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E-Book

Handbuch Industrie 4.0 Bd.2

Automatisierung

VerlagSpringer Vieweg
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl647 Seiten
ISBN9783662532485
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis64,73 EUR

Mit der Neuauflage des erfolgreichen Werkes wird die Geschichte der vierten industriellen Revolution fortgeschrieben und der Dynamik Rechnung getragen, mit der diese Vision in den vergangenen zwei bis drei Jahren weiterentwickelt und verwirklicht wurde.

Experten aus Wissenschaft und Technik beleuchten verschiedene Facetten der Industrie 4.0  sowohl aus akademischer als auch aus praktischer Sicht und schaffen gleichermaßen einen Überblick über den Stand der Technik und die Vision selbst. Dies gelingt nicht zuletzt mit einer guten Mischung aus wissenschaftlichen Erkenntnissen, Praxisbeispielen und Übersichtsbeiträgen. Thematisch reicht das Spektrum  von Basistechnologien (z. B. cyber-physische Systeme) über Integrations- und Migrationsansätze bis hin zu Geschäftsmodellen und Dienstleistungen. Zudem werden neben der Datensicherheit auch rechtliche Aspekte thematisiert.

Die zweite Auflage wurde bearbeitet und erweitert, erscheint nun in 4 Bänden. Dieser zweite Band beinhaltet neue und bearbeitete Beiträge zur Automatisierung.

 

Online ist dieses Nachschlagewerk auch über Springer Reference verfügbar.



Professor Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser leitet den Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme der Technischen Universität München.

                                                                                                                                                   

Professor Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl leitet das Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF der Universität Stuttgart und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. Er ist Mitglied im Strategiekreis Plattform Industrie 4,0 der Bundesregierung sowie stellvertretender Vorsitzender des Lenkungskreises Allianz Industrie 4.0 BW.


Professor Dr. Michael ten Hompel ist Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik (gf) und des Fraunhofer ISST und Ordinarius des FLW der TU Dortmund. Zuvor gründete er das Software-Unternehmen GamBit, das er bis zum Jahr 2000 führte. Er gilt als einer der Väter des Internet der Dinge, ist Mitglied der 'Logistik Hall of Fame' und wissenschaftlicher Beirat der nationalen Plattform Industrie 4.0.<

 

