Erfolgsfaktor der Plattform FOREL ist die prototypische Entwicklung von Technologien und Methoden, die weit über den Stand der Technik hinausweisen. Dieses Prinzip wurde auch im FOREL-Vorhaben KORESIL weiterverfolgt, jedoch stehen neben der Entwicklung ressourceneffizienter Technologien auch die Durchführung von Analysen und Bewertungen neuer Produktionshilfsmittel und Evaluationsmethoden, wie etwa Extended Reality (XR), kollaborierende Roboter und Online Life Cycle Assessment, im Mittelpunkt der Arbeiten.
Ziel des Vorhabens war es, technologische und soziale Innovationen für den ressourceneffizienten Leichtbau gleichermaßen voranzubringen. Dazu wurde eine auf fünf Teiltechnologien basierende Prozesskette mit geschlossenem Stoffkreislauf entwickelt und räumlich verteilt physisch aufgebaut. Parallel dazu war es Teil der Aufgabenstellung, ein virtuelles Abbild dieser Prozesskette auf Basis Digitaler Zwillinge umzusetzen. Durch die Verknüpfung der im Projekt aufgebauten realen Prozesstechnik und digitalen Werkzeugen mit angepassten Schnittstellen und Visualisierungsmethoden wurde ein erweitertes Optimierungs- und Analysepotential in Bezug auf die gesamte Prozesskette sowie den Produktlebenszyklus erschlossen, sowohl in Hinblick auf eine gesteigerte Ressourceneffizienz als auch die Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte und Werkzeuge für die Arbeitsgestaltung und Mitarbeiterschulung. Insbesondere für soziotechnische Systeme auf Basis der Extended-Reality-(XR-)Technologie wurden Anwendungspotentiale aufgezeigt und der Einfluss auf eine sichere und attraktive Arbeitsplatzgestaltung analysiert.
Das Projekt ist in folgende Arbeitsbereiche strukturiert:
Moderner Systemleichtbau ist eine Querschnittsdisziplin, die verschiedenste Ingenieurwissenschaften verknüpft und kreative Lösungen generiert, um das vorhandene Potential zur Material- und Energieeinsparung optimal auszuschöpfen. Konkrete Herausforderungen sind hier beispielsweise die Realisierung ressourceneffizienter Prozessketten, welche die bedarfsgerechte Kombination verschiedener Materialien und die gezielte Funktionsintegration ermöglichen.
Ziele der technologischen Arbeiten im Projekt waren
- Entwicklung ressourceneffizienter Hochtechnologien
- Kreislaufführung von Wertstoffen
- Robuste & resiliente Produktion mit bedarfsgerechten XR-Umgebungen
Im Arbeitsbereich Ressourceneffiziente Prozesskette für funktionalisierte Aluminiumprofile wurde eine Prozesskette mit geschlossenem Stoffkreislauf untersucht, die auf insgesamt fünf neuartigen Fertigungstechnologien (FT) basiert (vgl. rechts). In einem angepassten Strangpressprozess (FT 1) werden Aluminium-(Al-)Strangpressprofile direkt aus granulatförmigem Recyclingmaterial hergestellt. Damit wird der Schmelzvorgang für das Recyclingmaterial eliminiert, was zu einer signifikanten Reduktion des Energieverbrauchs im Aluminiumkreislauf führt. Durch die Weiterentwicklung des Prozesses Laserauftragschweißen (FT 2) mittels angepasster Optik und Prozessgestaltung konnten die Al-Profile mit lokalen Funktions- und Nebenformelementen funktionalisiert erfolgreich werden. Mit dem robotergestützten Spritzgießen (FT 3) wurden die Profile mit Funktionselementen aus Kunststoff hybridisiert, dabei kamen angepasste Werkzeugtechnologien und Methoden zur Oberflächenvorbereitung zum Einsatz und es wurden neuartige Markersysteme für die Werkstofferkennung im Recyclingschritt erprobt. Für diese funktionalisierten Strukturen wurden werkstoffangepasste und gleichzeitig robuste Fügetechnologien (FT 4) charakterisiert und Wege zum effizienten Entfügen evaluiert und technologisch umgesetzt. Darauf aufbauend wurden etablierte Recyclingverfahren (FT 5) adaptiert und zu einer angepassten Prozessfolge kombiniert, sodass ein Zurückführen der eingesetzten Materialien in die FT 1 und 3 und damit ein geschlossener Stoffkreislauf mit zuvor nicht realisierbarer Energieeffizienz und Verwertungsquote erfolgreich demonstriert werden konnte. Weiterführende Informationen finden sich in der KORESIL-WebApp.
