F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R W E R K Z E U G M A S C H I N E N U N D U M F O R M T E C H N I K I W U

JAHRESBERICHT 2017 / 2018 PROJEKTE UND ERGEBNISSE

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Die Fraunhofer-Gesellschaft

Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunho-

fer-Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungsorganisation

betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der

Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner

und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter-

nehmen sowie die öffentliche Hand.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit

72 Institute und Forschungseinrichtungen. Mehr als 25 000

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur-

oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das

jährliche Forschungsvolumen von 2,3 Milliarden Euro. Davon

fallen knapp 2 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich

Vertragsforschung. Rund 70 Prozent dieses Leistungsbereichs

erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus

der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungspro-

jekten. Rund 30 Prozent werden von Bund und Ländern als

Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problem-

lösungen entwickeln können, die erst in fünf oder zehn Jahren

für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden.

Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungs-

partnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen für

einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwärtigen und

zukünftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen.

Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung

und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltech-

nologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale

Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die

Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten

Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und

Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wett-

bewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas

bei. Sie fördern Innovationen, stärken die technologische

Leistungsfähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner

Technik und sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend

benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-

Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen

Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten,

an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden

eröffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und

Erfahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende Einstiegs-

und Entwicklungschancen in Unternehmen.

Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer-

Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer

(1787–1826). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer

gleichermaßen erfolgreich.

www.fraunhofer.de

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VORWORT

AUS UNSERER FORSCHUNG

HIGHLIGHTS 2017/2018

DAS FRAUNHOFER IWU IM PROFIL

SERVICE

INHALT

2

5

47

55

64

2

VORWORT

Die Digitalisierung in der Produktion ist eines der zentralen

Zukunftsthemen unserer Zeit: 71 Prozent der deutschen

Industrieunternehmen sind laut einer aktuellen Studie des

Bundesverbandes für Informationswirtschaft Bitkom auf dem

Gebiet der Industrie 4.0 aktiv, Tendenz steigend. Doch was

bedeutet das konkret für die Produktion? Die Digitalisierung

ist ein Werkzeug. Wer Mehrwerte schaffen und wettbewerbs-

fähig bleiben will, muss es konsequent nutzen und dessen

Potenziale voll ausschöpfen. Das heißt, dass Einzelprozesse,

Technologien, Maschinen und Systeme miteinander verknüpft

werden müssen und die gesamte Prozesskette in den Fokus

rückt. Dieses interdisziplinäre Denken über die gesamte

Prozesskette hat am Fraunhofer IWU Tradition. Unser Ziel: die

ressourceneffiziente Wertschöpfung.

Exemplarisch für die mehrwertstiftende Umsetzung dieses

Denkens steht die »Maschine 4.0«, die in diesem Jahr auf

der Hannover Messe Premiere hatte und in deren Rahmen

mit dem Think Tank Award der Fraunhofer-Gesellschaft

ausgezeichnet wurde. Bei der »Maschine 4.0« handelt es sich

um eine funktionstüchtige, skalierte Umformpresse, mit der

die Maschinenbauer, Umformtechniker, Adaptroniker und

IT-Spezialisten unseres Instituts zeigen, dass die Digitalisierung

der Produktion nicht nur ein Konzept ist, sondern erfahrbare

Realität. Das vernetzte Produktionssystem überwacht sich

selbst sowie die zu fertigenden Bauteile – vom initialen Mate-

rialtest über Maschinenzustände bis zur optischen Qualitäts-

kontrolle am Auslaufband. Der Mehrwert von Digitalisierung

wird hier fassbar und so der Weg zur 100-Prozent-Produktion

aufgezeigt.

3

Trends aufgreifen, für Visionen begeistern und konkrete

Lösungen präsentieren lautet unser Anspruch, wenn wir zu

unseren Veranstaltungen einladen. Auch im zurückliegenden

Berichtszeitraum war das Fraunhofer IWU Gastgeber und

Initiator zahlreicher Workshops, Seminare und Tagungen.

So stand das 8. Chemnitzer Karosseriekolloquium CBC im

November 2017 unter dem Motto »Karosseriebau im Wandel«.

Präsentiert und diskutiert wurde die zentrale Frage nach

zukünftigen Fertigungskonzepten vor allem unter der Prämisse

der konsequenten Digitalisierung. Ein Jubiläum feierte im Juni

2018 das Chemnitzer Produktionstechnische Kolloquium CPK

mit seiner nunmehr 10. Auflage und über 200 Teilnehmern.

Für das Tagungsprogramm konnten wir Top-Manager

internationaler Global-Player in Chemnitz begrüßen und mit

einem hochrangig besetzten Fachprogramm die Zukunft der

Produktion in den Blick nehmen. Die gute Resonanz und

das positive Feedback unserer Teilnehmer sind uns zugleich

Ansporn für die Zukunft.

Unsere erfolgreiche Jahresbilanz 2017/2018 wäre jedoch nicht

möglich gewesen ohne unsere Projektpartner, Zuwendungs-

geber, Projektträger und natürlich unsere inzwischen über 600

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, denen wir an dieser Stelle

herzlich danken möchten.

Im vorliegenden Jahresbericht finden Sie einen Querschnitt

ausgewählter Forschungsergebnisse und Aktivitäten unseres

Instituts.

Prof. W.-G. Drossel Prof. R. Mauermann Prof. M. Putz

Institutsleitung

Zu einer ganzheitlichen Betrachtung gehört es aber auch,

beispielsweise Umweltdaten einzubeziehen. Diesen Ansatz

verfolgen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU mit der

nach sechsmonatigem Umbau neu in Betrieb genommenen

Klimazelle am Standort Chemnitz. In Ausstattung und Größe

weltweit wohl einzigartig, ermöglicht die Versuchshalle seit

Oktober 2017 die hochpräzise thermo-energetische Analyse

von Werkzeugmaschinen im Hinblick auf die Erhöhung der

Produktionsgenauigkeit und die Einsparung von Energie.

Vernetzung ist für die Produktion der Zukunft von entschei-

dender Bedeutung – in der digitalen Welt genauso wie in der

realen. Starke Kooperationen und effiziente Netzwerke mit

Industrie und Wissenschaft werden immer bedeutsamer –

am Standort und in der Region wie auch international. Einen

Meilenstein stellt hier die Eröffnung des »Fraunhofer Project

Center for Advanced Lightweight Technologies (ALighT)« in

Opole dar. Dieses in Kooperation mit der Technischen Uni-

versität Opole ins Leben gerufene erste Projektzentrum der

Fraunhofer-Gesellschaft in Polen bündelt seit September 2018

die Expertise beider Partner in der Entwicklung von Produktions-

prozessen, Designkonzepten und Kalkulationsstrategien für

die Produktion hybrider Leichtbaukomponenten insbesondere

für die Automobilindustrie.

Die Erfolge unserer guten Vernetzung sowohl am Standort,

innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft als auch auf internatio-

naler Ebene spiegeln sich darüber hinaus in den Ergebnissen

unserer gemeinsamen Projekte und Initiativen wieder. Eine

Auswahl finden Sie ebenfalls in diesem Jahresbericht.

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5

AUS UNSERER FORSCHUNG

L E I TA RT I K E L

R E S S O U R C E N E F F I Z I E N T E W E RT S C H Ö P F U N G :

D E R R O H S T O F F D AT E N

K O M P E T E N Z

S M A RT E FA B R I K U N D

P R O D U K T I O N S N E T Z W E R K E

K O M P E T E N Z

V O N D E R M A S C H I N E B I S Z U M S Y S T E M :

R E A L U N D V I RT U E L L

K O M P E T E N Z

E F F I Z I E N T E T E C H N O L O G I E N :

N E U E W E R K S T O F F E F O R D E R N M E H R L E I S T U N G

K O M P E T E N Z

F U N K T I O N S I N T E G R AT I O N

F Ü R H O C H L E I S T U N G S P R O D U K T E

6

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Vorhandene Ressourcen effizient zu nutzen und dabei die Wert-

schöpfung zu steigern, wird die Produktion auch in Zukunft

nachhaltig prägen. In den etablierten Handlungsfeldern der

Werkstoff- und Energieeffizienz sind dahingehend maßgebliche

Erfolge erzielt worden und es gilt, das weitere Optimierungs-

potenzial auszuschöpfen. Durch die fortschreitende digitale

Repräsentanz der Wertschöpfungsketten gewinnen Daten –

als fertigungsrelevante Ressource – zunehmend an Bedeutung.

Es ergeben sich neuartige Möglichkeiten, nahtlose Regelkreise

zu generieren, die individuell, echtzeitnah und flexibel die Pro-

zesse im optimalen Produktionsfenster halten. Damit ist ein neues

Level einer ressourceneffizienten Wertschöpfung erreichbar.

Das Fraunhofer IWU als Leitinstitut für Energie- und

Ressourceneffizienz nutzt die Kompetenzen auf dem Gebiet

des Leichtbaus und der Funktionsintegration, der effizienten

Fertigungstechnologien, der smarten Produktionssysteme

sowie der digitalisierten Produktion, um gemeinsam mit seinen

Partnern und Kunden Hochleistungsprodukte zu entwickeln

und deren Produktionsnetzwerke auf dieses neue Level zu

heben. Dabei entstehen sowohl innovative Einzellösungen als

auch neuartige, ganzheitliche Konzepte.

Smarte Fabrik und Produktionsnetzwerke

Autonome Prozesse in der Fabrik sind zunehmend nicht eine

Frage des technisch Machbaren, sondern des betriebswirt-

schaftlichen Nutzens. Deshalb stehen passgenaue digitale

Lösungen für eine resiliente Produktion im Fokus unserer

Forschungsarbeiten.

Unser Konzept »Presswerk 4.0« steht exemplarisch für eine

ressourceneffiziente, wertschöpfende Fertigung der Zukunft.

Auf Basis einer intelligenten Vernetzung von Mensch und

Produktionssystem werden modulare Bausteine für eine

schrittweise Digitalisierung kompletter Presswerke bzw.

Fertigungsstätten geschaffen.

Eine der größten Herausforderungen ist es dabei, die Kommu-

nikation zwischen Anlagen, Bedienern, Steuerungslogik und

Logistiksystemen zu realisieren. Im Projekt »SmARt Assistance

for Humans in Production (SmARPro)« wurden Lösungen

geschaffen, die eine Kopplung verschiedener Maschinen und

Sensoren zur Datenübertragung ermöglichen, Daten zentral

erfassen bzw. verarbeiten und anschließend den Mitarbeitern in

der Produktion adäquat als Informationen zur Verfügung stellen.

Dabei kommt der Gewinnung von nutzbaren Informationen aus

Daten durch die Prinzipien des Lernens und Verstehens eine

Schlüsselrolle zu. Hier arbeitet das Fraunhofer IWU im Forschungs-

zentrum »IoTCOMMs – Cognitive Internet Technologies«

daran, die Basistechnologien Vernetzung, Lokalisierung und

Informationssicherheit voranzutreiben und zu kombinieren.

Neben der Nutzung von fertigungsrelevanten Daten als Basis

für eine ressourceneffiziente Wertschöpfung bearbeitet das

Fraunhofer IWU Forschungsthemen, die sich der Nutzung von

erneuerbaren Energien für die Industrie widmen. Dabei geht

es um die verlässliche Einbindung dieser Energiequellen in die

Produktion und eine wirkungsvolle Synchronisation zwischen

Energiebedarf und Angebot. Im EU-Vorhaben »REEMAIN«

konnte dazu eine ganzheitliche Planungsmethode für eine

RESSOURCENEFFIZIENTE WERTSCHÖPFUNG:DER ROHSTOFF DATEN

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ressourceneffiziente Fabrik entwickelt werden, die auch die

Einbindung lokaler Energiequellen wie Solarthermie- oder Photo-

voltaikanlagen unterstützt. In dem vom Bundesministerium für

Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kopernikus-Projekt

»SynErgie« werden darauf aufbauend Lösungen erarbeitet, die

energieintensive Schlüsselproduktionsprozesse dazu befähigen,

mit dem immer volatileren Energieangebot operieren zu können.

Zur Erschließung von Optimierungspotenzialen für moderne

Produktionsanlagen werden zunehmend Methoden des

Maschinellen Lernens eingesetzt. Ziel ist es, datengestützt

unbekannte Zusammenhänge zu erfassen, Prozesse zu

modellieren sowie adaptive Mechanismen zu realisieren, mit

denen die Anlagen flexibilisiert werden können. Hierfür wurde

das Fraunhofer-Leitprojekt »ML4P – Machine Learning for

Production« initiiert, in dem das Fraunhofer IWU im Konsor-

tium ein toolgestütztes Vorgehensmodell entwickelt sowie

entsprechende interoperable Softwaretools realisiert.

Von der Maschine bis zum System: real und virtuell

Wie eine ressourceneffiziente, digitale Produktion ganzheitlich

gelingen kann, zeigt unser Konzept »Maschine 4.0« in Form

einer funktionsfähigen Umformpresse und eines integrierten

Sensorkonzepts, mit dem ein virtuelles Abbild der Maschine –

der digitale Zwilling – mit entsprechenden Informationen ver-

sorgt wird. Die zielgerichtete Informationsverarbeitung erlaubt

eine neuartige, lückenlose Überwachung von Prozess, Maschine

und Werkzeug. Damit ist es u. a. möglich, den Produktions-

prozess zu stabilisieren, die Verfügbarkeit von Maschinen

deutlich zu steigern, die Einarbeitungszeit von Werkzeugen

signifikant zu verkürzen und schlussendlich Ressourcen einzu-

sparen. Die Gesamtheit der Maschinen- und Prozessdaten wird

dazu in das derzeit einzigartige, softwarebasierte Analyse-Modul

»Smart Stamp« – eine Entwicklung des Fraunhofer IWU –

eingespeist und bildet das Fundament für die Generierung

des digitalen Maschinenabbildes. Alle Informationen zum

aktuellen Zustand der Presse können dadurch auf einen Blick

und in Echtzeit dargestellt werden. Grundlage hierfür ist die

ebenfalls am Fraunhofer IWU entwickelte »Linked Factory«,

mit der diese umfassenden produktionsrelevanten Daten

in ihrer Komplexität reduziert und somit für den jeweiligen

Mitarbeiter konkret nutzbar gemacht werden.

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern mehr Leistung

Neue Werkstoffe und Werkstoffverbunde bieten das Potenzial,

bestehende Produkte zu optimieren und Produktinnovationen

zu realisieren. Mit hoch- und höchstfesten Werkstoffen sowie

dem weiten Spektrum der Hybridbauteile lässt sich ressourcen-

effizienter Leichtbau realisieren. Neben Anwendungen für die

zukünftige Mobilität mit alternativen Fahrzeugantrieben geht

der Fokus weit darüber hinaus. Beispiele dafür sind die Energie-

erzeugung, der Schiff- und Flugzeugbau oder die Baumaschinen-

industrie. Voraussetzung für die Einführung ist allerdings, dass

die Produktionsketten befähigt werden, diese Hochleistungs-

materialien zu bearbeiten bzw. die Werkstoffverbunde überhaupt

herzustellen – und dies letztendlich mit möglichst geringem

Ressourceneinsatz.

Gerade im Bereich der Umformung ergeben sich dadurch

Herausforderungen und Möglichkeiten, die Fertigungslinien zu

revolutionieren. Das Potenzial der Blechumformung liegt vor

allem darin, dass die verschiedenen Materialien miteinander

verbunden werden können und dabei keine zusätzlichen

Fügeelemente erforderlich sind. Der kombinierte Füge- und

Formgebungsprozess führt zu einer Großserienfähigkeit und

wirtschaftlichen Bauteilkosten.

Ein Forschungsbeispiel aus dem Fraunhofer IWU behandelt die

Konstruktion eines temperierten Umformwerkzeugs, auf dem

verschiedene Prozessvarianten und Werkstoffkombinationen für

die Fertigung eines Pkw-Dachquerträgers untersucht werden.

8

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Ressourceneffiziente Wertschöpfung:

Der Rohstoff Daten

Das Ergebnis: Eine umformende und gleichzeitig fügende Her-

stellung von Verbundbauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden

und Metalldeckschichten ist möglich und wirtschaftlich vorteil-

haft. Das Bauteilgewicht kann damit bei gleichen Eigenschaften

um 25 Prozent gesenkt werden. Durch die Nutzung der dafür

weiterentwickelten etablierten Verfahren der Blechumformung

können Investitionskosten eingespart und aufgrund kürzerer

Prozessketten Produktionskosten gesenkt werden.

Im Bereich der Massivumformung waren die Realisierung und

umformtechnische Verarbeitung hybrider Werkstoffverbunde

sowie die Weiterentwicklung inkrementeller Umformverfahren

für die Fertigung von Großbauteilen im vergangenen Jahr

Schwerpunktthemen. Im Ergebnis des Projekts »Marget«

befindet sich derzeit eine Bohrungsdrückanlage im Aufbau,

die es ermöglicht, hohle, wellenförmige Bauteile mit einem

Stückgewicht von bis zu zwei Tonnen ressourceneffizient her-

zustellen. Ein immenses Anwendungspotenzial besteht u. a.

im Bereich Windkraftanlagen, Schiffsgetriebe oder Turbinen-

wellen.

Leichtbau bedeutet nicht nur ein geringeres Gewicht bewegter

Baugruppen, sondern ist darüber hinaus ein Synonym für den

optimalen, belastungsgerechten Einsatz von Werkstoffen und

Konstruktionsprinzipien. Dabei werden Bauweisen der Natur,

wie zellulare Strukturen, durch Metallschäume oder Verbund-

bauweisen, wie Sandwichstrukturen und Faserverbünde, für

eine bionische Auslegung mechanischer Baugruppen nach-

empfunden. Im Bereich der generativen Fertigungsverfahren

wie dem 3D-Laserstrahlschmelzen oder dem 3D-Drucken wer-

den am Fraunhofer IWU die neuen Spielräume bei Geometrie,

Werkstoff und Stückzahl ausgelotet und für die industrielle

Anwendung qualifiziert. Darüber hinaus ist das Institut Partner

im neu etablierten Fraunhofer-Fokusprojekt futureAM, in dem

technologische Voraussetzungen für die hochproduktive und

skalierbare additive Fertigung individualisierter Metallbauteile

erarbeitet werden.

Die Verarbeitung neuer Werkstoffe stellt auch neue Anfor-

derungen an die Zerspanung. Unsere Antwort sind hybride

Technologiekonzepte. Dabei geht es darum, Prozesse material-

sparender, energieeffizienter und sicherer zu gestalten und

gleichzeitig einen reibungsarmen Betrieb der gefertigten Kom-

ponenten zu ermöglichen. Ein Erfolgsbeispiel dafür ist das am

Fraunhofer IWU entwickelte Werkzeugsystem »PermaVib«.

Dabei handelt es sich um ein Ultraschall-Schwingsystem für

Bohr- und Fräswerkzeuge, das vor allem die Zerspanung von

Stahl und Aluminium perfektioniert, aber auch für Materialien

wie faserverstärkte Kunststoffe und Keramiken geeignet ist.

Das Werkzeug wird mit Ultraschall zum Schwingen angeregt

und sorgt so dafür, dass bis zu 40 Prozent weniger Bear-

beitungskräfte erforderlich sind. Dadurch werden geringere

Spangrößen, eine verbesserte Spanabfuhr und eine verbesserte

Bauteilqualität erzielt, gleichzeitig wird der Werkzeugverschleiß

um bis zu 50 Prozent reduziert.

