Produkt-Produktions-CoDesign: Ein Ansatz zur integrierten Produkt- und Produktionssystementwickung über Generationen und Lebenszyklen hinweg.

Full text

NEWS
Inhalt
• BerichtderFrühjahrstagung
• AktuelleForschungthemen
• Buchveröffentlichungen
EingeleitetwurdedieDiskussiondurchvier
spannendeKeynotes Vorträge gefolgt von
einer Postersession, Workshops und einer
abschließendenPodiumsdiskussion.
EswurdenvieleinteressanteAnwendungen
mitgroßem Potential vorgestellt.Esistalso
abzusehen,dass Werkzeuge,wiemodellba-
sierteAnsätzenodernumerischeSimultionen
zukünftig zunehmend durch KI-basierte
Ansätzeergänztwerden.
RolandLachmayer
EinenÜberblickzuunserenKI-Forschungs-
themenfindenSieunter:
https://wigep.de/veroeffentlichungen/
DasEuropäischeParlamentdefinierteine KI
als
„...dieFähigkeiteinerMaschine,mensch-
liche Fähigkeiten wie logisches Denken,
Lernen,PlanenundKreativitätzuimitieren.“

MicrosoftverstehteineKIals
„...Technolo-
gien,diemenschlicheFähigkeitenimSehen,
Hören,Analysieren,Entscheiden und Han-
delnergänzenundstärken.“

DiemeistenMeschennutzenbereitstäglich
schwacheKI.DasSmartphone,welchessich
merkt,wasihreLieblingsrestaurantssindund
Ihnenbei ihrenBesuchinderNachbarstadt
einähnlichesAmbientevorschlägt,istnurein
kleinerTeilvondem,was heutzutageschon
StandderTechnikist.
KIinderProduktentwicklung
Schwache KI in den Dimensionen von
Suchen,Planen, Optimieren,Schließenund
Approximierenunterstütztbereitsheuteauch
dieProduktentwicklungundistGegenstand
unsereraktuellenForschung.Gemeinsammit
führendenVertreternausderIndustiehaben
wiraufderFrühjahrstagunginGrazdieMög-
lichkeitgenutzt,umbestehendeKIAnsätze
undderenMöglichkeiteninderProduktent-
wicklungzudiskutieren.
KünstlicheIntelligenz
Sindesdieselbststeuerndenmenschenähn-
lichenRoboteraus den Filmen „I,Robot“,
„Matrix“,„Terminator“oderSchachroboter,
welcheselbstdenWeltmeisterbezwingen?
IstesderRoboterarm,welcherfeststellt,dass
erdieSchweißnahtnichtrichtigsetzenkann
undaufgrunddessenErroranzeigt.
•
„Computers make excellent and
efficientservants,butIhavenowishto
serveunderthem“
–MisterSpock
•
„Ichbefürchte, dass KIdie Menschen
insgesamtersetzenkönnte.WennMen-
schenComputerviren erschaffen, wird
auchjemandeineKIerschaffen,diesich
selbstrepliziert“
–StephenHawking
•
„Computerwerden einesTagesbesser
denken können als wir, aber solange
dieMenschenGefühlehaben,sind wir
besseralsComputer“
-ElvisPresley
MitderschwachenKIzumBeispielbasierend
auf neuronalen Netzen, Agentensysteme,
OntologienoderWahrscheinlichkeiten,sind
wiraktuellnochweitvonrealkreativenund
fühlendenMaschinenentfernt.
Leitthema künstliche Intelligenz
auf der WiGeP Frühjahrstagung in Graz
Ausgabe 1/2022

2
FürdieWiGeP
KevinHerrmann,M.Eng.
LukasHoppe,M.Sc.
InstitutfürProduktentwicklungund
Gerätebau
LeibnizUniversitätHannover
Alskrönender AbschlussdeszweitenTages
wurde zum Gala-Dinner ins Universalmu-
seum Joanneum geladen. Ein hervorra-
gendes Essen, interessante Reden und ein
regerAustauschzwischenderWissenschaft
und der Industrie bildeten einen rundum
gelungenenAbend.Hervorzuhebenseihier
dieanregendeRedevonProf.Helmut List,
VorsitzenderderGeschäftsführungundCEO
derAVLListGmbH.
Der letzte Tag der Tagung wurde dazu
genutztdie Impulse zur künstlichenIntelli-
genzinderProduktentwicklunggemeinsam
mit der AVL zu vertiefen. Dafür wurden
zuerstKeynoteszuaktuellenForschungsfel-
dernzurKI in der Produktentwicklungaus
denInstitutenderWiGePvorgetragen und
weitereArbeitendurcheinePoster-Begehung
aufgezeigt.InanschließendenWorkshopszu
denjeweiligenThemenderKeynotes,wurde
in kleineren Gruppen kontrovers diskutiert
und verschiedene Inhalte erarbeitet. Diese
konntenanschließendineiner Podiumsdis-
kussionvorgestelltunddurchdieExpertinnen
undExperteneingeordnetwerden.Durchein
abschließendes Abendessen im Restaurant
KunsthauscafékonntedieTagungimbesinn-
lichenBeisammenseinausklingen.
DerVorstandbedanktsichbeiallenTeilneh-
mernunddenVeranstalternfüreineinteres-
santeund gelungene Frühjahrstagung und
freutsichaufdieHerbsttagung2022inBay-
reuth.

UnsereFrühjahrstagungkonnteindiesem
Jahr etwas später als gewohnt, dafür
aberbei bestem Wetterim sonnigen Graz
stattfinden.DieEinladungerfolgtevon Pro-
fessorHickinKooperationmitderFirmaAVL
undstandunterdemThema„KIinderPro-
duktentwicklung“.
Der Start dieser dreitägigen Veranstaltung
erfolgte mit einem gemeinsamen Abend-
essen im schönen Hotel Weitzer in der
AltstadtvonGraz. Die EröffnungderFrüh-
jahrstagungerfolgtedurchdenVeranstalter
Professor Hick und durch den Vereinsvor-
sitzenden Professor Krause. Zu den Spe-
zialitäten der österreichischen Küche und
regionalenWeinenwurdesichanschließend
innetterAtmosphäreausgetauscht.
DerzweiteTagbegannmitderMitglieder-
versammlung, in welcher neben der offi-
ziellen Tagungspunkten auch Berichte aus
Fach-undArbeitsgruppenunddenanderen
WiGeP-nahen Gesellschaften vorgetragen
wurden.Zusätzlich konnteden Mitgliedern
dasaktualisierteWiGeP-Portraitunddieneu
gestaltete WiGeP-Homepage vorgestellt
werden.ErfreulicherweisewurdeimRahmen
dieserVersammlungauchProfessorGöbelals
neuesMitgliedgewählt.
ImAnschlussandieMitgliederversammlung
erfolgtederTransferzumAVLHeadquarter.
Hier wurden die Mitglieder durch zwei
interessante Impulsvorträge von Professor
Fischerund Dr.Zehetner aufdie Thematik
derTagungeingestimmt.Die damitverbun-
deneFührung über das Werksgelände der
AVLverschafftedenTeilnehmerneinenein-
drucksvollenEinblick in die hochmodernen
PrüfständederFirma.
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
WiGeP Frühjahrstagung 2022
NatürlicheundKünstlicheIntelligenzinGraz

3
Produkt-Produktions-CoDesign
EinAnsatzzurintegriertenProdukt-undProduktionssystementwickungüberGenerationenundLebenszyklen
hinweg.
PotentialeinderintegriertenProdukt-und
Produktionssystementwicklung ausschöp-
fen und im Wettbewerb erfolgreich sein
können.
LITERATUR
[1] Albers A, Bursac N, Wintergerst
E.Productgenerationdevelopment–impor-
tanceandchallengesfromadesignresearch
perspective.NewDevelopmentsinMecha-
nicsandMechanicalEngineering:procee-
dingsof the International Conference on
MechanicalEngineering;2015.S.16-21.
[2] AlbersA,LanzaG,KlippertM,et
al. 2022. Product-Production-CoDesign:
An Approach on Integrated Product and
ProductionEngineeringAcrossGenerations
andLifeCycles.ProcediaCIRP; 2022. (in
Veröffentlichung)
AUTORINNENUNDAUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.Dr.h.c.AlbertAlbers
Dr.-Ing.SimonRapp
MonikaKlippert,M.Sc.
IPEK–InstitutfürProduktentwicklung
Prof.Dr.-Ing.GiselaLanza
LouisSchäfer,M.Sc.
wbkInstitutfürProduktionstechnik
KarlsruherInstitutfürTechnologie(KIT)
Die Bedeutung der Nachhaltigkeit
wächstnichtnurinBezugaufdenKli-
mawandel,sondernauchaufgrundsteigen-
derKostenfürRessourcen.Zur Erreichung
von Nachhaltigkeitszielen können Unter-
nehmeneinenimmensenBeitragleisten.
Ansätze wie das Remanufacturing oder
Second Use liefern bereits Möglichkeiten
zurAufbereitungoderWiederverwendung
gebrauchterProdukte. Dabei ist schon in
derEntwicklung von Produktenund Sys-
temenzwingenderforderlich das zugehö-
rige Produktionssystem mitzugestalten,
umzukünftigeInnovationspotenziale(z.B.
hinsichtlich Nachhaltigkeit, Losgröße 1,
Individualisierung)durcheinestrukturierte
ZusammenarbeitvonProduktentwicklung
undProduktionvonAnfanganzuheben.
NEUERANSATZMITPOTENTIAL
Verschiedene Ansätze und Modelle
beschreiben, welche Wechselwirkungen
zwischeneinemProduktund dessen Pro-
duktionssystembestehenundwelcheAus-
wirkungendieseaufdieGestaltunghaben.
In Kooperation zwischen dem IPEK und
wbkdesKITwurdenbestehendeAnsätze
undModelleumdiegenerationsübergrei-
fendeBetrachtungvonProdukt-und Pro-
duktionssystemüber Lebenszyklenhinweg
erweitert. Der neue Ansatz des Produkt-
Produktions-CoDesigns(PPCD) beschreibt
diehochvernetzte und parallelisierte Ent-
stehung, d.h. Planung, Entwicklung und
Realisierung von Produkten und deren
Produktionssystem(en) sowie der Gestal-
tung zugehöriger Geschäftsmodelle. Das
PPCD berücksichtigt den effizienten und
effektiven Betrieb der Produktion sowie
derstrukturiertenAußerbetriebnahmeder
ProdukteundProduktionssysteme.DiePla-
nungerfolgtdabeizwingendübermehrere
Produktgenerationen und die zugehörige
Produktionssystemevolutionhinweg(siehe
Bild1).
NUTZENFÜRDIEZUKUNFT
Mit PPCD können Fragestellungen, wie
beispielsweise Nachhaltigkeitsziele (u.a.
Reduktionvon EmissionenaberauchPro-
duktindividualisierung) in Unternehmen
angegangenwerden.Die zur Realisierung
notwendigen Methoden, Prozesse und
Tools werden in der gemeinsamen For-
schung auf Basis des Modells der SGE –
Systemgenerationsentwicklung(auchPGE
–Produktgenerationsentwicklung)gemein-
samerarbeitet.
Mit PPCD wird somit eine Grundlage
geschaffenmitderUnternehmenzukünftig
Bild 1: VisualisierunggrundlegenderAspektedesProdukt-Produktions-CoDesigns
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022

4
Bild 1: NutzungderVerwaltungsschaleimAASX-FormatmitAASHubzurInbetriebnahme
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Beschleunigte Datenanbindung von Industrie 4.0 Kom-
ponenten an IoT-Lösungen
EuropäischesInnovationsprojektzurHerstellungvonKompatibilitätzwischenPLM,IoTundIndustrie4.0
Das EIT-Manufacturing Projekt „Acce-
lerating Industrial IoT integration
through Asset Administration Shell temp-
lateimplementation(AASHub)”starteteam
01.01.2022amLehrstuhlfürDigitalEnginee-
ring.DieAssetAdministrationShell(AAS,dt.
Verwaltungsschale)ist einestandardisierte,
digitale Darstellung eines Objekts (Asset)
bzw.einerIndustrie4.0Komponente,dieals
GrundsteinfürdieInteroperabilitätzwischen
verschiedenenAnwendungenundSystemen
dient.Ziel des Projektes istdieBeschleuni-
gungderInbetriebnahme von industriellen
IoT-Integrationenundder Übernahme von
DigitalTwinAnsätzenindasProduktlebens-
zyklusmanagement.
PRAXISORIENTIERUNG
Das12-monatige Projekt findetin Koope-
rationmitdenFirmenCONTACTSoftware,
BöllhoffGroupundPrimaIndustrie(Italien)
statt.
Contact Software stellt dabei das Pro-
dukt„CONTACTElementsforIoT“fürdie
Integration in Bezug auf Datenmodelle,
Schnittstellen und Interaktionsmodelle zur
Verfügung, während Böllhoff und Prima
Pilot-Anwendungsfällespezifiziert haben,in
denendie angestrebte Innovationin Form
einer Erweiterung zu „Elements for IoT“
namens „AASHub“ getestet bzw.validiert
werdenkann.
Hierdurch stehen Anwendungsfälle bereit,
dieim Fertigungsumfeldsowohl klassische
MaschinendatenerfassungalsauchÜberwa-
chungderVersorgungderFertigungssysteme
mitHilfsstoffeninFormvonZeitreihendaten
umfasst. Ziele dieser Integration sind eine
Verbesserung der Maschinenverfügbarkeit
sowie die konsistente Aufzeichnung von
DatenzurNachverfolgung.
VORGEHEN
Die automatische Integration wird erreicht
durch die Dokumentation sämtlicher sta-
tischer Charakteristika von Assets in einer
Verwaltungsschalen-kompatiblen Notation
im sog. AASX-Dateiformat. AASHub wird
dieseteilsgenerischeAAS-Implementierung
importierenkönnen,ohneeinevollständige
IntegrationderAASaufAsset-Ebenevoraus-
zusetzen.Darüberhinauswerdenspezifische
sog.Submodelledefiniert,dieeineautomati-
scheEinordnungindieShopfloor-Verwaltung
von„ElementsforIoT“ermöglichen.
AASHub benötigt neben den statischen
Informationen,wie z.B.Typ-Informationen,
verbauteTeile,Stücklisten, aberauch Sen-
soren und benutzte Kommunikationspro-
tokolle,ebenfallsInformationenzuraktiven
VerbindungzumAsset.MitderKombination
aus Asset-Beschreibung und Verbindungs-
assistentlassen sich auchkomplexe Assets
halb-automatisch in die Unternehmens-IT
einbinden.
DEMONSTRATOREN
Zunächstwurdenvirtuelle Demonstratoren
direktmitCONTACTElementsforIoTver-
bunden,umSensor-undPlattformverhalten
zuevaluieren.Die sehr einfachen Minimal-
demonstratoren stellen dabei diskrete und
kontinuierlicheTransportprozessedar,welche
überentsprechendevirtuelleSensorikerfasst
werden.Hinzukamenmehrerephysikalische
DemonstratorenvonmodellhaftenProdukti-
onssystemenausdemLDELabor.
Für die Demonstratoren wurden entspre-
chendeVerwaltungsschalenüber dasOpen
SourceTool„AASX-Explorer“ definiert und
anschließendüberdenPrototypderAASHub
Softwareautomatisch an die „Elements for
IoT“-Plattformangebunden.
EinähnlichesVorgehenwirdbeidenindust-
riellenUseCasesabAnfangJunistattfinden,
umdieAnwendbarkeitinderPraxiszuvali-
dieren.
AUSBLICK
Natürlich sollen die Verwaltungsschalen
zukünftig nicht von Hand erstellt werden,
sondern als Artefakt während des Pro-
duktentwicklungsprozesses entstehen.
Hierfür wird ein in AASHub integriertes
Exportsystemgeschaffen,welchesbasierend
aufdenimContactPLMhinterlegtenDaten
undwenigenweiterenAngabenkompatible
AASX-Dateienerzeugt.
AlsErgebnisdiesesProjekteswerdenneben
der Erweiterung der CONTACT Software
auchLearningNuggetsmitBestPracticeBei-
spieleninderGuidedLearningPlattformdes
EITMbereitgestellt.
AUTOREN
Prof.Dr.-Ing.DetlefGerhard
Dr.-Ing.MarioWolf
LehrstuhlfürDigitalEngineering(LDE)
Ruhr-UniversitätBochum