Im Arbeitsbereich Soziotechnische Systeme zur Unterstützung des Menschen bieten XR-Anwendungen enorme Potentiale sowohl in der Aus- und Weiterbildung als auch im Berufsleben. Durch die Kombination von realen und virtuellen Elementen können Informationen zielgerichtet bereitgestellt, Bildungsinhalte effizient vermittelt, Arbeitsplätze vorab analysiert sowie Arbeitsprozesse aus der Ferne begleitet und gesteuert werden. Daraus ergeben sich folgende wesentliche Aspekte mit positiven Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz von Arbeitsprozessen:
- Menschen unterstützen
- Prozessverständnis verbessern
- Stillstandszeiten reduzieren
- Produktion überwachen
- Technisches Marketing unterstützen
Im Projektverlauf wurden insbesondere die links dargestellten Einsatzbereiche fokussiert und mehrere entsprechende XR-Anwendungen konzipiert und umgesetzt. Im Rahmen von Workshops sowie psychologischen Studien erfolgte die Erprobung und Analyse. Hier standen die zukünftigen Nutzer:innen und insbesondere die Auswirkungen dieser neuartigen soziotechnischen Umgebungen auf deren Arbeitserleben sowie die Identifikation einer nutzerfreundlichen Gestaltung der Anwendungen im Fokus der Untersuchungen. Zum Ende des Projekts flossen die erarbeiteten technischen Lösungen und gestalterischen Vorgaben in die HoloLEIV-Anwendung ein, welche die Echtzeit-Interaktion mit einer realen Fertigungsanlage erfolgreich demonstrierte. Insgesamt konnte aufgezeigt werden, dass die Verknüpfung von realer Prozesstechnik und digitalen Werkzeugen unter Einbeziehung angepasster Schnittstellen und Visualisierungsmethoden neue Möglichkeiten in Bezug auf die Prozesskette bietet, sowohl im Hinblick auf eine gesteigerte Ressourceneffizienz als auch eine nachhaltige und ergonomische Arbeitsgestaltung.
Im Sinne eines kontinuierlichen Technologietransfers wurden neben der Pflege und dem Ausbau der Plattform FOREL verschiedene öffentliche Veranstaltungen organisiert und durchgeführt:
- Industriekolloquium Kreislauf.Leichtbau.Erleben.
- Meetings des Runden Tisch LCA
- FOREL-Sessions im Rahmen des Internationalen Dresdner Leichtbausymposiums
- Workshops mit Industriebeteiligung
Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Projekts KORESIL wurden in zahlreichen Zeitschriftenaufsätzen, Beiträgen in Konferenzbänden sowie im Rahmen von Vorträgen publiziert. Durch Teilnahmen an Symposien, Messen und Workshops wurde weiterhin die breite Öffentlichkeit angesprochen (vgl. Abschnitt Veröffentlichungen).
Das im Projekt erstellte, interaktive Whitepaper enthält umfassende Informationen zu ressourceneffizienten Leichtbautechnologien. Die Inhalte wurden in den mit Vertreter:innen aus Industrie und Wissenschaft durchgeführten Interviews und Workshops sowie den angefertigten Literaturstudien gewonnen. Ebenso sind die technologischen Ergebnisse des Projekts KORESIL in detaillierter Form enthalten. Das interaktive Whitepaper besteht aus einem allgemeinverständlichen Booklet (gedruckt und digital) sowie insgesamt sechs inhaltlich stärker fokussierten Online-Whitepapern (digital).
