Projekte

Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.

Das IAF verantwortet innerhalb des Vorhabens das Teilprojekt Gesamtfahrzeug. Im Focus der Forschung steht der Einsatz neuartiger Antriebssysteme unter Realbedingungen. Als strategischer Forschungsansatz, getragen durch eine der Nachhaltigkeit verpflichteten Entwicklungsanspruch, steht die Langlebigkeit und damit Instandsetzungsfähigkeit elektromobiler Gesamtsysteme, hierbei speziell der Elektrospeichersysteme. Hierbei konzentrieren sich die Arbeiten auf die Entwicklung und Erprobung einer wartungsfreundlichen Energiespeichertechnologie in Modulbauweise, neue, einfache Systemarchitekturen für Fahrzeugsteuerungen und die systemische Gestaltung von Spezialanwendungen rund um die Batteriekonfektionierung.

Im Teilprojekt "Genetic development of High Voltage energy storage and sub-moduls" getragen vom Institut für Maschinenkonstruktion/Lehrstuhl für Konstruktionstechnik wird das folgende Thema bearbeitet.

Die Weiterentwicklung und Testung merkmalsvererbender und physikalisch/bauartspezifizierter Konstruktionsvorgaben für Energiespeicher und die Entwicklung einer Methode zur selektiven Verwendung von Konstruktionsmerkmalen für Submodule auf Basis technischer sowie gestaltgebender Restriktionen sind Aufgabe des Teilprojektes. Das resultierende Digital Mock-Up (DMU) zur Charakterisierung virtueller Batteriemodule in der frühen Fahrzeuggrobgestaltung lässt Rückschlüsse auf Antriebstopologie, Aufbaustruktur, Karosserie, etc. zu.
Anhand eines physischen Demonstrators mit Schnittstellen zu angrenzenden HV-, Kommunikations- und Klimatisierungskomponenten wird das DMU validiert, um im Anschluss Ergebnisse und Erkenntnisse zur modularen Aufbauweise zurückspeisen zu können. Damit wird ein genaueres Abbilden der Realität möglich, die Zellauswahl- sowie der Zellanordnungsprozess innerhalb des Batteriemoduls unterstützt und ein effizienteres Vorgehen in der Fahrzeuggrobgestaltung möglich. Zusätzlich können auf Basis des Demonstrators Handlungsempfehlungen für automatisierte Batterieproduktionsprozesse abgeleitet werden.

Für den Demonstrations- und Transfercharakter des Gesamtvorhabens werden in Zusammenarbeit mit der sachsen-anhaltinischen Industrie Anwendungsszenarien in Technologieträger operationalisiert und konsequent weiterentwickelt und optimiert.
Die Arbeiten erfolgen innerhalb der institutsübergreifenden Forschergruppe für Elektromobilität Editha.
Leitung Kompetenzzentrum eMobility Forschungsbereich Gesamtfahrzeug: Dipl.-Ing. Gerd Wagenhaus

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Der Forschungsschwerpunkt Competence in Mobility (COMO), einem Verbundprojekt im Forschungs- und Transferschwerpunkt Automotive der OvGU, befasst sich im weitesten Sinne mit der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, unter anderem der Energiebereitstellung, der Energieumwandlung und der Antriebstechnik sowie grundlegend neuer Fragen im Zusammenhang mit der Elektromobilität.
 
Die Verwendung elektrischer Antriebsstränge in zukünftigen automobilen Anwendungen führt letztlich durch das systematische Überdenken der Gesamtarchitektur des Automobils zu einer völlig neuen Herangehensweise an die funktionalen Baugruppen. Ferner ergeben sich durch die Implementierung elektrischer Antriebsstränge neue Gestaltungsmöglichkeiten für die Konstruktion der Gesamtarchitektur, aber auch neue Herausforderungen im Produktentstehungsprozess. Darüber hinaus wird für die hohe Komplexität eines Elektrofahrzeuges mit dem erweiterten Energiemanagement und die immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten, neue Vorgehensweisen benötigt. Hierbei ist es essentiell ein systemübergreifendes Denken anzustreben, um bis dato getrennte Normen und Standards zur Elektrotechnik und Automobiltechnik zusammenzuführen.
 
Der Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (LKT) strebt hierbei durch intensive Auseinandersetzung mit der Konstruktionsmethodik (nach VDI 2221) und Anwendung dieser bei bereits umgesetzten Fahrzeugen eine angepasste Entwicklungsmethodik im Produktentstehungsprozess an.

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Der revolutionäre Fortschritt in der Medizin und Medizintechnik ist vor allem durch hoch moderne medizinische Bildgebungstechnologien getrieben. Durch Computer-(CT) und Magnetresonanztomographie (MRT), Ultraschall oder Röntgen können Ärzte komplexe Diagnosen und Therapieentscheidungen fundierter treffen. Doch diese individuellen Patientendaten sollten in der Zukunft auch für individuelle therapeutische Ansätze oder in der Medizinprodukteentwicklung Anwendung finden.