5
Unterstützung der Auslegung von Wälzlagern durch ela-
stohydrodynamische Simulation
Effekte berücksichtigt, ist der letzte Schritt
des sequentiellen Lösers die Berechnung
der Temperaturverteilung im FEM Gebiet
(ϑ)unterVerwendungeinestetraedrischen
Netzes,sieheBild1. Diese Schritte werden
wiederholt, bis eine konvergente Lösung
füralleLösungsvariablengefundenist. Die
Kopplung der verschiedenen FEM Gebiete
erfolgtdurchlineareExtrusionen.
WeiteregrundlegendeAspekte zurFEMfür
EHDKontaktesindbeiHABCHI[2]zufinden
und für weitere Informationen zur Imple-
mentierunginderSoftwareCOMSOLMul-
tiphysicswirdderinteressierteLeseraufTAN
etal.[10]undLOHNERetal.[4]verwiesen.
In vielen Maschinenelementen treten in
tribologischen Kontakten Reibung und
Verschleißauf, wasmaßgeblich zum Ener-
gieverbrauch technischer Systeme beiträgt
[3]. Die Schmierungsbedingungen spielen
hierbei eine entscheidende Rolle, weshalb
dernumerischen Modellierung vonelasto-
hydrodynamischen (EHD) Kontakten ein
hoherStellenwert zukommt.Grundsätzlich
unterscheiden sich EHD Kontakte in Geo-
metrie,Kinematik undSchmierungszustand,
wobei insbesondere die Effekte durch die
geometrischePaarungsowiedieRollreibung
berücksichtigtwerdenmüssen[9].Eswurde
gezeigt, dass in hochbelasteten Kontakten
die hydrodynamische Schmierfilmbildung
zusammenmit derüberlagertenelastischen
Verformung berücksichtigt werden muss
und die Theorie der hydrodynamischen
(HD)Schmierungalleinenichtausreicht[1].
Zusätzlichkonnte gezeigtwerden,dassder
Verschleißder Oberflächen dieKontaktbe-
dingungenverändert[8].
AmLehrstuhl KTmfk wird die EHDSimula-
tionmit demeigens entwickelten und auf
COMSOL Multiphysics basierenden Tool
„TriboFEM“fürunterschiedlicheKontaktbe-
rechnungen–z.B.fürMikrotexturen[7,11],
Kniegelenke[6]undVerschleißberechnungen
[13]–erfolgreicheingesetzt,sieheBild1.In
diesem Beitrag werden aktuelle Anwen-
dungender EHD SimulationimBereichder
Wälzlagertechnik vorgestellt. Durch die
Geometriebeschreibungder Kontaktpartner
mittels mathematisch exakt beschriebener
Oberflächen und durch die Berücksichti-
gung der verschleißinduzierten Änderung
desOberflächenprofilslassensichSekundär-
kontaktezwischenRollenstirnundRingbord
sowieverschleißkritischePrimärkontaktevon
Wälzlagernberechnen,wieinBild 2veran-
schaulicht.
EHDSIMULATIONINTRIBOFEM
Bild1 zeigt denAufbau sowie den Ablauf
derFEM-basierten EHDSimulationvonTri-
boFEMin derkommerziellenFEM-Software
COMSOLMultiphysics.NachdemEinlesen
aller erforderlichen Eingangsgrößen und
Funktionenwerdenauf der Grundlage der
HERTZ‘schenTheorieInitialwerte ermittelt.
DiesewerdenalsStartlösungfürdieBerech-
nungderelastischenVerformungverwendet.
ImnächstenSchrittwirddasvollgekoppelte,
stationäre, isotherme Newtonsche Modell
imFEM Gebiet(P,H)gelöst.Dazuwirdein
tetraedrischesNetzmitVerfeinerungimKon-
taktzentrumderOberseiteverwendet.Ohne
thermische
oder nicht-newtonsche Effekte würde die
Zeitschleifegestartetundwiederholtwerden,
bisder letzteZeitschrittberechnetist.Unter
BerücksichtigungdieserEffekteberechnetein
sequentiellerSolverdieintegralenTermeder
verallgemeinerten REYNOLDS-Gleichung,
gefolgt von dem vollständig gekoppelten
SystemvonDruckundVerformungimFEM
Gebiet(P,H)undschließlichdieBestimmung
der Geschwindigkeitsverteilung im FEM
Gebiet(U).Fürletztereswird ein Dreiecks-
netz mit regelmäßiger Verteilungin Spalt-
richtung verwendet. Werden thermische
Bild 1: AblaufundAufbauderunterschiedlichenBerechnungsgebietederEHDSimulationmitTriboFEM
inCOMSOLMultiphysics
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
5

Bild 2: AblaufderEHDKontaktberechnungfürPrimär-undSekundärkontakteimWälzlager
6
anteile wesentlich zum Reibungsverlust in
Kegelrollenlagernbei. Zur exakten Berech-
nung und Reduktion des Reibungsanteils
dieses Sekundärkontaktes ist eine genaue
Beschreibung der Geometrie der Kontakt-
partner notwendig. Die Kontaktberech-
nung erfolgt häufig vereinfacht auf Basis
derHERTZ‘schenTheorieundist damitnur
füreinige Geometriepaarungenausreichend
genau.Komplexe GeometrienderKontakt-
partner, wie sie zur Reduzierung des Rei-
bungsanteilsvon Rollenstirn und Ringbord
eingesetzt werden, bedürfen einer genau-
eren Berechnungsmöglichkeit, wie bereits
vonWIRSCHINGet.al. in [15] vorgestellt.
DieGeometrienderbeidenKontaktpartner
werdenmathematischexaktberechnetund
anschließendineinemErsatzkörperzusam-
mengeführt.Dieser Ersatzkörperwirdinder
EHDSimulationverwendet.DieBerechnung
desEHDKontakteserfolgtnachdeminBild
1gezeigtenSchemaundeswerdenderKon-
taktdruck, die Schmierfilmhöhenverteilung
undderReibungskoeffizientdesRollenstirn/
Ringbord Kontaktes ermittelt. Durch eine
ÄnderungdermakroskopischenGeometrie
der Kontaktpartner lässt die Belastungsfä-
higkeitunddieReibung des Sekundärkon-
taktesstarkbeeinflussen,wiedieErgebnisse
fürzweiexemplarischeGeometrieninBild3
zeigen.
imBereichder Grenzreibung unterscheidet
sich insbesondere in der Berechnung der
Kontaktdrücke vom Mischreibungsmodell.
AnstellederEHDSimulationwirdeinenume-
rischstabilereFEM-basierteBerechnungder
PressungenmithilfedesPenalty-Kontaktal-
gorithmus durchgeführt. Zur Beschleuni-
gungderRechenzeitwerdendieGeometrien
sowiediemechanischen Eigenschaften von
Grund- und Gegenkörper jeweils in einen
äquivalentenelastischenErsatzkörperüber-
führt.InsgesamtbietetdasVorgehensmodell
der Verschleißsimulation eine umfassende
und zudem detaillierte Möglichkeit zur
Berechnungdes VerschleißesinWälzlagern
ebenso wie beliebigen anderen im Misch-
oder Grenzreibungsgebiet betriebenen
Maschinenelementen. Die Ergebnisse der
Verschleißsimulationkönnendazubeitragen,
tribologischhochbeanspruchteSystemehin-
sichtlich des auftretenden Verschleißes zu
optimierenunddadurchihreLebensdauerzu
erhöhen.
ANWENDUNG VON TRIBOFEM
AUFSEKUNDÄRKONTAKTE
HoheaxialeLastanteilewerdenbeiRollen-
lagernje nach Wälzlagerbauformvon den
Ringborden aufgenommen, wie es zum
Beispiel bei Kegelrollenlagern der Fall ist.
Der Sekundärkontakt zwischen Rollenstirn
undRingbordträgtdurchdiehohenGleit-
ANWENDUNG VON TRIBOFEM
AUFPRIMÄRKONTAKTE
Der zunehmende Einsatz niedrigviskoser
SchmierstoffezurReduzierungderReibung
in Maschinenelementen wie Wälzlagern
führtzueinemverstärktenBetriebimMisch-
odersogar Grenzreibungsgebiet.Derdamit
einhergehende Verschleiß kann zu einem
verfrühtenAusfall solcher tribologischhoch
beanspruchten Systeme führen.In diesem
Zusammenhang bietet die detaillierte Ver-
schleißsimulationeingroßesPotenzialfürdie
AuslegungvonMaschinenelementen:Zum
einenlassensichmitihrerHilfeBetriebsbedin-
gungenmiteinerunerwünscht hohen Ver-
schleißrategezielt vermeiden.Zumanderen
ermöglichtsiedieAbschätzungvonLebens-
dauernsowiedieOptimierungdesEinlauf-
prozesses, welcher einen entscheidenden
EinflussaufdieLebensdauermischreibungs-
behafteterWälzlagerbesitzt.
Am KTmfk wurde ein allgemeingültiges
Vorgehensmodell zur Verschleißsimula-
tion misch- und grenzreibungsbehafteter
Maschinenelemente erarbeitet [12, 13].
Die Verschleißsimulation im Bereich der
Mischreibungbasiert auf einer erweiterten
EHDSimulation, einem Festkörperkontakt-
druck-Modell,einemModellzurBerücksich-
tigungder statistischenzeitlichenÄnderung
der Oberflächentopographie sowie einem
Verschleißmodell. Die Verschleißsimulation
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022

7
ZUKÜNFTIGEARBEITEN
Die vorgestellten EHD Berechnungen für
und Primär- und Sekundärkontakte sollen
in weiteren Schritten zur Auslegung von
Wälzlagerneingesetztwerden.UnterEinsatz
vonMethoden desmaschinellenLernensist
eineOptimierungderKontaktemöglichwie
ArbeitenMARIANundWIRSCHINGzeigen
[5, 14]. So können die Primärkontakte
bezüglichdesVerschleißesunddieSekundär-
kontaktebezüglich der Belastungsfähigkeit
sowiederReibungoptimiertwerden.Damit
kannmitdenvorgestelltenSimulationendie
Auslegung von leistungsfähigeren Wälzla-
gernunterstütztwerden.
LITERATURVERZEICHNIS
[1] ARAMAKI, H., CHENG, H. S. u.
ZHU,D.: FilmThickness,Friction,and Scuf-
fing Failure of Rib/Roller End Contacts in
CylindricalRollerBearings.Journalof Tribo-
logy114(1992)2,S.311–316
[2] HABCHI,W.:Finiteelementmode-
lingofelastohydrodynamiclubricationprob-
lems.Hoboken,NJ:Wiley,2018
[3] HOLMBERG,K. u. ERDEMIR, A.:
Influenceoftribologyonglobalenergycon-
sumption, costs and emissions. Friction 5
(2017)3,S.263–284
[4] LOHNER, T., ZIEGLTRUM, A.,
STEMPLINGER, J.-P. u. STAHL, K.: Engi-
neering Software Solution for Thermal
ElastohydrodynamicLubricationUsingMul-
tiphysics Software. Advances in Tribology
2016(2016),S.1–13
[5] MARIAN, M.: Numerische Aus-
legung von Oberflächenmikrotexturen für
geschmierte tribologische Kontakte, FAU
UniversityPressDissertation2021
[6] MARIAN,M.,ORGELDINGER,C.,
ROTHAMMER,B.,NEϑAS,D.,VRBKA,M.,
KϑUPKA,I.,HARTL, M., WIMMER,M.A.,
TREMMEL,S. u. WARTZACK,S.:Towards
theunderstandingoflubricationmechanisms
intotalkneereplacements– PartII:Nume-
ricalmodeling. TribologyInternational 156
(2021),S.106809
[7] MARIAN, M., WESCHTA, M.,
TREMMEL,S.u.WARTZACK,S.:Simulation
of Microtextured Surfaces in Starved EHL
Contacts Using Commercial FE Software.
MaterialsPerformanceandCharacterization
6(2017)2,MPC20160010
[8] MORALES-ESPEJEL, G. E. u.
GABELLI, A.: Rolling bearing seizure and
sliding effects on fatigue life. Proceedings
oftheInstitution of MechanicalEngineers,
PartJ:JournalofEngineering Tribology233
(2019)2,S.339–354
[9] SADEGHI, F.,JALALAHMADI, B.,
SLACK,T.S.,RAJE,N.u.ARAKERE,N.K.:A
ReviewofRollingContactFatigue.Journalof
Tribology131(2009)4
[10] TAN, X., GOODYER, C. E.,
JIMACK,P.K.,TAYLOR,R.I.u.WALKLEY,
M.A.:Computationalapproachesformodel-
ling elastohydrodynamic lubrication using
multiphysics software. Proceedings of the
InstitutionofMechanicalEngineers, Part J:
JournalofEngineeringTribology226(2012)
6,S.463–480
[11] WESCHTA, M.: Untersuchungen
zurWirkungsweisevonMikrotextureninela-
stohydrodynamischenGleit/Wälz-Kontakten,
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
Nürnberg(FAU)Dissertation2017
[12] WINKLER, A., BARTZ, M. u.
WARTZACK,S.:Verschleißsimulationgrenz-
undmischreibungsbehafteterWälzkontakte.
TribologieundSchmierungstechnik68(2021)
5,S.14–23
[13] WINKLER, A., MARIAN, M.,
TREMMEL,S.u.WARTZACK,S.:Numerical
ModelingofWearinaThrustRollerBearing
under Mixed Elastohydrodynamic Lubrica-
tion.Lubricants8(2020)5,S.58
[14] WIRSCHING, S., MARIAN, M.,
BARTZ, M., STAHL, T. u. WARTZACK, S.:
GeometricalOptimizationoftheEHL Roller
Face/Rib Contact for Energy Efficiency in
TaperedRollerBearings.Lubricants9(2021)
7,S.67
[15] WIRSCHING,S., SCHWARZ,S. u.
TREMMEL,S.:Useofanalyticallydescribable
geometriestocalculatethecontactbetween
rollingelementfaceandribinbearingsimula-
tions.TribologieundSchmierungstechnik67
(2020)3
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
AUTOREN:
SvenWirsching,M.Sc.
AndreasWinkler,M.Sc.
Dr.-Ing.MarcelBartz
Univ.-Prof.Dr.-Ing.SandroWartzack
LehrstuhlfürKonstruktionstechnik(KTmfk)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-
Nürnberg(FAU)
Bild 3: Schmierfilmhöhe,Reibungskoeffizient
(COF)(a)undKontaktdruck(b)fürunter-
schiedlicheGeometriepaarungen.
7