Zeitschriftenaufsätze
[1] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Weck, D.; Gude, M.; Tekkaya, A.E.: Potential and Limits of Augmented Reality in Engineering Education and Industry 4.0. Chemie Ingenieur Technik (2024). DOI 10.1002/cite.202300173
[2] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.: Enhancing Manufacturing Education based on controller-free Augmented Reality Learning. Manufacturing Letters 35 (2023), S. 1246–1254. DOI 10.1016/j.mfglet.2023.08.068
[3] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.: Introducing a general-purpose augmented reality platform for the use in engineering education. Advances in Industrial and Manufacturing Engineering 6 (2023), S. 100116. DOI 10.1016/j.aime.2023.100116
[4] Zapata, A.; Benda, A.; Spreitler, M.; Zhao, X.F.; Bernauer, C.; Yoshioka, H.; Zaeh, M.F.: A model-based approach to reduce kinematics-related overfill in robot-guided Laser Directed Energy Deposition. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 45 (2023), S. 200–209. DOI 10.1016/j.cirpj.2023.06.014
[5] Zapata, A.; Bernauer, C.; Celba, M.; Zaeh, M.F.: Studies on the Use of Laser Directed Energy Deposition for the Additive Manufacturing of Lightweight Parts. Lasers in Manufacturing and Materials Processing (2023). DOI 10.1007/s40516-023-00233-6
[6] Zapata, A.; Zhao, X.F.; Li, S.; Bernauer, C.; Zaeh, M.F.: Three-dimensional annular heat source for the thermal simulation of coaxial laser metal deposition with wire. Journal of Laser Applications 35 (2023) Nr. 1, S. 12020. DOI 10.2351/7.0000813
[7] Bernauer, C.; Merk, T.; Zapata, A.; Zaeh, M.F.: Laser Metal Deposition with Coaxial Wire Feeding for the Automated and Reliable Build-Up of Solid Metal Parts. Key Engineering Materials 926 (2022), S. 65–79. DOI 10.4028/p-ob7dg7
[8] Zapata, A.; Bernauer, C.; Hell, M.; Kriz, H.; Zaeh, M.F.: Direction-independent temperature monitoring for Laser Metal Deposition with coaxial wire feeding. Procedia CIRP 111 (2022), S. 302–307. DOI 10.1016/j.procir.2022.08.027
[9] Zapata, A.; Bernauer, C.; Stadter, C.; Kolb, C.G.; Zaeh, M.F.: Investigation on the Cause-Effect Relationships between the Process Parameters and the Resulting Geometric Properties for Wire-Based Coaxial Laser Metal Deposition. Metals 12 (2022) Nr. 3, S. 455. DOI 10.3390/met12030455
Beiträge in Konferenzbänden
[1] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.: Enhancing the Immersion of Augmented Reality Through Haptic Feedback. In: International Association of Online Engineering (Hrsg.): 21st International Conference on Smart Technologies & Education, Helsinki, Finland, 06.-08.03., S. 305–312, 2024
[2] Lieberwirth, H.; Thüm, S.; Philipp, B.: Erfahrungen mit Mixed-Reality-Anwendungen im Leichtbau und Potenzial für eine zukünftige Nutzung. In: TU Bergakademie Freiberg, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik (Hrsg.): Aktuelle Forschung am Institut. Berichtsheft zum 73. BHT-Freiberger Universitätsforum. Freiberg, 2024, S. 121–140
[3] Müller, B.T.; Grodotzki, J.; Tekkaya, A.E.: Augmented Reality Based Control of Autonomous Mobile Robots. In: International Association of Online Engineering (Hrsg.): 21st International Conference on Smart Technologies & Education, Helsinki, Finland, 06.-08.03., S. 313–323, 2024
[4] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.: Enhancing Manufacturing Education based on controller-free Augmented Reality Learning. In: Society of Manufacturing Engineers (Hrsg.): North American Manufacturing Research Conference (NAMRC51). North American Manufacturing Research Conference (NAMRC51), New Brunswick, New Jersey, 12.-16.06., Paper 129, 2023
[5] Selvaggio, A.; Tekkaya, A.E.: Identification of Factors Influencing the Quality of Extruded Profiles Using Aluminum Recyclate-Based Billets. In: Society of Manufacturing Engineers (Hrsg.): North American Manufacturing Research Conference (NAMRC51). North American Manufacturing Research Conference (NAMRC51), New Brunswick, New Jersey, 12.-16.06., Paper 140, 2023
Hochschulschriften
[1] Enkhbold, B.: Untersuchungen zur sensorbasierten Sortierung von mit Messing verunreinigten Aluminiumkonzentraten über KI-gestützte dynamische Bilderkennung. Bachelorarbeit, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingssystemtechnik, Freiberg, 2024
[2] Claus, S.L.: Untersuchung mechanischer Oberflächenmodifikationen für die Metall-Kunststoff-Hybridisierung im mobilen Spritzgießen. Diplomarbeit, TU Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Dresden, 2023
[3] Guenther, W.B. von: Optimierung und Evaluierung einer Augmented-Reality(AR)-Anwendung zur digitalisierten ergonomischen Arbeitsplatzgestaltung im Fügeprozess. Studienarbeit, Universität Paderborn, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Paderborn, 2023
[4] Popkov, Y.: Black-Eye-Technologie (MIR) für die Sortierung nach Kunststoffarten. Bachelorarbeit, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik, Freiberg, 2023
[5] Ali, M.A.: Implementation and evaluation of a weld criteria to predict the weld quality during direct hot extrusion of chip-based billets. Masterarbeit, TU Dortmund, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Dortmund, 2022
