SFB 805:  Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Mathematik ; Sozial- und Verhaltenswissenschaften
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 57157498

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Technische Systeme befriedigen menschliche Bedürfnisse – im besten Fall nachhaltig und sicher. Wenn zwei Systeme A und B die gleiche Funktion erfüllen, dann ist dasjenige System vorzuziehen, das die gleiche Funktion mit (i) geringerem Aufwand, (ii) größerer Verfügbarkeit und (iii) größerer Akzeptabilität erreicht. Der Aufwand umfasst den Aufwand für Material, Energie, Bauraum und damit alle Kosten eines technischen Systems einschließlich der sozialen Kosten. Die Akzeptabilität wird z. B. durch rechtliche Konformität erreicht und durch Maximierung der funktionalen Qualität, d. h. Minimierung der Abweichung der Ist-Funktion von der Soll-Funktion. Sicherheit und Nachhaltigkeit sind die zwei wichtigesten Kriterien bei der Gestaltung, der Fertigung und dem Betrieb technischer Systeme in einem Umfeld, das von Unsicherheit geprägt ist. Das in der Mitte des letzten Jahrhunderts entstandene und heute weit validierte und genutzte Robust-Design von Taguchi ist ein Methodenbaukasten zur Maximierung der funktionalen Qualität eines Produkts. Der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in den Jahren 2009 bis 2021 geförderte Sonderforschungsbereich 805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ hat die Ideen von Taguchi weiterentwickelt. Die im Robust-Design eingeführte Analyse aller Phasen des Produktlebenslaufs wird in zwei Richtungen genutzt. Stromab von Fertigung zu Nutzung kann somit die Unsicherheitsfortpflanzung kontrolliert werden. Stromaufwärts ist mittels Feedback aus der Produktnutzung ein Lernen möglich. Dadurch, dass der SFB 805 aber nicht nur funktionale Qualität sondern alle Qualitätsdimensionen betrachtet, wird Robust-Design zum Sustainable-Systems-Design, das dem Paradigma „maximise quality subject to functionality“ folgt. Die Methoden, Technologien und Strategien zur Beherrschung von Unsicherheit in der Funktion, Akzeptabilität sowie in den Rand- bzw. Nebenbedingungen bilden den methodischen Kern des SFBs. Durch die Zusammenarbeit von Mathematikerinnen, Ingenieuren, Juristinnen und Sprachwissenschaftlern der Technischen Universität Darmstadt konnte das Forschungsziel „Beherrschen von Unsicherheit“ umfassend erreicht werden. Dies gilt in dreierlei Hinsicht: Erstens wurde eine konsistente Begriffsbildung der Unsicherheit erreicht, die auf der einen Seite Daten, Modell und Strukturunsicherheit und auf der anderen Seite stochastische Unsicherheit, Ungewissheit und Unwissen umfasst. Herausgehoben ist die Strukturunsicherheit, die bei Taguchi‘s Systems-Design und bei der Produktentwicklung nach Pahl und Beitz (vgl. auch VDI 2221) zwar als wichtig erkannt dennoch eigentlich nicht behandelt wird. Der SFB 805 schließt diese Lücke, die für das optimale Design und den optimalen Betrieb von Strukturen wesentlich ist. Zweitens hat der SFB Methoden erarbeitet, um Daten- und Modellunsicherheit zu erkennen und zu quantifizieren. Drittens und sicherlich am wichtigsten: der SFB hat die Strategien und zugehörigen Methoden und Technologien für Robustheit, Flexibilität und Resilienz weiterentwickelt, validiert oder klassifiziert und durch erprobte Metriken messbar und berechenbar gemacht. Dies gilt insbesondere für die Resilienz, die heute in vielen Disziplinen untersucht wird. Wissenschaft in der Tradition von Galileo beginnt dort, wo Dinge quantifizierbar und nachvollziehbar sind. Der SFB hat mit seiner Unterscheidung in statische und dynamische Resilienz sowie mit erprobten Metriken wie Nehmerqualität dazu beigetragen, die Resilienz-Forschung auf ein neues, solideres Fundament zu heben. Neben vielen Technologien, Methoden, Patentanmeldungen und drei Spin-Offs ist das SFB-Team insbesondere auf drei Demonstrator-Systeme stolz, nämlich die 3D-Servopresse, das sensorisch-aktive und modulare Tragsystem MAFDS sowie eine gänzlich neue aktive Fahrwerkstechnologie. Alle Methoden des SFBs wurden hieran erfolgreich validiert und zeigen den Nutzen und die Anwendbarkeit für viele technische Systeme.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2008): Schwingungsfluiddämpfung- und/oder -federung (DE102008007566B4)
  Peter Pelz, Jens Rösner
  
• (2010): Increased total flexibility by 3D Servo Presses. In: CIRP Annals, 59. (2010), Nr. 1, S. 267–270
  Groche, P.; Scheitza, M.; Kraft, M.; Schmitt, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2010.03.013)
• (2011): Smart structures assembly through incremental forming. In: CIRP Annals, 60. (2011), Nr. 1, S. 21–24
  Groche, P.; Türk, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2011.03.003)
• (2012): Luftfeder mit beweglichen Kolbensegmenten und Rollbalg (DE112012000804A5)
  Thomas Bedarf, Peter Pelz, Joachim Thurner
  
