Ziel dieser Dissertation war es, ein Referenzmodell für das kybernetische Management wandlungsfähiger Produktionssysteme zu entwickeln. Um dem zunehmenden Grad der Individualisierung von Produkten Rechnung zu tragen, konzentriert sich die Untersuchung auf die Prozesse und Rahmenbedingungen eines Unternehmens mit kundenspezifischer Auftragsinduzierung. Zum Aufbau eines entsprechenden Produktionsmanagementsystems in der Praxis steht dabei die durchgängige Beschreibung der Aufgaben, Prozesse und Informationsflüsse der technischen Auftragsabwicklung sowie die Beschreibung von invarianten Strukturen eines kybernetischen Managementmodells im Vordergrund. Durch die Zusammenführung dieser beiden Perspektiven entstand ein Referenzmodell, welches als Gestaltungsreferenz den Aufbau eines Produktionsmanagementsystems unterstützt, das sowohl die echte Regelung der operativen Prozesse als auch die Wandlungs- und Lebensfähigkeit des Gesamtsystems mit einbezieht und ermöglicht. Dieses Modell eignet sich sowohl für die Anwendung im Unternehmenskontext als auch zur gezielten Vertiefung und Verortung weiterführender Forschungsarbeiten und der Weiterentwicklung von IT-Systemen.

Steigende Anforderungen an die Dynamik von Produktionsanlagen führen oftmals zu hochkomplex aufgebauten Anlagen, die sich im Grenzbereich des technisch Machbaren bewegen. Bei den entsprechend hohen Investitions- und Betriebskosten wirken sich Verfügbarkeitseinbußen besonders stark aus. Die technische Verfügbarkeit hängt direkt von den Betriebsbedingungen und den im Betrieb auftretenden Belastungen ab. Für die Vereinbarung und Garantie konkreter Verfügbarkeiten über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine ist die genaue Kenntnis des Zustandes, der Belastungen und der korrespondierenden Belastbarkeit erforderlich. Im Fokus des Projekts OPTILAST standen die Analyse und das Monitoring der auf die Maschinentechnik wirkenden Belastungen. Aus der Kenntnis der Belastungen und der Auswirkungen auf den Verschleiß kritischer Komponenten wurden Strategien für einen last- und verschleißoptimalen Betrieb der Maschine abgeleitet. Abschließend stand die Erarbeitung und Bewertung von Dienstleistungsangeboten für eine effiziente, zustandsabhängige Instandhaltung über den gesamten Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine. Die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden sowohl auf einer Referenzmaschine, an verschiedenen Produktionsmaschinen der Projektpartner sowie in verschiedenen Prüffeldern bei Komponentenherstellern und Hochschulen durchgeführt. Wesentliche Ergebnisse des Projekts sind Methoden auf Basis von zusätzlicher Sensorik und antriebsinternen Signalen zur Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben und Linearführungen und die Ermittlung von Komponentenbelastungen mittels simulationsbasiertem Übertragungsverhalten. Weiterhin wurde ein steuerungsintegrierter Ansatz zur Online-Belastungserfassung (Belastungsintegral) umgesetzt, sowie Condition Monitoring von Baugruppen wie dem Werkzeugwechsler und der Hydraulik untersucht. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten neue Ansätze für die Analyse von Ausfallkosten umgesetzt und daraus Konzepte für unterschiedliche Dienstleistungen entwickelt werden.

