52.72 Fertigungsautomatisierung
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Immer volatilere Märkte, stetig neue Kunden*innenanforderungen und erbitterte Preisschlachten mit Markteilnehmern*innen und das alles in Kombination mit verkürzten Produktlebenszyklen. Wie soll sich das langfristig gerade für mittelständische Unternehmen ausgehen? Die digitale Transformation ist dahingehend ein omnipräsentes Thema in der Industrie, wird sie doch als Löser vieler dieser Probleme gesehen.
Doch es stellt gerade das erforderliche Know-How für die Durchführung von digitalen Transformationsprozessen insbesondere traditionelle Unternehmen vor wesentliche Herausforderungen. Aus diesem Grund verfolgt die vorliegende Masterarbeit das Ziel, genau solchen Unternehmen eine Unterstützung in Form eines Umsetzungsleitfadens, für die digitale Transformation von Messprozessen zu bieten. Es wird dabei anhand eines realen Unternehmens der produzierenden Industrie methodisch der Frage nachgegangen, wie gegenwärtig überwiegend analoge Messprozesse, mit hohem Grad an menschlicher Interaktion, systematisch digital transformiert werden können.
Hierzu wird zunächst eine fundierte Literaturrecherche betrieben, um dabei den Hintergrund und die Fachtermini digitaler Transformation sowie Digitalisierung zu klären. Im eigenen Kapitel der digitalen Transformation wird nochmals aus Managementsicht ein Blick auf dieses Thema geworfen, bevor im Kapitel zu modellbasierter digitaler Transformation konkret auf Vorgehensmodelle, Referenzmodelle und Reifegradmodelle eingegangen wird. Auf Basis der Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln wird im Kapitel fünf ein eigenes Reifegradassessment-Tool entwickelt, mit dem der digitale Reifegrad bestehender Prozesse erfasst werden kann. Im Anschluss daran erfolgt die praktische Anwendung dieses Tools durch eine konkrete Betrachtung mehrerer Messprozesse des Beispielunternehmens sowie einer konsekutiven Identifikation konkreter digitaler Transformationspotentiale. Das vorletzte Kapitel zeigt die praktische Umsetzung von Digitalisierungsmaßnahmen an den Messprozessen des Unternehmens, bevor im abschließenden Kapitel die vorliegende Masterarbeit nochmals kritisch resümiert wird.
Die Komplexität von automatisierten Systemen, die durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesteuert werden, wie es Prüfstände in der Automobilindustrie sein können, nimmt weiter zu. Die herkömmliche Planung, Programmierung und Bewertung dieser Systeme ist auf lange Sicht nicht kosteneffizient. Daher ist es für den Erfolg eines Unternehmens wichtig, die Effizienz des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses zu steigern. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, eine Anwendung zu entwickeln, die den Prozess solcher Systeme stärker automatisiert. Dies bedeutet, dass eine SPS-Software oder ein Validierungsplan für ein System nahezu automatisiert erstellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die programmierte Anwendung in der Lage, Daten aus einer externen Quelle zu importieren und konvertieren. Die importierte Datei wird aus einem aktuellen Schaltplanprojekt eines solchen automatisierten Systems erstellt. Die Anwendung wandelt diese Daten in nützliche Informationen um, die in der entwickelten Anwendung verarbeitet werden, um den Entwicklungsprozess zu automatisieren. Zusammengefasst erlaubt das entwickelte Programm die Erstellung einer Hardwarekonfiguration, das Anlegen lokaler und globaler Variablen, die Erstellung von definierten Quellcodezeilen in der Entwicklungsumgebung TwinCAT3 sowie die Erstellung eines Bewertungsplanes. Je nach Komplexität des Systems ist das manuelle Eingreifen von Entwickler*innen in die Projekterstellung möglich bzw. notwendig. Allerdings macht diese Anwendung den Entwicklungsprozess von Anlagen, welche von einer SPS gesteuert werden, effizienter und führt zu einer Senkung der Fehleranfälligkeit.
