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Arbeitsgebiete Forschungsschwerpunkte

Lehrstuhl für Produktentwicklung

Mit der 2016 erfolgten Neubesetzung des Lehrstuhls für Produktentwicklung erfolgte auch eine inhaltliche Neuausrichtung der Lehr- und Forschungsschwerpunkte. Der Lehrstuhl sieht sich durch seine Schnittstellenfunktion auf Basis der klassischen Konstruktionslehre als Partner für vielfältige, vor allem anwendungsorientierte Forschungs- und Industrieprojekte. Dabei stehen insbesondere die frühen Phasen der Produktentwicklung bis hin zum Prototypenbau im Blickpunkt der Aktivitäten.
Die Lehrtätigkeiten des Lehrstuhls sind geprägt von klassischen Themen des Maschinenbaus und werden in Form von Vorlesungen, Laboren und praktischen Übungen als Pflicht- oder Wahlpflichtfach angeboten. Lehrveranstaltungen zu den Themenbereichen Produktentwicklung, Maschinenelemente, Getriebelehre und 3D-CAD bilden den soliden Kern des Lehrangebots. Das Lehrportfolio wurde jüngst durch das aktuelle Thema 3D-Druck in Form eines Hands-On-Labors („Additive Fertigung Labor“) erweitert. Hier lernen Studierende die Besonderheiten der Additiven Fertigung, oft auch als 3D-Druck bezeichnet, durch die praktische Anwendung von Gestaltungsregeln in kleinen Projekten kennen, die die Besonderheiten dieser Fertigungstechnologie hervorheben. Eine eigenständige Vorlesung „Additive Fertigung“ ist in Vorbereitung und wird ab dem Wintersemester 2019/20 dem erhöhten Bedarf der Industrieunternehmen nach Ingenieuren mit fundiertem Fachwissen auf dem Gebiet Rechnung tragen.
Die Lehrveranstaltungen werden teilweise auch in englischer Sprache angeboten. Sie sind in die Studiengänge Maschinenbau, Fahrzeugbau, Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Wirtschaftsingenieurwesen, Mechatronik sowie International Production Engineering and Management und Human Computer Interaction integriert. Die Lehrinhalte werden durch die zum Teil rasante Entwicklung in den einzelnen Disziplinen geprägt.
Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls ist die vorwiegend angewandte Forschung in den Bereichen:


•    Methodische Produktentwicklung
•    Virtuelle Produktentwicklung
•    Additive Fertigung.


Ein systematisches, durch den Einsatz von Methodiken und Methoden geprägtes Vorgehen bei Produktentwicklungsprozessen ist heute zur Wahrung der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens unerlässlich. Durch die neuen Anforderungen, die aus Konzepten wie Industrie 4.0 entstehen, ist der Produktentwicklungsprozess zurzeit einem starken Wandel unterzogen. Die für eine vernetzte und individualisierbare Produktion erforderliche Flexibilität von Produktkonzepten und Prozessen erfordert neue Ansätze für die Etablierung einer agilen, auf Änderung von Anforderungen reagierenden Produktentwicklung. Neue methodische Vorgehensweisen und Prozesse müssen entwickelt und umgesetzt werden. Aber auch die klassische Produktentwicklungsmethodik bietet noch Verbesserungspotenziale, beispielsweise bei der Verwertbarkeit von Funktionsstrukturen und der unvoreingenommenen Zusammenstellung von Wirkstrukturen. Hierauf begründet sich der Forschungsschwerpunkt „Methodische Produktentwicklung“.
Die virtuelle Produktentwicklung bietet eine große Vielzahl von Werkzeugen, von CAD-Software über Berechnungs- und Simulationsumgebungen bis hin zur neu auflebenden Virtual Reality. Dabei geht es dem Lehrstuhl nicht um die weitere Verbesserung etablierter, hochkomplexer CAE-Softwaresysteme, sondern vielmehr um eine rechnerunterstützte Prozessoptimierung der Produktentwicklung unter Einbeziehung bestehender Systeme mit besonderer Berücksichtigung von Schnittstellenproblematiken und Produktdatenmanagement, beispielsweise mit dem Ziel, Daten effizient zu erfassen und zu analysieren. Auch sollen die frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses durch neue virtuelle Prozesse und Instrumente besser unterstützt werden. Neben der intensiven Anwendung von CAE-Technologien stellt die Erarbeitung intelligenter Lösungen im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung den zweiten Forschungsbereich des Lehrstuhls dar.


