Der Mensch im Mittelpunkt. Die Innovationen im Werkzeugbau zwischen Ökonomie und Ökologie

Oktober 11, 2024Oktober 11, 2024admin

Automatisierung, Digitalisierung, Künstliche Intelligenz: Die Herausforderungen des Maschinen- und Werkzeugbaus waren in den letzten Jahren durchaus mannigfaltig. Aber dies waren bei Leibe nicht die einzigen Aufgaben: Die Nachhaltigkeit gewinnt immer mehr an Bedeutung, und der Maschinen- und Werkzeugbau muss sich im Spannungsfeld zwischen Ökonomie und Ökologie verorten. Gleichwohl wäre es falsch, diese Spannung als ein Gegeneinander aufzufassen, vielmehr kann und sollte der Druck als Initial für innovative Veränderungen aufgenommen werden, so ein Kredo des jüngsten Praxisforum Werkzeugbau des Verbands Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF) und der WBA Aachener Werkzeugbau Akademie an der Hochschule Schmalkalden.

Das Motto des Tages mit seinem umfänglichen Programm war: „Der Mensch steht im Mittelpunkt. Die Bedürfnisse von Menschen, ihr Komfort und ihre Interessen sind ein antreibender Motor der Innovationskraft des Maschinen- und Werkzeugbaus in seinen verschiedenen Facetten. Den Alltag bequemer zu machen zählt hier ebenso dazu wie Produkte besser und ökologischer sowie kostengünstig und daher allgemein verfügbar anzubieten. Um diese Ziele zu erreichen, können Instrumente wie die Künstliche Intelligenz helfen.

Die Nachhaltigkeit erhielt in den letzten Jahren mehr und mehr Bedeutung. Gerade weil der Klimawandel und seine Folgen immer deutlicher zutage treten und ins gesellschaftliche Bewusstsein rücken, richten sich Forderungen an die Politik und die Wirtschaft. Allerdings trifft diese Entwicklung den Maschinen – und Werkzeugbau keineswegs unvorbereitet: Der sorgsame Umgang mit Materialien, Rohstoffen und Energieträgern war schon immer geboten und ein wichtiger Aspekt von Entwicklungen und Innovationen, von Hochschulen angewandter Wissenschaften, forschenden Unternehmen und ihren gemeinsamen Kooperationsprojekten.

Gastgeber der Veranstaltung war die Angewandte Kunststofftechnik der Hochschule Schmalkalden, wobei Prof. Dr. Thomas Seul, Inhaber der Professur für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der HSM und Präsident des VDWF, auch die Aufgabe der Begrüßung übernahm. Hier griff er das Motto „Der Mensch steht im Mittelpunkt“ auf und machte zugleich deutlich, dass auch die Studiengänge Menschen, also engagierte und interessierte Studierende, bräuchte. Um all die technologischen, ökonomischen und ökologischen Herausforderungen angehen zu können, bedarf es gut ausgebildete Problemlöser: Gerade anwendungsnahe ingenieurwissenschaftliche Studiengänge wie die Kunststofftechnik vermitteln im Rahmen des Bachelor- und Masterstudiums Fertigkeiten und Fähigkeiten, die die zukünftigen Ingenieure und Ingenieurinnen in die Lage versetzen, innovative Antworten auf komplexe Herausforderungen zu finden.

Innovationen, Rezyklate und ökologische Potentiale

Die thematische Ausrichtung der Treffpunkte wechselt mit dem Ort der Veranstaltung, und in Schmalkalden steht traditionellerweise der Spritzguss im Fokus. In den verschiedenen Vorträgen des Tages wurden unterschiedliche Aspekte der Nachhaltigkeit verhandelt: Die Frage war unter anderem, wie wir Rezyklate optimal nutzen, Kreisläufe schließen oder den Energiebedarf gemäß ökologischer Imperative decken können.

Den Anfang machte Frank Schockemöhle von dem Unternehmen Pöppelmann, der sich mit dem Thema «Reduzierung der Treibhausgasemission durch Einsatz von Rezyklaten» befasste. Das Familienunternehmen aus Lohne hat eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft ihrer Produktion und Produkte ins Visier genommen und eine mehrstufige Strategie zur Umsetzung konzipiert. Es versteht sich von selbst, dass der Lebenszyklus von Kunststoffen maximiert werden sollte, werden diese Materialien doch in aufwändigen Verfahren gewonnen. Ein Ansatz ist dabei, Kunststoffe zu recyceln und wieder in den Kreislauf zu überführen, wobei auch die EU den Unternehmen aufgibt, entsprechende Mengen an postconsumer-Material, das in anderen Worten schon einmal genutzt wurde, einzubringen. Probleme sind dabei der Aufwand der Aufbereitung und die eingeschränkten Möglichkeiten der Wiederverwendung. Die Wiederverwertung wird umso aufwändiger, je mehr Materialien, also unterschiedliche Kunststoffe oder andere Materialien wie Papier und Metall Verwendung finden. Etiketten oder die Aluminiumdeckel bei Joghurtverpackungen sind hier bekannte Beispiele. Je sortenreiner also ein Objekt ist, umso einfacher die Wiederverwertung: Wichtig ist, dies schon beim Produktdesign selbst zu bedenken. Zum anderen Problem: Zum einen eignen sich natürlich Rezyklate nicht für alle Anwendungen, bleiben doch zumeist Restbestände an farblichen und olfaktorischen Beimengungen. Viele andere Bereiche, in denen zum Beispiel kein direkter Kontakt mit dem Produkt besteht, könnten Rezyklate verwendet werden, dürfen es aber aufgrund der momentanen Gesetzeslage nicht. Hier gäbe es also Stellschrauben. Durch ein konsequentes Design for recycling und eine Anpassung bestimmter Normen ließen sich die Treibhausgasemissionen noch weiter senken. Andere Wege zur Senkung von Emissionen sind die Reduzierung des Materials und die Etablierung echter Kreislaufsysteme von Rohstoffen.

Die Aachener Werkzeugbau Akademie (WBA) ist in den Feldern Beratung, digitale Lösungen, Weiterbildung und Forschung speziell für den Werkzeugbau aktiv. Dr. David Welling, der Geschäftsführer der WBA, arbeitete in seinem Vortrag „Der öko-effektive Werkzeugbau – ökologisch notwendig und ökonomisch erfolgreich “ den Nutzen von Nachhaltigkeitsinitiativen heraus. Zunächst ging es ihm um eine Bestandsaufnahme der gegenwärtigen Situation des Werkzeugbaus, die sich nicht anders als eine multiple und anhaltende Krise bezeichnen lässt. So träfe eine Strategie- auf eine Erfolgskrise, woraus am Ende eine Liquiditätskrise folgen könne. Die Krisenhaftigkeit zeige sich auch an wichtigen Indikatoren wie einer sinkenden durchschnittlichen Marge, einer stagnierenden Wertschöpfung pro Mitarbeitenden und einer sinkenden Quote von Aufträgen ohne Budgetüberschreitung (ab 2019). Neben die ökonomischen Herausforderungen träten nun noch ökologische, wobei Dr. David Welling dafür plädierte, beide Aspekte gemeinsam zu lösen. Der ökologische Druck besteht nicht nur aus der Selbstverpflichtung der EU zur Klimaneutralität und den entsprechenden Maßnahmen, sondern auch aus den Strafen für nichtgemeldete CO2-Emissionen, Berichtspflichten und Nachhaltigkeitsanforderungen. Der Ansatz der Öko-Effektivität zielt darauf, Herausforderungen auf beiden Feldern mit einer Lösung zu begegnen, also beides zusammenzudenken und produktiv zu nutzen. Zum Beispiel regen die hohen Energiekosten zu einem noch effizienteren Produzieren an, was wiederum die Treibhausgasemissionen senkt.

Karosserien und Schäume

Klaus Sammer, Leiter Werkzeugbau, Instandhaltung und Vorentwicklung der Leichtmetallgießerei, und Thomas Kopp gaben einen Einblick in die Entwicklungen beim Karosseriebau bei BMW Landshut: Bei dem Karosseriebau war die Herausforderung schon immer, komplexe und zugleich große Bauteile effizient herzustellen. Das Verfahren des Aluminium-Druckgusses wurde hierbei immer mehr verfeinert: Die in Landshut vor Kurzem entwickelte Mehrplatten-Technologie[i] erlaubt, bei der Konstruktion der Komponenten den Primat von der Optimierung des Fließwegs hin zur Funktionalität zu verlegen. Zugleich lassen sich so Material und Gewicht einsparen, was wiederum zu Einsparungen bei den Emissionen führt. Eine weitere Herausforderung, vor die in der momentanen Lage vermutlich alles Gießereien und Schmelzen stehen, sind die hohen Energiekosten. Durch diesen Druck bietet sich eine Umstellung auf nachhaltige Rohstoffe wie Solarenergie und grünen Wasserstoff an, was wiederum dem Ansatz der Öko-Effektivität entspricht. Natürlich entstehen wiederum Folgeprobleme wie unterschiedliche Temperaturen beim Verbrennen, die Korrosion durch das anfallende Wasser und höheren Verbräuche im Vergleich zum Erdgas: Aufgabe ist es dann, Erfahrungen mit den neuen Verfahren zu sammeln und Lösungen für eventuelle Probleme zu finden. Auch die Elektromobilität ist in diesem Sinne eine Herausforderung, die zu Innovationen anregt: Die Karosserien müssen nun noch komplexer werden und mehr Funktionen integrieren, was wiederum neue Verfahren ihrer industriellen Produktion verlangt. Die Serienfertigung zieht zudem weitere Anforderungen von der Kosteneffizienz bis hin zur Klimabilanz nach sich. Das jüngst vorgestellte „Injector Casting“[ii] Verfahren der Leichtmetallgießerei aus Landshut könnte eine innovative Lösung sein.

