Unternehmen der Verbrauchsgüterindustrie haben das Potenzial überbetrieblicher Kollaborationsprozesse erkannt und nutzen diese vermehrt dazu, um die hocheffiziente Warenversorgung innerhalb der Supply-Chain bei steigender Marktdynamik sicherzustellen. Hierzu leistet die Dissertationsschrift einen Beitrag, indem ein überbetriebliches Koordinationskonzept entwickelt wird, das eine echtzeitfähige Lenkung der Produktionsplanungsprozesse in Supply-Chains der Verbrauchsgüterindustrie realisiert.

In der Virtuellen Realität (VR) konnten komplexe Werkzeugmaschinenmodelle bisher nur mit hohem Arbeitsaufwand visualisiert werden. Diese Dissertation stellt ein auf dem Finite-Elemente(FE)-Ergebnisdatensatz eines Werkzeugmaschinenmodells basierendes Verfahren vor, mit dem die Daten so auf- und weiterverarbeitet werden können, dass als Ergebnis eine interaktive FE-Ergebnis¬visualisierung mit Strukturanalysemöglichkeiten in der Virtual Reality zur Verfügung steht. Dabei werden die FE-Daten mit dem Zwischenschritt eines hierfür programmierten VR-Preprocessing-Tools StrukExm aufbereitet und dann automatisiert in die VR-Software ViSTA des Rechen- und Kommunikationszentrums der RWTH Aachen übertragen. In StrukExm sind unterschiedliche Ansätze zur Netzreduktion integriert worden, sodass nun auch komplexeste FE-Ergebnisdaten interaktiv und immersiv in einer Virtuellen Umgebung (VU) bzw. Virtual Environment (VE) animiert, visualisiert und analysiert werden können. StrukExm generiert aus einem FE-Datensatz automatisiert ein Kinematikmodell, mit dem das Werkzeugmaschinenmodell entsprechend seinen Koppelstellendefinitionen im Arbeitsraum verfahren werden kann. Durch eine hinterlegte Kollisionskontrolle lässt sich auch der maximal mögliche Arbeitsraum ermitteln und visualisieren. Auf dieser Grundlage konnten VR-Analysemöglichkeiten zur Auf¬deckung konstruktiver Schwachstellen integriert werden. Diese Schwachstellenanalysen werden in Form von Verlagerungsanalysen von Koppelstellen und Gestellbauteilen an unterschiedlichen Verfahrpositionen und beliebigen Kraftangriffsrichtungen am Tool Center Point durchgeführt. Mit den Verlagerungsanalysen ist es möglich, die relativen Anteile sämtlicher Gestellbauteile und Koppelstellen an der Gesamtverlagerung mit Techniken der VR intuitiv aufzuspüren, um so gezielt Optimierungsmaßnahmen ergreifen zu können.

Die entwickelte, prozessorientierte Klassifikation logistischer Dienstleistungen ermöglicht eine eindeutige, transparente Beschreibung angebotener und ausgeschriebener Leistungsmodule in der Logistik. Aufgrund der hierarchischen Darstellung und des integrierten Mengen- und Kennzahlengerüsts lässt sich die gewünschte Detailtiefe zur Kalkulation der benötigten Material-, Personal- und Informationsressourcen wählen. Dadurch kann der Auswahlprozess effizient und sicher durchgeführt werden.