Funktionsintegration für Hochleistungsprodukte

Der Philosophie »Produktion kommt vom Produkt« folgend,

müssen zukünftige Produktionsprozesse die aktuellen Trends

der Funktionsverdichtung und der steigenden Variantenvielfalt

von Produkten bedienen. Mehrere technische Funktionen sollen

in einer Komponente kombiniert werden, wobei sowohl die

Anzahl der Bauteile als auch die damit verbundenen Schnitt-

stellen und Montageschritte zum Zweck eines kompakten

Designs und geringen Gewichts reduziert werden sollen. Das

erklärte Ziel: eine höhere Werkstoffausnutzung als bisher. Pro-

duktionstechnisch gilt es, Technologien zu entwickeln, die eine

Funktionsintegration bis auf Werkstoffebene ermöglichen.

Im Rahmen des SFB / TR PT-PIESA »Großserienfähige Produk-

tionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte

Komponenten mit integrierten Piezosensoren und -aktoren« hat

das Fraunhofer IWU die wissenschaftlichen Grundlagen für eine

ökonomische Herstellung aktiver Strukturbauteile erarbeitet.

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Durch die Entwicklung einer serienfähigen Technologie

zur Integration von Piezomodulen in Blechbauteile können

Aktorkonzepte entwickelt werden, die in Robustheit sowie

Verträglichkeit von Schmutz, Feuchtigkeit, Temperatur und an-

deren Umwelteinflüssen herkömmlichen elektrodynamischen

Aktoren deutlich überlegen sind. Im Transferprojekt wurde

nachgewiesen, dass durch die Technologie der Piezo-Metall-

Verbunde bereits im Herstellungsprozess der Hinterachskom-

ponenten, wie z. B. Hinterachsträger, die Piezoaktorik direkt

ins Bauteil eingebracht werden kann und die angestrebte

Schwingungsbeeinflussung erzielt wird.

Eine weitere vielversprechende Antwort auf die Herausforde-

rung der steigenden Variantenvielfalt und gleichzeitiger Funk-

tionsverdichtung in Bauteilen entwickelt das Fraunhofer IWU

gemeinsam mit weiteren Instituten im Fraunhofer-Leitprojekt

»Go Beyond 4.0«. Mithilfe von schablonenlosen, digitalen

Druckverfahren werden Funktionselemente wie Leiterbahnen,

Bedienelemente und Sensoren direkt auf bestehende 3D-Kom-

ponenten gedruckt. Eine derartige Funktionalisierung ermög-

licht eine stückzahlunabhängige Produktivität, eine Erhöhung

der Funktionsdichte ohne Erhöhung der Bauteilanzahl und

die Einsparung von Kabelkonfektion und Montageschritten.

Damit werden derzeit die notwendigen technischen und

technologischen Voraussetzungen geschaffen, um durch

die Integration digitaler Fertigungsschritte in eine analoge,

werkzeuggebundene Prozesskette eine hochgradig individuelle

Fertigung funktional hochverdichteter Produkte in großen

Stückzahlen realisieren zu können.

Noch einen Schritt weiter gehen die Forschungsarbeiten des

Fraunhofer IWU im Fraunhofer Cluster of Excellence zum

Thema Programmierbare Materialien. Hier werden die

wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen dafür

erarbeitet, dass Materialien durch ihre innere Strukturierung

die Funktion ganzer Systeme wahrnehmen können. Dies

ermöglicht kleinere Systemgrößen und reduziert die Abhän-

gigkeit von großen Infrastrukturen. Die Motivation ist, eine

steigende Funktionsintegration bei gleichzeitiger Abnahme der

Systemkomplexität zu realisieren und den Ressourceneinsatz

sowohl in der Herstellung als auch im Einsatz zu vermindern.

Programmierbare Materialien haben das Potenzial, einen Para-

digmenwechsel im Umgang mit Materialien einzuleiten, indem

sie technische Systeme aus vielen Bauteilen und Materialien

durch ein einzelnes, lokal konfiguriertes ersetzen. Heutige

Systeme bestehen meist aus einem Sensor, Regler, Aktuator

sowie mechanischen Komponenten und einer Energiever-

sorgung. Dagegen können programmierbare Materialien all

diese systemischen Funktionen durch das Design ihrer inneren

Struktur ersetzen und unterscheiden sich damit erheblich von

bisherigen technischen Lösungen.

Leistungszentrum Smart Production:

Der Schritt in die Anwendung

Im Leistungszentrum »Smart Production« wird Fraunhofer

Know-how mit universitärer Grundlagenforschung und indus-

trieller Praxiserfahrung zusammengebracht. Der Erfolg: ein

leistungsfähiges Innovationssystem mit internationaler Strahl-

kraft. Ausgehend von den am konkreten Produkt oder Prozess

formulierten Problemstellungen werden Lösungspfade definiert,

die aus dem Kompetenzportfolio des Leistungszentrums heraus

innovative und effiziente Ergebnisse hervorbrachten. Im ver-

gangenen Jahr wurden u. a. die Entwicklung und Integration

autarker Sensorsysteme zur Zustandsüberwachung von

Materialhybriden, die additive Fertigung von Multi-Material-

Systemen, die Gestaltung flexibler Umformprozesse durch

Nutzung prozess- und bauteilinhärenter Sensorinformationen

sowie die Bildung eines virtuellen Fabrikabbildes thematisiert.

Nicht zuletzt an diesen, im Leistungszentrum gebündelten

Themen zeigt sich, dass der Rohstoff »Daten« als Enabler für

effiziente Prozesse und Produkte eine herausragende Stellung

besitzt und sich mit der voranschreitenden Digitalisierung ein

neues Wertschöpfungslevel erreichen lässt.

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KOMPETENZ SMARTE FABRIK UND PRODUKTIONSNETZWERKE

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A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Smarte Fabrik und

Produktionsnetzwerke

Fraunhofer-Leistungszentrum

Smart Production

Das Leistungszentrum »Smart Production« wurde im

September 2017 unter Beteiligung der Fraunhofer-Institute

für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und

für Elektronische Nanosysteme ENAS, der Technischen

Universität Chemnitz sowie der regionalen Industrie eröffnet.

Im Fokus steht die Entwicklung effizienter Wertschöpfungs-

ketten für funktionsoptimierte Produkte durch Werkstoff-

und Prozessinnovationen. Das Leistungszentrum stellt einen

interdisziplinären, transferfördernden und perspektivisch

weiter ausgestaltbaren Rahmen für die Produktionsforschung

in Sachsen dar, der die Passfähigkeit und Ausrichtung

der grundlagenorientierten Forschung sowie die zeitnahe

Überführung erfolgreicher Ansätze in die Produktionspraxis

wesentlich unterstützt.

Künftig wird das Technologieportfolio des Leistungszentrums

durch die Integration von Beteiligten der Exzellenzcluster-

initiative »Dresden Center for Materiomics« am Forschungs-

standort Dresden weiter ausgebaut. Auf die Weise kann eine

klare Stärkung der werkstoffbasierten Innovationsprozesse

erreicht werden. Das Zusammenführen der Standorte

Chemnitz und Dresden im Leistungszentrum »Smart

Production & Materials« festigt die bereits bestehenden

Kooperationen und fasst diese unter einem gemeinsamen

Dach zusammen.

www.leistungszentrum-smart-production.de

HZwo: Der sächsische Brennstoffzellen-Cluster

Dipl.-Ing. Sören Scheffler, soeren.scheffler@iwu.fraunhofer.de

In enger Zusammenarbeit mit der Professur Alternative

Fahrzeugantriebe der Technischen Universität Chemnitz wurde

im Jahr 2017 das strategische Projekt HZwo:Frame initiiert.

Ziel ist der Aufbau einer sächsischen Zulieferindustrie für

elektrische Antriebe auf Brennstoffzellenbasis. Gefördert durch

die Sächsische Aufbaubank wurde eine fünfzehn Verbundpro-

jekte umfassende Netzwerk-Struktur geschaffen. Das Bündnis

bereitet die bereits mit umfassenden Kompetenzen in der

Fahrzeugtechnik ausgestattete Wirtschaft und Wissenschaft

in Sachsen auf den Technologiewandel von konventionellen

Fahrzeugantrieben hin zu Antrieben der Zukunft vor.

Jedes einzelne Verbundprojekt hat dabei ein eigenständiges

Produkt zum Inhalt, das unter Führung eines potenziellen

Herstellers, mehreren Zulieferern und einer Forschungsstelle in

den kommenden drei Jahren die Grundlage für die Produktion

von Brennstoffzellen-Komponenten »Made in Saxony« legt.

Die Verbundprojekte ergänzen sich inhaltlich und strategisch

gegenseitig und werden koordiniert durch das sächsische

Innovationscluster HZwo e.V., das im Dezember 2017 gegründet

wurde.

– Sicherung des vorhandenen und Aufbau von neuem

Know-how

– Stärkung der sächsischen Innovations- und Wirtschafts-

kraft

– Etablierung umweltfreundlicher Antriebstechnologien

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– Verringerung des CO2-Fußabdrucks industrieller

Produktion

– Größere Unabhängigkeit von stark schwankenden

Energiepreisen

– Profitchancen als aktiver Teilnehmer eines intelligenten

Stromnetzes

Erneuerbare Energiequellen in der Industrie

Dr.-Ing. Andreas Schlegel, andreas.schlegel@iwu.fraunhofer.de

Am Fraunhofer IWU entstehen Lösungen zur Einbindung er-

neuerbarer Energien in die industrielle Fertigung. Interdiszipli-

näre Teams entwickeln Methoden für die sichere Prognose und

bessere Synchronisation des Energiebedarfs der Produktion mit

dem entsprechenden Angebot. Zur Entwicklung, Optimierung

und Demonstration der Lösungen dienen beispielsweise die

Photovoltaik-Anlage und das Blockheizkraftwerk der E³-For-

schungsfabrik des Fraunhofer IWU sowie virtuelle Fabrik- und

Anlagenmodelle auf Basis von eniBRIC, einer Eigenentwick-

lung eines Simulations-Framework für Energie- und Material-

flüsse auf Basis der Software »Plant Simulation«.

Highlight-Projekte waren bzw. sind das EU-Vorhaben »REEMAIN«

sowie das Kopernikus-Projekt für die Energiewende »SynErgie«.

Der Fokus in REEMAIN lag auf Lösungen für unterschiedliche

Industriezweige. Gemeinsam mit Partnern aus der Textil-,

Lebensmittel- und Metallbranche entstanden Technologie-

demonstratoren und eine ganzheitliche Planungsmethode für

ressourceneffiziente Fabriken, welche die Einbindung lokaler

Energiequellen wie Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen

unterstützt. Hierfür wurden auch innovative Funktionen und

neue Objekte in die Energie- und Materialflusssimulation ein-

geführt, beispielsweise virtuelle Energiespeicher. Die Ergebnisse

von REEMAIN wiederum werden innerhalb von »SynErgie«

gezielt weiterentwickelt, um mit einer auf das Energieangebot

orientierten Fabriksteuerung eine maximale Flexibilisierung des

Energiebedarfs in der Produktion zu erreichen.

Kopernikus-Projekt

SynErgie

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF) geförderten Verbundforschungsvorhaben wollen

Partner aus Industrie und Wissenschaft Lösungen erarbeiten,

die energieintensive Schlüsselproduktionsprozesse dazu

befähigen, mit dem immer volatileren Energieangebot

operieren zu können. Mithilfe moderner IuK-Ansätze soll die

Energieverteilung zwischen Industrieprozessen verschiedener

Branchen geregelt werden, um so das schwankende Ange-

bot erneuerbarer Energien zu berücksichtigen.

Das Fraunhofer IWU verantwortet im Projekt die gesamte

Branche des Maschinen- und Anlagenbaus. Die Kernfrage bei

dem Großprojekt: Wie können energieintensive Branchen der

Produktionstechnik, wie die sächsischen Automobilzulieferer,

ihren Verbrauch auf Zeiten mit einem großen Angebot an

Energie aus Sonnenstrom, Wasser- oder Windkraft ausrich-

ten? Dafür müssen Fabriken, Maschinen, Fertigungsprozesse,

Arbeitszeit- und Geschäftsmodelle flexibler gestaltet werden.

Durch diese Maßnahmen könnten die Energieversorgungs-

kosten der Industrie bis 2020 um schätzungsweise mehr als

10 Milliarden Euro verringert werden.

Mit den »Kopernikus-Projekten für die Energiewende«

treten Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft an, um

technische und wirtschaftliche Lösungen für den Umbau

des Energiesystems zu entwickeln. Die Forschungsinitiative

widmet sich vier Schlüsselbereichen: der Entwicklung von

Stromnetzen, der Speicherung überschüssiger erneuerbarer

Energie, der Neuausrichtung von Industrieprozessen auf

eine fluktuierende Energieversorgung sowie dem verbesser-

ten Zusammenspiel aller Sektoren des Energiesystems.

www.kopernikus-projekte.de/synergie

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A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Fraunhofer Cluster of Excellence

Cognitive Internet Technologies

Mit diesem Cluster will Fraunhofer die Prinzipien des Lernens

und Verstehens auf der Basis vertrauenswürdiger Daten

direkt in das Systemdesign des Netzes integrieren, um aus

Daten kontrolliert nutzbare Informationen zu generieren.

Es verknüpft die physische mit der digitalen Welt, erarbeitet

Schlüsseltechnologien und letztlich die Technologieführer-

schaft für das kognitive Internet mit Fokus auf Industrie 4.0

und Mobilität. In drei Forschungszentren konzentriert sich

die Kompetenz: im IoTCOMMs (vertrauenswürdige Sensorik),

im Fraunhofer Data Space (souveräner Datenraum) und im

Maschinellen Lernen (informed Machine Learning).

Im Forschungszentrum IoTCOMMs arbeitet das Fraunhofer

IWU daran mit, die Forschung in den Basistechnologien

Vernetzung, Lokalisierung und Informationssicherheit voran-

zutreiben und zu kombinieren, um die Entwicklung auf

zwei Schlüsselbranchen für IoT zu fokussieren: agile und

mobile Produktionssysteme im Umfeld der Industrie 4.0

sowie Mobilitätswendungen und autonomes Fahren. Im

Fokus stehen insbesondere Robustheit, Störsicherheit und

kurze Verzögerungszeiten sowie Informationssicherheit und

Authentizität.

Fraunhofer-Leitprojekt

ML4P – Machine Learning for Production

Modernen Produktionsanlagen wird aufgrund ihrer

Komplexität ein Optimierungspotenzial unterstellt, das mit

den Methoden des Maschinellen Lernens (ML) erschlossen

werden kann. Mit ML lassen sich datengestützt unbekannte

Zusammenhänge lernen, Prozesse modellieren sowie adap-

tive Mechanismen realisieren, die Anlagen flexibel und

schnell wandelbar machen.

In diesem Leitprojekt will das Fraunhofer IWU im Konsortium

mit den Instituten IAIS, IFF, IOSB, ITWM sowie IWM ein tool-

gestütztes Vorgehensmodell entwickeln sowie entsprechende

interoperable Softwaretools realisieren. Damit sollen die Daten

einer Produktionsanlage erfasst, formalisiert und für die

Nutzung des ML-Methodenspektrums aufbereitet werden, um

vorhandene Optimierungspotenziale aufzuspüren. Darüber

hinaus soll es möglich werden, das je nach Anwendung best-

geeignete ML-Verfahren auszuwählen und dieses dann unter

Nutzung von Prozessdaten und Expertenwissen nutzbringend

einzusetzen. Außerdem wird untersucht, wie intelligente

Anlagenkomponenten schon im Engineering-Prozess neuer

Anlagen systematisch berücksichtigt werden können und wie

sich dadurch das Anlagenengineering verändern könnte.

Smarte Fabrik und

Produktionsnetzwerke

1 Der »Mobilbaukasten Digita-

lisierung« vernetzt Daten vom

Sensor bis zum Menschen und

passt diese individuell an die

jeweilige Herausforderung an.

15

SmARPro: Virtuelle Techniken für die Fabrik der Zukunft

Dipl.-Inf. Ken Wenzel, ken.wenzel@iwu.fraunhofer.de

Eine der größten Herausforderungen der vernetzten Produktion

ist die Kommunikation zwischen Anlagen, Bedienern, Steue-

rungslogik und Logistiksystemen. Im Projekt SmARt Assistance

for Humans in Production (SmARPro) haben Wissenschaftler des

Fraunhofer IWU gemeinsam mit verschiedenen Projektpartnern

hierfür eine Lösung geschaffen: Eine zentrale Datenplattform

erfasst standardisiert Betriebsdaten, arbeitet sie zu Informa-

tionen um und stellt sie den Mitarbeitern in der Produktion

maßgeschneidert für deren jeweilige Aufgabe zur Verfügung.

Mithilfe mobiler Endgeräte wie Datenbrillen oder Tablets werden

den Mitarbeitenden kontextbasiert und abhängig von deren

aktueller Position Informationen in Form einer Augmented-

Reality-Darstellung angezeigt. So können Arbeitsanweisungen

vom Menschen aufgenommen werden, ohne dass dieser seine

Tätigkeit unterbrechen muss. Welche Endgeräte im konkreten

Fall genutzt werden, kann individuell entschieden werden.

Möglich ist dies, weil sich die Logik auf der SmARPro-Plattform

befindet und nicht auf dem Tablet, der Datenbrille oder dem

Smartphone, wodurch sie auf verschiedenstem Equipment zur

Anwendung kommen kann.

Um auf Maschinendaten zugreifen zu können, entwickelten

die Wissenschaftler flexible »SmARPro SmartDevices«. Als

Schnittstellen-Elemente ermöglichen sie die Ankopplung

verschiedener Maschinen und Sensoren und gewährleisten

die Datenübertragung zur SmARPro-Plattform.

– Zeitersparnis durch schnelle Erstellung von

Assistenzlösungen

– Einfache Beherrschung komplexer Produktionsvorgänge

– Hohe Flexibilität durch Anbindung unterschiedlicher

Maschinen und Anlagen zur Datenerfassung

– Konkrete Umsetzungsempfehlung zur digitalen

Transformation

– Gezielt gesteigerte Transparenz und Effizienz der Wert-

schöpfung durch modulare Digitalisierungsbausteine

Mittelstand 4.0 – Potenziale der Digitalisierung erkennen

und modular umsetzen

Dipl.-Inf. Ken Wenzel, ken.wenzel@iwu.fraunhofer.de

Durch die zunehmende digitale Durchdringung aller Lebens- und

Arbeitsbereiche gewinnt die Ressource »Daten« immer mehr

an Bedeutung. Aber wie lassen sich relevante Daten mit Bezug

zur Produktion erfassen, verarbeiten und als Informationen so

zur Verfügung stellen, dass diese auch wertschöpfend wirken?

