eine nachhaltigkeitsorientierte Lebenszy- klusbewertung

• Erhöhung der Produktionsflexibilität durch Berücksichtigung einer produktle- bensphasenabhängigen Produktionsaus- wahl bereits in der Entwicklungsphase, um eine dezentrale, anwendungsorientierte und damit ressourcenschonende On- Demand-Produktion zu erreichen

• produktionsintegrierte Kennzeichnung zur Rückführung von Produktions- und Nutzungsdaten in die Entwicklung über digitale Zwillinge und zur Lebenszyklusver- folgung

• Aufbau einer Wissensbasis mit seman- tischen Modellen zur Darstellung des Ent- wurfswissens, der Abhängigkeiten von Informationsmodellen im Kontext nach- haltiger Entwicklung und der semantischen Annotation der Entwurfsartefakte

• konfigurierbare Kombination der Module zu einem ganzheitlichen KI- &

Algorithmus-gestützten Entwicklungspro- zess zur Optimierung im Hinblick auf den Leichtbau bei gleichzeitiger Prozessbe- schleunigung durch Automatisierung

LEHRSTUHL FÜR PRODUKTENT- STEHUNG

Das Team von Prof. Gräßler ist verantwort- lich für die Entwicklung eines modell- und wissensbasierten Advanced Requirements Engineering Ansatzes. Ziel ist es, natürlich- sprachliche Anforderungen automatisiert

aus Lastenheften und Anwendungssze- narien zu extrahieren. Um Aufwand und Kosten bei der Entwicklung zu reduzie- ren, werden die Ergebnisse formalisiert.

Zur Bewertung des Änderungsrisikos der Anforderungen sowie des Change-Hand- lings werden die formalisierten Anforde- rungsabhängigkeiten in einen proaktiven Change- und Risikomanagement-Ansatz integriert. Darüber hinaus wird ein voll- automatisiertes Bewertungsmodul entwi- ckelt, um alternative Bauteil-Entwürfe im Hinblick auf Anforderungserfüllung und Nachhaltigkeit zu vergleichen. Für die Nachhaltigkeitsbewertung werden Faktoren der ökologischen Nachhaltigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus identifiziert.

Das Projekt reiht sich in eine Reihe von Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls für Produktentstehung im Kontext des Requi- rements Engineering und der Zirkulären Kreislaufwirtschaft ein. BIKINI baut inhalt- lich auf Erkenntnissen der BMBF-Projekte OptiAMix sowie ARCA auf. Durch die For-

schungsergebnisse in BIKINI verspricht sich der Lehrstuhl eine Steigerung der Effizienz sowie eine verstärkte Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten in der Produktent- wicklung.

AUTOREN

Univ. Prof. Dr.-Ing. Iris Gräßler Daniel Preuß, M. Sc.

Christian Oleff, M. Sc.

Institut: Heinz Nixdorf Institut Lehrstuhl für Produktentstehung Universität Paderborn

Intelligent poröse Scaffold-Templates für den individu- ellen Knochenersatz

Start des AiF-ZIM geförderten Projektes Smaffold

H

insichtlich orthopädischer und pla- stisch-ästhetischer Fragestellungen zur kaufunktionellen Rehabilitation im mund-, kiefer- und gesichtschirurgischen Bereich gilt die Technik der autogenen Transplantation als Gold-standard. Da diese Therapieform auch Nachteile und Einschränkungen birgt, wird in vielen Fällen auf allogene bzw. allo- plastische Materialien zurückgegriffen. Ein verbreitetes künstliches Knochenersatzma- terial ist biokompatibler, resorbierbarer Kno- chenzement (z.B. Calciumphosphatzement).

Der Einsatz von Knochenzementen in Kom- bination mit additiven Fertigungsverfahren er-möglicht eine definierte Einstellung der Porosität des Gitteraufbaus in Abhängigkeit patientenspezifischer Randbedingungen. So sind Strukturen mit unterschiedlichen rich- tungsorientierten Dichtephasen mit einer festen Außenschicht als Schutz gegenüber äußeren Einflüssen und einer porösen, den inneren Knochen zugewandten Zone, wel- che die Integration von Zellen begünstigt, herstellbar. Nachteilig ist, dass der Her-

stellungsprozess solcher Implantatstruk- turen sehr zeitintensiv und daher für eine kurzfristige Versorgung ungeeignet ist.

Das Ziel des bewilligten AiF-ZIM Projektes (Partner: Organical CAD/CAM, Universi- tätsklinikum Dresden) ist es, die zeitliche und fertigungstechnologische Trennung von Funktionalisierung und Formgebung auszunutzen. Dies soll durch die Entwick-

lung eines smarten Scaffold- Systems erreicht werden, welches durch additive Verfahren aus resorbierbarem, funktionali- siertem Knochenersatzmaterial vorab her- gestellt wird. Durch die Etablierung einer subtraktiven CAD/CAM-Bearbeitung soll unmittelbar vor dem Versorgungszeitpunkt die individuelle Formgebung erfolgen.