Im Vergleich zum Schleifen und Polieren weist die ultrapräzise Zerspanung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen eine hohe kinematische Flexibilität auf. Demgegenüber steht eine starke Limitierung des bearbeitbaren Werkstoffspektrums. Sowohl die direkte Bearbeitung optischer Gläser als auch die Zerspanung von eisenhaltigen Legierungen, wie sie beispielsweise für Replikationswerkzeuge in der Glasumformung und dem optischen Kunststoffspritzguss benötigt werden, ist aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes des monokristallinen Diamanten nicht möglich. In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Ansätze zur Auflösung des Dilemmas untersucht. Die Integration uni- oder bidirektional wirkender schwingungsunterstützter Werkzeugsysteme zeigten erstmals das Potenzial, den monokristallinen Diamanten für die ultrapräzise Zerspanung von Gläsern und eisenhaltigen Werkstoffen zu qualifizieren. Für die Überführung dieser Technologie in ein industrielles Umfeld lagen bisher noch keine detaillierten Kenntnisse der Wirkmechanismen in der Zerspanzone sowie der Leistungsfähigkeit des Verfahrens zur Bearbeitung hochlegierter Stähle vor. Übergreifende Aufgabe dieser Arbeit war es daher, eine umfassende theoretische und praktische Analyse der vorliegenden Wirkzusammenhänge und Verfahrensgrenzen bei der schwingungsunterstützten Bearbeitung von wärmebehandelten Stahlwerkstoffen mit monokristallinen Diamantwerkzeugen durchzuführen. Dabei wurden sowohl werkstoff-, system- und prozessspezifische Einflussgrößen und deren Wechselwirkung in die Untersuchungen einbezogen. Eine Modellbildung lieferte den theoretischen Unterbau, der über entsprechende Versuchsreihen verifiziert werden konnte. Erstmals wurde auch der Einfluss unterschiedlicher Systemfrequenzen auf das Bearbeitungsergebnis bei der ultrapräzisen Drehbearbeitung untersucht. Analysiert wurden neben der Ausbildung der Oberflächenqualität auch die Spanbildung, der Werkzeugverschleiß und die Randzonen-beeinflussung. Letztlich konnten die Ergebnisse in anwendungsorientierte Richtlinien zur System- und Prozessgestaltung überführt werden.

Aluminium ist das meistverwendete Leichtmetall, das drei wichtige Eigenschaften in sich vereint: geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoffe in verschiedenen Produkten eingesetzt. lm Rahmen vieler Konstruktionen müssen Bauteile kostengünstig und daher stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Ein wirtschaftliches stoffschlüssiges Verfahren mit vielen technologischen Vorteilen ist das Laserstrahlhartlöten. Derzeit ist das Laserlöten von Aluminium nur unter Einsatz von chemischen Flussmitteln möglich. Die Flussmittel zerstören die Oberflächenoxidhaut und ermöglichen dadurch die Benetzung und somit den Lötprozess. Allerdings sind Flussmittel aufwändig zu applizieren sowie gesundheits- bzw. umweltschädlich und deshalb in einer Fertigungsumgebung unerwünscht. Daher wird das Laserlöten von Aluminium bis heute in keiner industriellen Anwendung umgesetzt, obgleich ein enormer Bedarf seitens der lndustrie vorhanden ist. An diesem Punkt setzt diese Arbeit an und hat zum Ziel, das flussmittelfreie Laserstrahlhartlöten von Aluminiumblechwerkstoffen mittels Zweistrahlverfahren zu entwickeln. Ein cw-Lötlaser bringt hierbei die Wärmeenergie in den Prozess ein. Der zweite Pulslaserstrahl (pw) zerstört die Oxide, verbessert die Benetzung und ermöglicht dadurch den flussmittelfreien Lötprozess. Die beiden Laserstrahlen werden hierbei überlagert. Aufbauend auf den analytischen und experimentellen Grundlagenuntersuchungen erfolgt zunächst die Entwicklung eines Prozesserklärungsmodells. Dabei werden anhand von Analogieuntersuchungen und Simulationen grundlegende Prozessmechanismen analysiert und erklärt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in experimentellen Untersuchungen zum Laserlöten industrierelevanter Bördel- und Kehlnahtgeometrien angewandt. Hierbei werden erstmalig Laserlötnähte flussmittelfrei gefügt, deren Zugfestigkeit die Festigkeit des eingesetzten Grundwerkstoffs übersteigt. Gegenüber dem Stand der Forschung wird eine signifikante Steigerung der Lötgeschwindigkeit, Prozessstabilität und Qualität der Verbindung erzielt. Abschließend findet ein Wissenstransfer auf Demonstrationsbauteile statt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das enorme Potential der neu entwickelten Technologie auf und eröffnen ein weites Spektrum an möglichen Anwendungen, die bis dahin nicht in Frage kamen. Die zudem entwickelte Laserbearbeitungsoptik stellt den ersten Schritt für die Weiterentwicklung der Technologie dar und zeigt die weitreichenden Perspektiven für die Lasersystemtechnik. Hierzu zählen sowohl die Peripheriegeräte wie z.B. Drahtvorschub, als auch die notwendigen Laserstrahlquellen sowie Strahlführungs- und Fokussiersysteme.