Eine andere innovative Möglichkeit zur Einsparung an Material im Kunststoffspritzguss ist das Schäumen. Neben diesem Aspekt bietet dieser Ansatz auch andere Vorzüge, auf die Uwe Kolshorn vom Kunststoff-Instituts Lüdenscheid in seinem Vortrag „Die <andere Denke> beim Kunststoffschäumen – geringere Drücke, Aluwerkzeuge und längere Fließwege, was will man mehr!?“ hinwies. Zunächst sind Schäume keine komplett neuen Bauformen, sondern orientieren sich an den zellularen Formen der Natur. Zugleich ist Schaum nicht gleich Schaum: Verschiedene Materialien und Herstellungsverfahren führen zu unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten. Die grundsätzlichen Vorteile des Schäumens beim Spritzguss sind die geringere Viskosität des Materials (Zähflüssigkeit) und der Verzicht auf den Nachdruck, entsteht der Druck doch im Inneren – eben durch das Aufschäumen. Somit werden unter anderem eine schnellere Füllung und niedrigere Temperaturen des Materials und des Werkzeugs, möglich. Wichtig ist es, bei der Konstruktion der Komponenten bereits die Charakteristika des Schaums im Blick zu haben und die gebotenen Vorteile zu nutzen. Zugleich hat die Verwendung von Schaum auch gewisse Nachteile, mit denen umgegangen werden muss. Beispiele sind die typischen Randausprägungen in Kissenform oder Schlieren auf der Oberfläche. Je nach Anwendungssituation lassen sich hier unterschiedliche Lösungsansätze finden.

Unternehmensführung bei Formconsult in Schmalkalden

Bewegte Zeiten

Christen Merkle, Geschäftsführer von AHP Merkle, zeichnete in einem lebendigen Vortrag mit dem Titel „Was mich bewegt.“ ein Bild der Situation, in der sich kleine und mittlere Unternehmen wie der Spezialist für Zylinder aus dem baden-württembergischen Gottenheim momentan befinden. Neben der schwierigen Lage der Wirtschaft beschäftigen die Unternehmer der schlingernde Kurs der Politik und der Wandel gesellschaftlicher Einstellungen. Unternehmerische Entscheidungen, zum Beispiel Investitionen, brauchen aber langfristige Planbar- und Verlässlichkeit der Rahmenbedingungen, zum Beispiel der Wirtschaftspolitik. Hier gebe es, vorsichtig formuliert, Verbesserungspotentiale. Die Krisenhaftigkeit der Zeit und die Strukturprobleme wie der Fachkräftemangel beiseite präsentierte sich Christen Merkle als leidenschaftlicher, in der Region verwurzelter Familienunternehmer, der sich seiner sozialen und ökologischen Verantwortung bewusst ist. Ein Beispiel der Vorzüge einer solchen langfristigen Orientierung zeigte sich in der Pandemie: Merkle verzichtete auf Maßnahmen wie Kurzarbeit und setzte auf Forschung und Entwicklung, von der das Unternehmen nun mir erfolgreichen Produkten profizieren kann.

Den letzten Input gab dann Stephan Hoffmann, Geschäftsführer der Formconsult Werkzeugbau GmbH aus Schmalkalden, dessen Vortrag in eine Firmenbesichtigung mündete. Das Unternehmen stellt hochpräzise Werkzeuge her und hat sich auf Mehrkomponenten- und Zweifarbentechnik spezialisiert. Der innovative Werkzeugbau beruhe auf drei Säulen, wobei die Entwicklung, Konzipierung und die Simulierung erste Säule wäre. Neben der Kooperation mit Partner wie der HSM und der GFE sorge hierbei auch die Unterstützung von Start-Ups für die Freisetzung innovativer Potentiale. Die zweite Säule besteht im Werkzeugbau selbst, seiner Spezialisierung und der Fertigung. Aspekten der Nachhaltigkeit könne hier genüge getan werden, indem bei den Produktionsstätten auf Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbarer Energien – wo möglich – zurückgegriffen werde, sei es durch Solarpanels oder die Klimatisierung über hocheffiziente Wärmepumpen. Die dritte und letzte Säule ist das Technikum, was der Qualitätssicherung dient. Bemusterung, Vermessung und u.a. die Dokumentation sollen neben einer beständigen Zertifizierung die Qualität der Produktion und der Produkte garantieren.

Gruppenbild im Foyer des Hauptgebäudes (© Fabian Diehr/wortundform)

Das Resümee der Veranstaltung legt einen Blick auf den Anfang der Veranstaltung nahe, also die Begrüßungsworte von Prof. Thomas Seul: Sein Plädoyer war die konstruktive Zusammenarbeit von Hochschulen für angewandte Forschung und Unternehmen. Durch diese Kooperation könnte die Expertise der akademischen Forschungsbereiche genutzt werden und so letztlich beide Seiten profitieren. Eine andere Möglichkeit der Zusammenarbeit sind übergreifende Netzwerktreffen wie das Praxisforum, das von Partner aus der Wirtschaft (FDU Hotrunner, HoliMaker, Meusburger, Moulding Expo, Partool und Process Garding) gesponsert und somit in dieser Ausrichtung dankenswerterweise möglich gemacht wurde.

PS: Der Bericht zum vorherigen VDWF-Treffpunkt Werkzeugbau

[i] https://www.aluminium-journal.de/druckguss-bmw-setzt-auf-mehrplatten-werkzeugtechnik

[ii] https://www.bmwgroup-werke.com/landshut/de/aktuelles/2023/erster-guss-in-neuer-high-tech-leichtmetallgiesserei.html

risING – Der Tag der Ingenieurwissenschaften an der Hochschule Schmalkalden

August 1, 2024August 1, 2024admin

Mitte Juni durfte die Hochschule Schmalkalden den Tag der Ingenieurwissenschaften unter dem Titel „risING. Regionale Innovationen, globale Transformationen“ ausrichten. In einem ganztägigen, abwechslungsreichen Programm präsentierten sich die Thüringer Ingenieurwissenschaften zugleich sich selbst und der interessierten Öffentlichkeit. In Vorträgen konnten sich verschiedene Projekte aus Forschung und Lehre vorstellen und Nachwuchswissenschaftler:innen in einem Pitchwettbewerb beweisen. Abgerundet wurde das Programm durch eine Präsentation aller eingereichten Poster und eine Ausstellung von Kooperationspartnern im Foyer. Prägend in allen Hinsichten blieb die thüringenweite, kooperative Ausrichtung der Ingenieurwissenschaften, die auch ein Markenkern der Allianz Thüringer Ingenieurwissenschaften darstellt.

Die Allianz THÜR ING ist ein Bündnis von sieben Thüringer Hochschulen mit ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen, das es sich zu Aufgabe gemacht hat, die Bekanntheit der Ingenieurwissenschaften in der Öffentlichkeit zu steigern. Ziel dieser Kooperation ist es zudem, junge Menschen für das Studium der Ingenieurwissenschaften zu begeistern und zu diesem Zweck die Vielfalt der Studiengänge, die Anwendungsnähe und die innovative Relevanz hervorzukehren. Ab von vielen weiteren wissenschaftskommunikativen Offerten sind es die Tage der Ingenieurwissenschaften, die eben solche Impulse setzen sollen. Neben der Allianz THÜR ING unterstützte die Thüringer Ingenieurskammer das Organisationsteam der Hochschule Schmalkalden bei der Umsetzung des Tages, zum Beispiel bei der Bewertung der Pitches und der Preisverleihung am Ende der Veranstaltung.

Um was es geht: Die Relevanz der Ingenieurwissenschaften

In seiner Begrüßungsrede wies Professor Gundolf Baier, Präsident der Hochschule Schmalkalden und Sprecher der Allianz THÜR ING, auf die verschiedenen gesellschaftlichen Herausforderungen unserer Gegenwart hin, auf welche die Ingenieurwissenschaften innovative Antworten finden müssten und auch würden: Neben der Demographie seien dies die Digitalisierung und die Dekarbonisierung – kurz die großen D‘s. Gerade im Falle der letzten beiden Herausforderungen werden die Potentiale der Ingenieurwissenschaften deutlich: Die techno- und ökologischen Transformationsprozesse prägen bereits unsere Gegenwart und unseren Alltag von der Kommunikation über Behördengänge bis hin zu Einkäufen, und werden dies in Zukunft wohl immer stärker tun. Darüber hinaus spielen die D’s aber auch eine immer größere Rolle für die Wirtschaft und den Standort Deutschland.

Hochschulen angewandter Wissenschaften nehmen die letzten beiden Impulse gesellschaftlicher Transformationen in ihrer Forschung auf und versuchen, neben ebenso relevanten Aspekten von Grundlagenarbeiten, anwendungsnahe Lösungsansätze für Gesellschaft und Wirtschaft zu entwickeln. Diese Implementierbarkeit ihrer Forschungsarbeiten und die Arbeit an konkreten Problemen ist ein gewichtiges Pfund, die mehr in die Wahrnehmung der Öffentlichkeit gerückt werden soll.

Anlässe wie die Tage der Ingenieurwissenschaften lassen sich nutzen, um mit der Öffentlichkeit in Kontakt zu treten und diese über die Tätigkeiten und die Sinnhaftigkeit der Ingenieurwissenschaften zu informieren: Was sind die Themen der Ingenieur:innen, vor welchen Herausforderungen stehen sie und wie gehen sie mit den Aufgaben um? Welche Bereiche umfasst das ingenieurwissenschaftliche Spektrum und wie gestalten sich die internen und externen Austauschbeziehungen, zum Beispiel zu den Forschungseinrichtungen von Unternehmen? Wie lassen sich Patente einrichten, Start-Ups gründen oder Forschungsdaten in der wissenschaftlichen Community teilen? Der Tag der Ingenieurwissenschaften nutzte die Gelegenheit, um ein Licht auf diese verschiedenen Aspekte zu werfen.

risING: Impulse der Politik

Der Tag der Ingenieurwissenschaften steckte sein thematisches Portfolio bereits in seinem Titel „risING. Regionale Innovationen, globale Transformationen“ ab. Einerseits wird hierbei ein Bezug zur RIS-Strategie der Landesregierung hergestellt, die wiederum auf eine regionale Innovationsstrategie abzielt: Im Hinblick auf verschiedene Felder und thematische Komplexe rund um Zukunftsfragen wurden Akteure der Thüringer Forschungslandschaft anhand ihrer Schwerpunkte und Kompetenzen markiert. Das Ziel ist, dass die beteiligten Institutionen und Personen zu verknüpfen und den Austausch an Wissen und Expertise anzuregen, um und so schließlich die Forschung gemeinsam voranzutreiben. In Kooperationen lassen sich die Potentiale ganz unterschiedlicher Akteure und Regionen Thüringens produktiv nutzen, so die dahinterstehende Idee. In einem kleinen Bundesland wie Thüringen kann Forschung keine One-Man-Show sein, vielmehr legen die kurzen Wege eine enge, produktive Zusammenarbeit und die intensive Vernetzung nahe.

