Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik

Forschung an der Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik (FK7)

Die Forschung im Bereich des Maschinenbaus und der Sicherheitstechnik ist vielfältig und durch einen stark interdisziplinären Charakter, weit über die Fakultätsgrenzen hinaus, gekennzeichnet. Sie steht im Einklang mit der Profilarchitektur der Forschungsschwerpunkte der Bergischen Universität Wuppertal. Die Forschung der einzelnen Fachgebiete, Institute und Lehrstühle an der Fakultät FK7 fokussieren dabei sowohl auf die Grundlagenforschung als auch die anwendungsnahe Forschung.

Grundlagenforschung: Die Wirtschaftsleistung und der daraus resultierende Wohlstand unserer Gesellschaft basiert auf Wissen, Technologien und Innovationen. Das Ziel der Grundlagenforschung an der Fakultät 7 ist es, zu neuen Erkenntnissen zu gelangen, um so die Grenzen des „technisch Realisierbaren“ zu verschieben. Mit diesem Wissen lassen sich neue Technologien entwickeln, die zukünftig notwendig werden, insbesondere für die Einhaltung der Klimaziele und ohne Verzicht auf Wohlstand.

Anwendungsnahe Forschung und Kooperation: Zur Umsetzung der anwendungsnahen Forschung besteht eine enge Bindung zu regionalen und überregionalen Unternehmen. Zusammen mit Unternehmen gilt es, aktuelle Forschungsfragen durch direkt aus der Wirtschaft finanzierte Vorhaben oder durch öffentlich geförderte Vorhaben zu beantworten.

Einen Baustein für diese anwendungsnahe Forschung bietet die Möglichkeit zur Durchführung von studentischen Arbeiten (Bachelorarbeiten, Masterarbeiten) oder Industriepromotionen, die in enger Kooperation zwischen den Unternehmen und dem betreuenden Fachgebiet an der FK7 erfolgen. Durch die Möglichkeit von Praktika und studentischen Arbeiten können Unternehmen schon frühzeitig auf sich als attraktive Arbeitgeber aufmerksam machen und so dem zunehmenden Druck des Fachkräftemangels begegnen. Nachstehend sind Möglichkeiten zur Forschungskooperation mit der Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik aufgelistet.

  • Praktika
  • Studentische Arbeiten nach Themenabsprache und Umfang
  • Industriepromotionen
  • Direktfinanzierte Vorhaben - Auftragsforschung
  • Forschungsförderung durch öffentlich geförderte Träger
  • Gutachten

Weitere Informationen können Sie der Forschungsprojektdatenbank und der Forscher*innen-Datenbank (nur Intern zugänglich) entnehmen.

Folgende Sustainable Development Goals (SDG) stehen im Fokus der Forschung an der Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik

Institut für Sicherheitstechnik (IST)

Das Institut IST soll die unterschiedlichen Fachgebiete der Sicherheitstechnik und andere relevante Disziplinen zusammenführen. Die Aufgaben orientieren sich dabei an den Zielen einer wissenschaftstheoretischen und methodologischen Weiterentwicklung der Sicherheitstechnik und einer verstärkten Integration sicherheitswissenschaftlicher Ansätze in wichtigen Risikofeldern. Ziel ist dabei auch die Bereitstellung von Forschungsstrukturen, die flexibel und problembezogen sicherheitstechnische und sicherheitswissenschaftliche Fragestellungen bearbeiten. Hierzu steuert und koordiniert das Institut die Kooperation und Kommunikation und versteht sich aus dieser Sicht auch als Element eines sicherheitstechnischen Netzwerkes nationaler und internationaler Kompetenz.

Institut für Sicherungssysteme ISS

Das Institut für Sicherungssysteme ISS widmet sich grundlegenden Fragestellungen zum Schutz von Mensch und (kritischen) Infrastrukturen. Das sind z. B. ganz konkret die deutschen Übertragungsnetze, die das Rückgrat unserer Energieversorgung in Deutschland und auch Europa bilden. Das Institut arbeitet gemäß der Vision der Institutsgründer theorie- und modellorientiert auf dem Gebiet der Grundlagenforschung für Sicherungssysteme. Es leistet so einen Beitrag zur internationalen Forschung und bringt seine Methoden- und Systemkompetenz für die Bewertung und Optimierung von Sicherungssystemen in gesellschaftlich relevante Anwendungsfelder ein. Gleichzeitig pflegen wir sehr gute Beziehungen zu regionale Unternehmen insbesondere der Schloss- und Beschlagindustrie und initiieren Innovationsprozesse.