8
Bild 1: StudierendeinIPbeimDiskutiereninder
Gruppe
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Studierende auf dem Weg zur verantwortungsvollen For-
schung und Produktentwicklung begleiten
DasThema Nachhaltigkeit und Umwelt-
schutzbewegtseitgeraumerZeiteinen
Großteilder Bevölkerung. Dies verdeutlicht
eineStudiedesUmweltbundesamts:Hierin
wurdenimNovemberundDezember 2020
rund2.000 Personen zuihremUmweltbe-
wusstsein und Umweltverhalten befragt.
68%allerBefragtenschätztenUmwelt-und
Klimaschutzals “sehrwichtig“ein. Gleich-
zeitighat,geradeinZeitenderCorona-Pan-
demie,derWertderHygieneKonjunktur.So
gewährleistetdiesorgfältigeAbpackungvon
LebensmittelnundmedizinischenArtikelnein
MindestmaßanReinlichkeit.DieseSorgfalt
konfligiertmitdemZiel,die Umwelt durch
Verringerungder Menge an Verpackungs-
müllzu schonen. Dies soll nurein Beispiel
vonvielen sein,beidemWertemiteinander
inKonflikt geratenundunsals Gesellschaft
undEinzelpersonenvorDilemmatastellen.
KÖNNENISTGLEICHSOLLEN?
Doch Wertkonflikte treiben nicht nur den
gesellschaftspolitisch interessierten Bürger,
sondern auch die den Fortschritts- und
Modernisierungsprozess gestaltenden Ver-
antwortungsträger und Fachkräfte in den
Unternehmen um. Gerade Ingenieurinnen
und Ingenieure in der Produktentwicklung
befindensich an derSchnittstelledoppelter
Verantwortung:Zum einen dieVerantwor-
tung,dieGesellschaftdurchdieEntwicklung
neuertechnischerLösungenvoranzubringen.
ZumanderendieVerantwortung,diesichaus
derEntwicklungvon Produkten und deren
Nebenfolgen ergibt. Etwas können, heißt
nichtzwangsweise,dasswiresauchsollen
bzw.wollen.DieVerbindungderfaktischen
(können)und normativen (sollen)Kompo-
nente eines Problemlösungsansatzes, stellt
eineganzheitlicheAntwortaufgesellschaft-
licheFragestellungen dar.Undgenaudafür
benötigtes IngenieurinnenundIngenieure,
die sich ihrer beidseitigen Verantwortung
bewusst sind und die Kompetenz haben,
Problemstellungen und mögliche Lösungs-
ansätzekritischreflektierenkönnen.
VONDERTHEORIEZURPRAXIS
Dieaus der Exzellenzinitiative amKITent-
standeneAcademyforResponsibleResearch,
TeachingandInnovation(ARRTI)– bei der
Prof. Albers als Ingenieurwissenschaftler
mitDirektoriumvertretenist- verfolgt das
Ziel,Reflexionskompetenz inethischenund
gesellschaftlichen Fragen bei Studierenden
undForschendenaufzubauen.EinBeispielfür
eineerfolgreicheIntegrationindas universi-
täreIngenieursstudiumistdasLive-LabIP -
Integrierte Produktentwicklung, kurz “IP”,
desIPEK–InstitutfürProduktentwicklung.
InIPdurchlaufensiebenTeams,insgesamt42
Masterstudierende,ausdenFachrichtungen
Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen
und Mechatronik einen praxisnahen Ent-
wicklungsprozessvonderstrategischenVor-
ausschaubiszum Prototypenbau. 2021/22
stellte der Unternehmenspartner Schubert
GmbHdie EntwicklungsteamsvordieProb-
lemstellung,dieVerpackungderZukunftund
diezugehörigenMaschinensystemeundVer-
packungsprozesseneuzudenken.
ImRahmendesProjektskamenethischrele-
vanteFragestellungenauf.SozumBeispiel
dereingangserwähnteZielkonfliktzwischen
HygieneundökologischerNachhaltigkeit.
BeiderIdentifikationunddemkompetenten,
reflektiertenUmgangmitderartigenWerte-
konfliktenwurdendieStudierendenvonPhi-
losophen begleitet. In Reflexionssitzungen
bewerteten die zukünftigen Produktent-
wicklerihre Produktideen auch hinsichtlich
ethischer Gesichtspunkte und wurden zur
ReflexionihrereigenenHaltungangeleitet.
IndiesemLernprozessdientenauchVorträge
vonVorbildernausderUnternehmenspraxis,
eine Grundlagenvorlesung zu Ethik und
Verantwortung im Ingenieuralltag und ein
Workshop zum Value Sensitive Design als
TüröffnerzumkritischenDenkenund Han-
deln.
DieKombinationprojektorientierterLehrfor-
matemitangeleiteterReflexionermöglichtes
denStudierendenKompetenzenaufzubauen,
welche ihnen später in der Praxis beim
Umgang mit ähnlichen Problemstellungen
helfenwerden.
TRANSFERINDIEBREITE
Über diese Projektbeispiel hinaus fördert
ARRTIdieReflexionskompetenzvonStudie-
renden,WissenschaftlernundLehrendenam
KIT.DurcheineVielzahlvonProjektenwie
Co-Teaching-Angeboten,bei denenGrund-
lagenvorlesungenimBereichMatNat,WiWi
und Ingenieurwissenschaften von Philoso-
phenund Sozialwissenschaftlern begleitet
werden, klassischen Lehrveranstaltungen
und Innovations-Wettbewerbe wird die
Reflexionskompetenz und verantwortliche
InnovationamKITunddarüberhinausaktiv
gefördert.
MehrzuARRTIunter:https://www.arrti.kit.
edu/
LITERATUR
[1]  Umweltbundesamt: Umweltbewusst-
sein in Deutschland. Online im Internet
unter https://www.umweltbundesamt.de/
themen/nachhaltigkeit-strategien-internati-
onales/umweltbewusstsein-in-deutschland
(24.04.2022).
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.Dr.h.c.AlbertAlbers
FelixPfaff,M.Sc.
MichaelJäckle,M.Sc.
IPEK–InstitutfürProduktentwicklung
KarlsruherInstitutfürTechnologie(KIT)

ModellermöglichteineZuverlässigkeitsaus-
sageüberdiegeplanteLebensdauer und,
darauf aufbauend, eine anwendungsge-
rechteAuslegung.
KOOPERATIONSPROJEKT
DaessichbeiderErmittlungdiesesLebens-
dauermodells um ein Thema von bran-
chenweitem Interesse handelt, wird das
Vorhaben im Rahmen der Industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bund
gefördert.ZweiForschungsinstitutederUni-
versitätStuttgart bringendabeikooperativ
ihreindividuellen Stärken ein: DasInstitut
fürMaschinenelemente(IMA)beschäftigt
sichmitdenFragenderoptimalenTestpla-
nung(DesignofExperiment,DoE)undder
statistischen Auswertung der Ergebnisse.
GleichzeitigwirddieExpertisedesdortigen
Forschungsbereichs„Zuverlässigkeitstech-
nik“ genutzt, um ein valides Lebensdau-
ermodell zu definieren. Die praktische
Versuchsdurchführungundmesstechnische
ErfassungderTeilentladungenverantwor-
tetdasInstitutfürEnergieübertragungund
Hochspannungstechnik(IEH).FürdieNach-
bildungfeldrelevanterBelastungenhatdas
InstitutinErmangelungetablierterNormen
angepasstePrüf-undMessverfahrenerar-
beitet,die imRahmendesForschungspro-
jektsweiterentwickeltwerden.
DieZusammenarbeit dieser zwei Institute
aus den Bereichen Maschinenbau und
Elektrotechnikspiegelt die Notwendigkeit
9
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Electric only statt electric first: Dieser
kürzlicherfolgteDevisenwechsel eines
deutschenFahrzeugherstellersfasstzusam-
men,wo heutederFokusindenEntwick-
lungsabteilungen der Automobilindustrie
liegt. Dies hat einen Transformationspro-
zessin Ganggesetzt,derganze Industrie-
zweigeins21.Jahrhundertführt:Wegvon
fossilangetriebenen Fahrzeugenundihren
Komponenten,hin zu Mobilitätslösungen
aufBasiselektromotorischer Antriebeund
regenerativerzeugterEnergie.Dochauch
regenerativerzeugteEnergiewillmöglichst
effizient eingesetzt werden – Stichwort
Reichweitenangst.VordiesemHintergrund
schicken sich Leistungshalbleiter auf SiC-
Basisan,die Elektromotoren von morgen
mit Strom zu versorgen. Sie ermöglichen
große Spannungshübe innerhalb kürzes-
terSchaltzeitenundminimierensomit die
Schaltverluste in modernen Transistoren.
GleichzeitigstellensolchetransientenSpan-
nungsverläufeeine hoheBelastungfürdie
beteiligtenKomponentendar.
SCHADENSMECHANISMUS
Diese hohe Belastung äußert sich insbe-
sonderein der verstärkten Anfälligkeit für
Teilentladungen.Andersalsbeieinemvoll-
ständigenDurchschlaghandeltessichhier-
beium eineelektrischeEntladung,welche
die Isolierung zwischen zwei Leitern nur
teilweise überbrückt. Dies führt zu einer
lokalenSchädigungderIsolation,dieihrer-
seits zukünftige Teilentladungen begüns-
tigt.DahergehtmitjederTeilentladungeine
VerkürzungderLebensdauereinher.Treten
sieansog.Hairpins–denStatorwicklungen
modernerelektrischer Traktionsantriebe–
gehäuftauf,kannderenIsolationvorzeitig
versagenunddieMaschinefälltaus.
Umsicherzustellen, dass dies im Feldein-
satznichtgeschieht,istdahereinerseitsdie
Fragezubeantworten,wiegenausichder
Schadensmechanismus Teilentladung auf
dieLebensdauereinersolchenWicklungs-
isolationauswirkt.Andererseitsistzuermit-
teln, unter welchen Einsatzbedingungen
Hairpinsbesonders anfälligfürdasAuftre-
tenvonTeilentladungensind.Erforderlich
istdahereinholistischesLebensdauermo-
dell, welches die unterschiedlichen elek-
trischen, thermischen und mechanischen
Einflussgrößenenthält (Bild1).Einsolches
Wie lange läuft der E-Motor von morgen?
DieanwendungsgerechteAuslegungzukünftigerE-MobilitätslösungenrücktdenSchadensmechanismus.
domänenübergreifender Lösungsansätze
fürzukünftigetechnischeFragestellungen
wider.GleichzeitigerfolgtderBrückenschlag
vonGrundlagenforschungzuAnwendungs-
orientierung im engen Kontakt mit aus-
gewählten kleinen und mittelständischen
Kooperationspartnern.
UMSETZUNG
In einer Reihe von Alterungsversuchen
werden Hairpins im Labor auf praxisna-
hen Spannungsniveaus betrieben (Bild
2).DiePrüflingewerdenmit realistischen
Rechteckspannungen mit den für SiC-
Anwendungen typischen extrem steilen
Taktflankenbeaufschlagt.Zuausgewählten
Zeitpunktenwirdkurzzeitig die Spannung
erhöht und wieder gesenkt. Dabei wird
detektiert,wannTeilentladungeneinsetzen
bzw.wiederaussetzen.DieseWertesinken
überderEinsatzdauerderHairpins(Degra-
dation),jenach Umgebungsbedingungen
unterschiedlichstark.Fürdenzuverlässigen
FeldeinsatzmussdieEinsetzspannungder
Teilentladungenüber der systemabhängi-
genAnregungsspannungliegen. Dabei ist
ein Sicherheitsabstand zu beachten, um
kurzzeitige Spannungsspitzen zu berück-
sichtigen. Je nach Batteriespannung (z.B.
400V oder800V)undHerstellervorgabe
sind individuelle Grenzwerte erforderlich,
diealle mitdemselbenLebensdauermodell
darstellbarseinmüssen.
FürdieErmittlungderumgebungsabhängi-
Bild 1: DieDegradationsgeschwindigkeitundsomitdieZuverlässigkeitbzw.LebensdauereinerWick-
lungsisolationhängtvonverschiedenenEinflussgrößenab
9