ERP-Systeme sind im mittelständischen Maschinen- und Anlagenbau nicht mehr wegzudenken. Ihre Einführung jedoch stellt alle Beteiligten vor Probleme. Wie gelingt es, diese ERP-Einführungsprojekte erfolgreich zu gestalten? Auf der Grundlage von Fallstudien werden verschiedene Bausteine zu einer präzisen individuellen Konfiguration der Projektvorgehensweise entwickelt. Die Bausteine basieren auf einem Bezugsrahmen zum Management strategischer Initiativen und berücksichtigen die individuellen Rahmenbedingungen und Erfahrungen des betreffenden Unternehmens. Ergebnis sind präzise Handlungsanweisungen zur erfolgreichen ERP-Einführung. Im mittelständischen Maschinen- und Anlagenbau ist die Gestaltung der Auftragsabwick-lungskette aufgrund einer ständig wachsenden Produktvielfalt bei gleichzeitiger Verkürzung der Lieferzeiten ohne die Unterstützung durch ERP-Systeme nicht mehr denkbar. Das ERP-System beinhaltet das gesamte organisatorische Wissen eines Unternehmens. In ihm fließen alle Informationen zu einem Auftrag zusammen, hier wird die Wertschöpfungskette abgebildet und optimiert. Das ERP-System liefert dem Management die Datenbasis für alle Entscheidungen im operativen Geschäft und zur Veränderung und Optimierung betrieblicher Abläufe. Daher sind eine erfolgreiche Einführung und ein anschließend möglichst reibungsloser Betrieb eines ERP-Systems von vitaler Bedeutung für ein mittelständisches Unternehmen. Auf der Basis von Fallstudien und aufbauend auf den Erkenntnissen zu den Strategien der angewandten Forschung innerhalb der Realwissenschaften leitet der Autor Referenzstrategien zur Einführung von ERP-Systemen im mittelständischen Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus ab, um die Einführung eines ERP-Systems erfolgreich, sicher und nachhaltig bewältigen zu können. In der Dissertation wird eine neue, ganzheitliche Methodik entwickelt, die ein Werkzeug zum Management strategischer Initiativen, den St. Galler General Management Navigator, kombiniert mit individuell konfigurierbaren Bausteinen zur Einführung von ERP-Systemen im mittelständischen Maschinen- und Anlagenbau. Durch die Einbindung von Praxiserfahrungen aus unterschiedlich erfolgreichen Industrieprojekten ergeben sich klare Handlungsanweisungen für die betriebliche Praxis. Die in der Arbeit entwickelten Referenzstrategien stellen interdisziplinär umsetzbare Handlungsanweisungen dar, die es den Unternehmen ermöglichen, zukünftige ERP-Projekte sicher zum Erfolg zu führen.

Die Geschäftsbedingungen produzierender Unternehmen haben sich im Laufe des vergangenen Jahrzehnts tiefgreifend gewandelt. Stetig steigender Kostendruck, eine unaufhaltsame Beschleunigung des Wettbewerbs, der Wandel vom Anbieter- zum Käufermarkt sowie kontinuierlich neue technologische Anwendungen und Möglichkeiten sind nur einige der Entwicklungen, mit denen sich die Unternehmen zunehmend konfrontiert sehen. Ein von davon in besonderem Maße betroffener Unternehmensbereich ist die Montage. Da die Montage als letzte Stufe im Produkterstellungsprozess wie kein anderer Bereich die gestiegenen Anforderungen in Bezug auf Vielfalt, Dynamik und Schnelligkeit zu bewältigen hat, nimmt sie eine Schlüsselrolle im produzierenden Gewerbe ein. Für viele Aufgaben in der Montage fehlen jedoch vor diesem Hintergrund geeignete Methoden und Instrumente. Gezielte Forschungs- und Umsetzungsanstrengungen sind erforderlich, um den gestiegenen Anforderungen in der Montage gerecht zu werden. Um erfolgversprechende Ansätze zu identifizieren, wurde die vorliegende Studie durchgeführt. Ziel der Untersuchung ist die Beantwortung der übergeordneten Fragestellung, was für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der Montage am Standort Deutschland vor dem Hintergrund der beschriebenen Entwicklungen getan werden muss. In ausführlichen Interviews mit Montageexperten aus insgesamt neun produzierenden Unternehmen wurden Lösungsansätze zur Begegnung der Herausforderungen in den drei Betrachtungsbereichen Montageorganisation, Montageautomatisierung und Mikromontage abgeleitet. Die identifizierten Lösungsansätze wurden zu zentralen Handlungsfeldern einer „Integrativen Montagetechnik“ verdichtet und anhand der Darstellung einzelner Themen- und Forschungsbereiche für die Montagetechnik der Zukunft dargestellt.