Zentrale strategische Forschungs- und Arbeitsfelder des Instituts sind:

• sicherheitsbezogene Risiko- und Szenarioanalysen an kritischen Infrastrukturen
• Entwicklung von Sicherheitsmetriken für die objektive und quantitative Bewertung und Optimierung von Sicherungssystemen
Cost-Benefit-Analysen von Sicherungsmaßnahmen
• Risikoabwägungen z.B. im Zusammenhang mit widersprüchlichen Anforderungen an Safety und Security oder KI-unterstützten Entscheidungen
innovative Sicherungssysteme

Institut für Partikeltechnologie (IPT)

Mit der Einrichtung des Instituts verfolgt die Bergische Universität Wuppertal das Ziel, ein fachbereichsinternes Kompetenzzentrum für die Forschung bezogen auf wissenschaftlich-technische Aspekte verfahrenstechnischer Prozesse disperser Systeme zu etablieren. Zur Erreichung der Ziele nimmt das Institut u.a. die folgenden Aufgaben im Themenschwerpunkt Partikeltechnologie wahr:

  • Einwerbung von Drittmittel zur Durchführung wissenschaftlichen Aktivitäten
  • Durchführung von disziplinärer, interdisziplinärer und transdisziplinärer Forschung
  • Unterstützung des Technologietransfers
  • Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses im Forschungsgebiet des Instituts

Lehrveranstaltungen werde vom Fachgebiet Sicherheitstechnik/Umweltschutz angeboten.

Institut für Produktinnovationen (IPI)

Entsprechende Anfragen zu Forschungsfragen im Bereich des Maschinenbaus und der Produktentwicklung können auch gerne an das Institut IPI gestellt werden. Das IPI ist ein Ansprechpartner für Unternehmen der Region, wenn es um eine wissenschaftlich fundierte Begleitung innovativer Ansätze und um eine agile Umsetzung technischer Produktideen geht. Das Institut verfolgt dabei einen interdisziplinären Ansatz und bündelt die Kompetenzen der FK7 in den Bereichen Konstruktion, Design, Fertigungstechnik, Strömungsmechanik, Materialwissenschaften, Qualitätswesen, Innovationsmanagement und Produktsicherheit.

Unter dem Dach der FK7 bündelt das IPI die Kompetenzen in den Themenbereichen Nachhaltigkeit, Digitalisierung und Innovationen. Im Kontext der Nachhaltigkeit werden Strategien für eine nachhaltige Produktentwicklung und Hilfsmittel zur Bewertung von Nachhaltigkeitsaspekten in frühen Konzeptphasen erarbeitet. Zudem werden in dem Forschungsschwerpunkt „Digitalisierung“ Methoden und Strategien, Gestaltungsrichtlinien und Baukästen für eine erfolgreiche IoT-Integration und Konzepte des Smart Engineerings in frühen Konzeptphasen erarbeitet. Die dritte Forschungssäule umfasst die disruptive Produktinnovation für cyber-physische Systeme, risikointensive Vorentwicklungen neuartiger Produktkonzepte und die Erarbeitung von Methoden und Werkezuge für radikale Produktinnovationen.

Arbeitswissenschaften

Übergreifendes Forschungsziel des Fachgebiets „Arbeitswissenschaft“ ist es, zu einem differenzierten arbeitswissenschaftlichen Verständnis der wechselseitigen Zusammenhänge von Arbeit einerseits und Arbeits- und Beschäftigungsfähigkeit andererseits zu gelangen – zum Nutzen von Politik, Wirtschaft, Forschung und nicht zuletzt der Beschäftigten selbst.

