Die Kompetenzen der einzelnen Abteilungen

Die Forscherinnen und Forscher des iwb entwickeln Lösungsstrategien für die effiziente Produktion von Morgen. Die Teams der Abteilungen untersuchen dafür gemeinsam mit Ihnen als Projektpartner aktuelle Fragestellungen - wissenschaftlich und problemorientiert. Die Arbeiten werden dabei nicht nur in den Forschungsfeldern des Instituts sondern auch bei den Unternehmen vor Ort durchgeführt.

Abteilung Additive Fertigung

Additive (generative) Fertigungsverfahren sind in der Öffentlichkeit unter dem Namen „3D-Druck“ oder „Rapid Prototyping“ bekannt geworden und haben in den letzten Jahren massiv an Bedeutung gewonnen. Nach heutigem Stand werden unter dem Begriff der „Additiven Fertigung“ alle Fertigungsverfahren zusammengefasst, bei denen schichtweise ein Bauteil entsteht. Sie bieten damit zahlreiche gestalterische Freiheiten.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des iwb befassen sich forschungsseitig mit der Verarbeitung von metallischen Werkstoffen. Zum Verfahrens-Portfolio zählen das selektive Laser-Strahlschmelzen (Laser Beam Melting, LBM), die lichtbogen- und drahtbasierte additive Fertigung (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) das Pulver-Binderverfahren (Binderjetting) sowie das Tintenstrahldrucken (Inkjetprinting). Komplettiert wird die Ausstattung am iwb durch diverse Anlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen, die hauptsächlich in der Lehre oder bei der Fertigung von Prototypen zum Einsatz kommen. Die methodischen Kernkompetenzen der Abteilung Additive Fertigung umfassen die Prozessentwicklung, die Prozesssimulation auf unterschiedlichen Betrachtungsskalen und die Prozessüberwachung. Ergänzend hierzu bestehen Kompetenzen im Bereich der spanenden Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen, welche zusammen mit der Abteilung Werkzeugmaschinen aufgebaut wurden.

Leitung der Abteilung: Andreas Bachmann

 

Die Forschungsschwerpunkte der Abteilung Additive Fertigung:

  •  Additive Fertigungsprozesse
    Im Forschungsfeld Additive Fertigungsprozesse beschäftigen sich die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter detailliert mit den Prozessen einzelner additiver Verfahren und den zugrundeliegenden physikalischen Effekten. Dabei stehen sowohl die Entwicklung von neuen Verfahren als auch die Erweiterung des Prozessverständnisses bei bereits existierenden Verfahren im Vordergrund. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Erfassung und Beschreibung der grundlegenden Wirkzusammenhänge bei den additiven Fertigungsprozessen. Ein fundiertes Prozessverständnis dient dazu, nicht nur die Robustheit und Prozesssicherheit von additiven Fertigungsverfahren zu verbessern, sondern bildet auch den Ausgangspunkt für die Entwicklung von neuen Verfahren und Derivaten sowie für die Befähigung neuer Materialien für die Additive Fertigung.
    Forschungsfeldleitung: Andreas Wimmer
  • Prozessketten- und Bauteilgestaltung
    Im Forschungsfeld Prozessketten- und Bauteilgestaltung liegt der Fokus, im Gegensatz zum Forschungsfeld Additive Fertigungsprozesse, auf übergeordneten Fragestellungen, die sich durch den Einsatz der Additiven Fertigung in Produktionssystemen ergeben. Dabei stehen weniger die Wirkzusammenhänge bei einem einzelnen additiven Verfahren im Vordergrund, vielmehr werden die Wechselwirkungen und Interaktionen des Additiven Fertigungsprozesses mit vor- und nachgelagerten Prozessen in der Prozesskette betrachtet. Dazu zählen beispielsweise Methoden zur Beherrschung bzw. zur Kompensation von Bauteilverzug entlang der gesamten additiven Prozesskette oder die geeignete Abstimmung von Additiver Fertigung und passender spanender Nachbearbeitung, um Bauteile mit hoher Oberflächengüte herstellen zu können.
    Forschungsfeldleitung: Cara Kolb

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Abteilung Batterieproduktion

Leistungsfähige elektrochemische Energiespeicher sind für Anwendungen in der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung von großer Bedeutung. Hierfür sind die Verbesserung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte sowie die Reduktion der Produktionskosten ausschlaggebend. Erst ein vertieftes Prozessverständnis über die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ermöglicht die Produktion verbesserter und kostengünstiger Batteriezellen.