Technologieorientierte mittelständische Unternehmen benötigen Technologiemanagement, um technologische Chancen und Risiken zu erkennen und ihren Technologieeinsatz systematisch zu planen. Daher wird in dieser Dissertation ein Modell zur Gestaltung der Organisation des Technologiemanagements für mittelständische Firmen entwickelt. Kernergebnis sind 20 Gestaltungsempfehlungen, die genutzt werden können, um das Technologiemanagement bei einem Mittelständler neu zu konzipieren oder zu optimieren.

Zur zerstörungsfreien und nicht-invasiven Prüfung von Materialeigenschaften dünner semitransparenter Schichtsysteme wird ein Verfahren auf Basis der optischen Kohärenztomografie vorgestellt, das eine automatisierte Qualitätsprüfung ermöglicht. Für drei Anwendungsfelder aus den Bereichen Produktionstechnik (Schichtdicken), Biotechnologie (Qualitätssicherung im Tissue Engineering) und Medizintechnik (Arthrosegrad Knorpelgewebe) stellen die vorgestellten Verfahren einen signifikanten Vorteil gegenüber der bisher verwendeten Messmethoden dar.

Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Werkzeugmaschinenhauptspindeln werden häufig durch kritische Schmierungszustände begrenzt. Inhalt der Arbeit ist es, Möglichkeiten zur Verbesserung des Spindellagersystems zu schaffen. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit bei Mangelschmierung werden PVD-Beschichtungen anhand des Lauf- und Verschleißverhaltens qualifiziert. Überschmierungszustände werden durch eine prototypisch aufgebaute Direktschmierung im Prüfstands- und Spindeleinsatz verifiziert.

Ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung von Zerspanwerkzeugen und -prozessen ist die Sicherstellung von günstigen Spanformen. Dies kann in den meisten Fällen nur durch zeit- und kostenintensive Vorversuche bewerkstelligt werden. Eine sichere Vorhersage von Spanbruch für unterschiedliche Prozessbedingungen und Werkzeuggeometrien kann dazu beitragen, den zeitlichen Aufwand für die Prozess- und Werkzeugauslegung wesentlich zu reduzieren. Ziel der Arbeit war es, Spanbruch auf Basis der mechanischen und thermischen Belastungen im ablaufenden Span mit Hilfe eines schädigungsmechanischen Ansatzes für das Außenlängsdrehen von C45E+N vorherzusagen. Durch empirische Untersuchungen konnten die stärksten werkzeug- und prozessseitigen Einflussfaktoren auf Spanbruch identifiziert werden. Darüber hinaus konnten mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen für Prozesspunkte des kontrollierten Spanbruchs die Position und der Zeitpunkt des Werkstoffversagens im Span identifiziert werden. Die Modellbildung zielte auf die Berechnung der Belastungen in der Spanbruchstelle ab. Das hierfür entwickelte analytische Modell ermöglichte die Vorhersage der Spanbruchgrenzen in Abhängigkeit der maximal auftretenden Zugspannungen im Span. Das Modell zeigte für verschiedene Werkzeuggeometrien und Schnittparameter eine gute Übereinstimmung mit den realen Grenzen kontrollierten Spanbruchs. Durch Anwendung der Finiten Elemente Methode (FEM) konnte die Spanbildung, der Spanablauf und die Aufweitung des Spans dreidimensional modelliert werden und damit die momentanen Belastungen und deren zeitlichen Verläufe in der Spanbruchzone bestimmt werden. Auf Basis dieser Verläufe wurden bestehende Kriterien zur Vorhersage duktilen Werkstoffversagens bewertet. Insgesamt war keines der bestehenden Kriterien im Stande Spanbruch sicher vorherzusagen. Ein neu entwickeltes Schadenskriterium auf Basis eines Ansatzes von Johnson und Cook erlaubte das verbleibende Formänderungsvermögen des Werkstoffs in Abhängigkeit von Temperatur, Umformgeschwindigkeit und Spannungszustand zu berechnen. Durch Implementierung dieses Schadenskriteriums in das bestehende FEM-Modell war es möglich, Spanbruch dreidimensional zu simulieren. Das Modell zeigte, sowohl hinsichtlich des auftretenden Spanablaufs und -bruchs als auch hinsichtlich der berechneten Zerspankräfte und Temperaturen an der Spanunterseite, eine gute Übereinstimmung mit den realen Zerspanversuchen.