Entwurfsmuster für Fahrerlose Transportsysteme

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) sind eine flexible Alternative zu starrer Fördertechnik. In dieser Arbeit werden Probleme und Lösungsansätze zur Gestaltung von FTS in Form von Entwurfsmustern aufgezeigt. Die Muster betrachten die Themen Modularität, Sicherheit, Mensch-Maschine-Interaktion, Navigation und dezentrale Steuerung. Sie dienen einerseits der Strukturierung von Lösungsansätzen und sind andererseits ein Hilfsmittel zur Entwicklung Fahrerloser Transportsysteme

Vergleichende Bewertung zur ganzheitlichen Untersuchung neuartiger, im Betrieb modularer Fahrzeugkonzepte für den urbanen Personen- und Güterwirtschaftsverkehr

Vergleichende Bewertung zur ganzheitlichen Untersuchung neuartiger, im Betrieb modularer Fahrzeugkonzepte für den urbanen Personen- und Güterwirtschaftsverkeh

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

Ein Petri-Netz-Tabellen-Modell zur Anwendung im klassischen und agilen Projektmanagement

Projektmanagement (PM) und Petri Netze (PN) haben als Gemeinsamkeit, dass Aktivitäten in Abhängigkeit von Ereignissen ausgeführt werden, welche dann selbst wieder Ereignisse erzeugen können. Wenn die Anwendungsdomäne PM und das Modellierungsmittel PN zusammentreffen, besteht die Möglichkeit Synergieeffekte entstehen zu lassen. Um ein Modell des agilen und klassischen PM in ein PN-Modell zu überführen, sind dazu beide Welten zur Modellierung und Simulation zu vereinen. Es existieren durchaus eine Reihe von Ansätzen auf diesem Gebiet, allerdings ohne Berücksichtigung wichtiger Teilaspekte, wie z. B. die der praktischen Anwendbarkeit. Die vorliegende Arbeit legt deshalb einen zyklischen Ablauf zugrunde, der mit strukturierten Tabellen beginnt. Diese kommen dem Vorgehen im praktischen PM entgegen, erreichen aber durch die Systematisierung die Überführbarkeit in das PN-Modell. Das PN-Modell legt eine Variante zugrunde, die aus der Sicht der Anwendungen verschiedene PN-Erweiterungen wie hierarchische, zeitbewertete oder gefärbte Netze unter Verwendung strukturierter Marken aufnimmt. Teilaufgaben werden in hierarchische PN-Konstrukte gekapselt, die anpassbar durch das innere PN, das Verhalten von Objekten des PM beschreiben. Typische Objekte wie Aktivitäten und Ressourcen sind durch Eigenschaften wie Atomarität, Wiederverwendbarkeit und Zeitverbrauch gekennzeichnet. Wechselwirkungen zwischen Konstrukten werden über PN-Elemente beschrieben. Der gesamte Projektplan wird dadurch aus Konstrukten und deren Beziehungen aufgestellt. Das PN bildet dabei die zentrale Ablauflogik. Die Umsetzung beruht darauf, die Dateneingabe von der Planung und den aktuellen Zwischenständen in der Tabellenstruktur vorzunehmen, und im Hintergrund automatisch das PN zu generieren bzw. zustandsabhängig zu verändern. Dafür wird in der Arbeit ein experimentelles Tool beschrieben. Dabei sollen anschließend die Ergebnisse durchgeführter Simulationen mit einem Standard-PN-Tool erneut in die bestehende Tabelle zurückgeführt werden. Diese grundlegenden Vorteile des PN-Konzeptes können so vollumfänglich ausgenutzt und für den Projektmanager auch ohne PN-Kenntnisse Verwendung finden. Dadurch wird die Methode dynamisch und ist für verschiedenste Projekte universell einsetzbar.Project Management (PM) and Petri Nets (PN) have in common that activities are carried out depending on events, which can generate events by themselves. The combination of the application domain PM (agile and traditional) and the modelling tool PN may result in advantageous synergy effects. In order to transform a model of PM into a powerful PN model, these two concepts must be merged for mapping and simulation. There are a number of approaches in this area, with no consideration of important aspects such as practical applicability. The present thesis is therefore based on a cyclic process, starting with structured tables. These are in line with the procedure of practical PM but achieve through systematization the transferability into the PN model. The PN model is based on a powerful model with suitable extensions and necessary interpretations from the field of hierarchical, time-valued or coloured high-level PNs using structured token. Subtasks are encapsulated in hierarchical PN constructs that describe the behavior of PM objects in an adaptable way through the inner PN. Typical objects such as activities and resources are characterized by properties such as atomicity, reusability and time consumption. Interactions between constructs are described by PN elements. The objects of modelling for the entire project plan are based on constructs with their relationships to each other, with the PN forming the single point of processing logic. The implementation is based on entering the data from the planning and the current, intermediate statuses into a fixed, defined table structure and to automatically generate the PN in the background or to change it depending on conditions. The paper describes an experimental tool for this purpose. Afterwards, simulations are to be carried out on the basis of the models, and their results are to be incorporated back into the table. The advantages of the PN concept can thus be fully exploited and can be used by the project manager without requiring special PN knowledge. The method is based on a dynamic consideration and can be used universally for a wide range of projects