Genau an diesem Punkt setzte der ego.-Inkubator "Patientenindividuelle Medizinprodukte" (PM) in der vergangenen Förderperiode (2012-2014) an. Eine Verknüpfung zwischen den Ärzten und dem medizinischen Personal u.a. am Universitätsklinikum Magdeburg mit den technisch orientierten Studenten aus verschiedenen Fachrichtungen der Universität Magdeburg führte zu einer Vielzahl von Produktentwicklungen mit hohem Innovationspotential. Es konnten z.B. Phantome vom Kopf, Gehirn, Knochen oder Arterien gebaut werden, die Einsatz in der Forschung fanden oder bei der Operationsvorbereitung genutzt wurden. Insgesamt nahmen im geförderten Zeitraum von 2012-2014 des ego.-Inkubators 56 Nutzer (davon 9 weiblich) an dem Projekt Teil und wurden in der Vorgründungsphase sensibilisiert. 
Der ego.-Inkubators "Patientenindividuelle Medizinprodukte" orientierte sich sehr stark an den Forschungsschwerpunkt Medizintechnik. Hier konnten Studenten Innovationen mit Ausgründungspotential praxisnah testen und erste Prototypen erstellen. Durch den ego.-Inkubator bestand nun die Möglichkeit diese Erfahrungen Studenten aus unterschiedlichsten Fachbereichen der OVGU zu vermitteln und die daraus entstehenden Netzwerke zu nutzen, um innovative Ideen zu generieren. Dieser Weg soll mit der Verlängerung nun konsequent fortgeführt und ausgebaut werden.

Für die Weiterentwicklung der Ideen zu einem realen Produkt, kann die Fakultät Maschinenbau, spezielle das Institut für Maschinenkonstruktion (IMK) auf praxisbezogene und theoretisch fundierte Erfahrungen zurückgreifen. Mit bestehenden Kompetenzen in der Fertigung von Prototypen durch die Rapid-Prototyping Technologien, ist es möglich erste Modelle in einem praxisnahen Umfeld konstruktiv umzusetzen und zu erproben. Für die Studenten bietet sich dadurch die einmalige Möglichkeit den Produktentwicklungsprozess komplett zu durchlaufen und dadurch wichtige Erfahrungen zu sammeln. Durch eine parallele Beteiligung des Transfer- und Gründerzentrums (TUGZ) der OVGU werden vielversprechende Geschäftsideen für ein medizinisches Produkt bis zur Ausgründung begleitet.

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Ziel des Teilprojektes sind die methodische und forschungstechnische Projektleitung sowie ingenieurtechnische und technologische Entwicklung im Verbundprojekt Technologieentwicklung für kleine Wasserkraftmaschinen. Auf Grundlage der maschinentechnologischen Fachdisziplinen des IMK

  · Konstruktionstechnik/ Produktentwicklung
  · Integrated Design Engineering- Maschinenbauinformatik
  · Maschinenelemente und Tribologie (Reibungslehre)
sollen für die angestrebte Technologieplattform des Bündnisses die Prototypen
  · uSW: universelles-Staudruck-Wasserrad,
  · H2W: Horizontal2Wasserrad und
  · HKT: Hydrokinetische Turbine
entwickelt werden. Im Rahmen des TP 3.1 erfolgt die Technologieentwicklung, die Erstellung von Lastenheften, die Entwicklung der Verfahrenstechnik und die Planung und Koordinierung der Prototypentests. Alle drei Prototypen sind neuartige hydrodynamische Arbeitsmaschinen, die den gewachsenen ökologischen, energetischen und wirtschaftlichen Anforderungen gerecht werden müssen. Bei deren Entwicklung kommt dem Verbundprojekt die Einbeziehung des Maschinenbaulabors sowie des Hard- und Softwarepools des IMK zugute. Konkurrierende Forschungsprojekte konnten in der Vergangenheit keine marktfähige Lösung hervorbringen. Auf Basis der einschlägigen Erfahrungen des Bündnisses als Technologieführer soll ein Durchbruch für wirtschaftlichere Maschinen erreicht werden.

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Die in der jüngeren Vergangenheit revolutionären Fortschritte in der visuellen Erfassung und Auswertung von Patientenbilddaten, eröffnen den Medizinern bzw. Chirurgen weitreichende Möglichkeiten für eine bessere individuelle Therapie. Besonders durch die medizinischen Bildgebungsverfahren, wie z.B. Computertomographie-Systeme der neusten Generation ist es möglich, detaillierte Daten über den Zustand eines Patienten zu gewinnen und Diagnosen bzw. Therapieentscheidungen exakter zu stellen. Diese Informationen können in Zukunft z.B. für die praktische Vorbereitung bei Cochlea-Implantat Operationen von hochgradig schwerhörigen und tauben Patienten verwendet werden. Dafür soll eine Herstellung von Operationsmodellen der feinporigen Felsenbeinknochenstrukturen des jeweiligen Patienten durch generative Fertigungsverfahren erfolgen. Diese Methode soll patientenindividuell, die Vorbereitung auf die Operation verbessern. Die aus einzelnen Schichtbildern aufgenommenen Computertomographiedatensätze müssen dafür segmentiert und in für die Rapid-Prototyping Anlagen verwendbare Datensätze umgewandelt werden.

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Ziel des ego.INKUBATORS "Patientenindividuelle Medizinprodukte" ist es Studierenden und wissenschaftlichen Mitarbeitern das unternehmerische Potential einer induviduellen Medizintechnik näher zu bringen. Durch Unterstützung bei der Ideenentwicklung, Einführung in das unternehmerische Denken und das Aufzeigen der technologischen Möglichkeiten sowohl auf medizinischer als auch fertigungstechnischer Seite soll den Ego Teilnehmern das Handwerkzeug für eine erfolgreiche Gründung im Bereich Medizintechnik gegeben werden. Die geplanten Maßnahmen legen den inhaltlichen Schwerpunkt auf Qualifikation und Betreuung. Dabei findet die grundlegende Ausbildung zunächst getrennt nach den technischen und den betriebswirtschaftlichen Fächern statt. Studierende und wissenschaftliche Mitarbeiter aus den Ingenieurwissenschaften ohne einschlägige Vorkenntnisse erhalten eine Einführung in die Besonderheiten der Medizintechnik und die dort verwendeten Produktentwicklungsmethoden.
Mit Hilfe der beantragten Elemente des INKUBATORS können die schon vorhandenen technischen Komponenten, der beteiligten Fakultäten, zu eine Prozesskette zusammengefügt werden. Daraus entsteht die Möglichkeit für die gründungsinteressierten Teilnehmer, das erworbene Wissen direkt in reale Produkte einfließen zu lassen.

