Das Institut stellt sich vor

Das Institut für Produktionstechnik versteht sich als eine fachlich getragene Lehr- und Forschungsgemeinschaft der Fakultät Automobil- und Maschinenbau, welche einen Ansatz ganzheitlicher Lösungen für die Gestaltung und Optimierung der Produktion verfolgt.
Für den erfolgreichen Fortbestand europäischer Produktionsstandorte bedarf es einer deutlichen Differenzierung gegenüber den Standorten stark wachsender Schwellenländer. Dies kann nur durch eine konsequente und ganzheitliche Betrachtung möglicher technischer, technologischer, organisatorischer und personeller Gestaltungsansätze erreicht werden.
Im Ergebnis eines Diskussionsprozesses konzentriert sich das Institut für Produktionstechnik auf vier Handlungsschwerpunkte eines gemeinsamen Forschungsprofils. Diese Schwerpunkte sind:

1. Entwicklung spezieller Produktionstechnik,
2. Leichtbaukonzepte,
3. Fabrik- und Prozessorganisation,
4. Energie- und Ressourcen-Effizienz.

Die benannten Handlungsschwerpunkte stehen in einem engen Zusammenhang. Strategisch soll aus den einzelnen Forschungsfeldern in Verantwortung der beteiligten Professuren ein Gesamtkonzept sich gegenseitig ergänzender Module entstehen, so dass sich in der Koordination der Institutsleitung innovative, interdisziplinäre und nachhaltige Lösungen für die Produktionstechnik entwickeln können.
Unter Nutzung zentraler Fördermöglichkeiten strebt die Institutsleitung Projekte an, welche die Schnittstellen der durch die Wissenschaftsbereiche einzeln verfolgten inhaltlichen Schwerpunkte herausarbeiten und zu einem ganzheitlichen Ansatz zusammenführen. Die sich dabei ergebenden Handlungsfelder werden mit hoher Priorität bei den Entwicklungskonzeptionen, Ausschreibungen und Fördermaßnahmen positioniert.
Im Einzelnen werden folgende Handlungsschwerpunkte verfolgt:

1. Spezielle Produktionstechnik
   • Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Pulver und Blechen
   • Bearbeitung schwer spanbarer Werkstoffe
   • Werkstoff- und Qualitätsprüfung
   • Adaptive Produktionstechnik für hochspezialisierte Baugruppen/-teile
   • Ultraschallunterstützte Bearbeitung
   • Simulation von Verformungsprüfungen
   • Fertigungsunterstützende Simulation
2. Leichtbau
   • Funktionale Schichten
   • Hybride Leichtbau-Strukturen und alternativer Leichtbau
   • Kunststoffe, Leichtmetalle, Verbundwerkstoffe
   • Entwicklung, Charakterisierung und Bearbeitung neuer Werkstoffe
   • Verformung hochfester Werkstoffe
   • Schneiden von Blechwerkstoffen (Technologie und Werkzeuge)
3. Fabrik- und Prozessorganisation
   • Konzepte für die Industrie 4.0 und die Digitale Fabrik
   • Produktionstechnik für E-Fahrzeuge (Zulieferer)
   • Prozessoptimierung
   • Demonstrationsfabrik über die gesamt Prozesskette
   • Entwicklung von Hilfsmitteln für KMU zur Arbeits-, Prozess- und Fabrikplanung
   • Konzepte zur Bewältigung des demografischen Wandels in den Unternehmen
4. Energie- und Ressourceneffizienz
   • Fragen der Personalplanung bei alternden Belegschaften
   • Ressourcenschonende Fertigung
   • Ökologische Kreisläufe in der Produktion
   • Entwicklung und Nutzung von Energiespeicherkonzepten

Zum Organigramm

Zur Erweiterung der Erkenntnisse und damit zur Ermöglichung einer breiten Anwendbarkeit in der Industrie wurde ein spezielles Projekt kreiert, das ab 01.04.2015 bis 31.12.2016 an der WHZ bearbeitet wird.