Kooperative Projekte sind in der Forschungslandschaft zwar keine neue Erscheinung, doch nimmt die Zusammenarbeit von Hochschule, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Partnern aus Wirtschaft und Gesellschaft immer mehr zu. Da sich so die verschiedenen Schwerpunkte unterschiedlicher Akteure einbringen und die Beteiligten die Heterogenität der Forschungslandschaft gewinnbringend nutzen können, bieten sich diese Kooperationsprojekte zur Präsentation ingenieurwissenschaftlicher Aktivitäten und deren interdisziplinärer Potentiale an.

Forschungsprojekte: Intelligente Mobilität und 3D-Elektronik-Systeme

Am Tag der Ingenieurwissenschaften konnte Professor Frank Schrödel von der Hochschule Schmalkalden die hochschulübergreifende Forschungsgruppe vernetztes und kognitives Fahren, kurz CoCoMobility, vorstellen. Neben der HSM sind die Fachhochschule Erfurt, die Technische Universität Ilmenau und die Bauhaus-Universität Weimar an diesem Forschungsprojekt zum Thema intelligente Vernetzung moderner Mobilität beteiligt. Die Vielfältigkeit der Kooperationspartner spiegelt die Differenziertheit der hier einbegriffenen Themen: Neben der intelligenten Verkehrsinfrastruktur und der Vernetzung von Fahrzeugen, Infrastruktur und Testumgebungen arbeitet die Forschungsgruppe an Effekten auf den Verkehr, Aspekten der Sicherheit sowie an Einflüssen der Umwelt.

Die Umsetzung der neuen Mobilität angefangen beim autonomen Fahren bis hin zur smarten Verkehrslenkung bedarf der Kommunikation, zum Beispiel zwischen den Mobilen und der Infrastruktur. An dieser intelligenten Konnektivität forscht der Projektpartner TUI. Die BUW fokussiert sich auf den Ablauf des Verkehrs, also Fragen der Vorhersagbarkeit und u.a. individuell als angenehm empfundener Abstände. Die Steigerung der Verkehrssicherheit vulnerabler Gruppen steht im Blickfeld der FHE. Und die HSM widmet sich der menschenzentrieten autonomen Entscheidungsfindung im Kontext der autonomen Mobilität. In diesem kooperativen Forschungsprojekt können die unterschiedlichen Partner ihre Expertise einbringen.

Professor Roy Knechtel nutzte die Gelegenheit, um den neuen Forschungsschwerpunkt 3D-Elektronik-Systeme der Hochschule Schmalkalden vorzustellen. Die Welt der Mikroelektronik ist noch heute weitgehend eine Scheibe, sind doch jene dünnen Siliziumscheiben, die sogenannten Wafer, die Grundbausteine. Dennoch lässt sich ein Trend hin zur Dreidimensionalität feststellen: Um die Funktionen moderner smarter Geräte wie Handys oder Uhren erfüllen zu können, müssen Chips, Sensoren und andere technische Komponenten in die dritte Dimension wachsen: Kurzum geht es darum, hochkomplexe Bauteile zu stapeln und zu verbinden, um so immer kompaktere, effizientere Komponenten zu erzeugen und den Erfordernissen von Funktionalität, Formfaktor, Passgenauigkeit und Rentabilität gerecht zu werden.

Das Ziel des Projektes ist die Herstellung komplexer mikroelektronischer Bauteile direkt auf dem wafer, um so auch die Wertschöpfung einer bislang recht globalisierten Industrie vor Ort halten zu können. Um die für diese Bauteile notwendige Präzision erreichen zu können, muss ein Fokus auf den Materialien und der Strukturanalyse ihrer Charakteristika liegen. Neben Martin Seyring aus dem Team von Roy Knechtel ist mit Stephanie Lippmann von der FSU Jena und dem dortigen Otto-Schott-Institut für Materialforschung im Projekt für diese Aspekte eingebunden. Aber auch Unternehmen wie X-Fab beteiligen sich als Partner aus der Wirtschaft an diesem Forschungsschwerpunkt.

Nachwuchs: Die vielen Facetten der Ingenieurwissenschaften

Am Tag der Ingenieurwissenschaften gab auch dem akademischen Nachwuchs in unterschiedlichen Hinsichten Raum: Schon vor Längerem gab es einen Call for Poster, der um Einreichungen zu innovativen Themen der Thüringer Ingenieurwissenschaften aufrief. All diese eingereichten Poster wurden im Rahmen einer Präsentation per Slideshow gezeigt und gaben während der Pausen zu Gesprächen Anlass. Zudem wählte eine Jury aus den Einreichungen zwölf aus, die dann am Tag der Ingenieurwissenschaften ihr Poster in einem Pitch vorstellen konnten. Am Ende der Veranstaltung wurden wiederum durch eine Jury, unter anderem mit Vertreter:innen der Ingenieurskammer besetzt, die besten drei Pitches ausgewählt und die Gewinner mit einem Preisgeld bedacht.

Hier ist nicht genügend Platz, alle Beiträge eingehend zu würdigen, daher muss eine Synopsis genügen. Alle Pitches werden in Bälde auf dem Youtubekanal der Allianz THÜRING verfügbar sein, alle Poster sind auf der Seite der Hochschule Schmalkalden im Bereich Forschung zu finden. Zudem werden die Präsentationen, sofern möglich, ebenso auf diesen Seiten veröffentlicht.

Martin Patrick Pauli von der Hochschule Schmalkalden verdeutlichte die Folgen des Data-Leakage-Problems, welches bei dem Training von KI-Algorithmen mit Daten auftreten kann. Letztlich kann es dabei zu überoptimistischen Annahmen der Trefferquoten und damit zu einer Verzerrung der Ergebnisse kommen. Um diese nur scheinbare Lösung zu vermieden, gilt es ebenso aufmerksam gegenüber den Daten und ihrer Aufbereitung zu bleiben wie es nützlich ist, auf verschiedene Kontrollmethoden in der Datenverarbeitung zurückzugreifen.

Christian Diegel von der Technischen Universität Ilmenau stellte in seinem Pitch ein Verfahren vor, beim dem es um eine Optimierung des Laserstrahlschweißens geht. Infolge der hohen Prozessgeschwindigkeit lösen sich aus dem Schmelzkanal Spritzer ab, die dann wieder mehr oder weniger aufwändig entfernt werden müssen. Durch die Addition einer Nebenintensivität nahe dem zentralen Laser ließe sich das Schmelzbad vergrößern und so die Dynamik des Materials verringern, wodurch es wiederum weniger Ablösungen gäbe, so der Ansatz. Durch die Einbringung von Tracer-Teilchen ins Material konnte mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Röntgenuntersuchungen die Fluidität des Materials beobachtet und Wege zur Optimierung des Laserschweißens gefunden werden.

Tobias Tefke stellte den Aufbau eines Ethical-Hacking-Labors inklusive einer Capture-the-flag-Umgebung vor, die den Studierenden der Informatik an der Hochschule Schmalkalden helfen soll: In virtuellen Arbeitsumgebungen geht es darum, mögliche Schwachstellen in der Infrastruktur von Softwaresystemen zu finden und die Lücken in der Sicherheit zu schließen. Hier verknüpfen sich also Ansätze der Informatik und der Didaktik.

Analoger nimmt sich das Projekt von Lucas Hauck, ebenfalls von der Hochschule Schmalkalden, aus: Er geht den technischen Herausforderungen, den Möglichkeiten und Grenzen der additiven Fertigung elektronischer Bauteile im dreidimensionalen Raum nach. Der 3D-Druck besticht dabei durch ein Angebot vieler Verfahren und die mögliche Verwendung unterschiedlicher Materialien sowie die Aufbringbarkeit auf multiple Untergründe. Hauck geht diesem Komplex anhand eines 3D-Druck-Systems nach, wobei dessen Flexibilität der möglichen Verfahren das Angebot denkbarer Lösungswege vervielfacht und übersichtlich macht. Um den Aufwand individueller Ansätze zu minimieren, soll ein grundlegender Verfahrenskatalog entwickelt werden, der den Umgang mit solchen Geräten über Designregeln standardisieren und vereinfachen soll.

Wie können Drohnen und künstliche Intelligenz die Bauindustrie unterstützen? In ihrem Pitch umriss Lisa Schneeweiß das Projekt BauKiRo, das sich neben der Aufzeichnung des Baufortschritts auch dem Vergleich der realisierten Bauausführung mit dem Bauplan widmet. Dieser Kooperation der HSM mit der FAU Erlangen-Nürnberg steht vor den Herausforderungen des Einsatzes von Drohnen in komplexen Umgebungen und KI-unterstützten Auswertung von Videoaufnahmen und dem Abgleich mit vorliegenden Plänen. Der Zweck dieses Projektes ist unter anderem, Baumängel frühzeitig zu erkennen.

Sreekar Babu Malli vom ThIWert, dem Thüringer Innovationszentrum für Wertstoffe, befasst sich im Projekt SeRo.inTech mit innovativen Technologien, wertvolle Rohstoffe aus Abfällen zu gewinnen. Er stellte das Kooperationsprojekt der HSN mit der BUW am Beispiel von Sperrmüll vor: In der üblichen Entsorgung von Abfällen bleiben Teile an verwertbaren Materialien und Rohstoffen ungenutzt. Das Projekt versucht unter anderem, die die großen Bestandteile an Holz im Sperrmüll aufzubereiten. Daran schließt sich eine Verteilung der Objekte nach Qualität und möglicher Weiterverwendung an. Ziel ist es, einen möglichst abgeschlossenen Kreislauf der verwendeten natürlichen Rohstoffe zu realisieren und selbst qualitativ minderwertige Materialien nachhaltig zu nutzen.

Michael Werner von der Hochschule Schmalkalden stellte das Innovationslabor KIOptiPak vor, das wiederum ein Teil des KI HUB Kunststoffverpackungen ist. Ziel dieser Kooperation verschiedener Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft ist es, Kunststoffverpackungen so zu gestalten, dass die Wiederverwertbarkeit maximiert und die Kunststoffabfälle von Verpackungen minimiert werden. Das KIOptiPak zielt dabei auf die Frage, wie Verpackungen designt sein müssen, um dieses Ideal eines Kreislaufs zu erreichen, zum Beispiel im Hinblick auf das verwendete Material und die direkte Einbeziehung von Vorgaben des Recyclings. Werners Interesse lag dabei auf der Qualität des wiederaufbereiteten Kunststoffreziklats und dem Umgang mit Schwankungen des Materials in der Verarbeitung. Diese Erkenntnisse sollen dann in KI-Modelle einfließen, die anhand der Vermessung des verwandten Materials schon bei laufender Produktion Angaben über die Güte und Verwendbarkeit des Produkts geben können.

