Forschungsschwerpunkte und Kompetenzen des IKTD

Ziel ist eine umfassende interdisziplinäre, wissenschaftliche Gestaltungs- und Beurteilungsfähigkeit, insbesondere unter Aspekten der Ergonomie und des Komforts, als Bindeglied zwischen technischer Konstruktion und ästhetischem Designentwurf.

Ansprechpartner: Prof. Dr. -Ing. Wolfram Remlinger

inklusive der Weiterentwicklung geeigneter Methoden und Tools zum anforderungsorientierten Einsatz moderner Medialitäten; im zentralen Interesse steht dabei die Raum- und Informationswahrnehmung in Kombination von physischen und virtuellen Darstellungsmethoden.

Ansprechpartner: Thirumanikandan Subramanian M.Sc

Relevant sind hier beispielsweise neue Materialien, optimierte Konstruktionsweisen von Tragwerkstrukturen und Verkleidungsteilen, der Einsatz von Licht, Transparenz, integrative Ansätze mit embedded Displays und intelligenten Oberflächen, adaptive Formen, Connectivity sowie künstliche Intelligenz.

Ansprechpartner: Julia Gritzbach M.Sc

Beispielhafte Themen sind die Gestaltung des Aufgabenwechsels (Übernahme/Übergabe), die Integration und Gestaltung der (Neben-)Tätigkeiten der Insassen, die Konzeption und Gestaltung für spezialisierte Fahrzeuge oder die Optimierung von Einstiegsbedingungen im Straßenraum.

Ansprechpartner: Miriam Schäffer M.Sc &  Fabian Schlichtherle M.Sc

Die Systemgestaltung bildet das Fundament der Produktentwicklung komplexer technischer Systeme. In der Forschung geht es darum, methodische Ansätze zu entwickeln, mit denen Funktionen, Anforderungen, Komponenten und Schnittstellen ganzheitlich geplant und strukturiert werden können. Dabei kommen Werkzeuge wie Funktionsmodelle, morphologische Kästen oder das Model-Based Systems Engineering (MBSE) zum Einsatz. Aktuelle Forschungsthemen betreffen die Integration disziplinübergreifender Anforderungen (Mechanik, Elektronik, Software), die dynamische Weiterentwicklung von Systemgrenzen sowie die Berücksichtigung von Nachhaltigkeit und Lebenszykluskosten. Ziel ist es, Systeme so zu gestalten, dass sie flexibel, robust und anpassungsfähig bleiben – auch unter sich ändernden Rahmenbedingungen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Die Forschung zu Produkt- und Systemarchitekturen befasst sich mit der strukturellen Gestaltung technischer Systeme mit dem Ziel, deren Modularität, Wiederverwendbarkeit und Flexibilität zu verbessern. Im Mittelpunkt steht dabei eine systematische Beschreibung der Funktionen und der funktionserfüllenden Bestandteile bzw. Bauteile, um so eine optimale Gestaltung dieser (oft modularen) „Architektur“ zu erreichen.

Zentrale Fragestellungen betreffen die formale Abbildung von Architekturen, die Aufteilung in funktionale und physische Module sowie die Integration von Elektronik, Software und Mechanik (Mechatronik). Ziel ist es, robuste Architekturen zu schaffen, die Variantenvielfalt beherrschbar machen (in Planung, Betrieb und dem Management des Portfolios) und Änderungen bis zum End-of-Life erleichtern. Moderne Ansätze nutzen Methoden aus dem Systems Engineering, Architekturbeschreibungsmodelle (z. B. SysML) sowie KI-gestützte Tools zur automatisierten Generierung und Bewertung von Architekturvarianten. Die Forschung konzentriert sich außerdem auf den Einfluss von Architekturentscheidungen auf Lebenszykluskosten und Nachhaltigkeit.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Die systematische Gestaltung von Produktstrukturen und Stücklisten ist für eine effiziente Entwicklung, Fertigung und Service essenziell - insbesondere bei komplexen und variantenreichen Produktportfolios mit geringen Stückzahlen sowie bei Geschäftsmodellen, die von Design-to-Order bis hin zu Assemble-to-Order / Configure-to-Order reichen. In der Forschung wird untersucht, wie sich durchgängige und konsistente Produktstrukturen über Domänen hinweg gestaltet lassen – von der Anforderungsdefinition bis zur konkreten Ausprägung im ERP-System.