Die Abteilung Batterieproduktion beschäftigt sich forschungsseitig deshalb mit der Fertigung von innovativen Batteriezellen. Der Kern der Arbeit ist die Prozessentwicklung und die Optimierung aller Prozesse innerhalb der Batterieproduktion. Vom Mischen der Elektrodenmaterialien bis hin zur Formierung der fertigen Zellen und der Batteriemodulmontage werden alle Schritte in-house an der Forschungsproduktionslinie des iwb durchgeführt. Die Arbeitssicherheit steht hierbei stets im Vordergrund. Auch aufgrund der industrienahen Forschung des iwb werden entlang der gesamten Prozesskette höchste Sicherheitsstandards eingehalten. Das Zellportfolio umfasst verschiedene Zelltypen (Knopf-, Pouch- und Hardcase-Zellen) mit Kapazitäten von wenigen mAh bis über 20 Ah. Hierfür steht am iwb industrienahe Anlagentechnik zur Verfügung, welche flexibel an verschiedenste Anforderungen angepasst werden kann.

Neben unterschiedlichsten Materialien konventioneller LIB beschäftigt sich die Abteilung auch mit Festkörperbatterien und der Verwendung von metallischem Lithium, sowie Silizium-Komposit-Anoden zur Herstellung von LIB der nächsten Generation.

Leitung der Abteilung: Florian Günter

 

Die Forschungsschwerpunkte der Abteilung Batterieproduktion sind:

  • Elektrodendesign und -herstellung
    Die Performance von Batteriezellen hängt nicht nur von den verwendeten Materialien, sondern auch maßgeblich von der Beschaffenheit der Elektroden ab. Jedes Elektrodenmaterial bedarf einer Neuauslegung der Herstellungsprozesse, weshalb ein vertieftes Verständnis über diese notwendig ist.

    Im Forschungsfeld Elektrodendesign und -herstellung beschäftigen sich die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter intensiv mit neuen Elektrodendesigns (von Slurry-Rezepturen bis zu Elektrodenstrukturen) und der Verarbeitung neuartiger Elektrodenmaterialien. Kathodenseitig stehen vor allem kobaltarme Materialien auf NMC-, NCA-Basis sowie prälithiierte manganreiche Hochvoltspinelle im Fokus der Forschung. Für Anodenmaterialien liegt der Forschungsschwerpunkt auf Silizium-Kompositen und der Prälithiierung von Anoden.

    Neben der Materialforschung und Forschung an Elektroden-Slurrys beschäftigt sich das iwb zudem mit der Auslegung von Elektroden- und Zelldesigns. Im Fokus stehen hier sowohl künstlich erzeugte Elektrodenstrukturen durch mechanische Strukturierungsverfahren und Laserstrukturierung, als auch natürlich erzeugte Strukturen durch den Einsatz unterschiedlicher Porositäten innerhalb der Elektrodenschichten.

    Die innerhalb der Themengruppe Batterieproduktion betrachteten Prozesse reichen vom pulverförmigen Aktivmaterial bis zur fertigen Elektrode und umfassen das Mischen und Dispergieren, das Beschichten und Trocknen sowie das Kalandrieren und Laserstrukturieren der Elektroden.

    Forschungsfeldleitung: David Schreiner
     
  • Zellproduktion und -qualität
    In der Zellmontage werden aus einzelnen Elektroden funktionierende Zellen mit hoher Kapazität und Energiedichte produziert. Umso später Fehler entlang der Prozesskette auftreten, desto stärker wirkt sich der Ausschuss auf die Kosten aus, weswegen die Qualitätssicherung und Prozessstabilität höchste Wichtigkeit für eine effiziente Produktion unter hohen Materialkosten darstellt.

    Das Forschungsfeld Zellproduktion und –qualität beschäftigt sich intensiv mit der Zellassemblierung und der Charakterisierung großformatiger Batteriezellen. Am iwb wird an den Prozessschritten Elektrodenschneiden (Laserschneiden und Stanzen), automatisierter Stapelbildung, Kontaktierung, Elektrolytbefüllung und Formierung geforscht. Die verschiedenen Einflüsse der einzelnen Prozessparameter auf die fertige Batteriezelle werden genauestens untersucht und die Parameter speziell auf die verwendeten Materialien und die Anforderungen an die Zelle angepasst. Um entlang der Prozesskette eine hohe Produktivität, eine gute Qualität und geringe Kosten gewährleisten zu können, setzt das iwb auf innovative Qualitätssicherungsmethoden und eine datenbasierte Prozessüberwachung. Innerhalb der einzelnen Prozesse sorgen verschiedene inline Qualitätssicherungsmaßnahmen für das Einhalten der geforderten Spezifikationen. Nach jedem Prozessschritt durchläuft das Zwischenprodukt zudem verschiedene Qualitätskontrollen, bevor es an den nächsten Verarbeitungsprozess übergeben wird. Hierdurch wird eine gleichbleibende, sehr hohe Qualität der produzierten Zellen gewährleistet.