Projektbeispiel:
Das Forschungsprojekt „Kryogene Zerspanung für ressourcenschonende und leistungsgesteigerte Prozessketten im Automobilbau (KryoPro)“ wird vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) gefördert und in interdisziplinärer Zusammenarbeit dreier Fakultäten an der WHZ bearbeitet.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erschließung von Leistungsreserven, bei gleichzeitiger Verbesserung der Ressourceneffizienz in spanenden Prozessketten des Automobilbaus und der Zulieferindustrie durch die gezielte Nutzung kryogener Kühlkonzepte.
Dabei ist insbesondere zu klären, bei welchen Bearbeitungsaufgaben sich Effekte ergeben und wie groß diese Effekte sind. Weiterhin soll untersucht werden, welche Auswirkungen die zur Anwendung kommenden extrem tiefen Temperaturen auf die spanenden Bearbeitungswerkzeuge und die Qualität sowie die Oberflächeneigenschaften der zu bearbeitenden Werkstücke haben. Dies bedingt gezielte werkstofftechnische Untersuchungen, sowohl am Werkzeugschneidstoff (Hartmetall beschichtet/unbeschichtet) als auch am Werkstückwerkstoff (Stahl, FVK u.v.m.). Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen bieten hier die Möglichkeit zur detaillierten Analyse auftretender Veränderungen an den zu betrachtenden Oberflächen und den möglicherweise negativ beeinflussten, oberflächennahen Randbereichen.
Das alles bildet die Basis für Entscheidungsfindungen bezüglich des Einsatzes der kryogenen Bearbeitung z. B. im Automobilbau unter besonderer Berücksichtigung möglicher Kosteneinsparungen und der Sicherung der Bauteilqualität.

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Verfahren der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung in der Umformtechnik wurden bereits seit den 1970er Jahren sowohl grundlagenseitig als auch anwendungstechnisch an der jetzigen Westsächsischen Hochschule Zwickau untersucht. Größtes industrielles und wissenschaftliches Interesse besitzen dabei das Elektroimpulsbearbeiten (auch als Magnetumformen bekannt) sowie das Bearbeiten von Werkstoffen mittels Explosivstoffen.
Ziel ist es, Verfahrensanwendungsgebiete zu erweitern und dabei moderne Anlagentechnik der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung einzusetzen. Beispiele sind für die Elektroimpulsbearbeitung – Montage von Bauteilen, Pulververdichten von Implantat-Werkstoffen, Unterwasser-Funkenentladung zum Entkernen von Gussteilen. Weiterhin zielt die Anwendung der Explosivbearbeitung auf zukünftige Generationen von Schiffs-Dieselmotoren mit hochwarmfesten Kolben und Ventilen. Eine Möglichkeit ist, die Kolben aus konventionellen Werkstoffen mit einer hochwarmfesten Legierung durch Explosivplattieren zu beschichten.

Umformung von Magnesium-Blechwerkstoffen
Die Umformung von Magnesium-Blechwerkstoffen, insbesondere das Falzen von Blechteilen zum Verbinden von Bauteilen, ist der zweite Schwerpunkt der Forschungsaufgaben in der Umformtechnik. Im Wettbewerb alternativer Leichtmetalle genießt Magnesium große Aufmerksamkeit. Aufgrund von positiven mechanischen Eigenschaften und der guten Oberfläche bietet Magnesium gerade für komplex belastbare und ultraleichte Bauteile (Dichte = 2/3 von Aluminium) ein hervorragendes Eigenschaftsprofil.
Von Seiten der Industrie bestehen höchste Qualitätsansprüche bezüglich der erreichbaren Oberflächen und maßlichen Genauigkeit der Falznaht. Hochwertige Falzkanten ohne Einschnürungen und Oberflächenveränderungen (sog. Orangenhaut, Risse) einerseits und eine sichere und saubere Nahtabdichtung andererseits, ähnlich wie beim Einsatz von Aluminiumblechwerkstoffen, sind gegenwärtig noch nicht abgesichert.