Bevölkerungsschutz, Katastrophenhilfe und Objektsicherheit (BuK)

Am Fachgebiet für Bevölkerungsschutz, Katastrophenhilfe und Objektsicherheit (BuK) werden vielfältige Themen aus dem Bereich der zivilen Sicherheitsforschung adressiert. In drei Forschungsgruppen werden u. a. Aspekte der Organisation der Gefahrenabwehr und des Managements von Schadenslagen, der Resilienz von Kritischen Infrastrukturen sowie räumlicher Kontexte von Risiko und Sicherheit behandelt. Wissenschaftler*innen aus den Ingenieur- und Sozialwissenschaften forschen interdisziplinär zu technologischen, gesellschaftlichen und sicherheitsbezogenen Fragestellungen in diesen Feldern. Dies beinhaltet zum Beispiel die Sicherheit auf Großveranstaltungen, die Wahrnehmung von Sicherheitsrisiken, die Einbindung digital freiwilliger Helfer*innen in das Krisenmanagement, Stabsarbeit oder die Untersuchung von Interdependenzen kommunaler Infrastrukturen.

Branddynamik

Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Brandausbreitungsberechnung mit CFD. Dabei können z.B. die Modellierung und die verfügbaren Randbedingungen erheblich den Verlauf der Brandausbreitung beeinflussen.

Wichtige Themen sind z.B.:

  • Adaptive Strahlungsmodellierung für Brandsimulationen
  • Detailierte Pyrolysemodellierung
  • Interaktion von Verbrennungsmodellierung und Flammenstrahlung bei Flammenlöschung
  • Nicht-deterministische (Strömungs-) Berechnungen für die Betrachtung von
  • Unsicherheiten in der Berechnung
  • Inverse Modellierungsansätze für die Herleitung von Modellparametern und Modellen
  • Machine Learning für schnelle Brandsimulationen mit reduzierter Ordnung

Chemische Sicherheit und Abwehrenden Brandschutz (ABS)

Die Forschungsaktivitäten des konzentrieren sich auf die drei Arbeitsgebiete „Chemische Sicherheit“, „Gefahrenmanagement“ und „Konzeptioneller Brandschutz“.

  • Chemische Sicherheit:

Chemische Reaktionen und Prozesse sind die Basis aller Brandereignisse, ihrer Folgen und Interventionsmöglichkeiten. Die chemische Energie des Systems Brandgut/Oxidationsmittel wird nach Überwindung der Aktivierungsenergie freigesetzt, die dabei auftretenden Wärmefreisetzungsraten sind über die Reaktionsgeschwindigkeit u. a. von der Reaktionskinetik abhängig. Insbesondere die in verschiedenen Phasen freiwerdenden Stoffe und Stoffströme sind primär ursächlich für die entstehenden wesentlichen Personen- und Sachschäden. Die Schäden durch Brandrauch übersteigen die oxidationsbedingten Brandschäden um Größenordnungen.

  • Gefahrenabwehrmanagement:

Bei der Gefahrenabwehr sind in sehr kurzer Zeit methodische Entscheidungen mit z. T. erheblichen Auswirkungen zu treffen. Organisationswissenschaftlich werden für das unternehmerische Management Werkzeuge entwickelt, die die Lösung ähnlicher Entscheidungssituationen in Betrieben verbessern sollen, z. B. im Projektmanagement. Die methodische Entscheidungsfindung hat bei der Brandbekämpfung unmittelbare qualitative und quantitative Auswirkungen auf den entstehenden Schaden.

  • Konzeptioneller Brandschutz:

Bei der Erstellung von Brandschutzkonzepten soll das Risiko durch Zusammenwirken vorbeugender baulicher, anlagentechnischer und organisatorischer Maßnahmen auf ein gesellschaftlich toleriertes Maß sinken. Die Wechselwirkungen mit Maßnahmen des abwehrenden Brandschutzes sind bisher überwiegend nur empirisch-traditionell und tradiert untersetzt.

Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung

Das Fachgebiet "Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung" beschäftigt sich mit Fragestellungen im Bereich der Mechanik. Hierbei spielt die Kontinuumsmechanik eine zentrale Rolle. Die Forschungsschwerpunkte liegen in der Materialmodellierung, insbesondere in multiphysikalischen und nichtlinearem Materialverhalten. In interdisziplinären und internationalen Teams werden Forschungsarbeiten zu den nachfolgend aufgelisteten Themen durch geführt:

  • Computermodellierung von Materialverhalten
    • Metalle
    • Polymere
    • Komposite
    • Auxetizität
    • gekoppelte Probleme
    •  Metallumformungsverfahren
  •     Multiskalige Mechanik
  •     Biomechanik
    •         Schildkrötenpanzer
    •         Skelettmuskulatur
    •         Zähne
  •     Makromechanik
  •     Mikromechanik
  •     Nanomechanik
  •     Kontinuumsmechanik
    •         Elastizität
    •         Plastizität
    •         Schädigung, Materialversagen
    •         Wärmeleitung
    •         Diffusion

Konstruktion

  • Entwicklung von Mehrgelenksystemen
  • Qualitätsmanagement in der Entwicklung
  • Robustes Design mechatronischer Produkte
  • Toleranzanalysen und Toleranzmanagement
  • Virtuelle Produktentwicklung: Methoden und Werkzeuge

Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe

Der Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe beschäftigt sich in seiner anwendungsnahen Forschung mit der Entwicklung von metallischen Werkstoffen, metall-keramischen Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunde unter Einbezug der relevanten Fertigungsverfahren. Die Entwicklung neuer Werkstoffe wird dabei häufig durch die Einsparung kritischer Rohstoffe, die Erarbeitung neuer Werkstoffkonzepte mit verbesserten Eigenschaften oder durch eine verbesserte Ressourceneffizienz motiviert. Im Bereich der Grundlagenforschung gilt es, den Zusammenhang zwischen den fertigungsbedingten Gefügebildungsprozessen und die damit verbundenen Eigenschaften, von dem erzeugten Bauteil und den darin enthaltenen Einzelphasen zu verstehen. Diese grundlegenden Zusammenhänge zwischen der genutzten Fertigungstechnologie, dem sich bildenden Gefüge und die damit verbundenen Materialeigenschaften sollen nachfolgend für industrielle Zwecke nutzbar gemacht machen. Nachfolgend sind die wesentlichen Forschungsschwerpunkte aufgelistet:

  • Entwicklung von Werkstoffen für die Additive Fertigung
  • Wekstoffdesing mittels moderner Methoden der Werkstoffsimulation
  • Eigenschaften einzelner Gefügebestandteile
  • Werkzeugstähle und Wärmebehandlung
  • Verschleiß- und korrosionsbeständige Werkstoffe auf Fe-, Ni- und Co-Basis
  • Ressourceneffizienz in der Werkstofftechnik

Produktsicherheit und Qualität

Unternehmen stehen zunehmend im komplexen Wettbewerbsumfeld; gesetzliche Rahmenbedingungen bzw. der Druck des Marktes bedingen eine stetig wachsende Forderungsvielfalt. Die forderungsgerechte Steuerung von Unternehmen in Abhängigkeit von wechselnden Umfeldbedingungen bildet daher langfristig den Kern der Forschung im FG PSQ:

  • Ein Management statt vieler
  • Die richtige Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort
  • Kundenansprüche effizient umsetzen
  • DeCoDe – Demand Compliant Design
  • Kompetenzen gezielt erkennen und in Qualität umsetzen
  • Model Based Systems Engineering
  • Sicherheitsgerechte Produktentwicklung und IoT
  • Sichere Gestaltung mit natürlichen Materialien
  • Gezielte Entwicklung und Anwendung geeigneter Methoden und Instumentarien in allen Schwerpunkten