    Forschungsfeldleitung: Fabian Konwitschny

 

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Abteilung Lasertechnik

Füge- und Trennverfahren ermöglichen die kostengünstige Herstellung komplexer Produkte und realisieren Innovationen für den Leichtbau, die Erzeugung von Mischverbindungen und die Funktionsintegration. Die Aufgabengebiete der Abteilung Lasertechnik umfassen die Untersuchung und die weitere Erforschung einer repräsentativen Bandbreite an Füge- und Trennverfahren. Die theoretische und experimentelle Auslegung der Prozesse, die Integration von Systemtechnik sowie die Umsetzung und Realisierung von Anlagenkonzepten bilden das Zentrum dieser Untersuchungen. Begleitet werden die Arbeiten von der numerischen Abbildung der Prozesse durch Simulation. Darüber hinaus werden moderne Konzepte zur Prozessüberwachung und Datenauswertung entwickelt und eingesetzt, um eine Optimierung der Prozesse zu unterstützen.

Leitung der Abteilung: Christian Stadter

 

Die Forschungskompetenzen der Abteilung Lasertechnik:

  • Laserfertigungstechnik
    Die Laserfertigungstechnik am iwb beschäftigt sich mit Grundlagenuntersuchungen zum Laserstrahlschweißen und setzt dabei moderne Systemtechnik zur Prozessüberwachung ein. Mit Hilfe neuartiger Ansätze zur Datenverarbeitung werden die Sensorsignale der Prozessüberwachung genutzt, um systematisch Prozessverbesserungen zu erzielen.
    Forschungsfeldleitung: Maximilian Schmöller
  • Intelligente Fügesystemtechnik
    Die intelligente Fügesystemtechnik stellt eine Schnittstelle zwischen den einzelnen Forschungsschwerpunkten in der Themengruppe Füge- und Trenntechnik dar. Hier werden Methoden zur Datenerfassung und -auswertung für den produktionstechnischen Einsatz adaptiert und weiterentwickelt. Dabei werden moderne Methoden der Datenverarbeitung von Statistik bis hin zu maschinellem Lernen eingesetzt, um praxisnahe Handlungsempfehlungen für die industrielle Umsetzung zu geben.
    Forschungsfeldleitung: Michael Kick
     

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Abteilung Montagetechnik und Robotik

Die Abteilung Montagetechnik und Robotik adressiert innerhalb der Produktion die letzte Stufe der Wertschöpfung – die Montage. Dort werden Kosten und Qualität von Produkten maßgeblich beeinflusst. Effiziente Montageprozesse, innovative Anlagentechnik und Montagesysteme sowie der gezielte Einsatz von Industrierobotern sind der Schlüssel zu einer wirtschaftlichen Produktion. Die Forscher und Forscherinnen der Abteilung Montagetechnik und Robotik arbeiten deshalb an neuen Lösungen für konkrete Problemstellungen in diesen Bereichen. Maßgeblich sind dabei auch die aktuellen Trends der Produktion.

Leitung der Abteilung: Daria Leiber

Die Forschungskompetenzen der Abteilung Montagetechnik und Robotik:

  • Cyberphysische Montagesystem
    Im Fokus stehen die digitale Modellierung von Produkten, Prozessen und Betriebsmitteln in Montageanlagen. Das Ziel ist eine automatisierte Auslegung, Auswahl und Konfiguration von Montageanlagen, basierend auf den gestellten Anforderungen des Produktes oder des Anwenders.
    Forschungsfeldleitung: Lisa Heuß
  • Industrielle Robotik
    Im Fokus steht die Befähigung von Robotern für neue Anwendungsgebiete durch die Vereinfachung der Programmierung, Steigerung der Genauigkeit und Integration bildgebender Sensorik.
    Forschungsfeldleitung: Alejandro Magana

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Abteilung Nachhaltige Produktion

Die Abteilung Nachhaltige Produktion dient zur themenübergreifenden und interdisziplinären Bündelung von Kompetenzen im Bereich der Nachhaltigkeit in der Produktion. Nachhaltige Produktion verstehen wir als die Schaffung von Gütern und Dienstleistungen unter Nutzung von Prozessen und Systemen, die keine negativen Umwelteinflüsse bedingen, energie- und ressourceneffizient sind, ökonomisch rentabel und verträglich für Mitarbeitende, die Gemeinschaft und die Verbraucher sind. Dabei betrachten wir unterschiedliche Aspekte der Nachhaltigkeit aus Sicht der Montagetechnik, des Produktionsmanagements und der Fertigungstechnik, um die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen zu sichern.