Ein Thema, das Aspekte von Forschung und Transfer mit einem didaktischen Ansatz verknüpft, stellte Carsten Gatermann von der TUI vor: Ausgangspunkt war die Frage eines Schülers, ob sich eine vertikale Windenergieanlage auch in Privathaushalten installieren ließe. Neben den elektrotechnischen Fragestellungen galt es, der kreativen Neugier des Schülers Raum zu lassen: Wie müssen Projektarbeiten gestaltet werden, um den individuellen Freiraum der Forschung mit der notwendigen Unterstützung und Orientierung zu verbinden? Der Ansatz „Knowledge on Demand“ trennt Themen in Teilaufgaben, zwischen denen sich die Beteiligten immer wieder abstimmen: Weil das selbstständige Arbeiten von den Schülern erst erlernt werden muss, wird die eigenständige Forschung mit einem engen Betreuungsverhältnis ergänzt. Je nach individuellem Vermögen können dann die Aufgaben dann frei oder gesteuert angegangen werden.

Wie lässt sich der natürliche Rohstoff Holz weiter nutzen? Daniela Pachatz von der HSM stellte drei Anwendungsbeispiele aus dem Projekt FiWood vor, in dem um die Integration von Funktionen in Schichtholzprodukten geht. Ein Projekt ist ein Sitzpult, in das verschiedenen Funktionen wie eine Heizung und Sensoren (Temperatur und u.a. Luftfeuchte) eingelassen sind. Die Wärmefunktion ist auch Teil von Bodenheizelementen, die über die Abgabe von Infrarotwärme den Effekt der thermischen Behaglichkeit erreichen sollen. Nicht zuletzt lassen sich auch LED-Arrays in den Furnieren integrieren, und so leuchtende Holzelemente herstellen.

Walpola Perera von der FHE ist Teil des Forschungsprojektes Kimono-EF, das die Mobilität beeinträchtigter Menschen im Stadtraum sicherer machen will. Weil die Grünphasen von Ampelanlagen oftmals zu kurz sind, um betroffenen Menschen eine vollständige Überquerung der Straßen oder Straßenbahnschienen zu erlauben, soll hier innovative Technologie Einzug halten. Zunächst werden mit KI-optimierten Erfassungssystemen wie Kameras Personen frühzeitig ausfindig gemacht, die einen längeren Zeitraum für die Querung benötigen könnten, zum Beispiel Personen in Rollstühlen oder mit Kinderwägen. Anschließend werden die spezifischen Grünphasen verlängert und die anderen Verkehrsteilnehmer informiert. Weiter gedacht könnte mit Hilfe dieser Benachrichtigungssysteme auch eine intelligente Verkehrssteuerung autonomer Fahrzeuge ergänzt werden.

Einen Ansatz, die Photolithographie mit extremem ultraviolettem Licht zu verbessern, stellte Niranjan Kannali Ramesha von der HSM vor. Moderne Computerchips werden durch ein spezifisches Verfahren hergestellt, das sich als Buchdruck mit Licht umschreiben ließe. Auf dem Wafer, also einer Siliziumscheibe, wird eine photosensitive Schicht aufgetragen und dann durch eine Maske hindurch dem Licht ausgesetzt, wodurch sich hochkomplexe und kleine elektronische Bauteile wie Transistoren aufbringen lassen. Der bestimmende Faktor der Größe der Bauteile ist momentan die Wellenlänge des Lichts, wodurch sich der Einsatz extremen ultravioletten Lichts erklärt. Um die Produktionskapazität zu steigern, müssen kraftvollere EUV-Quellen als die bislang genutzte Variante über Zinnkügelchen gefunden werden. Das Projekt ging dem Ansatz nach, das EUV von Freien-Elektronen-Lasern wie dem FLASH als Quelle zu nutzen. Zentral ist hierbei die Frage, ob und wie sich das EUV-Licht in einem Fokuspunkt konzentrieren lässt, wofür wiederum die Erfassung der Wellenfront eine entscheidende Rolle spielt. Im Weiteren brauche es optische Systeme, die Abweichungen der Wellenfont korrigierten.

Martin Sennewald (TUI) stellte abschließend einen Aspekt des Forschungsprojektes DimFSW vor, das darauf abzielt, die Beschädigungen von Werkzeugen bei Schmelzschweißverfahren wie dem Rührreibschweißen abzuschätzen und das Aufkommen von Ausfällen von Produktionsabläufen zu minimieren. Die Fügetechnik stehe grundsätzlich vor steigenden Herausforderungen, unter anderem aufgrund wachsender Ansprüche der Bauteilkomplexität, dem Leichtbau und der Qualität. Zum Beispiel verlangt die Elektromobilität weitaus komplexe Bauteile als die bisherigen Modelle. Für die Fertigung folgen hieraus nicht nur die Wirkung hoher Prozesskräfte, sondern auch ein erhöhter Verschleiß der Werkzeuge. Wie lässt sich dieser Verschleiß so bestimmen, dass Ausfälle in laufenden Produktionsprozessen vermieden werden können? Der Ansatz ist, auf die tatsächlichen Prozesskräfte und -momente wie der vorliegenden Spannungen am Schweißstift im Prozess zurückzugreifen, wobei diese aus den Kraft-/Drehmomentdaten gewonnen werden.

Nachhaltigkeit und Netzwerke, Daten und Patente

Neben diesen konkreten Forschungsvorhaben gab der Tag der Ingenieurwissenschaften auch Projekten Raum, die Forschung und Lehre strukturell verbessern wollen. Mit ThüLeNa präsentierten die Professoren Frank Pothen (EAH) und Matthias W. Schneider (HSM) ein jüngst gestartetes Projekt, das sich dem Aspekt der Nachhaltigkeit im Lehren und Lernen widmet und dies stärken will. Dieser Nachhaltigkeitsgedanke umfasst Aspekte der Entwicklung neuer Technologien ebenso wie eine soziale und ökologische Verantwortung sowie die Einholung sozialer und ökonomischer Akzeptanz. Das Ziel von ThüLeNa ist es, die Ingenieurwissenschaften auf diese Herausforderungen auf verschiedenen Ebenen vorzubereiten und die Transformation produktiv zu begleiten, und zum Beispiel die Nachhaltigkeit in Lehrformaten zu integrieren und bereits vorhandene Strukturen und Kompetenzen zu stärken.

Wie lässt sich die Forschung und Entwicklung in Thüringen kooperativ verknüpfen? Das Thüringer Zentrum für Maschinenbau nimmt sich dieser Aufgabe an, wie Dr. Andreas Patschger in seinem Vortrag deutlich machte. Das ThZM ist eine Kooperation aus fünf Forschungseinrichtungen, u.a. der TUI und der HSM, das sich neben wirtschaftspolitischen Impulsen vor allem dem Wissens-Transfer hin zu kleinen und mittleren Unternehmen verschrieben hat. Es geht also darum, gefundene Lösungen in die Anwendung zu bringen und hierzu Institutionen der F&T mit den zentralen Akteuren, also Unternehmen, in Kontakt zu bringen. Beide Seiten können hierbei voneinander lernen. Ein weiterer Ansatz des ThZM ist zudem die Netzwerkarbeit, um die Akteure in Austausch zu bringen, zum Beispiel in Formaten wie der Cross-Cluster-Initiative Thüringen. Hierin tauschen sich kleine und mittlere Unternehmen über ihre Erfahrungen, Bedarfe und gemeinsamen Interessen aus, was zukünftigen Kooperationsprojekten ebenso den Weg ebnet wie es den Partnern einen Überblick in geteilte Problemlagen erlaubt. Nicht nur können die Beteiligten so von best-practise-Beispielen profitieren, sondern auch mögliche Kooperationspartner in der Nachbarschaft kennengelernt werden.

Eine andere Frage ist die der Forschungsdaten, wobei hier nicht nur an die Statistiken empirischer Sozialwissenschaften zu denken ist, sondern auch an die massiven Datenmengen, die zum Beispiel im Maschinenbau per Sensoren an den Werkzeugen erhoben werden. Da diese Informationen mit viel Aufwand gewonnen werden, ist es sinnvoll und von einem allgemeinen wissenschaftlichen Interesse, die erhobenen Daten zu teilen, im Kreise der Wissenschaft oder auch in der Öffentlichkeit. Um Wissenschaftler:innen bei diesen Projekten zu unterstützen wurde mit dem FDM-HAWK eine Initiative des Forschungsdatenmanagement ins Leben gerufen, deren Mitarbeiter:innen auf verschiedenen Feldern helfen können. Wie Sarah Boelter (EAH Jena) hervorhob, fängt dies bereits bei grundsätzlichen Dingen wie dem Datenschutz- und der -sicherheit an, geht über den planvollen Umgang mit Daten und ihrer Erhebung schon im Vorfeld und reicht bis in Detailfragen wie den passenden Metadaten, verlässlichen Plattformen und den kompatiblen Formaten der entsprechenden Daten.

Ein anderer Punkt sind die Patente: Jan Axel Schleicher gab einen Einblick in seine Tätigkeit und die Aufgabe von PATON, dem Landespatentzentrum Thüringen. Letztlich ist es das Ziel, unter anderem Wissenschaftler:innen dabei zu unterstützen, Patente zu beantragen und die verschiedenen Fallstricke einer solchen Anmeldung zu vermeiden. Welche Kriterien müssen erfüllt werden, um ein Patent anmelden zu können? Hier ist unter anderem an den Stand der Technik zu denken, dessen Mängel und das Potential der Erfindung, wobei hier wiederum zwischen der Aufgabe und der Lösung der Erfindung geschieden werden kann. Nicht zuletzt stellte Schleicher den Ablauf einer Patentanmeldung vor, um eventuell Betroffenen eine Orientierung zu geben.

Sven Uwe Büttner vom StarterWerk gab einen Überblick über die Dos and Don’ts von Existenzgründungen: Was braucht es eigentlich, um erfolgreich von einer Idee zu einer Unternehmung zu gelangen? In das Zentrum stellte Büttner das kreative, engagierte Individuum, das eine Idee verwirklichen will. Neben der Definition einer Baseline, der Perzeption des Marktes und der Interessen potentieller Kund:innen ging es um die Nutzung wichtiger Kontaktnetzwerke und die Fokussierung gepaart mit einer Offenheit, die den Weg zum Ziel nicht weniger gerichtet, nur etwas breiter werden lässt.