Bild 1: VermessungderSchwingungseigenschaften
desHand-Arm-Systems
10
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.BerndBertsche
PhilippMell,M.Sc.
Dr.-Ing.MartinDazer
InstitutfürMaschinenelemente
UniversitätStuttgart
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 2: ForschendevonIMAundIEHimLabor-
gebäudeaufdemCampusderUniversität
Stuttgart
genDegradationwerdenimLabor unter-
schiedlichste Belastungsniveaus simuliert,
wobeiteilweiseTemperaturenüber200°C
nötigsind.EinebesondereHerausforderung
stellt die stochastische Natur des Phäno-
mensTeilentladungdar:Auchbeigleichen
UmgebungsbedingungenvariierendieEin-
und Aussetzspannungen verhältnismäßig
stark.DurcheineverbesserteMessmetho-
dikund optimalgewählteVersuchspunkte
wirddementgegengewirkt.Somotivieren
dieIndustrieanforderungenandenE-Motor
vonmorgendieGrundlagenforschungvon
heute.
Anpassbare Impedanzelemente zur dynamischen Abbil-
dung des Menschen
WieanpassbareImpedanzelementezurSyntheseeinesschwingungstechnischeneinstellbarenHand-Arm-
ModellsdesMenschengenutztwerdenkönnen.
IndemgemeinschaftlichenDFG und SNF
geförderten Forschungsprojekt AIProVE
erforschtedasIPEKamKarlsruherInstitut
fürTechnologie(KIT)zusammenmitdem
PKT (TUHH) und pd|z (ETH-Zürich) die
Grundlagen zu anpassbaren Impedanz-
elementen(AIEs). Hierbei handelt es sich
umMechanismen mitseparateinstellbarer
SteifigkeitundDämpfung.Ausgehendvon
bekanntenPrinzipien ausdemBereichder
Robotikuntersuchten die beteiligten For-
schendendenEinsatzvon AIEs zur Simu-
lation unterschiedlichster mechanischer
Randbedingungen auf Prüfständen für
Dynamikuntersuchungen an technischen
Systemen.DasPKTbetrachtetehierbeiden
EinsatzvonAIEsimUmfelddesVibrations-
testingsvonFlugzeugkomponentenander
DFGgefördertenHexapod-Prüfanlage.Am
pd|zwurdenMöglichkeitenadditiverFerti-
gungsverfahrenzurspezifischenGestaltung
anpassbarerImpedanzelementeanindivi-
duelleAnforderungenuntersucht.
Am IPEK konnte aus den gewonnenen
Erkenntnissen ein einstellbares schwin-
gungstechnisches Hand-Arm-Modell für
dasTestinghandgehaltenerSystemeentwi-
ckeltwerden.
DasModellisthierbeiinderLagediekom-
pliziertenInteraktionen zwischen Mensch
undMaschine auf Ebene derVibrationen
wirkungsäquivalentundeinstellbarnachzu-
bilden.IngenieurinnenundIngenieurekön-
nenhierdurch, den menschlichen Einfluss
beiVibrationstestshandgehaltenerSysteme
prüfstandseitig abbilden und so Streuun-
gen stark reduzieren. Der Testaufwand
wirddadurchreduziert.FürdieEntwicklung
handgehaltener technischer Systeme ist
diesvonVorteil,dasoderZusammenhang
konstruktiverDetailsmitdembeobachteten
Systemverhaltenklarererschlossenwerden.
BeiklassischenhandgeführtenExperimen-
ten verschwimmt dieser Zusammenhang
zunehmenddurchdiestarkeStreuungdes
Menschenundfordertdaher meist große
StichprobenfüreindeutigeAussagen.
ANALYSE DES MENSCHEN UND
SYNTHESE VON HAND-ARM-
MODELLEN
ZurSynthese deseinstellbarenHand-Arm-
Modells wurden am IPEK in ausgedehn-
tenStudienmitHilfedes DFGgeförderten
Anwender-Interaktion-Prüfstandes die
SchwingungseigenschaftendesHand-Arm-
SystemsinunterschiedlichenArmhaltungen
undGreif-bzw.Andruckkräftenermittelt.
Über ein Shakersystem mit angebrach-
temMessgriff(vgl.Bild1)wirddasHand-
Arm-System zur Schwingung angeregt
undgleichzeitig diemechanischeReaktion
an der Hand ermittelt. Das System ist in
der Lage translatorische und rotatorische
Schwingungenauf das Hand-Arm-System
aufzuprägen.ÜbereineHub-undDrehein-
heit können die Shaker räumlich flexibel
angeordnetwerden, sodass erstmals auch
UntersuchungenamMenschenmitunter-
schiedlichen Arm- und Körperhaltungen
möglichsind.

11
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 2: EinstellbaresHand-Arm-ModellmitstatischenKraftausgleich(a),einstellbarerSteifigkeit(b),Dämpfung(c)sowieeinereinstellbaren
Griffaufnahme(d).
DassynthetisierteeinstellbareHand-Arm-
Modell(vgl.Bild2–hieramMessgriffdes
Shakersystems)berücksichtigtverschiedene
mechanischeAspektedesMenschen.Über
eine Griffaufnahme mit Elastomereinlage
(d) kann das Hand-Arm-Modell an den
Handgriffdes zu untersuchendentechni-
schen Systems angebunden werden und
bildetdadurch dieDynamikdermenschli-
chenHand ab.ÜbereinanpassbaresStei-
figkeits- (b) und Dämpfungselement (c)
werdendiedynamischenEigenschaftendes
Unter-undOberarmesangenähert.Wäh-
rend das menschliche Hand-Arm-System
dynamischnurgeringeSteifigkeitenbesitzt,
istder Mensch durch Muskelanspannung
dennochin derLagehohestatische Kräfte
zuerzeugen. Hierzu übernimmtein Kon-
stantkraftmechanismus (a) die Aufgabe,
statische Kräfte aufzunehmen ohne die
DynamikdesModellswesentlichzubeein-
flussen.DasentwickelteModellist in der
Lage den Menschen für Frequenzen bis
200Hzwirkungsäquivalentundeinstellbar
abzubilden.Hierdurcheröffnensich neue
MöglichkeitenimTestingvonhandgehalte-
nenundhandgeführtenSystemen.
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.SvenMatthiesen
AndreasLindenmann,M.Sc.
IPEK–InstitutfürProduktentwicklung
KarlsruherInstitutfürTechnologie(KIT)
DasdiesemArtikelzugrundeliegendeVor-
haben wurde mit Mitteln der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der
Projektnummer399922375 gefördert.Die
Verantwortung für den Inhalt der Veröf-
fentlichungliegtbeidenAutoren.DieAuto-
rendankenfürdieUnterstützung.
11

Bild 1: SchematischeDarstellungdesLehrkonzepts
12
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
connecTUM – Die Seilbahn als roter Faden in der Lehre
an der TUM School of Engineering and Design
DieStudierendenderTechnischenUniversitätMünchenwerdenimBachelorMaschinenwesenmitHilfeeiner
zentralenAnlage„connecTUM“bessermitdenAkteurenundVeranstaltungeninderLehrevernetzt.
ImRahmenderfortschreitendenDigita-lisi-
erungverändernsichdieAnforderungenan
IngenieurinnenundIngenieureimMaschi-
nenbaukontinuierlich. Produkteerfordern
einMehran methodischen Kompetenzen
undinter-sowietransdisziplinärerZusam-
menarbeit.DieLehreanderTUMSchool
ofEngineeringandDesignwirdzurSicher-
stellungeinerhochwertigenIngenieuraus-
bildung kontinuierlich weiterent¬wickelt,
wiez.B.durchdasinnovativeLehrkonzept
„connecTUM“.
DasvonProf.KarstenStahlvomLehrstuhlfür
MaschinenelementeangestoßeneLehrkon-
zept„connecTUM“ istschwerpunktmäßig
im Grundlagenstudium Maschinenwesen
derTUM verankert.NebendemLehrstuhl
fürMaschinenelementesinddieLehrstühle
fürAutomatisierungundInformationssys-
teme, Fördertechnik Materialfluss Logis-
tik, Produktentwicklung und Leichtbau,
Mikrotechnik und Medizingerätetechnik,
Umformtechnik und Gießerweisen sowie
Werkzeugmaschinen und Fertigungstech-
niklangjährigeProjektpartnerdesLehrkon-
zepts.DiesesJahrkonntedasTeammitdem
Lehrstuhlfür Werkstofftechnikder Additi-
venFertigungerneutverstärktwerden.Der
LehrstuhlfürNumerischeMechanikundder
LehrstuhlfürAngewandte Mechanik sind
alsweitereProjektpartnerinPlanung.
Das Lehrkonzept konnte bereits beim
VDMA Bestes Maschinenhaus 2019 als
Finalist überzeugen. 2021 wurde „con-
necTUM“ mit dem Ernst-Otto-Fischer-
Lehrpreis ausgezeichnet. Dieser Lehrpreis
zeichnetinnovative und besonders gelun-
geneLehrprojekteaus,welcheanderTUM
umgesetztwerden.ImFokusdesLehrkon-
zepts steht eine zentrale maschinenbau-
liche Anlage, welche die Bachelormodule
vernetzt und die Studierenden im Sinne
eines roten Fadens durch das Grundla-
genstudium begleitet (siehe Bild 1). Die
gemeinsame Anlage wurde im Rahmen
einesmehrstufigenAuswahlprozessesdurch
dieBeteiligtenfestgelegt.SeitdemStudi-
enjahr2021/2022istdieserrote Fadenim
GrundlagenstudiumMaschinenwesen der
TUMeine„urbane Seilbahnanlage“. Eine
solcheSeilbahnanlagebieteteinsehrgroßes
Potenzialzursystematischenundübergrei-
fendenVernetzungder LehreimBachelor.
EineSeilbahnanlage beinhaltetschließlich
unterschiedlichsteModule, an denen sich
das Zusammenwirken mechanischer und
elektr(on)ischer Komponenten, Sensoren,
SoftwareundSteuergerätendemonstrieren
lässt. Daneben bietet eine solche Anlage
viel Spielraum zur Demonstration und
Anwendung von Produktions- und Pro-
duktentwicklungsmethoden. Im Rahmen
desBachelor-Curriculumsdurchlaufendie
Studierenden bei „connecTUM“ anhand
unterschiedlicherModulederSeilbahnan-
lage die für die Produktentwicklung ent-
scheidenden Phasen
des Produktentste-
hungsprozesses – in
umgekehrter Reihen-
folge.Siewendeneine
systematische Denk-
weise bei der Lösung
der komplexen inter-
disziplinären Aufgabe
mitkonkretenAnwen-
dungsbezug an und
lernen, welche unter-
schiedlichen Metho-
den und Werkzeuge
verwendetwerden.Im
5. und 6. Fachsemes-
terentwickelndieStudierendenim Modul
„Produktentwicklung–KonzepteundEnt-
wurf“methodischdasKonzeptderAnlage
undskizzierenMaschinen-Subsysteme.Ein
KonzeptfürdieIT-Hard-undSoftwareent-
werfensieimRahmenderModule„Indust-
rielleSoftware-entwicklungfürIngenieure“
und „Automatisierungstechnik“. Im 3.
und 4. Fachsemester werden im Modul
„Maschinenelemente“geeigneteMaschi-
nenelemente auf Basis des ausgewählten
Konzeptsausgewählt,nachgerechnetund
SubsystemederAnlagekonstruiert.Gleich-
zeitigwirdimModul„Werkstoffkundedes
Maschinenbaus“dieRollederWerkstoffe
imMaschinenbau definiert und die Struk-
turen,dieEigenschaftenunddasVersagen
derWerkstoffeanalysiert.
Im1.und2.FachsemesterfertigendieStu-
dierendeneinCADModellundtechnische
ZeichnungeneinesGehängeseinerSeilbahn
mitdendazugehörigen Bauteilen im Rah-
men des Moduls „Grundlagen CAD und
Maschinenzeichnen“an.Paralleldiskutie-
rensiediePotenzialeundHerausforderun-
genderIT-Hard-undSoftwareimModul
„Grundlagender modernenInformations-
technik“. Im Modul „Einführung in die
Produktionstechnik“wirddasThemaFerti-
gungdiskutiertundimModul„Technische
Mechanik“werdendieKräftesystemeana-
lysiertunddurchSchneidenvon Baugrup-
penGleichgewichtsbedingungenaufgestellt
undMassenschwerpunktebestimmt.
FürdiegezielteKompetenzentwicklungder
Studierendenistdieengeinterdisziplinäre
ZusammenarbeitderLehrendeneineessen-
zielleVoraussetzung.„connecTUM“leistet
hierzueinenwesentlichenBeitrag.
Prof.Dr.-Ing.KarstenStahl
M.Sc.MaximilianTrübswetter
M.Ed.RudolfMotzet
LehrstuhlfürMaschinenelemente
TechnischeUniversitätMünchen