Eine Theorie der Modern Commons: Vernetzte Infrastrukturentwicklung für nachhaltige Mobilität: Struktur-funktionale Systemanalyse zur Rolle und Transformation von Infrastrukturnetzen

Abstract Bei der Gestaltung von Infrastruktursystemen kommt es immer wieder zu Interessenkonflikten der Akteure, für die keine Lösungsmechanismen zur Verfügung stehen. Daher besteht ein Bedarf an einem Instrumentarium, mit dem Interessen- und Zielkonflikte frühzeitig erkannt und verhandelt werden können. Zur Entwicklung eines solchen Rah-mens bieten sich die flexiblen Prinzipien der Commons Governance an. Am Gegen-stand der mehrstufigen Infrastrukturnetze für Verkehr, Energie und Telekommunikation überträgt diese Arbeit die Erkenntnisse der Commons-Forschung für sozial-ökologische Systeme (SES) auf Infrastruktursysteme (STS). Aufgrund struktur-funktionaler Paralle-len zwischen Commons und emergenten Infrastruktursystemen werden Letztere hier als Modern Commons konzeptualisiert. Dazu wurden die Bauprinzipien der Commons und das IAD-Framework (Ostrom 1990) für die polyzentrischen Prozesse der Infra-strukturentwicklung adaptiert. Auf Basis des AGIL-Schemas (Parsons 1961) wurden die infrakulturellen Rahmenbedingungen und Einflussfaktoren untersucht, um die Allokationsprinzipien, Legitimationsmechanismen und Systemwirkungen von Infrastrukturent-wicklung hinsichtlich ihrer Wirkung auf Nachhaltigkeit zu analysieren. Da in der Gestaltung von Infrastruktursystemen als kollektiv genutzte Kultur- und Wirt-schaftsgüter Ziele und Wertvorstellungen der Gesellschaft die Rollen von Staat, Wirt-schaft und Zivilgesellschaft prägen und für Entscheidungen über räumliche und öko-nomische Wertallokation handlungsleitend sind, wurde ein Designmodell für einen Governance-Prozess und ein infrakultureller Analyse- und Entwicklungsrahmen (IDF) entworfen, der die Entscheidungsfindung zur Transformation von Modern Commons unterstützt, was am Beispiel nachhaltiger Mobilität demonstriert wird. In eine ganzheitliche Analyse von Modern-Commons-Systemen sind die natürliche, technische, soziale, institutionelle und mentale Dimension von Infrastruktur sowie deren Wechselwirkungen einzubeziehen. Für mehrstufige Infrastruktursysteme lassen sich funktional die physische Plattform, die Programme und die Anwendungen als eigen-ständige Wertschöpfungsebenen unterscheiden, für deren Gestaltung und Betrieb ne-ben zentralen Systemanforderungen auch dezentrale Spezifika zu berücksichtigen sind. Prioritäten und Effekte können aus Akteurs-, System- und Nachhaltigkeitsperspektive im Infrastruktur-Lebenszyklus unterschiedlich bewertet werden. Der IDF empfiehlt ein iteratives Vorgehen und Kriterien, die dazu geeignet sind, Interessenkonflikte aufzuzei-gen und Beitrags- und Aneignungsdilemmata aufzulösen, und zwar insbesondere dort, wo Märkte eine nachhaltige Entwicklung von Infrastruktursystemen nicht gewährleisten können.:I. Abbildungsverzeichnis 9 II. Tabellenverzeichnis 10 1 Einleitung und Übersicht 11 1.1 Hintergrund und Bedeutung 11 1.2 Ziele und Forschungsfragen 13 1.3 Aufbau der Arbeit 17 1.4 Definitionen und Themenabgrenzung 19 1.5 Methodik und Vorgehen 27 1.6 Stand der Forschung 30 2 Commons als soziale Infrastruktursysteme 41 2.1 Ursprung, Bedeutung und Relevanz von Commons 41 2.2 Prinzipien und Merkmale von Commons-Systemen 46 2.3 Modern Commons – eine Definition und Abgrenzung 56 2.4 Physische Infrastruktur als multifunktionales Ressourcensystem 71 2.5 SES-Commons im Vergleich mit technischen Infrastruktursystemen 91 2.6 Fazit: Commons-Funktionen und Dilemmata technischer Infrastrukturen 103 3 Infrastruktur: Fundament der modernen Gesellschaft 107 3.1 Nutzen und Kosten von Infrastruktursystemen 107 3.2 Infrastruktur-Systeme und ihre Wertschöpfungsebenen 119 3.3 Epochen der infrakulturellen Ko-Evolution 143 3.4 Rollenwandel überregionaler Infrastruktursysteme 163 3.5 Infrastruktur-Entwicklung und ihre Dilemmata nach Smith 173 3.6 Grundlagen für eine Theorie der Modern Commons 199 3.7 Fazit: Dynamik von Infrastruktursystemen im kulturellen Kontext 204 4 Analyse- und Entwicklungsrahmen für Modern-Commons-Systeme 206 4.1 Designmodell einer ganzheitlichen Systemperspektive 211 4.2 Akteursperspektive in der Infrastruktur-Entwicklung 227 4.3 Kriterien für Nachhaltigkeit am Beispiel Mobilitätssektor 238 4.4 Governance für eine nachhaltige Infrakultur 251 4.5 Förderung nachhaltiger Mobilitätskultur mittels IDF 264 4.6 Fazit: Leitplanken für eine nachhaltige Infrakultur 270 5 Zusammenfassung und Implikationen 273 5.1 Kernaussagen und Ausblick 273 5.2 Implikationen für eine nachhaltige Transformation im Verkehrssektor 278 5.3 Forschungsbedarf zu nachhaltiger Infrakultur 280 5.4 Kritische Reflexion 282 Literaturverzeichnis 284 Anhang