Übersicht abgeschlossener Forschungsprojekte

Exoskelette bieten im Bereich der Produktion und Logistik in mehrfacher Hinsicht ein großes Potenzial. Muskel-Skelett-Erkrankungen sind in Deutschland und weltweit die führende Ursache für Arbeitsunfähigkeit. Jährlich entstehen hierdurch hohe Produktionsausfallkosten. Vor diesem Hintergrund ist eine ergonomische Arbeitsplatzgestaltung entscheidend, um Ausfallzeiten zu reduzieren und auch älteren oder leistungsgewandelten das Arbeiten an diesem Arbeitsplatz zu ermöglichen. Insbesondere im Hinblick auf den demografischen Wandel und den Fachkräftemangel wird dies zunehmend wichtiger für Unternehmen. Die auftretenden Belastungen können jedoch nicht immer mit etablierten Gestaltungsmaßnahmen reduziert werden. Insbesondere in diesen Fällen bieten Exoskelette das Potenzial die Arbeitssituation zu verbessern. Das Themenfeld Exoskelette in der Produktion und Logistik ist ein sehr junges Gebiet, in dem kommerzielle Lösungen erst seit wenigen Jahren auf dem Markt zu finden sind. Unter Exoskeletten werden am Körper getragene Assistenzsysteme verstanden, welche die menschliche Bewegung (elektro-) mechanisch unterstützen. Die bisherigen Forschungen zielen daher überwiegend auf die Entwicklung von Exoskeletten ab oder sind als Pilotstudien zu einzelnen Systemen angelegt. Eine systematische Identifikation von Potenzialen in verschiedenen Bereichen der Produktion und Logistik ist bisher noch nicht erfolgt. Das Forschungsvorhaben SyNExo schließt diese Forschungslücke und hat die Entwicklung eines Werkzeugs zur Potenzialanalyse für den Einsatz von Exoskeletten, einen Quick-Check, zum Ziel. Zur Erreichung dieses Ziels werden sowohl Marktanalysen bzgl. existierender Exoskelett-Systeme als auch Analysen der Anwendungsbereiche durchgeführt, systematisiert und in einem morphologischen Kasten dargestellt. Alle Erkenntnisse werden abschließend in einem leicht anzuwendenden Quick-Check konsolidiert um insbesondere KMU den Einstieg in das Themenfeld zu erleichtern.

Schlussbericht:

2023-05-10_Abschlussbericht_SyNExo_v03_ctv_mit_Deckblatt.pdf

Hohe Variantenvielfalt, kleine Losgrößen und Flexibilität: dafür notwendige Materialflussprozesse, also die bedarfsgerechte Bereitstellung des Materials sowie der Transport von Maschine zu Maschine stellen an die innerbetriebliche Logistik immer höhere Anforderungen. Dabei steckt in kleinteiligen, oft manuellen Produktionsabläufen ein großes Optimierungspotenzial, denn betroffene physische Materialflussprozesse sind oftmals nicht digital abgebildet. Das Ziel von ProCheck ist es, eine automatisierte und kontinuierliche Analyse, Optimierung und Überprüfung von Materialflussprozessen in kleinteiligen Produktionsabläufen zu ermöglichen. Als Innovation werden in ProCheck Methoden des Process Mining auch für physische Materialflussprozesse nutzbar gemacht. Dazu sollen prozesskennzeichnende Ereignisse, so genannte Event-Logs für Materialflussprozesse erzeugt werden. Die Daten dafür sollen über Cyber-Physische Systeme als sensorische Rohdaten in den Prozessen erhoben und über eine neuartige Datenverarbeitung in prozesskennzeichnende Ereignisse gewandelt werden. Dieser Ansatz soll in 5 Schritten umgesetzt werden: 1. Aufnahme und Modellierung des Materialflussprozesses als maschinenlesbare Modelle 2. Einbringen und Erfassen von prozessrelevanten Rohdaten durch existierende CPS-Technologien in Produktionsumgebungen 3. Entwicklung einer Rohdatenauswertung zur automatisierten Generierung von Event-Logs 4. Anpassung von Process Mining Verfahren zum Abgleich von Ist-Prozessen mit Soll-Prozessmodellen spezifisch für Materialflussprozesse in der Produktion von KMU 5. Empfehlungen zur Optimierung und Anwendung Als Nutzen erhalten KMU durch den Einsatz von bereits existierenden CPS-Technologien in Kombination mit neuartiger Sensordatenauswertung und dadurch möglicher Anwendung von geeigneten PM-Techniken mehr Transparenz, Leistung und Flexibilität in ihren Materialflussprozessen der Produktion. Den Marktwünschen kann so besser entsprochen und dem Wettbewerb besser begegnet werden.