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Teilprojekt: Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Modellbau über 3D-Printing
Zur Fertigung von Gussteilen mit geringen Massen und Abmessungen bei gleichzeitiger hoher Maßhaltigkeit und Oberflächengüte wird vorrangig das Feingießen (Wachsausschmelzverfahren) eingesetzt. Jedoch ist die Prozesskette aufwendig (10 Prozessschritte), die Produktionszeit lang und Gussfehler werden oft erst am Ende der Prozesskette bei der mechanischen Nachbearbeitung erkannt.
Entwicklungsziel ist eine neue Technologie zur Herstellung des Ausschmelzmodells u.a. mittels Polyjet-Verfahren (3D-Printing) zur Gewährleistung einer hohen Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Gleichzeitig soll durch den veränderten Aufbau der Gießtraube in "Wabenbauweise" das Ausbrennvolumen deutlich reduziert werden. Die Prozesskette wird dabei auf 6 Schritte verkürzt.
Die Erprobung und Optimierung der Prozesskette erfolgt für die wesentlichsten handelsüblichen Aluminiumlegierungen. Die neue Technologie kann damit auch bei Kleinst- und Kleinserien hochwirtschaftlich eingesetzt werden.

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Kunststoffgehäuse, die mit Rapid Prototyping (RP) -Technologien gefertigt werden, besitzen andere Werkstoffeigenschaften als Konstruktionen, die mit herkömmlichen Ur- und Umformverfahren hergestellt werden. Für den Einsatz von Werkstoffen der RP-Verfahren im sekundären Explosionsschutz müssen anhand der speziellen Anforderungen der Zündschutzart "Druckfeste Kapselung die Werkstoffeigenschaften überprüft werden. Die Hauptbelastungen auf die Polymerwerkstoffgehäusewandungen sind dabei impulsartige Druck- und Temperaturspitzen sowie heiße reaktive Abgase, die durch die Explosionen im Gehäuse hervorgerufen werden. Die Abgase treten in aggressiven Kontakt mit den konstruktionsbedingten Spalten und erodieren diese. Als Folge entzündet sich die umgebende explosionsfähige Atmosphäre oder das Gehäuse wird durch die große Druckbelastung beschädigt. Beides darf nicht erfolgen, da derartige Bauteile oft die Stufe der unmittelbaren Sicherheitstechnik erfüllen müssen. Das beantragte Forschungsprojekt soll diesen Sachverhalt konstruktionsmethodisch für verschiedene geometrische und stoffliche Parameter untersuchen. Der konstruktiv bedingte Gehäusespalt und die Gehäusewandungen sollen einen sicheren Einsatz dieser Betriebsmittel für den sekundären Explosionsschutz gewährleisten.

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In diesem Vorhaben soll eine Anlage zur weitgehend automatischen Verklebung von Fliesen und Mosaiken entwickelt werden. Ziel ist es, die in bisherigen Anlagen manuell stattfindenden Vorgänge der Sortierung und Positionierung der Fließen und Mosaike sowie der Qualitätskontrolle zu automatisieren. Zur Verbindung der Fliesen und Mosaike ist es notwendig eine neue Klebetechnik zu entwickeln, die zu einer Verkürzung des Bearbeitungsprozesses und damit zu geringeren Durchlaufzeiten führt. ALs Grundlage dafür sind geeignete Wirkprinzipien zu erarbeiten. Diese müssen in einem Testprogramm auf die Erfüllung der gestellten Anforderungen überprüft werden. Eine wesentliche Anforderung ist, dass Fliesen verschiedener Formate verbunden werden müssen. Dabei soll es auch möglich sein, die Formate zu mischen. Weiterhin müssen die Umrüstzeit und der Umrüstaufwand bei einem Formatwechsel minimiert werden. Um die Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten und den Verkauf an kleine und mittelständische Unternehmen zu ermöglichen, ist ein marktübliches Kosten-/Leistungsverhältnis zu gewährleisten.

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Für einzelne vor der Explosion geschützte nicht-elektrische Geräte oder für einen Zusammenbau von elektrischen und nicht-elektrischen Geräten ist es absolut notwendig, eine ausführliche Zündgefahrenbewertung durchzuführen, um die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen der ATEX-Richtlinie zu erfüllen. Oftmals sind die Randbedingungen und Forderungen schwer durch Hersteller einzuschätzen. Nach einer Zündgefahrenbewertung kann es durchaus notwendig werden, eine Anpassungs- bzw. Variantenkonstruktion auszuführen. Um diesen Entwicklungsaufwand effektiv zu gestalten bzw. zu minimieren, ist es vorteilhaft, Schnittstellen zu schaffen, die die Anforderungen speziell und konkret sowie mit möglichen Beispielen hinterlegt.Diese Schnittstellen können durch die Erstellung von - Checklisten für die Erweiterung von Anforderungslisten, - Werkstoff- und Werkstoffpaarungslisten, - Aufstellen von Zündgefahrenanalysen für typische Wirkprinzipien an mechanischen Geräten und auch - Untersuchungen von typischen Arbeitsweisen mechanischer Geräte mit dem Aufzeigen von Zündgefahren und entsprechenden Lösungsvorschlägendefiniert werden.Durch die Bereitstellung solcher Hilfsmittel zu den einzelnen Arbeitsschritten wird eine zielgerichtete Bearbeitung (Neukonstruktion) bzw. Überarbeitung (Anpassungskonstruktion) der mechanischen Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen gegeben sein.

