WiGeP News 2/2013

Ausgabe 2/2013 

Wissenschaftliche Gesellschaft 

für Produktentwicklung WiGeP 

Berliner Kreis & WGMK 

NEWS 

Mitteilungen der WiGeP 

Liebe Leserinnen und Leser, 

diese WiGeP-News geben Ihnen einen 

aktuellen Einblick in die vielseitigen 

Aktivitäten unserer Mitglieder in der 

Produktentwicklung. Als Bindeglied 

zwischen Universitäten und der Industrie 

möchten wir dazu beitragen, 

innovative Lösungen aus den verschiedenen 

Fachbereichen der Produktentwicklung 

zu kommunizieren 

und Kooperationen im Bereich der 

Forschung und Lehre rund um die 

Produktentwicklung zu fördern. Ich 

freue mich, den regen Austausch zu 

eben diesem Zweck als Geschäftsführer 

mit zu begleiten und das langjährige 

Engagement meines Vorgängers 

Prof. Jürgen Gausemeier weiterführen 

zu dürfen. Der Wechsel der Geschäftsstelle 

ist nun vollzogen. 

Zur WiGeP zählen aktuell 75 Universitätsprofessoren 

sowie 50 

Führungspersönlichkeiten renommierter 

deutscher Unternehmen. 

Sprechen Sie uns gerne bezüglich 

einer gemeinsamen Förderung des 

Technologietransfers und der Produktinnovationen 

an oder besuchen Sie 

unsere Homepage www.wigep.de! 

WiGeP-Herbsttagung 2013 in Stuttgart 

Über 50 Teilnehmer bei der Herbsttagung der WiGeP 

Die diesjährige Herbsttagung der Wissenschaftlichen 

Gesellschaft für Produktentwicklung 

(WiGeP) fand vom 25.-28.09.2013 in 

Stuttgart statt. Eingeladen hatte Prof. Spath 

vom Fraunhofer IAo in Kooperation mit Prof. 

Binz (IKTD) und Prof. Bertsche (IMA). Den über 

50 Teilnehmern wurde ein interessantes und 

abwechslungsreiches Programm geboten. 

Zwei Mal pro Jahr treffen sich die Mitglieder 

der WiGeP um sich auszutauschen. Während 

die Frühjahrstagung das Ziel verfolgt, Forschung 

und Lehre regelmäßig auf die aktuellen 

Herausforderungen aus der Industrie 

abzustimmen und die Unternehmen bei der 

Entwicklung der Produkte für die Märkte von 

morgen zu unterstützen, hat die Herbsttagung 

einen eher nach innen gerichteten 

charakter. So standen auf der diesjährigen 

Tagung Themen der strategischen Ausrichtung 

der WiGeP im Vordergrund. Der WiGeP 

gehören ca. 80 Universitätsprofessorinnen 

und -professoren an, die die Wissenschaftslandschaft 

auf dem Gebiet der Produktentwicklung 

prägen. 

ZU GAST IM ZENTRUM FÜR VIRTUELLES 

ENGINEERING – ARBEITEN UNTER DEM VIR- 

TUAL SKY 

Mit dem „Zentrum für Virtuelles Engineering“ 

(ZVE) hat das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft 

und organisation IAo in Stuttgart 

ein Haus der Wissensarbeit geschaffen, in 

dem Wissenschaftler interdisziplinär rund um 

die Themen innovative Arbeitsgestaltung, 

Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche 

Bild 1: 

Teilnehmer der WiGeP-Herbsttagung 2013 in Stuttgart vor dem ZVE

Newsletter Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktentwicklung WiGeP | Ausgabe 2 | Dezember 2013 

Mobilität der Zukunft, visuelle Technologien 

und digitales Engineering forschen – passend 

zu Inhalten der WiGeP. 

Labore verschmelzen im ZVE mit Büros. Je 

nach aktuellen Arbeitsbeziehungen zwischen 

den verschiedenen Arbeitsbereichen 

und je nach Ressourcenanforderung kann 

der Arbeitsplatz am Tag u.U. mehrmals wechseln 

–in Übereinstimmung mit den Anforderungen 

heutiger Multiprojekt-Arbeit. 

Aufgrund vorbildlicher Effizienz, Umweltfreundlichkeit 

und Ressourcenschonung erhielt 

das ZVE von der Deutschen Gesellschaft 

für Nachhaltiges Bauen e.V. (DGNB) das Zertifikat 

in Gold. 

Der fachliche Austausch der WiGeP-Mitglieder 

fand sozusagen unter freiem Himmel 

statt, nämlich unter dem von Fraunhofer- 

Lichtexperten entwickelten „Virtual Sky“, der 

im Auditorium des Gebäudes für annähernd 

natürliches Tageslicht sorgt und dabei wahlweise 

den Wolkenzug, die Lichtintensität 

oder ganze Sonnenaufgänge simulieren 

kann. 

Intensiver Austausch zwischen den 

Mitgliedern 

Die Mitgliederversammlung hatte auch in 

diesem Herbst wichtige aktuelle Themen als 

Schwerpunkt. Beispielsweise der Austausch 

und die Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen 

Gesellschaften oder auch 

die strategische Ausrichtungen bezüglich 

der Einbindung des Industriekreises. Die 

drei Fachgruppen „Maschinenelemente 

und -systeme“, „Methoden und Prozesse der 

Produktentwicklung“ sowie „Virtuelle Produktentwicklung“ 

trafen sich zudem fachgruppenintern 

um deren fachbezogene 

aktuelle Themen voranzubringen und abzustimmen. 

Abwechslungsreiches 

Programm 

auch 

für die Begleitpersonen 

Gemäß der Tradition 

der Herbsttreffen 

wurde 

den Begleitpersonen 

der WiGeP- 

Mitglieder ein 

interessantes und 

abwechslungsreiches 

Programm 

geboten. Während 

die Mitglieder 

sich in Sachen 

Bild 3: 

WiGeP austauschten, 

besichtigten die Damen das im 18. Jahrhundert 

erbaute Stuttgarter Schloss Solitude 

und die Stadtbahn Stuttgart, nahmen aber 

auch – typisch schwäbisch – an einer Kehrwochen-Führung 

teil. 

Verleihung des Wolfgang-Beitz- 

Preises 2013 im Meilenwerk Böblingen 

Die WiGeP vergab auch in diesem Jahr den 

Wolfgang-Beitz-Preis 2013 an zwei herausragende 

wissenschaftliche Arbeiten. Die Preisverleihung 

fand am 26.09.2013 im Rahmen 

der WiGeP-Herbsttagung statt. 

Der Preis wird im Andenken und im Sinne 

des 1998 verstorbenen Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. 

E.h. Wolfgang Beitz an wissenschaftliche 

Arbeiten mit herausragender ingenieurwissenschaftlicher 

Relevanz und hohem Innovationsgehalt 

verliehen. 

Die Preisverleihung fand sehr passend im 

Meilenwerk in Böblingen statt, das zeitlos 

schöne Automobilia ausstellt – ein Augenschmaus 

für Produktentwickler. 

Der Wolfgang-Beitz-Preis besteht aus einer besonderen Ausgabe des 

DUBBEL, einer Medaille (nicht im Bild) sowie natürlich einer Urkunde 

Preisträger sind Herr Dr.-Ing. Tobias Düser 

vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 

für seine Dissertation mit dem Titel „X-inthe-Loop 

– ein durchgängiges Validierungsframework 

für die Fahrzeugentwicklung am 

Beispiel von Antriebsstrangfunktionen und 

Fahrerassistenzsystemen“ sowie Herr Dr.-Ing. 

Andreas Maiwald von der TU Chemnitz für 

seine Dissertation mit dem Titel „Numerische 

Analyse des Wanderverhaltens von Wälzlagerringen“. 

Für die WiGeP 

Michael Bartholdt 

Bild 2: 

Herr Prof. Spath begrüßt die WiGeP-Mitglieder im ZVE unter 

dem Virtual Sky 

Bild 4: 

Der Vorsitzende der WiGeP Prof. Albers (Mitte) übergibt den Wolfgang- 

Beitz-Preis 2013 an die beiden Preisträger Dr.-Ing. Düser (links) und 

Dr.-Ing. Maiwald (rechts) 

2


3D von Scan bis Druck 

Im 3D-Labor der TU-Braunschweig lernen Studierende neue Hilfsmittel der virtuellen 

Produktentwicklung kennen und arbeiten aktiv an deren Weiterentwicklung mit 

Überführung realer 

Objekte in 

dreidimensionale 

virtuelle Modelle 

durch drei 

verschiedene 

Scanverfahren 

Bild 1: 

MOTIVATION 

Bild 2: 

3D-Scan 

real 

Prozesskette im 3D-Labor 

Bearbeitung von 

gescannten 

Objekten und 

Erstellung neuer 

Modelle durch 

CAD-Programme in 

der virtuellen Welt 

3D-Scan eines Rennsporthelmes 

Darstellung und 

Handhabung 

dreidimensionaler 

virtueller Modelle 

durch 

stereoskopische 

Ausgabe und 3D- 

Eingabegeräte 

virtuell 

3D-Datenverarbeitung 

3D- 

Visualisierung 

3D-Druck 

Überführung 

virtueller Modelle in 

reale Objekte durch 

drei verschiedene 

Druckverfahren 

real 

Verkürzte Produktlebenszyklen und hohe 

Innovationsraten des internationalen 

Wettbewerbs setzen die etablierten Produktentwicklungsprozesse 

anhaltend unter 

Druck. Dabei erfordert die Parallelisierung 

von Teilprozessen ein erhöhtes Organisations- 

und Kommunikationsmaß, dem 

unter anderem mit rechnerunterstützten 

Werkzeugen begegnet wird. Ebenso bei 

der Auslegung, Gestaltung und Simulation 

von neuen Produkten leisten Rechner heute 

unverzichtbare Dienste, die zu einer anhaltenden 

Virtualisierung des Produktentwicklungsprozesses 

führen. Im Zusammenspiel 

mit konventionellen Entwicklungsmethoden 

und dem Faktor Mensch können reale 

Objekte allerdings weiterhin unterstützen. 

Deshalb sind Technologien von Nöten, die 

die Schnittstelle zwischen Realität und virtueller 

Welt schnell überbrücken. Bezüglich 

geometrischer Modelle wurden hierzu 

verschiedene Technologien einerseits zur 

räumlichen Geometrieaufnahme (3D-Scan) 

sowie andererseits zur schnellen generativen 

Fertigung (3D-Druck) entwickelt. 

HISTORIE 

Am Institut für Konstruktionstechnik 

(IK) der Technischen Universität Braunschweig 

werden seit 2007 generative Fertigungsverfahren 

zur Unterstützung der 

Produktentwicklung eingesetzt. So hergestellte 

Bauteile finden in Industrie- und 

Forschungsprojekten als Diskussionsgrundlage 

oder Funktionsmuster Anwendung 

sowie in der Lehre als Anschauungsmodell. 

2010 kam ein 3D-Scanner hinzu, der in Zusammenwirkung 

mit der jahrzehntelangen 

Erfahrung im Bereich der rechnerunterstützten 

Konstruktion erstmals einen Prozesszyklus 

zwischen realen und virtuellen 

Geometriemodellen ermöglicht. 

3D-DRUCK FÜR JEDERMANN 

Mit den Möglichkeiten des Interessenaustauschs 

über das Internet hat sich eine 

Subkultur gebildet, die den Do-It-Yourself- 

Gedanken mit Unterstützung moderner 

Technologien fortführt – die sogenannte 

Maker-Szene. Über die Entwicklung CNCgesteuerter 

Werkzeugmaschinen sind so 

auch verschiedenste Konzepte von 3D- 

Druckern entstanden, die mit einfachen 

Mitteln durch jedermann aufgebaut werden 

können. Nachdem wichtige Patente im Bereich 

der generativen Fertigungsverfahren 

abgelaufen sind, wurde diese Entwicklung 

weiter beschleunigt. So wurde zum Beispiel 

an der Universität Bath (England) das 

Projekt „RepRap“ zur Entwicklung einer 

selbst replizierenden Rapid-Prototyping- 

Anlage gegründet. Durch die frei verfügbaren 

Konstruktionsdaten, offene Software 

sowie kostengünstige Komponenten erfuhr 

das Projekt rasantes Wachstum und zählt 

heute Tausende Mitglieder. Die sehr große 

Teilnehmerzahl sowie die internationale 

Vernetzung der Maker-Szene bewirkt eine 

anhaltend hohe Dynamik bezüglich Kreativität 

und Innovationsfortschritt. 

DAS 3D-LABOR 

Die Grundidee des 3D-Labors ist es, Studierenden 

den Zugang zu neuen Hilfsmitteln 

der virtuellen Produktentwicklung zu 

erleichtern, sie bei aktuellen Forschungsprojekten 

in höherem Maße einzubinden 

und die Forschungstätigkeiten stärker mit 

bestehenden Lehrveranstaltungen zu verknüpfen. 

Hierzu wurden die am IK vorhandenen 

3D-Scan und -Druck-Technologien 

an einer zentralen Stelle zusammengefasst 

und um Anlagen aus der Maker-Szene derart 

ergänzt, dass eine repräsentative Angebotsbreite 

zwischen kommerziellen und 

Open-Source-Anlagen zur Verfügung steht. 

Dies bietet den Studierenden sowohl die 

Leistungsfähigkeit der professionellen Verfahren 

als auch die gute Zugänglichkeit der 

Anlagen aus der Maker-Szene. Die vorhandenen 

sowie die neuen Anlagen wurden im 

Zusammenspiel mit den am IK aufgebauten 

Kompetenzen in vier Tätigkeitsfelder gegliedert. 

Diese bilden bezüglich der geometrischen 

Modellierung eine komplette 

Prozesskette vom 3D-Scan über die Datenverarbeitung 

und -visualisierung bis hin 

zum 3D-Druck (Bild 1). 

ANWENDUNG 

Durch die interdisziplinären Herausforderungen 

bei der Weiterentwicklung der 

3

https://ww w.musterforum.de 


3D-Scan- und 3D-Druck-Verfahren ist das 

3D-Labor nicht nur den Studierenden des 

Maschinenbaus vorbehalten sondern steht 

auch Studierenden der Fachrichtungen 

Elektrotechnik und Informatik offen, um so 

deren Vernetzung zu fördern und auch den 

Austausch von wissenschaftlichen Hilfskräften 

zu unterstützen. Neben der freien 

Mitarbeit wird das 3D-Labor für mehrere 

vorlesungsbegleitende Labore verwendet. 

In der Lehrveranstaltung „Rechnerunterstütztes 

Auslegen und Optimieren“ wird 

zum Beispiel das Getriebe eines Modellrennwagens 

ausgelegt und dessen Zahnräder 

generativ im 3D-Labor hergestellt. Im Labor 

der Veranstaltung „Rechnerunterstütztes 

Konstruieren“ wird das 3D-Scannen genutzt, 

um Randbedingungen für Änderungskonstruktionen 

aufzunehmen. Darüber hinaus 

dient das 3D-Labor studentischen Gruppen, 

wie z.B. dem Braunschweiger Team des Formula 

Student Wettbewerbs, zur Erfassung 

von Geometriedaten oder zur Realisierung 

von Funktionsmustern (Bild 2). 

Prof. Dr.-Ing. Thomas Vietor 

Dipl.-Ing. Hauke Prüß 

Institut für Konstruktionstechnik 

Technische Universität Braunschweig 

Konzept für eine intelligente Technologie-Frühaufklärung 

Neue Technologien haben häufig Auswirkungen 

auf viele Gestaltungsbereiche eines 

Unternehmens und beeinflussen Produkte, 

Produktionssysteme sowie das Geschäftsmodell. 

Das frühzeitige Erkennen aufkommender 

Technologie-Entwicklungen mit 

hoher Relevanz ist Aufgabe der Technologie-Frühaufklärung. 

Daraus ergeben sich 

oftmals Möglichkeiten zur Schaffung von 

nachhaltigen Wettbewerbsvorteilen. Allerdings 

betreiben viele Unternehmen und 

insbesondere kleine und mittlere Unternehmen 

(KMU) keine systematische Technologie-Frühaufklärung. 

Es mangelt offenbar 

nicht an technologischen Informationen, 

die durch das Internet leicht verfügbar 

sind. Vielmehr verhindert die schwer überschaubare 

Informationsflut ein effizientes 

Aufspüren neuer Technologien. Während 

für „manuelle Recherchen“ die Ressourcen 

fehlen, erweist sich die Anwendung der 

verfügbaren IT-Werkzeuge zumeist als nicht 

benutzungsfreundlich und bei näherem 

Informationsquellen 

(z.B. Datenbanken) 

Bild 1: 

HEUTE 

Technologiesuchfelder 

definieren 

Technologiescanning 

Technologie- 

Monitoring 

Technologien 

bewerten 

Kontinuierliche 

Überprüfung 

Hinsehen auch als aufwändig. 

Vor diesem Hintergrund wurde am Heinz 

Nixdorf Institut im Rahmen des BMBF- 

Forschungsverbundprojekts ADISTRA – 

Adaptierbares Instrumentarium für die 

strategische Pro-duktplanung (Projektträger 

Karlsruhe, PTKA) ein Konzept zur intelligenten 

Technologie-Frühaufklärung 

entwickelt, welches drei Aufgabenfeder umfasst 

sowie ein entsprechendes IT-Werkzeug 

vorsieht (Bild 1). 

Maschinelles Lernen aus 

menschlichem Feedback 

Konzept einer intelligenten Technologie-Frühaufklärung 

 

 

 

 

 

 

Nr. 1 2 3 4 ... 97 98 

1 1 0 1 1 3 

2 0 3 3 1 3 

3 1 1 4 0 1 

4 0 3 1 

2 0 

... 