Projektbeispiel:
Das Forschungsprojekt „Entwicklung einer Prozessdatenerfassung, Prozesscharakterisierung und Prozesssteuerung für das thermische Spritzen – SPRAYTRACKER“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programmes ZIM_KF gefördert und in Zusammenarbeit mit der Industrie an der WHZ von 05/2014 – 04/2016 bearbeitet.
In Kooperation mit zwei sächsischen Unternehmen, der IfU Diagnostic Systems GmbH aus Lichtenau und der CBS Information Technologies AG aus Chemnitz, wird ein mit einer "Black-Box" im Flugzeug vergleichbares System entwickelt, das Daten verschiedenster technischer Komponenten im Beschichtungsprozess erfasst, redundant speichert und zu Auswertungszwecken miteinander verknüpft. Dabei werden unter anderem die Signale der Gassteuerung, des Roboters, der Stromquellen, verschiedener Arbeitsschutzsensoren und zusätzlicher Messeinrichtungen berücksichtigt. Dies bietet dem Anlagenbetreiber zukünftig nicht nur eine verbesserte Rechtssicherheit bei eventuellen Havarien und ein zusätzliches Qualitätssicherungswerkzeug, sondern ermöglicht vollkommen neue Ansätze zum Erkennen kritischer Betriebszustände oder zur Prozessregelung (bspw. mit Hilfe der Fuzzy-Pattern-Methode). So werden u. a. optische Messwerte aus Kameraaufnahmen mit akustischen Emissionen des Prozesses korreliert und den Ist-Werten der Anlageneinstellgrößen gegenübergestellt. Im Ergebnis können kritische Prozessschwankungen nicht nur leichter erkannt, sondern auch mit großer statistischer Sicherheit den ausschlaggebenden Faktoren zugeordnet werden. Besonderen Wert legen die Kooperationspartner auch darauf, mögliche Gefahren für den Anlagenbediener zu minimieren. Zu diesem Zweck liefert u. a. ein durch den Bediener mitzuführendes, mobiles Partikeldosimeter Informationen zur Feinstaubbelastung und zur Gaszusammensetzung im Arbeitsraum an die Datenerfassungseinheit. Da das Partikeldosimeter neben internen Warngebern auch über eine eingebaute Kamera verfügt, die bei Grenzwertüberschreitung Bilder via Funk übermittelt, werden Partikelemissionsquellen bzw. kritische Arbeitsgänge im Nachhinein eindeutig identifizierbar.
Im Bereich der Kunststoffverarbeitung stehen, wie bereits gezeigt, die „Herstellung hochtemperaturbeständiger FVK-Bauteile“ und Entwicklungen zur „Überwachung von Spritzgießprozessen“ im Fokus der Forschungsarbeiten. Zur Überwachung von Spritzgießprozessen wurde bereits ein gefördertes Projekt beantragt und wird seit 2013 bearbeitet.

Projektbeispiel:
Das Forschungsprojekt „Entwicklung einer autarken Viskositätsregeleinheit zur Überwachung und Regelung der Viskosität von Kunststoffschmelzen beim Spritzgießen“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programmes ZIM_KF gefördert und in Zusammenarbeit mit der Industrie an der WHZ von 04/2013 – 04/2015 bearbeitet.
Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer autarken Viskositätsregeleinheit zur Überwachung und Regelung der Viskosität von Kunststoffschmelzen bei der Herstellung und Verwendung von Hochleistungsspritzgießwerkzeugen.

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Implantatbauteilen aus Titanpulver durch Einsatz der HGV-Technik möglich ist (siehe Abb.). Anhand erster Untersuchungen an HGV-Ti-Werkstoffen konnten bereits Kennwerte ermittelt werden, welche für die direkte Produktionsumsetzung wichtig sind (siehe Abb.). Zukünftig werden diese Musterbauteile zur Untersuchung des Langzeitverhaltens zur Anwendung in der Medizin genutzt und weitere Erkenntnisse in den Herstellungsprozess eingebracht.