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort des Verlags8
Vorwort zur 2. Auflage10
Herausgeber und Autoren13
Die Herausgeber13
Die Autoren13
Inhaltsverzeichnis39
Mitarbeiterverzeichnis43
Teil I: Industrie-4.0-Anwendungsszenarien47
Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung48
1 Das Internet der Dinge in der industriellen Produktion48
1.1 Sichtweisen des Internet der Dinge48
2 Technologieparadigmen zur Verringerung der Medienbrüche in der Fabrik50
2.1 Das intelligente Produkt51
2.2 Die intelligente Maschine52
2.3 Der assistierte Bediener53
3 Anwendungsbeispiele54
3.1 Öffentlich geförderte Forschungsprojekte54
3.2 Anwendungsfall Intralogistik54
3.2.1 Motivation und Szenario55
3.2.2 Nutzenbetrachtung57
3.2.3 Umsetzung57
3.3 Produktionsplanung und Eskalationsmanagement59
3.3.1 Motivation und Szenario59
3.3.2 Nutzenbetrachtung61
3.3.3 Umsetzung61
3.4 Verteilte Anlagensteuerung in der SmartFactoryKL62
3.4.1 Motivation und Szenario63
3.4.2 Nutzenbetrachtung65
3.4.3 Umsetzung65
4 Bewertung und Ausblick66
4.1 Kerninnovation bei Industrie 4.0 spezifischer Produktionsoptimierung66
4.2 Zentrale Rolle des Menschen68
4.3 Notwendigkeit von Infrastruktur69
4.4 Stufen der Fabrikprozessoptimierung durch Informationsverfügbarkeit71
5 Zusammenfassung72
Literatur73
Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen75
1 Industrie 4.0 Demonstrator MyJoghurt75
2 Szenarien und daraus resultierende Herausforderungen77
2.1 Produktion: Auftragserteilung und -verteilung78
2.2 Sicherung der Produktqualität79
2.3 Prozessoptimierung80
2.4 Diagnose81
2.5 Rekonfiguration82
3 Aufbau des Demonstrators und prinzipieller Ablauf83
4 Agentenbasierter Kopplungsansatz der Modellfabriken84
Literatur87
Anwendungsbeispiele zur Integration heterogener Steuerungssysteme bei robotergestützten Industrieanlagen89
1 Einleitung89
2 Programmierung91
2.1 Online-Programmierung91
2.2 Offline-Programmierung92
2.3 Programmieren auf Taskebene und skillbasierte Programmierung93
3 Kommunikation und Integration von Sensoren und Aktoren95
3.1 Sensorgeführte Positionierung von Robotersystemen im Umfeld großer Typenvielfalt96
3.2 Einsatz von OPC UA100
4 Fazit100
Literatur101
„Plug and Produce`` als Anwendungsfall von Industrie 4.0103
1 Der Einfluss von Industrie 4.0 auf die Automation103
2 „Plug and Produce`` für industrielle Steuerungsprozesse106
3 „Plug and Produce`` für industrielle Echtzeitnetzwerke110
4 Zusammenfassung114
Literatur114
Teil II: Cyber-physische Systeme im Betrieb116
Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyber-physische Systeme117
1 Einleitung117
2 Herausforderungen in der Produktionssteuerung118
3 Kollaborationsproduktivität in cyber-physischen Systemen121
4 Ansätze zu Industrie 4.0 im Management122
4.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen123
4.2 Cloudbasierte und echtzeitfähige Simulation der Abläufe in der Produktion125
4.3 Interaktive Visualisierungen in der Produktion126
4.4 Schnelle Umsetzung durch Transparenz und Kommunikation127
5 Anwendungsszenarien130
5.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen130
5.2 Mensch-Maschine-Interaktion132
Literatur134
Agentenorientierte Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Indu...135
1 Motivation135
1.1 Reduzierung der Losgröße und Flexibilisierung der Produktion135
1.2 Beschreibung der verknüpften Produktion- und Transportmittel für die Demonstration einer verteilten Produktion136
2 Konzept für die Verknüpfung der Produktions- und Transportmittel138
2.1 Beschreibung Referenzarchitektur139
2.2 Modellbasiertes Vorgehen in der Entwicklung eines Agentensystems139
