Digitaler Zwilling hilft bei Montageplanung

Wissenschaftler:innen der Universität Siegen wollen durch die Digitalisierung menschlicher Bewegungen Produktionsprozesse präzisieren. Die Technik kennt man aus Filmen und Videospielen.

Bei Filmen und Videospielen ist es bereits gängige Praxis: Motion Capture Systeme werden genutzt, um menschliche Bewegungen zu digitalisieren und auf digitale Charaktere zu übertragen. Wissenschaftler:innen der Universität Siegen nutzen diese Technik im Bereich der Produktionsplanung. Im Gegensatz zur Unterhaltungsindustrie steht dabei eine genaue und keine ästhetische Abbildung im Vordergrund.

Bei der Produktionsplanung von manuellen Montagearbeiten in der Industrie wird oftmals auf einfache Mittel zurückgegriffen. Beispielsweise werden die menschlichen Laufwege zwischen den einzelnen Montagestationen mit Stift und Papier in einem 2D-Plan oder digital in einer Gestaltungsumgebung wie PowerPoint eingezeichnet. „Menschliche Bewegungen erweisen sich als sehr komplex“, sagt Prof. Dr.-Ing. Martin Manns, der seit 2016 den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Montage (FAMS) an der Universität Siegen leitet. Deshalb können die zur Planung häufig herangezogenen vereinfachten Annahmen in der Realität stark von der Planung abweichen. Für eine effiziente Gestaltung der manuellen Montage ist eine präzise Planung wichtig. Viele lokale Unternehmen haben nicht die Ressourcen und das Know-how, um umfangreiche und detaillierte Simulationsanwendungen zur Planung zu nutzen.

Um detaillierte Montageplanungen für manuelle Arbeiten mit geringem Aufwand für kleinere und mittlere Unternehmen zu erstellen, arbeiten Wissenschaftler:innen des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Montage (FAMS) mit Motion Capture Systemen. Dafür wird ein Anzug mit 17 Bewegungssensoren verwendet, der für die Erfassung aller Bewegungen einer Person angezogen wird und die Bewegungen durch eine passende Software auf einen digitalen Zwilling übertragt.

Die Digitalisierung der menschlichen Bewegungen kann auf verschiedene Weise zur Prozessverbesserung in der Industrie genutzt werden. Eine Möglichkeit, mit geringem Aufwand deutlich präzisere Laufwegplanungen zu erstellen, ist die Aufzeichnung des Laufwegs bei einer Demonstration des Montageprozesses. Dafür werden die Koordinaten des Körperschwerpunkts aus der Vogelperspektive verwendet, wodurch die Länge des Weges exakt gemessen und für die Abschätzung der Prozesszeiten verwendet werden kann. Zudem können Planer durch die im 2D-Plan sichtbaren Pfade auf Auffälligkeiten achten und Optimierungen an dem Layout vornehmen, um die Laufwege und damit den Prozess zu verbessern.

Diese Vorgehensweise wurde prototypisch untersucht. In den durchgeführten Untersuchungen sind teils deutliche Unterschiede zwischen den vereinfacht geplanten und den aufgezeichneten Pfaden sichtbar geworden. Um einen möglichst allgemeingültigen Laufweg zu erhalten, wird der Prozess mehrmals wiederholt und ein Durchschnitt der aufgezeichneten Pfade verwendet. Vergleicht man diesen Pfad mit dem vereinfacht geplanten Pfad, fällt auf, dass der tatsächliche Laufweg fast 10% kürzer ist als der geplante. Im Durchschnitt weicht der Weg 0,13 Meter vom geplanten Laufweg ab, maximal sind es 0,29 Meter.

Als nächstes möchten die Forscher:innen die Technologie für weitere Anwendungsfälle erproben, zum Beispiel kollaborierende Roboter, Assistenzsysteme in der manuellen Montage und Planungssimulationen.           Michael Jonek

Fortschrittliche Lösungen für Spritzgießindustrie

Anwendung von künstlicher Intelligenz und additiver Fertigung zur Verbesserung von Produktionsverfahren.