97 1 1 2 2 

4 

98 0 0 2 1 5 

Ableitung von 

Handlungsoptionen 

Technologiesuchfelder definieren: 

Technologiesuchfelder grenzen den Suchraum 

nach relevanten Technologie-Informationen 

ein. Hierzu werden im Rahmen von 

Befragungen und Workshops Technologiethemen 

aus vier Berei-chen gesammelt, die 

sich in ihrer Detailtiefe unterscheiden (Bild 

2): „Bekannte Technologien des Unternehmens“ 

bilden den Ausgangspunkt und sind 

einfach zu ermitteln. Das Management beschäftigt 

sich häufig mit übergeordneten 

„Technologie-Megatrends“, z.B. Internet der 

Dinge, 3D-Drucken etc. Fachabteilungen arbeiten 

hingegen detaillierter: Im Fokus stehen 

Anforderungen oder Entwicklungsziele 

für Technologien, sog. „Spezifikationen“. 

Das „Unternehmensumfeld“ hält darü-ber 

hinaus Hinweise, z.B. über Wettbewerbsaktivitäten 

bereit. Die Technologiethemen werden 

hinsichtlich ihrer Ähnlichkeit bewertet 

und in einer multidimensionalen Skalierung 

dargestellt. Ähnliche Technologiethemen 

werden zu Technologiesuchfeldern zusammengefasst 

(Clusteranalyse). 

Informationsbeschaffung mittels 

Scanning und Monitoring: 

Technologie-Scanning: Für die ermittelten 

Technologiesuchfelder, werden verschiedene 

Informa-tionsquellen wie Datenbaken 

für Fachartikel und Patente sowie Foren des 

Social Web etc. durch-sucht. Der Herausforderung 

eines exponentiell steigenden Informationsangebots 

kann mittels intel-ligenter 

Suchalgorithmen begegnet werden: Dem 

Konzept des maschinellen Lernens folgend, 

stei-gert sich die Ergebnisqualität durch 

Einbezug menschlichen Feedbacks. Die 

Vorschläge des TFA-Tools werden durch die 

Anwender bewertet und dementsprechend 

selektiert. Dies steigert die Ergebnisqualität 

nachfolgender Suchvorgänge. 

Technologie-Monitoring: In dieser Phase 

erfolgt die Beobachtung der identifizierten 

Technolo-gien. Das Monitoring erfolgt im 

Gegensatz zum Scanning gerichtet, d.h. es 

ist bekannt, was ge-sucht wird. Zur Darstellung 

der Ergebnisse empfehlen wir ein Technologie-Radar, 

in dem die Be-wegungen der 

identifizierten Technologien nachgehalten 

werden (vgl. Bild 1). Ein wohldurchdachtes 

IT-Werkzeug bereitet vor diesem Hinter- 

4


Bekannte Technologien 

des Unternehmens 

Spezifikationen 

(z.B. Anforderungen, Funktionen, 

Entwicklungsziele, etc.) 

Bild 2: 

Technologie-Megatrends 

(z.B. Internet der Dinge, Erneuerbare 

Energien, 3D-Drucker, etc.) 

Quellen für 

Technologiethemen 

Unternehmensumfeld 

Identifikation von Technologiethemen 

(z.B. Wettbewerb, Schlüsselpartner, 

Institute, Publikationen, etc.) 

grund nur die neu 

identifizierten 

Technologien auf, 

die sich gemäß 

des menschlichen 

Feedbacks als vielversprechend 

erwiesen 

haben. 

Technologien 

bewerten: 

Erfolgsentscheidend 

für die Realisierung 

eines 

Wettbewerbsvorsprungs ist u.a. die Selektion 

be-deutsamer Technologien. Die 

Selektion erfolgt über eine Bewertung des 

Einflusses auf technolo-gierelevante Gestaltungsbereiche, 

welche zuvor identifiziert 

werden. Abschließend werden für die ausgewählten 

Technologien Handlungsoptionen 

abgeleitet. 

M.Sc. Benjamin Amshoff 

M.Sc. Daniel Eckelt 

Heinz Nixdorf Institut 

Universität Paderborn 

Mit Konstruktion und Design zu einer neuen Form der Kooperation 

Über die Methode und Anwendung des hybriden Designprozesses am Institut für Konstruktionstechnik und Technisches 

Design 

Als ein Dilemma der interdisziplinären Produktentwicklung 

stellt die Kooperation 

verschiedener Fachdisziplinen nach wie 

vor eine Herausforderung dar. Unterschiedliche 

Denk- und Arbeitsweisen und eine 

Vielfalt unterschiedlichster Entwicklungswerkzeuge 

erschweren hier meistens eine 

zielgerichtete Zusammenarbeit und verursachen 

unnötige Iterationsschleifen. Zur 

Minimierung dieses Dilemmas wurden am 

Institut für Konstruktionstechnik und Technisches 

Design (IKTD) der Universität Stuttgart 

mehrere Untersuchungen im Rahmen 

von entsprechenden Forschungsprojekten 

durchgeführt. 

METHODE ALS BASIS 

Ausschlaggebend für den Beginn erster Untersuchungen 

waren Entwicklungskooperationen, 

die in der Vergangenheit zwischen 

dem IKTD und industriellen Unternehmen 

erfolgreich durchgeführt wurden. Hierbei 

wurden zwar bereits methodische Vorgehensweisen 

und neuartige Entwicklungswerkzeuge 

zur Verbesserung der 

entsprechenden Entwicklungsprozesse eingesetzt, 

jedoch war erhebliches Verbesserungspotenzial 

aufgrund stetig wandelnder 

Rahmenbedingungen und technologischer 

Neuerungen zu erkennen. Darüber hinaus 

konnten immer wieder Schwachstellen im 

Informationstransfer herausgestellt werden. 

Zur Lösung des beschriebenen Dilemmas 

und mit dem Motiv einer ständigen Verbesserung 

wurde die Generierung einer neuen 

Entwicklungsmethode angestrebt. Dies 

stellt somit die grundlegendste Lösungsmöglichkeit 

des beschriebenen Dilemmas 

dar, da letztendlich jedweder Entwicklungsprozess 

in den Methoden und Vorgehensweisen 

begründet ist. Basierend auf einer 

der gängigsten Methoden konstruktiver 

Produktentwicklung wurde im Rahmen 

einer Dissertation mit dem Titel „Untersuchungen 

zum hybriden Designprozess in 

der technischen Produktentwicklung“ durch 

Integration informatorischer Grundsätze 

der hybride Designprozess methodisch generiert. 

Dieser ermöglicht eine direkte Einbindung 

verschiedenster Fachdisziplinen 

Bild1: 

Die methodische Zusammenarbeit am IKTD 

und verhindert darüber hinaus eine Einschränkung 

der fachspezifischen Arbeitsweisen. 

Damit lässt dieses Methodenmodell 

ausreichend Freiraum für Innovationen und 

Kreativität. Besonders im Fokus stand dabei 

die Integration der Fachdisziplin Design, 

die aufgrund ihrer schöpferischen und methodischen 

Inhomogenität sicherlich eine 

der vielfältigsten Gruppen darstellt. Durch 

Abstraktion bestehender und allgemeiner 

Entwicklungsprozesse konnte anschließend 

ein Vergleich verschiedener Produktentwicklungen 

ermöglicht werden. Eine darauf 

aufbauende Evaluation der einzelnen Vorgänge 

und Abläufe konnte das erhebliche 

Verbesserungspotential einer Anwendung 

dieser neuen Methode verdeutlichen. 

5


WEGE IN DIE PRAXIS 

Der hybride Designprozess soll zukünftig im 

Rahmen von weiteren Forschungsprojekten 

optimiert und durch Industriekooperationen 

erweitert und validiert werden. Hierfür 

sind am IKTD durch die Vernetzung der 

Fachbereiche Antriebstechnik (AT), Rechnergestützte 

Produktentwicklung (CAE), 

Methodische Produktentwicklung (MPE) 

und Technisches Design (TD) besondere Synergieeffekte 

im Rahmen einer Produktentwicklung 

(PE) gegeben (Bild 1): Einerseits 

durch die Nutzung der Kompetenzen und 

Werkzeuge der einzelnen Fachbereiche 

und andererseits durch die ganzheitliche 

Betrachtung ingenieursrelevanter Themen 

und Fragestellungen. 

Besonders zu erwähnen ist noch, dass 

durch die Förderung der eigenständigen, 

fachspezifischen Arbeitsweisen eine Steigerung 

des Entwicklungsergebnisses ohne 

Einschränkung der einzelnen kreativen Lösungsräume 

erfolgen kann. Dies wird zusätzlich 

durch die direkte Einbindung der 

Kommunikation gefördert und befürwortet 

daher das erhöhte methodische Vorgehen. 

Ein erhöhter Informationsaustausch sowie 

kurze Kommunikationswege zeichnen 

daher die Zusammenarbeit zwischen den 

Fachbereichen der Konstruktionstechnik 

und dem Technischen Design am IKTD aus. 

Dies soll zukünftig weiter ausgebaut werden, 

sodass eine Integration auch mit externen 

Partnern leicht ermöglicht werden 

kann. Somit konnte durch die Optimierung 

des Entwicklungsprozesses eine neue Form 

der Kooperation innerhalb der interdisziplinären 

Produktentwicklung erreicht werden. 

Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz 

Prof. Dr.-Ing. Thomas Maier 

Dr.-Ing. Frank Beier 

Institut für Konstruktionstechnik und Technisches 

Design 

Universität Stuttgart 

Prozess zur Gestaltung, Optimierung und Fertigung von 

Leichtbaustrukturen 

Motivation 

Generative Fertigungsverfahren erlauben 

gegenüber den traditionellen Verfahren der 

Formgebung einen höheren geometrischen 

Gestaltungsspielraum. In den Anfangsjahren 

wurden hauptsächlich Prototypen aus 

Kunststoff für medizinische und technische 

Anwendungen gefertigt. Durch die Entwicklung 

des Laserstahlschmelzens, das auf der 

Basis von Metallpulver Bauteile generativ 

erzeugen kann, rücken diese Verfahren für 

Funktionsbauteile immer stärker in den 

Fokus von konstruktiven Entwicklungsprozessen. 

Vielfach werden damit etablierte 

Verfahren abgelöst, die jahrelang ohne fertigungstechnische 

Alternative blieben. 

Neben komplizierten Geometrien können 

mit den generativen Verfahren filigrane 

Strukturen im Inneren von Bauteilen realisiert 

werden, die damit ein hohes Potenzial 

an Materialeinsparung und Leichtbau bieten. 

Diese Strukturen wurden vielfach für 

Implantate im medizinischen Bereich betrachtet, 

da sie Möglichkeiten zur Nachbildung 

biologischer Strukturen bieten. Diese 

Strukturen gewinnen aber gerade durch 

die Nutzung metallischer Werkstoffe auch 

für den Maschinenbau an Bedeutung. Sie 

können das thermische, statische und dynamische 

Verhalten von Bauteilen des Maschinenbaus 

beeinflussen. Die Nutzung der 

Strukturen im Entwicklungsprozess gestaltet 

sich hingegen als sehr kompliziert. Die 

fundierte Berechnung derartiger Strukturen 

wird beispielsweise bisher nicht ausgeführt 

und validiert. 

6 

Filigrane Strukturen können entweder regelmäßig 

und geometrisch determiniert 

aufgebaut oder aber stochastisch abgebildet 

werden. Diese unregelmäßigen Strukturen 

findet man bei Metallschäumen vor, 

deren detaillierte geometrische Gestalt 

jedoch nicht reproduzierbar ist. Daher werden 

im Folgenden nur regelmäßig aufgebaute 

Strukturen betrachtet, die bezüglich 

ihrer Geometrie mathematisch beschreibbar 

sind. Für die Herstellung der filigranen 

Strukturen sind aus fertigungstechnischer 

Sicht Forderungen hinsichtlich der offenen 

Porosität zu erfüllen, damit unverbrauchtes 

Pulver wieder entfernt werden kann. Weiterhin 

ist es wünschenswert, beim Bau der 

Strukturen möglichst wenig bis gar kein 

Stützmaterial verwenden zu müssen. In der 

Vergangenheit wurden am Lehrstuhl unterschiedliche 

Strukturen bezüglich ihrer fertigungsgerechten 

Gestaltung untersucht. 

Problemstellung 

Hinsichtlich der effizienten Nutzung dieser 

filigranen Strukturen im CAE-Umfeld gibt es 

gegenwärtig noch deutliche Defizite: 

1.Die Werkzeuge zum Entwurf bionischer 

Strukturen im konstruktiven Entwicklungsprozess 

sind bisher von den üblichen 

CAD-Systemen abgekoppelt und 

bieten hinsichtlich der Weiterbearbeitung 

dieser Strukturen keine Funktionalität. Im 

Sinne eines durchgängigen Produktentwicklungsprozesses 

müssen aber filigrane 

Strukturen mit Entwurfswerkzeugen im 

Arbeitsumfeld des Konstrukteurs erzeugt 

werden können. 

2.Aufgrund der neuartigen Möglichkeit der 

Innengestaltung sind die Bauteile hinsichtlich 

Festigkeit und Verformung im 

Vorfeld zu berechnen. Gegenüber Volumenmodellen 

mit homogenen Werkstückeigenschaften, 

müssen nun neue Modelle, 

Softwarewerkzeuge, Prozessketten und 

Schnittstellen für die Berechnung geschaffen 

werden. 

3.Anders als bei massiv ausgeführten 

Bauteilen bieten gerade die bionischen 

Strukturen im Inneren der Bauteile 

Möglichkeiten zur Gestalt- und damit 

Festigkeitsoptimierung. Optimierungswerkzeuge, 

die diesen Prozess unterstützen, 

stehen bisher noch nicht zur 

Verfügung. 

4.Die konstruierte, berechnete, optimierte 

und damit geänderte Geometrie muss 

gleichermaßen der Fertigungsvorbereitung 

und Fertigung nutzbar übergeben 

werden. Hierfür gibt es nur bedingt einsetzbare 

Softwarewerkzeuge. 

Die Ursachen für eine noch nicht etablierte 

durchgängige Nutzung im Entwicklungsprozess 

wird in den enormen Datenmengen 

gesehen, die es soft- und hardwaremäßig zu 

verarbeiten gilt. Ein komfortables Handling 

dieser Daten ist in der Regel bei großen Bauteilen 

nicht mehr möglich.


Bild 1: 

Prozess zur Gestaltung, Optimierung und Fertigung von Leichtbaustrukturen 

Lösungsweg 

Ein Lösungsweg (Bild 1) soll nun im Folgenden 

konkreter dargestellt werden. Die 

geplante Arbeitsumgebung zur Erstellung 

offenporöser Strukturen sind die dem 

Konstrukteur vertrauten CAD-Systeme 

wie z.B. SolidWorks. Der Konstrukteur erstellt 

zunächst das erforderliche Bauteil 

als Vollkörperteil mit einer definierten Außengeometrie, 

das die Grundlage für den 

Ersatz mit Leichtbaustrukturen bildet. Um 

Rechen- und Speicheraufwand zu minimieren, 

wird das Bauteil in Schichten unterteilt, 

für die jeweils eine charakteristische 

Kurve als Begrenzung erzeugt wird. Innerhalb 

der Begrenzung wird anschließend 

eine Gitterstruktur in Abhängigkeit der 

Parameter Strukturtyp, Strukturstärke und 

Wabengröße erzeugt. Die Gitterstrukturen 

aller Schichten werden als Drahtdarstellung 

im IGES-Format exportiert. Der Export 

als Linienmodell ist notwendig, da eine 

FEM-Berechnung als Volumenmodell zu 

rechenintensiv ist. Deswegen wird ein reduziertes 

Balkenmodell mit definierter Dicke 

verwendet. Im Unterschied zu bereits kommerziell 

verfügbaren Strukturgeneratoren 

entsteht somit ein geometrisch beschreibbares 

Modell, das einer weiterführenden 

Verwendung zugeführt werden kann. 

Die erzeugten Gitterstrukturen werden für 

die Berechnung und Optimierung im FE- 

System ANSYS importiert. 

Das Modell 

wird als Balkenmodell 

für die Berechnung 

aufbereitet. Für 

die Berechnungsvorbereitung 

werden 

jedoch weitere 

Daten benötigt. 

Dazu gehören Material, 

Einspannung, 

Kraftrichtung und 

Kraftgröße. Diese Informationen 

werden 

über eine eigens 

definierte Steuerungsdatei 

vom 

CAD-System an das 

Berechnungssystem 

übergeben. Das Material 

wird bereits 

während der Entwicklung 

vom Konstrukteur 

über die 

Materialdatenbank 

des CAD-Systems 

festgelegt. Weiterhin werden die Randbedingungen 

(Einspannung und Belastung) 

bereits im CAD-System definiert. Dazu erzeugt 

der Anwender Referenzgeometrien 

(Ebenen oder Linien) an den Bauteilfeatures 

(Flächen oder Kanten), an denen die Randbedingungen 

wirken. Zusätzlich sind in dieser 

Datei Werte zum Konstruktionsordner, 

zur angestrebten Optimierungsstrategie, 

zum gewünschten Exportformat und zum 

gewählten Strukturtyp angegeben. Für 

eine Optimierung der Struktur können die 

Parameter Strukturstärke, Wabengröße und 

Anzahl der Balken in der Struktur verändert 

werden. Das Ziel einer Optimierung kann 

eine Steifigkeits- oder Spannungsanpassung 

beziehungsweise eine Kombination 

aus beiden sein. Prinzipielles Ergebnis einer 

Steifigkeitsuntersuchung ist, dass die Struktur 

zu labil, zu stabil oder aber in Ordnung 

ist. Hinsichtlich der Spannungsoptimierung 

können Spannungen in der Struktur einen 

Grenzwert übersteigen, Spannungen in der 

Struktur unter einem Grenzwert liegen oder 

die Spannungen der gewünschten Festigkeit 

entsprechen. In den Fällen, in denen die 

Struktur die gewünschten Resultate erzielt, 

wird sofort der Export eingeleitet. Ist die 

Struktur zu labil bzw. sind die auftretenden 

Spannungen zu hoch muss der Konstrukteur 

im CAD-System die Struktur steifer gestalten, 

da eine automatische Veränderung 

durch den Lösungsprozess zum gegenwärtigen 

Zeitpunkt nicht möglich ist. Der 

Optimierungsansatz kann somit sinnvoll in 

den Fällen angewandt werden, in denen die 

Struktur zu steif ist bzw. die Spannungen 

unterhalb eines Grenzwertes liegen. Dabei 

werden alle Balken der Struktur gelöscht, 

die als nicht belastet angesehen werden. 