2.3 Management der Aufträge147
3 Umsetzung für den Demonstrator Robot Integrated Agent Network (RIAN)148
3.1 Implementierung der Agentenplattform148
3.2 Implementierung der Produktions- und Transportagenten148
3.3 Kommunikation über die Agentenplattform149
4 Evaluation an dem RIAN-Demonstrator150
4.1 Architektur und Portabilität der Agentenplattform150
4.2 Lessons learned150
4.3 Steigerung der Flexibilität153
4.4 Akzeptanz bei den Nutzern154
5 Überblick und Entwicklungen157
5.1 Überblick157
5.2 Entwicklung und Forschungsbedarf158
Literatur159
High Performance Automation verbindet IT und Produktion161
1 Einordnung161
2 Anforderungen an die zukünftige Produktion162
3 Anforderungen an zukünftige Automatisierungstechnik163
4 Notwendige Voraussetzungen für Industrie 4.0163
5 High Performance Automation165
5.1 Rechenleistung165
5.2 Prozesskommunikation167
5.3 Eine neue Klasse der Automatisierungstechnologie171
6 Kommunikation - die Welt trifft sich auf dem PC175
7 Ontologie und Taxonomie für Fertigungsschritte und Abläufe als notwendige Elemente für Industrie 4.0178
8 Vielfältige Standards in Industrie 4.0 Umgebungen183
9 Zusammenfassung183
Literatur185
PC-basierte Steuerungstechnik als Basis für intelligente vernetzte Produktionssysteme187
1 Produktionstechnik im Wandel187
2 PC-basierte Steuerungstechnik189
3 Vernetzte Smart Factories190
3.1 Anwendungsszenario - Bearbeitungszentrum191
3.2 Horizontale und vertikale Kommunikation192
3.3 Intelligenz durch Scientific Automation192
3.4 Intelligente Bedienkonzepte194
4 Performante Steuerungstechnik195
4.1 Steuerungsarchitektur einer Smart Factory mit Many-Core-Rechner196
4.2 Steuerungskonzepte mit Many-Core-Rechnern197
5 Scientific Automation - its OWL-ScAut198
5.1 Condition Monitoring200
5.2 Robotik202
6 Durchgängiges integratives Engineering202
6.1 Engineering203
6.2 Integration von Entwicklungswerkzeugen204
6.3 Objektorientierung und Modularisierung205
6.4 Modellbildung und Simulation205
Literatur207
Teil III: Engineering-Aspekte in der Industrie 4.0208
ClipX: Auf dem Weg zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus209
1 Reihenklemme, Klemmenleiste und Schaltschrank - Eine Übersicht209
1.1 Der Schaltschrank209
1.2 Klemmenleisten und bestückte Tragschienen210
2 Prozesskette im Schaltschrankbau212
2.1 Planung und Entwicklung von Schaltschränken212
2.2 Vorbereitung und Konfektionierung von Schaltschrank und Schaltschrankplatten214
2.3 Konfektionierung von Tragschienen214
2.4 Bestückung der Tragschienen mit elektrischen und elektronischen Komponenten214
2.5 Erstellung von und Bestückung mit Beschriftungsmaterial215
2.6 Bestückung mit weiterem Zubehörmaterial215
2.7 Montage der Baumodule und Komponenten auf den Schaltschrankplatten oder im Schaltschrank215
2.8 Konfektionierung von Drähten und Leitungen sowie Verdrahtung215
2.9 Überprüfung des kompletten Schaltschrankaufbaus216
2.10 Zwischenfazit216
3 Schaltschrankbau trifft auf Industrie 4.0217
3.1 Lösungsansätze zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus217
3.2 Befähiger Datendurchgängigkeit218
3.2.1 Der digitale Artikel218
3.2.2 Die digitale Produktbeschreibung219
4 Umsetzungsbeispiele aus der Praxis221
4.1 Automatisierte Produktion bestückter Tragschienen221
4.2 Technologiedemonstrator im Spitzencluster its OWL224
5 Fazit225
Literatur226
Integrationsplattform228
1 Einführung229
2 Anwendungsfälle232
3 Bedarfe zu bruchlosen Modellen und durchgängigen Werkzeugketten236
4 Herstellerneutrale Integrationsplattform238
5 Vergleich der Lösungsansätze243
6 Prozessunterstützung246
