Studienabschlussarbeiten

Wir befinden uns in einer Zeit sich rasant entwickelnder Technologien. Auch die unaufhaltsam wachsende Robotik-Branche ist hiervon betroffen. In dieser Ära der Technik werden robotische Systeme stetig mehr in den menschlichen Alltag integriert, was eine immer stärker werdende Mensch-Roboter-Kollaboration mit sich bringt. Auch in der Industrie 4.0 ist eine kontinuierlich weiter reichende Integration robotischer Systeme, beispielsweise durch intelligente Serviceleistungen, zu beobachten. Die vielfältigen Einsatzgebiete und Aufgabenfelder für Robotersysteme bringen ein breites Spektrum an Anforderungen mit sich. Es ergibt sich die Notwendigkeit unterschiedlichster Varianten robotischer Systeme, welche insbesondere von Unternehmen wie MetraLabs entwickelt werden. Sie bieten unzählige Möglichkeiten, den Horizont sowohl von Einzelpersonen als auch von Unternehmen zu erweitern. Angesichts dieser Entwicklungen steht die Industrie vor dem dringenden Bedarf, die Struktur und Architektur solcher Syste me zu optimieren und zu harmonisieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine universelle Robotersystem-Architektur zu schaffen, die sowohl aktuelle als auch zukünftige Anforderungen berücksichtigt. Im Mittelpunkt dieser Masterarbeit steht die Entwicklung einer harmonisierten Gesamtarchitektur für die Robotersysteme von MetraLabs, einschließlich der Modelle „TORY RFID“, „TORY SHELF“ und „STERYBOT“ auf Grundlage der Code-Basis jener Roboter. Mit dem methodischen Ansatz des Model-Based Systems Engineering (MBSE) werden SysML-Modelle dieser Roboter entwickelt. Das SysML-Modellierungswerkzeug Papyrus wurde aufgrund seiner Eclipse Public License ausgewählt, um Zustandsautomaten und Aktivitätsdiagramme zur Darstellung der entwickelten Architektur zu nutzen. Basierend auf einer eingehenden Analyse bestehender Robotersysteme wurde ein Top-Down-Ansatz angewendet, um eine zukunftssichere und harmonisierte Architektur zu schaffen. Kernpunkte dieser Arbeit umfassen die Identifizierung von Optimierungspotentialen, die Vereinheitlichung von Prozessen, und die Einführung neuer Zustände für eine verbesserte Zustandsmaschine. Das Ergebnis ist eine optimierte, kundenzentrierte Architektur, die den Entwicklungsprozess verbessert und die Heterogenität und Komplexität der Robotersysteme von MetraLabs harmonisiert.

Um die Forderungen von Kunden und den Druck der Konkurrenz zu erfüllen, müssen Modellbahnen stetig weiterentwickelt werden. Dies ist oft mit steigenden Anforderungen an Funktion und Optik verbunden. Immer öfter werden daher digital steuerbare Sonderfunktionen in Wagen verbaut, um diese interessanter zu gestalten. Die Sonderfunktionen sind aufgrund der geringen Größe der Modelle und den hohen Ansprüchen an Vorbildgetreue oft anspruchsvoll zu entwickeln. Eine solche Sonderfunktion stellt auch das Be- und Entladen von Modellzügen dar. Dieses kann für mehrere Anwendungszwecke, wie Beladung von Gepäck, Tieren und Transportgut verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Be- und Entladen eines Themenwagens zur „schwäb’schen Eisenbahn“ konzipiert und ausgestaltet, wobei eine Ziege auf einen Plattformwagen der Nenngröße H0 (1:87) geladen und abgesetzt wird. Um das Modell zu entwickeln, werden die Anforderungen an das fertige Produkt analysiert. Anschließend werden verschiedene Konzepte für die Bewegungsmechanik und den Antrieb erarbeitet, verglichen und bewertet, um die Beste Umsetzungsart zu finden. Die benötigten Bauteile werden konstruiert, gefertigt und zum Abschluss der Arbeit, zu einem funktionsfähigen Prototypen montiert.