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Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten umfassen die konstruktive Gestaltung und qualitative Auslegung von Tragwerken aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Die Ergebnisse bringen dem IMK derOvG-Universität Magdeburg neue wissenschaftliche Erkenntnisse auf demGebiet der systematischen Konstruktionsmethodik.

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Die Forschungs- und Entwicklungarbeiten umfassen die konstruktive Gestaltung und Auslegung von Bauteilen, die die Anbringung von Geländerkonstruktionen an Blechprofilrosten ermöglichen. Dem IMK bringen diese Untersuchungen wissenschaftliche Erkenntnisse in der Konstruktionsmethodik.

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Entwicklung und Herstellung eines mobilen halbautomatischen Gerätes für die Instandsetzung von Gleisanlagen durch Aufschweißen eines verschleißfesten Metallauftrags (unter Anwendung eines Servicefahrzeugs mit Hybridantrieb-Technologie) Ziel ist die Entwicklung, Produktion und der Vertrieb einer halbautomatischen Schweißmaschine für Auftragsschweißarbeiten an Gleisanlagen. Durch die Verwendung neuester Entwicklungen aus dem Technologiefeld Maschinenbau/Mess- und Regelungstechnik erhöht sich die Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Einführung eines umfassenden Qualitätsmanagements. Zeitgleich mit der Erstellung des Businessplans wird die Vorplanung bis zu Entwicklung eines ersten Prototyps innerhalb des ersten Jahres stattfinden. Parallel werden Kontakte zu Zulieferern, Kunden und Financiers geknüpft, Marktanalysen aufgestellt und der Vertrieb aufgebaut. Nach umfangreichen Testreihen ist im zweiten Geschäftsjahr eine erste Kleinserienfertigung geplant. Die Ergebnisse der Entwicklungsarbeit werden im Aufbau einer Produktionsstätte in Magdeburg umgesetzt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Erschließung neuer Anwendungsfelder sowie der Aufbau eines Vertriebsnetzes unter Hinzuziehung geeigneter Partner soll eine Expansion des Unternehmens über die Grenzen des europäischen Marktes hinaus sowie einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz gewährleisten.

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In diesem Vorhaben soll Reverse Engineering in die Produktentwicklung von biomedizinischen Produkten integriert werden. Das Reverse Engineering soll in seiner zweiten Phase der manuellen Bearbeitung innovativ verändert werden. Durch Einsatz künstlicher Intelligenz wie Neurale Netze soll diese Phase vereinfacht und wesentlich zeitlich verkürzt werden. Als Ergebnis wird ein Programmsystem vorliegen, dass in der Lage ist, aus einer vorliegenden Punktewolke (bestehend aus zwei orthogonalen Scanns) ein Volumenmodell zu erstellen. Als biomedizinisches Produkt wird der Femur (Oberschenkelknochen) des Menschens avisiert. Hier gestalten sich besondere Anknüpfungspunkte für die spätere Fertigung von Knochenimplantaten, Nutzung des 3D-Modells für Simulationstechniken in der Aus- und Weiterbildung von medizinischem Personal bzw. zur Fertigung von Prototypen als Anschauungsmuster oder als Dummy.

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Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass bestimmte Zellen des menschlichen Immunsystems in der Schwerelosigkeit praktisch funktionsunfähig werden. Das kann bei Langzeitaufenthalten im Weltraum auf der ISS, oder bei Flügen zum Mars, ein schwerwiegendes Problem darstellen. Mittels Experimenten in der Schwerelosigkeit mit Hilfe von Parabelflügen soll dem zugrunde liegenden Mechanismus nachgegangen werden. Dafür wurden Experimentiervorrichtungen entwickelt und konstruiert, mit denen es möglich ist, bei Parabelflügen in der Phase der Schwerelosigkeit Versuche mit lebenden Zellen durchzuführen. Wesentlich ist dabei, die hohen Sicherheitsanforderungen an derartige Systeme zu erfüllen. Diese Experimente sollen die Frage beantworten, ob Menschen überhaupt in der Lage sind, längere Zeit in der Schwerelosigkeit zu leben. Auch können die Befunde für die Therapie von Krankheiten des Immunsystems auf der Erde nutzbar gemacht werden. Dabei ist es notwendig, die lebenden menschlichen Zellen mit einer Aktivatorflüssigkeit und nach einer gewissen Zeit mit einer Stoppflüssigkeit zu vermischen. Wesentlich ist dabei, die hohen Sicherheitsanforderungen an derartige Systeme zu erfüllen.

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Ziel des Projektes ist es, Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu folgenden Punkten durchzuführen:- Berechnung von druckfesten Gehäusen,- Untersuchung von Rapid Prototyping Verfahren bezüglich der Fertigung von druckfesten Gehäusen,- Gestaltungsrichtlinien für druckfeste Gehäuse aus Kunststoff,- Gestaltungsrichtlinien für Dichtungsverbindungen, die im sekundären Explosionsschutz verwendet werden,- Erarbeitung von neuartigen Gehäusekonzepten (Hybridbauweise, partiell leitfähige Kunststoffe, Strom- und Signaldurchführungen, Schauscheiben etc.),- Prototypenbau.