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU unterstützen Unternehmen

bei der Entwicklung und Umsetzung einer nachhaltigen Digi-

talisierungsstrategie. Dazu nutzen sie ein eigens entwickeltes

KMU-fokussiertes »Industrie-4.0-Reifegradmodell« und einen

»Modulbaukasten Digitalisierung«. In einem ganzheitlichen

Konzept werden die Potenziale der Digitalisierung schrittweise

und gewinnbringend realisiert – unabhängig vom aktuellen

Grad der digitalen Transformation betrieblicher Strukturen. Die

Basis dafür ist die Analyse des bestehenden digitalen Reifegrades

eines Unternehmens entlang der betrieblichen TOP-Funktions-

bereiche Technik, Organisation und Personal. Produkte, Strate-

gien, Kennzahlen, Kompetenzen und Technologien werden

auf den Prüfstand gestellt und auf ihre Durchdringung von

Industrie-4.0-Know-how untersucht. Darauf aufbauend erfolgt

die strategische Definition eines gewünschten Sollzustandes

entlang aller betrachteten Bereiche. Die erarbeiteten Handlungs-

empfehlungen lassen sich direkt nutzen, um die modulare Digi-

talisierung auch technologisch voranzutreiben. Eine flexible

Verwaltung von Daten und Informationen, Schnittstellen-

Engineering an Maschinen, Sensoren und Steuerungen,

kontextbezogene Informationsbereitstellung, fabrikweite

Objektidentifikation und -ortung durch Auto-ID oder skalierbare

IT-Infrastrukturen sind die Basistechnologien auf dem Weg

zum virtuellen und echtzeitfähigen Abbild der Produktion.

1

16

17

KOMPETENZ VON DER MASCHINE BIS ZUM SYSTEM: REAL UND VIRTUELL

18

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Intelligente Maschinenkomponenten:

Grundbausteine des Presswerks 4.0

M.Sc. Robin Kurth, robin.kurth@iwu.fraunhofer.de

Ob hochproduktives Bearbeitungszentrum, komplexe Montage-

anlage oder verkettete Pressenstraße – das Zusammenspiel

simpler Maschinenkomponenten und komplexer Baugruppen

bildet die Funktionsbasis produktionstechnischer Anlagen.

Bereits der Ausfall einer Komponente oder eine unbemerkte

Parameteränderung kann zu Produktionsausfällen und daraus

resultierenden Kosten in Millionenhöhe führen. Eine Nach-

rüstung dieser Komponenten und Baugruppen, hin zu sich

selbst überwachenden und einstellenden Bausteinen, steigert

die Maschinenverfügbarkeit und Prozessqualität. Noch einen

Schritt weiter gedacht, kann man sie im Systemverbund auch

als Informationsquellen nutzen, wodurch sich die positiven

Auswirkungen vervielfachen.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU arbeiten gemeinsam mit

Partnern aus Forschung und industrieller Praxis an Industrie-4.0-

Lösungen auf Komponenten- und Baugruppenebene. Ihr Fokus

liegt dabei auf Schlüsselkomponenten, also systemrelevanten

Bauteilen. Ein Beispiel dafür ist die Hybridisierung ausfallge-

fährdeter Gleitlager mechanischer Pressen. Deren intelligente,

zustandsabhängige Beölung ermöglicht künftig die Funktions-

erweiterung der Maschinen. Mechanische Servopressen lassen

sich so u. a. für das Presshärten oder schnellere Taktzeiten

qualifizieren. Ein weiteres Projekt widmet sich der Sammlung

von Informationen über Prozess und Maschine mithilfe eines

intelligenten Werkzeugspannsystems für Umformpressen. Mit

seiner Hilfe lassen sich Fremdkörper detektieren und Wissen

über den Umformprozess generieren.

– Vermeidung von Maschinenausfällen

– Steigerung der Prozesstransparenz durch Schnittstellen-

überwachung

– Flexible Nachrüstung von Maschinen durch modulare

Anbindung der intelligenten Komponenten

3

1 Mit intelligenten Antriebs-

strangkomponenten kann das

Einsatzspektrum von Maschinen

erheblich erweitert werden.

2 Durch Digitalisierung lässt

sich eine lückenlose Überwa-

chung von Prozess und Maschine

erreichen.

3 Bedienoberfläche des Soft-

ware-Moduls »Smart Stamp«

Von der Maschine bis zum System:

Real und virtuell

1

19

3

»Smart Stamp« – intelligente Überwachung von

Umformmaschinen

Dipl.-Ing. Jochen Fischer, jochen.fischer@iwu.fraunhofer.de

Kommt es an Umformpressen zu einem Schaden an Hauptan-

trieb, Ziehkissenhydraulik oder Pressentransfer, führt dies zum

Stillstand der Maschine. Hohe Kosten durch Reparaturen und

Produktionsausfälle sind die Folge. Um ungeplante Stillstände

zu vermeiden, werden zunehmend digitale Systeme zur

Zustandsüberwachung von Pressen eingesetzt. Das Software-

Modul »Smart Stamp« ist Teil eines solchen Systems und dient

dem Monitoring des Pressenhauptantriebs.

»Smart Stamp« verarbeitet u. a. Sensordaten zu Presskraft

und Kippmomenten und wandelt diese in ein virtuelles Abbild

des Stößels. Eine ungleichmäßige Verteilung der Prozesskräfte

lässt sich auf diese Weise schnell erkennen, eine Überlastung

der Maschine vermeiden. Umformwerkzeuge, die die Presse

unzulässig belasten und damit einen erhöhten Verschleiß

hervorrufen, können identifiziert werden. Gleichzeitig ist

»Smart Stamp« ein »Fingerprint« des Umformprozesses für

das spezifische Umformwerkzeug auf einer definierten Presse.

Damit werden Veränderungen bei den Presseneinstellungen

bzw. Verschleiß am Umformwerkzeug als Trend erkennbar.

– Vermeidung von Pressenschäden

– Reparaturen werden planbar

– Nachrüstung an bestehenden Pressen möglich

Maschine 4.0 – Mehrwert vernetzte Produktion

Dr.-Ing. Thomas Päßler, thomas.paessler@iwu.fraunhofer.de

Wie Digitalisierung in der Produktion ganzheitlich gelingen

kann, zeigen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU mit

dem Konzept »Maschine 4.0« in Form einer funktionsfähigen

Miniatur-Umformpresse und ihrem digitalen Zwilling. Der zwei

Meter hohe und 1,5 Tonnen schwere Pressen-Demonstrator

mit einer Presskraft von 15 Tonnen kann Bauteile lochen,

tiefziehen und beschneiden. Neben diesen technologischen

Funktionalitäten wird durch die Digitalisierung eine lückenlose

Überwachung von Prozess, Maschine und Werkzeug erreicht.

Dadurch kann die Maschinenverfügbarkeit deutlich gesteigert,

die Lebensdauer erhöht und auch die Einarbeitungszeit der

Werkzeuge signifikant verkürzt werden. Dies gelingt durch

Sensoren, die eine umfassende Selbstüberwachung der

Maschine garantieren. An verschiedenen Stellen der Maschine

angebracht, messen diese z. B. Kräfte, Wege und Dehnungs-

raten. Da nicht an jeder erforderlichen Position Sensoren

integrierbar sind, fehlen mitunter relevante Maschinendaten.

Hier wurden virtuelle Sensoren entwickelt, die auf Grundlage

eines speziellen Algorithmus die notwendigen Werte errech-

nen können. Die Gesamtheit dieser Daten wird in das neu

entwickelte, softwarebasierte Analyse-Modul »Smart Stamp«

eingespeist und bildet das Fundament für die Generierung

des digitalen Abbildes bzw. virtuellen Zwillings der Presse. Alle

Informationen zum aktuellen Zustand der Presse können auf

einen Blick und in Echtzeit dargestellt werden, z. B. unter Nut-

zung von Augmented / Virtual Reality. Verschiedene Bausteine

des Konzepts »Machine 4.0« sind bereits bei diversen OEMs

und Tier-1 der Automobilindustrie im Einsatz.

– Lückenlose Überwachung von Prozess, Maschine und

Werkzeug

– Steigerung der Maschinenverfügbarkeit

– Erhöhung der Maschinenlebensdauer

– Signifikante Verkürzung der Werkzeugeinarbeitungszeit

2

20

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Simulationsmodell des

Maschinenbetts mit Kühlkanälen

und dem daraus resultierenden

Temperaturfeld

2 Piezoelektrisches Oberflächen-

hämmern auf einem Versuchs-

träger am Fraunhofer IWU

Von der Maschine bis zum System:

Real und virtuell

Maschinen optisch vermessen, Bauteile präzise fertigen

Dr.-Ing. Arvid Hellmich, arvid.hellmich@iwu.fraunhofer.de

Temperaturbedingte Maßabweichungen sind eine der größten

Herausforderungen für die Präzision von Werkzeugmaschinen.

Durch den Betrieb erhitzte Antriebsmotoren oder durch das

Hallendach fallende Sonnenstrahlen erwärmen eine Maschine

und lassen deren Genauigkeit erheblich leiden: Infolge des

wärmebedingten Verzugs der Maschinenstruktur sind beispiels-

weise Bohrer oder Fräskopf nicht mehr exakt positioniert. Im

Fokus von Industrie und Forschung steht deshalb die Analyse

derartiger temperaturbedingter Verlagerungen. Sind diese im

Detail bekannt, lassen sich gezielte Gegenmaßnahmen ergreifen.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU setzen hierbei auf die

Erfassung des Maschinenzustandes durch optische Sensoren.

Speziell ermitteln die Forscher mit Photogrammetriesystemen

die Verlagerung und Neigung des Werkzeugs sowie lokale

Verformungen der Maschinenbaugruppen. Bei einem exem-

plarischen Messvolumen konnten dabei Unsicherheiten im

niedrigen zweistelligen Mikrometerbereich erreicht werden.

Die Untersuchung thermischer Effekte auf Werkzeugmaschinen

erlangt durch den Trend, bei deren Bau Komponenten aus unter-

schiedlichsten Materialien zu verwenden, besondere Bedeutung.

Daher wird eine Methode zur Bestimmung des thermischen

Ausdehnungskoeffizienten komplex geformter Bauteile benötigt.

Auch hierfür hat das Fraunhofer IWU eine Lösung: Mit einem

Mehrkanal-Laserinterferometer wird in einer Klimakammer bei

unterschiedlichen Temperaturen die Längendehnung ermittelt.

Ausdehnungskoeffizienten lassen sich so mit einer Unsicherheit

von weniger als einem Mikrometer bestimmen.

– Hochgenaue, berührungslose Vermessung von Maschinen

– Vermeidung von Ausschuss, wenn thermisch bedingte

Verlagerungen des Werkzeugs bekannt sind

– Hohe Flexibilität durch Anwendbarkeit auf eine Vielzahl

von Werkzeug- und Produktionsmaschinen

21

1

Optimal temperierte Werkzeugmaschinen

Dr.-Ing. Janine Glänzel, janine.glaenzel@iwu.fraunhofer.de

Die thermische Empfindlichkeit von Werkzeugmaschinen

lässt sich u. a. auch durch eine gezielte Temperierung der

Maschinenkomponenten umgehen, was gleichzeitig den

Energiebedarf für die Kühlung senkt.

Dazu werden Kühlmittelkreisläufe in Maschinenbetten aus

Hochleistungsbeton integriert. Betrieben werden müssen sie

mit angepassten Regelstrategien. Auf diese Weise lässt sich

beispielsweise eine aktive Kühlung in der Nähe bestehender

Wärmequellen umsetzen, etwa an den Motoren der Förder-

bänder für die Spanabfuhr.

Um derartige Kühlkonzepte zu realisieren, ermitteln die

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU gemeinsam mit Kollegen

von der Technischen Universität Dresden, wie die Kreisläufe

bestmöglich positioniert und gestaltet sein müssen. Darüber

hinaus erstellen sie modellbasiert Methoden zum Aufbau

einer optimalen Regelung des Temperierungssystems. Dazu

werden FEM- und CFD-Simulationen eines Maschinenbetts in

ein schnell berechenbares Modell des Kühlsystems überführt.

Es umfasst alle notwendigen Komponenten und Einflüsse, um

stets die optimale Kühlung zur richtigen Zeit am richtigen Ort

zu gewährleisten.

– Vermeidung von Ausschuss

– Hohe Flexibilität durch Anwendbarkeit auf eine Vielzahl

von Werkzeug- und Produktionsmaschinen

2

Effizientes Finishing mit piezoelektrischem

Oberflächenhämmern

Dipl.-Ing. Markus Wabner, markus.wabner@iwu.fraunhofer.de

Das maschinelle Oberflächenhämmern (OFH) ist ein

inkrementelles Umformverfahren zur Glättung, Verfestigung

und Verdichtung von Oberflächen. Dabei wird mit einem

kugelförmigen Hammerkopf kontinuierlich auf die Werk-

stückoberfläche geschlagen. Das OFH lässt sich als Finishing

einer Vielzahl von Werkstücken einsetzen, beispielsweise bei

Umform- und Spritzgießwerkzeugen, 3D-gedruckten oder

gesinterten Bauteilen, Turbinenschaufeln, Gleitlagern und

Vakuumkammern.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU entwickeln mit dem

piezoelektrischen Oberflächenhämmern ein Verfahren, das

im Vergleich zu konventionellen, pneumatisch und elektro-

magnetisch betriebenen OFH-Systemen deutlich effizienter

und vielfältiger einsetzbar ist. Eine simulationsgestützte

System- und Prozessauslegung sowie experimentelle Analysen

konnten zeigen: Piezoelektrische OFH-Werkzeuge können die

Hämmerfrequenz auf deutlich über 1 000 Hertz erhöhen – das

entspricht mindestens einer Verdopplung der Produktivität

gegenüber dem aktuellen Stand der Technik.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler das piezoelektrische

OFH auf Industrierobotern einsetzen. Damit lässt sich eine

signifikante Senkung der Maschinenstundensätze erreichen,

insbesondere im Vergleich zum Einsatz klassischer Großbear-

beitungszentren im Großwerkzeugbau.

– Um das Zwei- bis Dreifache reduzierte Finish-Zeit

aufgrund der höheren Hämmerfrequenz

– Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Einsatz auf

Industrierobotern

22

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 HoverLIGHT-Platte:

Aluminiumschaum mit partikel-

gefüllten Metallhohlkugeln

2 Zyklus des Formwandlers

(links: Formprogrammierung;

Mitte: Formerhaltung; rechts:

Relaxation)

3 Promess Measuring Device –

die flexible Bestimmvorrichtung

– Erhöhung der Bearbeitungsqualität durch starke

Schwingungsdämpfung

– Energieeinsparung und hohe Dynamik durch Leichtbau

– Gute Wiederverwertbarkeit, da in Kombination mit

Stahldeckblechen klebstofffrei fügbar

HoverLIGHT – Hochdämpfende Verbundwerkstoffe für

den Leichtbau

Dr.-Ing. Jörg Hohlfeld, joerg.hohlfeld@iwu.fraunhofer.de

Schwingungen sind in der Fertigung allgegenwärtig und für

die Bearbeitungsqualität sehr nachteilig. Um Schwingungspro-

bleme in den Griff zu bekommen, wird häufig auf die passive

Schwingungsdämpfung mit Elastomeren gesetzt. So bestehen

beispielsweise die sogenannten Dämpfungsschlitten von Werk-

zeugmaschinen-Führungen oft aus speziellem Gummi. Ein

neuer werkstofftechnischer Ansatz wird mit dem Verbund-

material HoverLIGHT verfolgt. HoverLIGHT – zu Deutsch etwa:

schwebend leicht – ist ein Werkstoff, der aus Aluminiumschaum

und partikelgefüllten Metallhohlkugeln besteht und der unter-

schiedliche Dämpfungsmechanismen in sich vereint: Zum einen

ermöglicht er den Abbau von Schwingungsenergie durch mikros-

kopisch kleine Verformungen und die Reibung der Oberflächen

von Mikrorissen in den Zellwänden. Zum anderen werden die

im Aluminiumschaum enthaltenen Kugeln in periodische Bewe-

gungen versetzt, wodurch sich deren Impulse auf die losen

Partikel im Kugelinneren übertragen – auf diese Weise wird der

Umgebung Schwingungsenergie entzogen. Zusätzlich wandelt

die Reibung der Partikel bei Stößen untereinander und mit den

Kugelwänden die Bewegungsenergie der Partikel in Wärme um.

Beide zellulare Werkstoffe weisen eine geringe Dichte auf. Ein

Verbund aus beiden kann damit auch beim Gewicht punkten

und bietet sich als Leichtbaumaterial an. So kann HoverLIGHT

im Kern von Sandwich-Konstruktionen gleich mehrere Auf-

gaben übernehmen: Es dämpft Schwingungen und hält die

tragenden, hochsteifen Deckbleche, z. B. aus Stahl, zuverlässig

auf Abstand.

Von der Maschine bis zum System:

Real und virtuell

1

23

2

– Passive Verstellmöglichkeit je nach Wirtschaftlichkeit

der Aufgabe

– Hohe Steifigkeiten, kleiner Bauraum, geringe Komple-

xität

– Anwendbar für höchste Anforderungen an eine

Bauteiloberfläche

Formwandler zur Bauteilfixierung

Dipl.-Ing. Jeannette Böhme, jeannette.boehme@iwu.fraunhofer.de

Bisher galt im Karosseriebau: eine Montagelinie für ein Modell

bzw. für eine Modellvariante. Zukünftig sollen verschiedene

Modelle und Modellvarianten auf einer Linie gefertigt werden

können. Das ist wesentlich platz-, material-, zeit- und kosten-

sparender. Flexibilität heißt also das Ziel. Seine Erreichung ist

oft von scheinbar kleinen Details abhängig: So müssen nicht

nur die für das Handling nötigen Vorrichtungen, sondern auch

deren Schnittstellen zum Bauteil – die Spannstücke – flexibel

gestaltet werden.

Im Rahmen des von der SAB geförderten Forschungsprojekts

»Flexible Spannbacken« haben Wissenschaftler des

Fraunhofer IWU gemeinsam mit der Schicktanz GmbH

formwandelbare Bauteilauflagen entwickelt. Die Basis dafür

bilden Formgedächtnispolymere. Diese besitzen die Fähigkeit,

eine aufgeprägte Kontur unter Einsatzbedingungen stabil

zu erhalten und bei Wärmeeinwirkung die ursprüngliche

Form wieder anzunehmen. Solche Formwandler eignen sich

daher beispielsweise zur Bauteilfixierung im Karosseriebau als

sogenannte Spannbacke. Bei einer Produktänderung lässt sie

sich ohne Zerspanung in kurzer Zeit mithilfe einer Masterkon-

tur an die neue Kontur anpassen. Auf diese Weise können

geometrisch komplexe Spannflächen effizient, kostengünstig

und vor allem schnell erzeugt werden, so dass die Bauteile für

eine anschließende Bearbeitung sicher fixiert sind. Darüber

hinaus ermöglicht diese Lösung eine sanfte Bauteilspannung,

wodurch die Oberflächenqualität hochwertiger Bauteile nicht

beeinträchtigt wird.

– Hohe Flexibilität, eine einzige Messvorrichtung für alle

Einzelteile

– Zeitersparnis beim Rüsten

– Kostenersparnis bei Konstruktion, Beschaffung,

Lagerung und Rüsten

Eine für alles: die flexible Messvorrichtung für den

Karosseriebau

Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Patrick Ackert, patrick.ackert@iwu.fraunhofer.de

Im Karosseriebau müssen die Maße von Einzelteilen und Bau-

gruppen auf Zehntelmillimeter exakt gearbeitet sein, damit sie

den heute geforderten Qualitätsstandards entsprechen. Um dies

zu garantieren, werden die Komponenten immer wieder vermes-

sen. Unabhängig vom Messverfahren müssen sie dafür in eine

Vorrichtung gespannt werden, die sie definiert in Position hält.

Nach aktuellem Stand der Technik wird für jedes zu messende

Objekt eine spezifische Vorrichtung entwickelt und beschafft.