13
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
FIT4HPC – High Performance Computing für KMU
ImZugedesProjektsFIT4HPCwerdenbayrischeKMUaufdieweitervoranschreitendeDigitalisierungunddie
damiteinhergehendenHerausforderungenimRahmenderProduktentwicklungvorbereitet
Immermehr Prozesseverlagernsichindie
digitale Welt, so auch in verschiedenen
Phasender Produktentwicklung. Virtuelle
Analysensind schonseitlängeremTeildes
Entwicklungsprozessesundersetzenzuneh-
mendTeilederErprobungsphase.Allerdings
werden dadurch enorme Datenmengen
angehäuft, die mit herkömmlichen PCs
nichtmehr effizienthandhabbarsind. Eine
Möglichkeit große Datenmengen schnell
undzweckmäßigzuverarbeitenbietetdas
HighPerformanceComputing(HPC).
SCHLÜSSELTECHNOLOGIEHPC
HPC stellt eine Schlüsseltechnologie dar
und soll in den nächsten Jahren auf ver-
schiedenen Ebenen massiv gefördert
werden. Ziel der Förderinitiativen ist der
Ausbauder Recheninfrastruktur sowie die
Weiterentwicklung der HPC-spezifischen
Softwaretechnologien. Hierdurch soll
eine zunehmende Verbreitung der HPC-
Nutzung,insbesondere in derWirtschaft,
erreicht werden. Durch die Ausnutzung
der massiv-parallelen Recheninfrastruk-
turvon HPC-Systemen können beispiels-
weiseMethodenderkünstlichenIntelligenz
und des maschinellen Lernens schneller
umgesetztwerden,was zu kürzerenPro-
duktentwicklungszyklen und schnellerem
Time-To-Market führen kann. Auch kon-
ventionelle Ansätze der virtuellen Pro-
duktentwicklunglassensichinihrerEffizienz
durchHPC-Systemesteigern.Beispielsweise
können rechenzeitintensive Simulationen
und Analysen durch HPC-Systeme deut-
lichbeschleunigtwerden.Je genauer und
detaillierterSimulationensind,destoaussa-
gekräftigerihre Ergebnisseunddesto grö-
ßer die Möglichkeiten der Virtualisierung
einzelnerTestdurchläufe.Der HPC-Einsatz
ermöglicht es den Anwendern entweder
ihreEntwicklungszeitenverkürzenoderbei
gleicherEntwicklungszeitmehrunddeut-
lichdetailliertereSimulationendurchzufüh-
ren.JenachstrategischerAusrichtungder
Unternehmen ist somit die Generierung
zusätzlicher Wettbewerbsvorteile durch
bessereProdukteodereffizientereProzesse
möglich.
HERAUSFORDERUNGFÜRKMU
Anwender,vorallemauskleinenundmitt-
leren Unternehmen (KMU), die durchaus
vondenVorteilenvonHPC-Systemenpro-
fitierenkönnen,schreckenhäufigaufgrund
einerVielzahl an Herausforderungenund
ihren Abhängigkeiten untereinander vor
demEinsatz zurück.BetroffeneUnterneh-
mensehensichzumBeispieldamitkonfron-
tiert,den zeitlichen Horizont derNutzung
derHPCRessourcenzuquantifizieren.Eine
Vorabeinschätzungermöglichtes, dieHPC
Ressourcen exakt und kosteneffizient zu
beziehen.Auchgiltes aufgrund der fort-
schreitendenEntwicklungimCloud-Com-
puting-Bereich unterschiedliche Ansätze
zurAusgestaltungder HPC-Architekturen
zuvergleichen.Dieseweisenauffinanzieller
SeitediverseImplikationen,mitjeweilsVor-
undNachteilen, auf.Weiterhinsindneben
wirtschaftlichenAspektenauchorganisato-
rischeundtechnischeRahmenbedingungen
innerhalb der Unternehmen vor der Ein-
führungvonHPC-basierten Methoden zu
berücksichtigen.
DASPROJEKTFIT4HPC
Ziel des vom Europäischen Sozialfonds
(ESF) geförderten Projekts FIT4HPC ist
es, den Herausforderungen effektiv ent-
gegenzutreten. Das Projekt unterstützt
interessierteKMUinden Bereichen HPC-
Hardware, Software und Technologien
aber auch in organisatorischen und wirt-
schaftlichen Aspekten, wie beispielsweise
beider Investitionsrechnung,derEntschei-
dungsunterstützung sowie der Prozess-
undSystemintegrationvonHPC-Systemen.
DieteilnehmendenKMU erhalten Wissen
über die technischen und infrastruktu-
rellen Grundlagen von HPC-Systemen,
überdie EntwicklungunddenEinsatz von
Werkzeugen sowie über Methoden der
Produktentwicklung. Die Unternehmen
erhalten die Kompetenz das aufgebaute
Know-how effizient und ressourcenscho-
nendzunutzen.DasProjektFIT4HPCver-
einfachtsomit die IntegrationvonHPCin
dieProduktentwicklungfürUnternehmen
undunterstützt beim Aufbauzukunftsfä-
higerGeschäftsmodellesowierobusterund
effizienterEngineering-Prozesse.Dadurch
werdenKMUdazubefähigt,diePotentiale
derfortschreitendenDigitalisierungfüreine
StärkungdereigenenPositionim globalen
Wettbewerbzunutzen.
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.StephanTremmel
MatthiasRoppel,M.Sc.
JohannesMohr,M.Sc.
LehrstuhlfürKonstruktionslehreundCAD
UniversitätBayreuth
Bild 1: HandlungsfelderundinhaltlicheSchwerpunktedesFIT4HPCProjekts.
13

14
korrekten Nachbildung nutzt das PKT die
additiveFertigung (AM),dieesermöglicht,
anatomischeModelleausoriginalenPatien-
tendatenzuerzeugen. Auch wird dieindi-
rekteFertigung überAMgenutzt,umüber
eineAbformungeinbreiteresSpektruman
Materialienunddamitauchgewebeäquiva-
lentereMaterialiennutzenzukönnen.
AKTUELLE FORSCHUNGSPRO-
JEKTE
DasPKTarbeitetimAnwendungsfeldMedi-
zintechnikengmitdemUniversitätsklinikum
Hamburg-Eppendorf (UKE) zusammen. In
Zusammenarbeit mit der Klinik und Poli-
klinik für Neuroradiologische Diagnostik
undIntervention wurdeeinendovaskuläres
Simulationsmodell (HANNES – Hamburg
AnatomischesNeurointerventionelles Simu-
lationsmodell,sieheBild1Mitte)entwickelt,
dieanatomisch- undphysiologisch-korrekte
Nachbildung des Originals (Mensch/Tier)
dar,umz.B. in der Ausbildungeinenbest-
möglichenTrainingseffektzuerzeugenbzw.
inderQualitätssicherungeingewebeäquiva-
lentesAbbildzuerhalten.DieNachbildung
originalerPatientenanatomienerhöhtzudem
denNutzendieserModelle.
Diesen Herausforderungen begegnet das
PKTimRahmendesAnwendungsfeldesMe-
dizintechnikauszweiForschungsrichtungen.
ZumeinenwirdanMethodengeforscht,die
dieEntwicklungsolcherModelleunterstüt-
zenund dieIndividualisierungimSinne von
patientenspezifischenModellendurcheinen
modularen Aufbau gewährleisten können.
ZumanderenwirdimBereichderStruktura-
nalyseundVersuchstechnikdieEntwicklung,
Fertigungund TestungsolcherModellevo-
rangetrieben(siehe Bild1).Zuranatomisch-
AKTUELLEHERAUSFORDERUNGEN
Das Institut für Produktentwicklung und
Konstruktionstechnik(PKT) derTechnischen
UniversitätHamburg(TUHH)forschtimBe-
reichdesAnwendungsfeldesMedizintechnik
anderEntwicklungundAnwendungmedizi-
nischerSimulationsmodelle.
Medizinische Simulationsmodelle stellen
realeGegebenheitendermenschlichenoder
tierischenAnatomie mithilfevonphysischen
Komponentennach. Dadurch können ver-
schiedene Zielsetzungen zur Verbesserung
derVersorgungsqualitätundPatientensicher-
heitinLehre,Aus-undWeiterbildungsowie
ForschungundEntwicklungerreichtwerden.
Sietragenzudemdazubei,denEinsatzrealer
Tierezu den genannten Zwecken im Sinne
des3R-Prinzips(Replace,Reduce,Refine)zu
reduzierenbzw.vollständigzuersetzen.We-
sentliche Herausforderungen stellen dabei
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 1: ForschunginderMedizintechnikamPKT(inAnlehnungan[1])
Aktuelle Trends in der Entwicklung von Medizinischen
Modellen
ForschungsprojekteamPKT

15
welcheseinetierversuchsfreieTrainings-und
Forschungsumgebung für neurovaskuläre
Erkrankungen(Aneurysmen, Schlaganfälle)
bietet.InZusammenarbeitmitderKlinikfür
Strahlentherapie und Radioonkologie wer-
denvorrangigPhantome entwickelt, die in
der Bildgebung und Strahlentherapie zur
Qualitätssicherung eingesetzt werden. Die
ZusammenarbeitmitdiesenProjektpartnern
spiegeltsichinzahlreichengefördertenFor-
schungsprojektenwider.
DieGrundlagefürdasendovaskuläreSimula-
tionsmodellwurdeindemvomForschungs-
zentrumMedizintechnik Hamburg (fmthh)
gefördertenProjektALSTER(AneurysmLike
Synthetic bodies for Testing Endovascular
devicesinReality)gelegt.ImvomBMBFge-
fördertenProjekt ELBE-NTM(Development
andEvaluation ofaPatient-BasedNeuroin-
terventionalTrainingModel)wurdendie Er-
gebnissegenutzt,umeinfunktionstüchtiges
Gesamtmodell zur Simulation der Aneu-
rysma-Behandlungzuentwickeln. Mit dem
vomBMBFgefördertenProjektCOSY-SMILE
(CompletelySynthetic StrokeModelforIn-
terventional Development and Education)
wurdediesesModellumSchlaganfallspezi-
fika(Thromben,Stenosen,etc.)erweitert.Ab
01.06.2022wirdsichandiesesProjektdas
Nachfolgeprojekt COSY-SMILE 2 anschlie-
ßen,welches dasSchlaganfallmodellerwei-
tertundnochrealitätsnäherausgestaltet.
Im Rahmen des von der Hamburger Lan-
desforschungsförderung (LFF) geförderten
Graduiertenkollegs „Innovative Technolo-
gieninderKrebsdiagnostikund-therapie“
forschtdasPKTaktuell an der Entwicklung
einesKleintier-Phantoms.Diesessollüberdie
Integrationvon Tumorprobenzur automa-
tisiertenAnalyseinbildgebendenVerfahren
genutztwerden,wodurcheinErkenntnisge-
winnbezüglichderDiagnostikunddesThera-
pieverlaufsvonTumorerkrankungenanhand
derphantombasiertenNachbildungenerzielt
werdenkann.SeitJanuar2022wirdimvom
fmthhgefördertenProjektPEEK(Entwicklung
einesPhantoms zur „end-to-end“Verifika-
tioneinerKleintierbestrahlung)zusätzlichan
derErweiterung des Kleintierphantoms für
einedurch Biolumineszenz-Bildgebung un-
terstütze Kleintierbestrahlung gearbeitet.
KooperationspartnerimProjektistdasLabor
fürStrahlenbiologieundExperimentelleRadi-
oonkologieamUKE.
Neben der präklinischen Forschung wird
auch in der klinischen Strahlentherapie an
Phantomen geforscht. Zusammen mit der
KlinikfürStrahlentherapieundRadioonko-
logieamUKEsowiederMartini-Klinik(Pro-
statakrebszentrum Hamburg-Eppendorf)
wurde das Projekt CHARLIE (Entwicklung
einerMethode fürdieQualitätssicherungin
der fokalen Strahlentherapie des Prostata-
Karzinoms) durchgeführt. Im Rahmen des
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
vomfmthhgefördertenProjektswurdendie
IntegrationsmöglichkeitenvonBefundenaus
BildgebungundBiopsieindie Bestrahlungs-
planungmithilfeeinesmultimodalen sowie
deformierbarenBeckenphantomsanalysiert.
Das Beckenphantom ermöglicht die Qua-
litätssicherung des gesamten Ablaufs der
StrahlentherapiebeieinemProstatakarzinom.
DabeiliegteindarstellbarererSchwerpunkt
aufdenAuswirkungendertäglichenLage-
änderungenderProstatadurchvariierende
Füllständeder HarnblaseunddesEnddarms
beimPatienten.
LITERATUR
[1]Krause,D.;Hartwich, T.S.;Rennpferdt,
C. (Hrsg.): Produktentwicklung und Kon-
struktionstechnik,Forschungsergebnisseund
-projekte der Jahre 2016 bis 2020, Sprin-
gerVerlag,Berlin, Heidelberg,Deutschland,
2020,https://doi.org/10.1007/978-3-662-
62393-0_11
AUTORINNENUNDAUTOREN
Prof.Dr.-Ing.DieterKrause
MarieWegner,M.Sc.
NadineWortmann,M.Sc.
Institut für Produktentwicklung und Kon-
struktionstechnik(PKT)
TechnischeUniversitätHamburg(TUHH)
VD1515
15

Kraft – und Momentenbeanspruchungen
separiertwerdenkönnen.
DiereineKraftmessunggewährleistetkeine
umfassende Überwachung von Betriebs-
zuständen.Daher werden zusätzlichwei-
tereSensorenintegriert,um beispielsweise
BeschleunigungundTemperaturzumessen
undStörgrößenkompensationzu ermögli-
chen.Herausforderndistauchdiegeringe
zur Verfügung stehende Energie (bspw.
durchEnergy-Harvesting).Umdiedrahtlos
zuübertragenderDatenmengezureduzie-
ren,dieeingroßerEnergietreiberist,müs-
sendie Messdatenvorverarbeitetwerden.
Dazu werden geeignete energiesparende
Prozessorenbenötigt.
ENTWURFSMETHODIK FÜR
ZYLINDRISCHE MASCHINENELE-
MENTE
Durch die hohen Anforderungen an die
EntwicklungvonmechatronischenMaschi-
nenelementenaufgrundvielerkomplexer,
domänenübergreifender Schnittstellen ist
einemethodischeUnterstützungessentiell.
DahersollendieErkenntnisse und Vorge-
hensweisenausdiesemProjektmitErkennt-
nissenaus anderen Teilprojektendes SPP
zusammengeführt und in eine Entwurfs-
methodiküberführtwerden.DasZieldieser
Methodikist es,Produktentwicklerbeider
Synthese von SiME zu unterstützen. Die
Entwurfsmethodiksolldabeiaufexistieren-
denundetabliertenMethodikenaufbauen
und diese erweitern. Der Fokus liegt auf
demWissen,daszurProblemlösungspeziell
inderGruppederzylindrischenMaschinen-
elementenotwendigist.
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.SvenMatthiesen
JulianPeters,M.Sc.
IPEK–InstitutfürProduktentwicklung
KarlsruherInstitutfürTechnologie(KIT)
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NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 1: KonzeptionderMesskettefüreinesensorintegrierendeSchraube
Die Generierung von Prozessdaten in
unmittelbarerUmgebung von Maschinen
undAnlagenistwichtig,dasieTreiberfür
dieZukunftsthemenimMaschinenbauwie
bspw.Digitalisierung,Industrie 4.0,Digital
Twinningsind,wofüreineFülle an Daten
benötigtwird.DurchSensorikandenpro-
zessrelevantenStelleninderMaschinekön-
nendieDatenvorteilhaft flächendeckend
undin hoher Qualität gemessenwerden.
Dabeimüssendiesogenanntensensorinte-
grierendenMaschinenelemente(SiME)zu
denbisherigenmechanischenSchnittstellen
und Dimensionierungsregeln passen, um
mitminimalemAnpassungsaufwandauch
in bestehende Maschinen und Anlagen
integriert werden zu können. Um diesen
Herausforderungen zu begegnen, wurde
bei der Deutschen Forschungsgemein-
schaft (DFG) das Schwerpunktprogramm
(SPP)2305eingerichtet.IndiesemRahmen
beschäftigensichzehnuniversitätsübergrei-
fendeProjekte mit verschiedensten inter-
disziplinärenForschungsfragestellungenim
RahmenderSiME.GefördertvonderDFG
(Projektnummer:466650813)wirdamIPEK
zusammenmit MUST (Prof.Kupnik) und
IES(Prof. Hofmann, beideTU-Darmstadt)
in diesem Rahmen an sensorintegrieren-
den Schrauben geforscht. Diese eignen
sich besonders für die Sensorintegration,
dasie sich imKraftfluss befinden undzu
denmeistverbreitetenBauteilverbindungen
gehören.
SENSORINTEGRIERENDE
SCHRAUBEN
Im Gegensatz zur theoretischen Betrach-
tungistdieBelastungaufeineSchraubein
derRegelmehrachsig.Sowirkenbereitsbei
konventioneller Montage von Schrauben
durchdieTorsionsbelastungQuerkräfteauf
dieSchraubeund auch im Betriebkommt
es zu sicherheitsrelevanten Biege- und
Scherbeanspruchungen,welchezusätzlich
zuraxialenVorspannkraftaufdieSchraube
wirken.SomitisteinemehraxialeKraftmes-
sungnotwendig,auchumBelastungenaus
verschiedenenRichtungen undderenNut-
zungfürdieProzessüberwachungmitFeh-
lerfrüherkennung zu ermöglichen. Neben
demErhaltderTragfähigkeitundder Bau-
raumneutralitätwerdenAnforderungenan
eine autarke Energieversorgung und her-
metische Abgeschlossenheit gestellt, um
dieVerwendunginbreitenEinsatzgebieten
zuermöglichen.DieIntegrationvonSen-
sorikimInnerenvonSchrauben bedeutet
meist, Material zu entfernen, was i.d.R.
eineSchwächungder Struktur und Beein-
trächtigungderTragfähigkeitbedeutet.Im
Projekt untersuchen wir deshalb, wie die
Schwächungmöglichst reduziert, und ein
bestmöglicherKompromisszumPlatzbedarf
derSensorikgefundenwerdenkann.Zielist
es,dieGestaltungundDimensionierungsre-
gelnausdenbekanntenNormenundRicht-
linien(DIN13-1,VDI2230)weitestgehend
einzuhalten. Analytische und numerische
BerechnungenmittelsFEM werden durch
Prüfstandsversucheergänzt,umdengefun-
denenDesignraumzuverifizieren.
MehrereSensorprinzipienwerdenaufihre
Eignung geprüft. Abhängig davon wird
neben dem Designraum die Struktur der
Schraube so gestaltet, dass überlagerte
Sensorintegrierende Schrauben zur mehraxialen
Kraftmessung
ImRahmendesSPP2305:SensorintegrierendeMaschinenelementealsWegbereiterflächendeckender
Digitalisierung