Aufgrund des großen Bedarfs von Digitalen Zwillingen in Verbindung mit physischer Infrastruktur wurde eine Systematik entwickelt, welche die Konzeption und Realisierung Digitaler Zwillinge physischer Infrastruktur unterstützt. Mit Hilfe der entwickelten Systematik soll ein End-to-End-Prozess einer Realisierung eines Digitalen Zwillings physischer Infrastruktur ermöglicht und anschließend am Anwendungsfall Arzneimittellager validiert werden. Es wurde aufgrund der Anforderungen und Randbedingungen an Digitale Zwillinge, systematisch ein Konzept unter Beachtung spezifischer Anwendungsfälle der Infrastruktur entwickelt. Die erarbeiteten Anwendungen Digitaler Zwillinge physischer Infrastruktur basieren auf den Anwendungen Digitaler Zwillinge in einem Krankenhaus. Das Ergebnis der Diplomarbeit bildet eine Systematik, die in die drei Ebenen Anforderungs-, Detail- und Umsetzungsebene unterteilt wird. Den jeweiligen Ebenen sind unterschiedliche Leitfragen und Tabellen zugeordnet, die aus den Anforderungen an die Systematik und dem Digitalen Zwilling entwickelt wurden. Auf Grund des Fokus dieser Diplomarbeit, kann die Systematik auf Gebäude angewendet werden. Die Systematik kann aufgrund der verwendeten Anwendungen Digitaler Zwillinge auf Gebäude angewendet werden. Durch eine Erweiterung der Anwendungen Digitaler Zwillinge hinsichtlich physischer Infrastruktur ist die Anwendbarkeit der Systematik auf weitere physische Infrastruktur möglich.

In dieser Arbeit wurden 24 Prinzipien aus der deutschen Literatur und 24 weitere Prinzipien aus der sowjetischen Literatur gesammelt und analysiert. Die Kriterien für die Systematisierung dieser Prinzipien wurden ausgewählt. Es wurde festgelegt, welche Prinzen zur Erfüllung welcher Kriterien beitragen. Die Kriterien wurden als bekannte und allgemein anerkannte Anforderungen an jedes technische Produkt, das auf den Markt kommt, gewählt. Alle Prinzipien wurden systematisiert. Es ist anerkannt, dass die Hierarchie von den Randbedingungen und Anforderungen abhängt, die an das System gestellt werden. Eine Hierarchie von Prinzipien wurde im Hinblick auf die wichtigste Anforderung für den Konstrukteur, die Funktionsfähigkeit, erstellt. Das heißt, diese Prinzipien haben die größte Bedeutung für die technische Bedeutung dieses oder jenes Produkts. Die Anforderungen an Mindestgewicht und Mindestvolumen wurden als Begleitkriterien akzeptiert. Einen besonderen Platz nahm die Entwicklung einer Hierarchie von Prinzipien ein, die vom Grad der Interaktion des jeweiligen Prinzips mit den anderen abhängt. Und als Folge des Einflusses auf diese Prinzipien. In diesem Fall haben sich diese Faktoren durchgesetzt. Wie viele Prinzipien beeinflussen ein bestimmtes Prinzip, wie viele Prinzipien beeinflusst es selbst, wie wichtig sind die Prinzipien, mit denen es in Wechselwirkung steht. Zur Beantwortung dieser Fragen sowie zur Erreichung der Ziele dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen zwischen den Prinzipien und die Art dieser Wechselwirkungen ermittelt. Es war besonders wichtig zu verstehen, welche Prinzipien werden durch die Anwendung eines Prinzips impliziert. Welche Prinzipien können nicht angewendet werden, wenn das eine oder das andere Prinzip angewendet wird. Es wurde ermittelt, welche Prinzipien die automatische Anwendung der begleitenden Prinzipien nach sich ziehen und welche außerdem selbst eine Voraussetzung für die anderen sind. Auf diese Weise wurden vier verschiedene Systeme einer Hierarchie von Prinzipien geschaffen. Und jede unterscheidet sich von der anderen. Damit wurde die These, dass die Hierarchie von den Randbedingungen abhängt, entlarvt. Jedes Mal führte die Änderung einer Randbedingung zu einer Umstrukturierung der gesamten Hierarchie. Auch der Begriff der Abstraktionsebene wurde in die Arbeit eingeführt. Das heißt, in welchem Stadium der Entwicklung kann das eine oder andere Prinzip zur Anwendung kommen. Die Prinzipien aus der sowjetischen Literatur wurden mit den Prinzipien aus der deutschen Literatur verglichen. Es wurden gleiche, ähnliche und unähnliche gefunden. Nach einer gewissen Abstraktion von der Bezeichnung der Grundsätze und einer Erläuterung des Grundsatzes durch seinen Verfasser wurde festgestellt, welche Prinzipien zusätzlich mit den deutschen verglichen werden können. Es stellte sich heraus, dass ein Teil der sowjetischen Grundsätze mit den deutschen Richtlinien verglichen werden konnte und deren Ähnlichkeit festzustellen war. So wurde festgestellt, dass die sowjetischen Prinzipien den deutschen sehr ähnlich sind. Es gibt jedoch einige Unterschiede, die auf die verschiedenen Anforderungen der Kunden und die unterschiedlichen Produktionsbedingungen zurückzuführen sind. Mehrere sowjetische Prinzipien wurden ebenfalls nach dem zuvor festgelegten Formular für die deutschen Prinzipien bewertet. Das heißt, ihre Systematisierung wurde durchgeführt, Hierarchisierung in Bezug auf die Hauptkriterien, Identifizierung der Interaktion mit den deutschen Prinzipien. Das Ergebnis der Arbeit ist eine Systematisierung der 24 drei wichtigsten deutschen Prinzipien. Definition ihrer Interaktionen untereinander. Das Ergebnis ist eine umfassende Tabelle. Aufbau einer einheitlichen Hierarchie auf der Grundlage der verschiedenen Kriterien. Daraus ergibt sich ein Hierarchiebaum von Prinzipien. Bestimmung des Grades der Ähnlichkeit zwischen dem sowjetischen und dem deutschen Prinzip. Prüfung, ob das sowjetische Prinzip nach den anerkannten Normen für die deutschen Prinzipien systematisiert werden kann. In dieser Arbeit wurden nur die Prinzipien der Gestaltung berücksichtigt. Neben den Gestaltungsprinzipien gibt es aber auch Erfahrungswerte wie Methoden und Empfehlungen. Diese wurden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Darüber hinaus gibt es weitere Prinzipien, die aus anderen Quellen bekannt sind. Dieser Arbeit zeigt, dass es möglich ist, eine begrenzte Anzahl von Prinzipien zu analysieren und zu systematisieren. Ein weiterer Schritt in diese Richtung könnte darin bestehen, andere Prinzipien aus der deutschen Literatur zu berücksichtigen. Außerdem wurde eine Einführung in die Analyse von Prinzipien aus der ausländischen Literatur gegeben. Die englischsprachigen Quellen wurden im Rahmen der Arbeit nicht berücksichtigt, wohl aber die englischen und amerikanischen Gestaltungsschulen. In Zukunft wäre es ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Analyse und Anwendung von Konstruktionsprinzipien, die vom chinesischen technischen Denken angewandten Prinzipien zu bewerten. Die Berücksichtigung chinesischer Prinzipien ist eine Angelegenheit für das nächste Jahrzehnt, wenn die chinesische Schule zusätzliche eigene Erfahrungen sammeln wird, die nur indirekt mit europäischen oder amerikanischen Erfahrungen zusammenhängen. Umso wichtiger wäre es, die Richtlinien und Methoden zu analysieren, die in der deutschen Literatur existieren. Sie könnten in gleicher Weise wie die Prinzipien analysiert und systematisiert werden. Oder es müssen spezielle Analyse- und Systematisierungsmethoden entwickelt werden, die den Richtlinien und Methoden besser entsprechen. Zusätzliche Möglichkeiten für die Analyse von Prinzipien, Methodologie und Empfehlungen. Es gibt auch ein Potenzial für die Computertechnologie, die für die weitere Arbeit mit den Gestaltungsprinzipien genutzt werden könnte.