Projektbeispiel „Anodisch oxidiertes Aluminium als Formwerkzeug für nanostrukturierte Antireflexionsschichten - axALFAR“
Die Herstellung von nanostrukturierten Schichten ist nach wie vor sehr aufwändig und teuer. Das Forschungsziel bestand in der Nutzung von Aluminiumoxidschichten als „Abdruckschablonen“ für Funktionsschichten. Anodisch oxidierte Aluminiumoberflächen weisen eine spezielle Porosität auf, die im Verlauf des Forschungsprojektes auf die Anforderungen der Nanotechnologie angepasst werden sollte.
Ziel ist es, die Porengeometrie und -anordnung so zu modifizieren, dass sie als Negativ für die Abformung feiner nadelartiger Strukturen genutzt werden können. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die deutliche Preisreduktion bei der Erzeugung nanostrukturierter Antireflexionsschichten.
Hierzu soll eine möglichst homogene anodisch oxidierte Schicht, welche eine definierte Wahl der Porengeometrie ermöglicht, in einem einstufigen Verfahren auf Aluminium hergestellt werden. Die ersten Testreihen wurden mit Zitronensäure, Schwefelsäure, Oxalsäure und Phosphorsäure durchgeführt. Es zeigte sich, dass mit der Wahl der Elektrolyten und deren Konzentrationen die Anodisierspannung wesentlich beeinflussbar ist. Weiterhin zeigte sich, dass mit der Spannung die benötigte Porengeometrie für den späteren Abformprozess (NIL) eingestellt werden kann. Der Anodische Prozess wurde mit einer 0,5%igen Phosphorsäure (Elektrolyt) und einer Anodisierspannung von 150 V durchgeführt (Abb. 4a) und anschließend in einem thermischen Nanoimprint-Verfahren (NIL) abgeformt (Abb. 4b). Die ersten Imprintversuche wurden auf PS-Folien durchgeführt, dabei zeigte sich die Schwierigkeit der Entformbarkeit der Struktur, es kam zur Anhaftung der Folien an den Aluminiumproben. Ein Lösungsansatz war die Modifikation der Oberfläche mittels Antihaftbeschichtung. Das Ergebnis (Abb. 1b) zeigt eine gute Entformbarkeit von PMMA- und PS-Folien nach der Oberflächenfunktionalisierung der Stempelfläche. Der Hard Stamp als Endergebnis wurde bei 70°C hergestellt. Dies zeigt die Machbarkeit der Herstellung von nanostrukturierten Antireflexschichten.

Projektbeispiel „Usability-Engineering für innovative Gebäudetechnik“
Im Gemeinschaftsprojekt EGNIAS entwickeln Professoren und Mitarbeiter der Fakultäten Automobil- und Maschinenbau, Wirtschaftswissenschaften und Elektrotechnik ein Konzept zur Effizienzsteigerung durch die Integration eines neuartigen Gleichstromnetzes und nutzerorientierte Vernetzung interoperabel agierender Subsysteme für Technische Gebäudeausrüstung.
Der Forschungsbedarf für solche neuartige Netze im Kontext der Smart Grids begründet sich vor allem in der Tatsache, dass bei der heutigen Übertragung und Verteilung von Elektroenergie das klassische Drehstromsystem einschließlich Transformatoren eingesetzt wird. Neben diversen Anwendungen im industriellen Umfeld steigt auch in modernen privaten Haushalten die Zahl der Endgeräte, die intern mit Gleichstrom betrieben werden. Viele weitere haben einen Universalmotor, der gleichermaßen mit Wechsel- und Gleichstrom betrieben werden kann. Exemplarisch hierfür sind vor allem Beleuchtung, Unterhaltungselektronik sowie allgemeine Haushaltsgeräte und Kleingeräte zu nennen. Da für jedes Gerät ein Gleichrichter benötigt wird, entstehen ein hoher Materialaufwand sowie energetische Umwandlungsverluste in jedem einzelnen Gerät. Weiterhin sind regenerative Einspeisesysteme wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen mit dem Energieversorgungsnetz des Gebäudes über einen oder mehrere Wechselrichter gekoppelt.