Aufgrund der Teilevielfalt bei modernen Karosserien stellt dies

einen großen Kostentreiber in der Qualitätssicherung dar. Zwar

gibt es am Markt Lösungen, die flexible Aufnahme- und Spann-

konzepte auf Baukastenbasis anbieten. Ihr Auf- und Abbau ist

jedoch so zeitaufwendig, dass große Teile dieser Spannkon-

zepte nach einmaliger Montage als Einheit eingelagert werden.

Flexibler ist das von Fraunhofer IWU und Promess Montage

gemeinsam entwickelte Promess Measuring Device (PMD).

Diese Vorrichtung ist in der Lage, sich selbstständig in weniger

als zwei Minuten für eine neue Messaufgabe umzurüsten. Die

kompakte Bauweise ermöglicht es, die Bauteilanbindungen

sehr nahe zusammenzufahren, um auch kompakte und kleine

Bauteile aufzunehmen. Dadurch ist bei der Maßhaltigkeits-

analyse zukünftig keine längerfristige Planung für die Mess-

aufnahmen mehr erforderlich. Mit dem PMD steht zu jeder

Zeit ein Betriebsmittel bereit, das schnell und bedarfsgerecht

für das entsprechende Bauteil und Prüfkriterium gerüstet

werden kann.

3

24

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Untersuchung des mensch-

lichen Bewegungsverhaltens mit

einem Motion Capture System

2 3D-Zonenmodellierung für die

Mensch-Roboter-Kollaboration

3 Flexibler Greifer in der Karos-

seriebaulinie des Fraunhofer IWU

1

Mensch und Roboter in perfekter Choreografie

M.Sc. Ann-Kathrin Harsch, ann-kathrin.harsch@iwu.fraunhofer.de

Mensch und Industrieroboter schutzzaunlos zusammenarbeiten

zu lassen, bietet viele Vorteile – vor allem wenn es darum geht,

große Lasten und komplexe Prozesse zu handhaben: Sowohl

die Tragfähigkeit und Präzision des Roboters als auch die

Auffassungsgabe und Feinfühligkeit des Menschen können

effizient genutzt werden. Allerdings steigen die Anforderungen

an die Sicherheitsmaßnahmen, um den Menschen nicht zu

gefährden. Die Sicherheitsarchitektur muss bereits im Planungs-

prozess festgelegt werden. Die Herausforderung dabei: Im

Gegensatz zur Bewegung des Roboters lässt sich menschliches

Bewegungsverhalten nicht immer durch exakt gleiche Bahnen

beschreiben, vielmehr variiert es individuell. Dies kann zur

Folge haben, dass der Roboter aus Sicherheitsgründen häufig

stoppt und die Produktion ruht. Vermeiden ließe sich das, indem

die Maschine eine Bahnkorrektur ausführt statt anzuhalten.

Um dies zu verwirklichen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer

IWU das Bewegungsverhalten von einhundert Probanden bei

der Mensch-Roboter-Kollaboration analysiert. So können

statistisch abgesicherte Aussagen zum Bewegungsverhalten

getroffen und ein mathematisches Modell der menschlichen

Bewegungsvarianz für unterschiedliche Tätigkeiten abgeleitet

werden. Dieses Modell wird künftig in der Planung genutzt,

um einen Layout-Vorschlag des Prozesses auszugeben, womit

sich die Anpassung der Roboterbahn und eine geschickte

Anordnung der Sicherheitssensoren umsetzen lassen. Die

Kollision von Mensch und Roboter wird so vermieden.

– Individuelle, situative Roboterregelung für eine unein-

geschränkte, natürliche Bewegung des Menschen bei

der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)

– Effiziente Gestaltung von MRK-Prozessen bereits in der

Planung

– Schnelle Prozessplanung und Auslegung der Sicherheits-

technik

EU-Projekt

Share-Work

Im Projekt geht es um die Schaffung komplett neuer und vor

allem intelligenter Arbeitssysteme in der industriellen Ferti-

gung. Diese sollen eine für den Menschen sichere und für die

Produktion effiziente Arbeitsteilung zwischen Mensch und

Roboter (MRK) bei schutzzaunloser Fertigung garantieren.

Dazu werden dem Robotersystem zusätzliche technische

Komponenten hinzugefügt. Die Komponenten ermöglichen

die Verarbeitung und Analyse von Informationen aus der

Produktionsumgebung in Echtzeit. Die Informationen fließen

ein in eine Datenbank, in der grundlegende Charakteristiken

des Arbeitssystems sowie deren Zusammenhänge hinterlegt

sind. In Abhängigkeit dieser Informationen werden einzelne

Bestandteile des Arbeitssystems, z. B. der Roboter mit seinen

Parametern, angepasst. Zudem ist das System in der Lage,

neue Zusammenhänge zu erlernen und somit die Datenbank

zu erweitern. Eine Kommunikation zwischen Mensch und

Roboter wird durch innerhalb des Projekts entwickelte

Interfaces optimal gewährleistet.

Diese Herangehensweise ermöglicht es dem System, die

menschlichen Handlungen zu erfassen und zukünftige

Handlungen vorauszusehen, um auf diese Weise mögliche

Gefährdungen oder andere Störeinflüsse zu minimieren. Die

entwickelte Methodik wird anhand von vier industriellen

Anwendungsfällen validiert.

Von der Maschine bis zum System:

Real und virtuell

25

– Steigerung der Produktionseffizienz am

MRK-Arbeitsplatz

– Flächenersparnis durch Ausnutzung des Arbeitsraums

– echtzeitfähige Überwachung der Sicherheitssituation

im 3D-Arbeitsraum

– situative Bahnanpassung in Echtzeit

Sicherheit, Effizienz und Flexibilität – Schlüssel zur

erfolgreichen Mensch-Roboter-Kollaboration

Dipl.-Ing. Shuxiao Hou, shuxiao.hou@iwu.fraunhofer.de

Drei wichtige Schlüssel zur erfolgreichen Einführung der

Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) in der Industrie sind

Sicherheit, Effizienz und Flexibilität.

Auf Basis der praktischen Erfahrung in der Umsetzung von

MRK-Technologien für Schwerlastroboter haben Wissen-

schaftler des Fraunhofer IWU das von ihnen entwickelte

Sicherheitssystem nun erweitert: Ausgehend von konkreten

Fertigungsszenarien werden unterschiedliche dynamische

Überwachungszonen flexibel definiert. Jede von ihnen

besteht aus mehreren virtuellen 3D-Geometriekomponenten

und kann sich in beliebiger Lage im Arbeitsraum befinden.

Weiterhin werden die Zonen hinsichtlich Form, Größe und

Lage automatisch an die Geschwindigkeit des Roboters

angepasst. Für jede Überwachungszone sind zudem das

zulässige Verhalten des Roboters und des Menschen wie z. B.

Anwesenheit, Robotergeschwindigkeit und durchzuführende

Aufgabe festgelegt. Während der Produktion wird das

menschliche Verhalten mithilfe eines 3D-Kamerasystem

erfasst und analysiert, so dass der Roboter sicher auf dieses

reagieren und seine Bahn situativ in Echtzeit anpassen kann.

Dank der dreidimensionalen dynamischen Aufteilung des

gemeinsamen Arbeitsraums können Roboter und Menschen

den zur Verfügung stehenden Raum effizient ausnutzen.

Sie können enger zusammenarbeiten ohne sich gegenseitig

einzuschränken. So wird die Produktionseffizienz am MRK-

Arbeitsplatz wesentlich gesteigert.

Technologien für den flexiblen Karosseriebau

Dipl.-Ing. Rayk Fritzsche, rayk.fritzsche@iwu.fraunhofer.de

Das Fraunhofer IWU entwickelt gemeinsam mit der

Volkswagen AG neue Strategien, Methoden, Funktions-

muster und Prototypen für den flexiblen und wandelbaren

Karosseriebau. Der Fokus liegt dabei auf Betriebsmitteln wie

beispielsweise Robotergreifern oder Spannsystemen, die sich

automatisiert und innerhalb des vorgegebenen Fertigungs-

taktes an ein neues Fahrzeugmodell anpassen. Neben Analysen

und Konzeptentwicklungen entstanden bereits 2016 erste

Funktionsmuster für Handling-Werkzeuge und Geometrie-

spannsysteme. Bei den Handling-Werkzeugen sind 2017

weitere Funktionsmuster und Prototypen dazugekommen, die

neben den Labortests im Fraunhofer IWU bereits erfolgreich in

Serienanlagen bei Volkswagen in Wolfsburg getestet wurden.

Eines von ihnen ist der Saug-Cluster-Greifer. Als Komponente

eines Montage-Roboters kann er die Montagelinie mit

unterschiedlichsten Türinnenblechen bestücken, ohne dass ein

Wechsel des Greifers notwendig wird.

Ein anderes Element der Flexibilisierung im Karosseriebau

sind Module für das Positionieren und Spannen von Bauteilen

unterschiedlicher Fahrzeugmodelle. Eine Geometrie-Spannvor-

richtung, ausgestattet mit einer Vielzahl dieser Module, kann

innerhalb von fünf Sekunden automatisch auf ein anderes

Fahrzeugmodell eingestellt werden. Volkswagen plant, Ende

2018 die erste komplette Vorrichtung in der Serienfertigung

im Werk Wolfsburg zu testen und anschließend das Konzept

weltweit auszurollen.

– Fertigung von mehr als sechs Modellvarianten auf einer

Karosseriebaulinie

– »Wilder Mix« im Fertigungstakt

– Entkopplung der Modell-Laufzeit von der Laufzeit der

Montage-Anlage (Weiternutzung für Folgemodelle)

32

26

27

KOMPETENZ EFFIZIENTE TECHNOLOGIEN: NEUE WERKSTOFFE FORDERN MEHR LEISTUNG

28

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Testfahrt mit angetriebener

Walze und sensorbestücktem

Messdreieck zur Erfassung ver-

schiedener Lasten und Beiwerte

2 Auf einer Laserstrahlschmelz-

anlage gefertigte Gitterstruktur

mit unterschiedlichen Stabstärken

– Vermeidung der Bodenschadverdichtung durch

Leichtbau für nachhaltige Landwirtschaft

– Wirtschaftliche Fertigung kleiner Stückzahlen

– Landwirtschaftliche Anforderungsprofile und Markt-

zugang

Der Wachstumskern Feldschwarm®

Dipl.-Ing. Markus Werner, markus.werner@iwu.fraunhofer.de

Die enorme Produktivität der modernen Landwirtschaft wird

u. a. durch die hohe Effizienz der Bodenbearbeitungs- und

Erntemaschinen erreicht. Leider führt der Einsatz der schweren

Maschinen zu einer schädlichen Bodenverdichtung, die die

Ertragskraft senkt. Im Wachstumskern Feldschwarm® bündeln

regionale Partner daher ihre Kompetenzen, um einen Beitrag

zur Lösung dieses gesellschaftlich relevanten Problems zu

leisten, und etablieren eine Technologieplattform. Ziel des

Großprojekts ist es, nicht einzelne große Maschinen einzuset-

zen, sondern mehrere kleine, leichte Einheiten, die autonom

und automatisiert als Schwarm auf den Feldern agieren.

Aufgabe des Fraunhofer IWU innerhalb des Wachstumskerns

ist es, die Tragwerkstrukturen dieser Einheiten so zu gestalten,

dass eine wirtschaftliche Fertigung unter Berücksichtigung des

Leichtbaus und landwirtschaftlicher Anforderungen ermöglicht

wird. Dazu sollen neue Material- und Strukturkonzepte unter-

sucht und geeignete Entwicklungsmethoden für zukünftige

landwirtschaftliche Geräte bereitgestellt werden.

Zur Verbesserung der Bodenbearbeitungsqualität werden die

entsprechenden Werkzeuge mit geeigneten Sensoren und

Aktorik bestückt, um lokale Bedingungen besser berücksich-

tigen zu können. Ein Ansatz, den Zugkraftbedarf zu senken,

besteht darin, die Bodenbearbeitungswerkzeuge anzutreiben

und so den Bearbeitungseffekt selbst zu beeinflussen sowie

gleichzeitig einen Teil des Vorschubs erzeugen zu können.

1

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern

mehr Leistung

29

2

– Gewichtsreduktion

– Definierte Anpassung der Bauteilsteifigkeit bzw.

-belastbarkeit

– Senkung der Herstellungskosten gegenüber additiv

gefertigten massiven Bauteilen

– Höhere Leistungsdichte bei der Wärmeübertragung

Additive Fertigung auf den Punkt gebracht – metallische

Gitterstrukturen

Dipl.-Ing. Hannes Korn, hannes.korn@iwu.fraunhofer.de

Beim industriellen Einsatz des 3D-Drucks stößt man oft an

Grenzen hinsichtlich der Bauzeit und der Herstellungskosten.

Eine Möglichkeit, diese Grenzen zu überwinden, bietet

die Optimierung hochkomplexer Bauteile mithilfe von

Gitterstrukturen. Diese lassen sich schneller fertigen und sind

deutlich leichter als massiv gefüllte, additiv gefertigte Bauteile.

Gleichzeitig sinken Materialverbrauch und Herstellungskosten.

Bei der Bauteilkonstruktion kann das Verhältnis von Steifigkeit

zu Gewicht entsprechend dem Anforderungsprofil optimiert

werden. Erste Untersuchungen zur mechanischen Belastbarkeit

und zur punktgenauen Einstellung der gewünschten Steifigkeit

zeigen für die bisher entwickelten Gitterstrukturen sehr gute

Ergebnisse. Am Fraunhofer IWU konnte demonstriert werden,

dass die Fertigung hochkomplexer Bauteile mit integrierten

Gitterstrukturen auf konventionellen Laserstrahlschmelzanlagen

möglich ist; eine aufwendige Umrüstung oder kostenintensive

Neuanschaffung entfallen.

Ein weiteres Forschungsziel ist der Einsatz von Gitterstrukturen

in wärmeübertragenden Bauteilen, um eine größere Wärme-

übertragung bei gleichem Volumen und verringertem Gewicht

gegenüber dem Stand der Technik zu erreichen.

Fraunhofer-Fokusprojekt

futureAM – Additive Fertigung der nächsten Generation

Mit dem Fokusprojekt treibt Fraunhofer die Weiterentwick-

lung der Additiven Fertigung metallischer Bauteile systema-

tisch voran. Dazu sind das Fraunhofer IWU sowie die

Institute IFAM, IGD, ILT, IWS und IAPT eine strategische

Projektpartnerschaft eingegangen. Die Partner wollen eine

übergreifende Kooperationsplattform für die hochintegrative

Zusammenarbeit aufbauen und dabei dezentral verteilte

Ressourcen von Fraunhofer im Bereich Additive Manufactu-

ring (AM) nutzen. Zudem wollen sie die technologischen

Voraussetzungen schaffen für eine praxisrelevante Steigerung

von Skalierbarkeit, Produktivität und Qualität von AM-

Prozessen für die Fertigung individualisierter Metallbauteile.

Die Nachbearbeitung additiv gefertigter Komponenten ist

integraler Bestandteil der Prozesskette, um die geforderten

Material- und Oberflächeneigenschaften einzustellen. Das

Fraunhofer IWU entwickelt im Projekt einen modularen

Demonstrator zur autonomen mechanischen Nachbehand-

lung additiv hergestellter Bauteile basierend auf einem

wandlungsfähigen, sich entsprechend der Prozessanforde-

rungen selbstkonfigurierenden Maschinenkonzept.

www.futuream.fraunhofer.de

30

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Fertigungsabläufe können

mit neuartigen, klebfreien

Towpreg-Halbzeugen effizienter

gestaltet werden.

2 Mithilfe einer Vielzahl elektro-

magnetischer Impulse ausge-

formte Stuhlsitzfläche

– Vermeidung von Produktionsabfällen

– Höhere Produktivität und verbesserte Reproduzierbar-

keit bei der Serienfertigung von CFK-Bauteilen

– Realisierung von höheren Leichtbaugraden

Karbonfaserverstärkte Kunststoffbauteile

ressourceneffizient herstellen

Dipl.-Ing. Dimitra-Ani Movsesian, dimitra-ani.movsesian@iwu.fraunhofer.de

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) etablieren sich

zunehmend als Konstruktionswerkstoffe, jedoch ist die Her-

stellung von Kohlenstofffasern kosten- und ressourcenintensiv.

Wirtschaftliche und ökologische Vorteile sind also erst mit

äußerst materialeffizienten Bauweisen und genauso material-

effizienten Fertigungsverfahren zu erzielen.

Üblicherweise werden die Zuschnitte für die Fertigung von CFK-

Bauteilen aus flächigen Halbzeugen wie Geweben, Gelegen

oder mit Reaktionsharzen imprägnierten Fasern erzeugt, wobei

ein hoher Anteil an Verschnitt entsteht. Die Verwertung der

Abfälle ist dabei sehr aufwendig. Das Fraunhofer IWU verfolgt

daher den Ansatz, CFK-Laminate nicht mehr aus klassischen

flächigen, sondern aus bandförmigen Halbzeugen aufzubauen.

Denn durch das Zuschneiden und Platzieren dieser 25 Millimeter

breiten Bandelemente lassen sich endkonturnahe und zugleich

beanspruchungsgerechte Laminate herstellen. Der übliche

Verschnitt wird damit weitgehend vermieden.

Besonders effiziente Fertigungsabläufe ergeben sich mit dem

automatischen Ablegen von Reaktionsharz-imprägnierten

Faserbändern. Diese Towpregs genannten Halbzeuge zeichnen

sich durch eine lange Lagerfähigkeit und Klebfreiheit bei

Raumtemperatur sowie eine hohe Reaktivität für kurze Takt-

zeiten aus. Im Rahmen des BMBF-Förderprojekts »MAREMO –

Materialeffizienter Leichtbau für eine ressourceneffiziente

Mobilität« werden diese nun auf einer Pilotanlage gefertigt,

die es ermöglicht, neue Towpreg-Materialsysteme durch

Variation der Faser- und Harzsysteme zu entwickeln.

1

EU-Projekt

FiberEUse

Glas- und carbonfaserverstärkte Komposite werden zuneh-

mend als Strukturmaterialien in Sektoren wie Transport, Bau

und Energie verwendet, da sie leichter und korrosionsbestän-

diger sind als Metalle. Doch am Ende ihres Lebenszyklus

werden viele Kompositmaterialien immer noch auf der Müll-

deponie entsorgt, obwohl mechanische Abtragungsprozesse

und die Pyrolyse einen hohen Technologiereifegrad erreicht

haben. Ein Grund dafür ist, dass noch kein zusätzlicher

Nutzen im Rahmen einer Wiederverwertung bewiesen werden

konnte. Das Projekt FiberEUse wird verschiedene Innovations-

projekte bündeln, um das Recycling von Kompositen zu

verbessern, profitabel zu machen und in neuen Produkten

in Wertschöpfungsketten wiederzuverwerten.