Die Entscheidung welche Teile belastet und 

nicht belastet sind, wird mit Hilfe eines prozentualen 

Anteils der maximal auftretenden 

Spannung in der Struktur getroffen. Nach 

erfolgter Optimierung im ersten Schritt 

wird erneut eine Berechnung durchgeführt. 

Pro Berechnungsschritt wird der Grenzwert, 

d.h. die Größe des prozentualen Anteils der 

maximalen Spannung variiert. Letztendlich 

wird der Algorithmus so lange durchlaufen 

bis die gewünschte Spannung bzw. Steifigkeit 

erreicht ist, eine maximale Schrittanzahl 

durchlaufen wurde oder die Änderung des 

prozentualen Anteils so gering ist, dass sich 

keine Strukturänderung mehr einstellt. 

Um die optimierte Struktur einer weiteren 

Nutzung z.B. innerhalb der Fertigung zuführen 

zu können, muss das Balkenmodell 

als Volumen in Form der filigranen Struktur 

in einem Austauschformat ausgegeben werden. 

Dabei sind für jedes Balkenelement die 

Position und Abmessungen bekannt. Die 

Struktur kann somit als Volumenmodell im 

IGES-Format oder als diskretes STL-Modell 

berechnet und ausgegeben werden. Ein 

Volumenmodell kann z.B. für eine weiterführende 

Konstruktion oder die Integration 

in bestehende Bauteile herangezogen werden. 

Das exportierte STL-Modell eignet sich 

für die direkte Übergabe an die generative 

Fertigung. Bild 2 zeigt einen Prototyp einer 

optimierten Leichtbaustruktur für ein Unterkieferimplantat 

zunächst aus Kunststoff. 

Bild 2: 

Prototyp einer optimierten Leichtbaus 

truktur aus Kunststoff für ein Unterkieferimplantat 

7


Zusammenfassung 

Die vorgestellte Prozesskette zeigt die effektive 

Verknüpfung von CAE-Systemen 

(z.B. CAD- und Simulationssysteme) zur Konstruktion 

und Optimierung von filigranen 

offenporösen Strukturen mittels eigener 

Softwarebibliotheken. Durch den Export 

der optimierten Struktur eignet sich dieser 

Prozess für die direkte Anbindung an die 

generative Fertigung. Aufgrund der Festigkeits- 

und Steifigkeitsoptimierung können 

diese Strukturen einer Verwendung in Maschinenbauteilen 

oder Medizinprodukten, 

die einer Belastung unterworfen sind, zugeführt 

werden. In Bezug auf die immense 

Datenmenge wurde der Umgang mit den 

Strukturen durch eine schichtweise Verarbeitung 

vereinfacht beziehungsweise sogar 

erst ermöglicht. 

Prof. Dr.-Ing. habil. Ralph Stelzer 

Dr.-Ing. habil. Christine Schöne 

Dipl.-Ing. Philipp Sembdner 

Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion 

Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD 

Technische Universität Dresden 

Der Integrated Function Modelling (IFM) Framework 

Unterstützung interdisziplinärer Konzeptentwicklung durch integrierte Funktionsmodellierung 

Zunehmender Wettbewerb auf globalen 

Märkten, stetig wandelnde Anforderungen 

und Wünsche von Kunden, sowie neue 

Technologien, Umwelt- und Sicherheitsbestimmungen, 

fordern eine kontinuierliche 

Weiterentwicklung von Produkten. Dies erfolgt 

unter anderem durch Erweiterung und 

Ausdifferenzierung von Produktfunktionalitäten, 

sowie Ergänzung der angebotenen 

Leistungspalette um Service-Angebote in 

Kombination mit entwickelten Produkten 

in Form von Produkt/Service Systemen 

(PSS). Funktionserweiterung und Service- 

Integration erfordern dabei insbesondere 

in der Konzeptphase die Disziplinen-übergreifende 

Zusammenarbeit zwischen unterschiedlichen 

Entwicklungsbereichen. In 

der Konzeptentwicklungsphase erfolgen 

die Definition zentraler Funktionen sowie 

die Auswahl von Lösungsprinzipien. Sie 

ist somit prägend für die Merkmale des 

späteren Produktes oder PSS. Entwicklungsmethodiken 

schlagen typischerweise 

Funktionsmodellierung zur Unterstützung 

des Überganges von Anforderungen zu 

möglichen Lösungskonzepten vor und auch 

in der industriellen Praxis finden Funktionsmodelle 

vermehrt Einsatz. Interdisziplinäre 

Entwicklungsvorhaben stellen Unternehmen 

dabei vor die Herausforderung, eine 

Vielzahl Disziplinen-übergreifender, stark 

vernetzter Funktionen, beispielsweise in 

der Entwicklung mechatronischer Systemen 

oder PSS, effizient zu spezifizieren und modellieren. 

Diversität von Funktionsmodellierung 

Klassische Funktionsmodellierungsansätze 

im Maschinenbau betrachten Funktion 

typischerweise als ein gewünschtes oder 

bereits existentes Verhalten eines Systems. 

8 

Funktionen werden darin verbreitet durch 

Verb/Nomen Kombinationen bezogen auf 

eine Transformation von Operanden (typischerweise 

Materialien, Energie oder Signale) 

beschrieben. Die Repräsentation ist 

strukturiert durch die Flüsse von Operanden 

und zugehörigen technischen Transformationsprozessen. 

Darüber hinaus finden sich in 

Literatur und Praxis jedoch eine Reihe unterschiedlichster 

Funktionsmodelle in den verschiedenen 

Disziplinen. Eine Verknüpfung 

der Disziplinen-spezifischen Modellierungsansätze 

wird dabei durch abweichende Inhalte 

und unterschiedliche Morphologie 

(Struktur und semantische Verknüpfungen 

von Inhalten) behindert. 

Inhalte von Funktionsmodellierung in 

verschiedenen Disziplinen sind neben 

technischen Transformationsprozessen 

vor allem Anwendungsfälle, Interaktionsprozesse 

zwischen Akteuren in der Funktionserfüllung, 

menschliche Aktivitäten 

oder Prozesse, Zustände und Zustandsänderungen 

von Operanden oder Akteuren, 

sowie physiochemische Effekte. Akteure 

können technische Systeme (z.B. Artefakte, 

Module, Komponenten, etc.), biologische 

Systeme (beispielsweise Menschen) oder 

Einflüsse aus der Umwelt des betrachteten 

Systems sein. Akteure fungieren als Funktionsträger, 

die durch die Bereitstellung von 

physiochemischen Effekten, allein oder in Interaktion 

mit anderen Akteuren, geforderte 

Transformationsprozesse ermöglichen. Es 

zeigt sich, dass Flüsse von Transformationsprozessen 

Disziplinen-übergreifend zentral 

in der Funktionsmodellierung sind. In verschiedenen 

Disziplinen sind diese jedoch 

jeweils mit weiteren Inhalten kombiniert. 

Im Zuge eines laufenden Forschungsprojektes 

an der Universität Luxembourg 

wurde ein Funktionsmodellierungsansatz 

entwickelt, der die unterschiedlichen Inhalte 

modular verknüpft, um gemeinsame 

Funktionsmodellierung Disziplinen-übergreifend 

zu unterstützen: der Integrated 

Function Modelling (IFM) Framework. 

Integrated Function Modelling (IFM) 

Framework 

Der IFM Frameworks basiert auf umfangreichen 

Literaturstudien, sowie empirischer 

Forschung mit industriellen Partnern aus Automobilentwicklung, 

Anlagenbau, Luft- und 

Raumfahrttechnik, sowie Telekommunikationstechnik. 

Der IFM Framework besteht aus 

sechs Sichten: Process flow view, State view, 

Actor view, Use Case/Process Dependency 

(UPD) view, Effect view und Interaction 

view. Die verschiedenen Sichten repräsentieren 

die unterschiedlichen Inhalte, sowie 

deren Abhängigkeiten, die in Funktionsmodellen 

aus verschiedenen Disziplinen repräsentiert 

werden. Aufbau und Darstellung 

der einzelnen Sichten ist Matrix-basiert, um 

eine anschauliche, klar strukturierte Darstellung 

von Inhalten und Abhängigkeiten 

zu ermöglichen. Die Kombination der unterschiedlichen 

Sichten ermöglicht einen 

ganzheitlichen Blick auf die Funktionalität 

eines Systems. Die Disziplinen-übergreifenden 

zentralen Transformationsprozesse 

(sowohl technischer als auch menschlicher 

Natur) und Interaktionsprozesse sind im 

Process flow view dargestellt, der zentral innerhalb 

des Frameworks angeordnet ist. Die 

übrigen Sichten sind um diese zentrale Sicht 

herum gruppiert (Bild 1). 

Die Process flow view repräsentiert den sequentiellen 

oder parallelen zeitlichen Fluss 

von einzelnen Prozessen bezogen auf einen 

bestimmten Einsatzfall des betrachteten 

Systems. Neben dem rein zeitlichen Ver-


lauf von Prozessen können diese auch mit 

Flüssen von Operanden, simultan zu den 

klassischen Funktionsmodellen aus dem 

Maschinenbau kombiniert werden. Hierzu 

wird die Process flow view mit der State 

view kombiniert. 

Die State view repräsentiert die Zustände 

von Operanden und Akteuren, sowie deren 

jeweiligen sequentiellen Änderungen im 

Verlauf eines Prozessflusses. 

Die Actor view ermöglicht die direkte Zuweisung 

von (multiplen) Akteuren zu einzelnen 

Prozessen in der Process flow view. 

Die Actor view repräsentiert damit, welche 

Akteure – allein oder in Kombination mit 

anderen – in die Erfüllung der jeweiligen, 

geforderten Prozesse und Anwendungsfälle 

involviert sind und diese umsetzen. 

Die UPD view repräsentiert, welche individuellen 

Prozesse aus der Process flow view 

in die verschiedenen Einsatzfälle des Systems 

involviert sind. Die Sicht ermöglicht 

somit die Analyse von Abhängigkeiten zwischen 

verschiedenen Einsatzfällen, die sich 

aus einer etwaigen Wiederverwendung von 

einzelnen Prozessen ergeben und die die 

parallele oder sequentielle Ausführbarkeit 

der Einsatzfälle beeinflussen können. 

Die Effect view repräsentiert die physiochemischen 

Effekte, die nötig sind, um einzelne 

Prozesse zu ermöglichen. Diese Sicht 

erlaubt somit eine detaillierte Betrachtung 

und Analyse einzelner Prozesse. 

State view 

ACTORS OPERANDS 

Interaction view 

USE CASES 

ACTORS 

OPERANDS 

Bild 1: 

UPD view 

Process flow 

view 

PROCESSES 

Actor view 

Die Interaction view stellt die direkten bilateralen 

Abhängigkeiten, Verknüpfungen 

bzw. Beeinflussungen zwischen verschiedenen 

Akteuren und Operanden, sowie untereinander, 

in der Erfüllung von Prozessen 

und Einsatzfällen dar. 

Die unterschiedlichen Sichten im IFM Framework 

sind direkt über ihre Matrix-Struktur 

miteinander verknüpft, so dass Inhalte 

einzelner Sichten direkt mit Inhalten benachbarter 

Sichten verlinkt sind. Parallele 

Modellierung in einzelnen Sichten kann direkt 

mit einer internen Konsistenzprüfung 

kombiniert und unterstützt werden. 

Kontext-spezifische Anwendung 

Abhängig vom speziellen Entwicklungskontext 

und involvierten Disziplinen können 

unterschiedliche Inhalte relevant sein. 

Durch die klare Aufteilung des IFM Frameworks 

in unterschiedliche Sichten soll bedarfsgerechte 

Adaption ermöglicht werden: 

Einzelne Sichten können je nach Bedarf, das 

bedeutet je nachdem, ob einzelne Inhalte 

und Abhängigkeiten in einem konkreten 

Entwicklungsprojekt betrachtet werden 

sollen, flexibel zugefügt oder weggelassen 

werden. Dadurch können Modellierungsaufwand 

und -komplexität an den konkreten 

Bedarf angepasst werden. 

In der Anwendung des IFM Frameworks 

können Entwickler ausgehend von einer 

Anforderungsbeschreibung zu einer detaillierten 

Repräsentation des Systems auf 

funktionaler Ebene gelangen. Die einzelnen 

Sichten werden dabei in der Annäherung an 

eine mögliche Lösung iterativ erweitert und 

Integrated Function Modelling Framework 

Effect view 

detailliert. Die Zuordnung der unterschiedlichen 

Akteure, welche die gewünschten 

Funktionalitäten umsetzen sollen, stellt den 

Übergang zu einem möglichen Lösungskonzept 

dar. Die Darstellung von gegenseitigen 

Abhängigkeiten und Einflüssen von 

Akteuren und Operanden in der Interaction 

view resultiert in einer ersten Systemstruktur 

und ermöglicht die Verknüpfung von 

einer funktionalen Systembetrachtung 

mit Modellierungsansätzen aus späteren 

Entwicklungsphasen. Es wird somit eine 

Nachvollziehbarkeit der Lösungsfindung 

ausgehend von den Anforderungen bis zur 

Zuordnung von Lösungselementen und 

Spezifikation der jeweiligen Abhängigkeiten 

unterstützt. 

Die Matrix-basierte Repräsentation im IFM 

Framework erlaubt die Anwendung etablierter 

Analyseverfahren für Design Structure 

Matrizen (DSM). Ein Beispiel ist die 

zuvor erwähnte Konsistenz- und Konfliktanalyse 

innerhalb und zwischen einzelner 

Matrizen. Aufgrund dieser Möglichkeiten 

unterstützt der IFM Framework insbesondere 

die funktionale Analyse von Systemen 

im Änderungsfall. Beispielsweise können 

die Auswirkungen von Änderungen an 

einzelnen Komponenten auf die Erfüllung 

von gewünschten Prozessen und Anwendungsfällen, 

denen sie zugeordnet sind, 

zurückverfolgt werden und umgekehrt. 

Dadurch können Änderungsumfänge und 

–aufwände an einzelnen Komponenten, 

beispielsweise im Zuge einer Angebotserstellung, 

schnell abgeschätzt werden. 

Ausblick 

Der IFM Framework wurde in Kooperation 

mit akademischen Partnern, sowie Unternehmen 

aus unterschiedlichen Branchen 

evaluiert. Im nächsten Schritt soll der Framework 

in einer Software implementiert 

werden, um die praktische Anwendung und 

weitere Forschungsarbeiten zu interdisziplinärer 

Funktionsmodellierung zu unterstützen. 

Die Forschung zur Entwicklung des IFM 

Frameworks wurde vom nationalen Forschungsfonds 

Luxembourg (Fonds Nationale 

de la Recherche – FNR) gefördert. 

Prof. Dr.-Ing. Luciënne Blessing 

Dipl.-Ing. Boris Eisenbart 

Dr.-Ing. Kilian Gericke 

Forschungsgruppe Entwicklungsmethodik 

Universität Luxembourg 

9


Untersuchung von Mehrphasenströmungen unter künstlichen 

Tiefseebedingungen im Spezial-Drucklabor 

Mit dem Untergang der Ölbohrplattform 

„Deepwater Horizon“ (DWH) im Golf von 

Mexiko im April 2010 und dem folgenden 

massiven Ölaustritt in 1500 m Wassertiefe 

verzeichnete die Geschichte erstmals eine 

Ölpest, die sich größtenteils unterhalb der 

Wasseroberfläche abspielte. Der ausgetretene 

Strom aus Öl und Gas verteilte sich in 

großen Schwaden aus mit der Zeit immer 

feiner zerstäubten Öltröpfchen und Gasbläschen 

in der Wassersäule. Zu Vorhersage 

und Rückvergleich (fore-, hind- und nowcast) 

der Ausbreitung solcher Schwaden 

existieren numerische Modelle, die jedoch 

aufgrund des noch weitgehend unerforschten 

Partikelverhaltens von Kohlenwasserstoffen 

unter Tiefseebedingungen recht 

ungenau sind. An der TU Hamburg-Harburg 

wird daher genau dieses Partikelverhalten 

in Mehrphasenströmungen unter künstlichen 

Tiefseebedingungen expe-rimentell 

erforscht. Hierfür wird im Labor ein skalierter 

Jet erzeugt und analysiert (s. Bild 1). 

VERSUCHSPLATTFORM 

Für diese Versuche wird das Drucklabor DL 

2 des Instituts für Produktentwicklung und 

Konstruktionstechnik (PKT) an der TUHH genutzt. 