Schlussbericht:

IGF-Vorhaben_Nr_21425_ProCheck_Schlussbericht.pdf

Die Entwicklung autonomer Fahrzeuge macht in der Automobilbranche sehr große Fortschritte während in der Intralogistik autonome Fahrzeuge schon seit einigen Jahren verbreitet sind. Für eine Verwendung im Bereich der Landwirtschaft sind jedoch noch einige Hürden zu bewältigen. Insbesondere sind für den effizienten und unterbrechungsfreien wirtschaftlichen Einsatz autonomer Fahrzeugflotten auf dem Feld zahlreiche logistische Prozesse zu planen, wie u.a. der Transport der Einheiten vom Depot des Hofes oder eines Dienstleisters zum Feld und zwischen den Feldern sowie die Bereitstellung von Werkzeugen und Betriebsmitteln o.Ä. Dieses Planungsproblem stellt die Anwender - diese sind meist Lohnunternehmer (in Deutschland existieren mehr als 5000 Lohnunternehmen, diese sind ausschließlich KMU) - landwirtschaftlicher autonomer Fahrzeugflotten vor eine große logistische Herausforderung. Diese gilt es zu bewältigen, um die neue Technologie in der Landwirtschaft effizient und damit wirtschaftlich einsetzen zu können. Im Rahmen des Projekts FeldSchwarmLogistik soll das Problem als Routing- und Scheduling-Problem unter Berücksichtigung aller praxisrelevanten Restriktionen und Nebenbedingungen modelliert werden. Darauf aufbauend wird eine algorithmische Lösung dafür entwickelt, um einen optimalen Nutzen aus der Anwendung autonomer Feldschwärme zu erzielen und Hürden bei der Investition und Implementierung zu senken. Davon profitieren KMU auf der einen Seite in Form von Lohnunternehmen, die mit Hilfe eines Planungstools kostenminimal eine ressourcenschonende neue Technologie einsetzen können. Andererseits ist zu erwarten, dass neue Akteure als KMU in Form von bspw. Servicedienstleistern in der Automatisierung und Telekommunikation in die Branche Einzug finden werden.

Schlussbericht:

21415_BR_Schlussbericht.pdf

I

Forschungsgegenstand sind automatisierte, unstetige, flurgebundene Transportsysteme im Rahmen der Intralogistik. In der Regel handelt es sich dabei um fahrerlose Transportsysteme (FTS). Fortschritte im Bereich der Automatisierungstechnik haben in den vergangenen Jahren zu einer wesentlichen Weiterentwicklung dieser Systeme geführt. Hierzu zählen die Navigation ohne physische Leitlinien oder die Integration von Roboterarmen für das Handling von Ladungsträgern.