Das Fraunhofer IWU arbeitet gemeinsam mit Partnern an der

Entwicklung einer kreislauffähigen und wiederverwendbaren

Automobilplattform. Die Plattform mit einer Lebensdauer von

ca. dreißig Jahren bildet die Basis für Fahrzeuge, die in regel-

mäßigen Abständen zum Hersteller zum Remanufacturing

zurückkommen. Im Rahmen dieser Wiederaufbereitungen

können andere Fahrzeugkomponenten mit kürzeren Lebens-

zyklen ausgetauscht werden, z. B. Innenraumausstattung

nach fünf Jahren, Außenhautbauteile im Rahmen eines

Facelifts nach zehn Jahren.

http://fibereuse.eu

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern

mehr Leistung

31

Effiziente Verbindungstechnologien

für Multi-Material-Designs

Dipl.-Ing. Sven Meißner, sven.meissner@iwu.fraunhofer.de

In Automobilkonstruktionen kommen zunehmend Faser-Kunst-

stoffverbunde (FKV) zum Einsatz, u. a. um Gewicht einzusparen.

Sogenannte Multimaterialdesigns aus FKV und Metallen weisen

dafür ein besonders großes Potenzial auf, denn die Vereinigung

dieser Werkstoffklassen bildet eine effektive Symbiose, die die

Vorzüge beider Materialien gleichzeitig zum Tragen bringt. Um

sie industriell herstellen zu können, ist neben Konzepten für die

Serienfertigung von FKV-Strukturen die beanspruchungsgerechte

und effiziente Fügetechnik für beide Werkstoffklassen von

besonderer Bedeutung.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU entwickeln eine großserien-

taugliche Verbindungstechnologie für FKV und Metallbleche.

Auf stanztechnischer Basis wurden zunächst formschlüssige,

kraftflussgerechte Verbindungsstrukturen in hochfeste Metall-

bleche eingebracht, die direkt in die Bauteil- oder Halbzeug-

fertigung integriert werden können. Ein bisher erforderliches

zusätzliches Bindemittel bzw. Verbindungselement entfällt

dabei. Darüber hinaus lässt sich die erzeugte hybride Struktur

in etablierte Karosseriefertigungsverfahren einbinden.

Wegen der direkten Anbindung der Formschlusselemente an

die Verstärkungsfaser sind eine hohe Präzision und ein geringer

Verschleiß der Stanzwerkzeuge erforderlich. Beides lässt sich

durch eine Härtung der Werkzeuge mittels Tieftemperatur-

behandlung erreichen, die die Wissenschaftler gemeinsam mit

einem Projektpartner realisierten.

– Einfache Integration in (Automobil-)Bauteilherstellungs-

prozesse

– Einbindung in hochgradig automatisierte Prozesse

– Montage der neuen Hybridbauteile in klassischen

Fertigungsverfahren (z. B. Punktschweißen) und

Produktionslinien

2

Kleine Losgrößen wirtschaftlich herstellen

Dipl.-Ing. Maik Linnemann, maik.linnemann@iwu.fraunhofer.de

Sinkende Losgrößen sind eine große Herausforderung für

Unternehmen. Ein Beispiel ist die Restaurierung von Oldtimern,

für die es kaum noch Ersatzteile gibt. Zur Wiederherstellung

einer makellosen Optik des Fahrzeugs sind zum Teil individuell

gefertigte Ersatzteile erforderlich. Die Anwendung konventio-

neller Umformtechniken ist hier wegen der hohen Werkzeug-

kosten unattraktiv.

Auch im Automobilbau erfüllen konventionelle Umformwerk-

zeuge aufgrund der zunehmenden Individualisierung kaum

noch die nötigen Anforderungen. Daher werden innovative

Fertigungsverfahren zwingend benötigt. Hier bietet sich die

elektromagnetische Umformung an, für die wesentlich weniger

aufwendige Werkzeuge benötigt werden. Bisher war es mit

dem Verfahren jedoch nicht möglich, große Bauteile zu fertigen.

Abhilfe soll die innerhalb des deutsch-tschechischen Projekts

»SELF – Sequential Electromagnetic Forming« betrachtete

Kombination der elektromagnetischen mit der inkrementellen

Umformung schaffen. Dabei wird ein Blech sukzessive mithilfe

einer Vielzahl elektromagnetischer Impulse umgeformt, indem

eine Werkzeugspule Schritt für Schritt berührungslos über das

Blech wandert. Wissenschaftler des Fraunhofer IWU haben

nun die technologische Machbarkeit der Verfahrenskombina-

tion anhand eines Beispiels aus der Industrie nachgewiesen. Es

hat sich gezeigt, dass der Prozess sehr gut für die Herstellung

großflächiger Bauteile geeignet ist.

– Geringe Kosten dank vielseitig einsetzbarem Werkzeug

– Verwendbar für unterschiedlichste Werkstoffe, insbe-

sondere Aluminium

– Schonung der Werkstückoberfläche durch berührungs-

lose Kraftaufbringung

32

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1

Presshärten: Bauteile kleinflächig optimieren

Dipl.-Ing. Norbert Pierschel, norbert.pierschel@iwu.fraunhofer.de

Das Presshärten hat sich zur führenden Technologie für die

Herstellung hochfester Strukturbauteile im Automobilbau

entwickelt. Dabei ist ein Trend in Richtung eigenschafts-

optimierter Bauteile zu verzeichnen. Eine besondere Gruppe

dieser Komponenten stellen Bauteile dar, deren Eigenschaften

kleinflächig an die Verarbeitungs- bzw. Einsatzbedingungen

angepasst sind. Dies kann vorteilhaft für die Stabilität von

Punktschweißverbindungen oder bei der Erzeugung von

Hybridbauteilen durch mechanisches Fügen sein. Bisher lassen

sich diese Eigenschaften nur durch eine dem Presshärten

nachgelagerte Bearbeitung erzeugen, etwa indem die Kompo-

nenten lokal mit einem Laser erhitzt werden – ein zusätzlicher

Arbeitsschritt, der Mehraufwand bedeutet.

Am Fraunhofer IWU wurde eine spezielle Werkzeugtechnik

entwickelt, mit der sich schon während des eigentlichen

Presshärtens die mechanischen Eigenschaften des Bauteils

kleinflächig einstellen lassen. Dies wird durch eine lokale

Beeinflussung des Abkühlverhaltens des Werkstücks erreicht:

Während des Abschreckvorgangs im geschlossenen Werkzeug

halten Heizelemente aus Siliciumcarbid das Werkstück

punktuell oberhalb der Umwandlungstemperatur. Durch die

Integration in den Presshärteschritt muss die Gradierung nicht

in nachgelagerten Prozessen erfolgen. So kann die Verweilzeit

in Laserbearbeitungszentren verkürzen werden, wodurch sich

die Herstellungskosten eines Bauteils um circa fünf Prozent

reduzieren lassen.

– Verbesserung der Crashperformance der Bauteile durch

bessere Fügeverbindungen

– Kostenersparnis durch Reduktion bzw. Verkürzung der

Bearbeitungsschritte

– Vereinfachung von Fügeprozessen, insbesondere dem

umformenden Fügen

1 Heizelement aus Silizium-

carbid bei 800 °C im teilmontier-

ten Werkzeug

2 Herstellung einer Vorform

mithilfe des Axialvorschub-

Querwalzens (AVQ)

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern

mehr Leistung

33

Bleche lokal verfestigen, Umformgrenzen erweitern

Dipl.-Ing. Sebastian Kriechenbauer, sebastian.kriechenbauer@iwu.fraunhofer.de

Hochfeste Bleche per Tiefziehen umzuformen, ist problema-

tisch: Mit steigender Ziehtiefe steigt auch das Risiko, dass sich

im Bauteil Risse oder Falten bilden, was die Gestaltungsfreiheit

deutlich einschränkt.

Eine Lösung haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU

im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschafts-

forschung (IGF) entwickelt: Der Schlüssel zur Erweiterung der

Umformgrenzen liegt in der lokalen Verfestigung des Blechs.

Sie lässt sich erreichen, indem das Halbzeug beim Tiefziehen

nicht nur in eine Richtung bewegt wird. Voraussetzung dafür

ist der Einsatz mehrachsiger Servo-Spindelpressen, da sie

komplexe Bewegungsprofile ermöglichen. An einer Karosserie-

komponente konnten die Forscher zeigen, dass ihre Lösung

funktioniert: Die typische Schwachstelle im Bauteil lässt sich

durch ein geeignetes Bewegungsprofil, dem sogenannten

bidirektionalen Ziehen, zusätzlich verfestigen. Dadurch können

höhere Lasten über den kritischen Bereich übertragen werden,

so dass die Ziehtiefe deutlich zunimmt.

Um die neuartige Technologie im Detail verstehen und besser

auslegen zu können, erstellten die Wissenschaftler numerische

Simulationen, die Zusammenhänge zwischen verschiedenen

Prozessgrößen und Bauteileigenschaften offenlegen.

– Erweiterung der Umformgrenzen beim Tiefziehen

– Größere Gestaltungsfreiheit bei Tiefziehteilen – Wirtschaftliche Fertigung ab Losgröße 1

– Geringe Werkzeugkosten

– Geringe Rüstzeiten

– Hohe Flexibilität, da sich Werkzeuge für unterschiedliche

Geometrien nutzen lassen

Wirtschaftliche Massivumformung in Kleinserien

M.Sc. Nadine Schubert, nadine.schubert@iwu.fraunhofer.de

Die Werkzeuge der Massivumformung sind die Negativformen

der gewünschten Werkstücke. Diese Werkzeuge anzufertigen

ist aufwendig und kostenintensiv. Erst wenn mit ihnen große

Stückzahlen produziert werden, rechnet sich ihr Einsatz.

Aktuell ist jedoch der Trend zu einer größeren Vielfalt und

Spezifik an zu fertigenden Bauteilen zu verzeichnen. Um

flexibel auf das Teilespektrum reagieren zu können, haben

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU gemeinsam mit einem

Industriepartner den Prototypen einer Fertigungsanlage zum

Axialvorschub-Querwalzen (AVQ) entwickelt. Mit ihm lassen

sich unterschiedliche Werkstückkonturen mit einem einzigen

universellen Werkzeugsystem und einer frei programmierbaren

Maschinensteuerung herstellen.

AVQ ist ein inkrementelles Umformverfahren, bei dem die

Fertigteilgeometrie fast vollständig mithilfe der Prozesskinematik

realisiert wird. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche

rotationssymmetrische Geometrien für eine optimale

Masseverteilung erzeugen – ganz ohne bauteilbezogene

Umformwerkzeuge. Der Umformprozess beruht auf der

Relativbewegung zwischen einem rotierenden zylindrischen

Werkstück und zwei gleichsinnig angetriebenen Walzwerk-

zeugen, wobei diese durch die Zustellbewegungen in das

Werkstück eindringen.

2

34

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Komponenten eines Titan-

implantats mit elektrischer

Durchführung und optischem

Fenster zur Infrarotdatenüber-

tragung (myoelektrische Hand-

prothese)

2 Kontinuierliches Wälzschleifen

einer Laufverzahnung für die

Anwendung im Pkw

1

Titankapselung für implantierbare Elektronik

Dr.-Ing. Jan Edelmann, jan.edelmann@iwu.fraunhofer.de

Im Fraunhofer Leitprojekt »Theranostische Implantate« ent-

wickelten Wissenschaftler verschiedener Fraunhofer-Institute

eine Steuerung für eine Prothese, die es Patienten zukünftig

ermöglichen soll, ihre künstliche Hand ähnlich intuitiv zu

bewegen wie eine natürliche. Sensoren sollen es dabei sogar

ermöglichen zu spüren, wie stark gerade zugepackt wird.

Der Einsatz der Prothese setzt voraus, dass elektronische

Systeme in den menschlichen Körper implantiert werden,

beispielsweise Kondensatoren zur Energieversorgung. Diese

müssen hermetisch verkapselt, langzeitstabil und biokompatibel

werden. Neben der grundlegenden Verkapselungsfunktion

benötigen sie natürlich elektrische Durchführungen für die

Verbindung zu Muskeln und Nerven. Außerdem muss die

Kapsel eine induktive Energieübertragung und optische

Datenkommunikation über Infrarotsignale ermöglichen.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU haben zu diesem

Zweck eine Titankapsel mit elektrischen und optischen

Durchführungen entwickelt. Das Gehäuse wurde zweiteilig

durch Fräsen hergestellt. Für das optische Fenster wählten

die Forscher das biokompatible Glas Typ N-F2, für die

Herstellung der Glas-Metall-Dichtung ein vakuumbasiertes

Hochtemperatur-Glasformverfahren. Nach der Montage der

elektronischen Bauteile wurden die Titankomponenten mittels

Laserschweißen verbunden. Das optische Fenster ermöglicht

die Infrarotkommunikation zwischen Implantat und einer

Kontrolleinheit außerhalb des Körpers.

– hochpräzise Fertigung

– prozesssichere Verarbeitung biokompatibler Werkstoffe

– Einsatz komplexer Elektronik auf kleinstem Bauraum

– Erhöhung der Lebensqualität des Patienten

EU-Projekt

FLOIM

Im Projekt wird ein automatisiertes Verfahren für die

Montage von opto-elektronischen Bauelementen entwickelt,

das auf dem Spritzgießen in optischer Qualität basiert. Freie

Formen und mikrostrukturierte optische Oberflächen werden

durch Replikation mithilfe mikrostrukturierter Formeinsätze

direkt auf den Komponenten erzeugt. Diese Technologie

vereinfacht die Fertigung von verschiedenen opto-

elektronischen Teilen bei stark reduzierten Kosten, höherer

Produktivität und verbesserter Bauteilleistung.

Das Fraunhofer IWU arbeitet in drei Teilbereichen mit: der

Strukturierungstechnologie für die Werkzeugformeinsätze,

der Entwicklung einer modularen mechatronischen Kom-

ponente zur Feinpositionierung des Werkzeugs sowie der

digitalen Beschreibung der bestehenden und neuen Abläufe

und Anlagen.

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern

mehr Leistung

35

– Signifikante Erhöhung der Maschinen- und Anlagen-

verfügbarkeit

– Senkung der Fertigungskosten

– Erhöhung der Produktivität

– Reduzierung des nachgelagerten Prüfaufwandes

– Fertigung von Bauteilen / Komponenten mit verbesserten

Eigenschaften

Der adaptive Schleifprozess

Dipl.-Ing. Enrico Fritzsch, enrico.fritzsch@iwu.fraunhofer.de

Im Rahmen des Kooperationsnetzwerks AMARETO erarbeiten

die Partner Transferlösungen, die es kleinen und mittleren

Unternehmen ermöglichen, ihr Produkteinführungsrisiko

zu reduzieren. Ein Teilprojekt hat das Ziel, Schleifprozesse

effizienter zu gestalten. Da sich der Werkzeugzustand im

Prozess aufgrund der geometrisch unbestimmten Schneide

bisher nur ungenügend bewerten lässt, ist das Einrichten eines

Schleifprozesses sehr aufwendig. Um Ausschuss zu vermeiden,

werden beispielsweise Parameter wie zerspantes Volumen pro

Zeit und die Anzahl an Bauteilen zwischen dem Abrichten mit

hohen Sicherheitsfaktoren versehen. Dadurch kann jedoch

das Potenzial bei der Produktivität und der Nutzungsdauer der

Schleifwerkzeuge bislang nicht voll ausgeschöpft werden.

Um dies zu ändern, nutzen Wissenschaftler des Fraunhofer IWU

die Ausbreitung von Schallwellen innerhalb des Prozesses. Diese

verändert sich, sobald sich u. a. die Struktur des Werkzeugs

ändert. Misst man die Schallemissionen des Schleifkörpers im

hochfrequenten Bereich, kann auf dessen Zustand zurück-

geschlossen werden. Ist dieser bekannt, lassen sich das Werk-

zeug signifikant länger nutzen und der Prozess beschleunigen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse werden in dem Teilprojekt ein

modellbasierter, sich selbst anpassender Schleifprozess und eine

Online-Strategie zur Bewertung der Bauteilqualität entwickelt.

2

Kooperationsnetzwerk

Sächsische Allianz für material- und ressourceneffiziente

Technologien AMARETO

Die Allianz verbindet die Aspekte Ressourceneffizienz, effi-

zientes Materialdesign und innovative Produktionstechnik in

einem Projekt. Hervorgegangen aus den Spitzentechnologie-

clustern ADDE, eniPROD und ECEMP bündelt AMARETO die

Kompetenzen der Technischen Universitäten aus Chemnitz,

Dresden und Freiberg sowie dem Fraunhofer IWU, um auf

den Gebieten neuartiger Hochleistungswerkstoffe, Produkt-

und Prozessinnovationen sowie Mehrkomponentenwerk-

stoffe neue Methoden und Transferlösungen für einzelne

Teile dieser Wertschöpfungskette zu erarbeiten.

Am Fraunhofer IWU liegt der Fokus nicht nur auf der

Entwicklung von Technologien für die effiziente Werkzeug-

maschine, sondern auch auf neuartigen Verfahren für

Hochleistungsstahlgusswerkstoffe.

AMARETO wird von der Europäischen Union (Europäischer

Fonds für regionale Entwicklung) und dem Freistaat Sachsen

gefördert.

https://amareto.info

36

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1

Radnabenmotor in Metallschaum-Leichtbauweise

Dipl.-Ing. Carsten Lies, carsten.lies@iwu.fraunhofer.de

Radnabenmotoren weisen den Weg in eine neue Dimension

der Elektromobilität. Der Wegfall des mechanischen Antriebs-

strangs mit sämtlichen Zusatzaggregaten spart Kosten und

schafft wertvollen Nutzraum im Fahrzeug. Um den Kunden

eine angemessene Reichweite anbieten zu können, müssen

Gewicht und Bauraum möglichst niedrig, Leistung und

Wirkungsgrad dagegen möglichst hoch ausfallen. In Bezug auf

den Wirkungsgrad weisen Radnabenmotoren enorme Vorteile

auf, da alle durch zusätzliche Übertragungselemente wie

Getriebe oder Differential erzeugten Verluste entfallen. Rad-

nabenmotoren ermöglichen es, den sehr hohen Wirkungsgrad

heutiger Elektromaschinen direkt auf die Räder und damit auf

die Straße zu bringen. Allerdings widersprechen die aktuellen

Motoren der Forderung nach möglichst geringem Gewicht

und möglichst kleinem Bauraum.

Zur Lösung dieses Problems entwickeln die Forscher des

Fraunhofer IWU innovative, anforderungsgerechte Aluminium-

schaumkomponenten für Radnabenmotoren, um den Direkt-

antrieb leichter, kompakter und somit für den Markt der

Elektromobilität attraktiver zu gestalten. Die zellulare Struktur

des Aluminiumschaums ermöglicht zudem ein sehr gutes

Energieabsorptions- und Dämpfungsverhalten.

In einem laufenden Forschungsprojekt haben die Wissen-

schaftler die Komponenten Rotor und Deckel bereits fertigungs-

technisch in Aluminiumschaum-Bauweise umgesetzt. Aktuell

erfolgen messtechnische Untersuchungen zur Verifikation der

Eigenschaften.

– Massereduzierung um 30 Prozent

– Kompakte, vollintegrierte Bauweise

– Optimaler Materialeinsatz

– Geringe Komplexität und hoher Automatisierungsgrad

1 Deckel und Rotor eines

Radnabenmotors in effizienter

Metallschaum-Leichtbauweise

2 Temperaturfeld und Strö-

mungslinien am rotierenden

Werkzeug

Effiziente Technologien:

Neue Werkstoffe fordern

mehr Leistung

37

Energieeffiziente Zerspanung ohne Kühlschmiermittel

Dipl.-Ing. Christian Oppermann, christian.oppermann@iwu.fraunhofer.de

Erhitzen sich Bohr-, Dreh- oder Fräswerkzeuge während

des Fertigungsprozesses, kann dies Ursache für erhebliche

Bearbeitungsungenauigkeiten sein. Üblicherweise wirkt man

diesem Problem mit einer Vollstrahlschmierung entgegen,

indem Werkzeug und Werkstück mit gekühltem Schmiermittel

regelrecht überflutet werden. Das bringt jedoch verschiedene

Nachteile mit sich. So erfordert die Kühlung der Schmierstoffe

viel Energie, und Werkstücke sowie Maschinen müssen nach

der Bearbeitung gereinigt werden. Vor dem Hintergrund einer

energieeffizienten Produktion zeigt sich daher ein Trend zur

Trockenbearbeitung bzw. Schmierung mit Minimalmengen.