Die Festoxidbrennstoffzellen oder Solid Oxid Fuel Cells (SOFC) sind sehr empfindliche Geräte, die mit teuren und komplexen Komponenten ausgestattet sind. Eine fachgerechte Verpackung für den Transport ist deswegen für das innovative Produkt der Robert Bosch GmbH unabdingbar und ein wesentlicher Punkt, der im Hinblick auf die künftige Serienfertigung solcher Geräte zu berücksichtigen ist. Das Ziel in der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verpackungs- sowie Transportkonzept für die neue Generation der stationären Bosch Brennstoffzellen (FCS07) zu entwickeln. Dazu wird die folgende Forschungsfrage gestellt: Wie kann das Gerät unversehrt und sicher an dessen Zielort transportiert werden? Wichtig zu beachten ist, dass der Fokus dieser Arbeit sich auf die Landfracht mit dem LKW auf dem Europäischen Markt konzentriert. Um die Frage zu beantworten, wurde eine Studie zu den funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen an ein solches Konzept durchgeführt. Die Anforderungen hinsichtlich der Kräfte beim Transport und der gesicherten Geräte wurden besonders betrachtet und quantifiziert, um letztendlich die beste Art der Ladungssicherung festzulegen. Alle gesammelten Anforderungen wurden durch einen zweifachen Ansatz gewichtet und priorisiert, und drei unterschiedliche Lösungsvarianten wurden vorgestellt. Durch eine Bewertungsmatrix wurde die finale Variante ausgewählt. Die drei untersuchten Varianten wurden in Form von Explosionszeichnungen und technischen Skizzen dargestellt. Die finale Variante wurde im Detail weiterentwickelt. Für diese wurde eine technische Zeichnung sowie eine zusätzliche Explosionszeichnung erstellt. Für die zukünftige Forschung über dieses Thema wird empfohlen, die Anforderungen quantitativ zu formulieren und den paarweisen Vergleich im Team durchzuführen, um ein möglichst objektives Lösungskonzept erarbeiten zu können.