Ein Fazit

Am Ende des Tages konnten die Gäste, die Referierenden und das Organisationsteam auf einen erfolgreichen, informativen Tag der Ingenieurwissenschaften zurückblicken, der verschiedene Aspekte der Thüringer Ingenieurwissenschaften beleuchtete und der zugleich ebenso für die Öffentlichkeit wie für Wissenschaftler:innen lohnenswerte Inhalte bereithielt.

Die Veranstalter wollen zum Abschluss allen Beteiligten danken, die im Vorfeld oder am Tag selbst mit ihrem Engagement für das Gelingen beitrugen.

Über den Abschluss des Forschungsprojektes „RoboTraces“

Februar 14, 2024Februar 15, 2024admin

Das Projekt RoboTraces zog Ende Januar ein Resümee seiner einjährigen Forschungstätigkeit und lud aus diesem Anlass abseits der Vertreter:innen von Presse und Politik auch jene Personen ein, die ein elementarer Bestandteil des Vorhabens in dem Stadtquartier Geras waren: Die Bewohner:innen. Neben dem Umweltminister Thüringens, Bernhard Stengele, fanden auch der TAG-Regionalchef, Claudius Oleszak, und die Referentin beim Bundesministerium für Digitales und Verkehr, Sarah Schmelzer, positive Worte zum Projekt und seiner Bilanz.

„Robbie“ ist ein autonomer Lieferroboter, der Einkäufe vom Laden, hier ein lokaler REWE, zu den Kund:innen, hier zum Nachbarschaftstreff Eichenhof, bringen soll. Da der Roboter die Gehwege nutzt, galt es zunächst, die Reaktionen der Bevölkerung auf „Robbie“ zu sondieren, also zum Beispiel, ob die Passant:innen anhalten, die Straßenseite wechseln oder einfach weitergehen – bzw. in welchen Situationen welche Reaktion auftritt.

Anpassung und Lebensqualität

Aus diesen Beobachtungen und Gesprächen mit den Nutzer:innen und Anwohner:innen lässt sich unter anderem schließen, welche Abstände, welche Farbgebung und welche Geschwindigkeiten notwendig sind, damit der Roboter zwar wahrgenommen wird, er zugleich aber nicht stört oder gar als Gefahr erscheint. Um diese Einsichten über das Verhalten und mögliche Parameter der Anpassung zu gewinnen sowie erste Einschätzungen möglicher Stressoren, also Auslösern von Stress, treffen zu können, wurde Robbie über einen längeren Zeitraum in mehreren Phasen in dem Quartier in Gera getestet.

„Robbie“ soll in erster Linie Menschen helfen und von alltäglichen Mühen entlasten, wie es unter anderem Einkäufe darstellen. Somit ist es ein Gewinn an Lebensqualität und Autonomie, wenn ältere Menschen wieder die Möglichkeit erhalten, weitestgehend selbstbestimmt und unabhängig ihre alltäglichen Besorgungen zu erledigen. Im Ergebnis bleibt den Senior:innen mehr Zeit für andere Aktivitäten, zum Beispiel zum Tanz oder Kartenspiel im Nachbarschaftstreff Eichenhof. Die Entwicklung autonomer Lieferroboter steht zwar noch am Anfang, ihr positiver Nutzen gerade für eine immer älter werdende Bevölkerung hingegen ist schon bereits heute greifbar.

Pionierarbeit und Erkenntnisse

Professor Sebastian Zug von der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Professor Frank Schrödel von der Hochschule Schmalkalden und Professor Felix Wilhelm Siebert von der Technischen Universität Dänemark leisteten mit ihren Teams hier Pionierarbeit, sind die Akzeptanzbedingungen autonomer Lieferroboter im Outdoor-Bereich doch bislang unerforscht. Gerade die Situation eines inhomogenen Terrains, das unterschiedliche Beläge und zum Beispiel Breiten und Belagsqualitäten der Gehwege aufweist, wurde zu einer Herausforderung für den Lieferroboter. Zugleich ließ es die lange Testphase zu, Daten in verschiedenen Situationen zu sammeln, also bei Tag und Nacht sowie unter anderem bei hohem und niedrigem Passant:innenaufkommen.

Ein Ergebnis der Testphasen war, dass die Einschätzbarkeit des Verhaltens des Roboters ein wichtiger Aspekt im Umgang der Menschen mit ihm war: Kurzum wollen Menschen nicht überrascht werden, wie von spontanen Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderungen. Die nächste Herausforderung wird es also sein, die Vorhersagbarkeit des Verhaltens technisch zu integrieren und sichtbar zu machen. Die einjährige Projektphase wurde also nicht nur genutzt, um die Technik der Roboter stetig zu verbessern, sondern auch dazu, den Kontakt von „Robbie“ und Menschen besser zu verstehen und für sich anschließende Projekte konstruktive Ansatzpunkte zu schaffen.

Datenschätze und Herausforderungen

Während der Testfahrten wurde ein großer Datensatz en erzeugt, der nun – natürlich anonymisiert – anderen Forschenden und Forschungsfragen als Grundlage zur Verfügung steht. Die Organisation der Testfahrten, die das Sammeln der Daten ermöglicht, ist eine arbeitsintensive Aufgabenstellung: Nicht nur musste Robbie jeweils nach Gera verbracht werden, auch mussten Teams zusammengestellt und Absprachen mit den Verantwortlichen vor Ort getätigt werden. Dieser Aufwand kann durch die Vorarbeit des RoboTraces-Teams nun anderen Forschenden abgenommen werden. Zum Beispiel arbeitet schon jetzt eine deutsche Hochschule in Jordanien mit den Datensätzen aus den Fahrten in Gera.

Neben den technischen und verkehrspsychologischen Aspekten ist die rechtliche Ausgestaltung eine weitere Herausforderung für zukünftige Projekte der Logistik über autonome Lieferroboter. Zwar sind viele Bereiche innovativer Technologien wie das autonome Fahren schon z.T. kodifiziert, für andere Bereiche hingegen liegen noch keine Vorgaben vor. Da sich Roboter auf Fußwegen und somit Kontaktbereichen mit Passant:innen bewegen, ist die Relevanz der rechtlichen Klärung offensichtlich. Damit diese Form der Logistik im Alltag Anwendung finden kann, bedarf es eines rechtlichen Rahmens, der Verantwortlichkeiten und Mindeststandards mikromobiler, autonomer Fahrzeuge klärt.

Nicht zuletzt ist es eine Herausforderung für solche Reallabore wie die Testphase von RoboTraces, die Bereitschaft der Bevölkerung sicherzustellen. Um innovative Technologien und die Kriterien der Akzeptanz unter solchen Realbedingungen testen zu können, benötigen solche Projekte eine grundlegende Bereitwilligkeit und Aufgeschlossenheit der Anwohner:innen. „Robbi“ konnte hier auf den Erfahrungen mit „Emma“ aufbauen, eines automatisierten E-Kleinbusses, der ebenfalls in Gera-Lusan unterwegs war. Auch wenn somit die Berührungsängste schon verringert wurden, war es doch an den Forschenden, die Anwohner:innen über das Projekt zu informieren und einzubinden. Eine Möglichkeit war es, den Namen gemeinsam mit den Bewohner:inneren zu finden. Kurzum fand „Robbie“ in Gera eine bereitwillige Aufnahme, wodurch es möglich wurde, den Lieferroboter auf vielen Fahrten zu beobachten, und aus positiven wie negativen Erfahrungen der Menschen vor Ort zu lernen.

Das Projekt RoboTraces wurde von der Innovationsinitiative mFUND gefördert, mit der das BMDV seit 2016 Forschungs- und Entwicklungsprojekte rund um digitale datenbasierte Anwendungen für die Mobilität der Zukunft unterstützt.

Mehr hier:

https://www.mdr.de/nachrichten/thueringen/ost-thueringen/gera/roboter-einkaufen-senioren-testergebnis-robbie-100.html

RoboTraces – Moderne Logistik mit Hilfe von Mikromobilen

Die Verbindung von Technologie, Ökonomie und Ökologie – Die 15. Schmalkalder Werkzeugtagung

Februar 1, 2024Februar 1, 2024admin

Wie viele andere Bereiche auch ist der Werkzeugbau eine eigene Welt. Zuerst muss natürlich geklärt werden, um was es überhaupt geht: Der Werkzeugbau ist ein Teilbereich des Maschinenbaus, der sich mit der Herstellung von Werkzeugen, zum Beispiel Fräswerkzeugen für die industrielle Produktion, befasst. Dieser Arbeitsbereich erstreckt von verschiedenen Verfahren über unterschiedliche Schneidstoffe, also Materialien der Werkzeuge, bis hin zu Fragen unterschiedlicher Beschichtungen. Einen Eindruck in diesen für sich facettenreichen Bereich konnte man vor Kurzem im Rahmen der „15. Schmalkalder Werkzeugtagung“ am 8. und 9. November 2023 erhalten, die als Kooperation der GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V., des Fachverbands Präzisionswerkzeuge im VDMA und der Hochschule Schmalkalden an eben dieser Hochschule stattfand und zu einer der größten Veranstaltungen dieses Bereichs zählt.

Prof. em. Dr. Konrad Wegener | ETH Zürich

Im Fokus stehen also hochpräzise und zugleich robuste Werkzeuge der industriellen Zerspanungstechnik. Unter das Zerspanen fallen verschiedene Verfahren wie das Drehen, Fräsen und Schleifen, die Werkstücke in eine bestimmte Form bringen. Als beispielhafte Vereinfachung für das Verständnis des Fräsens bietet sich das Bild von Bohrwerkzeugen an, wie wir sie alle aus unseren Bohrmaschinen kennen. Auch wenn wir dabei die Erfahrung unterschiedlicher Qualitäten dieser Werkzeuge sammeln können und sich die Schärfe und der Verschleiß verschiedener Typen nicht unwesentlich unterscheidet, ist der Grad an Belastung in der Produktion der seriellen Industrie um einiges höher.

In Bereichen der Automobil- oder auch Flugzeugproduktion geht es um enorme Stückzahlen und hocheffiziente, optimierte Fertigungsprozesse, in denen der Ausfall oder der Austausch von Werkzeugen hohen Aufwand und hohe Kosten verursachen. Die hier verwandten Werkzeuge müssen also präzise wie verlässlich arbeiten und zugleich robust sein. Hier kann nun die Forschung ansetzen und die Industrie unterstützen: In der Erforschung neuer Methoden und Materialien kann die Funktionsweise optimiert und der Verschleiß minimiert werden, wodurch nicht nur die Produkte besser, sondern auch die Fertigungsprozesse effizienter werden.