Die wärmebedingte Verformung des Werkzeugs ist dadurch

ausgeprägter.

Ihr lässt sich entgegenwirken, indem man den Tool Center

Point mithilfe der Maschinensteuerung im Mikrometerbereich

gezielt versetzt. Dazu müssen sowohl die Strukturverformung

des Werkzeugs als auch die prozessnahen Strömungsvorgänge

vorab bekannt sein. Wissenschaftler des Fraunhofer IWU

ermitteln diese im Großprojekt SFB / Transregio 96 »Thermo-

Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen« per

CFD- und FE-Simulation, um die gewonnenen Daten in der

Werkzeugmaschinensteuerung zu hinterlegen. Die Genauig-

keit ihres Ansatzes konnte mit einem Fehler kleiner gleich 10

Prozent nachgewiesen werden, so dass die Relevanz speziell

im Fall der Präzisionsbearbeitung sinnvoll und notwendig ist.

– Energieeinsparung durch Verzicht auf Kühlschmiermittel

– Einhaltung der Genauigkeitsforderungen bei Präzisions-

Trockenbearbeitung

EU-Projekt

Fit-4AMandA

Das Projekt wird die Art und Weise der Herstellung von

Brennstoffzellen revolutionieren. Dazu sollen die Herstellungs-

schritte von PEM (Polymer Electrolyte Membran)-Brennstoff-

zellenstacks optimiert und Technologien eingesetzt werden,

die über den bisherigen Stand der Technik hinausgehen. Das

Projektteam wird eine neuartige Montageanlage konzipieren,

mit deren Hilfe erstmals die automatisierte Serienfertigung

des Kernstücks der Brennstoffzelle, des Stacks, ermöglicht

wird.

Das mit dem neuen Verfahren hergestellte Brennstoffzellen-

system soll unter realen Bedingungen in einem leichten

Nutzfahrzeug eingesetzt und getestet werden. Das entwi-

ckelte Produktionsverfahren kann darüber hinaus auch für

alle anderen Anwendungen der Brennstoffzelle im mobilen,

maritimen und stationären Bereich genutzt werden. PEM-

Brennstoffzellensysteme werden durch die Neuentwicklung

effizienter, kostengünstiger und wettbewerbsfähiger.

Zum Projektkonsortium gehören neben dem Fraunhofer IWU

u. a. Entwickler und Hersteller von Brennstoffzellensystemen,

Zulieferer von MEAs, BPPs und Industriemaschinen für Mon-

tage- und Testzwecke und ein internationales Transportunter-

nehmen mit eigener Flotte von Leichtbau-Nutzfahrzeugen.

http://fit-4-amanda.eu

2

38

KOMPETENZ FUNKTIONSINTEGRATION FÜR HOCHLEISTUNGSPRODUKTE

40

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

– Erhöhung des akustischen Komforts

– Minimierung des Gewichts akustischer Optimierungs-

maßnahmen, beispielsweise durch Verzicht auf

Versteifungsrippen

– Reduktion von Herstellungskosten für Verzahnungen

Getriebegeräusche intelligent reduzieren

Dipl.-Ing. Jan Troge, jan.troge@iwu.fraunhofer.de

Die Anforderungen an die akustische Qualität von Fahrzeugen

haben in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aus

Komfort- und Wettbewerbsgründen senken Hersteller die Ziel-

geräuschpegel von Personenkraftwagen immer weiter ab. So

müssen moderne Getriebe strenge Vorgaben bezüglich ihres

vibro-akustischen Verhaltens einhalten. Getriebegeräusche

sind aufgrund ihres tonalen Charakters selbst bei geringer

Lautstärke sehr gut wahrnehmbar.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWU haben daher am

Beispiel eines Hinterachsdifferentials ein aktives System

entwickelt, das mithilfe einer piezokeramischen Folie direkt

auf dem Hinterachsrahmen, dem Hauptübertragungsweg für

Störgeräusche, die relevanten Schwingungsanteile reduziert.

Der Vorteil dieser Lösung: Die aktive Komponente kann bereits

während der Herstellung des Hinterachsträgers in Form eines

Piezo-Metall-Verbundes in das Bauteil eingebracht werden und

ist so gegen äußere Einflüsse wie Schmutz, Feuchtigkeit oder

Tausalz geschützt. Darüber hinaus lassen sich mit dem Ansatz

die Herstellungskosten für Verzahnungen reduzieren, da auf

deren aufwendige Feinbearbeitung zur Akustik-Optimierung

teilweise oder ganz verzichtet werden kann.

1

1 Aktives System zur Reduktion

von Hinterachsgeräuschen auf

Basis von Piezo-Flächenwandlern

2 Mit Experimenten und

Ausstellungen gelingt es, Werk-

stoffwissen anschaulich an

potenzielle Anwender und For-

schungspartner zu vermitteln.

Funktionsintegration

für Hochleistungsprodukte

41

Das Unsichtbare sichtbar machen: smart materials durch

interdisziplinäre Zusammenarbeit verstehen

M.A. Mattes Brähmig, mattes.braehmig@iwu.fraunhofer.de

Intelligente Materialien sind schon heute Bestandteil einiger

Serienprodukte. Allerdings wissen Verbraucher, Produktent-

wickler oder Designer kaum von der Existenz und den Vorteilen

dieser energieautarken Werkstoffe, die sich selbstständig

an Umweltbedingungen anpassen oder ein Formgedächtnis

besitzen. Ihre komplexe, meist versteckte Funktionalität führt

dazu, dass bislang selbst in Fachkreisen nur eine Minderheit

die wirtschaftlichen, technischen und gestalterischen Poten-

ziale erkennt und aufgreift. Kommunikationsdefizite, daraus

resultierende Technologieängste und mangelndes Vertrauen in

neue Produktions- und Arbeitsweisen bergen die Gefahr, er-

folgversprechende, neue Perspektiven zu vernachlässigen und

Innovationen scheitern zu lassen. Hier setzt das Forschungs-

und Entwicklungsvorhaben »smart materials satellites« an.

Das BMBF-geförderte Projekt zielt auf den Wissenstransfer von

der Wissenschaft in die Öffentlichkeit und zum Anwender.

Erprobte Design-Methoden dienen ebenso der Vermittlung

wie der Einsatz innovativer Technikkommunikation. Sowohl

Verbraucher als auch potenzielle Anwender der Technologie

erfahren kreativ und interaktiv über verschiedene Formate am

Fraunhofer IWU, dem Bauhaus Dessau und den Technischen

Sammlungen Dresden von den Möglichkeiten der smart

materials.

»smart materials satellites« betrachtet das Material nicht nur

hinsichtlich technischer Möglichkeiten, sondern nach gestalte-

rischem und gesellschaftlichem Mehrwert, um neue Produkte

noch näher am Nutzer zu entwickeln und die Grundlage für

eine Nachfrage nach intelligenten Materialien zu schaffen.

2

– Wissenstransfer, um Potenziale der smart materials

nutzbar zu machen

BMBF 2020

smart³ I materials – solution – growth

smart³ ist eine Initiative von Unternehmen und wissen-

schaftlichen Einrichtungen, die sich dem Ziel verschrieben

hat, die Entwicklung neuer, innovativer Produkte auf Basis

von smart materials voranzutreiben. Ingenieure, Designer,

Sozial- und Wirtschaftswissenschaftler sowie Unternehmer

und Techniker setzen dabei auf Werkstoffintelligenz,

Prozessinnovation und Kooperationskultur, um intelligenten

Produkten auf Basis von smart materials zum kommerziellen

Durchbruch zu verhelfen. Diese Produkte können sich in

vielfältigen Anwendungsbereichen wiederfinden – von

Gesundheit bis Klimaschutz, von Energieerzeugung bis

Mobilität.

Über 140 Unternehmen und Forschungseinrichtungen

arbeiten unter Leitung des Fraunhofer IWU an einem

Paradigmenwechsel hinsichtlich des Produktverständnisses.

Im Vordergrund steht dabei die Integration von Funktion

und Struktur: Struktur- und Funktionsbauteile sollen nicht

mehr separat betrachtet werden müssen. Vielmehr arbeitet

smart³ in vielfältigen FuE-Projekten daran, aktorische und

sensorische Funktionen direkt in die Bauteilstruktur zu

integrieren und so Bauteilkomplexität, Gewicht und Masse

zu reduzieren.

www.smarthoch3.de

42

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

Intelligente Bauteile effizient fertigen

Dr.-Ing. Matthias Nestler, matthias.nestler@iwu.fraunhofer.de

Im Sonderforschungsbereich SFB / TR 39 PT-Piesa arbeiten

sechs Institutionen in Chemnitz, Dresden und Erlangen daran,

großserienfähige Produktionstechnologien für Komponenten

mit integrierten Piezosensoren und -aktoren zu entwickeln.

Dabei handelt es sich um Materialien, die unter Einwirkung

elektrischer Spannung ihre Form verändern. Umgekehrt

erzeugen sie eine elektrische Spannung, wenn eine Kraft auf

sie einwirkt.

Aufbauend auf den Kompetenzen in den Bereichen Umform-

technik und Adaptronik wurde am Fraunhofer IWU eine Prozess-

kette zur Integration von Piezomodulen in Sandwichbleche

entwickelt. Um die Sandwiches herzustellen, wird zunächst ein

Blech automatisiert mit einem Klebstoff bestrichen, anschlie-

ßend werden die Piezomodule und danach die Deckbleche

aufgebracht.

Die so entstandenen intelligenten Halbzeuge besitzen sowohl

Sensor- als auch Aktorfunktionen und lassen sich vielfältig

einsetzen. Verarbeitet man sie beispielsweise zum Außenhaut-

bauteil einer Flugzeug-Tragfläche, können sie genutzt werden,

um Defekte frühzeitig zu erkennen, da etwa der Einschlag

von Fremdkörpern einen elektrischen Impuls erzeugen würde,

der sich entsprechend auslesen lässt. Auch zur Enteisung

der Tragflächen lassen sich die intelligenten Komponenten

verwenden. Wird an die darin enthaltenen Piezomodule eine

elektrische Spannung angelegt, beginnen sie zu vibrieren und

entstandenes Eis wird abgesprengt.

– Hohes Leichtbaupotenzial durch Funktionsintegration

– Effiziente, industrietaugliche Herstellung durch

automatisierte Fertigung

1

1 Anhand eines Demonstrators

»Flugzeugtragfläche« wurde

u. a. untersucht, inwieweit

Piezomodule zur Enteisung bzw.

zur Unterstützung der Enteisung

genutzt werden können.

2 Sportbogen mit appliziertem

Dehnungssensor

Funktionsintegration

für Hochleistungsprodukte

43

Neue Dehnungssensorik ermöglicht Bauteilüberwachung

Dr.-Ing. Thomas Mäder, thomas.maeder@iwu.fraunhofer.de

Wissenschaftlern des Fraunhofer IWU ist es gelungen, eine

neue Sensortechnologie zur Messung von Dehnungen zu

entwickeln, die durch ihr immenses Potenzial völlig neue

Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Gegenüber bekannten

Technologien, wie z. B. Dehnmessstreifen, zeichnet sich die

neue Technologie durch eine höhere Empfindlichkeit, eine

größere Dehnbarkeit sowie einen geringeren Preis aus. Basis

ist ein neuartiges Material, dessen elektrischer Widerstand

sich bei Belastung sehr stark ändert. Aufgrund der exzellenten

Dauerfestigkeit bei sehr großen Dehnungen eignet sich die

neu entwickelte Sensorik insbesondere für die Strukturüber-

wachung von Kunststoffbauteilen.

Die Leistungsfähigkeit der Sensorik konnte in ersten

Anwendungsfällen aus dem Automotive- und Luftfahrtbereich

bereits eindrucksvoll nachgewiesen werden. Nun streben die

Wissenschaftler nach einem schnellen Markttransfer. Um die

Entwicklung zu beschleunigen und damit den Markttransfer

der vielversprechenden Technologie zu forcieren, gründeten

die Wissenschaftler ein Unternehmensnetzwerk. Ziel ist es,

zukünftige Anbieter der Technologie mit potenziellen Anwen-

dern zusammenzubringen. So können die Entwicklungsschritte

gezielt an die Anforderungen der Anwender angepasst wer-

den. Innerhalb des Netzwerks sollen die Entwicklungsarbeiten

gebündelt werden, um schneller zu marktreifen Lösungen zu

kommen. Durch gemeinsame Marketingmaßnahmen wird

zudem der Bekanntheitsgrad der Technologie gesteigert.

– Große elastische Dehnbarkeit

– Einfache Sensor-Integration in Kunststoff und

Faserverbunde

2

Fraunhofer Cluster of Excellence

Programmierbare Materialien

Bedeutung können programmierbare Materialien z. B. für

sogenannte Morphing Structures erlangen. Hierbei handelt

es sich um Mechanismen, die eine bedarfsgerechte geo-

metrische Formänderung an Bauteilen ermöglichen. So

entstehen oder verschwinden Ablagefächer im Fahrzeug-

innenraum auf Knopfdruck, Bedienelemente wie Taster

und Eingabefelder sind nur sichtbar, wenn sie tatsächlich

gebraucht werden, oder die gesamte Fahrzeugform ändert

sich bei hohen Geschwindigkeiten, so dass der Windwider-

stand minimiert wird. Programmierbare Materialien ermög-

lichen völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten, da Stoffeigen-

schaften wie Festigkeit oder Elastizitätsmodul quasi auf

Knopfdruck eingestellt werden können und somit eine Form-

änderung eigentlich starrer Materialien erst ermöglicht wird.

Mitgliedsinstitute des vom Fraunhofer IWM geleiteten

Forschungsclusters sind neben dem Fraunhofer IWU die

Institute IWM, IAP, ICT und IBP. Definiertes Forschungsziel

ist die Realisierung von bisher technisch und wirtschaftlich

nicht darstellbaren Funktionalitäten durch form- und

funktionsdynamische Materialien, Materialverbünde oder

Oberflächen, deren Eigenschaften gezielt kontrolliert werden

und reversibel veränderbar sind.

Derzeit untersuchen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU

den Einsatz programmierbarer Materialien zur Realisierung

einer adaptiven Aerodynamik an Kraftfahrzeugen.

44

A U S U N S E R E R F O R S C H U N G

1 Universelles Ultraschall-

Schwingsystem mit Piezo-

Ringaktoren, Schrumpf- und

HSK63-Aufnahme

2 Konzept eines Instruments

mit Funktionserweiterung für

die minimalinvasive Chirurgie

3 Im Forschungsbereich

»Smart Door« des Fraunhofer-

Leitprojekts »Go Beyond 4.0«

wird anhand einer Fahrzeugtür

demonstriert, wie sich Karosse-

riestrukturen durch Integration

digitaler Fertigungsschritte

funktionalisieren lassen.

– Erhöhung der Bauteilqualität

– Verdopplung der Werkzeuglebensdauer

– Kostenersparnis durch kürzere Bearbeitungszeit und

reduzierte Nachbearbeitung

PermaVib – Mit Ultraschall zur Produktivitätssteigerung

M.Sc. Martin Hamm, martin.hamm@iwu.fraunhofer.de

Zukunftsweisende Leichtbaumaterialien wie Kunststoffe

oder Keramiken kommen heute noch nicht uneingeschränkt

zum Einsatz, da bei ihrer Zerspanung häufig Qualitäts- und

Produktivitätseinbußen auftreten. Typische Fehler sind Faser-

ausrisse, Delamination und Ausbrüche des Werkzeugs bzw.

des Werkstücks. Auch lange und schlecht abzuführende Späne

beim Bearbeiten duktiler Werkstoffe beschränken die Effizienz

bei der Zerspanung.

»PermaVib«-Systeme sollen das ändern. »PermaVib« bezeichnet

verschiedene piezo-basierte Schwingsysteme für Bohr- und Fräs-

werkzeuge. Diese versetzen Werkzeuge mithilfe von Ultraschall

so in Schwingung, dass u. a. die Bearbeitung von faserver-

stärkten Kunststoffen und Keramiken wesentlich erleichtert

wird. Mit ihrer Hilfe wird sich der Werkzeugverschleiß um

bis zu 50 Prozent reduzieren lassen, wobei bis zu 40 Prozent

weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden muss.

Zudem lassen sich bestehende Werkzeugmaschinen ohne gro-

ßen Aufwand mit den Systemen nachrüsten, da sie als Module

in beliebige Bearbeitungszentren integriert werden können.

Mit dem Projekt »PermaVib« erfolgt der Technologietransfer

in die praktische Anwendung. Im Fokus steht die Entwicklung

robuster und universell nutzbarer Schwingsysteme zur indus-

triellen Nutzung einer schwingungsüberlagerten Zerspanung.

1

Funktionsintegration

für Hochleistungsprodukte

45

– Erhöhung der Ergonomie

– Abdeckung mehrerer chirurgischer Anwendungsfelder

durch modularen Aufbau

– Kostenersparnis durch modularen Aufbau

– Risikominimierung für den Patienten

EFORMIN – Innovative Instrumente für die

minimalinvasive Chirurgie

Dipl.-Ing. (FH) Michael Werner, michael.werner@iwu.fraunhofer.de

Im Projekt EFORMIN entwickeln die Wissenschaftler des

Fraunhofer IWU gemeinsam mit Ärzten und Medizintechnik-

Unternehmen ein funktionserweitertes Instrument für die

minimalinvasive Chirurgie. Die Anforderungen der Mediziner:

Die Einsatzbereiche und die Bewegungsfreiheitsgrade des

Arbeitsgerätes sollen erhöht und eine Kraftrückmeldung an

den Chirurgen realisiert werden. Operiert dieser an besonders

empfindlichen Geweben zum Beispiel im Gehirn oder am

Rückenmark, soll ihm das Instrument rechtzeitig ein Feedback

geben, bevor er zu viel Kraft aufwendet und Gewebe zerstö-

ren kann.

Um die Wünsche der Ärzte umsetzen zu können, setzen die

Fraunhofer-Wissenschaftler ein innovatives Aktorkonzept um,

das direkt in den Instrumentenkopf integriert wird. Dies er-

laubt einen modularen Ansatz, bei dem die vier Hauptkompo-

nenten Bedienteil, Aktor, Effektor und Zuleitung eigenständig

betrachtet und optimal entsprechend den Anforderungen

entwickelt werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen

Instrumenten wird das innovative chirurgische Werkzeug nicht

mechanisch, d.h. durch Seilzüge betrieben. Stattdessen wer-

den Greifer oder Schneidwerkzeuge im Körper des Patienten

elektronisch mittels Formgedächtnismaterialien angesteuert.

2

Fraunhofer-Leitprojekt

Go Beyond 4.0

Industrieübergreifend wächst der Bedarf an innovativen,

individualisierten Bauteilen für die Zukunftsmärkte

Automotive, Aerospace, Photonics und Manufacturing.