17
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
17

18
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juni2021
18
Mit der signifikanten Erhöhung der Maxi-
maldrehzahl der Antriebsmaschinen von
elektrischen,automobilenAntriebssträngen,
werdendasMotorvolumen,dieMotormasse
unddieMotorkostenerheblichreduziertund
damiteine Steigerung der Leistungsdichte,
Effizienz und Wirtschaftlichkeit erreicht.
ZurWandlungderAntriebsdrehzahlaufdie
erforderliche Raddrehzahl muss ein Hoch-
drehzahlgetriebe eingesetzt werden. Die-
serAufwandkanninVerbindungmiteiner
MehrgängigkeitdesGetriebesundeinerin-
telligentenBetriebsstrategieeinhohesPoten-
tialzurReichweitensteigerungbieten.
HOCHDREHZAHLKONZEPT
In rein elektrisch betriebenen automobilen
Antriebssträngenwerdenpermanenterregte
Synchron- oder Asynchronmaschinen als
Fahrantriebeeingesetzt. Stand derTechnik
sindBetriebsdrehzahlendieserAntriebsma-
schinen von ca. 15.000 min-1. Vorange-
gangene Forschungsvorhaben erreichten
Antriebsdrehzahlen der Antriebsmaschinen
von 30.000 min-1. [1] Während des For-
schungsprojektesSpeed4Ewerdendieper-
manenterregten Synchronmaschinen mit
einer Maximaldrehzahl von 50.000 min-1
betrieben.
FORSCHUNGSANTRIEBSSTRANG
DerSpeed4E Forschungsantriebsstrangwird
vonzweiHochdrehzahlmaschinenangetrie-
ben.Infolgedesdualen Getriebekonzeptes
ergebensich zahlreiche Vorteilehinsichtlich
derBetriebsstrategie undderdamitverbun-
denenEffizienzsteigerungdesForschungsan-
triebsstranges.DasGesamtgetriebe besteht
auseinemPlaneten-undeinem schaltbaren
Stirnradgetriebe.Beide Teilgetriebesummie-
renihreAntriebsleistungaufdasStirnraddif-
ferential.DieAsynchronmaschinetreibtdas
Planetengetriebean undbefindetsichdau-
erhaftimEingriffmitdemStirnraddifferential.
DaszweigängigeStirnradgetriebewirddurch
die permanenterregte Synchronmaschine
angetrieben.Diese kann mechanisch über
die Klauenkupplung aus dem Leistungs-
strangausgekuppelt werden,Bild1.Die für
den Schaltvorgang nötige Synchronisation
derantriebsseitigen Massenerfolgtüberdie
Drehzahlreglung der permanenterregten
Synchronmaschine.
Aus der beschriebenen Getriebetopolo-
gieund den Wirkungsgradkennfeldern der
Hochdrehzahlmaschinenkönnenvorteilhafte
Betriebsarten des Forschungsantriebsstran-
ges abgeleitet werden. Der Gesamtwir-
kungsgrad der Asynchronmaschiene ist
kleinerals der,derpermanenterregtenSyn-
chronmaschine. Aus diesem Grund wird
die Asynchronmaschine eingesetzt, um
zusammen mit der Synchronmaschine die
Spitzenleistung des Antriebsstranges be-
reitzustellen.Im Betrieb mit geringem und
mittlerem Antriebsleistungsbedarf liefert
allein die permanenterregte Synchronma-
schinedieerforderlicheAntriebsleistung.Die
Asynchronmaschine kann während dieses
Betriebsmodus,ohneelektrischeVerlustezu
erzeugen,mitgeschleppt werden.Umeinen
ZugkraftunterbrechungsfreienGangwechsel
zuermöglichenodereinenBeschleunigungs-
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
vorgangmitMaximalleistungdurchzuführen,
kanndieAsynchronmaschineimÜberlastbe-
trieb die Leistung der permanenterregten
Synchronmaschine am Stirnradgetriebe
kurzzeitigersetzenbzw.überlängereZeiter-
gänzen.DieMehrgängigkeitdesStirnradge-
triebesermöglicht es,diepermanenterregte
Synchronmaschineaneinem Betriebspunkt
mitoptimiertemWirkungsgradzubetreiben.
HOCHDREHZAHLMASCHINEN
Die mechanische Konstruktion der Hoch-
drehzahlmaschinensowiedieAuslegungder
Rotorwellenlagerung wurde während des
KonsortialprojektesSpeed4EvomInstitutfür
Maschinenkonstruktion und Tribologie an
derLeibnizUniversität Hannover durchge-
führt.AufGrundderhohenLeistungsdichte
der elektrischen Hochdrehzahlmaschinen
musstewährendderKonstruktiondaraufge-
achtetwerden,dassdieentstehenden elek-
trischenund mechanischen Wärmeverluste
während des Betriebes abgeführt werden
können. Die Entwärmung der Lagerstel-
lender Rotorwelleerfolgtüberumlaufende
Kühlkanäle am Lageraußenring und eine
Rotorinnenkühlung,Bild2. Die elektrischen
VerlusteanderStatorwicklungwerdenüber
eineMantelkühlungabgeführt.
ZurUntersuchung desReibungs-undTem-
peraturverhaltensder Rotorwellenlagerung
der permanenterregten Synchronmaschine
wurdediesealsVersuchslagerungaufgebaut
und auf dem Hochdrehzahllagerprüfstand
desInstitutsfürMaschinenkonstruktionund
Tribologiean der Leibniz Universität Han-
noverbiszur Maximaldrehzahl von50.000
min-1 betrieben. Das Festlager der Rotor-
wellenlagerung,bildenzweifettgeschmierte
hybrid-SpindellagerTyp7006 inO-Anord-
nung.AlsLoslagerwirdeinfettgeschmiertes
hybrid-SpindellagerTyp7005eingesetzt,das
mittelsWellfederelastischvorgespanntwird.
InBild 3sinddieLagerreibungsverluste und
TemperaturverläufederRotorwellenlagerung
in Abhängigkeit der Rotorwellendrehzahl
dargestellt.
Bei der Höchstdrehzahl von 50.000 min-1
FIT4HPC – High Performance Computing für KMU
ImZugedesProjektsFIT4HPCwerdenbayrischeKMUaufdieweitervoranschreitendeDigitalisierungunddie
damiteinhergehendenHerausforderungenimRahmenderProduktentwicklungvorbereitet
Bild 2: Hochdrehzahlmaschine
Bild 1: Speed4EForschungsantriebsstrang
18

stiegdieTemperaturaminnerenLagerder
O-AnordnungübereinefürdieKäfige der
verwendetenWälzlagerkritischeTemperatur
von105°C. Während der Versuchsaufbau
ungekühltbetrieben wurde,werdendieLa-
gerstellender Hochdrehzahlmaschinen des
Forschungsantriebsstranges über eine Sta-
19
tor-undRotorinnenkühlungentwärmt.Das
Überschreitender thermischen Belastungs-
grenzenderWälzlagerwirddamitvermieden.
LITERATUR
Speed2E- InnovativesSuper-Hochdrehzahl-
Mehrgang-Konzept für den elektrifizierten
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
automobilenAntriebsstrang für höchsteEf-
fizienzundhöchstenKomfort,Abschlussbe-
richt
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.GerhardPoll
TimBrieke,M.Sc.
Dipl.-Ing.MariusNiemeier
InstitutfürMaschinenkonstruktion und Tri-
bologie
LeibnizUniversitätHannover
DasdiesemArtikelzugrundeliegendeVorha-
benwurdemitMittelndes Bundesministeri-
umsfürWirtschaftundKlimaschutz(BMWK)
unterdemFörderkennzeichen01MY17003B
gefördert.DieVerantwortungfürdenInhalt
derVer-öffentlichungliegtbei denAutoren.
DieAutorendankenfürdieUnterstützung.
Bild 3: LagerreibungsverlusteundLagertemperaturen
Sensorintegrierende Maschinenelemente – Das DFG-
Schwerpunktprogramm SPP 2305
DasDFG-SchwerpunktprogrammSPP2305haterfolgreichFahrtaufgenommen.ZehninterdisziplinäreVer-
bundvorhabenspannendieweiteForschungslandschaftumdieSensorintegrationin„gewöhnlichenMaschi-
nenelementen“auf.
DieDigitalisierung bietetenormesPotenzial
für gesellschaftlich bedeutsame Innovati-
onen.Zur breitenUmsetzungdiesesPoten-
zialsstehen die dafür erforderlichenDaten
jedoch nicht in ausreichender Menge und
QualitätzurVerfügung.Dasichin nahezu
jederMaschineindirekterProzessnähestan-
dardisierteMaschinenelementewieSchrau-
ben,LagerundZahnräder befinden, bietet
es sich an, genau dort Sensorsysteme zu
integrieren. Durch in-situ Datenerfassung
undunmittelbareInformationsaufbereitung,
können unterschiedliche prozessrelevante
MessaufgabenerfülltundaufSystemebene
weiterverarbeitet werden. So können zum
Beispiel an einem Zahnrad integrierte Be-
schleunigungssensorsystemeInformationen
wie Drehwinkel, Vibrationen und örtliche
Temperaturen mit geeigneten Methoden
auswertenundunteranderemSchädenfrüh-
zeitigdemSystemmelden.
DieDFG hat imMai 2020 die Einrichtung
des Schwerpunktprogramms „Sensorinte-
grierende Maschinenelemente als Wegbe-
reiterflächendeckenderDigitalisierung“(SPP
2305) beschlossen. Das Programm ist auf
eineLaufzeitvonsechsJahrenausgerichtet.
KoordiniertwirddasSchwerpunktprogramm
vonProf.KarstenStahl(FZG,TUMünchen),
imProgrammausschusssinddiebeidenWi-
GeP-MitgliederProf.EckhardKirchner(pmd,
TUDarmstadt) und Prof. SvenMatthiesen
(IPEK,KIT)sowieFrauProf.DianaGöhringer
(AdaptiveDynamischeSysteme,TUDresden)
undProf.KlausHofmann(IntegrierteElektro-
nischeSysteme,TUDarmstadt)vertreten.
19