• (2013): Sensorisches Verbindungselement und Herstellverfahren (WO002013139464A1)
  Matthias Brenneis, Peter Groche
  
• (2014): Joining by forming—A review on joint mechanisms, applications and future trends. In: Journal of Materials Processing Technology, 214. (2014), Nr. 10, S. 1972–1994
  Groche, P.; Wohletz, S.; Brenneis, M.; Pabst, C.; Resch, F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.12.022)
• (2014): Optimal global rates of convergence for noiseless regression estimation problems with adaptively chosen design. In: Journal of Multivariate Analysis, 132. (2014), S. 197–208
  Kohler, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmva.2014.08.008)
• (2014): Validated biomechanical model for efficiency and speed of rowing. In: Journal of biomechanics, 47. (2014), Nr. 13, S. 3415–3422
  Pelz, P. F.; Vergé, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2014.06.037)
• (2015): A model for improving the applicability of design methodologies to mechanical engineering design routines. In: Journal of Engineering Design, 26. (2015), 10-12, S. 302–320
  Schmitt, S. O.; Scheitza, M.; Groche, P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/09544828.2015.1048198)
• (2015): Adaptive density estimation from data with small measurement errors. In: IEEE Transactions on Information Theory, 61. (2015), Nr. 6, S. 3446–3456
  Felber, T.; Kohler, M.; Krzyzak, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TIT.2015.2421297)
• (2016): Active buckling control of a beam-column with circular cross-section using piezo-elastic supports and integral LQR control. In: Smart Materials and Structures, 25. (2016), Nr. 6, S. 65008
  Schäffner, M.; Götz, B.; Platz, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/6/065008)
• (2016): Approach for the Visualization of Geometric Uncertainty of Assemblies in CAD-Systems. In: Journal of Computers, 11. (2016), Nr. 3, S. 247–257
  Heimrich, F.; Anderl, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.17706/jcp.11.3.247-257)
• (2016): Evaluation of uncertainty in experimental active buckling control of a slender beam-column with disturbance forces using Weibull analysis. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 79. (2016), S. 123–131
  Enss, G. C.; Platz, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.02.066)
• (2016): Examination and Optimization of a Heating Circuit for Energy-Efficient Buildings. In: Energy Technology, 4. (2016), Nr. 1, S. 136–144
  Pöttgen, P.; Ederer, T.; Altherr, L.; Lorenz, U.; Pelz, P. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ente.201500252)
• (2016): Lateral vibration attenuation of a beam with circular cross-section by a support with integrated piezoelectric transducers shunted to negative capacitances. In: Smart Materials and Structures, 25. (2016), Nr. 9, S. 95045
  Götz, B.; Schaeffner, M.; Platz, R.; Melz, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/9/095045)
• (2016): Nonparametric quantile estimation based on surrogate models. In: IEEE Transactions on Information Theory, 62. (2016), Nr. 10, S. 5727–5739
  Enss, G. C.; Kohler, M.; Krzyzak, A.; Platz, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TIT.2016.2586080)
• (2016): Product Compliance: Neue Anforderungen an sichere Produkte. In: Zeitschrift für Energie- und Technikrecht, 2. (2016), S. 62–70
  Wendt, J.; Oberländer, M.
  