Durch die direkte Möglichkeit der Prototypenfertigung aus dem 3D-Modell ohne Generierung eines Werkzeuges ist die Additive Fertigung eine ideale Ergänzung für einen agilen Produktentwicklungsprozess. Sie stellt durch die sich rasant weiter entwickelnde Serientauglichkeit eine direkte Schnittstelle von der Produktentwicklung zur Produktion dar. Die vielen Vorteile der Additiven Fertigung werden bisher nur ansatzweise genutzt. Die Ausschöpfung des Potenzials dieser jungen Fertigungstechnologie erfordert veränderte Denkweisen in der Gestaltung und methodischen Herangehensweise bei der Entwicklung neuer, aber auch bei der Substitution bestehender Produkte durch dieses ressourcenschonende Fertigungsverfahren. Die Additive Fertigung komplettiert somit die Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls für Produktentwicklung.


Die aktuellen Forschungstätigkeiten des Lehrstuhls konzentrieren sich im Bereich der Additiven Fertigung auf die Identifizierung von Einsatzmöglichkeiten der Additiven Fertigung durch Funktionsintegration oder Substitution konventionell hergestellter Bauteile, die effiziente Nachbearbeitung von Kunststoffbauteilen und den Einsatz additiv gefertigter faserverstärkter Bauteile. Erkenntnisse aus Untersuchungen zur Modellbildung von Materialien mit Mikrostruktur, wie z.B. Organobleche, sollen auf additiv gefertigte faserverstärkte Strukturen übertragen werden. Organobleche sind in einer thermoplastischen Matrix eingebettete Gewebe oder Gelege aus Glas- oder Kohlefaser. Sie werden Aufgrund ihrer Warmumformbarkeit und der hohen Steifigkeit und Festigkeit infolge der Faserverstärkung vermehrt in der Automobil-, aber auch in der Flugzeugindustrie eingesetzt. Zur Vorhersage ihres mechanischen Verhaltens sind neue, kontinuumsmechanische Probleme zu lösen, da eine vollständige Auflösung der Mikrostruktur im Allgemeinen zu aufwendig ist.

 

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Bild 1: Bruchverhalten (oben) und horizontale Dehnungsmessung (unten) bei Organoblechen mit einer Faserorientierung von 45°.


Ein weiteres Forschungsbeispiel stellt eine langsam laufende Turbine für kleine Wasserkraftpotenziale dar, welche nach dem Kirsten-Boeing-Prinzip arbeitet. Die Turbine weist eine besondere Schaufelkinematik auf, bei der sich ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Schaufeldrehzahl und der Turbinendrehzahl von 1 zu 2 ergibt. Dadurch kann die Turbine im Betriebszustand vollständig ins Wasser eingetaucht werden. Durch strömungstechnische Simulation in Verbindung mit neuronalen Netzen als Metamodell wurden Anzahl und Querschnittsgeometrie der Schaufeln zur Erhöhung des Wirkungsgrades optimiert. Die Additive Fertigung ermöglichte eine zeitnahe, formgenaue und preiswerte Herstellung eines Prototyps. Sowohl dieser, als auch ein konventionell gefertigter größerer Prototyp der Turbine wurden erfolgreich im Fließgewässer getestet.
 

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Bild 2: Prototyp einer Wasserturbine nach dem Kirsten-Boeing Prinzip mit querschnittsoptimierten, additiv gefertigten Schaufeln.


Der Lehrstuhl beschäftigt zurzeit sechs wissenschaftliche Mitarbeiter, die durch einen technischen Mitarbeiter unterstützt werden und dem Lehrstuhl ein vielfältiges Profil geben. In den kommenden Jahren soll der Lehrstuhl personell und thematisch weiter ausgebaut werden. Hierzu erwarten wir im aktuellen Jahr die Genehmigung zur Anschaffung einer Metalldruckanlage (LBM). Mit Hilfe dieser Anlage lässt sich ein großes Spektrum an weiteren möglichen Forschungsthemen im Rahmen der drei Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls erschließen.