7 Zusammenfassung und Ausblick247
Literatur249
AutomationML in a Nutshell252
1 Einleitung253
2 Abgedeckter Entwurfsprozess und dessen Entwurfsdaten256
3 Anwendungsbeispiel261
4 Grundlegende Architektur von AutomationML262
5 Modellierung der Systemtopologie und der Systemelemente266
6 Integration von Objektsemantik273
7 Geometrie und Kinematik278
8 Verhaltensmodellierung280
9 Modellierung von Netzwerken284
10 Integration von weiteren, externen Informationen292
11 Anwendungsprozess292
12 Zusammenfassung295
Literatur295
Qualitätssicherung298
1 Einleitung298
2 Projektrollen und Bedarfe302
3 Integrierte Datenmodelle und Daten305
4 Fokussierte Inspektionen306
5 Beobachtung kritischer Prozess- und Projektparameter308
6 Projektbeobachtung für Projekt- und Qualitätsmanagement312
7 Zusammenfassung und Ausblick314
Literatur316
Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten318
1 Einleitung318
2 I40 Komponenten321
3 Modell der AT-Geräte322
4 Informationstechnische Beschreibung für AT-Geräte - Gerätebeschreibungen325
5 Anwendungsbeispiel329
6 Zusammenfassung329
Literatur331
Beiträge des Semantic Web zum Engineering für Industrie 4.0332
1 Einleitung333
2 Eine kurze Einführung in das Semantic Web335
3 Analyse-Framework337
3.1 Technologiemerkmale des Semantic Web338
3.2 Nutzen des Semantic Web340
4 Die Verwendung von Semantic Web Technologien in industriellen Szenarien342
4.1 Modellintegration342
4.2 Konsistenzmanagement von Modellen344
4.3 Flexibler Vergleich von Engineering-Modellen346
4.4 Schlussfolgerungen347
5 Beschränkungen von Semantic Web Technologien348
6 Zusammenfassung350
Literatur351
Diagnose von Inkonsistenzen in heterogenen Engineeringdaten353
1 Einleitung353
2 Anwendungsbeispiel355
3 Anforderungen für das Inkonsistenzmanagement356
4 Stand der Technik358
4.1 Modellbasierte Entwicklung von automatisierten Produktionssystemen359
4.2 Management von Inkonsistenzen in Modellen des mechatronischen Systems360
5 Konzept zur Diagnose von Inkonsistenzen363
5.1 Beispielszenario anhand der Pick and Place-Unit (PPU)364
5.2 Wissensbasiertes System zur Diagnose von Inkonsistenzen365
6 Diskussion der Ergebnisse und Forschungsgegenstande für zukünftige Arbeiten368
Literatur370
Schnittstellen ermöglichen Datenintegration in der Prozessindustrie373
1 Einführung373
2 Ein agiler Weg zu einer schnellen Standardisierung von Schnittstellen375
3 Anwendung des agilen Standardisierungsansatzes am Beispiel der PLT-Stelle377
4 Standardisierung am Beispiel der Modulintegration379
5 Use Cases zum Nutzen der Datenintegration im Umfeld von Industrie 4.0381
Literatur385
Automatische Generierung von Fertigungs-Managementsystemen387
1 Einleitung und Problembeschreibung388
2 Umfeld Lebensmittelindustrie390
2.1 Herausforderungen der Lebensmittelindustrie390
2.2 Anforderungen und Ausprägungen von MES in der Lebensmittelindustrie391
3 Ansätze zur durchgängigen Vernetzung392
3.1 MES-ML: Die Beschreibungssprache für Fertigungsmanagementsysteme392
3.2 Weihenstephaner Standards das Informationsmodell der Lebensmittelindustrie394
4 Anwendungsbeispiel: Der Brauprozess396
5 Konzept zur automatischen Generierung von Fertigungsmanagementsystemen und Umsetzung in der Domäne Lebensmittelindustrie397
5.1 Anlagenmodellierung (Technisches System)398
5.2 Prozessmodellierung399
5.3 MES-Modellierung401
5.4 Spezifikationsgenerator403
5.5 MES-Engineering404
6 Fazit und Ausblick404
Literatur405
Teil IV: Vertikale und horizontale Integration407
Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation408
1 Vertikale und horizontale Integration408