I Symposien und Vorträge im Kontext dieser Arbeit (Auszug) 318 Anhang II Abkürzungsverzeichnis 319Abstract In the design of infrastructure systems, conflicts of interest arise frequently, for which actors lack effective solution mechanisms. Therefore, a toolset with which conflicts of goals and interest can be identified and negotiated at an early stage is required. To develop such a framework, the flexible principles of Commons Governance according to Ostrom proved appropriate. On the research subject of multilevel infrastructure net-works for transport, energy and telecommunications, this dissertation transfers findings of the commons research for socio-ecological systems (SES) to socio-technical infra-structure systems (STS). Due to structural-functional parallels between commons and emergent infrastructure systems, the latter are conceptualized here as Modern Commons. Therefore, the building principles of commons and the IAD framework (Ostrom 1990) were adapted for polycentric processes of infrastructure development. Based on the AGIL scheme (Parsons 1961), basic conditions and influencing factors were examined as an infra-cultural framework for the allocation principles, legitimation mechanisms and analysis of system-effects of infrastructure development regarding sustainability. Design of infrastructure systems as collectively used cultural and economic goods, is shaped by societal goals and belief-systems that determine the roles of state, economy and civil society and prove decisive for decision making on spatial and economic value allocation. A design model for a governance process and an Infracultural Analysis and Development Framework (IDF) were outlined, which supports decision-making regarding the transformation of Modern Commons, as will be demonstrated by the example of sustainable mobility. A comprehensive analysis of Modern-Commons-Systems must include interactions of the five dimensions of infrastructure, viz. their natural, technical, social, institutional and mental dimensions. In this context, the physical platform, the programs and the applications-layer can be functionally differentiated for multi-level infrastructure systems as interdependent levels of value creation. In addition to central system requirements decentralized specifics have to be taken into account for design and operation of such systems. Priorities and effects occurring in an infrastructure life cycle will be evaluated differently depending on the perspective, regarding actors, systems and sustainability. The IDF recommends an iterative approach and criteria that are suitable for identifying conflicts of interest and resolving contribution and appropriation dilemmas, especially where markets fail to ensure the sustainable development of infrastructure systems.:I. Abbildungsverzeichnis 9 II. Tabellenverzeichnis 10 1 Einleitung und Übersicht 11 1.1 Hintergrund und Bedeutung 11 1.2 Ziele und Forschungsfragen 13 1.3 Aufbau der Arbeit 17 1.4 Definitionen und Themenabgrenzung 19 1.5 Methodik und Vorgehen 27 1.6 Stand der Forschung 30 2 Commons als soziale Infrastruktursysteme 41 2.1 Ursprung, Bedeutung und Relevanz von Commons 41 2.2 Prinzipien und Merkmale von Commons-Systemen 46 2.3 Modern Commons – eine Definition und Abgrenzung 56 2.4 Physische Infrastruktur als multifunktionales Ressourcensystem 71 2.5 SES-Commons im Vergleich mit technischen Infrastruktursystemen 91 2.6 Fazit: Commons-Funktionen und Dilemmata technischer Infrastrukturen 103 3 Infrastruktur: Fundament der modernen Gesellschaft 107 3.1 Nutzen und Kosten von Infrastruktursystemen 107 3.2 Infrastruktur-Systeme und ihre Wertschöpfungsebenen 119 3.3 Epochen der infrakulturellen Ko-Evolution 143 3.4 Rollenwandel überregionaler Infrastruktursysteme 163 3.5 Infrastruktur-Entwicklung und ihre Dilemmata nach Smith 173 3.6 Grundlagen für eine Theorie der Modern Commons 199 3.7 Fazit: Dynamik von Infrastruktursystemen im kulturellen Kontext 204 4 Analyse- und Entwicklungsrahmen für Modern-Commons-Systeme 206 4.1 Designmodell einer ganzheitlichen Systemperspektive 211 4.2 Akteursperspektive in der Infrastruktur-Entwicklung 227 4.3 Kriterien für Nachhaltigkeit am Beispiel Mobilitätssektor 238 4.4 Governance für eine nachhaltige Infrakultur 251 4.5 Förderung nachhaltiger Mobilitätskultur mittels IDF 264 4.6 Fazit: Leitplanken für eine nachhaltige Infrakultur 270 5 Zusammenfassung und Implikationen 273 5.1 Kernaussagen und Ausblick 273 5.2 Implikationen für eine nachhaltige Transformation im Verkehrssektor 278 5.3 Forschungsbedarf zu nachhaltiger Infrakultur 280 5.4 Kritische Reflexion 282 Literaturverzeichnis 284 Anhang I Symposien und Vorträge im Kontext dieser Arbeit (Auszug) 318 Anhang II Abkürzungsverzeichnis 31