Dabei stehen Variantenhandling, Änderungsmanagement sowie die Beschreibung und Integration von Konfigurationslogiken im Fokus. Neue Ansätze befassen sich mit Datenmodellen und künstlicher Intelligenz, um Stücklisten systematisch und konsistent aufzubauen und im Betrieb zu steuern. Ein besonderes Augenmerk gilt der Entstehung der Engineering Bill of Materials (eBOM) in den frühen Phasen, die oft noch von vagen und unklaren Design-Entscheidungen geprägt sind, sowie der Nutzung semantischer Technologien zur automatisierten Transformation und Konsistenzprüfung.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Die Forschung zu Entwicklungsprozessen im Maschinenbau beleuchtet sowohl klassische Modelle wie das Wasserfall- oder V-Modell als auch agile und hybride Ansätze. Generell zeigt sich, dass die zunehmende Komplexität in der Entwicklung die Einbeziehung neuer Stakeholder in den Entwicklungsprozess erfordert, beispielsweise bei der Nutzung von KI im Produkt oder bei einer stärkeren Ausrichtung auf die Nutzung von Recycling-Umfängen in einem zirkulären Produkt. Dies bedingt neue oder angepasste Formen der Aufbau- und Ablauforganisation sowie ein systematisches Durchdenken der Steuerung und Governance. 

Der Fokus liegt auf der Anpassung dieser Modelle an komplexe Produkte, insbesondere an Product-Service-Systeme (PSS) und cyberphysische Systeme (CPS), die Software, Hardware und Dienstleistungen eng verzahnen. Forschungsfragen betreffen die Interaktion verschiedener Disziplinen, das Anforderungs- und Schnittstellenmanagement sowie die iterative Validierung über den Lebenszyklus hinweg, etwa in Form spezifischer Referenzmodelle oder Vorgehenszyklen. Aktuelle Arbeiten befassen sich zudem mit der Integration digitaler Methoden auf dem Weg zum Model-Based Systems Engineering sowie mit der Gestaltung synchronisierter Prozesse, die sowohl die technische Entwicklung als auch das Service-Design frühzeitig berücksichtigen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Von besonderer Relevanz ist die datenbasierte Optimierung von Bauteilen, etwa durch Surrogatmodelle oder automatische Geometrieerzeugung, sowie die Bewertung von Geometrie, etwa in der Klassifizierung möglicher Funktionen eines Bauteils und die Beanspruchungsanalyse von Maschinenelementen und Systemen. Gleichzeitig werden Fragen der Datenqualität, der Nachvollziehbarkeit (Explainable AI, RAG-Modelle) und der Integration in bestehende CAx-Systeme erforscht. Das Ziel besteht darin, KI als Assistenztechnologie zu etablieren, die den Ingenieur entlastet und neue Innovationspotenziale eröffnet. Ein übergreifender Aspekt ist dabei nicht nur die Gestaltung einzelner Systeme, sondern auch der Blick auf die übergreifende KI-Strategie eines Unternehmens (wo lohnt sich der Einsatz welcher Systeme?).

Die Forschung im Bereich des Wissensmanagements im Maschinenbau zielt darauf ab, sowohl implizites als auch explizites Wissen systematisch zu erfassen, zu strukturieren und zugänglich zu machen. Im Fokus stehen insbesondere digitale Plattformen, semantische Technologien und Ontologien zur Wissensrepräsentation, um verteiltes Expertenwissen effizient in Entwicklungsprozesse zu integrieren. Oftmals bilden solche Modelle die Grundlage für die Gestaltung komplexer Prozesse, in denen verteiltes Wissen nur noch mit digitaler Unterstützung zugänglich ist.

