Produktionssystem

In den letzten Jahren ist ein wachsender Trend zum Aufbau spezieller Arbeitsplätze, sogenannter Virtual-Reality-Labore, an Hochschuleinrichtungen zu erkennen. Dieser trägt dem Wunsch nach besserer Visualisierung sowohl von Forschungs- als auch von Lehrinhalten Rechnung. Durch den Einsatz von Virtual-Reality-Systemen für bspw. universitäre Lehrveranstaltungen, kann die Vermittlung komplexer Sachverhalte verbessert und somit die Ausbildung von Fachkräften beschleunigt und zielgerichteter durchgeführt werden. In einer virtuell-interaktiven Umgebung können die relevanten Lehrinhalte so visualisiert werden, dass sie zusammen mit der sich bietenden Möglichkeit der praktischen Arbeit eine wesentliche Verbesserung der Lernerfolge erwarten lassen [1]. Der Beitrag skizziert die Potenziale, die die Nutzung der Virtual-Reality-Technik für die universitäre Ausbildung besitzt.

Die Qualität und Geschwindigkeit in der Fertigung und Montage von Mikrosystemen hat in den letzen Jahren immense Fortschritte gemacht. Ausgereifte Mikro- und Nano-Rapidprototypingverfahren in Verbindung mit Replikationstechniken ermöglichen die Massenfertigung von hochpräzisen Mikrobauteilen. Für die Qualitätskontrolle solcher Bauteile wird eine ebenso schnelle wie genaue Messtechnik benötigt. Die diesbezüglichen guten Erfahrungen der makroskopischen Streifenprojektion sollen daher auf die Anforderungen der Mikrotechnik angepasst und optimiert werden. Ein Ansatz hierfür ist die endoskopische Streifenprojektion. Mit ihrer Hilfe wird es möglich, kleinste Messvolumina präzise und berührungsfrei dreidimensional zu erfassen und auszuwerten. Das Messprinzip und die Möglichkeiten werden anhand eines faserbasierten endoskopischen Streifenprojektionssystems aus dem, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten, Sonderforschungsbereich Transregio 73 erläutert.

Aufgrund ihrer wirtschaftlichen und fertigungstechnischen Vorteile haben sich Laserquellen in den vergangenen 30 Jahren in weiten Bereichen der Produktionstechnik etabliert. Besonders die Möglichkeit der Realisierung kleinster Fokusdurchmesser zur Materialbearbeitung macht den Laser zu einem der wichtigsten Werkzeuge in der Mikrotechnologie. In diesem Beitrag werden grundlegende Verfahren der Lasermikrobearbeitung sowie deren verfahrensspezifische Anwendungsgebiete vorgestellt. Dabei wird auf etablierte und in der Entwicklung begriffene Technologien eingegangen. Abschließend erfolgt eine Betrachtung des Marktpotenzials laserbasierter Fertigungsverfahren in der Mikrotechnologie.

In unserem Alltag haben in vielen Anwendungen und Geräten intelligente Funktionen, die auf Mikrotechnologien basieren, Einzug gehalten. Handys sind beispielsweise mit Kameras, Spielkonsolen oder persönlichen digitale Assistenten ausgestattet. Autos werden intelligenter über Selbstkontrollfunktionen und adaptive Sicherheitssysteme. Neben Japan und den USA gehört Europa zu den führenden Standorten in der Welt. Der Schlüsselfaktor für erfolgreich am Markt etablierte Produkte werden künftig die Systemintegration, die Miniaturisierung von Komponenten und nicht zuletzt die Integration der verschiedenen Technologieansätze und der verschiedenen Materialien sein. Dabei ist die Brücke zwischen der Nanometer- und Mikrometerskala der Komponenten und der Makrowelt der Anwender zu schlagen. Smart Systems Technologien und ihre Integration werden deshalb einen entscheidenden Einfluss auf die Konkurrenzfähigkeit der Produkte verschiedener Branchen, wie Luftfahrt, Sicherheit, Automobilbau, ...

Mit den Prozessen und Verfahren der Mikrosystemtechnik wird eine Vielzahl von Mikrosensoren und -aktoren hergestellt. Diese Technologie ist jedoch durch das Aufschichten von Ebenen limitiert, wodurch keine echten 3D-Strukturen aufgebaut werden können. Diese Einschränkung wird durch die Kombination mit einem nachgelagerten Mikroumformprozess überwunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Statorspulen für einen Mikromotor mit einem Gehäusedurchmesser von lediglich 4 mm kostengünstig und prozesssicher herzustellen.