Leitung der Abteilung: Dr.-Ing. Susanne Vernim

Kernkompetenzen des Forschungsfelds

  • Kreislaufwirtschaft:

Wir forschen an Methoden, welche die Einführung und Nutzung der industriellen Kreislaufwirtschaft in Unternehmen verbessern. Dabei wird untersucht, wie bereits vorhandene Ressourcen für die Montage genutzt werden können, um mit diesen auch Prozessschritte des Remanufacturings, wie die Demontage oder die Remontage, auszuführen. Dazu werden sowohl wissensbasierte Ansätze als auch Simulationen zur Abbildung der Systeme verwendet. Weiterhin werden Ansätze zur remanufacturing-gerechten Produktbewertung weiterentwickelt.

  • Energieflexible Steuerung von Produktionsanlagen:

Wir forschen daran, wie wir Produktionsanlagen an eine erneuerbare Energieversorgung anpassen können. Dafür untersuchen wir beispielsweise Methoden, wie Speicher in Werkzeugmaschinen genutzt werden können, um kurzfristig auf Änderungen am Energiemarkt reagieren zu können. Die Vernetzung der Maschinen ist dafür die entscheidende Schlüsseltechnologie.

  • Integration erneuerbarer Energien:

Wir forschen an Möglichkeiten der Integration erneuerbarer, dezentraler Energieerzeugertechnologien, um produzierenden Unternehmen die Möglichkeit zu geben, zeitweise unabhängig von strompreispolitischen Entscheidungen und volatilen Marktpreisen zu sein. Die voranschreitende Entwicklung von Kleinkraftwerken führt zu einer Vielzahl von netzparitätischen Technologien, sodass die Motivation der dezentralen Erzeugung weiter steigt. Ausgehend von den unternehmensspezifischen Zielen bedarf es eines Vorgehens, mit dessen Hilfe Energieverbraucher des Produktionssystems analysiert, davon ausgehend die Erzeugungstechnologien ausgewählt und dimensioniert sowie geeignete Betriebsstrategien für die Produktionsmittel identifiziert werden.

  • Datenbasierte Untersuchung von Produktionsprozessen:

Wir forschen an Data-Mining- bzw. Process-Mining-basierten Ansätzen, mithilfe derer verschiedene Potenziale zur Erhöhung der Nachhaltigkeit in der Produktion identifiziert werden können. Neben Ansätzen zur datenbasierten Untersuchung von Wertströmen hinsichtlich der Ressourcen- und Energieeffizienz, forschen wir auch an datenbasierten Ansätzen zur Befähigung von hybriden Manufacturing-Remanufacturing-Prozessen.

Ansprechpartnerin für Fragen zu den Forschungsschwerpunkten: Julia Horsthofer

 

Beitrag zu den Sustainable Development Goals

Die Schwerpunkte unserer Forschung orientieren sich an den Sustainable Development Goals (SDG) 7, 9 und 12 der UN (https://sustainabledevelopment.un.org/sdgs).

[SDG 7] Mit unserer Forschung wollen wir die Nutzung erneuerbarer Energien in der Produktion ermöglichen und den Umgang mit Energie als Ressource in produzierenden Unternehmen verbessern.

[SDG 9] Mit unserer Forschung wollen wir produzierende Unternehmen befähigen, ihre Industrieprozesse und Technologien nachzurüsten, um sie nachhaltiger, sauberer und umweltverträglicher zu machen.

[SDG 12] Mit unserer Forschung wollen wir Unternehmen dazu ermutigen, Wertschöpfungsketten und Wertströme nachhaltiger zu gestalten, indem sie so wenig Ressourcen wie möglich verbrauchen und bestenfalls nur nutzen.