Die hochqualifizierten Funktionalitäten der entsprechenden

Bauteile werden durch den Einsatz moderner Funktions-

werkstoffe realisiert.

Das Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0« verknüpft

traditionelle Fertigungsmethoden mit Zukunftstechnologien

und digitalen Produktionsverfahren. Durch Einsatz von

digitalen Druck- und Laserverfahren soll es gelingen,

Serienprodukte ressourcenschonend und kosteneffizient bis

hin zum Unikat individuell zu gestalten. Am Projekt, das vom

Fraunhofer ENAS geleitet wird, sind neben dem Fraunhofer

IWU die Institute IFAM, ILT, IOF und ISC beteiligt.

Das Fraunhofer IWU koordiniert den Forschungsbereich

»Smart Door«, bei dem Karosseriestrukturen in ihren

klassischen Prozessketten durch Drucktechnologien

mit Bedienelementen, Sensoren und den notwendigen

Kabelsystemen funktionalisiert werden.

www.go-beyond-four-point-zero.de

3

46

HIGHLIGHTS 2017/2018

48

L E I T A R T I K E L

48

H I G H L I G H T S 2 0 1 7 / 2 0 1 8

BESONDERE EREIGNISSE

Internationaler Simulationsworkshop

Wie lässt sich die Qualität von Simulationsmodellen und

Berechnungsergebnissen in der mechanischen Fügetechnik

steigern? Antworten auf diese Frage lieferte der 3. Workshop

»Numerische Simulation in der mechanischen Fügetechnik«,

der am 26. September 2017 am Fraunhofer IWU in Dresden

stattfand. Ansätze bieten sich beispielsweise durch die Er-

schließung des Potenzials umfangreicher Variantenrechnungen

und komplexer Metamodelle bei Prozesskettensimulationen.

Die Teilnehmer aus Industrie und Forschung thematisierten

Möglichkeiten des sicheren Handlings großer Datenmengen.

Erstmals in dieser Workshopreihe beteiligten sich internationale

Forschungseinrichtungen, darunter Vertreter der belgischen

Katholieke Universiteit Leuven und des Fraunhofer-Chalmers

Center for Industrial Mathematics FCC in Göteborg.

Innovationen für den Lkw-Antriebsstrang

Bei dem am 27. September 2017 am Fraunhofer IWU in Chem-

nitz ausgerichteten Workshop des »Powertrain Manufacturing

for Heavy Vehicles Application Lab (PMH)« wurden gemeinsam

mit schwedischen Industriepartnern und Forschungseinrich-

tungen Ideen für innovative produktionstechnische Lösungen

im Bereich Lkw-Antriebsstrang diskutiert. Im Ergebnis will das

PMH Projektansätze aus den Bereichen Verzahnungstechnolo-

gien, smarte Fertigung, Zerspanung und Umformung weiter

verfolgen.

Das PMH ist ein Fraunhofer-Project Office zur Entwicklung

serienfähiger Technologien für Antriebsstrangkomponenten

von Nutzfahrzeugen. Die Einrichtung mit Sitz an der

Königlich-Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm wurde

2016 gegründet und organisiert den Technologietransfer zu

schwedischen Unternehmen wie Volvo, Scania oder Sandvik.

Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute IWU, IPT und ITWM.

49

1 Im Rahmen des »Manufac-

turing Live« stießen die Live-

Vorführungen u. a. zum Thema

Flexibler Karosseriebau auf

großes Interesse der Tagungs-

teilnehmer.

Treffen der Vanguard-Initiative

Sachsen verfolgt gemeinsam mit rund dreißig europäischen

Partnerregionen das Ziel, die Wertschöpfung der europäischen

Industrie durch eine besser verzahnte europäische Innovations-

politik zu stärken und zukunftsfähig zu gestalten. Dazu fand

am 26. Oktober 2017 in Leipzig und am darauffolgenden Tag

in Chemnitz am Fraunhofer IWU die Veranstaltung »Vanguard-

Initiative – Marktöffner für die sächsische Industrie« statt. Bei

dem vom Fraunhofer IWU gemeinsam mit dem Sächsischen

Ministerium für Wirtschaft und Arbeit und der Technischen

Universität Chemnitz organisierten Event sondierten Akteure

aus zwölf europäischen Regionen Kooperationsmöglichkeiten.

Das Fraunhofer IWU ist im Projekt »Efficient and Sustainable

Manufacturing (ESM)« – einem der beiden Vanguard-Pilot-

vorhaben mit sächsischer Beteiligung – aktiv. Sachsen wird in

enger Zusammenarbeit mit anderen Regionen Projektvorschläge

auf dem Gebiet fortgeschrittener Produktionstechnologien

entwickeln und der Europäischen Kommission zur Förderung

vorschlagen. Ziel ist die Realisierung länderübergreifender

Pilotlinien unter maßgeblicher Mitwirkung sächsischer Unter-

nehmen und Forschungseinrichtungen.

Karosseriebau im Wandel:

8. Chemnitzer Karosseriekolloquium CBC 2017

Wie lassen sich Innovationen aus Werkstoffen realisieren,

wie sehen zukünftige Fertigungskonzepte aus und welchen

Mehrwert schafft die Digitalisierung der Produktion? Diese

Fragestellungen thematisierten die Referenten und rund 150

Teilnehmer des 8. Chemnitzer Karosseriekolloquiums CBC

vom 14. bis 15. November 2017. Hochkarätige Referenten,

u. a. von Volkswagen, BMW, AP&T, Gestamp, Kuka Systems,

thyssenkrupp System Engineering und Tower International

erläuterten, wie sie den aktuellen Herausforderungen begeg-

nen und gaben einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Erstmals war neben dem Fraunhofer IWU in Chemnitz auch

der Dresdner IWU-Standort Gastgeber. Somit konnte beim

traditionellen »Manufacturing Live« die Gesamtheit der

Versuchsfelder besichtigt werden. Eine weitere Premiere: Die

Podiumsdiskussionen im Anschluss an jeden Fachblock boten

eine optimale Möglichkeit zum Dialog mit den Referenten.

Werkzeugmaschinen im Check-up

Klimatische Bedingungen haben einen großen Einfluss darauf,

wie präzise Werkzeugmaschinen arbeiten. Das Fraunhofer IWU

lässt Maschinen in verschiedene Klimazonen der Erde reisen,

ohne sie tatsächlich dorthin zu bewegen: In einer neu eröff-

neten Klimazelle kann nun getestet werden, wie klimatische

Effekte auf die Funktionsweise von Drehmaschine und Co.

einwirken.

Zum Neustart der Forschungsarbeiten und zur offiziellen Wieder-

inbetriebnahme nach Umbau- und Erweiterungsarbeiten fand

am 21. November 2017 ein praxisnaher Workshop zum Thema

»Klimazelle4 – Klimatische Effekte in der Fabrik beherrschen«

statt, der sich vor allem an Industrievertreter richtete. Neben

Vorträgen aus dem industriellen Kontext zum Umgang mit

thermischen Einflüssen in der Produktion wurden Inhalte aus

der Forschung in Verbindung von sowohl exzellenter Grund-

lagen- als auch praxisnaher Anwendungsforschung präsentiert.

1

50

L E I T A R T I K E L

50

H I G H L I G H T S 2 0 1 7 / 2 0 1 8

BMW-Lieferanten-Innovationstag Leichtbau

Das Fraunhofer IWU präsentierte sich am 7. März 2018

auf dem Lieferanten-Innovationstag Leichtbau im BMW

Forschungs- und Innovationszentrum FIZ. Die Delegation

des Instituts stellte vor BMW-Führungskräften aus den

Bereichen Gesamtfahrzeug, Karosserie, Antrieb und Fahrwerk

verschiedene Innovationen zu den Themen Elektromobilität,

Leichtbau und Fügen vor. Neben den geführten Management-

Rundgängen wurden die Ausstellungsstandorte von BMW-

Mitarbeitern stark frequentiert und die Forschungsthemen

sehr rege hinterfragt.

6. Wissenschaftliches Symposium des SFB/TR 39 PT-PIESA

Neueste Technologien und Forschungsergebnisse zum Thema

»Leichtbau durch Funktionsintegration« wurden auf dem

6. Wissenschaftlichen Symposium des SFB / TR 39 PT-PIESA

am 27. und 28. März 2018 an der Technischen Universität

Chemnitz und dem Fraunhofer IWU präsentiert. Die Veranstal-

tung bildete den Rahmen für den Abschluss von zwölf Jahren

Spitzenforschung. Dabei stellten Wissenschaftler aus sieben

Forschungseinrichtungen die enorme Breite und Vielfalt der

Prozessketten und Technologien zur Entwicklung intelligenter

Systeme in der Produktionstechnik vor – begleitet von hochka-

rätigen Vorträgen von Spezialisten aus der Industrie.

Mehrwert vernetzte Produktion

Die Digitalisierung hält Einzug in die Produktion – Maschinen

sollen intelligent werden, sich untereinander vernetzen und

autonom arbeiten. Viele Hersteller stehen dieser Vernetzung

jedoch etwas ratlos gegenüber: Wie soll sie genau aussehen?

Welchen Nutzen leistet sie konkret? Die Wissenschaftler des

Fraunhofer IWU beantworteten diese Fragen am Beispiel einer

Miniatur-Umformpresse und ihrem digitalen Zwilling. Anhand

dieser »Maschine 4.0« zeigten sie auf der Hannover Messe

Industrie vom 23. bis 27. April 2018, welche Möglichkeiten die

Digitalisierung unter dem Motto »Anfassen, Erleben, Nutzen«

im Bereich der Produktion bietet. Als ein weiteres Tema stand

daran anknüpfend die sichere und bereits industriell eingesetzte

Mensch-Roboter-Kollaboration im Fokus.

Auf der Messe ist erstmals auch der Fraunhofer Think Tank

Award verliehen worden. Mit diesem Preis will der Fraunhofer-

Vorstand herausragende Präsentationsideen fördern. Eine Jury

aus der Fraunhofer-Zentrale wählte die drei Gewinner unter

den zwölf Einreichungen aus. Das Fraunhofer IWU wurde für

die »Maschine 4.0« prämiert.

Chemnitzer Produktionstechnisches Kolloquium CPK2018

Rund 200 Teilnehmer des 10. Chemnitzer Produktionstechni-

schen Kolloquiums CPK 2018 erlebten vom 6. bis 7. Juni 2018

unter dem Motto »Präzision durch adaptive Produktion« zwei

informationsgeladene Tage rund um die Produktion der Zukunft.

Der Fokus lag auf den Bereichen Maschine, Prozess und Steue-

rung sowie deren komplexen Wechselwirkungen – auch im

Zeichen der zunehmenden Digitalisierung.

Ein hochkarätiges Programm, unter anderem mit Plenarvorträgen

von Top-Managern wie Oliver Zipse (BMW), Prof. Tim Hosen-

feldt (Schaeffler), Dr. Ulrich Kohler (ZF Friedrichshafen) und

Dr. Masahiko Mori (DMG Mori) sowie mit Vorträgen weiterer

1 Anja Karliczek, Bundesminis-

terin für Bildung und Forschung,

besuchte den Messestand des

Fraunhofer IWU auf der Hanno-

ver Messe Industrie 2018 und

informierte sich bei Institutsleiter

Prof. Matthias Putz über das

Konzept der »Maschine 4.0«.

1

51

2 Bundesminister Peter Altmaier

(re.) zeichnete das »Kunstgelenk –

Netzwerk Endoprothetik« als

ZIM-Netzwerk des Jahres 2018

aus. Die Auszeichnung nahmen

Dr. Torsten Prietzel (Universitäts-

medizin Leipzig, li.) und Dr. Ronny

Grunert (Fraunhofer IWU, Mitte)

entgegen.

3 Dr. Jan Bräunig wurde für

seine Dissertation mit dem

Johann-Andreas-Schubert-Preis

ausgezeichnet.

namhafter Referenten aus Industrie und Wissenschaft, bot den

Teilnehmern Lösungen zu aktuellen produktionstechnischen

Herausforderungen und Ausblicke auf zukünftige Entwick-

lungstrends. Beim »Manufacturing Live« in den Versuchsfel-

dern präsentierten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU

Forschungsergebnisse rund um die Themen der CPK.

»Kunstgelenk« ist ZIM-Projekt des Jahres

Am 7. Juni 2018 zeichnete Peter Altmaier, Bundesminister

für Wirtschaft und Energie, im Rahmen des Innovationstages

Mittelstand das »Kunstgelenk – Netzwerk Endoprothetik« als

ZIM-Projekt des Jahres 2018 aus.

Das im März 2013 gegründete Netzwerk wird gemeinsam vom

Fraunhofer IWU und der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie

und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig /

Medizinische Fakultät der Universität Leipzig koordiniert und

widmet sich der Etablierung eines optimierten Behandlungs-

konzeptes im Bereich der Gelenk-Endoprothetik. Verfolgt wird

dabei der neue Ansatz der ganzheitlichen Betrachtung von

Gelenkerkrankungen mithilfe von Implantaten, deren Design

und räumliche Konfiguration an die ursprüngliche Anatomie

beziehungsweise Biomechanik angepasst sind und ressourcen-

effizient gefertigt werden. Dabei sollen auch neuartige Mess-

systeme und Instrumente für den Operateur zum Einsatz

kommen.

Das Kooperationsnetzwerk aus Unternehmen und Forschungs-

einrichtungen konnte sich durch hervorragende Netzwerkarbeit

und die besonders erfolgreiche Nutzung der Projektergebnisse

im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) in der

Kategorie »Netzwerk« durchsetzen.

Auszeichnung für Dissertation

Dr. Jan Bräunig wurde auf der SACHSENMETALL-Mitglieder-

versammlung am 9. Juni 2018 für seine Dissertation mit dem

Johann-Andreas-Schubert-Preis ausgezeichnet. Die Arbeit

zu »Auswirkungen moderner Fertigungsverfahren auf das

akustische Verhalten von Verzahnungen« hat thematisch eine

hohe Praxisrelevanz für die Metall- und Elektroindustrie. So

sind mit den Erkenntnissen der Arbeit im Vergleich zum Stand

der Technik genauere und verfahrensabhängige Anregungs-

prognosen möglich.

Mit dem Preis würdigt SACHSENMETALL in Zusammenarbeit

mit der Johann-Andreas-Schubert-Stiftung alle zwei Jahre

herausragende wissenschaftliche Abschlussarbeiten von

Studenten und jungen Wissenschaftlern. Er geht zurück auf

Johann Andreas Schubert, einen der Gründungsväter der

sächsischen Metall- und Elektroindustrie.

2 3

52

L E I T A R T I K E L

52

H I G H L I G H T S 2 0 1 7 / 2 0 1 8

Fraunhofer-Fußballturnier

Das alljährliche Fraunhofer-Fußballturnier wurde am 23. Juni

2018 in Chemnitz auf dem Sportgelände des BSC Rapid

Chemnitz e. V. ausgetragen. Sechzehn Mannschaften trotzten

den wenig sommerlichen Temperaturen und dem Nieselregen.

Sieger und damit Gewinner des Fraunhofer-Wanderpokals

wurde das Team des Fraunhofer IFF. Die Magdeburger setzten

sich im Finale im Neun-Meter-Schießen gegen die Mannschaft

des Fraunhofer IOF aus Jena durch. Die amtierenden Titel-

verteidiger – die Fußballer des gastgebenden Fraunhofer IWU –

belegten einen hervorragenden 3. Platz.

Leichtbaulösungen mittels Pultrusionsverfahren

Mit Blick auf die zunehmende Forderung nach ressourcen-

effizienten Fertigungsmöglichkeiten kann das Pultrusions-

verfahren zur Herstellung faserverstärkter Strukturen punkten.

Zu diesem Thema fand am 19. Juni 2018 am Fraunhofer IWU

in Dresden ein Workshop statt, den das IWU-Netzwerk PulNet

in Kooperation mit dem Innovationsverbund Maschinenbau

Sachsen VEMASinnovativ und der Wirtschaftsförderung

Sachsen ausrichtete. Für die Teilnehmer des Workshops wur-

den hochkarätige Vorträge aus Wirtschaft und Wissenschaft

entlang der kompletten Wertschöpfungskette der Pultrusions-

technologie gebündelt. Ergänzend wurden innovative Projekte

aus Forschung und Entwicklung vorgestellt, u. a. das bowbike,

eine Entwicklung des Chemnitzer Start-up-Unternehmens, bei

dem pultrudierte Profile für ein innovatives Fahrradkonzept

verwendet werden.

Sino-German-Workshop

Spitzenforscher aus Deutschland und China tauschten sich vom

17. bis 20. Juli 2018 am Fraunhofer IWU Dresden zu neuesten

Erkenntnissen hinsichtlich aktueller Herausforderungen in

der Umformtechnik aus. Im Fokus standen Leichtmetalle wie

Aluminium- und Magnesium-Legierungen. Diese Werkstoffe

gewinnen weltweit u. a. vor dem Hintergrund eines umwelt-

und klimafreundlichen Automobilbaus immer mehr an Bedeu-

tung. Ihre Verarbeitung gestaltet sich jedoch anspruchsvoller

als etwa die von Stahl, weshalb Wissenschaftler neue Lösungen

für die Herstellung von Produkten aus den Leichtmetallen

entwickeln.

Neben den Vorträgen und wissenschaftlichen Diskussionen stand

bei dem vom deutsch-chinesischen Zentrum für Wissenschafts-

förderung gesponserten Workshop die industrielle Praxis im

Mittelpunkt, u. a. mit Touren zur IMA Materialforschung und

Anwendungstechnik GmbH und zum Aluminiumtechnik-Unter-

nehmen Bharat Forge in Brand-Erbisdorf. Das Wissenschaftler-

treffen soll in den kommenden Jahren fortgesetzt werden.

Schaeffler-Management am Fraunhofer IWU

Am 8. August 2018 informatierte sich eine Delegation des Auto-

mobil- und Maschinenbauzulieferers Schaeffler unter Leitung

von Andreas Schick, Produktionsvorstand, am Fraunhofer IWU

in Chemnitz über die Themen intelligente Prozesse und Systeme,

ganzheitliche Betrachtung von Prozessketten, Digitalisierung in

der Produktion sowie Mensch-Roboter-Kooperation. Im Fokus

stand die Frage, bei welchen konkreten Themen und Heraus-

forderungen die Zusammenarbeit in beiderseitigem Interesse

initiiert bzw. vertieft werden kann. Die mehrstündige Führung

durch die Chemnitzer Versuchsfelder war geprägt von einem

intensiven fachlichen Dialog.

1

53

1 Beim 2. Sino-German Work-

shop trafen sich 37 Spitzenfor-

scher aus China und Deutsch-

land, um Lösungen für die

Umformung von Leichtmetallen

zu diskutieren.

2 Prof. Reimund Neugebauer

(re.) und Prof. Marek Tukiendorf

(li.) eröffneten das Fraunhofer

Project Center ALighT.

Produktionstechnische Gespräche Dresden

Mit der Veranstaltungsreihe »Produktionstechnische Gespräche

Dresden« bietet das Fraunhofer IWU ein Forum, in dem

Anbieter, Anwender und Zulieferer der Fertigungstechnik

Einblicke in produktionstechnische Trends aus Wirtschaft und

Wissenschaft erhalten.