Verschiedene Wege, ein Ziel

Moderne Produktionsverfahren sind hochkomplex, was Ansätze der Forschung zugleich kompliziert und diversifiziert: Kurz gesagt kann es den Forschenden nunmehr nur um kleine Bereiche gehen, auf die sie sich spezialisieren. Tagungen haben die Aufgabe, neben einer Leistungsschau der Fähigkeiten und der Vorstellung innovativer Projekte und Ansätze die verschiedenen Bereiche in Kontakt und Austausch über die aktuellen Themen und Herausforderungen ihrer Gebiete zu bringen.

Die Werkzeugtagung wurde nach den Grußworten von einem Vortrag über die Vorzüge des Einsatzes von Lasertechnik anstatt von Zerspanwerkzeugen zur Herstellung von Umformwerkzeugen. Diese Technik ist im Bereich des Werkzeugbaus noch wenig verbreitet, so dass es nun zunächst darum geht, die möglichen Potentiale und Konditionen der Verwendung zu klären. Wie alle Fertigungsverfahren hat auch dieses einen speziellen Einsatzbereich, in dem es sinnvoll ist, auf diese Technik zurückzugreifen. Gerade wenn es um die Herstellung enorm kleiner, filigraner Formelemente geht, bei denen selbst spezielle Mikrofräsmaschinen kaum mehr arbeiten kann, bietet sich der Laser als Alternative zur Zerspanung an. Diese Richtung, der Sinnhaftigkeit und Nutzbarkeit verschiedener Ansätze für unterschiedliche Zwecke prägte die Tagung.

In diesem Sinne wurde auch der Dissens zwischen additiven und subtraktiven Verfahren als letztlich wenig produktiv bei Seite geschoben: Es kann nicht darum gehen, jenes eine, universell anwendbare Herangehen zu finden, den klassischen Stein der Weisen, sondern die Vorzüge und Nachteile unterschiedlicher Methoden für verschiedene Zwecke zu verstehen. Gerade bei hochkomplexen Werkzeugen, die in eher überschaubaren Mengen produziert werden, ist der Rückgriff auf Verfahren wie den 3D-Druck sinnvoll. Dagegen lassen sich hohe Stückzahlen zu geringen Kosten durchaus mit den etablierten Zerspanverfahren realisieren. Letztlich nimmt also kein Teilbereich einem anderen etwas weg, vielmehr ergänzen sie sich in den verschiedenen Herausforderungen der Anwendungsfelder.

Impulse

Auch wenn die Welt des Werkzeugbaus eine eigene ist, so steht sie doch in Kontakt mit der Außenwelt und ihren Entwicklungen. Im Fokus der Tagung standen auch die Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Künstlicher Intelligenz: Aus Sicht der Praxis ist es weder möglich, auf die Verbesserungen digitaler Lösungen in toto zu verzichten, noch in einen naiven Lobgesang einzufallen, der in der Künstlichen Intelligenz ein Allheilmittel sieht. Die Digitalisierung und die Künstliche Intelligenz bieten im Werkzeugbau und der Optimierung der Produktion nützliche Verbesserungen, die es den verantwortlichen Personen einfacher machen. Genau hier gilt es Mittel und Wege zu finden, die neuen Techniken adäquat zu nutzen und sie in die lernenden Prozesse der Produktion einzubinden.

Eine weitere durchschlagende Veränderung ist der Anspruch der Nachhaltigkeit, der sich in unserer Gegenwart auch dem Maschinenbau als Herausforderung stellt. Diese Aufgabe ist für die Ingenieure aber keinesfalls das sprichwörtliche Neuland, ging es doch schon immer darum, mit Ressourcen wie Rohstoffen und Energie schonend umzugehen und den Verbrauch und damit die Kosten zu minimieren. In die Zukunft gedacht sind es Maschinen- und Werkzeugbauer, die technische Lösungen finden müssen, wie wir unsere Standards der Produktion halten und zugleich die Gebote der Nachhaltigkeit konsequenter umsetzen können. Wieder ist es kein Gegen-, sondern ein Miteinander, was sinnvoll und erstrebenswert ist.

Zusammen // Arbeiten

Der Austausch verschiedener Perspektiven wurde im Rahmen der Tagung in den Vordergrund gerückt. Wie wir schon verdeutlichten, gibt es zu verschiedenen Ansprüchen des Werkzeugbaus ganz unterschiedliche Lösungsansätze, ebenso in Hinsicht von den Werkstoffen wie den Verfahren der Fertigung und vieles mehr. Auch die Anforderungen der forschenden Ingenieur:innen und die Perspektiven der produzierenden Gewerbe sind nicht unbedingt deckungsgleich, sie können sich aber über ihre jeweiligen Herausforderungen und Konditionen austauschen. Die verschiedenen Affiliationen der über 150 Referenten und Tagungsteilnehmer wurden während den Veranstaltungen also zur jeweiligen Erweiterung der Perspektive produktiv genutzt.

Auch die Organisation der Tagung nahm sich als eine Kooperation verschiedener Institutionen aus. Professor Andreas Wirtz versieht dabei als Inhaber einer Tandemprofessur schon selbst eine Scharnierposition zwischen der GFE und der Hochschule Schmalkalden, ist er doch bei beiden Institutionen zur gleichen Hälfte beschäftigt. An der Hochschule hat er die Professur für Fertigungstechnik und virtuelle Prozessgestaltung inne. Neben ihm waren auch Sandy Korb von der Hochschule Schmalkalden und Sabrina König sowie Petra Preiß von der GFE Teil des Organisationsteams, das zudem durch viele helfende Hände tatkräftig unterstützt wurde.

Die Kontakte zwischen der Hochschule und der GFE bestehen also wechselseitig. So übernimmt Dr. Florian Welzel, Geschäftsführer der GFE, regelmäßig einen Lehrauftrag an der Fakultät Maschinenbau im Sommersemester, wodurch sich die räumliche Nähe der beiden Institutionen in einen kooperativen Austausch übersetzt.

Eine Tagung lebt aber nicht nur von den Inhalten und dem wissenschaftlichen Austausch, sondern auch von dem rahmenden Programm und dem Kennenlernen der Umgebung: So wurde der erste Tagungsabend von einem Besuch der Viba-Nougatwelt und einem festlichen Essen am selben Ort abgerundet. Der zweite Tag fand seinen Ausklang in einem Besuch der GFE, wobei neben einer kulinarischen Empfehlung aus der Region eine Auswahl von Ergebnissen aus dem Bereich der Forschung und Entwicklung bei einer Besichtigung vorgestellt wurden.

Die Schmalkalder Werkzeugtagung bietet neben zahlreichen Fachvorträgen viele Möglichkeiten für einen offenen Austausch zwischen Industrie, Forschung und Hochschule. Dies eröffnet allen Teilnehmenden Potenziale sowohl für eine zielgerechte, anwendungsnahe Gestaltung gemeinsamer Forschungsprojekte als auch Chancen zum Forschungstransfer.

Das Science Camp 2023 an der Hochschule Schmalkalden

November 1, 2023November 1, 2023admin

In der zweiten Septemberhälfte fand das Science Camp zum Thema RoboBau an der Hochschule Schmalkalden statt. Über sieben Tage hinweg wurde Wissenschaft mit Experimentierfreude und Ingenieurwissenschaft mit interdisziplinärer Kooperation kombiniert. Insgesamt 25 Masterstudierende aus verschiedenen Fächern und mit unterschiedlichen Schwerpunkten wie Robotik, Elektrotechnik und dem 3D-Druck mussten ihre jeweiligen Fähigkeiten zusammenbringen und zugleich kreativ verknüpfen, um das Ziel des Wettbewerbs zu erreichen. Diese Kooperation zwischen Studierenden über die Grenzen verschiedener Disziplinen und Hochschulen hinweg ist die grundlegende Intention der Science Camps.

Die Idee der Science Camps geht auf eine Initiative der Allianz Thüringer Ingenieurwissenschaften zurück, also der übergreifenden Kooperation von Ingenieurstudiengängen verschiedener Thüringer Hochschulen. So setzt sich auch das Teilnehmerfeld nicht nur aus Studierenden unterschiedlicher Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaft zusammen, die Teilnehmenden kommen auch aus verschiedenen Thüringer Hochschulen. Es ist dieser integrative, kooperative Ansatz gemeinsamer Problemlösungen, der im Zentrum der Allianz ThürIng steht. An der Hochschule Schmalkalden koordinierten Miriam Naujoks und Frederike Mohr die Konzeptionierung und Umsetzung des Science Camps. Unterstützt wurden sie und die Teilnehmenden insbesondere durch Prof. Schrödel als fachlichen Leitern sowie durch studentische Hilfskräfte.

Leitthemen und Ablauf

Das leitende Motiv dieses Camps war der RoboBau. Die Aufgabe der vier Teams war es, zunächst eine Brücke bestehend aus verschiedenen Bauelementen digital zu konstruieren und anhand eines 3D-Druckers zu fertigen. Anschließend musste die Brücke von einem Robotergreifarm zusammengesetzt werden. Auch wenn die entscheidenden Kriterien Stabilität und der effiziente Einsatz von Materialien waren, wurde die Kreativität der Aufbauten gewürdigt.

Der Donnerstag stand ganz unter dem Eindruck des Ankommens. Nach der Begrüßung durch den Vizepräsidenten für Studium und internationale Beziehungen, Prof. Dr. Uwe Hettler, stellte Frederike Mohr den Tagesablauf vor. Anschließend gab es eine Campusführung inklusive mehrerer Laborbesuche und ein gemeinsames Mittagessen. Am Nachmittag wurden die ersten thematischen Pflöcke eingeschlagen. Dr. László Dunaivon dem Department of structural engineering der Budapest university of technology and economics führte in die Thematik des Brückenbaus aus architektonischer Perspektive ein und stellte Grundprinzipien möglicher Aufbauweisen vor, an denen sich die Teilnehmenden am Science Camp orientieren konnten. Danach gab Prof. Abrahamczyk von der Bauhaus-Universität Weimar einen Überblick über die genaue Aufgabe und stellte die Teams vor. Den Tag rundete ein gemeinsames Grillen der knapp dreißig Teilnehmer aus fünf Hochschulen ab.

In den nächsten Tagen wurden verschiedene Crash-Kurse abgehalten. Neben Prof. Frank Schrödel, der die Studierenden u.a. in die Themen der Intelligent Robotics und Roboterprogrammierung einführte, gab Prof. Hartmut Seichter eine Übersicht in die Programmiersprache Python sowie in das Thema der Bildverarbeitung. Prof. Andreas Dietzel vermittelte einen ersten Eindruck in das Konstruieren mithilfe von Computern (CAD). Auch wenn der selbstständigen Arbeit der Master-Studierenden möglichst viel Raum gelassen werden sollte, wurde zwecks praktischer Veranschaulichung und kurzweiliger Ablenkung am Mittwoch eine Exkursion zu dem Unternehmen Mehnert – Experts for Special Machines 4.0 mit Sitz in Erfurt unternommen.