Mit einem maximalen Betriebsdruck 

von 550 bar (entspricht 5500 m Wassertiefe) 

und einem Volumen von 100 l schließt das 

DL2 die Lücke zwischen in der chemischen 

und verfahrenstechni-schen Forschung gebräuchlichen 

Kleinstautoklaven („Sichtzellen“) 

und industriellen Großautoklaven mit 

meh-reren Kubikmetern Rauminhalt. 

Das DL 2 besteht im Kern aus einem Stahlzylinder 

als Druckbehälter, in dem die Experimente 

in speziell entwickelten Modulen 

ablaufen. Verschiedene hydraulische, elektrische, 

mechanische und optische Zugänge 

in Boden und Deckel dienen als standardisierte 

Schnittstellen und ermöglichen eine 

individuelle Anpassung des Drucklabors 

an unterschiedliche Testszenarien sowie 

den Anschluss weiterer unterstützender 

Druckaggregate. Die Druckerzeugung und 

-regelung erfolgt durch pneumatisch angetriebene 

Kolbenpumpen. Da diese nur 

für den Betrieb mit Leitungswasser ausgelegt 

sind, wird für die Durchführung von 

Versuchen im Inneren des DL 2 und der 

Hilfsaggregate ein separates Testvolumen 

abgetrennt, auf das der Druck mittels einer 

flexiblen Membran übertragen wird. Diese 

Kapselung unterstützt die Flexibilität der 

Anlage für Anwendungen in unterschiedlichen 

Forschungsbereichen und ermöglicht 

die Umsetzung eines Plattformkonzeptes 

bei der Entwicklung neuer Versuchsmodule. 

Bild 1: 

Original-Jet im Golf von Mexiko (li), 

skalierter Gas-Jet im Drucklabor (re) 

EXPERIMENTELLES VORGEHEN 

Bei der Untersuchung der Dynamik von 

Kohlenwasserstoffen in Mehrphasenströmungen 

erfolgt in drei Phasen, die sich in 

Versuchsaufbau widerspiegeln. Zunächst 

werden die Aufstiegsgeschwindigkeiten 

von Einzelpartikeln (Phase I) untersucht, 

anschließend durch ein Endoskop Partikelgrößenverteilungen 

und Schwarmgeschwindigkeiten 

von einphasigen (Phase 

II) und mehrphasigen Öl-Gas-Wasser-Jets 

(Phase III). Der Versuchsaufbau für die ersten 

beiden Phasen („Jet-Modul“) ist in Bild 2 dargestellt. 

Der Volumenstrom zur Erzeugung 

eines Kohlenwasserstoff-Jets wird dabei in 

einem geschlossenen Kreislauf generiert, so 

dass der Druck im Versuchsraum konstant 

bleibt. 

Gleichgangzylinder 

S2 

Phase II 

Drucktank für Lagerung und Transfer 

der Testmedien 

Leitungswasser 

Thermometer 

Absperrventil 

Durchflussmesser 

Druckminderer 

Flüssigkeitsabscheider 

Kamera mit 

Umlenkspiegel 

Modul mit 

Seewasser 

Drossel 

verstellbare 

Düse 

LED-Panel 

Endoskop 

Heizung 

thermische 

Isolierung 

S1 

CH 4 

Phase I 

Bild 2: Prinzipskizze (li) und 3D-Modell (re) des Jet-Moduls im Drucklabor DL 2 

AUSBLICK 

Nach Abschluss der jetzigen Testreihen 

sollen die Untersuchungen auf den Massentransfer 

zwischen Kohlen-wasserstoffen 

und umgebendem Seewasser ausgeweitet 

werden, ein Versuchsmodul dazu ist in 

Planung. Bei diesem Modul wie bei allen 

anderen Modulen besteht das übergeordnete 

Ziel in der Entwicklung einer flexiblen 

Spezial-Versuchsplattform für interdisziplinäre 

Anwendungen unter Hochdruck von 

Meerestechnik über Verfahrenstechnik bis 

Strukturmechanik. Dieser Gedanke fügt sich 

in das Profil des PKT als Spezialist für die Entwicklung 

von Sonderprüfständen ein. 

Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause 

M.Sc. Karen Malone 

Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik 

(PKT) 

TU Hamburg-Harburg (TUHH) 

10


Methodische Entwicklung, Synthese und Analyse im Bereich 

innovativer Antriebssysteme 

Systemischer Modellierungsansatz im Kontext X-in-the-Loop 

Moderne Produktentstehungsprozesse sind 

dadurch gekennzeichnet, eine hohe Anzahl 

an Aktivitäten, Methoden und Ressourcen 

zu integrieren. Für eine erfolgreiche Produktentwicklung 

müssen Grundlagen in 

frühen Phasen geschaffen werden. Dabei 

setzten sich Entwickler mit dem Anstieg 

der Systemkomplexität, zunehmenden 

Anforderungen, steigende Variantenvielfalt 

und Individualisierung auseinander. Einen 

strukturierten Umgang zur Beschreibung 

der Produktentstehung liefert dabei das 

„ZHO-Modell“. Gestützt auf die am IPEK 

entwickelten Grundhypothesen der Produktentstehung, 

veranschaulicht dieses 

Modell die Produktentwicklung als kontinuierliche 

Interaktion zwischen drei miteinander 

wechselwirkenden Systemen. 

„Basierend auf der Systemtheorie, kann 

die Produktentwicklung als Transfer eines 

Zielsystems (Z) durch ein Handlungssystem 

(H) in ein konkretes Objektsystem (O) 

beschrieben werden“ (Albers, A., Handbuch 

Leichtbau, Hanser Verlag 2011). Das Zielsystem 

(Sollzustand) umfasst mehrere Ziele 

und deren Beziehungen zueinander. Das 

Handlungssystem ist ein soziotechnisches 

System, das strukturierte und vernetzte 

Aktivitäten für die Transformation zwischen 

dem Ziel- und Objektsystem durchführt. Das 

Objektsystem (Istzustand) beinhaltet die 

Ergebnisse und Dokumente, die als Teillösungen 

während des Entstehungsprozesses 

anfallen. Mit Hilfe dieses Modells können 

die einzelnen Phasen / Aktivitäten im Produktentstehungsprozess 

(PEP) detailliert 

beschrieben werden. 

Dieses Systemtripel dient als Gerüst für die 

Methodik der integrierten Produktentstehung. 

Es beinhaltet eine prozessbegleitende 

Validierung und unterstützt durchgängig 

die Synthese und Analyse technischer 

Systeme. In der Forschung findet diese 

Systematik u.a. Einsatz im Bereich der Entwicklung 

innovativer Antriebssysteme und 

Komponenten. Diese basiert auf interdisziplinärer 

Zusammenarbeit, wobei u.a. 

software-basierte Methoden und Prozesse 

bei der Lösung dieser Herausforderungen 

effektiv und sicher unterstützen. 

Information Mitarbeiter Kapital Material Energie 

Bild 1: 

speichert 

Ziele 

Ziele 

Ziele 

ZHO-System 

Handlungssystem 

Zielsetzung 

Transformiert Ziele in Objekte 

Validiert Zielerreichungsgrad 

Produktentwicklungssystem 

Bild 2: IPEK X-in-the-Loop Validierungsumgebung 

Objekte 

Objekte 

Zielsystem 

Objektsystem 

speichert 

Ergebnisse 

Produkt 

X-in-the-Loop Validierungsumgebung 

Zentrale Aktivität in der Produktentwicklung 

ist eine frühzeitige und effiziente 

Validierung. Dies ist notwendig für eine 

konsequente Weiterentwicklung und 

Überprüfung des (inertialen) Zielsystems. 

Die konsequente und kontinuierliche Validierung 

vom Beginn des PEPs bis zum 

SOP („start of production“), unterstützt 

somit den Erfolg des Produktes durch den 

kontinuierlichen Abgleich von Ziel- und 

Objektsystem. Durch diese Aktivität wird 

zum einen identifiziert, ob das Produkt die 

angedachten Funktionen und Kundenerwartungen 

erfüllt, zum anderen wird Wissen 

für weitere Ziele und Einschränkungen 

gemäß dem ZHO-Modell generiert. Ein 

systematisches Vorgehen für diese konkrete 

Entwicklung eines Produkts bietet die 

X-in-the-Loop (XiL) Validierungsumgebung. 

Hierdurch werden schon frühzeitig in der 

Produktentstehung Validierungsergebnisse 

generiert („frontloading“). Dazu gehören 

beispielsweise der Erfüllungsgrad der Ziele 

und Spezifikationen, unter Berücksichtig 

von Reifegrad und Randbedingungen. Die 

XiL-Methodik unterstützt die Entwicklung 

moderner komplexer Produkte, durch die 

intelligente Kopplung von virtueller und 

physischer Modellbildung und die konsequente 

Betrachtung des Produktes – als zu 

entwickelndes neues technisches System 

– im Kontext des mitmodellierten Übersystems. 

Das IPEK (Institut für Produktentwicklung) 

erforscht dieses Konzept am Beispiel 

der konkreten Entwicklung von Fahrzeugen 

als CPS (Cyber-physisches System) und 

11


Bild 3: 

Ihrer Teilsysteme. Die XiL-Methode ist dabei 

natürlich auf alle anderen Produktarten 

übertragbar. 

Durch die in Bild 2 dargestellte X-in-the- 

Loop Validierungsumgebung, wird eine 

durchgängige und prozessbegleitende 

Validierung, vom Wirkflächenpaar („WSPin-the-Loop“) 

über das Subsystem bis hin 

zum Gesamtfahrzeug („Vehicle-in-theloop“) 

ermöglicht. Dies geschieht unter 

permanenter Einbeziehung von Fahrer und 

Umwelt unter Nutzung entsprechender 

Manöver und Testfälle abhängig vom 

Anwendungsfall. Das X repräsentiert hierbei 

das System Under Development (SUD), 

welches ein physisches und / oder virtuelles 

(Teil-) System sein kann. Das SUD wird dabei 

von dem Restfahrzeugmodell, sowohl virtuell 

als auch physisch, in dem jeweils benötigten 

Detaillierungsgrad vervollständigt. 

Ausgehend von diesem Forschungsansatz, 

können Untersuchungen von definierten 

Eigenschaften und Funktionen zum 

Erkenntnisgewinn im Produktentstehungsprozess 

beitragen. Abhängig von dem zu 

untersuchenden System, werden physische 

Tests auf verschiedenen Prüfständen, Simulationen 

oder eine Kombination aus beidem 

im Sinne der XiL-Methodik durchgeführt. 

Die Anforderung an entsprechende Validierungs-/ 

Entwicklungsumgebungen ist hierbei 

reproduzierbare Untersuchungen und 

Bedingungen zu gewährleisten. 

Wissenschaftlicher Ansatz für die 

Entwicklungspraxis 

Bild 3 zeigt ein ZHO-System mit entsprechenden 

Anforderungen, Ressourcen und 

12 

ZHO-System im Kontext X-in-the-Loop 

Möglichkeiten des Handlungssystems im 

Kontext der XiL-Methodik. Der Auszug eines 

Fahrzeugentwicklungsprozesses zeigt, ausgehend 

von Kunden / Managementanforderungen 

im Zielsystem sowie Methoden 

im Handlungssystem die Unterstützung des 

Entwicklers bei der Realisierung des finalen 

Produktes. Das Handlungssystem integriert 

dabei verschiedene XiL-Prüfstände, 

Mess- und Bewertungsmöglichkeiten 

(Assessment) sowie Parameterstudien zum 

Erkenntnisgewinn und zur Weiterentwicklung 

des Produktes. 

Die Leistungsfähigkeit im Bereich der rechnergestützten 

Fahrzeugentwicklung nimmt 

stetig zu, dennoch sind physische Tests im 

Produktentstehungsprozess unerlässlich. 

Eine praxisnahe Möglichkeit bietet hierbei 

die im Bild 3 gezeigte Vehicle-in-the-Loop 

Ebene am Akustikrollenprüfstand des IPEK. 

Hier wird das physische Gesamtfahrzeug 

auf dem Prüfstand betrieben. Es kann ein 

menschlicher Fahrer oder ein Fahrer mittels 

Fahrroboter und Rechnerunterstützung 

integriert werden. Durch geeignete Methoden 

kann ein Umweltmodell hinzusimuliert 

werden. Hierrunter fallen Klima und 

Umgebungsmodelle wie Verkehr und Straßentopologien. 

Zusätzlich kann auch die 

Car-to-Car und Car-to-X Kommunikation im 

Sinne des Fahrzeuges als CPS mit gemischt 

physischer und simulativer Modellbildung 

eingebunden werden. Mit diesem Ansatz 

ist es möglich z.B. aus einer Manöverbibliothek 

individuelle oder vorgeschriebene 

Fahrzyklen von Straßenmessungen in die 

Testumgebung zu verlagern. Ausgehend 

von den Manövern können somit reproduzierbare 

und vergleichbare Messungen auf 

dem Fahrzeug-Rollenprüfstand durchgeführt 

werden. Vorteil ist dabei die schnelle 

Modifikation von Fahrzeug und Umgebungsbedingungen. 

Dadurch können z.B. 

Verbrauchsmessungen, Betriebsstrategien 

und Schwingungsverhalten in definierten 

Betriebspunkten, in Abhängigkeit von 

sich ändernden Umgebungseinflüssen 

und Fahrwiderständen, analysiert werden. 

Durch die Aufzeichnung physikalischer 

Kennwerte, kann eine entsprechende Beurteilung 

und Validierung des Fahrzeugverhaltens 

erfolgen. Diese hohe Flexibilität 

der XiL-Validierungsumgebung ermöglicht 

eine zeiteffiziente Entwicklung. Neben 

den Fahrbarkeitsuntersuchungen auf dem 

Vehicle-in-the-Loop Prüfstand ist dieser 

methodische Ansatz auch auf weitere XiL- 

Konfigurationen übertragbar. Erwähnt sei 

hier beispielsweise Powertrain-in-the-Loop 

basierend auf dem IPEK Antriebsstrangprüfstand. 

Die Arbeit gemäß der XiL-Methodik 

bietet große Vorteile im Bereich des Determinismus 

/ Reproduzierbarkeit von Messungen 

sowie der durchgängigen Analyse 

von Messversuchen. 

Nutzen und Ausblick 

Durch ein strukturiertes Vorgehen im 

Bereich der integrierten Produktentwicklung 

können effiziente und sichere Prozesse 

realisiert werden. Mit dem auf der 

Systemtheorie basierenden ZHO-Modell 

lässt sich der Produktentwicklungsprozess 

strukturiert darstellen. Dabei umfasst die 

Produktentwicklung die kontinuierliche 

Spezifizierung des Zielsystems, den Aufbau 

eines effizienten Handlungssystems und 

die erfolgreiche Realisierung eines Objektsystems. 

Weiter kann durch den kontinuierlichen 

und durchgängigen Einsatz der 

XiL-Methodik eine entwicklungsbegleitende 

Validierung ermöglicht werden. Dadurch 

kann der Einfluss einer komponentenspezifischen 

Änderung, auf die Eigenschaften 

des Gesamtsystems, bereits in frühen Produktentstehungsphasen 

untersucht und 

bewertet werden. Eine entsprechende 

Validierungsumgebung ist notwendige 

Voraussetzung für eine frühe und qualitativ 

hochwertige Aussage über das zu entwickelnde 

Zielsystem und das darin definierte 

erfolgreiche Produkt. Künftig werden die 

Komplexität und die Variantenvielfalt im 

Bereich der innovativen Antriebssysteme 

weiter deutlich steigen. Hintergrund sind


u.a. zunehmende Anforderungen und Möglichkeiten 

im Bereich der Vibro-Akustik, 

Energieeffizienz, Material und Kosten sowie 

die konsequente Nutzung des Potentials 

einer Weiterentwicklung der Fahrzeuge 

hin zu cyber-physischen Systemen. Demnach 

lassen sich die Funktionalitäten von 

cPS-Produkten – und das sind u.a. zukünftige 

Fahrzeuglösungen – sicher nicht mehr 

vollständig in klassischen „Lastenheften“ 

definieren. Einen wesentlichen Beitrag zur 

erfolgreichen Lösung dieser Herausforderungen 

leistet die XiL-Methodik im Zusammenspiel 

mit dem Test-Based-Development 

(TBD). Weiter ist für die Entwicklung zukünftiger 

Produkte im Fahrzeug- und Maschinenbau 

die konsequenter Einbindung des 

Kunden (oder von Kundenmodellen) wichtig, 

um ein kontinuierliches Kunden-Feedback 

generieren und adaptieren zu können. 

Darauf basierend wird die XiL-Methodik 

zu einem Validierungs- und Entwicklungsframework 

erweitert, sodass die komplette 

Validierungsstrategie damit abgebildet 

werden kann. Somit können innovative und 

marktnahe Lösungen auch in der komplexen 

cPS-Welt entwickelt werden. 

o. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers 

Dr.-Ing. Matthias Behrendt 

Dipl.-Ing. Fabian Schille 

IPEK – Institut für Produktentwicklung 

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 

crashgerechter Leichtbau 

Vorgehen zur rechnerunterstützten Bauteilauslegung hochdynamisch belasteter Verbundstrukturen 

MoTIVATIoN 

Vor allem im Transportwesen führt der 

Rückgang natürlicher Ressourcen sowie 

die steigende Bedeutung des Nachhaltigkeitsgedankens 

zu einer zunehmenden 

Bedeutung des Themas Leichtbau. Gleichzeitig 

sehen sich im Fahrzeugbereich die 

Produktentwickler mit gestiegenen Sicherheitsansprüchen 

der Kunden konfrontiert. 