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Speziell für kleine und mittlere Abfüllunternehmen soll ein kompakter Sprühkopf-Kappen-Aufsetzer entwickelt werden. Ziel soll es sein, für auf eine bestimmte Lebensdauer optimierte Werkzeuge in Konfektionierungsmaschinen geeignete Fertigungsverfahren zu erarbeiten. Perspektivisch sollen 3D-CAD-Daten direkt vom Entwicklungsarbeitsplatz an eine Rapid-Prototyping-Anlage weitergegeben und verarbeitet werden. Bei dieser Aufgabenstellung handelt es sich um "technologisches Neuland", da gegenwärtig Rapid-Prototyping-Verfahren noch nicht für Serienprodukte im Maschinenbau genutzt werden.

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Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Biomedizinische Technik. In diesem Fachgebiet ist eine sehr große Vielfalt an Produkten vorherrschend. Basierend auf einem kontinuierlichen hohen Wissenszuwachs in der Medizin ist der Individualisierungsgrad in den letzten Jahren stetig gestiegen. Aus diesem Grund ist es notwendig, Produktentwicklungstechniken zu entwickeln, die es ermöglichen, derartige Produkte schnell und effektiv zu generieren. Ein Risikofaktor bei der Entwicklung neuer Produkte stellen die Fehlentwicklungen dar. Insbesondere in der Medizintechnik und Biomedizinischen Technik können dadurch mehrere Jahre Forschungs- und Entwicklungstätigkeit verloren sein. Aus diesem Grund müssen Produktentwicklungstechniken generiert werden, die schon im Arbeitsschritt der Konzepterarbeitung das Risiko einer Fehlentwicklung erheblich minimieren. Ein Ansatzpunkt für speziell auf biomedizinische Produkte und deren Anforderungen abgestimmte Entwicklungstechniken können moderne Rapid Prototyping Technologien sein. Es werden in der vorliegenden Habilitationsschrift wesentliche Vorgehensweisen zum Einsatz von Rapid Prototyping Verfahren bei der Entwicklung von biomedizinischen Produkten, speziell Produkte für die Zellkultivierung und Laborgeräte, dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Realisierung der produkttypischen Anforderungen wie z. B. Sterilisierbarkeit, Langzeitfunktion im schwierigen Umfeld oder notwendige Fügeverfahren. Es werden Schwachstellen analysiert und Lösungen erarbeitet. Es wird weiterhin dokumentiert, dass die Basis für erfolgreiche Produktentwicklungen in dem Fachgebiet der Biomedizinischen Technik eine interdisziplinäre Zusammenarbeit, durch eine effektive Vernetzung der Tätigkeiten von Medizinern, Biologen und Ingenieuren ist. Das muss perspektivisch noch mehr in der Ausbildung der Studenten bei Fachgebiet übergreifenden Studiengängen berücksichtigt werden. Aus diesem Grund war ein weiterer Schwerpunkt in der vorliegenden Habilitationsschrift, Anforderungen an eine Hochschulausbildung in einem Studiengang "Produktentwicklung/ Biomedizinische Technik" zu erarbeiten.

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In Produkten (Schaltgeräte, Leuchten etc.) für explosionsgefährdete Bereiche werden immer häufiger leistungsfähige Kunststoffe eingesetzt. Sie sind leichter und preiswerter als Metalle und in ihrer geometrischen Gestaltung nicht eingeschränkt. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, die Verfahren des Rapid Prototyping (RP), des Rapid Manufacturing (RM) und des Rapid Tooling (RT) für die Fertigung von Bauteilen für den Explosionsschutz zu nutzen. Sie erlauben eine sehr schnelle Reaktion auf spezielle Kundenwünsche und ermöglichen somit eine hohe, vom Markt geforderte Flexibilität.

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Explosionsdruckfeste Gehäuse besitzen ein hochspezifisches Anforderungsprofil. Bisher sind keine Methoden verfügbar, die das systematische Konstruieren der Gehäuse erlauben. Dadurch entsteht das Risiko, eine entweder unzureichende ("under-engineering") oder zu weit reichende Lösung ("over-engineering") herbeigeführt zu haben, was grundsätzlich aus wirtschaftlichen Gründen möglichst zu vermeiden ist. Für den Hersteller besteht also bei der konstruktiven Optimierung der Gehäuse ein sehr hohes Risiko, da er bisher nicht auf validierte Hilfsmittel zurückgreifen kann. Das generelle Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte erfolgt momentan in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2221. Ziel der Forschungsarbeit soll es sein, Hilfsmittel (Anforderungslisten, Konstruktions- und Simulationshilfen, Ablaufpläne, konstruktive Richtlinien, Entscheidungskriterien, Konstruktionskatalogen etc.) zum Vorgehen beim systematischen und methodischen Konstruieren explosionsdruckfester Gehäuse zu entwickeln.