AUTOREN

Dr.-Ing. Stefan Holtzhausen Dr.-Ing. Philipp Sembdner Prof. Dr.-Ing. Kristin Paetzold Institut für Maschinenelemente und Maschi-nenkonstruktion

Professur für Virtuelle Produktentwicklung Technische Universität Dresden

Bild 1: CPC-Knochenimplantate im Kieferbereich

I

n vielen Bereichen der nutzerzentrierten Entwicklung von Mensch-Maschine- Systemen hat sich gezeigt: je besser ein Produkt an eine individuelle Anwenderin adaptiert ist, desto intuitiver und effizienter kann diese mit dem Produkt interagieren und desto höher ist die von ihr wahrge- nommene Anwendungseignung. Für die Produktentwicklung smarter Mensch- Maschine-Systeme mit starker physischer und informatorischer Interaktion ist es besonders notwendig, Nutzerprofile zu kennen und das technische System indi- viduell auf die AnwenderInnen abzustim- men. Um die AnwenderInnen durch smarte Features im Mensch-Maschine-Systemen individuell und situationsbedingt unterstüt- zen zu können, beschäftigt sich das IPEK daher mit der Frage, wie eine Klassifizie- rung der AnwenderInnen und die Identi- fikation ihrer Bedürfnisse vorgenommen werden können. Im durch das BMBF geför- derte Forschungsvorhaben „Connected Power Tools“ (CoPoT) erforscht das IPEK mit Unternehmenspartnern dies an einem Akkubohrschrauber mit integrierten, intel- ligenten Unterstützungssystemen. Eine Herausforderung stellt für das Unterstüt- zungssystem dabei die unterschiedlichen Arbeitsweisen und Anforderungen an das erzielte Arbeitsergebnis der individuellen NutzerInnengruppen dar. Um unter diesen Randbedingungen eine individuelle, smarte Unterstützung gewährleisten zu können, führt das IPEK Studien unter reproduzier- baren Laborbedingungen durch (Bild 1).

Zur Analyse des Anwenderverhaltens und der Identifikation relevanter Merkmale für die Klassifizierung der AnwenderInnen, werden einerseits biomechanische Mess- größen und andererseits Messgrößen aus dem technischen System selbst erfasst. [1]

BIOMECHANISCHE ANALYSE

Die Nutzung biomechanischer Messgrößen wie die AnwenderInnenbewegungen und Interaktionskräfte zwischen den Anwende- rInnen und dem technischen Produkt bzw.

dem Untergrund zur Analyse der Anwende- rInnen bieten den Vorteil, dass diese Metho-

den flexibel und mit geringem Aufwand auf die unterschiedlichsten Anwendungen übertragen werden können. Eine aufwen- dige Integration von Sensorik im Produkt entfällt. Die Erfassung der Anwenderbewe- gung erfolgt markerlos über ein durch das IPEK entwickelte Human-Motion-Capture- System, um die AnwenderInnen möglichst wenig in ihrem natürlichen Verhalten zu beeinflussen [2]. So kann beispielsweise auch der Einfluss einer Schulung oder die Veränderung in der Funktion eines Pro- dukts auf die Expertise und Performance von NutzerInnen untersucht werden.

AUTOMATISIERTE KLASSIFIZIE- RUNG UND SMARTE UNTER- STÜTZUNG AUF BASIS VON MASCHINENDATEN

Neben der Analyse biomechanischer Grö- ßen werden am IPEK auch die Produkte mit einer Vielzahl teilweise mobiler Messtechnik ausgestattet, um Daten zur Klassifizierung der NutzerInnen zu erfassen. Die bei der Auswertung der Daten als relevant erach- teten Sensoren können anschließend in ein smartes Produkt integriert werden, um unabhängig von externer Messtechnik die

Klassifizierung der AnwenderInnen auf dem Produkt vornehmen zu können.

Durch den Einsatz von Maschinellem Lernen werden die Vorgehensweisen der Anwen- derInnen anschließend klassifiziert. Somit wird es beispielsweise durch die Erkennung von Nutzerprofilen möglich, zwischen Laien, Hobby- und ProfihandwerkerInnen zu unterscheiden, sodass eine AnwenderIn genau die Unterstützung erhält, welches sie abhängig von der Situation und ihren Fähig- keiten benötigt. Durch das konsequente Erfassen des Anwenderverhaltens lassen sich somit auch Abweichungen in der Vorge- hensweise frühzeitig identifizieren und einer Fehlbedienung kann vorgebeugt werden.

Durch die Erkennung von Nutzerprofilen und der Erfassung der Nutzung des Systems wird es somit möglich diejenige Unterstüt- zung zu bieten, welche von den individu- ellen AnwenderInnen benötigt wird.

Bild 1: Erfassen von Messdaten über das Nutzungsverhalten individueller AnwenderInnen in CoPoT zur Klassifizierung von NutzerInnengruppen

Entwicklung smarter Mensch-Maschine-Systeme

Automatisierte Erkennung von Nutzerprofilen zur personalisierten Unterstützung in Mensch-Maschine-Syste-

men mit starker physischer und informatorischer Interaktion