Dem daraus resultierenden Zielkonflikt 

einer crashgerechten und gleichermaßen 

leichten Struktur, sozusagen die Umsetzung 

des crashgerechten Leichtbaus, kann durch 

Einsatz moderner Verbundwerkstoffe, wie 

faserverstärkter Kunststoffe, begegnet werden. 

Eine Herausforderung stellt in diesem 

Zusammenhang jedoch die – heutzutage 

gängige – numerische Bauteilauslegung 

dar. Einerseits weisen Komponenten aus 

Bild 1: 

Ablauf der hochdynamischen Materialcharakterisierung 

Verbundwerkstoffen i. d. R. lokal variierende, 

richtungsabhängige Bauteileigenschaften 

auf, die sich als Resultat des Fertigungsprozesses 

ergeben. Andererseits ist bei der 

Bauteilauslegung zu beachten, dass das 

Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten von 

faserverstärkten Kunststoffen aufgrund des 

Polymeranteils in erheblichen Maße von der 

Belastungsgeschwindigkeit abhängt (Dehnratenabhängigkeit). 

Die hierfür benötigen 

hochdynamischen Werkstoffkennwerte sind 

aufgrund der notwendigen, aufwändigen 

Versuchstechnik jedoch in der Regel nicht 

bekannt. 

Bei der Auslegung crashbelasteter Verbundstrukturen 

steht der Produktentwickler 

demnach zwei Problemstellungen 

gegenüber. Es müssen geeignete hochdynamische 

Werkstoffkennwerte gewonnen 

und die prozessabhängigen Bauteileigenschaften 

adäquat berücksichtigt werden. 

Beide Themenkomplexe sind Forschungsschwerpunkte 

der Arbeitsgruppe Leichtbau 

des Lehrstuhls für Konstruktionstechnik 

(KTmfk) an der Friedrich-Alexander Universität 

Erlangen-Nürnberg (FAU). 

KENNWERTBESTIMMUNG UND –AUFBEREI- 

TUNG 

Für die Durchführung von hochdynamischen 

charakterisierungsversuchen 

haben sich spezielle hierfür entwickelte servohydraulische 

Prüfeinrichtungen bewährt. 

Am KTmfk wurde eine Maschine dieses Typs 

im Rahmen eines DFG-Großgeräteantrags 

beschafft. Die Prüfeinrichtung der Firma 

Zwick vom Typ HTM5020 ermöglicht die 

Durchführung von charakterisierungs- und 

Bauteilversuchen bei Geschwindigkeiten 

von bis zu 20 m/s (=72 km/h) und maximalen 

statisch-äquivalenten Lasten von 

50 kN. Die Prüflast wird maschinenseitig 

mittels Kraftmessdose erfasst. Die Wegbzw. 

räumliche Deformationsmessung 

erfolgt berührungslos nach dem Prinzip 

der Grauwertkorrelation. Bei diesem Verfahren 

werden die Probekörper mit einem 

statistischen Farbmuster versehen. Der 

Deformationsverlauf wird optisch mit zwei 

Hochgeschwindigkeitskameras erfasst, welche 

Bildwiederholraten von bis zu 750 kHz 

ermöglichen. Mithilfe der Auswerteroutine 

ARAMIS HHS der Firma GoM können die getätigten 

Zugversuche direkt in Spannungs- 

Dehnungsdiagramme überführt werden, 

welche eine essentielle Eingangsgröße für 

die Struktursimulation darstellen. 

Aufgrund des unterschiedlichen Ma- 

13


terialverhaltens bei Variation der 

Belastungsgeschwindigkeit ist das Spannungs-Dehnungsverhalten 

als Fläche im 

Raum zu interpretieren, welches als zusätzliche 

Eingangsgröße die Dehnrate enthält. 

Es ist deshalb ferner von einem dreidimensionalen 

Spannungs-Dehnungs-Dehnratendiagramm 

zu sprechen, welches anhand 

von charakterisierungsversuchen bei unterschiedlichen 

Belastungsgeschwindigkeiten 

abzuleiten ist. Das grundlegende Vorgehen 

zur Bestimmung des dehnratenabhängigen 

Werkstoffverhaltens ist in Bild 1 dargestellt. 

Bild 2: 

Prozessschritte der integrativen Auslegungsmethode des KTmfk 

INTEGRATIVE STRUKTURSIMULATIoN 

Die Berücksichtigung von fertigungsabhängigen 

Materialeigenschaften bei der 

Bauteilauslegung erfolgt mittels sogenannter 

integrativer Simulationsansätze. Dabei 

werden die lokalen Werkstoffeigenschaften 

durch eine Prozesssimulation quantifiziert 

und einer folgenden Struktursimulation 

übergeben. Seit mehreren Jahren beschäftigt 

sich der KTmfk intensiv mit der Auslegung 

kurzfaserverstärkter, im Spritzguss 

gefertigter Kunststoffbauteile. Im Rahmen 

dieser Forschungstätigkeiten ist eine Prozesskette 

zur Auslegung von Bauteilen 

dieser Werkstoffklasse entstanden. Im Folgenden 

wird ein Überblick über den mehrstufigen 

Auslegungsprozess gegeben. 

In einem ersten Schritt ist der vom Referenzlastfall 

abhängige relevante Dehnratenbereich 

zu bestimmen. Dazu ist das fokussierte 

crash-Szenario im Rahmen einer isotropen 

Simulation zu untersuchen und das Dehnratenniveau 

auszulesen. Auf Basis dieser 

Informationen können geeignete Abzugsgeschwindigkeiten 

für die hochdynamische 

Materialcharakterisierung festgelegt und 

das Spannungs-Dehnungs-Dehnratendiagramm 

erzeugt werden. Im Anschluss 

(Schritt 2) wird unter Einsatz von Methoden 

des Reverse-Engineering und mikromechanischen 

Modellen eine benutzerdefinierte 

Anzahl an Materialklassen für die FE-Simulation 

abgeleitet. Hierbei ist es entscheidend, 

dass die gewählte Materialbeschreibung die 

vielschichten Phänomene des Werkstoffverhaltens 

(Anisotropie, Dehnratenabhängigkeit, 

Nichtlinearität, usw.) wiedergibt. 

Der dritte Schritt umfasst die Bestimmung 

der lokal vorliegenden Faserausrichtungen 

und Steifigkeitsniveaus auf Grundlage von 

orientierungstensoren, welche mithilfe der 

Spritzgusssimulation bestimmt werden. Auf 

Basis dieser Daten können die jeweils geeigneten, 

vorher definierten Materialklassen 

ausgewählt und die lokalen orientierungen 

definiert werden. Abschließend (Schritt 4) 

ist der virtuelle Komponententest durchzuführen. 

Idealerweise erfolgt hierbei eine 

experimentelle Absicherung, beispielsweise 

in Form eines Fallturmversuchs. Das beschriebene 

Vorgehen ist zusammenfassend 

in Bild 2 dargestellt. Die Gegenüberstellung 

zwischen realem und virtuellem Bruchbild 

(vgl. Bild 2, Schritt 4) zeigt, dass realitätsnahe 

Versagensprognosen nur durch eine 

Berücksichtigung der prozessabhängigen 

Faserorientierung möglich sind. 

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, 

dass die beschriebene Auslegungsprozesskette 

auch für endlosfaserverstärkte Kunststoffe 

eingesetzt werden kann, es ist dabei 

lediglich die Spritzgusssimulation durch die 

jeweils geeignete Fertigungssimulation (z.B. 

Drapier- oder Imprägniersimulation) zu ersetzen. 

NUTZEN UND AUSBLIcK 

Das beschriebene methodische Vorgehen 

ermöglicht eine systematische Berücksichtigung 

der relevanten Bauteileigenschaften 

faserverstärkter Kunststoffe innerhalb 

der Struktursimulation. Die durchgängige, 

rechnerunterstützte Auslegungsprozesskette 

ermöglicht das Erzielen realitätsnaher 

und reproduzierbarer Analyseergebnisse. 

Anhand statischer Biegeversuche und 

hochdynamischer Fallturmversuche (vgl. 

Bild 2) konnte das beschriebene Vorgehen 

erfolgreich validiert werden. Neben der 

charakterisierung von kurzfaserverstärkten 

Kunststoffen beschäftigt sich der Lehrstuhl 

zukünftig auch mit der Analyse endlosfaserverstärkter 

Kunststoffe auf Basis von 

Kohlenstoff- sowie Basaltfasern. Weitere 

neue Erkenntnisse zum Verhalten von Verbundwerkstoffen 

werden durch die in der 

Beschaffung befindliche Temperierkammer 

möglich, welche Analysen im Bereich von 

-60°c bis 150°c erlaubt. 

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft 

(DFG) für die Förderung 

des Forschungsgroßgerätes INST 

90/750-1. 

Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack 

Dipl.-Ing. Georg Gruber 

Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) 

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- 

Nürnberg (FAU) 

14


Schaltroboter schaltet im automatisierten Prüfstandbetrieb 

wie ein Mensch 

Ein neu entwickelter Schaltroboter ermöglicht die gezielte Abbildung menschlichen Schaltverhaltens in spezifischen 

Prüfszenarien 

Prüfstände werden zur gezielten, modellhaften 

Untersuchung von Komponentenund 

Systemverhalten unter definierten 

Betriebsbedingungen eingesetzt. So wird 

beispielsweise auf dem Anstriebsstrangprüfstand 

des IPEK – Instituts für Produktentwicklung 

am Karlsruher Institut für 

Technologie (KIT) das Verhalten von Handschaltgetrieben 

in verschiedenen Belastungszuständen 

untersucht. Dazu wird ein 

Verbrennungsmotor von hochdynamischen 

E Maschinen mit entsprechenden Steuerungsmodellen 

simuliert und der Abtrieb, 

also der Fahrbahnkontakt mit Fahrkräften, 

von zwei weiteren Elektromotoren abgebildet. 

Dieses Vorgehen kombiniert – basierend 

auf dem Hardware-in-the-Loop-Ansatz 

(HiL) – physische und virtuelle Modelle und 

Prototypen (siehe Bild 1). Der darauf aufbauende 

X-in-the-Loop-Ansatz (XiL) des IPEK 

erlaubt die durchgängige Absicherung von 

Produkteigenschaften über weite Strecken 

der Produktentwicklung, unabhängig von 

rein physischen Gesamtsystemprototypen. 

Modellbildung des Schaltvorgangs 

Die Qualität dieser Validierung von Produkteigenschaften 

hängt von der Güte der 

verwendeten Modelle und deren Schnittstellen 

ab. Am Beispiel des Antriebsstrangprüfstands 

ist dies etwa die genannte 

Simulation des Verbrennungsmotors aber 

auch die Abbildung des Schaltvorgangs im 

Testlauf: Das Modell des Schaltvorgangs 

muss entsprechend der zu untersuchenden 

Fragestellung aufgebaut und durch 

geeignete Hardware am Prüfstand angewendet 

werden können. Prinzipiell ergeben 

sich dabei drei mögliche Modelle, die den 

Schaltvorgang auf unterschiedlichem Detaillierungsniveau 

beschreiben: 

a)Das Schalten wird als reines Wechseln 

einer Getriebeübersetzung betrachtet, 

ohne den eigentlichen Gangwechselvorgang 

weitergehend abzubilden. Hardwareseitig 

wäre dies problemlos mit 

einem Getriebeaktuator zur realisieren, 

der unmittelbar an der Schaltwelle angreift 

und unabhängig von Schaltknauf 

und Übertragungsstrecke einen Gangwechsel 

durchführt. 

b)Der Schaltvorgang wird als fahrerabhängiger 

Prozess betrachtet, der hinsichtlich 

verschiedener Schaltparameter beschrieben 

werden kann, z.B. hinsichtlich der 

Synchronisationskraft oder der Schaltgeschwindigkeit. 

Dabei soll die physische 

Übertragungsstrecke vom Schalknauf zum 

Getriebe erhalten bleiben. 

c)Das Schalten wird als vom Fahrer erlebte 

Interaktion mit einem Teil des Gesamtfahrzeugs 

angenommen, die hinsichtlich des 

Komfortempfindens implizit oder explizit 

bewertet wird. 

In den beiden Fällen b) und c) ist der Schaltvorgang 

Teil des untersuchten Fahrmanövers. 

Betrachtet man den Schaltvorgang als 

fahrerspezifischen und vom Fahrer erlebten 

Prozess, ist eine Aktuation am Getriebe nicht 

mehr praktikabel und ein Schaltroboter, der 

an dem realen Schaltgestänge angreift, wird 

erforderlich. Mit einer parametrierbaren 

Regelung sollen unterschiedlichste Verhaltensweisen 

zum Gangwechsel vorgegeben 

werden können, die verschiedene Fahrertypen 

repräsentieren. Hardwareseitig macht 

dies – zusätzlich zur Positionssensorik – eine 

Kraftmessung erforderlich, die unmittelbar 

am Schaltknauf angreift, um reale Schaltkräfte 

in die Regelung zu integrieren. 

Hardware des Schaltroboters 

Der neu entwickelte Schaltroboter ist auf 

die obigen Erfordernisse im Prüfstandbetrieb 

zugeschnitten. Im Zusammenspiel 

mit den kompakten Abmessungen und der 

hohen Ausgangsleistung stellt der Roboter 

eine einzigartige Entwicklung im Bereich 

von automatisiertem Gangschalten im 

Prüfstandsumfeld dar. Durch die verwindungssteife 

Parallelkinematik hat er auf 

mechanischer Ebene eine hohe Positioniergenauigkeit. 

Die geschlossene kinematische 

Kette besteht aus einer Basis, deren beide 

Arme aktiv angetrieben werden. Diese 

Arme werden über insgesamt drei passive 

Drehgelenke mit zwei zusätzlichen Verbindungselementen 

gekoppelt, wobei der sogenannte 

Tool-Center-Point (TCP) mittig im 

zentralen Gelenk liegt (siehe Bild 2). Der Arbeitsraum 

des TCP ergibt sich als ein Rechteck 

von 300mm x 250mm. In diesem Bereich 

kann ein konventionelles H-Schaltgetriebe 

frei positioniert werden. Der Antrieb der 

Kinematik erfolgt über zwei Servomotoren 

mit insgesamt 3 KW Leistung, deren Achsen 

normal zur Bewegungsebene ausgerichtet 

sind. Drehzahl und Drehmoment der 

Motoren werden mit spielfreien Harmonic-Drive-Getrieben 

auf die erforderlichen 

Werte gewandelt. Mit der 30-fachen Übersetzung 

der Getriebe lassen sich im vorgesehenen 

Arbeitsraum am Endeffektor Kräfte 

von bis zu 500 N bei Geschwindigkeiten von 

1,5 m/s und Beschleunigungen von 10 m/s² 

erreichen. Ein weiterer Motor ermöglicht die 

vertikale Bewegung des TCP, um die laterale 

Bewegung des Schaltknaufs auszugleichen. 

Basierend auf der beschriebenen Hardware 

sind verschiedene Regelungsalgorithmen 

implementiert, die unabhängig von dem 

restlichen Prüfstand auf der zentralen Steuereinheit 

des Schaltroboters laufen. Dabei 

existiert eine offene Schnittstelle zur Erweiterung 

der Robotersoftware um neue 

Regelungstypen, die ohne Anpassungen 

am Grundsystem integriert werden können. 

Die Anbindung an den Prüfstand ist durch 

einen CAN-Bus realisiert. Der Prüfstand teilt 

darüber mit, in welchen Gang als nächstes 

geschaltet und welche Schaltcharakteristik 

dafür verwendet werden soll. 

Der Weg zur Schaltcharakteristik 

Die Art und Weise, wie der Roboter den 

Gangwechsel vollziehen soll, definiert sich 

durch die dem Testlauf zu Grunde liegende 

Fragestellung. Hat die Art und Weise des 

Gangwechsels keinerlei Einfluss auf die 

Untersuchung, so kann der Roboter den 

Schaltvorgang beliebig ausführen. Wichtig 

ist dabei nur, dass nach dem Schaltvorgang 

wieder ein definierter Getriebezustand er- 

15


reicht wird. Sobald allerdings der Schaltvorgang 

selbst einen Einfluss auf den 

Untersuchungsgegenstand ausübt, muss 

der Roboter ein geeignetes Schaltmodell 

besitzen, das die Einstellung der relevanten 

Schaltparameter ermöglicht: Ist beispielsweise 

die maximale Synchronisationskraft 

ausschlaggebend für die Ergebnisse der Untersuchung, 

so muss der Schaltroboter ein 

Regelungsmodell erhalten, das die Auswahl 

verschiedener Synchronisationskräfte ermöglicht. 

Als Basis zur Ermittlung des möglichen 

Varianzbereichs der auftretenden 

Kräfte können Feldversuche mit Realfahrern 

dienen. 

Die Entwicklung und Implementierung von 

Schaltcharakteristika ist also immer eine 

Abstimmung zwischen dem eigentlichen 

Ziel des Testlaufs, dem Einfluss spezifischer 

Schalteigenschaften und der Ableitung von 

Parametern und Regelgrößen aus realen 

Fahrversuchen. Die Hardware des Schaltroboters 

legt dabei grundlegend fest, welche 

Eigenschaften und Parameter in welcher 

Ausprägung abgebildet werden können: 

Die maximal darstellbaren Schaltkräfte bei 

vorgegebenen Schaltgeschwindigkeiten 

ergeben sich etwa durch die Kennlinie der 

Bild 2: 

Sicht von oben auf den Schaltroboter 

und einen Teil des Antriebsstrangs. Die 

Motoren (schwarz) treiben die Kinematik 

an (rot), der TCP führt den innen 

liegenden Schaltknauf. 

verwendeten 

Servomotoren, 

in Kombination 

mit den Hebelverhältnissen 

der 

Parallelkinematik 

im jeweiligen 

Betriebspunkt. 