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Biomedizinische Produkte besitzen ein hochspezifisches Anforderungsprofil. Eine Vielzahl von Randbedingungen ist während der Entwicklung zu beachten. So können z. B. nur bestimmte Werkstoffe verwendet werden oder müssen bestimmte konstruktive Richtlinien wie Mindestradien bei Kunststoffgehäusen berücksichtigt werden. Als weitere zu berücksichtigenden wesentlichen Anforderungen können aufgeführt werden: - die Sterilisierbarkeit, - die konstruktive Auslegung von Systemkomponenten im Hinblick auf die Desinfizierbarkeit der Teile. Bisher sind keine Methoden verfügbar, die das systematische Konstruieren solcher Produkte ermöglichen. Dadurch entsteht das Risiko, eine entweder unzureichende (under-engineering) oder zu weit reichende Lösung (over-engineering) herbeigeführt zu haben. Die bis dahin aufgewendeten Ressourcen sind oft beträchtlich. Grundsätzlich ist es aus wirtschaftlichen Gründen notwendig, möglichst ein Over- oder Under-Engineering zu vermeiden. Erst nach Fertigstellung der Konstruktion und des Prototypen stellt sich jedoch heraus, ob die Optimierung gelungen ist und die Produktanforderungen erfüllt wurden. Wenn nicht, muss aus der vorliegenden Lösung dann unter hohem Aufwand eine abgewandelte Konstruktion entworfen werden, die unter Umständen in einem Iterationsprozess bis zur Erfüllung der Prüfanforderungen zu qualifizieren ist. Für den Hersteller besteht also bei der konstruktiven Optimierung biomedizinischer Produkte ein sehr hohes Risiko, da er bisher nicht auf vorhandene Hilfsmittel zurückgreifen kann. Das generelle Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte erfolgt momentan in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2221. Ziel der Forschungsarbeit am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik am Institut Maschinen-konstruktion der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg soll es sein, Hilfsmittel zum generellen Vorgehen beim systematischen und methodischen Konstruieren biomedizinischen Produkten zu entwickeln. Die Untersuchungen sollen sich jedoch nicht auf die Entwicklung eines speziellen Produktes beschränken, sondern allgemein gültig erforscht werden. Ziel ist, dass sich die systematische Analyse des Prozesses von der Entwicklung und Konstruktion bis zum Prototypenbau erstreckt.

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Das Leitprojekt der Experimentellen Fabrik bildet die integrierende Klammer für eine Reihe von Einzelthemen, die sich in einer für den Maschinenbau neuen Form der Forschungskooperation (Open Source Entwicklungsumgebung) auf der Grundlage der Basistechnologien: - Virtual Reality, Rapid Prototyping, generative Fertigungsverfahren, - Hochgeschwindigkeitshartbearbeitung hochfester Materialien, - neue Werkstoffe, hochfeste Faserverbundwerkstoffe, Funktionswerkstoffe, - schnelle elektromagnetische Direktantriebe für Werkzeugmaschinen und Roboter, - elektromagnetische Verträglichkeit von innovativen Maschinenbaugruppen mit der Entwicklung, der Fertigung, der Erprobung und Markteinführung neuer innovativer Produkte des Maschinenbaus und der Elektrotechnik befassen. Das Leitprojekt schafft Regeln und Strategien zur Umsetzung des Konzeptgedankens "Open-Source", organisiert und koordiniert die Einzelprojekte, sorgt für Wissenstransfer und Wissenmanagement innerhalb der Forschungsgruppe und nach außen, evaluiert die Projektergebnisse und erarbeitet Empfehlungen für weitere Vorgehensweisen. Es leistet damit, unterstützt durch den Wissenschaftlichen Beirat, den entscheidenden Beitrag zur wissenschaftlichen Leitung des Hauses.

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Drei wesentliche Projektziele werden angestrebt: Entwicklung eines Verfahrens zur Fertigung von verlorenen Gussmodellen durch den Einsatz von Rapid-Prototyping-Verfahren, Entwicklung von Strategien zum Einsatz von verloren Modellen im Sandguss, Untersuchungen zum Einsatz der Feingusstechnik zur Fertigung von Prototypen deren Fertigung im Sandguss nicht möglich ist. Als Ergebnis steht somit eine Prozesskette die die Fertigung von komplizierten Funktionsprototypen ermöglicht. Durch die eingesetzten und zu entwickelnden Technologien sollte es möglich sein, ein bestimmtes Spektrum von Bauteilen schneller und kostengünstiger als Mitwettberwerber zu fertigen.

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Das Projekt stellt einen wichtigen Baustein einer effizienten Infrastruktur für das Kompetenznetz dar. Es wird eine hochdynamische, hochpräzise spanende Werkzeugmaschine in Modulen entwickelt. Damit werden die Voraussetzungen für ein Markenzeichen geschaffen, die netzwerksintern vergeben werden und mit denen die Wettbewerbschancen der beteiligten Unternehmen verbessert werden. Ausgehend vom Stand der Technik wird durch Werkstoffsubstitution, Einsatz modernster Meß- und Antriebstechnik unter Verwendung moderner CAD/CAM Technik ein Prototyp einer Werkzeugmaschine entwickelt und erprobt. Die Entwicklung eines Mineralguss-Werkstoffkataloges durch experimentelle Bestimmung der Materialparameter sowie die Erarbeitung von Konstruktionsrichtlinien, die die Konstruktionsmethodik wie auch die umweltgerechte Produktentwicklung über den gesamten Lebenszyklus des Produktes berücksichtigen, soll eine unternehmensspezifische Umsetzung mit übersichtlichen und praktikabel anwendbaren Mitteln erleichtern. Die Ergebnisse werden nach Abschluß des Vorhabens zum Zweck der Verwertung den beteiligten Unternehmen des Kompetenznetzes zur Verfügung gestellt.

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Gerade für jüngere Kleine und Mittelständische Unternehmen (KMU) besteht eine Reihe von Schwellen, die sie von der Entwicklung von gewinnträchtigen Produkten abhalten. In der Software-Entwicklung hat sich mittlerweile neben dem rein kommerziell orientierten Bereich ein weiterer etabliert, in dem die Software offengelegt und von einer großen Gruppe interessierter Anwender weiterentwickelt wird. Dieses Entwicklungsmodell wird heute als "Open Source" (Offene Quellen) bezeichnet. Der Erfolg einzelner Open-Source-Projekte, z.B. Linux (Betriebssystem), zeigt die Mächtigkeit, die heute in diesem Modell steckt. Im Rahmen der "Experimentellen Fabrik Magdeburg" (ExFa) soll untersucht werden, ob und welche Möglichkeiten sich aus dem Open-Source-Gedanken für die Produkt- und Prozeßentwicklung ergeben können (s.a. Leitprojekt der ExFa). Die zentrale Frage für dieses Vorhaben lautet: -Wie lassen sich die Open-Source-Gedanken in der Produktentwicklung nutzen?-