Entwicklung von Endeffektoren mit integrierter Sensorik und Aktorik mittels additiver Fertigung
(2022)
Die Masterarbeit behandelt das Thema rund um Robotergreifer, die direkt mit additiver Fertigung hergestellt werden. Zu Beginn dieser Arbeit wird der Stand der Technik erarbeitet: Es wird geklärt welche Sensoren und Aktoren in konventionellen Greifersystemen eingesetzt werden. Im Anschluss an die theoretische Aufarbeitung herkömmlicher Endeffektoren werden 3D- Druck- Verfahren im Kunststoffbereich vorgestellt. Dieses Kapitel soll einen Überblick über die gängigsten Verfahren in diesem Bereich geben und dem Leser auf die nachfolgenden Kapitel vorbereiten. In diesem Kapitel wird neben den einzelnen Druckverfahren, auch auf die Multimaterialfähigkeiten der einzelnen Drucktechnologien eingegangen. Das Kapitel wird mit einer kleinen Übersicht über die Verfahren abgeschlossen und danach wird in das nächste Kapitel übergeleitet. Dieses hat zum Ziel die Anwendung des 3D-Drucks theoretisch zu beschreiben. Vordergründig wird hier die Verwendung von FFF-Druckern und SLA- Druckern beschrieben. Abschließend werden im Überkapitel „Stand der Technik“ geeignete Sensorik und Aktorik für additiv gefertigte Endeffektoren recherchiert und dargestellt. Diese Recherche stellt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll auf den nachfolgenden praktischen Teil vorbereiten. Den Abschluss der theoretischen Kapitel bildet die Entwicklungsmethodik, welche idealerweise für den 3D- Druck verwendet werden sollte. Der darauffolgende praktische Teil beginnt mit Teillösungen, die zunächst in diesen Abschnitten entworfen werden. Alle Teillösungen werden dann real umgesetzt und die erhaltenen Daten sind in den Abschnitten entsprechend dargestellt. Hierbei gibt es sowohl Sensor- Lösungsansätze als auch Aktor- Lösungsansätze. Anhand dieser Teillösungen werden dann zwei Demo- Anwendungen konzipiert und umgesetzt. Die Umsetzungen sind in den vorgesehenen Abschnitten dargestellt. Abschließend werden die umgesetzten Teillösungen nochmal übersichtlich in einem Systembaukasten dargestellt, welcher in etwaigen nachfolgenden Arbeiten erweitert werden kann.
Der Begriff 3D-Druck hat in den letzten Dekaden Eingang in das Wortrepertoire der Gesellschaft gefunden. Eine Vielzahl verschiedener additiver Fertigungsmethoden sind in dieser Zeit entstanden. Um den auf Spulen gewickelten, speziell für das Fused Filament Fabrication Verfahren (FFF) in Form gebrachten Kunststoff vor der Verarbeitung zu trocknen, werden z.B. bereits aus dem Spritzguss bekannte technische Lösungen herangezogen und entsprechend angepasst. Die Problematik von zu feucht verarbeitetem Kunststoff ist schon aus anderen Fertigungsmethoden wie dem Spritzguss und der industriellen Extrusion bekannt, weshalb auch die Vortrocknung der Materialien hier bereits untersucht wurde. Die Vortrocknung von auf Spulen aufgewickeltem Filament für den 3D-Druck hingegen wurde erst wenig untersucht. Das ist der Ausgangspunkt für das Forschungsziel dieser Arbeit: Es gilt eine Vortrocknungslösung für hygroskopische, technische Kunststoffe in Filamentform wie Polyamid zu entwickeln, deren Preis- / Leistungsverhältnis mit marktüblichen Verfahren konkurrieren kann. Um die Anlage auslegen zu können, wird in dieser Arbeit das Trocknungs- und Absorptionsverhalten der Filamentspulen untersucht. Zusätzlich wird auf die Frage der minimal nötigen Trocknungszeit in der entworfenen Anlage eingegangen. Die Auswertungen der Versuchsreihe zeigen eine beträchtliche Zunahme der Trocknungszeit von der äußersten zur innersten Spulenschicht, und dass für eine ausreichende Trocknung je nach Ausgangsfeuchte mehrere zig Stunden erforderlich sind. Aufgrund der Menge an Wasser, die im Zuge der Trocknung nach außen transportiert wird, ist bei größeren Mengen von zu trocknendem Kunststoff ein Austausch der Luft in der Trockenkammer ratsam. Aus diesem Grund wurde als Trocknertyp ein Umlufttrockner mit Zu- und Abluftklappensteuerung entwickelt. Weiterführende Forschungen könnten sich mit der Thematik der maximal zulässigen Feuchte unterschiedlicher Kunststoffe vor der Verarbeitung wie auch mit den Auswirkungen der Zufuhr von in vielen Betrieben vorhandener Trockenluft beschäftigen.