Fokus der Forschung am Fachgebiet Prozess- und Anlagensicherheit ist die Entwicklung von Lösungsansätzen zur sicheren Gestaltung und Betriebsführung komplexer Anlagen bei gleichzeitig stärkerer Verschaltung, Automatisierung und Optimierung prozesstechnischer Anlagen. Aus diesem Grund werden am Fachgebiet die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Prozesstechnik adressiert und dabei eine Erweiterung der klassischen Prozess- und Anlagensicherheit um die zukünftigen gesellschaftlichen Herausforderungen wie der Energie- und Ressourceneffizienz, der Energiewende und Industrie 4.0/Digitalisierung von komplexen Anlagen vorgenommen. Ein wesentliches Merkmal der Arbeit am Fachgebiet ist eine Ausrichtung auf interdisziplinäre, ganzheitliche Forschungsansätze. Dabei wird sowohl die Sicherheit als auch die Nachhaltigkeit als integraler Bestandteil der Prozesstechnik verstanden, welche gesamtheitlich zur Optimierung der Anlage zu betrachten sind. Neben den theoretischen Entwicklungen steht bei den Arbeiten am Fachgebiet stets die Anwendbarkeit an realen technischen Prozessanlagen im Fokus.

Forschungsschwerpunkte:

  • Systematische & ganzheitliche Sicherheitsbetrachtung unter Berücksichtigung der aktuellen und zukünftigen Herausforderungen
  • Bewertung der Nachhaltigkeit von Anlagen und Identifikation von Verbesserungspotentialen                   
  • Optimierung von Prozessleitystemen unter Berücksichtigung der Mensch-Maschine-Schnittstelle  
  • Modellierung von Störfallszenarien und deren Auswirkungen     

Sicherheits- und Qualitätsrecht

Im Fachgebiet Sicherheit- und Qualitätsrecht werden fördernde und hemmende Faktoren für die Durchführung eigenmotivierter, verhältnis- und verhaltenspräventiver Maßnahmen, erforscht. Hierzu werden, in Bezug auf Verhaltensprävention, u. a. Gesichtspunkte der Selbstwirksamkeitserwartung, der Motivation, der Ressourcen, der zeitlichen Nähe und des Ausmaßes der Wirkung des Handelns sowie der Werte und Ziele von Erwerbstätigen hinsichtlich ihrer hemmenden und fördernden Wirkung betrachtet. Gewonnene Erkenntnisse zu eigenmotiviertem Handeln von Erwerbstätigen, sozusagen „im Schatten“ gesetzlicher Verpflichtungen, sind besonders relevant mit Blick auf die Zunahme und Veränderung von Formen flexibler Erwerbstätigkeit. Damit verbunden stellt sich die Frage, wie hiervon betroffene Erwerbstätige wirksamer durch Präventionsdienstleistungen erreicht werden können. Durch interdisziplinäre Betrachtungen der Grundelemente des Arbeitsschutzes und der Betrieblichen Gesundheitsförderung unter Einbeziehung arbeitspsychologischer und sonstiger wissenschaftlicher Erkenntnisse soll ein übergreifendes Bild der informellen Prävention jenseits des Vorschriften- und Regelwerks innerhalb und außerhalb von Betrieben entwickelt werden.

Strömungsmechanik

Viele industrielle Prozesse sind gekennzeichnet durch eine Kopplung von Impuls-, Wärme- und Massentransport in Mehrphasen-Systemen. Unser Hauptforschungsgebiet ist daher die mathematische Beschreibung und experimentelle Untersuchung von mehrphasigen Strömungen bzw. Transportvorgängen. Die Forschung erstreckt sich dabei über den Mikro- bis hin zum Makromaßstab in industriellen Anlagen und Apparaten. Neben klassischen numerischen Methoden (Computational Fluid Dynamics, Smooth Particle Hydrodynamics) kommen Machine Learning Verfahren zum Einsatz. Anwendungen finden die Methoden in der Verfahrens-, Umwelt, Prozess- und Automobiltechnik.

Umweltsicherheit

Das Fachgebiet Sicherheitstechnik/Umweltschutz beschäftigt sich in der Lehre mit einer Vielzahl umweltrelevanter Fragestellungen aus den Bereichen Luft, Boden, Wasser und Abwasser. Zusätzliche Anknüpfungspunkte bestehen bei der Arbeitssicherheit und beim Brand- und Explosionsschutz. Neben verschiedenen Projekten für kleine, mittelständische und große Unternehmen werden auch umfangreiche Messkampagnen und Untersuchungen für Länder, kommunale Betriebe und Kommunen durchgeführt.

Die Forschungsaktivitäten des Fachgebietes werden primär über das Institut für Partikeltechnologie IPT betrieben.