1.1 Ausgangssituation409
1.2 Mission der OPC Foundation: Interoperabilität411
1.3 Transport, Sicherheit, Robustheit411
1.4 Kommunikations-Stack und Skalierbarkeit412
1.5 Einbindung von Informationsmodellen413
1.6 Verbreitung und Anwendungen419
1.7 Anwendung: Vertikal - von der Produktion bis in das SAP419
1.8 Anwendung: Horizontal - M2M zwischen Geräten der Wasserwirtschaft421
1.9 Anwendung: Energie-Monitoring422
1.10 Status - Ausblick423
Weiterführende Literatur426
Industrie 4.0 - Chancen und Herausforderungen für einen Global Player428
1 Die Wiedergeburt der Industrie428
1.1 Die Siemens-Version der Vision von Industrie 4.0432
1.2 Die Digital Enterprise Platform434
2 Kundenbeispiele438
3 Die Siemens-Roadmap440
Literatur442
Modellbasierte Softwareagenten als Konnektoren zur Kopplung von heterogenen Cyber-Physischen Produktionssystemen443
1 Einführung443
2 Konzept der (technischen) Softwareagenten446
3 Konzepte der Modellbasierten Entwicklung447
4 CPPS-Konnektoren auf der Basis von Softwareagenten449
5 Zusammenfassung und Ausblick450
Literatur451
Semantik durch Merkmale für Industrie 4.0453
1 Einleitung453
2 Was bedeutet Semantik?455
3 Rolle der Semantik beim Informationsaustausch458
4 Informationsmodell für Syntax und Semantik461
4.1 Übernahme der Benennungen ins Informationsmodell461
4.2 Informationsmodell für Merkmale462
5 Erhöhung der Durchgängigkeit im Engineering durch merkmalbasierte Semantik465
6 Zusammenfassung467
Literatur467
Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards für Industrie 4.0469
1 Einleitung470
2 Das Open-edi Referenzmodell471
3 Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards474
4 Identifizierte BOV- und FSV-Standards nach Open-edi477
4.1 Die Resource Event Agent Geschäftsontologie477
4.2 UN/CEFACT Modeling Methodology und Core Components Specification479
4.3 Der Industriestandard ISA-95481
4.4 Integration von Modellierungssprachen für Produktionsstätten483
4.5 Integration von Automatisierungssystemen485
5 Fazit und Ausblick486
Literatur489
Teil V: Datamining und Datenanalyse in der Industrie 4.0491
Big Smart Data - Intelligent Operations, Analysis und Process Alignment492
1 Einführung492
2 Das Internet der Dinge in Industrie 4.0493
2.1 Nutzung der Maschinendaten zur Sicherstellung der störungsfreien Produktion durch vorhersagende Wartung)494
2.2 Echtzeitreaktion auf Produktionsdaten auf der Geschäftsebene495
2.3 Steuerung der Produktion nach Geschäftsbedürfnis495
2.4 Steuerung der Produktion durch Kommunikation von Maschinen untereinander496
2.5 Beidseitige Interaktion von Geschäfts- und Produktionsebene496
2.6 Produktdatenintegration497
3 Big Data498
4 Geschäftsprozesse im Kontext Industrie 4.0499
Literatur504
Datenanalyse in der intelligenten Fabrik505
1 Motivation506
2 Herausforderungen509
3 Lösungen510
4 Fallstudien513
4.1 Fertigungsindustrie513
4.2 Energieanalyse in der Prozessindustrie513
4.3 Big Data-Analyse in Verarbeitungssystemen515
4.4 Flugdaten in der Luftfahrt517
4.5 Zuverlässigkeit und fehlertolerante Steuerung519
5 Fazit520
Literatur521
Juristische Aspekte bei der Datenanalyse für Industrie 4.0525
1 Smart Data-Partnerschaften in der Prozessindustrie525
2 Rechtliche Einordnung von Industriedaten527
2.1 Eigentum an Daten?527
2.2 Urheberrechte an Daten528
2.3 Leistungsschutzrecht für eine Datenbank529
2.4 Schutz von Daten als Betriebs- und Geschäftsgeheimnisse529
2.5 Produktsicherheitsrecht531
3 Vertragliche Gestaltung eines Smart Data-Austauschs533
3.1 Smart Data-Austausch als Dienstvertrag534
3.2 Haupt- und Nebenpflichten der Dienstleister536