Auszeichnungen und Resümee

Auch wenn es bei derartigen kooperativen Projekten nicht im Mittelpunkt steht, gab es natürlich auch ein Gewinnerteam, dem die Brückenkonstruktion am überzeugendsten gelang. Herr Muralidhar Appana (Schmalkalden), Frau Arti Rana (Schmalkalden), Frau Rohini Kulkarni (Nordhausen), Frau Quratulain Siddiqi (Weimar), Herr Jakob Pflugbeil (Ilmenau) und Herr Jash Roopesh Shah (Jena) gewannen zudem den zweiten Wettbewerb, der die kreativste Lösung prämierte.

Dem Resümee Prof. Schrödels von der Fakultät Maschinenbau der Hochschule Schmalkalden ist nichts hinzuzufügen: „Es war inspirierend zu sehen, mit welchen hohen Maß an Begeisterung die Studierenden am Science Camp 2023 teilgenommen haben. So löcherten die Studierenden die beteiligten Dozenten mit vielen Fragen und tüftelten nicht nur bis spät abends, sondern auch am Wochenende in den Robotik Laboren der Hochschule Schmalkalden. Am Ende des Science Camp waren alle Studierenden in der Lage ein wirklich vorzeigbares Ergebnis stolz zu präsentieren – was mich wirklich begeisterte! Ich freue mich aufs nächste Science Camp!!“

Natürlich lässt sich doch noch etwas hinzufügen: Das nächste Science Camp wird im Frühjahr 2024 an der FH Erfurt stattfinden.

Konsortialtreffen des KI-Hub Kunststoffverpackungen an der Hochschule Schmalkalden

Oktober 24, 2023Oktober 24, 2023admin

Am 18. und 19. September fand an der Hochschule Schmalkalden das erste Konsortialtreffen des KI-Hub Kunststoffverpackungen statt. Das Ziel dieser interdisziplinären Forschungskooperation besteht darin, die Nachhaltigkeit von Kunststoffverpackungen effektiv zu erhöhen und deren Nutzung ressourcenschonend und im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft zu gestalten. Neben der Angewandten Kunststofftechnik der Hochschule Schmalkalden arbeiten hier gefördert unter anderem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung 51 namhafte Partner aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft zusammen. Als Projektbeteiligter organisierte zusammen Prof. Thomas Seul mit seinem Team der Angewandten Kunststofftechnik das Konsortialtreffen an der Hochschule.

Kunststoffe und Kreisläufe

Produkte und Verpackungen aus Kunststoff sind aus unseren Haushalten und aus unserem täglichen Gebrauch kaum mehr wegzudenken. Die Vorteile dieses Materials sind dabei vielfältig: Neben der Plastizität, die eine Vielfältigkeit der Form- und Farbgebung zulässt, sind hier die funktionalen und hygienischen Qualitäten einschlägig. Doch zugleich entstehen durch die Verbreitung des Kunststoffs und seine Langlebigkeit auch Probleme, wie wir an der zunehmenden Menge an Abfällen und gelben Säcken auch im Alltag merken. Dabei stellt sich die Herausforderung eines möglichst nachhaltigen Gebrauchs auf verschiedenen Ebenen, die zugleich unterschiedliche Problemlösungsansätze erfordern.

Um die Ressource Kunststoff speziell in seiner Funktion als Verpackungsmaterial optimal und möglichst ökologieeffizient nutzen können, gilt es sowohl am Anfang wie dem Ende des Zyklus einer Kunststoffverpackung anzusetzen. Neben Aspekten des Materials und des Produktdesigns stehen die Bedingungen der Wiederaufbereitung im Fokus. Das übergeordnete Ziel besteht in der Etablierung einer Kreislaufwirtschaft, die den Kunststoff vollumfänglich nutzt und keine Ressourcen verschwendet, also die Wertschöpfungskette von Kunststoffverpackungen so weit wie möglich zu schließen und die Produktion von Treibhausgasen zu minimieren. Um die Quote der Wiederverwertung zu maximieren muss neben der Aufbereitung der Kunststoffe bereits bei der Produktion der Verpackungsmaterialien angesetzt werden.

Innovationslabore

Kurz gefasst geht es dem KI-Hub einerseits darum, wie wir Kunststoffe ausgerichtet auf ihre Wiederverwertbarkeit als Verpackungen fertigen und verwenden müssen: Welcher Kunststoff lässt sich zum Beispiel wie am besten recyclen, welches Material eignet sich in welcher Dosierung für welches Produkt, und welche Anforderungen haben die Partner der Industrie? Andererseits geht es um die Frage der Optimierung des eigentlichen Recyclings, das von Organisation und Logistik der Abfallwirtschaft bis hin zur Sortierung und Verarbeitung mit Hilfe künstlicher Intelligenz reicht. Das KI-Hub selbst gliedert sich in die beiden Innovationslabore KIOpti-Pack (Design und Produktion) und K3I-Cycling (Kreislaufschließung) in zwei eigenständige Konsortien mit je eigenen Profilen und Forschungsschwerpunkten, die im KI-Hub kooperieren.

Im Innovationslabor KIOptiPack stand unter anderem die Frage im Fokus, wie Kunststoffe gefertigt werden können, die sich maximal weiternutzen lassen. Welche Qualitäten müssen Rezyklate, also wiederaufbereitete Kunststoffe, aufweisen, um für sensible Bereiche der Verpackung – wie zum Beispiel von Lebensmitteln – verwandt werden zu können? Was sind die Eigenschaften der Polymere und wie lassen sich diese im Hinblick auf die Wiederverwertung optimieren? Ein Problem unter vielen ist hierbei die Bedruckung von Folien: Welche Folgen haben die Aufbringung von Farben auf die Materialien und speziell für die Weiterverarbeitung? Aber auch die negativen Effekte spezifischer Geruchsbilder von Kunststoffen und Rezyklaten auf Konsument:innen und deren Akzeptanz stehen im Fokus. Kurzum ist das Ziel, den Anteil der Rezyklat-Polymere in Produkten zu erhöhen, wofür Fragen der Qualität und Quantität, der nötigen Reinheit und Kontamination für verschiedene Verwendungs- und Produktionsweisen zu klären sind.

Das zweite Innovationslabor, K3I-Cycling, richtete den Blick auf das Ende des Kreislaufs, und damit im Sinne des Zirkels auf den reibungslosen Beginn der neuen Phase. Wie das andere Innovationslabor gliedert sich dieses Konsortium in verschiedene Themenfelder und Probleme, die in unterschiedlichen Paketen zusammengefasst werden. Ein Schwerpunkt liegt in der Sortierung und dessen Optimierung mit Hilfe künstlicher neuronaler Netzwerke. Der Vorteile dieser Technologien ist die sich selbst steuernde Erfassung, die flexibel auf Daten- und Materialflüsse reagiert. Ein Ziel ist es, die Prozesse nicht nur retrospektiv zu begleiten, sondern prospektiv valide Prognosen vornehmen zu können und so die Organisation der nachhaltigen Verarbeitung zu optimieren. Ein Ansatz ist hier das Deep Learning, dessen Potentiale sich anhand von Tools wie ChatGPT bereits ahnen lassen. Die Frage ist hier nicht nur, wo die Reise der technischen Entwicklung hingeht, sondern auch, wie sich die Potentiale effektiv in Anwendungen einbinden und nutzen lassen.

Das Konsortialtreffen

So kamen etwa 150 Teilnehmer, bestehend aus dem Konsortium, Beirat sowie Projektträger im spätsommerlichen Schmalkalden zusammen. Neben den Vorstellungen der Projekte, der Projektstände und einzelnen Vorträgen lag das Hauptaugenmerk auf verschiedenen Workshops, die zu unterschiedlichen Themen stattfanden. Die Teilnehmenden diskutierten hier Fragen unter anderem des effizienten Einsatzes von KI über den Daten- und Materialfluss bis hin zu Fragen ethischer und datenschutzzentrierter Horizonte. Ein Workshop untergliederte den Kreislauf der Wertschöpfungskette des Kunststoffs in verschiedene Stationen auf und wollte von den Teilnehmenden in Erfahrung bringen, wie sich die Übergänge zwischen den verschiedenen Stationen optimal ausnehmen würden bzw. wo die kritischen Punkte liegen. Auch wenn die Forschung hier noch am Anfang steht, ließe sich so ein ideales Optimum des Kreislaufs eruieren, dass die Reibungsverluste zwischen verschiedenen Stadien minimiert.

Ein ebensolcher übergeordneter, rahmender Bezugspunkt wurde auch von einem Vortrag über die Kriterien der Nachhaltigkeitsbewertung und des Life Cycle aufgegriffen: Nachhaltigkeit ist ein normatives und komplexes Ziel, gegenüber dessen multiplen, teils divergierenden Ansprüchen sich Forschende bewusst verhalten müssen. Anders gesagt ist Nachhaltigkeit kein analytisches Konzept, dessen Definition schon im Sinne eines standardisierten Wertes feststünde, sondern ein offener Begriff, der auf verschiedenen Ebenen arbeitet und zugleich eine Positionierung der Bewertung und reflexiven Abwägung von den Akteuren verlangt. Um mit dem Begriff und den Anforderungen zwischen Ökologie, Ökonomie und gesellschaftlichem Kontext produktiv umgehen zu können, ist diese Rückversicherung und Zieljustierung sinnfällig.

Die Tagung diente neben der Sacharbeit auch dem Kennenlernen sowie der internen Vernetzung der verschiedenen beteiligten Personen. Gelegenheiten zum Austausch bot sich nicht nur in den Pausen und Workshops, sondern auch im Rahmen eines gemeinsamen Austauschs im Netzwerk in der Viba-Nougatwelt. Am Ende der Tagung wurden die Ergebnisse der Workshops präsentiert und die beiden Tage produktiv mit einigen Antworten und vielen neuen Fragen abgeschlossen.