Die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 erfordert eine umfassende Forschung, industrielle Innovationen, strategische Planungen und die Integration ingenieurwissenschaftlicher Konzepte. Im Rahmen der Systemwissenschaft zu Industrie 4.0 arbeiten der Lehrstuhl für Produktentwicklung der Universität Siegen und das wissensbasierte Unternehmen SmartyX GmbH (das Startup sitzt in Summit Siegen) zusammen, um fortschrittliche Technologien zur Verbesserung der traditionellen Spritzgießprozesse einzusetzen. In einem aktuellen Forschungsprojekt geht es um die Entwicklung eines wissensbasierten Systems zur Unterstützung der Spritzgießindustrie bei der Anwendung fortschrittlicher Lösungen.

Das Spritzgießen als eines der führenden Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen wird häufig für die Massenproduktion identischer Teile mit engen Toleranzen eingesetzt. Das intelligente System kann für verschiedene Spritzgießmaschinen zur Herstellung unterschiedlicher Produkte eingesetzt werden, und auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) können durch den Einsatz die Effizienz des Produktionsprozesses verbessern. „In diesem Projekt haben wir uns auf die Anwendung von Technologien wie der additiven Fertigung und der künstlichen Intelligenz konzentriert, um die Produktion zu optimieren und die Produktivität zu steigern“, erklärt Prof. Tamara Reinicke, Leiterin des Lehrstuhls für Produktentwicklung. Am Lehrstuhl für Produktentwicklung der Universität Siegen stehen verschiedene 3D-Drucker zur Verfügung, um polymere und metallische 3D-gedruckte Teile herzustellen.

Dr. Mohammad Reza Khosravani, Postdoc und Senior Researcher am Department Maschinenbau an der Universität Siegen, erklärt, dass in dieser Forschungsarbeit der 3D-Druck mittels Stereolithographie (SLA) zur Herstellung von Einsatzformen für das Spritzgießverfahren verwendet werden. „Formen werden normalerweise aus Metallen wie Stahl und Aluminium hergestellt, aber 3D-gedruckte Formen bieten eine kostengünstige Alternative.“ 3D-gedruckte SLA-Formen haben eine hohe Festigkeit und sind isotrop, und das für die Herstellung der Formen verwendete Material kann der Hitze und dem Druck des Spritzgussverfahrens standhalten. „Einmal hergestellte Metallformen können nur sehr schwer verändert werden“, so Dr. Khosravani. „3D-gedruckte Formen stellen eine attraktive Alternative dar, da sie wirtschaftlich sind und man sie im Vergleich zu Formen aus Metall leicht an veränderte Geometrieanforderungen anpassen kann.“

In dem Forschungsprojekt wurden 3D-gedruckte Formen und Klammern entworfen, hergestellt und verwendet.  Die Verwendung einer 3D-gedruckten Schelle hat beispielsweise zu einer Kostenersparnis von 95 Prozent und einer Zeitersparnis von 85 Prozent geführt. Die in der Studie entwickelten 3D-gedruckten Spritzgussformen haben sich als ideal für das Spritzgießen von Teilen mit besonderen Eigenschaften, wie Leitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit, erwiesen. Diese Technik kann für die Herstellung geometrisch komplexer Formen verwendet werden, und es fallen keine zusätzlichen Kosten für die Komplexität an, da der 3D-Druck ein werkzeugloses Herstellungsverfahren ist.