 

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Abteilung Produktionsmanagement und Logistik

Die Abteilung Produktionsmanagement und Logistik verfolgt das Ziel die Effektivität und Effizienz in der Produktion zu erhöhen. Ein Forschungsschwerpunkt ist dabei die Entwicklung von Methoden des Änderungs- und Technologiemanagements sowie der Fabrikplanung und -analyse. Darüber hinaus forscht die Abteilung an kompetenzgerechten Arbeits- und Produktionssystemen vor dem Hintergrund des demografischen Wandels sowie der zunehmenden Digitalisierung der Produktionsumgebung. Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Optimierung in der industriellen Praxis, wo produktionstechnische Fragestellungen (z. B. Layout- und Routenplanung) durch den Einsatz mathematischer Optimierungsmethoden gelöst werden.

Leitung der Abteilung: Harald Bauer

 

Die Forschungskompetenzen der Abteilung Produktionsmanagement und Logistik:

  • Innovationsmanagement in der Produktion
    Ziel des Forschungsfelds Innovationsmanagement in der Produktion ist es, die Grundlagen innovativer Produktion zu erforschen und weiterzuentwickeln. Dies umfasst insbesondere Konzepte, Modelle, Methoden und Prozesse des Technologie- und Änderungsmanagements sowie der Fabrikplanung und -analyse.
    Forschungsfeldleitung: Andreas Hofer
     
  • Mensch in der Fabrik
    Ziel des Forschungsfeldes Mensch in der Fabrik ist die Erforschung der Interaktionen zwischen Produktionsmitarbeitern und dem Produktionssystem und die Bereitstellung von Lösungen des Produktionsmanagements zum effizienten und kompetenzgerechten Mitarbeitereinsatz in der zunehmend digitalisierten Produktionsumgebung.
    Forschungsfeldleitung: Barbara Tropschuh
     
  • Data Analytics im Produktionsmanagement
    Ziel des Forschungsfeldes Data Analytics im Produktionsmanagement ist die Verbesserung der Lösungsqualität industrieller Problemstellungen im Kontext des Produktionsmanagements durch den Einsatz von Data Analytics und Methoden der Künstlichen Intelligenz.
    Forschungsfeldleitung: Simon Zhai

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Abteilung Werkzeugmaschinen

Die Hauptaufgabe der Abteilung ist die interdisziplinäre Entwicklung, Konstruktion und Optimierung von Werkzeugmaschinen sowie die Umsetzung einer dafür geeigneten methodischen Vorgehensweise. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Untersuchung und der Optimierung des dynamischen Verhaltens von Maschinenstrukturen. Hierzu werden Verfahren zur Simulation und zur experimentellen Analyse des Strukturverhaltens, der Regelung und der Zerspanprozesse von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Des Weiteren werden Werkzeuge und Vorgehensweisen zur Entwicklung von Steuerungssoftware erarbeitet. Der Regelungsentwurf komplexer Systeme bildet eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Umsetzung von integrierten adaptiven Strukturen und Regelungsverfahren zur Verbesserung der dynamischen Maschineneigenschaften.

Leitung der Abteilung: Thomas Semm

 

Die Forschungskompetenzen der Abteilung Werkzeugmaschinen:

  • Strukturverhalten
    Ziel des Forschungsfelds ist es, Methoden zur Analyse und Optimierung des statischen, dynamischen und thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung der Bearbeitungsprozesse zu entwickeln.
    Forschungsfeldleitung: Maximilian Busch
     
  • Intelligente Werkzeugmaschinen
    Der Schwerpunkt liegt in der automatischen Signalverarbeitung und Zustandsdiagnose von Werkzeugmaschinen, sodass eine optimale Performanz der Systeme erreicht und unerwartete Ausfälle vermieden werden.
    Forschungsfeldleitung: Julia Schulz
     
  • Reibschweißen
    Die Schwerpunkte in diesem Forschungsfeld liegen in der Qualifizierung neuer Methoden zur Prozessüberwachung und -optimierung beim Rührreibschweißen durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz sowie einer Temperaturmessung bzw. -regelung. Darüber hinaus werden Ansätze zur Erschließung neuer Anwendungen des FSW im Rahmen der Elektromobilität sowie zur wirtschaftlichen Herstellung und Nutzung von Mischverbindungen untersucht.
    Forschungsfeldleitung: Roman Hartl
     
  • Prozessverhalten
    Die Integration verschiedenartiger Prozesse in eine gemeinsame Anlage oder aber die Kooperation verschiedener Anlagen ermöglichen eine Steigerung der Produktivität und der Produktqualität.
    Forschungsfeldleitung: Christina Fuchs

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