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29.08.2016 Seite 1
Systemdenken für die neue Fabrik an der Technischen Universität Ilmenau?
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann
Fachgebiet FabrikbetriebFachgebiet FertigungstechnikFakultät MaschinenbauTechnische Universität Ilmenau
Technische Universität IlmenauFachgebiet Fertigungstechnik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J.P. Bergmannwww.tu-ilmenau.de/fertigungstechnik/
© Ch. Mentzel
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2 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
Technische Universität IlmenauFakultäten und Studienmöglichkeiten
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3 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
Elektrotechnik und In-formationstechnik (EI)
Informatik und Automatisierung (IA)
Maschinenbau (MB)
Mathematik und Natur-wissenschaften (MN)
Wirtschaftswissen-schaften und Medien
(WM)
Technische Universität Ilmenau
TU Ilmenau – Fakultäten
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4 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
TU Ilmenau – Einige Zahlen
Anzahl Studierende 6.700
Anteil Studierender aus dem Ausland (stark wachsend) 15%
Anzahl Professuren 100
Anzahl wissenschaftliches Personal Grundausstattung 300
Anzahl wissenschaftliches Personal Drittmittel 500
Anzahl technisches und Verwaltungspersonal 580
Budget Grundausstattung/Jahr 70 Mio €
Drittmittelaufkommen/Jahr 45 Mio €
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5 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
TU Ilmenau – Für ihre Größe äußerst forschungsstark!
[Forschung und Lehre 01/2015]
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6 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
1894 Thüringisches Technikum für Maschinenwesen und Elektrotechnik
1926 Ingenieurschule Ilmenau mit den Studien-gängen Maschinenbau und Elektrotechnik
1953 Hochschule für Elektrotechnik
1955 Fakultät für Feinmechanik und Optik (weltweit die erste Fakultät mit diesem Profil) – Vorläufer der heutigen Fakultät für Maschinenbau
1963 Technische Hochschule Ilmenau
1968 Aus der Fakultät für Feinmechanik und Optik entsteht die Sektion Konstruktion und Technologie der Elektronik und Feingerätetechnik
1972 Umbenennung in Sektion Gerätetechnik;sie war eine der sieben Sektionen der TH Ilmenau.
1990 Sektion Gerätetechnik wird Fakultät für Maschinenbau mit einem Schwerpunkt Feinwerktechnik
1992 Technische Universität Ilmenau mit fünf Fakultäten
Fakultät für Maschinenbau – Historie
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60 Jahre Fakultätfür Maschinenbau
am 04.11.2015!
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8 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
Fakultät für Maschinenbau – Einige Zahlen (2015)
Anzahl Studierende 1.200
Eingeschriebene Doktoranden 160
Anzahl Professuren:
Haushaltsfinanziert 19
Apl. Professur 1
Stiftungsprofessuren, Stiftungs-Juniorprofessur 5
Anzahl wissenschaftliches Personal Grundausstattung 50
Anzahl technisches und Verwaltungspersonal Grundausstattung 70
Anzahl Personal Drittmittel 120
Budget Grundausstattung/Jahr 8 Mio €
Drittmittelaufkommen/Jahr > 15 Mio €
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9 TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau; www.tu-ilmenau.de/mb/
Prozesse, Maschinen, Ausrüstungen, Geräte,
intelligente Komponentenund Werkstoffe
für Maschinenbau,Präzisionstechnik,Fahrzeugtechnik
Fakultät für Maschinenbau – Wissenschaftsprofilund Fachgebiete (01.10.2015)
Konstruktion• Maschinenelemente• Konstruktionstechnik• Feinwerktechnik/
Precision Engineering
Prozessmess- undSensortechnik• Prozessmesstechnik• Fertigungs- und
Präzisionsmesstechnik
Produktionstechnik• Fertigungstechnik• Fabrikbetrieb• Arbeitswissenschaft• Qualitätssicherung und
Industrielle Bildverarb.• Kunststofftechnik
Thermo- u. Fluiddynamik• Techn. Thermodynamik• Strömungsmechanik• Aerodynamik
Mechanik u. Mechatronik• Technische Mechanik• Mechanismentechnik• Mechatronik• Rechneranwendung
im Maschinenbau• Mikromechan. Systeme• Biomechatronik
Technische Optikund Lichttechnik • Technische Optik• Lichttechnik• Optik-Design, Modellier./
Simulation opt. Systeme
Fahrzeugtechnik • Kraftfahrzeugtechnik• Energieeffiziente
Fahrzeugantriebe
Werkstofftechnik• Anorganisch-nichtmetall.