• (2017): Efficient production of sensory machine elements by a two-stage rotary swaging process—Relevant phenomena and numerical modelling. In: Journal of Materials Processing Technology, 242. (2017), S. 205–217
  Groche, P.; Krech, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.11.034)
• (2017): Model Order Reduction Techniques with a Posteriori Error Control for Nonlinear Robust Optimization Governed by Partial Differential Equations. In: SIAM Journal on Scientific Computing, 39. (2017), Nr. 5, S112-S139
  Lass, O.; Ulbrich, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1137/16M108269X)
• (2017): Modeling of process forces with consideration of tool wear for machining of sintered steel alloy for application to valve seat in a combustion engine. In: Production Engineering, 11. (2017), 4-5, S. 477–485
  Bölling, C.; Kuhne, M.; Abele, E.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-017-0759-y)
• (2017): Multiobjective PDE-constrained optimization using the reduced-basis method. In: Advances in Computational Mathematics, 43. (2017), Nr. 5, S. 945–972
  Iapichino, L.; Ulbrich, S.; Volkwein, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10444-016-9512-x)
• (2017): Stiffness of multipoint servo presses: Mechanics vs. control. In: CIRP Annals, 66. (2017), Nr. 1, S. 373–376
  Groche, P.; Hoppe, F.; Sinz, J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2017.04.053)
• (2018): A framework for solving mixed-integer semidefinite programs. In: Optimization Methods and Software, 33. (2018), Nr. 3, S. 594–632
  Gally, T.; Pfetsch, M. E.; Ulbrich, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/10556788.2017.1322081)
• (2018): Aktive Luftfederung – Modellierung, Regelung und Hardware-in-the-Loop-Experimente. In: Forschung im Ingenieurwesen, 82. (2018), Nr. 3, S. 171–185
  Lenz, E.; Hedrich, P.; Pelz, P. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10010-018-0272-2)
• (2018): Controlling the sensor properties of smart structures produced by metal forming. In: Journal of Materials Processing Technology, 262. (2018), S. 541–550
  Krech, M.; Trunk, A.; Groche, P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.07.014)
• (2018): Effect of static axial loads on the lateral vibration attenuation of a beam with piezo-elastic supports. In: Smart Materials and Structures, 27. (2018), Nr. 3, S. 35011
  Götz, B.; Platz, R.; Melz, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa937)
• (2018): Experimentelle Untersuchung des menschlichen Einflusses auf die Unsicherheit in der Mensch-Technik-Interaktion. In: Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 72. (2018), Nr. 1, S. 44–55
  Oberle, M.; Helfert, M.; König, C.; Bruder, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s41449-017-0071-x)
• (2018): Gain-scheduled ℋ∞  buckling control of a circular beam-column subject to time-varying axial loads. In: Smart Materials and Structures, 27. (2018), Nr. 6, S. 65009
  Schäffner, M.; Platz, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-665X/aab63a)
• (2018): Maschinelles Design eines optimalen Getriebes. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift, 120. (2018), Nr. 10, S. 72–77
  Altherr, L. C.; Ederer, T.; Pfetsch, M. E.; Pelz, P. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s35148-018-0131-3)
• (2018): Minimizing of Kinetosis during Autonomous Driving. In: ATZ worldwide, 120. (2018), 7-8, S. 68–75
  Hedrich, P.; Lenz, E.; Pelz, P. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s38311-018-0081-0)
• (2019): A certified model reduction approach for robust parameter optimization with PDE constraints. In: Advances in Computational Mathematics, 45. (2019), Nr. 3, S. 1221–1250
  Alla, A.; Hinze, M.; Kolvenbach, P.; Lass, O.; Ulbrich, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10444-018-9653-1)
• (2019): Resilient layout, design and operation of energy-efficient water distribution networks for high-rise buildings using MINLP. In: Optimization and Engineering, 20. (2019), Nr. 2, S. 605–645
  Altherr, L. C.; Leise, P.; Pfetsch, M. E.; Schmitt, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11081-019-09423-8)
• (2019): Two control strategies for semi-active load path redistribution in a load-bearing structure. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 118. (2019), S. 195–208
  Gehb, C. M.; Platz, R.; Melz, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.08.044)
• (2019): Uncertainty quantification in the mathematical modelling of a suspension strut using Bayesian inference. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 118. (2019), S. 158–170
  Mallapur, S.; Platz, R.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.08.046)
• (2020): Efficient validation of novel machine elements for capital goods. In: CIRP Annals, 69. (2020), Nr. 1, S. 125–128
  Groche, P.; Sinz, J.; Germann, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2020.03.004)
• (2020): Enabling the digital twin: a review of the modelling of measurement uncertainty on data transfer standards and its relationship with data from tests. In: International Journal of Product Lifecycle Management, 12. (2020), Nr. 3, S. 250
  Ríos, J.; Weber, M.; Anderl, R.; Staudter, G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1504/IJPLM.2020.10032154)
• (2020): Measuring the bore straightness during reaming with sensoric tools. In: Production Engineering, 14. (2020), Nr. 4, S. 535–544
  Bretz, A.; Abele, E.; Weigold, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-020-00977-6)
• (2020): Optimization and validation of pumping system design and operation for water supply in high-rise buildings. In: Optimization and Engineering (2020)
  Müller, T. M.; Leise, P.; Lorenz, I.-S.; Altherr, L. C.; Pelz, P. F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11081-020-09553-4)
• (2021): Die Weiterentwicklung der Produkthaftungsrichtlinie. In: Zeitschrift zum Innovations- und Technikrecht, 9. (2021), Nr. 1
  Joggerst, L.; Wendt, J.
  
• (2021): Mastering Uncertainty in Mechanical Engineering. 1. Aufl., Springer International Publishing
  Pelz, P. F.; Groche, P.; Pfetsch, M.; Schäffner, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-78354-9)
• (2021): Measuring and modelling of process forces during tapping using single tooth analogy process. In: Production Engineering, 15. (2021), Nr. 1, S. 97–107
  Geßner, F.; Weigold, M.; Abele, E.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-020-01004-4)
• (2021): Sustainable aircraft design — A review on optimization methods for electric propulsion with derived optimal number of propulsors. In: Progress in Aerospace Sciences (2021)
  Pelz, P. F.; Leise, P.; Meck, M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2021.100714)
• (2021): Uncertainty in Mechanical Engineering. Proceedings of the 4th International Conference on Uncertainty in Mechanical Engineering (ICUME 2021), June 7–8, 2021. Cham : Springer International Publishing
  Pelz, P. F.; Groche, P.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-77256-7)