Additive Fertigungsverfahren (3-D-Druck). Innovationsanalyse

Additive Fertigungsverfahren bzw. 3-D-Drucker beflügeln seit einigen Jahren viele Fantasien über die Warenproduk­tion der Zukunft. Entsprechend vielfältig sind die Vorstellungen über Leistungsvermögen, Anwendungspotenziale und Auswirkungen der additiven Fertigung. Im TAB-Arbeitsbericht Nr. 175 werden die Entwicklungen in diesem Feld sys­tematisch und wissenschaftlich fundiert dargestellt und bewertet, um einerseits eine realistische Einschätzung der Potenziale zu liefern und Wege aufzuzeigen, wie sie gegebenenfalls besser genutzt werden können, und um andererseits einen differenzierten Blick auf mögliche gesellschaftliche und ökologische Auswirkungen dieser Technologie zu erlauben. Im vorliegenden Bericht wird ein breit angelegter Ansatz verfolgt. Es werden technologische, ökonomische und ökologische Fragestellungen behandelt und die Technologien und Verfahren hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Auswirkungen sowie Risiken für die innere und äußere Sicherheit beleuchtet. Darüber hinaus werden auch die rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen (Schutz des geistigen Eigentums, Haftungsfragen) thematisiert. Angesichts der potenziell enormen Bedeutung der additiven Fertigung für die internationale Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft des produzierenden Gewerbes in Deutschland liegt ein besonderer Fokus des TAB-Arbeitsberichts auf den absehbaren Entwicklungen bei der industriellen Anwendung. Inhalt Zusammenfassung 9 I. Einleitung 29 II. Anwendungen, Potenziale und Visionen 35 1. Anwendungen im industriellen und gewerblichen Bereich 36 1.1 Prototypen- und Werkzeugbau 37 1.2 Maschinen- und Anlagenbau, Automatisierungstechnik 38 1.3 Luft- und Raumfahrt 39 1.4 Automobilindustrie 42 1.5 Elektronik 44 1.6 Medizin 45 1.7 Architektur und Bauindustrie 49 1.8 Kreativbranchen 50 1.9 Bekleidungs- und Sportartikelindustrie 51 1.10 Spielwarenindustrie 52 1.11 Nahrungsmittelindustrie 53 1.12 Wissenschaft und Ausbildung 54 1.13 Rüstungsindustrie und Streitkräfte 55 2. Anwendungen im privaten Bereich 56 2.1 3-D-Drucker und die Makerbewegung 57 2.2 Kosten und Leistungsvermögen aktueller 3-D-Drucker 58 2.3 Entwicklungen im Umfeld des privaten 3-D-Drucks 59 3. Fazit 62 III. Stand der Technik und der Forschung 65 1. Überblick zu Verfahren und Materialien 65 2. Kunststoffe 68 2.1 Schmelzschichtverfahren 68 2.2 Stereolithografie 70 2.3 3-D-Druckverfahren 72 2.4 Selektives Lasersintern/Laserschmelzen 73 2.5 Schichtlaminatverfahren 74 3. Metalle 74 3.1 Selektives Lasersintern/Laserschmelzen 74 3.2 Elektronenstrahlschmelzen 76 3.3 3-D-Druckverfahren 76 3.4 Schichtlaminatverfahren 77 3.5 Fluidic Force Microscopy 77 4. Keramik 77 4.1 Lithography-based Ceramic Manufacturing 78 4.2 Selektives Lasersintern 78 4.3 Solarsintern 78 4.4 Keramiken aus polymeren Vorläufersubstanzen 78 5. Baustoffe/Beton 79 5.1 D-Shape 79 5.2 Concrete Printing 80 5.3 Contour Crafting 81 6. Herausforderungen und Limitationen 82 6.1 Produktqualität 82 6.2 Anlagenperformance/Integration in Prozessketten 84 IV. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 87 1. Status quo und Entwicklungsperspektiven 88 1.1 Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 88 1.2 Marktentwicklung 90 1.3 Förderaktivitäten im internationalen Vergleich 94 1.4 Betrachtung von Entwicklungsperspektiven mittels Publikations- und Patentanalysen 101 2. Entwicklungen, Potenziale und Hemmnisse fü die Diffusion in die industrielle Praxis 114 3. Gestaltungsfelder 130 3.1 Anwenderbasis verbreitern 131 3.2 Barrieren abbauen 132 3.3 Inhaltliche Schwerpunkte setzen 135 3.4 Das Verständnis von Innovation erweitern 138 3.5 Die Förderung in übergeordnete Zielsetzungen einbetten 139 4. Zusammenhang und Priorisierung von Handlungsoptionen 141 V. Wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Auswirkungen 145 1. Ökonomische und sozioökonomische Auswirkungen 146 1.1 Substitution von konventionellen Erzeugnissen und Fertigungsverfahren 146 1.2 Verlagerung der Produktion 148 1.3 Auswirkungen auf Produktionskonzepte und Logistik 149 1.4 Arbeitsplatz- und Beschäftigungseffekte 152 1.5 Qualifizierungsbedarfe und -möglichkeiten 155 1.6 Wirtschaftliche Auswirkungen des privaten 3-D-Drucks 159 2. Ökologische Wirkungen der additiven Fertigung 161 2.1 Positive ökologische Effekte 162 2.2 Negative ökologische Effekte 163 2.3 Stand der Forschung 164 3. Risiken für die Gesellschaft 168 3.1 Gesundheitliche Risiken bei der Verwendung von additiven Fertigungsanlagen bzw. 3-D-Druckern 168 3.2 Risiken der additiven Fertigung für die innere und äußere Sicherheit 173 3.3 Fehlerhafte Produkte aus additiver Fertigung 181 VI. Rechtliche Rahmenbedingungen und Herausforderungen 183 1. Schutz des geistigen Eigentums 183 1.1 Schutzfähigkeit für digitale 3-D-Modelle und Fertigungsvorlagen für die additive Fertigung 185 1.2 Schutz vor Nachahmung bestehender Produkte durch additive Fertigungsverfahren 188 1.3 Mögliche Anspruchsgegner 192 1.4 Zwischenfazit 194 2. Produktsicherheit 195 3. Haftungsrechtliche Aspekte 198 3.1 Fehlerhafte Produkte aus additiver Fertigung 199 3.2 Wer steht haftungsrechtlich in der Verantwortung? 201 3.3 Haftungsrechtliche Verantwortung von Privatpersonen 206 3.4 Zwischenfazit 209 4. Waffenherstellung mit additiven Fertigungsverfahren 210 5. Fazit 212 VII. Resümee und Handlungsfelder 215 1. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 215 1.1 Technologien weiterentwickeln 216 1.2 Anwenderseitige Diffusion stärken 217 1.3 Folgenforschung stärken 220 1.4 Risiken für Dual-Use-Anwendungen beobachten 222 2. Privater 3-D-Druck 222 2.1 Verbraucherschutz für Erzeugnisse aus privater Herstellung stärken 223 2.2 Gesundheitliche Risiken durch Emissionen von 3-D-Druckern evaluieren 223 2.3 Entwicklung der privaten additiven Waffenherstellung beobachten und gegebenenfalls Waffenrecht anpassen 223 Literatur 225 1. In Auftrag gegebenes Gutachten und Horizon-Scanning 225 2. Weitere Literatur 225 Anhang 237 1. Abbildungen 237 2. Tabellen 238 3. Abkürzungen 239 4. Qualitative Experteninterviews 240 5. Liste der teilnehmenden Experten am Workshop 24