Verkehrssicherheit und Zuverlässigkeit

Die Forschungstätigkeiten des Fachgebietes für Verkehrssicherheit und Zuverlässigkeit fokussieren sich auf

  • Funktionale Sicherheit und Verkehrsflussdynamik von Fahrerassistenzsystemen und automatisierten Fahrfunktionen,
  • Modellierung und Simulation von Straßenverkehrsströmen, gemischten Stadtverkehr und Menschenmengen,
  • Data Science für die Verkehrs- und Zuverlässigkeitstechnik (Schwerpunkte: Digitalisierung, Industrie 4.0 und maschinelles Lernen),
  • Verkehrssicherheit, insbesondere die Sicherheit von ungeschützten Verkehrsteilnehmern wie Fußgängern und Radfahrern im Stadtverkehr.

Dafür werden mathematische und physikalische Ausfall- und Bewegungsmodelle, datenbasierende Algorithmen und Simulationswerkzeuge entwickelt, analysiert, statistisch kalibriert und numerisch untersucht. Unsere Forschungstätigkeit versteht sich als eine multidisziplinäre Schnittstelle der Sicherheitstechnik zwischen Verkehrssicherheit, Zuverlässigkeitstechnik, Mathematik, Physik, Informatik, Sozialwissenschaften und Datenwissenschaften.

Werkstoffe für die Additive Fertigung

Fachlich adressiert die Forschung am Lehrstuhl eine Kombination aus Materialwissenschaft, Lasertechnik, Fertigungstechnik, Technischer Chemie und Partikeltechnik. Es soll die Prozesskette von der skalierbaren Herstellung von Pulvern über deren Anwendung im 3D-Druck bis zur Bauteilfunktionalität untersucht werden. Unsere Forschung wird angetrieben von dem Ziel, die hervorragenden Eigenschaften funktionaler Nanopartikel in Pulvermaterialien, Demonstratoren und Produkten für den 3D-Druck nutzbar zu machen. Um die ganze Prozess- und Wirkkette der Additiven Fertigung bis hin zu den Werkstoffeigenschaften erstmals in einem holistischen Ansatz zu erforschen und die Eigenschaften von Produktinnovationen gezielt durch Nanopartikel-Additivierung zu kontrollieren, unterteilt sich die Forschung am Lehrstuhl in die folgenden drei Gruppen bzw. Themengebieten:

  • Herstellung funktionaler Partikel
  • Additive Fertigung – Metalle
  • Additive Fertigung - Polymere

Zuverlässigkeitsanalytik und Risikoforschung

Die Schwerpunkte der Forschungsprojekte, Industriekooperationen und Lehrveranstaltungen sind die Zuverlässigkeitsanalytik und Risikoforschung bei komplexen technischen Produkten und Produktionsprozessen. Im Zentrum steht die Datenanalyse bei Produktentwicklung/–erprobung sowie Produktherstellung und –nutzung.

  • Zuverlässigkeitsanalytik und Risikoforschung zur Schadensprävention bei technisch komplexen Produkten und Produktionsprozessen.
  • Entwicklung von statistischen Modellen zur Abbildung des Ausfallverhaltens technisch komplexer Produkte auf Basis von Entwicklungs- und Erprobungsdaten
  • Analyse von Produktionsprozessdaten im Hinblick auf Produktionsprozessbeherrschung und Qualitätsfähigkeit
  • Mess- und Prüfprozessdatenanalyse in Entwicklung, Produktion und Feldbeobachtung (Produktbewährung)
  • Analyse von Prüfprozesseignung, Maschinenfähigkeit und Prozessfähigkeit
  • Entwicklung von Zuverlässigkeitsmodellen zur Prognose von Schadensfällen und Schadensquoten im Hinblick auf die Produktnutzungsphase (Feldeinsatz)
  • Prognosen und Potentiale zur Ressourcenschonung und Klimaverträglichkeit für eine nachhaltigkeitsorientierte Produktentwicklung und Produktionsprozessoptimierung
  • Analysen zum Wissensmanagement für ressourcenschonende und klimaverträgliche Produktentwicklung und Produktionsplanung unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit.

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