Trotz der großen Entwicklungsaufwände im Bereich der E-Mobilität werden Verbrennungsmotoren noch mehrere Jahrzente als Haupt- oder Nebenantrieb in Fahrzeugen zu finden sein - optimiert auf Effizienz und technologisch weiterentwickelt. Eine höhere Ef- fizienzsteigerung des Verbrennungsmotors wird durch Reduzierung der Reibungsverluste erreicht. Einhergehend mit Effizienzsteigerungen ist auch immer eine Verringerung der Fertigungstoleranzen, die neben der Produktonstechnik auch für zukünftige Messgeräte im Motorenbau eine Herausforderung darstellt. In der Arbeit wird durch den Einsatz der Technologie der Röntgenstrahlung in einem Wellenmessgerät eine neue Möglichkeit zur Qualitätssicherung und Prozessregelung der Wellen- bzw. Kurbelwellenfertigung erforscht. Der enorme Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren ergibt sich durch die Robustheit gegenüber Störgrößen am Bauteil, wie Kühlschmierstoff und Bearbeitungsreste, die einen flexiblen Einsatz innerhalb der Produktion ermöglicht. Diese Technologie zur Integration in die Fertigungslinie oder Produktionsmaschinen (In-Prozess-Messung) kann zu einer Null-Fehler-Produktion führen oder Prozesschritte (z. B. die Reinigung des Bauteils) rationalisieren. Die technologischen Randbedingungen der Röntgenstrahlung wie Strahlerzeugung und Strahlendetektion erlauben bisher noch keinen Einsatz innerhalb der Produktion, wo in kurzer Zeit Form- und Lagemerkmale der Bauteile mit einer geringen Messunsicherheit geprüft werden müssen. Die bisher existierenden Methoden zur Bestimmung von dimensionellen Merkmalen bzw. Lage- und Formmerkmalen mit Röntgenanlagen bieten auch nicht die geforderte Güte der Auswertung, um aussagekräftige Merkmale messen zu können. Die zentrale Forschungsfrage dieser Arbeit lautet: Kann durch die Technologie der Röntgenstrahlung für die Formmessung mechanischer Wellen ein Vorteil gegenüber bisher eingesetzten Verfahren erzielt werden, der zu neuen Integrationsansätzen in der Fertigung führt?

Waren es in der Vergangenheit vor allem finanzstarke Großunternehmen, welche versuchten die mit einem China-Engagement verbundenen Chancen zur Steigerung ihres Geschäftserfolgs wahrzunehmen, so sind es heute zunehmend auch kleine und mittlere Dienstleistungsunternehmen, die China als Absatzmarkt für ihre eigenen Leistungen nutzen möchten, denn das Potenzial und die Zuwachsraten der Branche sind beachtlich. Für die Mehrzahl dieser Unternehmen stellen sich jedoch die kulturellen Unterschiede zwischen Chinesen und Deutschen als eine große Herausforderung im Zuge einer Geschäftsanbahnung dar. Nahezu die Hälfte aller kulturübergreifenden Aktivitäten scheitern mangels einer ausreichenden internationalen Ausrichtung des Unternehmens und dessen Mitarbeitern sowie fehlender Erfahrungen hinsichtlich einer systematischen Vorgehensweise für eine Markterschließung. Im Forschungsprojekt ChinaStar erarbeiteten das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT gemeinsam mit weiteren Partnern und industriellen Pilotanwendern ein Vorgehensmodell, welches insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen, die auf dem deutschen Markt als Anbieter industrieller Dienstleistungen auftreten, Hilfestellung bei allen Schritten einer Erschließung des chinesischen Marktes bietet.