[6] Müller, B.T.: Entwicklung einer Augmented-Reality-Plattform für 3D-Objekte und Animationen im Lehrkontext. Bachelorarbeit, TU Dortmund, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Dortmund, 2022
[7] Stiller, L.F.: Numerische und experimentelle Identifikation der Einflussfaktoren auf die Qualität stranggepresster Profile aus Aluminiumrezyklat-Pressbolzen. Bachelorarbeit, TU Dortmund, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Dortmund, 2022
[8] Zhang, Y.: Implementation of an Edge Computing Architecture for the Visualization of Process Data in Augmented Reality. Diplomarbeit, TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaft, München, 2022
[9] Persike, R.: Untersuchungen zur sensorgestützten Sortierung von Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von Recyclings-Prozess-bezogenen Einflussgrößen. Diplomarbeit, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik, Freiberg, 2021
[10] Schröder, P.L.: Recyclingfähigkeit von Konstruktionen. Studienarbeit, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik, Freiberg, 2021
Vorträge
[1] Weck, D.; Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.; Gude, M.: Potential von AR-Anwendungen für Produktionsanlagen in der Kunststoff- und Composite-Industrie. Sitzung der Regionalgruppe Bayern des TecPart e.V., ProKI-Thementour, Helmbrechts, 2024
[2] Weck, D.; Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.; Gude, M.: Potential von AR-Anwendungen für Produktionsanlagen in der Kunststoff- und Composite-Industrie. Sitzung der Regionalgruppe Mitteldeutschland des TecPart e.V., ProKI-Thementour, Schmalkalden, 2024
[3] Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.; Weck, D.; Gude, M.: GOLC Online Laboratory Award 2024. Category „Virtual Reality and Augmented Reality Experiments“. STE 2024, Helsinki, 2024
[4] Müller, B.T.: Phoenix Contact STE Student Award. HoloLEIV – AR Based Setup and Operation of Inline Robotic Systems. IAOE (Hg.) 2024 – 21st International Conference on Smart Technologies & Education, Helsinki, 2024
[5] Weck, D.; Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Selvaggio, A.; Gude, M.; Tekkaya, A.E.: Augmented Reality: Anwendungspotentiale am Beispiel des Strangpressprozesses. 29. Sächsische Fachtagung Umformtechnik, Dresden, 2023
[6] Zapata, A.: Toward the Rapid Manufacturing of Lightweight Parts by Laser Directed Energy Deposition. 17th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, Neapel (Germany), 2023
[7] Weck, D.; Müller-Pabel, M.; Gude, M.: Circular and hybrid – manufacturing and functionalisation of multi-material lightweight structures. LightCon 2023, Hannover, 2023
[8] Weck, D.; Müller-Pabel, M.; Gude, M.: Potentiale von AR-Anwendungen für Produktionsanlagen. CU Innovation Day, Dresden, 2023
[9] Weck, D.; Grodotzki, J.; Müller, B.T.; Tekkaya, A.E.; Gude, M.: The potential of XR in resource efficient engineering – Where are we now and where are we going? Workshop. International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV2023), Thessaloniki, 2023
[10] Zapata, A.: Direction-Independent Temperature Monitoring for Laser Metal Deposition With Coaxial Wire Feeding. 12th CIRP conference on photonic technologies (LANE 2022), Fürth (Germany), 2022
[11] Weck, D.; Müller-Pabel, M.; Gude, M.: Potentials of extended reality applications for resource-efficient process chains. 25. Internationales Dresdner Leichtbausymposium, Dresden, 2022
[12] Thüm, S.: Leichtbau goes digital – Mensch und Technik für eine ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft. 73. BHT – Freiberger Universitätsforum, Freiberg, 2022
[13] Grodotzki, J.: Impuls Produkte: Konzepte für die ressourceneffiziente Produktion am Beispiel des Spänestrangpressens. Greentech.Ruhr Innovation Afterwork | Circular Economy, Essen, 2021
[14] Weck, D.; Müller-Pabel, M.; Gude, M.: Ressource-efficient and robust production of lightweight structures. 24. Internationales Dresdner Leichtbausymposium, Dresden, 2021
Partner
- Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
Technische Universität Dresden - Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF)
Universität Paderborn - Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Technische Universität München - Institut für Aufbereitungsmaschinen und Recyclingsystemtechnik (IART)
Technische Universität Bergakademie Freiberg - Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL)
Technische Universität Dortmund
Förderung
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt KORESIL wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert (Förderkennzeichen 02P20Z000 – 02P20Z004) und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
Verweise
Plattform FOREL
Das Forschungs- und Technologiezentrum für ressourceneffiziente Leichtbaustrukturen FOREL wurde 2013 als BMBF-Leuchtturmprojekt eingerichtet und ist eine offene und unabhängige Plattform zur Entwicklung von Hightech-Leichtbausystemlösungen in Multi-Material-Design für die Mobilität der Zukunft. In diesem Kontext unterstützt die Plattform Entwicklungsprojekte bei der Vernetzung der Leichtbauforschung innerhalb Deutschlands und führt verschiedene Förderinitiativen zusammen.
Forschungs- und Technologiezentrum für ressourceneffiziente Leichtbaustrukturen – FOREL