Die Flexibilisierung in der Produktion mit dem Schwerpunkt

Maßhaltigkeitsanalyse war Thema der Produktionstechnischen

Gespräche Dresden am 8. August 2018. Die Teilnehmer er-

lebten eine spannende Diskussion zu den Herausforderungen

einer steigendenden Modell- und Derivateanzahl auf den

Qualitätsprozess, die Live-Vorstellung der flexiblen Bestimm-

vorrichtung »Promess Measuring Device (PMD)« und bekamen

Impulse aus der Wissenschaft und Wirtschaft zum Thema

der Flexibilisierung von Spannstücken für die Maßanalyse.

Das kulinarisch begleitete Get-together bot Gelegenheit zum

Austauschen, Diskutieren und Informieren.

Project Center für automobilen Leichtbau an der

Technischen Universität Opole in Polen eröffnet

Am 6. September 2018 hat die Fraunhofer-Gesellschaft ihr

erstes »Project Center« an der Technischen Universität Opole

in Polen eröffnet. Die neu gegründete Forschungsplattform

trägt den Namen »Fraunhofer Project Center for Advanced

Lightweight Technologies (ALighT)« und ist eine Kooperation

des Fraunhofer IWU mit der TU Opole. Vor Ort bündelt das

Fraunhofer Project Center die Expertise beider Partner in der

Entwicklung von Produktionsprozessen, Designkonzepten und

Kalkulationsstrategien für die Produktion hybrider Leicht-

baukomponenten insbesondere für die Automobilindustrie.

2

Durch die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse können

Leichtbaustrukturen für mobile Anwendungen zukünftig

kostengünstiger, energieeffizienter und umweltschonender

produziert werden. Davon profitiert letztlich auch die europäi-

sche Automobilindustrie.

Die Eröffnung fand im Beisein von Fraunhofer-Präsident Prof.

Reimund Neugebauer sowie des polnischen stellvertretenden

Ministerpräsidenten PhD Jarosław Gowin, des Staatssekretärs

im Ministerium für Entrepreneurship and Technology Marcin

Ociepa, des Oberbürgermeisters der Stadt Opole Arkadiusz

Wiśniewski, des Rektors der TU Opole Prof. Marek Tukiendorf,

des geschäftsführenden Institutsleiters des Fraunhofer IWU

Prof. Welf-Guntram Drossel und Prof. Lothar Kroll, Haupt-

abteilungsleiter am Fraunhofer IWU und Managing Director

des Fraunhofer Project Center ALighT, statt.

54

DAS INSTITUT IM PROFIL

56

D A S I N S T I T U T I M P R O F I L

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU ist Motor für

Neuerungen im Umfeld der produktionstechnischen Forschung und Entwicklung. Mit rund

600 Mitarbeitenden an den Standorten Chemnitz, Dresden, Leipzig, Wolfsburg und Zittau

erschließen wir Potenziale für die wettbewerbsfähige Fertigung in Zukunftsbranchen wie

Automobil- und Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik, aber auch der

Elektrotechnik sowie der Feinwerk- und Mikrotechnik. Im Fokus der Wissenschaft und

Auftragsforschung stehen Bauteile, Verfahren und Prozesse sowie die dazugehörigen

komplexen Maschinensysteme – die ganze Fabrik.

Als Leitinstitut für ressourceneffiziente Produktion liegt unser Fokus auf der Entwicklung von

Effizienztechnologien und intelligenten Produktionsanlagen zur Herstellung von Karosserie- und

Powertrainkomponenten sowie auf der Optimierung der damit verbundenen umformenden,

spanenden und fügenden Fertigungsprozesse, wobei wir Wert auf die Betrachtung der

gesamten Prozesskette legen. Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen und Technologien zur

Verarbeitung neuer Werkstoffe, aber auch die Funktionsübertragung in Baugruppen sind dabei

wichtige Erfolgsfaktoren.

Die fortschreitende Digitalisierung ist ein zentrales Zukunftsthema unserer Zeit. Hierfür

entwickeln wir ganzheitliche Lösungen mit konkretem Mehrwert, die auch künftig die

Wettbewerbsposition unserer Partner stärken und ausbauen. Fundament dafür ist die

»E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion«. Gemeinsam mit Forschungs- und

Industriepartnern entstehen neben Lösungen für effiziente Technologien auch fabrikplanerische

Konzepte für die flexible, ressourceneffiziente Produktion sowie innovative Informations- und

Visualisierungstechnologien zur Einbindung des Menschen als Erfolgsgaranten in die Fabrik der

Zukunft.

FORSCHEN FÜR DIE ZUKUNFT

57

GEMEINSAM ZUM ERFOLG – VORSPRUNG FÜR UNTERNEHMEN

Unsere Kunden profitieren von unserem Know-how und

einem kompletten Service bei der Entwicklung von Produkten

und Verfahren bis zur Anwendungsreife.

Überblick über technische Möglichkeiten und die

aktuelle Marktlage

Wir erstellen Machbarkeitsstudien, Markt- und Trendanalysen

und führen Wirtschaftlichkeitsberechnungen durch.

Produkt entwickeln und Produktqualität verbessern

Wir übernehmen neben der Entwicklung und Optimierung

von Produkten und Anwendungen auch die Konstruktion

und Fertigung von Prototypen, ganz gleich, ob es sich um ein

einzelnes Bauteil, eine Baugruppe oder ein Komplettsystem

handelt.

Produktivität steigern

Wir optimieren Produktionsabläufe, entwickeln neue

Technologien und Produktionsverfahren und unterstützen Sie

bei deren Einführung.

Technische Kennwerte für Produkte und Verfahren

Wir bieten modernste messtechnische Serviceleistungen von

der Werkstoffprüfung bis zur Maschinendiagnose.

Kooperationsformen

Für eine erfolgreiche, zukunftsorientierte Forschung auf dem

Gebiet der Produktionstechnik kooperieren wir mit Partnern

aus Industrie und Forschung. Dazu bieten wir verschiedene

Kooperationsformen an, die wir individuell an die Anforderun-

gen unserer Kunden anpassen:

– Zielgerichtete Grundlagenforschung im Verbund zwischen

Fraunhofer IWU und den angeschlossenen Professuren der

Technischen Universität Chemnitz

– Nutzung Fraunhofer-interner Instrumente der Vorlauf-

forschung und anschließende Überführung der Ergebnisse

in einen Technologietransfer hin zu Kooperationspartnern

– Gemeinsame Beteiligung mit Unternehmen und Hochschulen

an öffentlich geförderten Technologie-Verbundvorhaben

– Direkte, bilaterale Auftragsforschung für Industrie- und

Dienstleistungsunternehmen mit und ohne Zufinanzierung

durch öffentliche Geldgeber

– Bereitstellung neuester Maschinen- und Anlagentechnik

durch Unternehmen für Versuchs- und Forschungszwecke

im Institut

– Mitnutzung der modernen technischen Ausstattung des

Instituts durch Fremdfirmen, um sich mit neuen Technologien

vertraut zu machen

Bei fachübergreifenden Aufgabenstellungen arbeiten wir

eng mit anderen Forschungseinrichtungen, hauptsächlich

Fraunhofer-Instituten, und spezialisierten Unternehmen zu-

sammen und können so komplexe Systemlösungen anbieten.

58

D A S I N S T I T U T I M P R O F I L

Hauptabteilung

Funktionsintegration / Leichtbau

Dr. Ines Dani

Hauptabteilung

Fügen

Prof. Reinhard Mauermann

Hauptabteilung

Cyber-physische Produktionssysteme

Prof. Steffen Ihlenfeldt

KOMPETENZ ENTLANG DER WERTSCHÖPFUNGSKETTE

Wissenschaftsbereich

Mechatronik und Funktionsleichtbau

Prof. Welf-Guntram Drossel

Hauptabteilung

Mechatronik

Holger Kunze

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen

und Umformtechnik IWU

Hauptabteilung

Blechumformung

Frank Schieck

Wissenschaftsbereich

Umformtechnik

Prof. Reinhard Mauermann

Hauptabteilung

Massivumformung

Dr. Andreas Sterzing

Leitung Prof. Welf-Guntram Drossel (geschäftsführend)

Prof. Reinhard Mauermann

Prof. Matthias Putz

Geschäftsfeldentwicklung und Kommunikation

Angela Göschel

Betrieb

Heiko Riede

Hauptabteilung

Textiler Leichtbau

Prof. Lothar Kroll

59

Hauptabteilung

Zerspanungstechnik und Abtragen

Peter Blau

Hauptabteilung

Fertigungssysteme und Maschinen

Marko Pfeifer

Wissenschaftsbereich

Werkzeugmaschinen, Produktionssysteme

und Zerspanungstechnik

Prof. Matthias Putz

HauptabteilungSmarte Fabrik – Digitalisierung und AutomatisierungProf. Matthias Putz

Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik

Leiter der Professur: Prof. Reimund Neugebauer

mit der Wahrnehmung der Professur beauftragt:

Prof. Matthias Putz

Professur Adaptronik und Funktionsleichtbau

Prof. Welf-Guntram Drossel

Professur Umformendes Formgeben und Fügen

Prof. Verena Kräusel (komm.)

Professur Fertigungsmesstechnik

Prof. Sophie Gröger

Professur Mikrofertigungstechnik

Prof. Andreas Schubert

Professur Virtuelle Fertigungstechnik

Prof. Birgit Awiszus

Technische Universität Chemnitz

Institut für Werkzeugmaschinen

und Produktionsprozesse IWP

Prof. Welf-Guntram Drossel, Geschäftsführender Direktor

Prof. Andreas Hirsch, Geschäftsführer

60

D A S I N S T I T U T I M P R O F I L

Betriebshaushalt

Die Betriebsausgaben des Jahres 2017 beliefen sich auf

38,2 Millionen Euro, wobei 25,7 Millionen Euro als Personal-

aufwand und 12,5 Millionen Euro als Sachaufwand entstanden.

Die Finanzierung des Betriebshaushalts stellt sich wie folgt dar:

– Bearbeitung von Aufträgen aus der Industrie bzw. von

Wirtschaftsverbänden: 15,0 Millionen Euro,

– Vertragsforschung für die öffentliche Hand: 14,0 Millionen

Euro, wobei auf Bund und Länder 10,9 Millionen Euro sowie

auf Forschungsförderung und Sonstige 3,1 Millionen Euro

entfallen,

– Zuschuss aus der institutionellen Förderung des Bundes

und der Länder: 9,2 Millionen Euro.

Zur weiteren technischen Ausstattung des Instituts wurden

im Jahr 2017 Investitionsmittel in Höhe von 1,8 Millionen Euro

aufgewendet. Diese wurden über die institutionelle Förderung

des Bundes und der Länder sowie über Projekte finanziert. Im

Jahr 2017 sind insgesamt 881 Projekte bearbeitet worden.

BETRIEBSHAUSHALT UND MITARBEITERENTWICKLUNG

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind der Erfolgsgarant

des Instituts, das geistige Kapital für unsere Forschung. Zum

Stichtag 31. Dezember 2017 waren am Fraunhofer IWU 559

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beschäftigt.

Seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet das

Fraunhofer IWU die Möglichkeit zur fachlichen und persön-

lichen Entwicklung für anspruchsvolle Positionen am Institut,

an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden

eröffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und

Erfahrung am Institut hervorragende Einstiegs- und Entwick-

lungschancen in Unternehmen.

Eine Initiative zur Qualifizierung des wissenschaftlichen

Nachwuchses ist die Fraunhofer IWU-Führungsakademie,

die im Jahr 2010 ins Leben gerufen wurde. Talentierte, hoch

motivierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts

nehmen an diesem zweijährigen Programm teil, das u. a.

anspruchsvolle Führungsseminare und einen individuellen

Mentoring-Baustein beinhaltet. 2017 startete der nunmehr

fünfte Durchgang der Führungsakademie.

61

2013 2014 2015 2016 2017

Mio €

35

30

25

20

15

10

5

0

Betriebshaushalt

2013 2014 2015 2016 2017

Wirtschaftserträge 14,3 15,6 16,2 14,7 15,0

Öffentliche Erträge (Bund und Länder) 7,2 7,7 6,8 8,3 10,9

Forschungsförderung / Sonstige 2,4 2,7 3,1 3,3 3,1

Institutionelle Förderung 5,9 7,6 9,0 10,0 9,2

= Betriebshaushalt in Mio € 29,8 33,6 35,1 36,3 38,2

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

500

400

300

200

100

0

2013 2014 2015 2016 2017

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 211 228 251 248 264

Verwaltung und technisches Personal 102 104 114 113 118

Studentische Hilfskräfte 160 196 164 160 177

= Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 473 528 529 521 559

2013 2014 2015 2016 2017

62

D A S I N S T I T U T I M P R O F I L

STANDORTE

Chemnitz

Der traditionsreiche Maschinenbaustandort Chemnitz ist

Hauptsitz des Fraunhofer IWU. Der Campus E3-Produktion,

direkt neben der Technischen Universität gelegen, vereint

neben der »E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente

Produktion« verschiedene Versuchsfelder sowie ein Virtual-

Reality-Technikum zur Bearbeitung von Forschungs- und Ent-

wicklungsaufgaben aus den Bereichen Werkzeugmaschinen

und Produktionssysteme, Umformtechnik, Montage, Zerspa-

nungs- und Mikrotechnik sowie Produktionsmanagement.

Dresden

Das Fraunhofer IWU am Standort Dresden ist in unmittelbarer

Nähe zur Technischen Universität angesiedelt. Zum Institutsteil

gehört u. a. ein Technikum für Forschungen auf den Gebieten

Adaptronik und Akustik, Generative Fertigung, Mechanische

Fügetechnik und Medizintechnik. Neben modernster Maschi-

nen- und Anlagentechnik wartet es mit einem reflexionsarmen

Raum auf, in dem akustische Untersuchungen an Maschinen,

Fahrzeugen und Anlagen durchgeführt werden können.

Leipzig

Das Leipziger Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewe-

gungsorgane ZESBO ist ein gemeinsames Forschungslabor

der Abteilung Medizintechnik des Fraunhofer IWU und der

Universität Leipzig, Klinik und Poliklinik für Orthopädie,

Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie. In Leipzig arbeiten

achtzehn Mitarbeiter an biomechanischen Fragestellungen des

Bewegungssystems und der Medizinproduktentwicklung.

Wolfsburg

Im Rahmen der öffentlich-privaten Partnerschaft »Open Hybrid

LabFactory e. V. (OHLF)« forschen die Fraunhofer-Institute IFAM,

IWU und WKI im »Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg« an

der Entwicklung und großseriennahen Erprobung der gesamten

Prozesskette für Leichtbaustrukturen. Gemeinsam mit Partnern

werden Lösungen für technologische Herausforderungen

des ressourcenschonenden und kostengünstigen Leichtbaus

entwickelt.

Zittau

Das Fraunhofer-Kunststoffzentrum Oberlausitz arbeitet als

Projektgruppe des Fraunhofer IWU an der Entwicklung von

Leichtbautechnologien. Neben der generativen Fertigung von

Kunststoffbauteilen liegt der Fokus auch auf Technologien

für Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeuge. Das Technikum des

Kunststoffzentrums befindet sich direkt neben der Hochschule

Zittau / Görlitz.

63

1 Die 23. Kuratoriumssitzung

fand am 29. September 2017 in

Dresden statt.

1

KURATORIUM

Prof. Hans J. Naumann

NILES-SIMMONS Industrieanlagen GmbH, Geschäftsführender

Gesellschafter

Prof. Hubert Waltl

Kuratoriumsvorsitzender

Prof. Konrad Wegener

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz, Instituts-

leiter Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF)

MinRat Christoph Zimmer-Conrad

Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und

Verkehr, Leiter Referat »Technologie«

Wir bedanken uns ganz herzlich bei allen Kuratoren und

Förderern für ihren Einsatz zur erfolgreichen Entwicklung des

Instituts.

Prof. Reinhold Achatz

thyssenkrupp AG, Head of Corporate Function Technology,

Innovation & Sustainability

Dr. Stephan Arnold

Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e. V.,

Präsident

Bernhard Beck

ehem. VERITAS AG

Dr. Gyula de Meleghy

Meleghy Automotive GmbH & Co. KG, Geschäftsführer

Walter Fust

Starrag Group Holding AG, Schweiz, Mitglied des

Verwaltungsrates

Dr. Gunnar Grosse

DEROSSI Invest GmbH, Geschäftsführer

Prof. Jochem Heizmann

Volkswagen AG, Mitglied des Vorstands – Geschäftsbereich

‘China‘

Wilfried Jakob

ehem. Europäische Forschungsgesellschaft für

Blechverarbeitung e. V.

Klaus Löffler

TRUMPF GmbH + Co. KG, Geschäftsführer TRUMPF Laser-

technik GmbH und TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH

64

SERVICE

Adressen

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen

und Umformtechnik IWU

Reichenhainer Straße 88

09126 Chemnitz

Telefon +49 371 5397-0

Fax +49 371 5397-1404

info@iwu.fraunhofer.de

www.iwu.fraunhofer.de

Standort Dresden

Nöthnitzer Straße 44

01187 Dresden

Telefon +49 351 4772-0

Fax +49 351 4772-2103

info@iwu.fraunhofer.de

Standort Zittau

Projektgruppe Fraunhofer-Kunststoffzentrum Oberlausitz

Theodor-Körner-Allee 6

02763 Zittau

Telefon +49 3583 54086-0

Fax +49 3583 54086-4005

info.zittau@iwu.fraunhofer.de

Publikationen

Die Datenbank FhG-Publica dokumentiert Publikationen und

Patente, die aus der Forschungstätigkeit der Fraunhofer-Institute

resultieren. Hier sind auch alle Veröffentlichungen der Mitar-

beiterinnen und Mitarbeiter des Fraunhofer IWU hinterlegt.

Unter www.publica.fraunhofer.de finden Sie Hinweise

auf Aufsätze, Konferenzbeiträge und Tagungsbände sowie

Forschungsberichte, Studien, Hochschulschriften und Patente

bzw. Gebrauchsmuster. Elektronisch vorhandene Dokumente

können Sie direkt aus der Datenbank im Volltext abrufen.

Ihre Ansprechpartnerin für Fachpublikationen

Dipl.-Bibl. Doris Lust

doris.lust@iwu.fraunhofer.de

Ihre Ansprechpartnerin für Patente

Dipl.-Wirt.-Ing. Sabine Krause

sabine.krause@iwu.fraunhofer.de

3

Impressum

Herausgeber

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen

und Umformtechnik IWU

Reichenhainer Straße 88

09126 Chemnitz

Öffentlichkeitsarbeit

Jan Müller

Telefon +49 371 5397-1462

jan.mueller@iwu.fraunhofer.de

Redaktion

Dr.-Ing. Ulrike Beyer

Tina Grüning

Martin Lamß

Anett Rennau

Anja Schmieder

Gestaltung und Produktion

Anja Schmieder

Druck

Union Druckerei Dresden GmbH

Bildquellen

Seite 4/5: fotolia

Seite 10/11: Klemens Albert Koerner

Seite 19 links: Dirk Hanus

Seite 25 rechts: Ronald Bonss

Seite 41: Mandy Bent Fotografie

Seite 42: Jonas Kimme, TU Chemnitz

Seite 51 links: AiF Projekt GmbH

Seite 51 rechts: Paul Kuchel

Seite 53 rechts: Politechnika Opolska

Seite 63: Ines Escherich

Alle anderen Abbildungen: © Fraunhofer IWU

Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich.

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