Dr. Sara Nasiri, Gründerin und Geschäftsführerin der SmartyX GmbH, erklärt, dass der entwickelte Prozess die drei Ebenen Planung, Ausführung und Kontrolle umfasst. Diese Ebenen basieren wiederum auf den Hauptstufen: Datenmanagement, Werkzeugkonstruktion und -fertigung, Produktions- und Qualitätsmanagement und Wissensverarbeitung (Knowledge Engineering). „In der Ausführungsebene werden die Daten erstellt, gesammelt, analysiert, übertragen und durch einen intelligenten Spritzgussprozess in eine Wissensbasis umgewandelt“, erklärt Dr. Nasiri. Dann wird die Produktion entsprechend den Produkt- und Prozessparametern auf der Grundlage einer Kombination von fall- und regelbasierten Schlussfolgerungen durchgeführt, die durch ähnliche traditionelle Prozesse mit intelligenten Lösungen verbessert werden können. Die Forschungsergebnisse können nicht nur für eine bessere Produktion, sondern auch für eine vorausschauende Analyse, Planung und proaktive Wartung genutzt werden.

Einzelheiten dieser Forschungsarbeit wurden im Journal of Industrial Information Integration veröffentlicht, einer der führenden Fachzeitschriften auf diesem Gebiet: https://doi.org/10.1016/j.jii.2021.100275

Wissenschaftlicher Nachwuchs ist das Morgen und Übermorgen

Herausragende Absolventinnen und Absolventen wurden von der Universität Siegen, den Landkreisen, der IHK, der Dirlmeier-Stiftung und dem DAAD mit Preisen geehrt.

Besondere Leistungen, besonderer Rahmen, besonderer Tag: Absolventinnen und Absolventen der Universität Siegen wurden für ihre herausragenden Doktor- oder Masterarbeiten ausgezeichnet. Zum ersten Mal fand – eingebettet in das 50-Jahre-Jubiläum der Universität Siegen – der Tag des wissenschaftlichen Nachwuchses statt, bei dem alle Preisträgerinnen, StifterInnen und LaudatorInnen im Friedrich-Schadeberg-Hörsaal am Campus Unteres Schloss zusammenkamen. Verliehen wurden die Studienpreise der Kreise Siegen-Wittgenstein, Olpe und Altenkirchen, der Studienpreis der Industrie- und Handelskammer (IHK) Siegen, der Forschungspreis der Universität Siegen für den Internationalen Nachwuchs, der Förderpreis der Dirlmeier-Stiftung und der Preis des DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst).

Die fachliche Bandbreite der ausgezeichneten Arbeiten war groß: von Hightech bis zum höfischen Roman, vom Mittelstand bis zum Mathematikunterricht, von der Elementarteilchenphysik bis zur Zellforschung. „Wir freuen uns, dass wir den für eine Universität vielleicht wichtigsten Personen, eine Bühne geben können“, sagte Prof. Dr. Thomas Mannel, Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs zur Begrüßung der zahlreichen Gäste. Während der Pandemie konnten Ehrungen in dieser Form nicht stattfinden, daher gab es auch noch einige Preise aus den vergangenen Jahren zu überreichen.

„Innovation verändert die Welt, und wer die Richtung bestimmt, das sind Sie“, wandte sich Rektor Prof. Dr. Holger Burckhart an die PreisträgerInnen. Die Auszeichnungen seien aber auch der Auftrag, Verantwortung zu übernehmen, Wissen und Kompetenzen weiterzugeben. „Der wissenschaftliche Nachwuchs ist das Morgen und das Übermorgen.“

Um das „Morgen“ müssten sich die Promovierten selbst keine Sorgen machen, versicherte Dr. Michael Bölker, Professor für Biologie an der Philipps-Universität Marburg und Vorsitzender von UniWiND, dem Universitätsverband zur Qualifizierung des wissenschaftlichen Nachwuchses in Deutschland. Bölker beleuchtete in seinem Festvortrag „Die Zukunft der Promotion und die Promotion der Zukunft.“ Die beruflichen Aussichten mit Doktortitel seien sehr gut. Es gebe kaum arbeitslose Promovierte, der Taxifahrer mit Doktortitel sei ein längst überholtes Klischee. Für die Universitäten gehöre neben Forschung und Lehre die Qualifizierung des wissenschaftlichen Nachwuchses zu den Basisaufgaben. An die PreisträgerInnen gewandt sagte Bölker: „Glauben Sie weiter an sich, seien Sie stolz und sehen Sie sich auf einem guten Weg in die Zukunft.“