Die erreichbare 

Arbeitsraumabdeckung 

wird 

dabei ausschließlich 

durch die Roboterkinematik 

definiert. 

Bild 1: 

Modellbildung für einen Getriebetest nach dem XiL-Ansatz. Die 

Schnittstellen zwischen virtuellem Fahrerverhalten und physischem 

Teilsystem Getriebe bildet der Schaltroboter. 

Anwendungsspektrum 

des 

Schaltroboters 

Der Prüfstand-Schaltroboter ermöglicht es, 

verschiedenste Eigenschaften von Schaltvorgängen 

zu simulieren. Dazu gehört etwa 

das Freigeben des Schaltknaufs oder die Aktivierung 

einer Nullkraftregelung, sodass der 

Schaltknauf nach Einlegen des Gangs keine 

unnatürliche Last auf das Schaltgestänge 

ausübt. Natürlich kann auch gezielt der Einfluss 

von solchen Lasten abgebildet werden, 

um beispielsweise die Auswirkungen von 

vertikalen Kräften auf den Schaltvorgang zu 

untersuchen. Der Einlegevorgang kann rein 

weggesteuert, kraftgesteuert oder Kraft- 

Weg-gesteuert erfolgen, sodass gezielt vorgegebene 

Schaltgeschwindigkeiten oder 

Schaltkräfte abgebildet werden können. 

Durch eine intelligente Bahnplanung können 

variable Schaltwege realisiert werden, 

die sich – wie beim menschlichen Anwender 

– immer leicht voneinander unterscheiden 

und nicht identisch reproduziert werden. 

Auf diese Weise kann der Roboter Gänge 

schalten, ohne vorher exakte Gangpunkte 

einprogrammiert zu haben. Zudem wird 

so ein möglicher negativer Einfluss durch 

falsch eingestellte Gangpunkte ausgeschlossen. 

Alle Zustandsgrößen des Roboters, wie die 

aktuelle Schaltkraft oder Positionsdaten 

des TCP, können live via CAN-Bus an den 

Gesamtprüfstand übermittelt werden. 

Dadurch wird eine Zuordnung zwischen 

angewendetem Schaltverhalten und aufgenommenen 

Messwerten möglich, um gezielt 

die Einflüsse von verschiedenartigen 

Schaltvorgängen auf die Ergebnisse des 

Prüflaufs zu untersuchen. 

Der Schaltroboter ist ein Beitrag zur Abbildung 

realistischer Fahrereigenschaften im 

X-in-the-Loop Validierungsframework. Er 

ermöglicht die gezielte Durchführung von 

Prüfläufen mit Fahrmanövern, deren Ergebnisse 

von verschiedenen Schalteigenschaften 

abhängen oder auch von Prüfläufen, 

deren Fragestellung das Schaltverhalten 

betreffen. So bildet er einen wichtigen Baustein 

als Schnittstelle zwischen physischen 

und realen Validierungsmodellen im XiL. 


Dipl.-Ing. Tobias Pinner 



Vom Getriebeentwurf zur Getriebeauslegung 

Neue Funktionalität im Getriebeauslegungsprogramm der FVA bietet neue Möglichkeiten in der Getriebeauslegung 

Moderne Zahnradgetriebe sind interdisziplinäre 

Hightech-Produkte in mannigfaltigen 

Anwendungsgebieten von Kleinantrieben 

16 

in mikrotechnischen Aktoren bis hin zu 

Großgetrieben in Windkraftanlagen und 

Schiffen im Leistungsbereich mit mehrfachen 

Megawatt. Nur selten genügt hierbei 

eine akzeptable Tragfähigkeit bereits hinreichend 

den umfangreichen und diversen


Anforderungen, die an das Getriebe gestellt 

werden. Auf der anderen Seite muss der 

Entwicklungsprozess immer kürzer und flexibler 

werden um modernen Entwicklungstendenzen, 

z.B. Simultaneous Engineering 

und insgesamt verkürzten Entwicklungszeiten, 

Rechnung zu tragen. Eine gute Unterstützung 

bieten moderne Softwaretools, 

die zum einen schnell und flexibel einen 

Getriebeentwurf generieren, zum anderen 

Analysetools zur Verfügung stellen, um den 

Entwurf bezüglich eines vorhandenen Anpassungsbedarfs 

im Detail zu bewerten. 

Das Getriebeauslegungsprogramm (GAP) 

der FVA bietet eine allgemeine und flexible 

Methodik, um für einfache Getriebebauformen 

anhand gängiger Anforderungen 

schnell einen geometrisch konsistenten 

Entwurf zu erstellen. 

Das Hauptaugenmerk im GAP liegt auf der 

Dimensionierung der Verzahnungsnenngeometrie. 

Dazu benötigt der Benutzer Angaben 

zur zu übertragenden Leistung, welche 

für das Gesamtgetriebe definiert wird, zu 

Übersetzungen, Werkstoffdaten und die für 

eine ausreichende Tragfähigkeit erforderlichen 

Sicherheitswerte. 

Der gesamte Berechnungsumfang des GAP 

ist schematisch in Bild 1 dargestellt. 

Erstellung der Getriebestruktur 

Zu Beginn des Entwurfsprozesses mit dem 

GAP erstellt der Benutzer über einen grafischen 

Editor eine gewünschte Getriebestruktur. 

Diese kann aus Stirnrad- und 

Planetenstufen sowie einer Kegelradstufe in 

beliebiger Reihenfolge bestehen. Für reine 

Stirnradgetriebe kann das GAP, ausgehend 

von der gegebenen Gesamtübersetzung, 

automatisch einen Strukturvorschlag mit 

einer sinnvollen Anzahl an Stufen erstellen. 

Die Getriebestruktur ist auf einen Leistungspfad 

begrenzt, kann aber seit der Version 

4 über die einfache Aufreihung von Einzelstufen 

hinaus spezielle Strukturformen 

enthalten: Räderketten aus Stirnradstufen, 

Planetenstufen mit gemeinsamem Hohlrad 

und koaxiale zweistufige Stirnradgetriebe. 

Auslegung der Verzahnungen 

Ausgehend von der erstellten Getriebestruktur 

und den definierten Gesamtgetriebeleistungsdaten, 

also Eingangsdrehmoment 

und –drehzahl, berechnet das GAP automatisch 

die Drehmomente in den Einzelstufen. 

Anhand dieser Eingangsgröße wird 

unter Einbeziehung der Festigkeitswerte 

der zu verwendenden Werkstoffe, welcher 

aus einer Datenbank ausgewählt werden 

können, und der geforderten Sicherheiten 

eine geometrisch verträgliche Verzahnungsnenngeometrie 

dimensioniert. Im 

Unterschied zu den meisten anderen Auslegungstools 

beruht diese Auslegung auf 

einer direkten Berechnung der Geometriegrößen 

auf Basis inverser Normformeln 

der ISO 6336 und nicht auf einer iterativen 

Variationsrechnung bestimmter Parameter. 

Über individuell definierbare Verzahnungstypen 

kann der Benutzer vorhandenes 

Knowhow über den zukünftigen Einsatzzweck 

und die Eigenschaften des Getriebes 

direkt in die Dimensionierung mit einfließen 

lassen. Dadurch bietet das System die Möglichkeit, 

auch über Berechnungsmethoden 

hinaus die Erfahrungswerte des Konstrukteurs 

mit einzubeziehen. Ergänzend kann 

ein Entwurf auch über eine frei definierbare 

Zielfunktion automatisch optimiert werden. 

Zur Lösungssuche wird ein Simulated Annealing 

Algorithmus verwendet. 

Die Auslegung erfolgt grundsätzlich nach 

dem Kriterium der Tragfähigkeit. Wird die 

Geometrie durch den Benutzer angepasst, 

z.B. durch das Fixieren bestimmter Parameter 

auf einen gewünschten Wert, erfolgt automatisch 

eine Neudimensionierung unter 

Berücksichtigung der fixierten Werte. So 

wird, sofern noch genügend geometrische 

Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, stets 

ein tragfähiger Entwurf generiert. 

Schnittstellen zur weiteren Analyse 

Das GAP dimensioniert einen Entwurf für 

die Nennverzahnung einzelner Stufen in 

dem viele Anforderungen wie geometrische 

Restriktionen und Tragfähigkeitsanforderungen 

bereits berücksichtigt sind. Für eine 

detaillierte Analyse der Verzahnung bietet 

das Programm eine Schnittstelle zu den 

Normberechnungsprogrammen STplus (für 

Stirnradstufen) und KNplus (für Kegelradstufen). 

Außerdem kann ab der Version 4 das angebundene 

Getriebeberechnungsprogramm 

GEAS, sofern die Positionen der Stufen und 

Lager definiert sind, für statisch bestimmte 

Lagerungen eine Lagerkraftberechnung 

durchführen, um dem Benutzer einen Anhaltspunkt 

für die Dimensionierung der 

Lager bereitzustellen. 

Der gesamte Getriebeentwurf inklusive 

Wellen und Lager kann über eine neutrale 

Schnittstelle in die FVA-Workbench exportiert 

werden welche im größeren Umfang 

Möglichkeiten bietet Verzahnungen zu analysieren 

und weitere Detaillierung bis zur 

Feingeometrie vorzunehmen. 

Generell bietet das GAP eine einfache und 

flexible Möglichkeit einen konsistenten Initialentwurf 

für ein Zahnradgetriebe zu generieren, 

in den bereits viele Anforderungen 

eingeflossen sind. Die angebundenen Analyseprogramme 

bieten eine komfortable 

Möglichkeit bereits in frühen Phasen der 

Entwicklung viele Eigenschaften des Getriebes 

vorwegzunehmen und zu beeinflussen. 

Bild 1: 

Funktionsumfang des Getriebeauslegungsprogramms (GAP) 

Prof. Dr.-Ing. Stahl, Karsten 

Dr.-Ing. Otto, Michael 

Dipl.-Ing. Parlow, Jan 

Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau 

(FZG) 

Technische Universität München 

17


Stammdatenqualität als Erfolgsfaktor für den Produktentstehungsprozess 

Entwicklung von praxistauglichen Methoden und Instrumenten zur Verbesserung der Stammdaten- und Prozessqualität 

in KMU 

Viele Unternehmen sehen sich mit einer 

zunehmenden Individualisierung der Produkte 

bei gleichzeitig steigender Variantenvielfalt 

konfrontiert. Große Unternehmen 

können dies durch Nutzung von Baureihen, 

Baukästen, Plattformstrategien etc. abmildern. 

KMU dagegen haben aufgrund des 

kleineren Produktprogramms und fehlender 

Ressourcen diese Möglichkeiten i. d. R. nur 

in geringerem Maße, so dass diese sich mit 

der zunehmenden Variantenvielfalt und mit 

einem hohen Teilestammwachstum auseinandersetzen 

müssen. 

Diese Entwicklungen erhöhen die Relevanz 

der Stammdaten. Diese sind aber häufig – 

resultierend aus mangelnden technischen 

und organisatorischen Standards für ihre 

Anlage und Pflege – durch Unvollständigkeiten, 

Inkonsistenzen, Redundanzen und 

Ungenauigkeiten gekennzeichnet. Die 

Folge sind vielmals Effizienz- und Effektivitätsverluste 

in der Produktentwicklung 

und in den nachgelagerten Geschäftsprozessen. 

Stammdaten sind die Basis dieser 

Prozesse und zugleich die Voraussetzung 

für eine fehlerfreie Kommunikation zwischen 

den IT-Systemen; sie beschreiben die 

Geschäftsobjekte eines Unternehmens und 

sind für dieses strukturgebend. Mängel in 

der Stammdatenqualität spiegeln sich u. a. 

in einer eingeschränkten Verfügbar- und 

Verwendbarkeit relevanter Daten im Produktentstehungsprozess 

wider. 

In der Wissenschaft und Praxis liegen bereits 

Ansätze und Modelle zur Ausgestaltung 

eines Stammdatenmanagements vor. 

Schuh et al. leiteten daraus einen ordnungsrahmen 

ab, der die Gestaltungsebenen und 

Handlungsfelder zur Erstellung eines unternehmensweiten 

Stammdatenmanagementkonzepts 

in den Ebenen Strategie, 

organisation und IT-Struktur beschreibt. 

Für die konkrete unternehmensspezifische 

Ausgestaltung in KMU liegen jedoch noch 

keine praxiserprobten Methoden und Instrumente 

vor. An dieser Stelle setzt das 

aktuelle Verbundforschungsvorhaben eBEn 

– eBusiness-Engineering an. Im Rahmen 

der Förderinitiative „Geschäftsprozesse 

standardisieren, Erfolg sichern“ werden in 

Kooperation der beiden Professuren Konstruktionslehre 

sowie Unternehmensrechnung 

und controlling der Technischen 

Universität chemnitz mit den Projektpartnern 

der RKW Sachsen, Sachsen-Anhalt 

und Thüringen und der Terrot GmbH praxistaugliche 

Methoden und Instrumente 

zur Analyse (Diagnosebausteine) und 

Verbesserung der Stammdaten- und Prozessqualität 

(Synthesebausteine) in KMU 

entwickelt. Damit sollen KMU befähigt werden, 

eBusiness-Standards sowie ein wertschöpfungsorientiertes 

Stammdaten- und 

Geschäftsprozessmanagement abgestimmt 

auf die jeweils vorherrschenden Rahmenbedingungen 

gezielt zu gestalten und zu 

nutzen. 

ANALYSE – ENTWIcKLUNG – VALIDIERUNG 

Die Entwicklungsarbeiten im Verbundprojekt 

eBEn werden in drei Phasen realisiert 

(Bild 1). 

In der Analysephase wurde mittels branchenübergreifender 

Befragung von 140 

KMU in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen 

die Bedarfssituation zum Stammdaten- 

und Geschäftsprozessmanagement 

erfasst. Hier zeigte sich, dass über 30 % 

der KMU keine IT-Systeme und über 80 % 

keine technischen und organisatorischen 

Standards zur Identifizierung, Klassifizierung, 

Anlage, Pflege und Archivierung ihrer 

Stammdaten einsetzen. Hauptgründe dafür 

wurden von den befragten Unternehmen in 

den nicht oder nur sehr vage abschätzbaren 

Kosten und Nutzen von Stammdatenmanagement 

(über 30 %) und in mangelnden 

Informationen zu eBusiness-Standards (ca. 

25 %) gesehen. Insgesamt besteht ein erheblicher 

Bedarf hinsichtlich der Schaffung 

Bild 1: Methodischer Ansatz im Projekt eBEn Bild 2: Zyklus zur Analyse und Verbesserung der Stammdaten- und Prozessqualität 

in KMU 

18


von Transparenz über die Stammdaten- und 

Prozessqualität, deren Wechselbeziehungen 

untereinander sowie deren Auswirkungen 

auf die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens. 

Auf dieser Basis wurden für die Entwicklungsphase 

die Handlungsfelder Stammdaten, 

IT-Strukturen und Prozesse (Geschäfts- und 

Stammdatenprozesse)/organisation festgelegt. 

Im Rahmen der Handlungsfelder 

werden mit theoretisch-konzeptionellen 

Arbeiten Methoden und Instrumente zur 

Identifikation, Bewertung und Hebung von 

daten- und prozessbezogenen Verbesserungspotenzialen 

in KMU entwickelt. Das 

Labor für integrierte Produktentwicklung 

(IPE-Labor) stellt dazu mittels seiner integrierten 

und vernetzten Infrastruktur mit 

verschiedenen Datenpools eine geeignete 

Entwicklungsumgebung bereit. In der parallel 

ablaufenden Validierungsphase erfolgt 

in mehreren Entwicklungsschleifen die 

empirische Validierung und Verifizierung 

der Entwicklungsergebnisse. So werden im 

Rahmen von 30 Diagnoseprojekten professionelle 

Unternehmensberater aus einem 

Beraterpool eingesetzt und wissenschaftlich 

durch die TU chemnitz begleitet. Dabei stellen 

die Wissenschaftler den Beratern für die 

Bearbeitung von konkreten Teilaufgaben, 

wie z. B. die Analyse der Stammdatenqualität, 

ihre Entwicklungsergebnisse in Form 

von Bausteinen auf der Internetplattform 

www.eben-tuc.de zur Verfügung. Die Bausteine 

sind modular aufgebaut und umfassen 

Werkzeuge zu deren Anwendung, 

Handlungsanleitungen, Dokumentationsvorlagen 

und Fallbeispiele. Durch transferbegleitende 

Maßnahmen, wie regionale 

Arbeitskreise, sowie die wissenschaftliche 

Begleitung und Auswertung der Projekte 

werden die aus der Praxis stammenden 

(Weiter-)Entwicklungsanforderungen systematisch 

aufgegriffen. 

ZYKLUSMoDELL 

Die kontinuierliche Verbesserung der 

Stammdaten- und Prozessqualität in KMU 

wird in eBEn über einen zweistufigen Ansatz 

realisiert (Bild 2). 