Wechselwirkungen von Mobilität und Raumentwicklung im Kontext gesellschaftlichen Wandels

Die Verkehrsentwicklung der letzten Jahrzehnte in Deutschland war vor allem von einer Zunahme der zurückgelegten Strecken und einer Zunahme des PKW-, LKW- und Luftverkehrs geprägt. Die damit verbundenen negativen Konsequenzen waren seit mindestens 30 Jahren Anlass, neue Planungskonzepte für Verkehrsvermeidung, Verkehrsverlagerung und kompatibleres Verkehrsmanagement zu entwickeln. Deutliche Erfolge zeigen sich allein hinsichtlich einer verträglicheren Abwicklung, punktuelle Erfolge hinsichtlich der Verkehrsverlagerung, allerdings bei gleichzeitiger Zunahme der zurückgelegten Distanzen, die sich aus zahlreichen, gesellschaftlich erwünschten Entwicklungen speist. Die Beiträge des Forschungsberichtes befassen sich mit den vielfältigen Wechselwirkungen von Mobilität und räumlicher Entwicklung vor dem Hintergrund sozialer und technologischer Veränderungen. Die Themen werden sowohl theoretisch-konzeptionell als auch anhand konkreter Beispiele aufgegriffen, um schließlich Schlussfolgerungen für Politik, Planungspraxis und Forschung ableiten zu können.The development of traffic in Germany in recent decades has been characterised above all by an increase in the distances travelled and an increase in car, truck and air traffic. For at least 30 years, the associated negative consequences have prompted the development of new planning concepts for traffic avoidance, modal shift and more compatible traffic management. Significant successes can be seen only with regard to more compatible traffic management. Selective successes are seen with regard to modal shift but with a simultaneous increase in the distances covered, which is fed by numerous, socially desirable developments. The contributions of the research report deal with the manifold interactions of mobility and spatial development against the background of social and technical changes. The topic is addressed both theoretically and conceptually, as well as by means of concrete examples, in order to be able to derive conclusions for policy, planning practice and research