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Das Vorhaben ist ausgerichtet auf die innovativen Basistechnologien (Rapid Prototyping, Rapid Tooling und abrasive, rechnergesteuerte Verfahren, z.B. HSC), deren Anwendung und Weiterentwicklung. Hierbei anstehende Untersuchungen werden eingebettet in die Strategie zur praktischen Umsetzung einer integrierten Produktentwicklung in einem Open-Source-Umfeld. Es wird durch eine parallel verlaufende Prozeßentwicklung möglich, optimale Prozeßketten zu planen, zu erproben und zu optimieren. Das geplante Vorhaben soll einen Beitrag zur Optimierung der Auswahl, des Einsatzes und Kopplung der genannten Technologien sowie der Projektkoordination leisten. Deshalb sollen Stärken sowohl der einzelnen Technologien als auch einzelner Prozeßketten herausgearbeitet und Konsequenzen für ihren Einsatz zusammengestellt werden. Im Rahmen der Open-Source-Entwicklungszusammenarbeit werden somit Prototypen, Funktionsmuster und Werkkzeuge sowie Daten (Modellbeschreibungen und Versuchs- bzw. Analyseergebnisse) den Partnern zu Verfügung gestellt.

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Jedes Rapid-Prototyping-Verfahren bedingt verfahrens- und maschinentypische Eigenschaften der Prototypen. Insbesondere bei Anwendungen, die mehr erfordern als die Abbildung der Gestaltung und der Handhabbarkeit eines Objektes, werden höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Beherrschung der Technologien gestellt. Das Forschungsprojekt soll dazu beitragen, die Qualität der Bauteile bereits im Vorfeld durch Anwendung von Ähnlichkeitsbetrachtungen zu beeinflussen und in Hinblick auf spätere Serienbauteile zu optimieren. Dabei soll exemplarisch mit dem LOM-Verfahren nachgewiesen werden, inwieweit in den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung die Möglichkeit zur Optimierung von rechnerinternen Modellen durch die Nutzung von realen, aber maßlich veränderten Objekten (Prototypen) erfolgen kann. Innerhalb von Iterationszyklen sollen hierzu skalierte Prototypen zur Abbildung und Funktionsprüfung dienen. Diese sollen hinsichtlich Ihrer Aussagekraft über Produkt und Prozeß geprüft werden. Abzuleiten sind Vorgehensweisen und Gestaltungsrichtlinien zur Verbesserung der Produktqualität und zur Verkürzung der Produktentwicklungszeiten.

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Derzeit befinden sich Schätzungen zufolge allein in Deutschland etwa 250 CAD-Systeme im Einsatz, weltweit ist von einer weitaus größeren Zahl auszugehen. Eine Kommunikation (Konstruktions-Datenaustausch) zwischen diesen Ingenieursystemen kann aufgrund unterschiedlicher, systemeigener Modellbeschreibungen in vielen Anwendungsfällen nur über neutrale Schnittstellen erfolgen. Diese Schnittstellen arbeiten als ein Übersetzer für (zumeist geometrische) Attribute und topologische Beziehungen. Dabei handelt es sich um standardisierte Software, welche computerinterne Produktbeschreibungen in Datensätze mit fest vorgegebenem Aufbau übersetzt, beziehungsweise in umgekehrter Weise wieder zurückliest.
Allerdings muß jede Standardisierung einen Kompromiß darstellen. Einerseits können nicht alle Besonderheiten eines jeden Systems in Standardformate übernommen werden, andererseits steckt in den neutralen Austauschdateien vieles, was von zahlreichen CAD-Systemen nicht verarbeitet werden kann.
Hier setzt das Forschungsprojekt an. Es laufen diesbezüglich Untersuchungen zum Funktionsumfang von Standardschnittstellen, zu Möglichkeiten der Fehlerkorrektur beim Datenaustausch und zu alternativen Wegen.
Allerdings muß jede Standardisierung einen Kompromiß darstellen. Einerseits können nicht alle Besonderheiten eines jeden Systems in Standardformate übernommen werden, andererseits steckt in den neutralen Austauschdateien vieles, was von zahlreichen CAD-Systemen nicht verarbeitet werden kann.
Hier setzt das Forschungsprojekt an. Es laufen diesbezüglich Untersuchungen zum Funktionsumfang von Standardschnittstellen, zu Möglichkeiten der Fehlerkorrektur beim Datenaustausch und zu alternativen Wegen.

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Grundlage für die Bereitstellung neuartiger Problemlösungen bzw. am Markt erfolgreicher Produkte sind die Gewährleistung der geforderten Gebrauchseigenschaften, die Bereitstellung in minimalen Zeiträumen, zu minimalen Kosten unter Gewährleistung bester Qualität. Das geplante Vorhaben soll Aufschluß über die notwendigen Rahmenbedingungen beim Einsatz von Prototypen in den unterschiedlichen Phasen der Produktentwicklung geben, um die Fertigung komplexer Bauteile in einer geschlossenen Fertigungskette zu simulieren. Ausgehend von den Grundlagen methodischen Vorgehens bei der Produktentwicklung sollen Hinweise, Entscheidungshilfen und Richtlinien für die Arbeit des Konstrukteurs erarbeitet werden. Im Rahmen des Projektes "Neue Produktionssysteme/ Experimentelle Fabrik" sollen systematisch die bisher vorhandenen Kopplungen (Anordnung) der Komponenten CAD-Systeme, Rapid-Prototyping-Verfahren, Folgeprozesse, optimiert werden. Der Schwerpunkt des Vorhabens ist die Systematisierung der Schritte bis zum Vorliegen hochwertiger Prototypen für gußtechnische Folgeprozesse.