Werkstoffe• Metallische Werkstoffe
und Verbundwerkstoffe* Stiftungsprofessuren
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Pressschweißen- Diffusionsschweißen - Reibbasierte Fügeverfahren- Ultraschallschweißen
Lasermaterialbearbeitung- Laserstrahlschweißen - Laserstrahlschneiden- Laseroberflächenmodifikation
Lichtbogentechnik- Schweißen- Auftragschweißen- Verwandte Verfahren
Zerspanung- Drehen- Fräsen- Mikrobearbeitung
Technische Universität IlmenauFachgebiet Fertigungstechnik
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Additive Manufacturing- 3D Druck- Lichtbogenbasierte Verfahren
Fachgebiet Fertigungstechnik
Standort: Newtonbau
Gruppe16 Wissenschaftler6 technische Mitarbeiter1 Verwaltungsangestellte
Einrichtung eines Schwerpunktes in 2015
Thüringer Zentrum für MaschinenbauThüringer Zentrum für Maschinenbau
29.08.2016Seite 13Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann
GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnikund Entwicklung Schmalkalden e.V.
Günter-Köhler-Institutfür Fügetechnik und Werkstoffprüfung
Wissenschaftseinrichtungen
Thüringer Zentrum für MaschinenbauThüringer Zentrum für Maschinenbau
29.08.2016Seite 14Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann
Welche Rolle spielen Produktionstechnik und Werkstoffe in diesem Kontext und Umfeld?
Prozesse und Verfahren sind Bausteine der Produktion und haben den direkten Bezug zu den Werkstoffen und zu neuen Werkstoffen
Über die Bestrebungen in Industrie 4.0 lassen sich weitere Chancen und Potenziale für effiziente Produktionsverfahren ableiten
Der Übergang von einer ereignisorientierten Überwachung/Regelung zu einer prospektiven Regelung/Überwachung soll/muss geschaffen werden
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Megatrend: Globalisierung, Urbanisierung und demographischer Wandel
Erhaltung der Konkurrenzfähigkeit
2015
2030
- Automatisierung
- Modularisierung Fertigungszelle
- Vernetzung/Bündelung von
Forschungsressourcen
Carstens, P.; FAZ [7]
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Was ist der Grundgedanke und welche Rahmenbedingungen liegen vor?
In einer Fabrik erfolgt die Wertschöpfung in dem aus Rohstoffen oder Halbzeugen mittels Maschinen, unter Arbeitsteilung und nach einem Organisationsprinzip Halb- oder Fertigfabrikate erzeugt werden.
- Massenproduktion Einzelfabrikate zur Befriedigungeinzelner Kundenwünsche
- Hohe Qualität
- kurze Lieferzeiten bei kürzer werdenden Produktlebenszyklen
- umwelt- und menschenverträgliche Produktion
- regionaler globaler Markt (aber „vor Ort Produktion“)
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Reagieren wir zur Zeit? oder müssen wir „lediglich“ die unterschiedlichen Disziplinen in einem neueren Kontext bewerten und entwickeln?
Verstärkung der Interdisziplinarität
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Feststellung
- Die Entwicklung von Sensorik und Messtechniken verknüpft mit der Möglichkeit, Daten auch in größeren Mengen zu verarbeiten und ortsungebunden zur Verfügung zu stellen eröffnet eine völlig neue Sichtweise des Systems Fabrik!
Echtzeit Anpassung in Produktionsprozessen Übergabeinformationen Auswertung und Abgleich von Modellen… Veränderung Arbeitsnehmer/Arbeitgeber Verhältnis
Reagieren wir zur Zeit? oder müssen wir „lediglich“ die unterschiedlichen Disziplinen in einem neueren Kontext bewerten und entwickeln?
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Wo liegt der Kern in der Produktion und in der Fabrik?…und wie entwickelt sich dann ein Systemgedanken?
Produktidee und die Frage nach der Herstellbarkeit
Produktentwicklung Produktion-/Fertigungstechnik
Frühzeitige Möglichkeit, im Entwicklungsprozess die Darstellung „fassbar“ zu machen
Frühzeitige Möglichkeit, die Umsetzbarkeit und insbesondere die beeinflussenden Bedingungen einzugrenzen
Ungeachtet davon steht die Herausforderung, dass Unternehmen „verdienen müssen“!