3.3 Haupt- und Nebenpflichten der Auftraggeber538
3.4 Haftungsrisiken im Dienstleistungsverhältnis538
3.5 Vertragliche Haftungsvereinbarungen542
3.6 Beendigung des Dienstleistungsverhältnisses zum Smart Data-Austausch543
4 Andere Partnerschaftskonstellationen für den Smart Data-Austausch545
4.1 Anlagenbetreiber als Initiator des Smart Data-Austauschs545
4.2 Dritter als Initiator des Smart Data-Austauschs547
5 Empfehlungen zur Vertragsgestaltung549
5.1 Inhalt, Umfang und Ausgestaltung des Vertragsverhältnisses550
5.2 Bereitstellung der Rohdaten und der Smart Data550
5.3 Verwendungszwecke der Daten551
5.4 Schutz von Betriebs- und Geschäftsgeheimnissen552
5.5 Reduzierung von Haftungsrisiken552
5.6 Zuordnung von Immaterialgüterrechten553
6 Ergebnis553
Literatur555
Teil VI: Zusammenwirken von Mensch und Maschine in der Industrie 4.0557
Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Production Systems558
1 Motivation558
2 Technologien zur Unterstützung der Mensch-Maschine-Schnittstelle559
2.1 3D-Prozessdatenvisualisierung560
2.2 Nutzerorientierte Prozessvisualisierung durch intelligente Anpassung an Handlungsziel und Mensch562
2.3 Augmented Reality (AR)564
2.4 Social Networks/Informationssysteme565
3 Zusammenfassung und Ausblick567
Literatur567
Gestaltung moderner Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen569
1 Bedeutung von Touchscreen-Interaktion in der Industrie 4.0569
2 Ausgangslage571
2.1 Stand der Technik571
2.2 Verbreitete Interaktionskonzepte571
2.3 Normen572
3 Vorteile und Möglichkeiten moderner Touch-Interaktion572
3.1 Technisches Potential572
3.2 Interaktions-Potential573
3.3 Mobile Bedienung573
4 Herausforderungen und Einschränkungen beim Einsatz von Touchscreen-Interaktion574
5 Touchscreen-Gestaltung im industriellen Kontext578
5.1 Einbau und Platzierung in technischen Anlagen578
5.2 Grundlagen der ergonomischen Software-Interaktion579
5.2.1 Wahrnehmungsgerechte Gestaltung580
5.2.2 Konsistenz581
5.2.3 Rückmeldung581
5.2.4 Fehlerverhinderung581
5.2.5 Effizienz582
5.3 Grundlagen der ergonomischen Touchscreen-Interaktion582
5.4 Moderne Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen585
Literatur587
Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0590
1 Einleitung590
2 Der Lebenszyklus von Produktionssystemen593
3 Interaktion von Mensch und Produktionssystem595
3.1 Einfluss auf den Entwurfsprozess597
3.2 Einfluss auf den Nutzungsprozess598
4 Folgerungen600
Literatur601
Einsatz mobiler Computersysteme im Rahmen von Industrie 4.0 zur Bewältigung des demografischen Wandels605
1 Einführung606
2 Motivation: der demografische Wandel in der Arbeitswelt607
3 Einordnung von mobilen Systemen und Wearable Computing im Kontext von Ambient Assisted Working611
3.1 Komponenten von Wearable Computing-Systemen613
3.2 Stand der Technik bei mobilen Systemen und Wearable Computing im Rahmen von Ambient Assisted Working615
4 Einsatzfelder von mobilen Systemen und Wearable Computing zur Gestaltung von Ambient Assisted Working617
4.1 Einsatz von Wearable Computing-Technologien in der Logistik und Instandhaltung618
4.2 Einsatz funktionsangereicherter Arbeitsschutzkleidung als Teil der persönlichen Schutzausrüstung620
4.2.1 Einsatz eines unterkleidungsintegrierten Sensorsystems in der Automobilmontage620
4.2.2 Einsatz funktionsangereicherter Schutzbekleidung bei der Stahlherstellung622
5 Akzeptanz mobiler Systeme und Anforderungen der Anwender624
6 Erfolgskriterien für mobile Systeme628
7 Fazit und Ausblick629
8 Danksagung630
Literatur630
Sachverzeichnis635

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