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Aufbauend auf umfangreiche Listen relevanter Termini auf dem Gebiet des Umweltschutzes, des Recyclings und recyclinggerechten Konstruierens sollen branchenneutral Termini festgelegt und definiert werden.

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In Entwicklung, Konstruktion und Arbeitsvorbereitung werden gegenwärtig bis zu 75% der Produktkosten festgelegt. Zusätzlich zu den bekannten Vorteilen der rechnerunterstützten Modellierung an mehreren heterogenen CAD/CAM- und Simulationssystemen und des Rapid Prototyping soll eine weitere Verkürzung der Durchlaufzeiten, Senkung der Kosten und Steigerung der Qualität durch eine weitgehend automatisierte Rückführung der Ergebnisse des Rapid Prototyping und der Nacharbeiten mit Hilfe eines 3D-Scanners erreicht werden. Die Rückführung der Ergebnisse dient dazu, solche Optimierungsvorgänge, die erst anhand von Untersuchungen an einem fertigen Bauteil durchgeführt werden können, durch Digitalisieren mit dem 3D-Scanner weitgehend automatisch und fehlerfrei im Produktmodell des Bauteils am CAD/CAM-System zu dokumentieren (Re-Engineering des Produktmodells). Somit bildet das Produktmodell jederzeit die zentrale und aktuelle Speicherungsform des Bauteils. Die Untersuchungen setzen sich aus einem rechnerunterstützten konstruktionsmethodischen, einem fertigungstechnischen sowie einem meßtechnischen Teil, der zum Re-Engineering gehört, zusammen.

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Ziel des Forschungsvorhabens ist die methodische Untersuchung der Rapid-Prototyping-Verfahren als konstruktive Hilfsmittel im Produktentwicklungsprozeß. Für den Kosntrukteur sollen Hilfsmittel in Form von Richtlinien und Katalogen erstellte werden, die bei der Entscheidungsfindung zum Einsatz von Rapid-Prototyping-Verfahren helfen. Sie sollen Unterstützung geben bei der Auswahl optimaler Zeitpunkte für die Verwendung der Prototypen, bei der Wahl des günstigsten Verfahrens sowie über die notwendigen Voraussetzungen und zu erwartenden Ergebnisse. Ausgehend von räumlichen CAD-Modellen (Solid-Models) sollen Bauteile klassifiziert und hinsichtlich ihrer Charakteristika untersucht werden. Die besondere Betonung des systematischen Vorgehensweisen bei der Erarbeitung der Hilfen als auch bei der Aufbereitung der Ergebnisse soll deren Einbindung in Konstruktionstechnik hervorheben. Das geplante Vorhaben soll einen Beitrag zur Methodik für die Produktherstellung mit dem Schwerpunkt Entwicklung und Konstruktion geben, die unter dem Begriff "Simultaneous Engineering" zusammengefaßt werden.

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Das Forschungsvorhaben hat das Ziel, einen Beitrag zum Recycling bisher und zur Zeit gebauter Container zu leisten sowie erforderliche Informationen zu liefern, die ein Recycling zukünftig herzustellender Container bzw. großräumig isolierter Produkte erleichtern und wirtschaftlich ermöglichen. Dazu ist die Zerlegung auszusondernder Container unter dem Aspekt der Lage der Trennstellen und dabei einzusetzender Verfahren zu untersuchen. Zielstellung ist ein Maximum an Teilen und Werkstoffen, die rezykliert werden können und ein Minimum an zu deponierenden Werkstoffen und entstehenden Schadstoffen. Ausgehend von den dabei auftretenden Problemen ist eine recyclingunterstützende Gestalt der Produkte zu konzipieren. Ein weiterer Untersuchungsgesichtspunkt ist die Optimierung der Konstruktion nach Recyclinggesichtspunkten unter Beibehaltung der gegenwärtigen Isoliermethode.

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Zielstellung ist es, die Integrationsmöglichkeiten von Rapid-Prototyping-Technologien und der CAD-Modellierung zu untersuchen. Schwerpunkte des Projektes sollen sich auf die effektive Anwendung von Technologien zur Prototypen- und Produktherstellung für die Unterstützung der Produktplanung und -entwicklung konzentrieren. Vom besonderen Interesse sind die Einsatzmöglichkeiten und -grenzen der Technolgien bei der Auswahl von Produktideen und der Klärung von Produkteigenschaften.

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Der Produktentstehungsprozeß ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte zur Produktbeschreibung (CAD-Modellerstellung und Modellweiterverarbeitung) nahezu aussschließlich sequentiell vollzogen werden. Bei paralleler Bearbeitung des Produktmodells durch Konstrukteur, FEM-Fachmann, Gießtechnologe, Fertigungsvorbereiter usw. gestalten sich ein durchgängiger Zugriff und eine kontinuierliche Aktualisierung aufgrund imkompatibler CAD- und Expertensysteme oftmals als schwierig oder gar unmöglich. Hier kann die Einbeziehung von Rapid-Prototyping-Technologien die bereichsübergreifende Kommunikation wesentlich erleichtern und gestattet neben der verbesserten Visualisierung auch, Veränderungen direkt am real existierenden Objekt vorzunehmen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Implementierung von 3D-Digitalsierern und Rapid-Prototyping-Anlagen als Mittel zur verbesserten Kommunikation und Kopplung unterschiedlicher Ingenieursysteme.

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