Wasserkonditioniereinheiten dienen der Versorgung von Fahrzeugteilen mit dem benötigten Kühlwasser auf Fahrzeug-Prüfständen. Innerhalb definierter Grenzen kann die Temperatur, der Volumenfluss und der Druck des Kühlmediums eingestellt werden. Die Inbetriebnahme der Temperaturregelung solcher Anlagen stellt dabei ein zeitintensives Unterfangen dar und erzeugt oftmals nur ein unzureichendes Ergebnis. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Parameter des verwendeten PID-Reglers automatisiert zu berechnen. Dies soll durch Verwendung eines thermischen Modells der Anlage erfolgen, welches automatisiert identifiziert wird. Die notwendigen Applikationen werden dabei mittels Matlab®/Simulink® umgesetzt und anschließend in einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt. Im ersten Schritt werden die Einflüsse auf das thermische Verhalten mittels Versuchen an der Anlage ermittelt. Folgend wird ein thermisches Modell aus den physikalischen Zusammenhängen erstellt. Hierzu werden die einzelnen Anlagenteile in ihre Zustandsraumdarstellung überführt. Für die Parameter des thermischen Modells wird im folgenden ein Identifikationsverfahren implementiert, welches auf Grundlage eines rekursiven Least Squares Algorithmus und der Linearisierung der Temperaturverläufe basiert. Abschließend werden mit Hilfe des identifizierten Modells und den Chien-Hrones-Reswick Einstellregeln die Parameter des Temperaturreglers automatisiert berechnet. Die Validierung des Anlagemodells und des Identifikationsverfahrens zeigt dabei, dass das dynamische Verhalten mittels des identifizierten Modells nachgebildet werden kann. Die automatisch berechneten Reglerparameter ermöglichen einen stabilen Betrieb der Temperaturregelung und können als Startwerte für weitere Optimierungen herangezogen werden. Im Vergleich zur händischen Parametrierung des Reglers kann die Inbetriebnahmezeit auf wenige Stunden reduziert und die Regelgüte auf ein konstantes Niveau gebracht werden.
Matrix Laboratory (Matlab)/Simulink-Modelle werden häufig für die Prüfstandsregelung eingesetzt und auf optimierten Hardwarelösungen implementiert, um schnelle Reaktions- und Verarbeitungszeiten zu gewährleisten. Alternativ können diese Modelle auch direkt auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) implementiert werden, die standardmäßig in einem Prüfstand zur Realisierung von Sicherheitsfunktionen integriert ist. Erreicht diese SPS eine vergleichbare Performance in der Modellausführung ohne Funktionalitätseinschränkungen, kann sie auch für ausgewählte Anwendungsbereiche zur Prüfstandsregelung eingesetzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, Implementierungsmöglichkeiten von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS aufzuzeigen und zu bewerten sowie die Performance ausgewählter Steuerungshardware zu analysieren. Nach einer Literaturrecherche und Experteninterviews mit dem Kooperationspartner werden Anforderungskriterien für eine Systembewertung definiert. Im praktischen Teil werden Modellimplementierungen von ausgewählten Testfunktionen sowie eine Performanceanalyse der Hardware durchgeführt und bewertet. Bei der Performanceanalyse wird einerseits die Modellausführungsgeschwindigkeit auf der CPU selbst und andererseits die Signallaufzeitverzögerung der dezentralen Ein-/Ausgabemodule bestimmt. Das Ergebnis dieser Masterarbeit ist eine Systembewertung der SPS-Systeme der Hersteller Siemens und Beckhoff für die Prüfstandsregelung. Aus dem ermittelten Signallaufzeitverzögerungen und Grenzfrequenzen der Systeme lassen sich potenzielle Anwendungsbereiche ableiten. Daher ist das gesammelte Wissen aus dieser Masterarbeit für Ingenieure zur Erstellung und Implementierung von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS sowie für den Reglerentwurf interessant.