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Auftragsgesteuerte Produktion
„Die heute vergleichsweise starren, individuell ausgehandeltenBeziehungen von Unternehmen entlang der Wertschöpfungsketteverwandeln sich in ein stark fragmentiertes, dynamisches und sichteilweise je Auftrag änderndes Wertschöpfungsnetzwerk. Dies gilt sowohlhorizontal über den Herstellungsprozess als auch vertikal bezüglich derFertigungstiefe.“
„selbstständige Einbindung von externen Fabriken in den Produktionsablauf“
Lieferzeit!
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Wandlungsfähige Fabrik
„Das Anwendungsszenario der wandlungsfähigen Fabrik beschreibt den schnellen und unter Umständen auch weitgehend automatisierten Umbau einer Fertigung, sowohl im Hinblick auf geänderte Fertigungskapazitäten als auch auf geänderte Fertigungsfähigkeiten. Zentrales Konzept zur Umsetzung ist ein modularer und somit wandlungsfähiger Aufbau der Herstellung innerhalb einer Fabrik.“
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„LEGO in production sites, a new organisation challenge“
Wandlungsfähige Fabrik
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Warum?Auf Grund der kürzeren Zyklenzeiten und der Volatilität der Märkte ergeben sich Schwankungen…
Spath, D.; Ganschar, O.; Gerlach, S.; Hämmerle, M.; Krause, T.; Schlund, S.: Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0. Fraunhofer Verlag, (2013)
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Was sind oder können die Folge hier sein?
Standardisierung in der Entwicklung und in der Produktion geht im Bezug auf Bauweisen vollkommen verloren,
Die Variantenvielfalt nimmt zu, bis hin zur Losgröße 1, d.h. dass die Anzahl der benötigten Bauteile zwar gleich bleiben kann, jedoch die Losgrößen abnehmen. Beispiele hierzu erleben wir im Alltag.
Herausforderung aber auch Fluch für den Ingenieur!
Wie lässt sich die Losgröße 1 bei einem erhöhten Automatisierungsgrad überhaupt realisieren?
Wie können Werkzeuge aber auch insgesamt Investitionen in dieser Hinsicht getätigt werden?
Wie hoch ist das Risiko auch oder insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen?
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www.thueringen.info
Müssen wir uns von der klassischen Wertschöpfungskette mit klarer Trennung der Aufgaben verabschieden, insbesondere in der Wechselwirkung Kunde/Lieferanten/Fertigung?
Konzept der Fabrik: Ort der Wertschöpfung in dem aus Rohstoffen oder Halbzeugen mittels Maschinen, unter Arbeitsteilung und nach einem Organisationsprinzip Halb- oder Fertigfabrikate erzeugt werden.
Willkürlicher Pfad
Vernetzung
www.schulbilder.org
MobilitätGeschäftsmodelle
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Kann es ein Modell sein? Welche Voraussetzungen?
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..oder so?
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Geschäftsmodell
In beiden Fällen kann von einem veränderten Geschäftsmodell gesprochen werden, in dem Liefer- und Wertschöpfungsketten im Sinne einer Kooperation und Kollaboration umgesetzt werden und die produkt- und/oder auftragsbezogen zusammengeführt werden.
Das kann unterschiedliche Ebene und Reifegrade aufweisen:
- Internetbasierte Verfügbarkeit von Ressourcen (Maschinen, Materialien), die somit gebucht und ausgetauscht werden können
- digitalbasierter Austausch von Köpfen und Entwicklungskapazitäten, um auch komplexe Aufträge oder Arbeiten annehmen zu können.
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Technologie bzw. technologischer Grundprozess
Technologischer Prozess in der Produktion
- Strukturierte Kenntnisse der Wechselwirkungen- In-line Prüfung- Übergang von Prozessüberwachung zu Prozessregelung
auch in komplexen Systemen- Merkmale und Datenübertragung
Reproduzierbarkeit
Geringe Ausschussrate
Toleranz
Ressourcen/Energie
Emissionen
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Technologie bzw. technologischer Grundprozess
Dauer: 30-80 minG4Si1Wandstärke Rohr: 4 mmWandstärke Ring: 5 mmDurchmesser Rohr: 100 mmDurchmesser Ring: 152 mm
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CAD-CAM Übersetzung und Slicen
Roboterbahngenerierung
Ding et al., (2015), Int. Journal of advanced manufacturing technologies
Verz
ug/S
pann
unge
n
Gef
üge/
Mik
rost
rukt
ur
Technologie bzw. technologischer Grundprozess
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Trichter Eingang nach Stückzahl und Lieferzeit
Verfügbarkeit Anlagen und Halbzeuge
HR1: Zerspanung HR2: Schweißen HR3: Additives Fertigen
Bulk Material, Blech, Profile, Rohre Draht, Pulver
Bauteil bzw. BaugruppenBauteil bzw. BaugruppenBauteil bzw. Baugruppen
Schutzgas, Umgebungsbedingungen
Wärmebehandlung
Morphologischer Baukasten zur Entscheidung Herstellmöglichkeiten
Herstelldaten an Plattform Bauteilinformationen und vernetzte Bearbeitung
z.B. Gradierung im Bauteil, Härte etc.