Folgende Preise wurden vergeben:

Studienpreis des Kreises Altenkirchen, verliehen durch den 1. Kreisbeigeordneten Tobias Gerhardus.
Promotion von Dr. Tobias Reitz: Referenzfreies ultraschallbasiertes Verfahren zur Zustandsüberwachung rotierender Bauteile – Anwendung auf Radsätze von Schienenfahrzeugen; Laudatio: Prof. Dr. Claus-Peter Fritzen
Masterarbeit von Niklas Dapprich: Vernachlässigung der Verhältnismäßigkeit? Ausgewählte Corona-Maßnahmen im Lichte der Berufsfreiheit; Laudatio: Prof. Dr. Gerd Morgenthaler

Studienpreis des Kreises Olpe verliehen durch den Landrat Theo Melcher.
Promotion von Dr. Sebastian Kühr: Regulatory Bioaccumulation Assessment of Nanomaterials. Development of new Concepts and Testing Procedures; Laudatio: Prof. Dr. Christian Schlechtriem
Masterarbeit von Lukas Hunold: Controlled creation of Silicon-Vacancy color centers in diamond by local ion implantation; Laudatio: Prof. Dr. Mario Agio

Studienpreis des Kreises Siegen-Wittgenstein verliehen durch den Landrat Andreas Müller.
Promotion von Dr. Frederik Dilling: Begründungsprozesse im Kontext von (digitalen) Medien im
Mathematikunterricht – Wissensentwicklung auf der Grundlage empirischer Settings; Laudatio: Prof. Dr. Ingo Witzke
Masterarbeit von Madeline Scharnberg: Bindung und Ängste bei Kindern in der Primarstufe unter besonderer Berücksichtigung von Schüler*innen mit dem Förderschwerpunkt Emotionale und soziale Entwicklung; Laudatio: Dr. Carina Hübner

Studienpreis der Industrie- und Handelskammer Siegen verliehen durch den Präsidenten Felix G. Hensel.
Promotion von Dr. Hamidreza Ahmadian: Fault-tolerant Network-on-Chips in Mixed-Criticality Systems; Laudatio: Prof. Dr. Roman Obermaisser
Masterarbeit von Janina Harms: Onlineverhandlungen aus juristischer Perspektive; Laudatio: Prof. Dr. Peter Krebs

Forschungspreis der Universität Siegen für den Internationalen Nachwuchs verliehen durch den  Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs, Prof. Dr. Thomas Mannel.
Promotion 2020 von Dr. Siyu Jiang: Temperature-Triggered Attachment and Detachment of Eukaryotic Cells and Selective Cell Separation with Stimulus-Responsive Polymer Brushes; Laudatio: Prof. Dr. Holger Schönherr
Promotion 2022 von Dr. Maria Piscopo: Higher Order Corrections to the Lifetime of Heavy Hadrons; Laudatio: Prof. Dr. Alexander Lenz

Förderpreis der Dirlmeier-Stiftung der Universität Siegen verliehen durch den Vorsitzenden des Stiftungsrates, Prof. Dr. Noyan Dinçkal.
Promotion 2020 von Dr. Christine Weigel: Essays on the Role and Impact of Accountants in Mittelstand Firms; Laudatio: Prof. Dr. Martin Hiebel
Promotion 2022 von Dr. Theresa Specht: Der boumgarten im höfischen Roman. Narrative Erzeugung eines Handlungs- und Imaginationsraums; Laudatio: Prof. Dr. Hans Rudolf Velten

DAAD-Preis verliehen durch die Prorektorin für Internationales und lebenslanges Lernen, Prof. Dr. Petra M. Vogel.
Preisträgerin ist die Physik-Studentin Salwa Shaglel aus Syrien, die nicht nur für ihre besonderen fachliche Leistungen, sondern auch für ihr soziales Engagement ausgezeichnet wurde; Laudatio: Prof. Dr. Otfried Gühne

Die musikalische Umrahmung der festlichen Veranstaltung lag bei Rosali Vogt (Klavier) und Sonja Ebel-Eisa (Gesang).