Der Trend zur Miniaturisierung von Funktionsbauteilen spiegelt sich in der Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien wider. Häufig lassen sich in der Makrowelt beherrschte Prozesse nicht ohne Weiteres für die Herstellung von Mikrobauteilen skalieren. Im Folgenden werden Ansätze beschrieben, das aus der Großserienfertigung bekannte Umformverfahren Rundkneten für Miniaturwerkstücke, d.h. hier im Durchmesserbereich unterhalb 1,0 mm, einsatzfähig zu machen. Bei richtiger Auslegung der Technologie bieten sich vielfältige Anwendungsfelder.

Teile mit einer Größe von einigen Mikrometern bis zu wenigen Millimetern, sogenannte Mikrobauteile, werden von der Mikrosystemtechnik bis hin zur Medizintechnik vermehrt benötigt. Hierbei liegen die Herausforderungen für die Forschung und Entwicklung nicht nur in der Miniaturisierung und Entwicklung technischer Verfahren. Für die Einbindung in Produktionsprozesse werden geeignete Handhabungstechniken benötigt. Dieser Beitrag gibt eine Übersicht der Handhabungsprinzipien und -techniken zum Greifen, Fördern, Ablösen und Sortieren von Mikroobjekten. Die unterschiedlichen Prinzipien werden insbesondere an Beispielen aus dem Bereich der Greiftechnik dargestellt.

Die Entwicklung und Produktion mikromechanischer Bauteile ist mit vielfältigen komplexen Herausforderungen verknüpft. Durch die kleinen Bauteilabmessungen, die nahe an derzeit in der Fertigung realisierbaren Toleranzen liegen, kann es beim Zusammenwirken mikromechanischer Bauteile infolge von Gestaltabweichungen zu Funktionsstörungen kommen. Am IPEK - Institut für Produktentwicklung Karlsruhe wird eine Qualitätssicherungsstrategie für Mikroverzahnungen entwickelt, die Aussagen über die Auswirkungen von Gestaltabweichungen auf den Funktionszusammenhang mikromechanischer Bauteile zulässt. Dabei können Formabweichungen einzelner Mikrozahnräder derart bestimmt werden, dass geeignete Zahnradpaarungen zur Wahrung einer angestrebten Funktionserfüllung gefunden werden können.

roduktminiaturisierung eröffnen sich für die mechanische Mikrofertigung eine Reihe neuer Einsatzbereiche und Marktchancen. Mit Bauteildimensionen unter einem Millimeter und Fertigungstoleranzen im Mikrometerbereich treten im Herstellungsprozess sogenannte „Größeneffekte“ auf, die eine einfache Prozessskalierung bekannter Verfahren aus dem Makrobereich verhindern und zu einem erhöhten Auftreten an Qualitätsabweichungen führen. Im Ergebnis wird die Prozessfähigkeit nach DIN ISO 21747 beeinträchtigt und somit auch die Anwendbarkeit der statistische Prozesslenkung (SPC) erschwert. In diesem Beitrag werden am Beispiel der Mikrokaltumformung die Wechselwirkungen zwischen technischen und logistischen Qualitätszielen im Sinne der logistischen Qualitätslenkung untersucht, wobei Methoden der statistischen Prozesslenkung und Fuzzy-Regelung zum Einsatz kommen.

Die ergonomische Gestaltung eines Produktes wird genauso wie die ergonomische Arbeitsplatzgestaltung zunehmend durch virtuelle Werkzeuge unterstützt. In diesem Beitrag wird vorgestellt, inwieweit digitale Menschmodelle als Werkzeuge virtueller Ergonomie in den CAx-/PLM-Systemen und der Digitalen Fabrik funktionieren. Anhand einer Evaluierung dieser Systeme in der Praxis wird aufgezeigt, welche Methoden die digitalen Menschmodelle erfolgreich zur Verfügung stellen und in welchen Bereichen eine Weiterentwicklung nötig ist. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob die Werkzeuge einer virtuellen Ergonomie auch zukünftig Expertentools bleiben, oder ob sich die Systeme als ergonomische Standardwerkzeuge etablieren könnten.