20
LITERATUR
[1]Breimann, R., Kirchner, E., Küchenhof,
J.:SensorintegrierendeMaschinenelemente
–Klassifizierung,BeispieleundHerausforde-
rungen.In: Schlecht,B.,Schulze,T.(Hrsg.):
DresdenerMaschinenelementeKolloquium
DMK,2022
[2]Stahl,K.,Otto,M.,Zander,M.:Senso-
rintegrierende Maschinenelemente – Das
DFG-SchwerpunktprogrammSPP2305.In:
Schlecht,B., Schulze, T.(Hrsg.): Dresdener
MaschinenelementeKolloquiumDMK,2022
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.KarstenStahl
MarvinZander,M.Sc.
ForschungsstellefürZahnräderundGetriebe-
systeme(FZG)
LehrstuhlfürMaschinenelemente
TechnischeUniversitätMünchen
INVOLLEMGANGE
DasKick-Off-Meeting im November2021
bildeteeinenerfolgreichenAuftaktundstellt
den ersten wichtigen Meilenstein des SPP
2305dar.Inder1½-tägigeOnlineveranstal-
tungtauschtensichknapp60Forschendezu
ihrengefördertenProjektenaus,besprachen
dieVernetzungimWissenschaftssystemund
dasorganisatorischeRahmenprogramm.
DieArbeitskreisstrukturwurdediskutiertund
dieGruppierungindreiArbeitskreisemitun-
terschiedlichenThemenschwerpunktenfest-
gelegt(Wechselwirkungvon Sensorsystem
und Maschinenelement / Betriebsstrategie
/ Mikrosystemtechnik). Mittlerweile sind
alleProjektedesSPP2305gestartetunddie
ArbeitskreisewerdenmitLebengefüllt.Die
erstenArbeitskreis-TreffenimJuni/Juli2022
bietenden Projektbearbeitenden die Gele-
genheit,diewährendderBearbeitungauf-
tauchendenFragenundHerausforderungen
projektübergreifendzudiskutieren.
DarüberhinauswurdedasSchwerpunktpro-
grammdurchaktuelleBeiträge[1,2] inder
EröffnungssessionaufdemDresdnerMaschi-
nenelementeKolloquiumgutsichtbarin der
Forschungsweltplatziert.
Zur Einrichtung des SPP 2305 durch die
DFGwurdebereits in Ausgabe 2/2020 der
WiGeP-Newsberichtet.WeitereaktuelleIn-
formationenundNachrichtenfindenSieauf
www.spp2305.de.
WISSENSCHAFTLICHEZIELE
Im Rahmen des Schwerpunktprogramms
SPP 2305 werden die wissenschaftlichen
GrundlagenfürsensorintegrierendeMaschi-
nenelemente(SiME) undderenmethodisch
gestützteKonzeptionierungundSysteminte-
grationerforscht.ImFokusstehen„gewöhn-
liche“Maschinenelementealsstandardisierte
Basiselementedes Maschinenbausmitdefi-
nierter Gestalt und Auslegung, welche im
Allgemeinennichtweiterzerlegbarsind. Ein
wesentlicher Forschungsschwerpunkt liegt
aufder systematischenundwissenschaftlich
fundiertenIdentifikationund Nutzung von
physikalischen Effekten und begleitenden
Phänomenen,welcheinSiMEundbeideren
IntegrationindasjeweiligeZielsystemauftre-
tenund potentiell genutzt werdenkönnen.
DiePositionierungderMessstelle,der ana-
log-digital-Wandlungund der Datenaufbe-
reitungdirektindiemechanischeStrukturdes
Maschinenelementssolldabeiperspektivisch
einendeutlichen Mehrwertgegenüberdem
gegenwärtigen Stand von Forschung und
Technik hinsichtlich dererreichbaren Infor-
mationsqualitätbieten.
Dabei soll die Integration von Datenerfas-
sungund-analyseindieMaschinenelemente
diemechanischenFunktionen,denursprüng-
lichenBauraumunddieSystematik derüb-
lichenSchnittstellenkaumbeeinflussen.Eine
resultierendewissenschaftlicheHerausforde-
rungist das VorausdenkenundErschaffen
vonKonstruktionsmethodenzurIntegration
vonSiME.ZurAbsicherungisteineAnalyse-
bzw. Testumgebung erforderlich, um die
SiME mittels virtueller (Simulationen) oder
physischer Modelle (Hardwareprüfstände)
zuerproben.
PROJEKTÜBERSICHT
DieimSeptember2020veröffentlichteAus-
schreibungzum SPP 2305 stieß auf großes
Interesse.Nach der Begutachtungder vie-
len eingereichten Forschungsanträge star-
tete das Schwerpunktprogramm Ende des
Jahres2021mitinsgesamtzehn bewilligten
Forschungsprojektenindieerstedreijährige
Förderperiode(Bild1).ZehnVerbundvorha-
ben mit Projektleitenden aus unterschied-
lichen Fachbereichen spannen die weite
ForschungslandschaftdesSPP2305auf.Im
RahmenderProjektewerdendiekomplexen
wissenschaftlichen Herausforderungen an-
handjeweils unterschiedlicher Maschinene-
lementeerforscht.
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 1: ProjektübersichtdererstenFörderperiode
WegenderkomplexenHerausforderungenimRahmendesSPP2305isteineengeinterdisziplinäre
Zusammenarbeiterforderlich,welchedurchVerbundvorhabenmitProjektleitendenausunter-
schiedlichenFachbereichengewährleistetwird

21
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Am05.und06.Mai2022fanddasjährliche
AssistentreffenderWiGePArbeitsgruppeVir-
tuelleProduktentwicklungdasersteMalseit
2019wiederinPräsenzstatt.

KI IN DER PRODUKTENTWICK-
LUNG
AmDonnerstagfandeininteressanterAus-
tauschüberaktuelleForschungsthemenTeil-
nehmer und Lehrtätigkeiten der einzelnen
Lehrstühle und Arbeitsgruppen statt. Am
zweitenTagfolgte,nach einem Impulsvor-
tragvon Prof.Gerhard, ein Workshopzur
RollevonKünstlicher Intelligenz und Deep
LearninginderProduktentwicklung.Dabei
wurdenEinsatzgebiete,Zieleunddietechni-
sche Umsetzung, aber auch die Rolle des
Menschen,diskutiert.
Abgerundet wurde das Programm durch
einenBesuchim Deutschen Bergbaumuse-
umund einenRundgangüberden Campus
undden Botanischen GartenderRuhr-Uni-
versität.

AUTOREN
PascalisTrentsios
JulianRolf
JanLucaSiewert
Univ.-Prof.Dr.-Ing.DetlefGerhard
LehrstuhlfürDigitalEngineering
Ruhr-UniversitätBochum
WiGeP VPE Assisstentinnentreffen
LehrstuhlfürDigitalEngineeringrichtetVPEAssistentreffeninBochumaus
Bild 1: WiGePVPEAssistentenanderRuhr-
UniversitätBochum
Design Methodology for Future Products - Data Driven,
Agile and Flexible
WiGeP-BuchzuzukunftsorientiertenThemenderMethodenforschung.
ImJanuar2022kamdasWiGeP-BuchDesign
MethodologyforFutureProducts-DataDri-
ven,AgileandFlexiblebeimSpringer-Verlag
heraus.DieIdeedesBuchesentstandinder
WiGeP-FachgruppensitzungMethodenund
Prozesse der Produktentwicklung 2020 in
München.Hervorzuhebenistunteranderem
dieInspirationdeserfolgreichenBuchesThe
FutureofDesignMethodologyvonHerbert
BirkhoferausdemJahr2011.
DiesesBuchsolleinenBeitragaufdemGebiet
derEntwicklungsmethodenundihrerUmset-
zungfürinnovativeProduktederZukunftlei-
sten.Einedatengetriebene,agileundflexible
Arbeitsweise wird im Entwicklungsprozess
zukünftigerProdukte immer wichtiger.Die
Beiträgedieses Bucheszielendaraufab, ak-
tuelleForschungsthemenderWiGeP-Mitglie-
derzudieserThematikvorzustellen.
EswerdenfolgendevierAbschnitteimBuch
vorgestellt;
• MethodenfürProduktentwicklungund
-management
• Methodenfür spezifischeProdukteund
Systeme
• Bewältigungder Herausforderungen in
derProduktentwicklung
• ModellbasierteEntwickelnvonProdukten
DieseThementeilen sich in 15Kapitelauf
undgeltenjeweilsauchalseinzelneVeröf-
fentlichungen.
DasBuchbeginntmitderagilenstrategischen
Vorausschau nachhaltiger mechatronischer
undcyberphysischerSystemeundgehtüber
zudenThemenSystemGenerationEnginee-
ringimEntwicklungsprozess,gefolgtvonder
technischen Vererbungin der datengetrie-
benenProduktentwicklung. Produktverbes-
serungen werden durch agiles Entwickeln
aufBasisvonReverseEngineeringunddurch
dieEinbeziehungvonBenutzerfreundlichkeit
undEmotionenaufgezeigt. Darüber hinaus
wird die Entwicklung zukunftsweisender
Produkte im Bereich biomechatronischer
Systeme,nachhaltigerMobilitätssystemeund
derinsituSensorintegrationaufgezeigt. Die
Bewältigungvon Herausforderungeninder
Produktentwicklungwirddurch kontextan-
gepassteMethoden mitFokusaufEffizienz
undEffektivitätsowiedurchdesignzentrierte
MethodenzurBewältigungvonkognitiven
Verzerrungen aufgezeigt. Es wird die Ge-
21

22
AUTOREN
Prof.Dr.-Ing.DieterKrause
EmilHeyden,M.Sc.
Institut für Produktentwicklung und Kon-
struktionstechnik(PKT)
TechnischeUniversitätHamburg(TUHH)
neeringfürdieEntwicklungvonmodularen
Produktfamilien und das Engineering von
multidisziplinärenkomplexenSystemenwird
aufgezeigt.DieWiGePunddieHerausgeber
dankendenzahlreichen Autoren derhoch-
wertigenBeiträgediesesBuches.DasBuchist
unterSpringerLinkalsE-Book(ISBN:978-3-
030-78368-6)undgebundenesBuch(ISBN:
978-3-030-78367-9)verfügbar.
staltung von Abläufen zur zielgerichteten
VerfügbarkeitvonDatenundInformationen
in der Produktentwicklung angesprochen.
Themendes modellbasierten Systems Engi-
neeringwerdenaufdiefunktionsgetriebene
Produktentwicklungangewandt,indemMo-
dellelementeinallenStufenundPhasendes
Produktsmiteinanderverknüpftwerden.Das
PotenzialdesmodellbasiertenSystemsEngi-
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Bild 1: BuchcoverGenerativeManufacturingof
Optical,ThermalandStructuralCompo-
nents(GROTESK)
Generative Manufacturing of Optical, Thermal and Struc-
tural Components (GROTESK)
ProzesskettefürdieHerstellungintegrierteroptischerSysteme.
Die additive Fertigung basiert auf einer
schichtweisen Herstellung, die neue Mög-
lichkeitenfürdieSchaffungnahezubeliebiger
3D-Objekte aus digitalen Daten eröffnet,
indemsieeinennochniedagewesenenGrad
anGestaltungsfreiheitnutzt. In denletzten
Jahren hat sich die Additive Fertigung für
dieindustrietauglicheHerstellungkomplexer
mechanischerTeileetabliert. Gleichzeitig ist
durchtechnologischeInnovationenundeine
individualisierteProduktiondieFertigungzu
wirtschaftlichenBedingungengelungen.Ein
Bereich,indemdieAdditiveFertigungerst
langsam an Popularität gewinnt, aber ein
enormesPotenzial bietet, istdieFunktions-
integrationoptischerSysteme,welcheinder
Regelauseiner Vielzahl diskreter optischer
Elemente und einer meist komplexen op-
tomechanischen Baugruppe bestehen. Der
3D-DruckfunktionsintegrierteroptischerSys-
temeistjedochnochnichtausgereift,dadie
RealisierungmakroskopischerMultimaterial-
komponentenmithoherPräzisionnachwie
voreineHerausforderungdarstellt.
MitdemZieloptischeSysteme mittels Ad-
ditiver Fertigung herzustellen, ist in dem
Innovationsnetzwerk „GROTESK - Gene-
rativeFertigungoptischer,thermischer und
strukturellerKomponenten“einekomplette
Prozesskettefür dieHerstellungintegrierter
optischer Systeme entwickelt worden. Be-
stehendaus PartnernderGottfriedWilhelm
Leibniz Universität Hannover (LUH), dem
ClausthalerZentrumfürMaterialtechnologie
(CZM),derHochschuleHannover(HsH)und
demLaserZentrumHannovere.V.(LZH)sind
dabeidiefolgendenAspekteimKontextder
AdditivenFertigungabdecktworden:
• Entwurf und Simulation optischer Sys-
teme mit dem Schwerpunkt der An-
forderungsanalysefürMaterialienund
Werkstücke(sGROTESK,oGROTESK)
• MaßgeschneiderteWerkstoffeundent-
sprechendeProzessentwicklungfürdie
zuverlässige Herstellung hochwertiger
Multimaterialkomponenten (wGRO-
TESK)
• AdditiveFertigung von Glasmaterialien
fürfunktionaleOptiken(oGROTESK)
• Entwicklung eines neuartigen Maschi-
nenkonzepts für die Verarbeitung
mehrererMaterialienineiner einzigen
Produktionsumgebung (mGROTESK,
wGROTESK)
• Konzepte zur Funktionsintegration in
optomechanische Systeme zur Reali-
sierung einer material-, zeit- und ko-
steneffizientenFertigung (wGROTESK,
sGROTESK)
Unter dem Aspekt die neusten Ergebnisse
im Zusammenhang mit additiv gefertigten
optomechanischen Systemen und additiv
aufgebrachtenglasbasiertenOptiken sowie
Zukunftsaussichtenin beiden Bereichen zu
präsentieren,istdasBuchGenerativeManuf-
acturingofOptical, Thermal and Structural
Components (GROTESK) entstanden. Zur
DemonstrationdesAdditivenFertigungsan-
satzes wird in dem Buch ein Festkörperla-
sersystemmitMultimaterialstrukturen(z.B.
OptomechanikmitintegriertenAusrichtungs-
optionen)undthermischenKomponenten(z.
B.Laserkristall-Wärmesenkemitintegrierten
SensorenzurthermischenÜberwachung)ad-
ditivgefertigtundcharakterisiert.
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.RolandLachmayer
TobiasGrabe,M.Sc.
InstitutfürProduktentwicklungund
Gerätebau
LeibnizUniversitätHannover

der Industrie diskutiert. Dazu wurden kri-
tischePunkteundzukünftigerAufgabenstel-
lungenimBereichvonKI-Anwendungen in
derSystementwicklungerarbeitet.Überein-
stimmendesErgebnisderDiskussionenwar,
dassdieKIzukünftignichtautonomProzesse
derProduktentwicklungübernehmenwird,
sondern den Ingenieur gezielt durch eine
strukturierteDatenaufbereitungbeiderEnt-
scheidungsfindungassistiert.Damitwirddie
Produktentwicklungnicht leichteroderwe-
nigeraufwändigfürdenMenschen,jedoch
kannseineProduktivität deutlich gesteigert
werden.
AUTOREN
Univ.-Prof.Dr.-Ing.RolandLachmayer
LukasHoppe,M.Sc.
InstitutfürProduktentwicklungund
Gerätebau
LeibnizUniversitätHannover
23
NewsletterWissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGeP|Ausgabe1|Juli2022
Der letzte Tag der Frühjahrstagung in
GrazwidmetesichganzdemThema„KI
inderProduktentwicklung“.Dazuwurdedas
Thema mit Keynote Vorträgen eingeleitet,
durchPoster-Vorstellungenbegleitetundan-
schließendin Gruppenworkshopsvertiefend
diskutiert.
IndenKeynoteVorträgezeigtendieTUBer-
lin,dieTUGrazsowiedieUniversitätenErlan-
gen-NürnbergundPaderborndasKIinder
ProduktentwicklunganihrenInstitutenbe-
reitsfesterBestandteilderForschungistund
setztenmitihrenBeiträgendiethematischen
ImpulsedesWorkshops.Deranschließende
Networking-Break wurden genutzt, um
die WiGeP Institute und deren jeweiligen
Forschungsschwerpunkte und Aktivitäten
im Kontext von KI vorzustellen. Es wurde
deutlich, das aktuelle Forschungsschwer-
punkteimgesamtenProduktentwicklungs-
prozessangesiedeltsind.DieProfessorinnen
und Professoren der WiGeP forschen z.B.
daran, das Anforderungsmanagement mit
KI-basierten Werkzeugen von Ontologien
zuunterfüttern,umgezieltAnforderungen
zuverarbeitenundzuhandhaben.Dadurch
lassensich frühzeitigersteProduktkonzepte
aufstellenund nicht realisierbareKonzepte
identifizieren.InnerhalbdesProduktentwurfs
und-ausarbeitungkommenvieleKIAnwen-
dungen zum Einsatz, die den Produktent-
wicklungsprozess effektiver und effizienter
gestalten. Multi-Agentensysteme, Neuro-
naleNetze,DataMining,Natural Language
ProcessingoderReinforcementLearningsind
nur eine kleine Auswahl an Werkzeugen,
derenAnwendunginnerhalbderWiGePer-
forschtwerden.DabeiwerdenThemen,wie
dieLebensdauervorhersage, dasGenerative
Design,dieAufbereitungvonFelddatenoder
dieFunktionsmodellierungdurchdenEinsatz
vonKIunterstützt.
Anschließend wurden in mehreren Work-
shopszusammenmitdenExperten derAVL
über den Transfer der wissenschaftlichen
ErkenntnisseindasbreiteAnwendungsfeld
23
KI-Forschung in der Produktentwicklung