z.B.
Zei
ten,
Wer
kzeu
ge, P
roze
sspa
ram
eter
Technologie bzw. technologischer Grundprozess
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Einfluss haben diese Vorgänge auch auf die Nachbearbeitung, die es entlang der Wertschöpfungskette gibt und geben wird
Additiv hergestelltes Bauteil/Halbzeug
Wärmebehandlung
Zerspanen
Montage/Fügen
Welche Daten bzw. welche Kenngrößen sollen weitergegeben werden?
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T
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In Anlehnung an Isaev et al., (2016)Procedia CIRP
Technologie bzw. technologischer Grundprozess
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Technologie bzw. technologischer GrundprozessAdditive Fertigung
Einflüsse auf:
- Intralogistik- Fertigungssteuerung- Produktentwicklung- Produktlebenszyklus- Fälschungssicherheit
[Fachgebiet Fabrikbetrieb]
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Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)
Quelle: Berghof Group
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Überlagerung eines Scheibenlasers mit einem Diodenlaser
Versuch 1PScheibe = 4 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps
Versuch 2PScheibe = 4 kWPDiode = 1 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps
Versuch 3PScheibe = 4 kWPDiode = 2 kWvs = 15 m/min@ 5000 fps
Technologie bzw. technologischer Grundprozess
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Technologie bzw. technologischer GrundprozessLaserstrahlformung- Abbildung des Laserstrahles kann in Abhängigkeit der Aufgaben und der
Emissionen aus dem bearbeiteten Bereich ausgelegt oder durch Aktorikangepasst werden
[1] Bryngdahl, O.: Optical Map Transformation; Opt. Comm. 10 (1974) [2] Streibl, N.: Beam Shaping with Optical Array Generators; J. Mod. Opt. 26 (1989)[3] Sinzinger, S., Jahns, J.: Microoptics, 2nd Edition, Weinheim: Wiley-VCH (2003)[4] Sinzinger, S., Kleindienst, R.: Microoptics and Freeform Optical Beam Shaping”, Landoldt-Börnstein, New Series Vol. III/1, Laser Physics and Applications, Springer-Verlag (2010)
Transform[1] Split[2] Diffuse[3]Multiplexing[4]
100µm
FG Fertigungstechnik, FG Technische Optik
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Eigenheiten/Ebenen/Merkmale (Entwurf)
Technische Universität IlmenauFachgebiet Fertigungstechnik
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Smarte Produktentwicklung (SP2) und Innovative Produktentwicklung (IPE)
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Auf einem ersten Blick…
Informationsfluss
Produkt-entwicklung, VR
Fertigungs-technologien
Maschinen- und Anlagen
Informationsfluss Informationsfluss
Modelle zur Abbildung der Prozesse Einbindung in übergeordnete Systeme
Mess- und Sensortechnik
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Auf einem ersten Blick…
Produkt-entwicklung, VR
Fertigungs-technologien und
Sensorik
Maschinen- und Anlagen
Informationsfluss Informationsfluss
InformationsflussE
chtz
eit w
ande
lnde
Pro
dukt
ions
plan
ung
Datenaufbereitung, Datensicherheit
Netzwerke, Datenaustausch
Um
gang
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Was bietet die TU Ilmenau …und das ThZM
Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke
Durchgängigkeit des Engineerings über die gesamte Wertschöpfungskette
Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme
Neue soziale Infrastrukturen der Arbeit
Technologie Cyber-Physical-Systems
Systemgetriebener Gedanke in den wissenschaftlichen Arbeiten als Grundlage für die Umsetzung neuer Modelle in der Fabrik
nach Acatec