Die Integration von Sachgütern und Dienstleistungen zu hybriden Produkten bietet Kunden Vorteile durch individuelle Konfigurierbarkeit. Von diesem Differenzierungspotenzial verprechen sich produzierende Unternehmen in Deutschland Wettbewerbsvorteile. Jedoch existiert kein einzig bester Weg, um die Kundenlösungen zu erstellen und zu erbringen. Der Grad der Standardisierung oder Individualsierung hybrider Produkte hängt wesentlich von der Unternehmensstrategie, dem Wettbewerb, den Kundenwünschen und internen Prozessen ab. Die Dissertation beinhaltet eine Systematik zur Selbstbewertung aktueller und zukünftiger Lösungsstrategien. Hieraus werden Handlungsempfehlungen generiert, die die Anpassung von Abläufen, organisationalen Strukturen sowie Führungsstilen auf die passende Lösungsstrategie zum Gegenstand haben. Die Handlungsempfehlungen beinhalten zahlreiche Methoden, die in der Praxis erfolgreich eingesetzt wurden und zum selbständigen Einsatz im Unternehmen geeignet sind. Die Arbeit erläutert Schritt für Schritt den Weg von der Analyse der Aussgangssituation der Unternehmen über der Darstellung des Standes der Forschung bis hin zur Modellentwicklung und deren Validierung. Durch die erstmalige Betrachtung des Einsatzes geeigneter Führungsinstrumente zur Gestaltung industrieller Dienstleistungen bietet diese Arbeit neue Einblicke in die ganzheitliche Absicherung der Veränderung zum hybriden Produzenten.

Mechatronische Entwicklungen finden sich in zahlreichen Branchen: In der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Kraftfahrzeugtechnik, der Unterhaltungselektronik und in der Haushaltstechnik. Das große Potenzial, das sich aus der Kombination der unterschiedlichen Fachgebiete ergibt, steht einem höheren Koordinationsbedarf des Entwicklungsprozesses gegenüber. Es müssen zum Beispiel Synchronisationspunkte vorgesehen werden, an denen die Produktentwicklung disziplinübergreifend aufeinander abgestimmt und vorangetrieben wird. Diesen Herausforderungen muss in der Entwicklung durch eine systematische Vorgehensweise Rechnung getragen werden, um eine hohe Qualität gewährleisten zu können. Die Güte der Vorgehensweise wird in den meisten Fällen auf der Grundlage unscharf definierter Regeln identifiziert und basieren auf subjektiven Erfahrungen. Eine standardisierte Bewertung der gelebten Strukturen und Abläufe innerhalb mechatronischer Entwicklungsprozesse dagegen führt zu einer Unterstützung bei der Planung der nächsten Schritte mit dem Ziel einer Verbesserung und der Kontrolle dieser Schritte. In dieser Dissertation wird ein Reifegradmodell entwickelt als Abbildung des mechatronischen Entwicklungsprozesses für Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus. Es dient zur Bewertung der aktuellen Prozesse und zur systematischen Ableitung von Verbesserungspotenzialen und liegt in Form eines standardisierten Instruments vor. Insbesondere kleinen und mittelständischen Maschinenbau-Unternhemen ermöglicht es, eine Standortbestimmung ihres mechatronischen Entwicklungsprozess durchzuführen und weitere Aktivitäten zu ermitteln. Auch bietet das Reifegradmodell die Chance, sich durch eine regelmäßige Anwendung in kleinen Schritten systematisch einen Ordnungsrahmen zu geben, mit dessen Hilfe Weiterentwicklungen systematisiert werden können.