In der Stufe Diagnose werden daten- und 

prozessbezogene Verbesserungspotenziale 

identifiziert, Maßnahmen zu deren 

Hebung generiert und diese hinsichtlich 

Nutzen und Kosten bewertet. Die Nutzenund 

Kostenbewertung bildet die Entscheidungsgrundlage 

für eine Priorisierung der 

Maßnahmen, die in der Stufe Synthese realisiert 

und verifiziert werden. Damit dies 

effizient und effektiv durchgeführt werden 

kann, wurde eine Diagnose-Methodik entwickelt, 

die sich in die vier Phasen Vorbereitung, 

Analyse, Konzeptentwicklung und 

Maßnahmenkonzept gliedert. Kernstück der 

Diagnose ist die Analyse. Im Rahmen einer 

Informationsflussanalyse werden die Ergebnisse 

einer Stammdaten-, IT- und Prozessanalyse 

zusammengeführt. Aus der daraus 

resultierenden Ist-Zustands-Beschreibung 

werden sowohl Verbesserungspotenziale 

abgeleitet als auch Ursache-Wirkungsbeziehungen 

aufgezeigt. Anschließend erfolgt 

in der Konzeptentwicklung die Erarbeitung 

und Priorisierung von konkreten Maßnahmen 

zur nachhaltigen Verbesserung der 

Stammdaten- und Prozessqualität, die in 

das Maßnahmenkonzept für die anschließende 

Synthese einfließen. In der Synthese 

werden die priorisierten Maßnahmen zuerst 

in ein Detailkonzept überführt und anschließend 

umgesetzt. Für die Verifizierung 

und nachhaltige Sicherung der Projektergebnisse 

erfolgt die Einführung von Kennzahlen 

zur Kontrolle der Stammdaten- und 

Prozessqualität. Hieraus leiten sich wiederum 

Ansatzpunkte für weiterführende Verbesserungen 

ab, so dass ein neuer Zyklus 

angestoßen wird. 

Bild 3: 

Vorgehen bei der Stammdatenanalyse und -verbesserung 

STAMMDATENANALYSE UND -VERBESSE- 

RUNG 

Im Rahmen der Stammdatenanalyse werden 

zur Identifizierung von datenbezogenen 

Verbesserungspotenzialen die Arbeitsschritte 

Stammdatensichtung, -aufbereitung 

und -qualitätsbewertung durchlaufen. 

Unter Einsatz von digitalen Werkzeugen 

und Vergleichsmaßstäben (z. B. existierende 

Klassifikationsstandards) werden die 

Stammdaten zuerst gesichtet, und für die 

Datenqualitätsbewertung aufbereitet. Dazu 

werden Analysekriterien wie Vollständigkeit, 

Konsistenz, Redundanz, Struktur etc. 

genutzt (Bild 3). Die sich daraus ergebenden 

Potenziale gehen in Verbindung mit den 

Ergebnissen der IT- und Prozessanalyse in 

die sich anschließende Konzeptentwicklung 

ein. Dort werden u. a. Lösungsansätze 

zur Verbesserung der Stammdatenqualität, 

wie z. B. die Klassierung und Klassifizierung 

erarbeitet, mit denen die Effizienz im Produktentstehungsprozess 

gesteigert werden 

kann. 

In allen bisherigen Diagnoseprojekten 

konnten insbesondere strukturelle Mängel 

19


sowie uneinheitliche Terminologien im Artikelstamm, 

resultierend u. a. aus fehlender 

Ordnung und Abgrenzung spezifischer 

Stammdatenobjekte (Klassifikation), nachgewiesen 

werden. Diese führen zu einer 

geringen Gleichteileverwendung verbunden 

mit einem überdurchschnittlichen 

Artikelstammdatenwachstum (z. T. >20 

% pro Jahr). Des Weiteren konnte im Rahmen 

der Stammdatenqualitätsbewertung 

jeweils ermittelt werden, dass die Qualität 

der Kauf- und Normteildaten hinsichtlich 

Vollständigkeit, Aktualität und Konsistenz 

wesentlich besser als jene von Zeichnungsteilen 

ist. Für Erstgenannte werden bereits 

Klassifikationsstandards wie z. B. eCl@ss, 

ETIM, proficl@ss bzw. Werksnormen eingesetzt. 

Für Zeichnungsteile existieren 

dagegen noch keine in den Unternehmen 

genutzte Standards. 

Unterschiede haben sich insbesondere in 

der Verfügbarkeit und Nutzung von technischen 

und organisatorischen Standards, 

wie z. B. IT-Unterstützung und Werksnormen 

zur Artikelbeschreibung/-anlage, 

herauskristallisiert. Diese und weitere relevante 

Erkenntnisse aus der Auswertung der 

Diagnose und Syntheseprojekte fließen direkt 

in die Entwicklungsarbeiten und in die 

wissenschaftliche Begleitung der Projekte 

ein. 

Fazit und Ausblick 

Um eine nachhaltige Verbesserung der 

Stammdaten- und Prozessqualität im Produktentstehungsprozess 

zu erreichen, ist 

auch und gerade in KMU ein auf das jeweilige 

Unternehmen zugeschnittenes, 

strukturiertes Stammdaten- und Geschäftsprozessmanagement 

erforderlich. Im Verbundprojekt 

eBEn werden mittels Analyse, 

Entwicklung sowie Verifizierung konzeptionelle 

Grundlagen hierfür geschaffen. 

Durch die Verzahnung von Entwicklung 

und Validierung können professionellen 

Unternehmensberatern praxiserprobte Diagnose- 

und Synthesebausteine zur Identifikation, 

Bewertung und Hebung von 

daten- und prozessbezogenen Verbesserungspotenzialen 

in KMU bereitgestellt und 

zugleich Weiterentwicklungen angeregt 

werden. Die Analyse und Verbesserung der 

Stammdaten- und Prozessqualität erfolgt 

in einem zweistufigen Ansatz mit Diagnose 

und Synthese und bezieht sich auf die 

Handlungsfelder Stammdaten, IT-Struktur 

und Geschäftsprozesse sowie die Kosten- 

Nutzen-Bewertung von Lösungen. Damit 

wird die Verfügbar- und Verwendbarkeit 

relevanter Daten für Planungs- und Steuerungsaufgaben 

im Produktentstehungsprozess 

verbessert. 

Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich 

Dipl. Wirt.-Ing. Michael Konarsky 

Professur Konstruktionslehre 

Technische Universität Chemnitz 

Prof. Dr. Uwe Götze 

Professur Unternehmensrechnung und 

Controlling 

Technische Universität Chemnitz 

Ökonomisch-Ökologische Bewertung von elektromechanischen 

Antriebssystemkonzepten 

Ein Werkzeug zur schnellen und wirtschaftlichen Konzipierung optimaler Antriebssysteme für spezifische Anwendungen 

20 

Einleitung 

Für industrielle Anwendungen sind elektromechanische 

Antriebssysteme in verschiedenen 

Ausführungen auf dem Markt 

verfügbar. Die Auslegung und Auswahl 

eines Antriebssystems wird entscheidend 

durch anwendungsspezifische Randbedingungen 

beeinflusst. Jede Randbedingung 

ist je nach Anwendungsspezifikation unterschiedlich 

zu gewichten. Die Zusammenführung 

von Antriebssystemelementen zu 

einem anwendungsoptimalen Antriebssystemkonzept 

ist dann gegeben, wenn die 

Randbedingungen gemäß der Anwendung 

nach den Gewichtungen des Herstellers 

und des Kunden bestmöglich realisiert und 

erfüllt werden können. 

In Zusammenarbeit mit der Sparte Mechanical 

Drives der Siemens AG wird am Lehrstuhl 

für Konstruktions- und Antriebstechnik der 

Universität Paderborn ein Werkzeug zur 

schnellen und wirtschaftlichen Konzipierung 

optimaler Antriebssysteme (KoptA) für 

spezifische Anwendungen als Basis für die 

Komposition von Antriebssystembaukästen 

entwickelt. Um das anwendungsoptimale 

Antriebssystemkonzept zu identifizieren, 

werden Antriebssystemvarianten nach technischen 

und wirtschaftlichen Kriterien, die 

sich aus den Randbedingungen ergeben, 

quantitativ bewertet und auf technischwirtschaftliche 

Stärken und Schwächen 

analysiert. Für unterschiedliche branchenspezifische 

Arbeitsprozesse resultieren 

Kombinationen aus Antriebssystemelementen, 

die zu branchenspezifischen Antriebssystembaukästen 

zusammengefasst 

werden können. 

Das Ziel dieses Projektes sind anwendungsorientierte 

Antriebssystembaukästen, die 

bei minimalem Aufwand (minimale Anzahl 

an Antriebssystemelementen, geringer logistischer 

Aufwand, etc.) eine maximale 

Funktionalität unter Berücksichtigung von 

technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen 

gewährleisten. 

Problemstellung 

Ein spezifischer Arbeitsprozess kann durch 

verschiedene Antriebssystemkonzepte realisiert 

werden. Bild 1 zeigt beispielhaft drei 

Konzeptvarianten für einen Arbeitsprozess, 

der im Betriebspunkt der Arbeitsmaschine 

zusammengefasst ist. Alle drei Varianten erfüllen 

die Anforderungen des Prozesses. Es 

handelt sich hierbei um 

1. einen Motor Typ A mit einem Getriebe, 

2. einen Motor Typ B mit Getriebe und Umrichter 

und 

3. mehrere Motoren Typ C, die durch ein 

Sammelgetriebe in Kombination mit Umrichtern 

mechanisch gekoppelt sind und 

ein Mehrmotorenantriebssystem bilden.


Branchenspezifische Antriebssystembaukästen 

Jede Branche, z.B. die Kautschukindustrie 

oder Zementindustrie, ist durch spezifische 

Arbeitsprozesse und Randbedingungen 

charakterisiert. Um für diese einen spezifischen 

Antriebssystembaukasten zu entwickeln, 

wird folgende Vorgehensweise 

angewendet (vgl. Bild 2): 

1. Der Leistungsbereich für jede Branche 

wird in Intervalle zerlegt. 

2. Das Werkzeug KoptA wird für jedes Intervall 

mit seinem Arbeitsprozess und seinen 

Randbedingungen automatisiert angewendet. 

Bild 1: 

Realisierung eines Arbeitsprozesses mit den verschiedenen Antriebssystemkonzepten Getriebemotor, 

Motor-Getriebe-Umrichter-Kombination und Mehrmotorenantriebssystem 

Anhand dieses Beispiels wird deutlich, 

dass die Entscheidung bei der Wahl einer 

Antriebssystemvariante in der Konzeptionsphase 

komplex wird. Hinzu kommen 

unterschiedlich ausgeprägte Merkmale der 

verschiedenen Antriebssystemelemente 

und Randbedingungen mit unterschiedlicher 

Gewichtung aus dem Arbeitsprozess. 

Lösungsansatz mit KoptA 

Für einen Arbeitsprozess werden aus einem 

virtuellen Antriebssystembaukasten mit 

Motoren, Getrieben und Umrichtern, der 

nach Belieben erweitert werden kann, alle 

Antriebssystemvarianten im Bereich einer 

frei wählbaren Toleranz mit den Merkmalen 

Drehzahl, Drehmoment und Leistung 

automatisch nach dessen Kenngrößen 

projektiert. Mit der Filterfunktion, der frei 

wählbaren Toleranzbereiche, wird der Lösungsraum 

der Antriebssysteme bereits zu 

Beginn sinnvoll eingegrenzt. Anschließend 

werden alle Konzeptvarianten nach standardisierten 

technischen und wirtschaftlichen 

Kriterien, z.B. hohe Dynamik des 

Antriebssystems oder hohe Verfügbarkeit 

der Rohstoffe, die zur Herstellung der Antriebssystemelemente 

notwendig sind, 

quantitativ mittels gewichteter Wertefunktionen 

bewertet. 

Mit dieser Vorgehensweise lässt sich aus 

allen erdenklichen Antriebssystemvarianten 

das Antriebssystemkonzept identifizieren, 

welches die anwendungsspezifischen 

Anforderungen sowohl technisch als auch 

wirtschaftlich bestmöglich erfüllt. 

3. Aus dem maximalen virtuellen Baukasten 

werden Konzeptvarianten für erforderliche 

Antriebssystemelemente durch 

KoptA aufgestellt. 

4. Durch das quantitative Bewerten jeder 

Konzeptvariante wird innerhalb eines 

Intervalls ein anwendungsoptimales Antriebssystemkonzept 

identifiziert. 

5. Die anwendungsoptimalen Antriebssysteme 

aus der Konzeptmenge werden, z.B. 

nach der voraussichtlichen Umschlagsmenge, 

klassifiziert, um so unter anderem 

den Lagerbedarf für einzelne Antriebsystemelemente 

zu ermitteln oder Antriebssystemkonzepte 

aufgrund geringer 

Nachfrage zu streichen. 

6. Aus der klassifizierten Konzeptmenge der 

anwendungsoptimalen Antriebssysteme 

lässt sich der reale branchenspezifische 

Antriebssystembaukasten festlegen. 

Angestrebtes Ergebnis im Projekt 

Der Antriebssystemhersteller erhält einen 

auf das Minimum reduzierten Antriebssystembaukasten, 

mit dem dieser eine 

Branche vollständig und anwendungsoptimal 

mit den notwendigen Antriebssystemelementen 

beliefern kann. Dessen 

Konzeption erfolgt von vornherein unter 

Berücksichtigung strategisch relevanter 

Randbedingungen. Aus diesem Antriebssystembaukasten 

werden dem Kunden Antriebssystemlösungen 

geliefert, die seine 

Arbeitsprozesse mit den geforderten Randbedingungen 

optimal erfüllen. 

Bild 2: 

Vorgehensweise zur automatisierten Entwicklung eines realen anwendungsspezifischen Antriebssystembaukastens 

mit Hilfe von KoptA 

Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer 

Alexander Klause, M.Sc. 

Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik 

(KAt) 

Universität Paderborn 

21


Erfolgreicher Abschluss des Sonderforschungsbereichs 614 

„Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus“ 

Von der Grundlagenforschung zur industriellen 

Anwendung. Der Sonderforschungsbereich 

614 „Selbstoptimierende Systeme 

des Maschinenbaus“ stellte am 18. und 19. 

April 2013 auf dem Wissenschaftsforum Intelligente 

Technische Systeme des Heinz Nixdorf 

Instituts die Highlights aus 11 Jahren 

Forschung vor. Im Rahmen einer Ausstellung 

und zweier Special Sessions wurden 

die Nutzenpotentiale der Selbstoptimierung 

und Methoden zur Entwicklung selbstoptimierender 

Systeme vorgestellt. Die 

Förderung des SFBs 614 durch die Deutsche 

Forschungsgemeinschaft ist im Juni 2013 

ausgelaufen; die Ergebnisse des SFBs 614 

bilden einen wesentlichen Teil der Technologiebasis 

des 2012 eingerichteten BMBF- 

Spitzenclusters „Intelligente Technische 

Systeme Ostwestfalen-Lippe (it’s OWL)“. 

Der 2002 eingerichtete Sonderforschungsbereich 

(SFB) verfolgte die Zielsetzung, das 

Wirkparadigma der Selbstoptimierung für 

den Maschinenbau zu erschließen. Dafür 

wurde eine umfassende Entwicklungsmethodik 

erarbeitet, die u.a. in dem im 

Springer-Verlag 2013 erscheinenden Buch 

„Design Methodology for Intelligent Technical 

Systems“ dokumentiert ist. Mit dieser 

Methodik versetzen wir Dritte in die Lage, 

selbstoptimierende Systeme zu entwickeln. 

Unter Selbstoptimierung eines technischen 

Systems wird die endogene Änderung der 

Ziele des Systems auf veränderte Umfeldbedingungen 

und die daraus resultierende 

zielkonforme autonome Anpassung der Parameter 

und ggf. der Struktur und somit des 

Verhaltens dieses Systems verstanden. Im 

Juni 2013 wurde der Sonderforschungsbereich 

614 nach 11 Jahren Förderung durch 

die Deutsche Forschungsgemeinschaft 

erfolgreich abgeschlossen. Die Highlights 

aus drei Förderperioden wurden auf dem 

Wissenschaftsforum „Intelligente Technische 

Systeme“ am 18. und 19. April 2013 

präsentiert. Der Sonderforschungsbereich 

freute sich insbesondere, dass Herr Dr.-Ing. 

A. Engelke von der Deutschen Forschungsgemeinschaft 

sowie der Sprecher des SFBs 

Transregios AVACS (Automatic Verification 

and Analysis of Complex Systems) Herr Prof. 

B. Becker der Einladung des SFBs zur Abschlussveranstaltung 

gefolgt waren. 

Den Auftakt der beiden Special Sessions 

machte Herr Prof. J. Böcker mit seinem Einführungsvortrag 

zum Thema „Selbstoptimierung 

in der Anwendung“, in dem er die 

erheblichen Nutzenpotentiale des Wirkparadigmas 

der Selbstoptimierung an mehreren 

Beispielen verdeutlichte. Es folgten 

fünf weitere Beiträge, die aktuelle Ergebnisse 

aus den Teilprojekten vorstellten und 

einen guten Überblick über die Arbeiten 

des SFBs gaben. Auf der Fachausstellung 

war der Sonderforschungsbereich mit einer 

umfangreichen Ausstellung vertreten. Bei 

abwechslungsreichen Vorstellungen der im 

Rahmen des SFBs 614 entstandenen Softwarewerkzeuge 

und Methoden konnten 

sich die Besucher über die Arbeiten informieren. 

Einen Blickfang stellte die virtuelle 

Fachausstellung des SFBs 614 dar. Die Fachausstellung 

ist online unter http://sfb614.de 

für die breite Öffentlichkeit auf dem Internetauftritt 

des SFBs verfügbar. Wir möchten 

Sie hiermit einladen sich einen eigenen Eindruck 

über unsere Forschungsergebnisse zu 

machen. 