Diese Fortschritte haben dazu beigetragen, dass FTS deutlich flexibler eingesetzt und auch in kleinen Fahrzeugflotten wirtschaftlich betrieben werden können. Niedrige Anschaffungskosten und die dadurch niedrigen Amortisationszeiten von häufig etwa 2 Jahren machen die Anschaffung insbesondere für kmU zunehmend attraktiv. Trotz sinkender Hardwarekosten ist es nach wie vor relevant, die Fahrzeuganzahl in FTS gering zu halten. Auf diese Weise können negative Fahrzeuginteraktionen wie Staus oder gegenseitige Behinderungen reduziert werden. Ein neuartiger Steuerungsansatz, der den dynamischen Austausch von Ladungsträgern zwischen den Fahrzeugen eines FTS vorsieht, ermöglicht die Verkleinerung von Fahrzeugflotten, ohne deren Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz auch für kleine Fahrzeugflotten zu einer erheblichen Leistungssteigerung führen kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der Analyse des Einflusses dynamischer Transferpunkte in Abhängigkeit der Charakteristik des Transportsystems bzw. des Materialflusses. Die Ergebnisse sollen in einem Planungstool zusammengeführt werden.

KmU profitieren von dem Forschungsprojekt sowohl als Anwender als auch als Anbieter von FTS-Komponenten und -Gesamtsystemen. Da die Entwicklung und Analyse neuer Steuerungsansätze aufwendig sind, fehlen kmU für derartige Projekte häufig die Ressourcen. Das Forschungsprojekt schafft die notwendigen Grundlagen und hilft damit, die Wettbewerbsfähigkeit der kmU zu erhöhen.

Schlussbericht:

21269_BR_Schlussbericht.pdf

Die Anforderungen an viele Produktions- und Logistikprozesse haben sich in den vergangenen Jahren grundlegend gewandelt. Produktionszyklen verkürzen sich stetig, während die Produktvielfalt steigt und Losgrößen sinken. Gleichzeitig nehmen die Erwartungen hinsichtlich Fertigungsdauer und Lieferzeit, bis hin zur 24h-Lieferung zu. KMUs müssen sich in diesem Umfeld zunehmend international behaupten und unterliegen einem wachsenden Effizienz- und Kostendruck. Um auf diese neuen Herausforderungen reagieren zu können wird von vielen intralogistischen Systemen ein deutlich höheres Maß an Flexibilität und Wandlungsfähigkeit eingefordert. In vielen Fällen können Flexibilität und Wandlungsfähigkeit durch den Einsatz modularer Fördertechnik deutlich verbessert werden. Durch eine individuelle Anordnung und Ausrichtung von Modulen kann das Fördersystem stets auf den Einzelfall angepasst werden. Vorangegangene Projekte zur Entwicklung einer dezentral gesteuerten, modularen Fördermatrix haben gezeigt wie sich in einer solchen unterschiedliche intralogistische Funktionen realisieren lassen. Trotz potentieller Vorteile hinsichtlich Flexibilität, Automatisierungsrad, Raumnutzung und sich daraus ergebenen Einspaarpotentialen kommt modulare Fördertechnik in KMUs gegenwärtig kaum zur Anwendung. Ursächlich dafür ist unter anderem die höhere Komplexität, welche sowohl die Bewertung als auch die Auslegung modularer Förderanlagenlayouts erschwert. Um diese Hemmnisse zu senken und KMU einen besseren Zugang zu modularer Fördertechnik zu ermöglichen sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens geeignete Werkzeuge zur Bewertung und Optimierung von Layouts entwickelt und bereitgestellt werden.

Hier  kann der Software-Demonstrator heruntergeladen werden.

Schlussbericht:

Schlussbericht_OptiLay_21141N.pdf

Aufgrund des stetig wachsenden globalen Wettbewerbs ist es für Unternehmen wichtig, die eigenen Prozesse zu stabilisieren und aus den vorhandenen Ressourcen die bestmögliche Produktivität zu erzielen. Die Produktion sollte dementsprechend gestaltet werden, sodass der Anteil an wertschöpfenden Tätigkeiten der Mitarbeiter maximiert wird. Laut einer Studie haben gewerblich operativ arbeitende Mitarbeiter einen nicht wertschöpfenden Zeitanteil von 40 %. In dieser Zeit sind die Mitarbeiter bspw. damit beschäftigt, sich abzustimmen oder Informationen zu beschaffen. Die Schaffung einer Basis für verlustfreies Arbeiten ist somit eines der Haupthandlungsfelder der PPS. Dabei spielt die Arbeitsplangestaltung eine wichtige Rolle. Ein detaillierter Arbeitsplan ist mit einem hohen Aufwand in der Arbeitsvorbereitung (AV) verbunden, bringt hingegen in der Ausführung einen Vorteil mit sich, da die Informationssuche reduziert werden kann. Die Arbeitshypothese besteht in der Annahme, dass der summarische Aufwand und die damit verbundenen Kosten der Arbeitsplanerstellung einerseits und der Informationssuche der operativen Mitarbeiter andererseits durch die Bestimmung des optimalen Detaillierungsgrads (DG) von Arbeitsplänen reduziert werden kann. Als Folge können KMU ihre Produktivität erhöhen. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einer Methode zur quantitativen Bestimmung des optimalen DG unter Berücksichtigung des entstehenden Aufwands der operativen und administrativ operativen Mitarbeiter. Mittels des zu entwickelnden Modells zur Bestimmung des optimalen DG der Arbeitspläne und dessen Implementierung in einen Softwaredemonstrator sollen KMU befähigt werden, selbstständig ihren optimalen DG der Arbeitspläne bereichsspezifisch bestimmen zu können.

Schlussbericht:

OptiPlan_Schlussbericht.pdf

Die Überwachung von Materialflüssen sorgt für hohe Kosten in (intra-)logistischen Prozessketten. Im Forschungsvorhaben SmaRackT soll ein Verfahren zur Identifikation und Quantifizierung ungetaggter Materialflüsse entwickelt werden. Dafür werden induktive Nahfeldortung und Objekterkennungsverfahren kombiniert. Die Identifikation von markerlosen Gütern und ihrem Bestand bildet die technologische Grundlage für das automatisierte Auslösen von Quittierungen bei Ein- und Auslagerungsprozessen sowie das Auslösen von Nachbestellprozessen und zahlreichen weiteren Prozessverbesserungen. Im Vorhaben entwickeln TU München und Fraunhofer IIS gemeinsam iterativ einen Demonstrator, welcher zunächst in Laborversuchen und anschließend in Feldtests bei Praxispartnern evaluiert wird. KMU profitieren von den Ergebnissen durch die Potenziale einer Verwertung der Gesamtkomponenten: Systemintegratoren können perspektivisch mit dem SmaRackT-System in die Lage versetzt werden, ein äußerst konkurrenzfähiges Produkt anbieten zu können. Durch die niedrigen Systemkosten besitzt das SmaRackT-System mittelfristig ebenfalls Einsatzpotenziale bei KMU und soll dort dazu beitragen Materialflüsse digital und kostengünstig zu erfassen.

Schlussbericht:

Schlussbericht_Sachbericht_SmaRackT_IGF-Nr_21159N.pdf

Ziel des Forschungsvorhabens „Tauschbörse für Zeitfenster“ ist die Untersuchung der flexibilisierten Vergabe von Zeitfenstern durch die Implementierung von Tauschmechanismen aus einer akteursübergreifenden und systemübergreifenden Perspektive. Bei Zeitfenstern handelt es sich um feste Zeitspannen für die Be- bzw. Entladung von LKW an Laderampen von Industrie- und Handelsunternehmen (Verlader). Die Buchung von Zeitfenstern erfolgt gegen Entrichtung einer Buchungsgebühr durch Spediteure auf Online Plattformen, sogenannten webbasierten Zeitfenstermanagementsystemen (ZMS). Die Vergabe von Zeitfenstern wird in ZMS nach dem „First Come - First Serve“ (FCFS)-Prinzip gesteuert. Dies ist aus der Sicht von Speditionsunternehmen, insbesondere von kleinen und mittleren Speditionen (KMU-Speditionen), problematisch, da nutzenbringende Zeitfenster zum Buchungszeitpunkt häufig nicht mehr zur Verfügung stehen. Die zwangsläufige Buchung ungünstiger Zeitfenster führt zu Ineffizienzen bei der Tourenplanung. Tauschmechanismen für gebuchte Zeitfenster ermöglichen eine nachträgliche Zuteilung nutzenbringenderer Zeitfenster und steigern die Flexibilität bei der Tourenplanung. Eine Tauschbörse führt zu einem neuen Vergabeverfahren durch eine nachträgliche Optimierung des FCFS-Prinzips. Eine vollständige Auflösung des FCFS-Prinzips ist nicht realisierbar, da hierfür der Nutzen eines Zeitfensters im Voraus vollständig bekannt sein müsste. Diese Voraussetzung ist durch die Abhängigkeit des Nutzens von weiteren Zeitfenstern der Tour, die ggf. auf anderen Plattformen gebucht werden, nicht gegeben. Angestrebtes Ergebnis des Vorhabens ist ein webbasiertes Tool, welches die Funktionsweise von Tauschmechanismen demonstriert, und ein Leitfaden mit akteursspezifischen Handlungsempfehlungen. Als innovative Transfermaßnahme wird ein Lernspiel („Serious Game“) entwickelt. Insgesamt soll das Vorhaben zu einer Standardisierung von Tauschmechanismen beitragen.

Schlussbericht:

Schlussbericht_20996_N.pdf

Manufacturing Execution Systeme (MES) sind grundlegend für eine geregelte Produktionsplanung und -steuerung (PPS). Weiterhin dienen die Daten eines MES (bspw. Rückmeldedaten zu Aufträgen) als Grundlage für Big Data-Anwendungen, um Optimierungspotentiale aufdecken zu können. Auch die Einbindung von Industrie 4.0-Technologien wie interaktive Assistenzsysteme (bspw. Datenbrillen) oder cyberphysischen Systemen in produzierende Unternehmen setzt eine geeignete IT-Infrastruktur wie MES voraus. Laut einer in 2016 durchgeführten Kompetenzentwicklungsstudie Industrie 4.0 verwenden lediglich 15,6 % der befragten KMU ein MES. Neben der Kosten-Nutzenbewertung werden als wichtigste Hemmnisse hierfür Schwierigkeiten bei der Schaffung der Voraussetzungen für die Einführung sowie der Integration von MES in die bestehende IT-Infrastruktur genannt. Auch die Schaffung der Akzeptanz der Anwender im eigenen Unternehmen wird als sehr problematisch angesehen. Die Arbeitshypothese des Forschungsvorhabens besteht in der Annahme, dass die systematische Vorbereitung der Einführung von MES über Reifegradmodelle die Einführungszeit verkürzt und die Ergebnisqualität deutlich erhöht. Als Folge können KMU erfolgreicher MES einführen und dadurch von den Vorteilen wie einer effizienteren PPS sowie einer besseren Rückverfolgbarkeit profitieren. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Reifegradmodells zur Bestimmung und Verbesserung der MES-Readiness von KMU. Mittels des zu entwickelnden Reifegradmodells sollen KMU Transparenz darüber erlangen, in welchen Bereichen ihres Unternehmens Handlungsbedarf im Hinblick auf vorbereitende Tätigkeiten für die Einführung eines MES besteht. Nachdem die KMU Kenntnis über die notwendigen Anforderungen für den Einsatz eines MES haben, sollen konkrete Maßnahmen für das Erreichen der notwendigen Reifegradstufen zur Verfügung gestellt werden. Zuletzt soll ein Instrument zur Planung und Überwachung der Umsetzung der Maßnahmen bereitgestellt werden.

Schlussbericht:

Schlussbericht_MES-Ready_20742N_20230209.pdf