Simulationen als Instrumente der Optimierung: Über die Forschungen von Jun.-Prof. Andreas Wirtz

Juli 6, 2023Juli 13, 2023admin

Um ihre Funktion optimal erfüllen zu können, müssen komplexe Werkzeugmaschinen wie Fräsmaschinen unter möglichst idealen Bedingungen eingesetzt werden, was beispielsweise die Prozessgestaltung und -auslegung anbetrifft. Hierbei besteht oft ein Dilemma, zwischen dessen Extremen abgewogen werden muss: Zwar sorgen gesteigerte Prozessparameter bei Zerspanprozessen für eine erhöhte Produktivität, jedoch kann dies bei ungünstigen Prozessauslegungen zu Einbußen in der Qualität der gefertigten Produkte führen. Zudem können die verwendeten Werkzeuge und Maschinen in Folge erhöhter Belastungen schneller verschleißen. Auch bezüglich der Kosten- und Energieeffizienz wirkt sich die Prozessgestaltung wesentlich aus. Aufgrund einer multifaktoriellen Kostenstruktur und vieler Einflussgrößen sind aber auch hierzu viele Daten und oft aufwändige Optimierungszyklen notwendig. Somit gilt es, verschiedene Variablen und Einflussfaktoren ebenso in Betracht zu ziehen wie divergierende Ziele der Produktion.

Um Fertigungsprozesse zu optimieren ist es eine Option, Maschinen mit einem Vielerlei an Sensoren auszustatten und die entsprechenden Zielgrößen schlicht während der Produktionsprozesse empirisch zu messen. In einer idealen Variante würden diese Messungen direkte Effekte beim Herstellungsprozess zeigen und so das produktive Optimum durch Anpassungen erreicht werden können. Wie üblich ist dies in der Wirklichkeit nicht ganz so einfach: Ein zentraler Einflussfaktor für die Werkstückqualität und den Verschleiß der Werkzeuge ist beispielsweise die Temperatur, die an den Werkzeugschneiden wirkt. Leider ist es mit den sensorischen Mitteln und Instrumenten der Gegenwart nicht oder nur mit extremem Aufwand möglich, die Temperatur ausreichend exakt zu ermitteln. Ähnlich verhält es sich bei der empirischen Bestimmung der mechanischen Belastungen. Um den Fertigungsprozess dennoch optimieren zu können, bietet sich unter solchen Konditionen die Simulation als Instrument der ex-ante-Modellierung und der multivariaten Evaluierung von Fertigungsprozessen und Werkdesigns an. Auch auf makroskopischer Ebene, d. h. bei Betrachtung ganzer Prozesse, bieten Simulationsexperimente verschiedene Möglichkeiten, Prozesse ohne Produktionsunterbrechungen und Materialeinsatz schneller und somit kostengünstiger gestalten und verbessern zu können.

grafische Darstellung Fräsprozess mit Temperaturmessung — *“Einsatz Finite Elemente-basierter Spanformsimulationen zur Anpassung von Fräswerkzeugen”*

Die Effizienz von Simulationen

Dr. Andreas Wirtz trat zum August 2022 die Professur für Fertigungstechnik und virtuelle Prozessgestaltung innerhalb der Fakultät für Maschinenbau an der Hochschule Schmalkalden an. 2019 promovierte er an der TU Dortmund im Bereich der simulationsgestützten Auslegung energieeffizienter NC-Fräsprozesse. Sein Forschungsschwerpunkt war hierbei die Mehrzieloptimierung von Fräsprozessen unter Berücksichtigung der Werkstückqualität, benötigten Prozesszeit und dem Energiebedarf. Hierzu gehörte die modellbasierte Abbildung und Vermeidung regenerativer Werkzeugschwingungen, welche zu einer unzureichenden Werkstückqualität und erhöhtem

Werkzeugverschleiß oder Werkzeugversagen führen können. Neben der Werkstückqualität stand auch der Energieverbrauch in seinem Fokus: Welche Vor- und Nachteile bieten verschiedene Bearbeitungszentren und Prozessauslegungen unter den Parametern der Werkstückqualität, der Produktivität und der Energieeffizienz? Oder anders: Unter welchen Zielvorgaben ist welche Maschine mit welchen Parametereinstellungen für welche Verfahren am besten geeignet? Die computergestützte Simulation von Fertigungsprozessen bietet hierbei den Vorteil, bereits vor der Durchführung kosten- und aufwandsintensiver Versuche und Anpassungsmaßnahmen optimierte Prozesse zur effizienten Herstellung von Produkten mit anforderungsgerechter Qualität gestalten zu können. So können Neuplanungen und Anpassungsmaßnahmen besonders auch für flexible Fertigungssysteme effizient geplant und virtuell erprobt werden.

Ablauf Fräsprozess - Collage — *“Ablauf Fräsprozess”*

Smarte Kreisläufe in der industriellen Produktion

Die Simulation sowohl von Produktionsprozessen als auch von komplexen Fabriken gewinnt im Zuge der Einführung von Maßnahmen zur Digitalisierung, Vernetzung und Autonomisierung der industriellen Produktion sowie deren Verschränkung mit modernen Informations- und Kommunikationstechnologien an immer mehr Einfluss. Auch wenn es dem Begriff selbst an konzeptioneller Schärfe mangelt werden diese Transformationen in der öffentlichen Debatte häufig unter dem Signum Industrie 4.0 rubriziert. Ziel ist es, ganze Wertschöpfungsketten in Echtzeit zu optimieren und bei laufender Produktion flexibel auf Veränderungen der Anforderungen, innerhalb der Prozesse selbst und beispielsweise der Umweltbedingungen reagieren zu können. Dies meint, dass in den langen und komplexen Produktionsketten der modernen Industrie die Verzögerung eines Teilabschnitts nicht den gesamten Prozess aufhält, sondern sich dieser umstellt und seine verschiedenen Abläufe anpasst.

Das Zielsystem, um das es hier geht, ist also kein statisches, sondern ein flexibles, das sich je nach Faktoren, Bedingungen, verändern kann. Ein Aspekt in dieser komplexen digitalisierten Organisation der Produktion sind die Fertigungsprozesse selbst, also zum Beispiel die Fräsprozesse. Die Digitalisierung bietet dabei zugleich die Möglichkeit, natürliche Ressourcen zu schonen und dem Aspekt der Nachhaltigkeit ein ihm gebührendes Gewicht zuzuerkennen. Über die digitale Vernetzung des Produktionsprozesses besteht auch die Chance, anforderungsgerechte, effiziente Verfahren zu etablieren.

Ein Teilaspekt dieser Digitalisierung ist wiederum die Simulation der Herstellungsprozesse zum Beispiel in Form digitaler Zwillinge. Diese virtuellen Abbilder mitunter ganzer Fabriken dienen der Analyse und Evaluation von Anpassungsmaßnahmen und deren Effektivität, um schließlich die Flexibilität der ganzheitlichen Produktion und ihr Leistungsniveau abschätzen zu können. Durch Integration von Simulationsmodellen können Anpassungsmaßnahmen in verschiedenen Varianten vor dem Ausrollen erprobt und validiert werden.

Schutzschichten in unwirtlichen Umgebungen

Ein bereits abgeschlossenes Forschungsprojekt unter Mitwirkung von Prof. Wirtz ist die mechanische Nachbehandlung von Korrosionsschutzschichten. Hierbei geht es um den Schutz der von ihrer Umwelt stark belasteten Strukturelemente beispielsweise von Offshore-Windenergieanlagen. Damit sich die Investitionen in die Windkraft nachhaltig lohnen, sollten die Anlagen so lange wie möglich ohne Beschädigungen und notwendige Reparatur- und Instandhaltungsarbeiten auskommen können. Die rauen klimatischen Bedingungen der Nordsee vor Augen wird klar, wie groß die Herausforderungen für die verwendeten Materialien sind, die langfristig Schutz vor Wasser, Wind und Salz bieten müssen.

Diese protektive Qualität können einerseits die verwendeten Materialen einholen, andererseits aber auch über spezielle Verfahren der mechanischen Bearbeitung der Schutzschichten erreicht werden. Über das nachträgliche maschinelle Oberflächenhämmern werden Schutzbeschichtungen nicht nur dichter und härter, die Oberfläche wird weniger rau und porös. Folglich bieten diese Schichten weniger Angriffsfläche für Umwelteinflüsse und Korrosion. Durch die Einbringung von Druckeigenspannungen mittels der mechanischen Nachbehandlung können auch die negativen Effekte der mechanischen Belastungen der Werkstücke durch Wind und Wellen, wie die Bildung und Ausbreitung von Mikrorissen gehemmt werden. Auch wenn also die Korrosions- und Ermüdungsvorgänge nicht vollständig aufgehalten werden können, so können ihre Auswirkungen doch miniminiert und die Haltbarkeit der Bauteile der Offshore-Windräder verlängert werden. Gleichzeitig können auf diese Weise die durch die verwendeten Beschichtungen erzeugte Umweltbelastung sowie notwendige zusätzliche Nachbehandlungsschritte, wie organische Beschichtungen, reduziert werden.

Prof. Wirtz und Studierende im Seminar; Maschinen im Hintergrund — *“Prof. Wirtz und Studierende im Seminar”*

Kooperative Kontakte

Prof. Wirtz wurde im Sommer 2022 als erster Juniorprofessor an die Hochschule Schmalkalden im Rahmen einer Tandem-Professur in Kooperation mit der GFE, der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V., berufen. Als Teil des bundesweiten Förderprogramms „FH-Personal“ sollen diese Professuren Nachwuchswissenschaftlern den Einstieg in eine wissenschaftliche Karriere erleichtern. Zu gleichen Teilen arbeitet, lehrt und forscht Prof. Wirtz nun an der Hochsuche und der GFE: Neben seiner Professur ist er gleichzeitig wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung. Ihm bietet sich so die Gelegenheit, sich neben seiner wissenschaftlichen Tätigkeit in Forschung und Lehre auch für Fachhochschulprofessuren weiterzuqualifizieren. Letztere verlangen aufgrund ihrer Schwerpunktlegung auf Fragen der Anwendung eine mehrjährige Tätigkeit außerhalb des Hochschulbereichs und dementsprechende aberufspraktische Erfahrungen.

Kurzum werden somit also zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen, was aber letztlich der Vereinfachung des Berufseinstiegs von Wissenschaftler:innen wie Prof. Wirtz zu Gute kommt. Im Rahmen der Tandem-Professur kann er nicht nur Forschung und Lehre produktiv verbinden, sondern auch angewandte Wissenschaft und Forschungstransfer mit der Grundlagenforschung. Diese sich so bietenden Möglichkeiten der Kombination, verknüpft durch räumliche Nähe und den kooperativen Dialog der Hochschule Schmalkalden und der GFE, macht einen Reiz dieser Stelle aus.