„Herausragendes Forschungsinstitut in NRW“

Die Universität Siegen feiert in diesem Jahr ihr 50jähriges Jubiläum – das Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) wird 30 Jahre alt. Lobende Worte gab es von NRW-Digitalminister Andreas Pinkwart.

Im Sommer 1992 wurde auf dem Paul-Bonatz-Campus der Universität Siegen das Gebäude des Zentrums für Sensorsysteme (ZESS) offiziell eröffnet – gleichzeitig ging das ZESS als zentrale wissenschaftliche Forschungseinrichtung der Universität an den Start. Die Idee von Gründungsvater Prof. Dr. Rudolf Schwarte: WissenschaftlerInnen aus den Bereichen Elektrotechnik, Maschinenbau und Physik sollten am ZESS interdisziplinär zusammenarbeiten, um gemeinsam intelligente Sensoren und Sensorsysteme zu entwickeln. Daraus wurde eine wissenschaftliche Erfolgsgeschichte mit zahllosen Projekten auf nationaler und internationaler Ebene – sowie ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt an der Universität Siegen. Im Rahmen der Festwoche zum 50jährigen Jubiläum der Universität wurde daher auch der ZESS-Geburtstag groß gefeiert: Zahlreiche WissenschaftlerInnen und Studierende des Zentrums nahmen im Friedrich-Schadeberg-Hörsaal auf dem Campus Unteres Schloss an einem Festakt teil.

„Mit dem ZESS steht die Universität Siegen in einem ganz besonderen Verhältnis. Die wissenschaftlichen Verbindungen des Zentrums – unter anderem mit dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik – zeigen, wie hochrangig die Arbeit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist“, erklärte Uni-Rektor Prof. Dr. Holger Burckhart. Ein „Geburtstagsgeschenk“ war das Grußwort des nordrhein-westfälischen Ministers für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie, Prof. Dr. Andreas Pinkwart.

Das ZESS sei eines der „herausragenden Forschungsinstitute in NRW“, lobte Minister Pinkwart in seiner Video-Botschaft: „Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am ZESS entwickeln die Sensortechnologie nicht nur weiter, sondern sie zeigen auch die großen Anwendungspotenziale auf – etwa in Fahrzeugen sowie im Bereich des autonomen Fahrens. Sie sind Innovationstreiber und vermögen es, neue Entwicklungen Realität werden zu lassen und in die Praxis zu bringen. Dafür danke ich Ihnen auch im Namen der Landesregierung und ermutige Sie, Ihre Erfolge in den kommenden Jahren fortzusetzen“, erklärte Pinkwart. Das ZESS stehe auch für die Sichtbarkeit und den Erfolg der Universität Siegen. Neben der gelungenen Konzeption und Idee des Zentrums seien es immer wieder einzelne Persönlichkeiten, die das ZESS bis heute ausmachten.

Der ZESS-Vorsitzende Prof. Dr. Thomas Seeger würdigte in diesem Zusammenhang neben dem 2021 verstorbenen Prof. Dr. Rudolf Schwarte insbesondere Prof. Dr. Otmar Loffeld, der von 2005 bis 2020 den ZESS-Vorsitz innehatte und am 7. April 2022 verstarb. Loffeld sei bis zu seiner Pensionierung ein dynamischer Leiter des ZESS gewesen, erinnerte Seeger. Über viele Jahre habe er ForscherInnen über die Grenzen ihrer Disziplinen hinweg zusammengebracht, um innovative sensorische Systeme für eine Reihe von Anwendungen zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Nach der Erfolgsgeschichte des ZESS gefragt, habe Loffeld einst erklärt, das Zentrum habe sich – in erster Linie dank seiner umtriebigen MitarbeiterInnen – über die Jahre „immer wieder neu erfunden“. Dies gelte bis heute, erklärte Seeger.