Auf dem abschließenden Empfang hob der 

Sprecher des Sonderforschungsbereichs 

614, Herr Prof. J. Gausemeier, noch einmal 

die exzellenten Forschungsergebnisse und 

den vorbildlichen Teamgeist innerhalb des 

SFBs hervor. Dieser zeigte sich insbesondere 

in den alljährlichen Berichtskolloquien und 

ist ein Treiber für die Erfolgsgeschichte des 

Sonderforschungsbereichs. Ferner beruht 

der 2012 gestartete BMBF-Spitzencluster 

„it´s OWL – Intelligente Technische Systeme 

OstWestfalen Lippe“ zu einem erheblichen 

Teil auf den Ergebnissen des SFBs 614. Der 

Spitzencluster hat ein Projektvolumen von 

100 Mio. €. In der überwiegenden Anzahl 

der von der Industrie vorangetriebenen Innovationsprojekte 

wird die Funktionalität 

der Selbstoptimierung implementiert. Beispiele 

sind die selbstoptimierende Großwäscherei 

(Kannegießer), der intelligente und 

optimierte Knetprozess (Kemper) und die 

intelligente Herstellung zuverlässiger Kupferbondbindungen 

(Hesse Mechatronics). 

Mehr über den Sonderforschungsbereich 

614 und die entsprechenden Entwicklungsmethoden: 

[GSR13] Gausemeier, J., Schaefer, W.; Rammig, 

F.-J. (Hrsg.): Design Methodology for 

Intelligent Technical Systems – Develop 

Intelligent Technical Systems of the Future. 

Springer-Verlag, Heidelberg, 2013 

[GSR+13] Gausemeier, J., Schaefer, W.; 

Rammig, F.-J.; Sextro, W. (Hrsg.): Dependability 

in Self-Optimizing Mechatronic Systems. 

Springer-Verlag, Heidelberg, 2013 

Oder im Internet: www.sfb614.de 

Bild1: Impressionen aus dem SFB 614 

22 

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier 

Dipl.-Wirt.-Ing. Mareen Vaßholz 

Heinz Nixdorf Institut 

Universität Paderborn


Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung 2013 

(SSP2013) 

19./20. Juni 2013, Stuttgart, Deutschland 

Mit gut 120 Teilnehmern/innen, darunter 

viele namhafte Vertreter aus Forschung 

und Industrie, fand das zweite Stuttgarter 

Symposium für Produktentwicklung 

(SSP2013) statt. Die Veranstaltung knüpft 

damit nahtlos an die erfolgreiche Auftaktveranstaltung 

(SSP2011) vor zwei Jahren 

an. 

Das diesjährige Symposium unter dem 

Vorsitz der Professoren Binz (IKTD, Universität 

Stuttgart), Bertsche (IMA, Universität 

Stuttgart) und Spath (Fraunhofer IAO) unterstützt 

von der Wissenschaftlichen Gesellschaft 

für Produktentwicklung WiGeP 

e. V. folgte dem Leitthema „Produktentwicklung 

– Eine interdisziplinäre Herausforderung“. 

Produktentwicklung und 

Konstruktion stehen derzeit vor großen 

Herausforderungen. Während die Komplexität 

der Produkte steigt, sollen die Entwicklungskosten 

sinken. Gleichzeitig gilt 

es, die Qualität und Planungssicherheit in 

der Produktentwicklung weiter zu verbessern. 

Am ersten Tag der Veranstaltung wurde 

im Rahmen eines FORUM (19.06.2013) 

anhand von Praxisbeispielen und Erfahrungsberichten 

über Herausforderungen 

und Erfolgsfaktoren für die zukünftige 

Produktentwicklung berichtet. Vertretern 

aus Industrie und Wirtschaft bot sich die 

Gelegenheit, neue Lösungsansätze kennen 

zu lernen und Erfahrungen auszutauschen. 

Während drei Parallelsessions am Nachmittag 

wurden Methoden der digitalen und 

virtuellen Produktentwicklung sowie des 

Technologiemanagements vorgestellt. 

In einer abschließenden Session bot sich 

ausgewählten Wissenschaftlern eine 

Plattform, ihre herausragenden Forschungsprojekte 

und deren Ergebnisse 

zu präsentieren und einen Überblick über 

aktuelle Forschungsvorhaben zum jeweiligen 

Schwerpunktgebiet zu geben. 

Am zweiten Tag des Stuttgarter Symposiums 

fand eine wissenschaftliche 

KONFERENZ (20.06.2013) statt, die sich 

an Fachexperten sowie Wissenschaftler 

richtete. Ziel war es, einen umfassenden 

Überblick über den aktuellen Stand der 

Forschung zu Methoden, Lösungsansätzen 

und Technologien im Bereich der 

Produktentwicklung zu geben. Das durchgeführte 

Double-blind-Review Verfahren 

garantierte eine hohe Qualität der insgesamt 

35 Vorträge (bei ursprünglich 55 

eingegangen Vortragseinreichungen) in 

drei Paralleltracks. Track 1 „Virtuelle Produktentwicklung“ 

beschäftigte sich mit 

dem Digital Engineering, dem Innovationsund 

Technologiemanagement sowie der 

Cyber-physischen Produktentwicklung“. In 

Track 2 „Methoden und Prozesse der Produktentwicklung“ 

wurden Vorträge zum 

Thema der Wissensbasierten Produktentwicklung, 

der Konstruktionsmethodiken 

sowie der altersgerechten Produktentwicklung 

präsentiert. Track 3 „Maschinenelemente 

und –systeme“ beinhaltete 

Vorträge zur zuverlässigen Produktentwicklung 

sowie dem nutzerzentrierten 

Design. 

Wir möchten uns an dieser Stelle für die 

zahlreiche Teilnahme und das damit verbundenen 

Interesse an dieser Veranstaltung 

bedanken und würden uns freuen, 

Sie auch zum SSP2015 begrüßen zu dürfen. 

Herzlicher Dank gilt zudem dem wissenschaftlichen 

Rat der Konferenz und allen 

Unterstützern des diesjährigen SSP2013. 

Prof. Dr.-Ing. H. Binz 

Dipl.-Ing. Daniel Roth 

Institut für Konstruktionstechnik und 

Technisches Design (IKTD) 


Bild 1: Forum SSP2013 - Eröffnungsveranstaltung Bild 2: Konferenz SSP2013 – Track 2: Methoden und Prozesse der Produktentwicklung 

23


Veranstaltungskalender 

• 21. Februar 2014 

Free Style Green Truck – neue 

Kabinenkonzepte für den LKW-Fernverkehr 

2030, Karlsruhe 

• 11. bis 13. März 2014 

3rd International Commercial Vehicle 

Technology Symposium Kaiserslautern 

• 23. bis 25. Juni 2014 

Sixth International Conference on 

Design Computing and Cognition 

DCC‘14, London 

• 26. bis 27. Juni 2014 

Entwerfen Entwickeln Erleben - Methoden 

und Werkzeuge in Produktentwicklung 

und Design (EEE2014), Dresden 

• 02. bis 04. Juli 2014 

2nd Joint International Conference on 

System-integrated Intelligence: New 

Challenges for Product and Production 

Engineering, Bremen 

• 02. bis 04. Juli 2014 

16th International DSM Conference. 

Paris 

Vorstand/Anschriften: 


(Vorsitzender) 



Kaiserstraße 10 

76131 Karlsruhe 

Tel.: +49 (0) 721 | 608 4 2371 

Fax: +49 (0) 721 | 608 4 6051 

E-Mail: albers@ipek.uni-karlsruhe.de 

Prof. Dr.-Ing. Michael Abramovici 

(Stellvertretender Vorsitzender) 

Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik 

Ruhr-Universität Bochum 

Universitätsstraße 150 

44780 Bochum 

Tel.: +49 (0) 234 | 32 27 009 

Fax: +49 (0) 234 | 32 14 443 

E-Mail: Abr@itm.ruhr-uni-bochum.de 

Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer 

(Stellvertretender Vorsitzender) 

Lehrstuhl für Maschinenelemente und 

Getriebetechnik 

Universität Kaiserslautern 

Gottlieb-Daimler-Straße 

67663 Kaiserslautern 

Tel.: +49 (0) 631 | 205 34 05 

Fax: +49 (0) 631 | 205 37 16 

E-Mail: sauer@mv.uni-kl.de 

Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz 

(Sprecher für Lehre & Weiterbildung) 

Institut für Konstruktionstechnik und 

Technisches Design 


Pfaffenwaldring 9 

70569 Stuttgart 

Tel.: +49 (0) 711 | 685 66 055 

Fax: +49 (0) 711 | 685 66 219 

E-Mail: hansgeorg.binz@iktd.unistuttgart.de 

Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche 

(Geschäftsführer) 

Institut für Maschinenelemente 


Pfaffenwaldring 9 

70569 Stuttgart 

Tel.: +49 (0) 711 | 685 66 165 

Fax: +49 (0) 711 | 685 66 319 

E-Mail: bertsche@ima.uni-stuttgart.de 

Ordentliche Mitglieder: 

Prof. Dr.-Ing. Michael Abramovici (Ruhr-Universität Bochum), Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers 

(Karlsruher Institut für Technologie), Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl (Technische Universität Darmstadt), 

Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche (Universität Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz (Universität 

Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. Luciënne Blessing (Université du Luxembourg), Prof. Dr.-Ing. Ludger Deters 

(Universität Magdeburg), Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner (TU Kaiserslautern), Prof. Dr. sc. techn. Paolo Ermanni 

(ETH Zürich), Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen (RWTH Aachen), Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier 

(Universität Paderborn), Prof. Dr.-Ing. Detlef Gerhard (TU Wien), Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinrich Grote 

(Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg), Prof. Dr.-Ing. Dietmar Göhlich (Technische Universität 

Berlin), Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs (RWTH Aachen), Prof. Dr.-Ing. Ulf Kletzin (TU Ilmenau), Prof. Dr.- 

Ing. Dieter Krause (TU Hamburg-Harburg), Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich (TU Chemnitz), Prof. Dr.-Ing. 

Robert Liebich (TU Berlin), Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann (TU München), Prof. Dr.-Ing. Armin Lohrengel 

(TU Clausthal), Prof. Dr.-Ing. Frank Mantwill (Helmut-Schmidt-Universität Hamburg), Prof. Dr. 

Dr.-Ing. Jivka Ovtcharova (Karlsruher Institut für Technologie), Prof. Dr.-Ing. Kristin Paetzold (Universität 

der Bundeswehr München), Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll (Universität Hannover), Prof. Dr.-Ing. 

Gunther Reinhart (TU München), Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg (Universität Bayreuth), Prof. Dr.-Ing. Bernd 

Sauer (TU Kaiserslautern), Prof. Dr.-Ing. Christian Schindler (TU Kaiserslautern), Prof. Dr.-Ing. Berthold 

Schlecht (TU Dresden), Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dieter Spath (Universität Stuttgart), Prof. Dr.- 

Ing. Karsten Stahl (TU München), Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark (TU Berlin), Prof. Dr.-Ing. habil. Ralf Stelzer 

(TU Dresden), Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge (Ruhr Universität Bochum), Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Sándor 

Vajna (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg), Prof. Dr. Ir. Fred J.A.M. van Houten (University 

of Twente), Prof. Dr.-Ing. Thomas Vietor (TU Braunschweig), Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek (Leibniz 

Universität Hannover), Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack (Universität Erlangen-Nürnberg), Prof. Dr.-Ing. 

Christian Weber (TU Ilmenau), Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Michael Weigand (TU Wien), Prof. DI Dr. Klaus 

Zeman (Johannes Kepler Universität Linz), Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer (Universität Paderborn) 

Mitglieder im Ruhestand: 

Prof. Dr.-Ing. Fatih C. Babalik (Uludag Üniversitesei), Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. Herbert Birkhofer (Technische 

Universität Darmstadt), Prof. em. Dr. rer. nat. C. Werner Dankwort (TU Kaiserslautern), Prof. 

em. Dr.-Ing. Klaus Ehrlenspiel, Prof. Dr.-Ing. Klaus Federn, Prof. em. Dr.-Ing. Dierk-Götz Feldmann 

(Technische Universität Hamburg-Harburg), Prof. em. Dr.-Ing. E. h. Dr.-Ing. Manfred Flemming, Prof. 

em. Dr.-Ing. Hans-Joachim Franke (Technische Universität Braunschweig), Prof. Dr.-Ing. Joachim Glienicke 

(Technische Universität Braunschweig), Prof. Dr.-Ing. Peter W. Gold, Prof. Dr.-Ing. Robert Grekoussis, 

o. Prof. Dr.-Ing. Rudolf Haller (Universität Karlsruhe), Prof. i. R. Dr.-Ing. Bernd-Robert Höhn 

Stand: 11. Dezember 2013 

Redaktion: michael.bartholdt@ima.uni-stuttgart.de 

Internet: www.wigep.de 

Redaktionsleitung: Dipl.-Ing. Michael Bartholdt 

Auflage: 2.500 Exemplare Tel.: +49 (0) 711 | 685 66187 

ISSN 1613-5504 

Satz: Theresa Ulrich 

(TU München), Prof. Dr.-Ing. habil. Guenter Höhne (Technische Universität Ilmenau), Prof. Dr.-Ing. 

Dr.-Ing. E.h. Franz Gustav Kollmann (TH Darmstadt), Prof. em. Dr.-Ing. Frank-Lothar Krause (TU Berlin), 

em. Prof. Dr.-Ing. Konrad Langenbeck (Universität Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Linke 

(TU Dresden), Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm (Universität Erlangen-Nürnberg), Prof. Dr.-Ing. Heinz 

Mertens (Technische Universität Berlin), Prof. Dr.-Ing. H. W. Müller, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.mult. Gerhard 

Pahl, Prof. Dr.-Ing. Heinz Peeken, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Predki (Ruhr-Universität Bochum), Prof. Dr.- 

Ing. Walter Raab, Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Laurenz Rinder (Technische Universität Wien), Prof. Dr.- 

Ing. Jürgen Rugenstein, Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jürgen Schorcht (Technische Universität Ilmenau), 

Prof. Dr.-Ing. Lütfullah Ulukan (Istanbul Teknik Üniversitesi), Prof. Dr.-Ing. Gerhard Wagner (Institut 

Product and Service Engineering Bochum), Prof. Dr.-Ing. Dieter Wüstenberg (TU Kaiserslautern) 

Industriekreis: 

Kurt Bengel (Cenit AG), Dr. Ewald Bentz (U.I.Lapp GmbH), Dr.-Ing. Thomas Bertolini (Dr. Fritz Faulhaber 

GmbH & Co. KG Antriebssysteme), Dr. Markus Beukenberg (WILO SE), Dr. Hugo Blaum (GEA 

Air Treatment Division, LuK Industriebeteiligungen GmbH), Dr. Jörg Böcking(Freundenberg & Co. 

KG.), Dipl.-Ing. Elmar Deegener (Keiper GmbH & Co KG), Dr. Gunnar Ebner (Capgemini Consulting, 

Central Europe), Gerd Engel (Hofmann & Engel Produktentwicklungs GmbH), Dr.-Ing. Gerd Fricke, 

Prof. Dr. rer. pol. Horst Geschka (Geschka & Partner Unternehmensberatung), Dr.-Ing. Willi Gründer 

(Tedata Gesellschaft für technische Informationssysteme), Dr. Peter Gutzmer (SCHAEFFLER KG), 

Dr.-Ing. Günter Hähn (Wirtgen GmbH), Prof. Dr.-Ing Dieter-Heinz Hellmann (KSB AG), Dr. Daniel 

Kähny (LS Telcom AG), Dr.-Ing. Bertram Kandziora (STIHL AG), Prof. Dipl.-Ing. Alfred Katzenbach, 

Prof. Dr. Michael Ketting (IBAF - Institut für Baumaschinen, Antriebs- und Fördertechnik GmbH ), 

Prof. Dr. Jürgen Kluge (Advice, Consulting and Projects), André Kremer (Paul Wurth S.A.), Dr.-Ing. 

Georg Mecke (Airbus Operations GmbH), Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. E. h. mult. Joachim 

Milberg (BMW AG), Dr.-Ing. Stefan Möhringer (Simon Möhringer Anlagenbau GmbH), Dr. Horst 

Nasko (Heinz Nixdorf Stiftung), Razvan Olosu (Novero GmbH), Dr.-Ing. Lothar Ophey (Inno Tech 

GmbH), Dr. Bernd Pätzold (ProSTEP AG), Dipl.-Ing. Stephan Plenz (Heidelberger Druckmaschinen 

AG), Dr.-Ing. Peter Post (Festo AG & Co. KG), Dipl.-Ing. Hartmut Rauen (VDMA), Dr.-Ing. Wolfgang 

Reik (LuK GmbH & Co. OHG), Prof. Dr.-Ing. Siegfried Russwurm (Siemens Medical Solutions), Dr. 

Eduard Sailer (Miele & Cie. GmbH & Co.), Michael Sauter (Parametric Technology GmbH), Klaus 

Schäfer (IBM Deutschland GmbH), Jörg Schiebel (Dassault Systemes Deutschland AG), Dr.-Ing. 

Peter Schwibinger (Carcoustics International GmbH), Dr.-Ing. Andreas Siebe (ScMI Scenario Management 

International AG), Dr.-Ing. Hans-Peter Sollinger (Voith AG), Dr. Martin Stark (Freudenberg 

GmbH & Co. KG), Dr. Tobias Sünner (Adam Opel GmbH), Dr.-Ing. Frank Thielemann (UNITY AG), Dr. 

Eberhard Veit (Festo AG & Co. KG), Dr. Hans-Jürgen Wessel (Krause-Biagosch GmbH), Dr. Dieter 

Wirths (Hettich Holding GmbH & Co. oHG), Manfred Wittenstein (WITTENSTEIN AG), Prof. Dr.-Ing. 

Klaus Wucherer (VDE), Prof. Dr.-Ing. Carl-Dieter Wuppermann (Stahl-Zentrum), Karl Heinz Zachries 

(CONTACT Software GmbH) 

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WiGeP News 2/2013

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