OrdentlicheMitglieder:
Univ.-Prof.Dr.-Ing.MichaelAbramovici(Ruhr-UniversitätBochum),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Dr.h.c.Albert
Albers(KarlsruherInstitutfürTechnologie),Univ.-Prof.Dr.-Ing.ReinerAnderl(TUDarmstadt),Univ.-
Prof.Dr.-Ing.BeateBender(Ruhr-UniversitätBochum),Univ.-Prof.Dr.-Ing.BerndBertsche(Universität
Stuttgart),Univ.-Prof. Dr.-Ing.Luciënne Blessing(Singapore Universityof Technologyand Design),
Univ.-Prof.Dr.sc.techn.PaoloErmanni(ETHZürich),Univ.-Prof.Dipl.-Ing.Dr.-Ing.DetlefGerhard(TU
Wien),Univ.-Prof.Dr.-Ing.JensC.Göbel(TechnischeUniversitätKaiserslautern),Univ.-Prof.Dr.-Ing.
DietmarGöhlich(TUBerlin),Univ.-Prof.Dr.-Ing.IrisGräßler(UniversitätPaderborn),Univ.-Prof.Dr.sc.
ETHAlexanderHasse(TUChemnitz),Univ.-Prof.Dipl.-Ing. Dr.techn.HannesHick (TUGraz),Univ.-
Prof.Dr.-Ing. GeorgJacobs (RWTHAachen), Univ.-Prof.Dr.-Ing. EckhardKirchner (TUDarmstadt),
Univ.-Prof.Dr.-Ing.UlfKletzin(TUIlmenau),Univ.-Prof.Dr.-Ing.DieterKrause(TUHamburg),Univ.-
Prof.Dr.-Ing.Roland Lachmayer(Leibniz Universi-tätHannover), Univ.-Prof.Dr.-Ing.Robert Liebich
(TUBerlin),Univ.-Prof. Dr.-Ing.ArminLohrengel (TUClausthal),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Frank Mantwill
(Helmut-Schmidt-UniversitätHamburg),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Sven Matthiesen(Karlsruher Institutfür
Technologie),Univ.-Prof.Dr.-Ing.MirkoMeboldt(ETHZürich),Univ.-Prof.Dr.AthanassiosMihailidis
(AristotleUniversityofThessaloniki),Univ.-Prof.Dr.Dr.-Ing.Dr.h.c.JivkaOvtcharova (KarlsruherIn-
stitutfürTechnologie),Univ.-Prof.Dr.-Ing.KristinPaetzold(TUDresden),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Gerhard
Poll(Leibniz UniversitätHannover), Univ.-Prof.Dr.-Ing. BerndSauer (TUKaiserslautern), Univ.-Prof.
Dr.-Ing.Christian Schindler (RWTHAachen), Univ.-Prof. Dr.-Ing.Berthold Schlecht (TUDresden),
Univ.-Prof.Dr.-Ing.HubertSchwarze(TUClausthal),Univ.-Prof.Dr.-Ing.KarstenStahl(TUMünchen),
Univ.-Prof.Dr.-Ing. RainerStark (TUBerlin),Univ.-Prof. Dr.-Ing.Peter Tenberge(RuhrUniversität
Bochum),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Klaus-DieterThoben(UniversitätBremen),Univ.-Prof.Dr.-Ing.Thomas
Vietor(TUBraunschweig),Univ.-Prof.Dr.-Ing.JörgWallaschek(LeibnizUniversitätHannover),Univ.-
Prof.Dr.-Ing.SandroWartzack(UniversitätErlangen),Univ.-Prof.Dipl.-Ing.Dr.-Ing.MichaelWeigand
(TUWien),Univ.-Prof.DIDr.KlausZeman(JohannesKeplerUniversitätLinz),Univ.-Prof.Dr.Markus
Zimmermann(TUMünchen).
MitgliederimRuhestand:
Prof.Dr.-Ing.Fatih C.Babalik(UludagÜniversitesi),Prof. Dr.-Ing.HansgeorgBinz (UniversitätStutt-
gart),Prof.Dr.h.c.Dr.h.c.Dr.-Ing.HerbertBirkhofer (TUDarmstadt), Prof.Dr. rer.nat. C.Werner
Dankwort(TU Kaiserslautern), Prof. Dr.-Ing.Ludger Deters (Otto-von-Guericke-Universität Mag-
deburg),Prof. Dr.-Ing.Klaus Ehrlenspiel(TU München),Prof. Dr.-Ing.habil. Hans-JürgenSchorcht
(TUIlmenau), Prof.Dr.-Ing. habil.Ralph Stelzer(TU Dresden),Prof. Dr.-Ing.Dr. h.c.Sándor Vajna
(Otto-von-Guericke-UniversitätMagdeburg),Univ.-Prof.Dr.-Ing.FrankRieg(UniversitätBayreuth),
Prof.Dipl.-Ing.Dr.techn.Laurenz Rinder(TUWien),Prof.Dr.-Ing. Dr.-Ing.E.h.Dr.h.c.Dieter Spath
(UniversitätStuttgart),Prof.Dr.-Ing.HeinzMertensa.D.(TUBerlin),Prof.em.Dr.-Ing.HeinzPeeken
(RWTHAachen),Prof.Dr.-Ing. GuntherReinhart(TU München),Prof.Dr.-Ing.Udo Lindemann(TU
München),Prof.Dr.-Ing.habil.HeinzLinke(TUDresden),Prof.Dr.-Ing.HaraldMeerkamm(Universität
Erlangen-Nürnberg),Prof. Dr.-Ing.Frank-Lothar Krause(TU Berlin),Prof.Dr.-Ing. KonradLangen-
beck(UniversitätStuttgart), Prof.Dr.-Ing.Erhard Leidich(TUChemnitz), Prof.Dr.-Ing.Bernd-Robert 
Höhn(TUMünchen),Prof. Dr.-Ing.habil.Guenter Höhne(TUIlmenau),Prof.Dr.-Ing. Dr.-IzGustav
Kollmann(TUDarmstadt),Prof.Dr.-Ing.JürgenGausemeier(UniversitätPaderborn), Prof.Dr.-Ing.
PeterW. Gold(RWTH Aachen),Prof. Dr.-Ing.Karl-HeinrichGrote (Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg),Prof.Dr.-Ing.MartinEigner (TUKaiserslautern), Prof.Dr.-Ing. JörgFeldhusen (RWTH
Aachen),Prof.Dr.-Ing.Hans-JoachimFranke(TUBraunschweig),Prof.Dr.-Ing.GerhardWagner(Ruhr-
UniversitätBochum),Prof.Dr.-Ing.Christian Weber(TU Ilmenau),Prof. Dr.-Ing.Dieter Wüstenberg
(TUKaiserslautern),Univ.-Prof.Dr.-Ing.DetmarZimmer(UniversitätPaderborn).
Industriekreis:
ReinholdAchatz(ThyssenKruppAG),Dipl.-Ing.DirkAdamczyk(ZFFriedrichshafenAG),UrbanAugust
(SiemensPLM SoftwareThomas Bayer(Wittenstein AG),Kurt Bengel(CenitAG),Dr.-Ing.Thomas
Bertolini(Dr.FritzFaulhaberGmbH&Co.KGAntriebssysteme),HerbertBickelmann(AutodeskGmbH),
Dr.JörgBöcking(VibracousticGmbH),CarstenBurchardt(SiemensDigitalIndustriesSoftwareGmbH),
Dr.JensCattarius(BombardierTransportation), Dr.Rolf Döbereiner(AVL ListGmbH), Dr.-Ing.To-
biasDüser(AVL DeutschlandGmbH),Dr.GunnarEbner(CapgeminiDeutschlandGmbH),Dipl.-Ing.
RichardEinstmann(Bechtle GmbH),Dr. MichaelEngelbreit(Wittenstein Alpha),Dr.-Ing. GerdFricke
(PEKUFolienGmbH),Dr.-Ing.MatthiasGatzen(BakerHughes),RolandGerhards(ZAL–Zentrumfür
angewandteLuftfahrtforschungGmbH),DetlefGierling(ZFSachsAG),Dr.GunnarGödecke(VULKAN
Kupplungs-undGetriebebau),BerhardHackforthGmbH&Co.KG),Dr.-Ing.AxelGomeringer(Testo
SE&Co.KGaA),Dipl.-Kaufm.MichaelGrethler(SolidLineAG),Prof.Dr.-Ing.PeterGutzmer(SCHAEFF-
LERGruppe),Dr.-Ing.GünterHähn(WirtgenGmbH),Dr.-Ing.RalfHambrecht(FlenderGmbH),Dipl.-
Ing.JörgHartmann(MeyerWerftGmbH),Dr.StefanHeilmann(PaulWurthS.A.),Dr.-Ing.Katharina
Helten(VitescoTechnologiesGermanyGmbH), Dr.-Ing.Jörg Hermes(SEW-EURODRIVE GmbH&
Co.KG),HansHuber(MayrGmbH&Co.KG),Dr.MartinHusemann(Phi GmbH),Dr.DanielKähny
(LSTelcom AG),Prof. AlfredKatzenbach (KatzenbachExecutive Consulting),Prof. Dr.phil. Michael
Ketting(IBAFGmbH),Karl-Ludwig Kimmig(LuKGmbH& Co.KG),Dr.-Ing.Markus Klaiber(Schunk
GmbH&Co.KG),Dr.-Ing.FrankKoch(EidgenössischesNuklearsicherheitsinspektoratENSI),Dr.-Ing.
MarcusKrastel(:emengineeringmethodsAG),UlrichKreher(ElektrorAirsystemsGmbH),WernerKrö-
ger(BMWAG),KlausLöckel(DassaultSystemesDeutschlandGmbH),Dr.ChristophLutz(JuliusBlum
GmbH),Dr.Dr.HansjörgMaier(Dr.-Ing.h.c.F.PorscheAG),Dr.-Ing.GeorgMecke(AirbusOperations
GmbH),Dr.-Ing.Stefan Möhringer(SimonMöhringer AnlagenbauGmbH),Dr.OttmarMüller (VAT
VakuumventileAG),RazvanOlosu(b1EngineeringSolutions GmbH& Co.KG), Dr.Bernd Pätzold
(ProSTEPAG),Dr.-Ing.MarcPein (ThyssenKruppMarine SystemsGmbH), Dr.Burkhard Pinnekamp
(RENKAG),Dr.-Ing.Robert Plank(HoribaEurope GmbH),Prof.Dr.-Ing.PeterPost(FestoAG &Co.
KG),HartmutRauen(VerbandDeutscherMaschinen-undAnlagenbaue.V.(VDMA)),Dr.OlafScha-
doffsky(HILTIEntwicklungsgesellschaftmbH),JörgSchiebel(TycoIntegratedFire&Security),Dr.-Ing.
ThomasSchneider (TRUMPFWerkzeugmaschinen GmbH& Co.KG), Dr.Alfred Schreiber(C. &E.
FeinGmbH),Dr.-Ing.RudolfSchubert(ContinentalAGDr.KristinSittig(VolkswagenAGDr.-Ing.Jörg
Stahlmann(ConSensesGmbH), Dr.Martin Stark(msinvconBeteiligungs-und Beratungsgesellschaft
mbH),Dr.-Ing.FrankThielemann(UNITYAG),Dr.-Ing.JürgenVogt(CADFEMGmbH),Dr.-Ing.Stefan
Wallmeier(KAMAXHoldingGmbH&Co.KG),Dipl.-Ing.AndreasWeber(VestasNacellesDeutschland
GmbH),Dr.HenrikWeimer(AirbusSAS),KarlHeinzZachries(CONTACTSoftwareGmbH9
Vorstand/Anschriften:
Univ.-Prof.Dr.-Ing.RolandLachmayer
(Geschäftsführer)
InstitutfürProduktentwiclungund
Gerätebau
LeibnizUniversitätHannover
AnderUniversität1
30823Garbsen
Tel.:+49(0)511|7623471
E-Mail:lachmayer@ipeg.uni-hannover.de
Univ.-Prof.Dr.-Ing.DieterKrause
(SprecherdesVorstandsundfürMe-
thoden&ProzesseinderProduktent-
wicklung)
InstitutfürProduktentwicklungund
Konstruktionstechnik
TechnischeUniversitätHamburg
Denickestraße17
21073Hamburg
Tel.:+49(0)40|428783231
E-Mail:krause@tuhh.de
Univ.-Prof.Dr.-IngSvenMatthiesen
(SprecherfürLehre&Weiterbildung)
IPEK-InstitutfürProduktentwicklung
KarlsruherInstitutfürTechnologie
Kaiserstraße10
76131Karlsruhe
Tel.:+49(0)721|60847156
E-Mail:sven.matthiesen@kit.edu
Univ.-Prof.Dr.-Ing.EckhardKirchner
(SprecherfürMaschinenelementeund
-systeme)
FachgebietProduktentwick-
lu n g u nd M as c hin e ne l eme n te 
TechnscheUniversitätDarmstadt
Otto-Berndt-Straße2
64287Darmstadt
Tel.:+49(0)6151|1621171
E-Mail:kirchner@pmd.tu-darmstadt.de
Univ.-Prof.Dr.-Ing.SandroWartzack
(SprecherfürVirtuelleProduktentwick-
lung)
LehrstuhlfürKonstruktionstechnik
UniversitätErlangen
Martensstraße9
91058Erlangen
Tel.:+49(0)9131|8527987
E-Mail:wartzack@mfk.uni-erlangen.de
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Stand:Juli2022 Redaktion:KevinHerrmannundLukasHoppe
Internet:www.wigep.de Herausgeber:WissenschaftlicheGesellschaftfürProduktentwicklungWiGePe.V.
Auflage:1000Exemplare c/oInstitutfürProduktentwicklungundGerätebau
ISSN1613-5504 AnderUniversität1,30823Garbsen