Auf die 2003 begonnene, erfolgreiche Kooperation des ZESS mit dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) blickte FHR-Institutsleiter Prof. Dr. Dirk Heberling in seinem Festvortrag zurück. Gemeinsam habe man zahlreiche Forschungsprojekte im Bereich der Radar-Sensorik realisiert. Aktuell sei das FHR beispielsweise an dem Projekt „MENELAOS_NT“ des ZESS beteiligt, bei dem es darum geht, aus Sensordaten möglichst direkt und effizient smarte Informationen über unsere Umwelt zu gewinnen. Prof. Dr. em. Wolfgang Osten von der Universität Stuttgart gab anschließend in seinem Vortrag einen Abriss über die Digitalisierung im Bereich der optischen Mess- und Sensortechnik und den damit einhergehenden Entwicklungen.

Feierlich ging der Festakt zu Ende: Prof. Dr. Bernd Buxbaum, Gründer der aus dem ZESS hervorgegangenen Firma „pmdtechnologies“, wurde als Honorar-Professor der Universität Siegen ausgezeichnet. Buxbaum hatte zusammen mit seinem Doktorvater Prof. Schwarte eine spezielle 3D-Bildsensor-Technologie entwickelt, die er mit pmd erfolgreich an den Markt brachte und die mittlerweile weltweit bei Herstellern von Smartphones, Robotern und Autos begehrt ist. Zusammen mit Prof. Dr. Martin Hill betreibt Buxbaum außerdem das Siegener Hightech-Zentrum „The SUMMIT“, wo unter anderem junge Startups der Universität gefördert und unterstützt werden. Ohne die Universität Siegen und das ZESS sei all dies nicht möglich gewesen, erklärte Buxbaum in seiner Antrittsvorlesung und versicherte: „Wir haben gemeinsam noch viel vor.“

Mauerseglerforschung mit Hilfe von Crowdfunding

Die Brutsaison der Mauersegler steht in den Startlöchern. Bald fliegen die Mauersegler wieder durch die Straßen und ergänzen das sommerliche Stadtbild. Die Mauersegler haben zuvor 10 Monate im Dauerflug verbracht. Mit Hilfe von GPS-Mini-Rucksäcken wollen wir die geheime „Blackbox“ des Vielfliegers knacken und herausfinden, welche Zugrouten und Gebiete sie in Afrika nutzen, ob sie dieselben Routen und Gebiete Jahr für Jahr anfliegen und vieles mehr. Zur Finanzierung unserer Forschungen gehen wir einen neuen Weg und haben das Crowdfunding-Projekt GPS4APUS gestartet.

Prof. Dr. Klaudia Witte leitet die Abteilung Organismische Biologie am Institut für Biologie der Universität Siegen. Sie ist Verhaltensforscherin und Ornithologin und leitet seit 2007 das Mauerseglerprojekt „Ein Leben im Flug – Längsschnittstudie zu den Lebenslaufstrategien der Mauersegler“. Sie hat bereits viele Fachpublikationen und populärwissenschaftliche Arbeiten zur Biologie der Mauersegler veröffentlicht und viele Vorträge gehalten. Sie setzt sich aktiv für den Schutz der Mauersegler und anderer Vogelarten und den Naturschutz ein.

Mark Alexander Hase ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Organismische Biologie am Institut für Biologie der Universität Siegen. Im Rahmen seiner Promotion arbeitet er seit 2019 im Mauerseglerprojekt. Er hat schon diverse Vorträge zum Mauersegler gehalten und Poster zu seinem Thema präsentiert und war in einigen Fernsehbeiträgen für Erwachsene und Kinder zum Mauersegler zu sehen. Er steht im engen Kontakt mit diversen Naturschutzorganisationen.

Wenn Sie spenden, bekommen Sie ein besonderes Dankeschön. Schauen Sie vorbei auf https://www.startnext.com/gps4apus

Foto: Natalie Kelsey

Foto: Natalie Kelsey