Aktuelle Ansätze untersuchen zudem, wie Erfahrungswissen bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung wirksam genutzt werden kann. Darüber hinaus wird an Methoden gearbeitet, um Wissensflüsse zwischen interdisziplinären Teams, Standorten und über den Produktlebenszyklus hinweg zu optimieren. Das Ziel besteht darin, die Qualität von Entscheidungen zu verbessern (gerade entlang aller Aspekte aus dem Produktlebenszyklus), Innovationsprozesse zu beschleunigen und Fehler durch Wissensverluste zu vermeiden.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Die Handhabung von Produktvarianten ist ein zentrales Forschungsthema, da Unternehmen zunehmend individualisierte Produkte anbieten müssen. Dieser Trend ist zwar nicht neu, aber in vielen Unternehmen immer noch wenig etabliert. Durch den Schritt zu digitaleren Produkten wächst auch der Handlungsdruck im Bereich des Variantenmanagements.

Dabei wird zwischen dem Variantenmanagement auf technischer Ebene (z. B. modulare Baukästen, Konfigurationslogiken) und der strategischen Steuerung des Produktportfolios unterschieden. In Forschungsarbeiten werden Methoden zur Variantenreduktion (insbesondere mittels künstlicher Intelligenz und mittels dedizierter Bewertungsmodelle), die automatisierte Ableitung von Varianten aus Anforderungen sowie die Bewertung von Varianten hinsichtlich Kosten, Komplexität und Marktpotenzial untersucht. Digital unterstützte Werkzeuge (z. B. Produktkonfiguratoren) und vernetzte Stücklistenmodelle sind ebenfalls Gegenstand aktueller Studien. Das Ziel besteht darin, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Marktanforderungen, technischer Machbarkeit und interner Effizienz zu erreichen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

n der Forschung zum Komplexitätsmanagement geht es um die Frage, wie technische, organisatorische und prozessuale Komplexität identifiziert, bewertet und gezielt gesteuert werden kann. Ein zentrales Werkzeug ist die Design Structure Matrix (DSM), mit der sich Abhängigkeiten in Produkten oder Prozessen systematisch visualisieren und analysieren lassen. Der Fokus aktueller Forschungen liegt auf der Erweiterung von DSM-Ansätzen, beispielsweise zur Modellierung multidisziplinärer Systeme oder dynamischer Änderungen. Ziel ist es, Entwicklungsprozesse robuster zu gestalten und versteckte Komplexität frühzeitig zu erkennen. Weitere Themen umfassen Metriken zur Komplexitätsbewertung, den Einfluss auf die Entwicklungskosten und Maßnahmen zur Reduktion unnötiger Komplexität.

Der Lehrstuhl für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik ist zudem Schirmherr für die wissenschaftliche Betreuung der durch die Design Society unterstützten Dependency and Structure Modeling (DSM) Conference, die jährlich an unterschiedlichen Standorten weltweit stattfindet und gemeinsam mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Texas Christian University (TCU) und dem Stevens Institute in Newark ausgerichtet wird.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Im Bereich der additiven Fertigung liegt der Fokus der Forschung auf der Entwicklung neuer Materialien (z. B. geschäumte Metalle, Werkstoffe für die additive Fertigung, Ingenieurkeramik oder Verbundwerkstoffe), der Ausschöpfung des Potenzials der additiven Fertigung und der Gestaltung funktionsintegrierter und belastungsgerechter Bauteile. Von besonderer Relevanz ist dabei die Integration von Gestaltungsrichtlinien („Design for Additive Manufacturing“, DfAM), die Ingenieure bei der form- und funktionsgerechten Konstruktion unterstützen.

Die Forschung zielt auf neue Konstruktionsmethoden wie Funktionsintegration und wirkungsvolle Effektketten ab, bei denen die besonderen Eigenschaften additiver Verfahren berücksichtigt werden. Ebenso werden hybride Fertigungsprozesse, Qualitätssicherung und wirtschaftliche Aspekte analysiert. Das Ziel besteht darin, additive Verfahren über das Prototyping hinaus in die Serienfertigung zu überführen und praxisnahe Gestaltungsempfehlungen bereitzustellen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

In der noch recht neuen Forschung zum Thema Circular Economy (CE) liegt der Fokus auf der Entwicklung technischer Produkte, die konsequent auf Wiederverwendung, Reparierbarkeit, Remanufacturing und Recycling ausgelegt sind. Ziel ist es, den Ressourcenverbrauch und die Abfallmenge drastisch zu reduzieren und Produkte in geschlossenen Kreisläufen zu führen. Im Maschinenbau bedeutet dies: Es werden modulare und demontagefreundliche Konstruktionen, langlebige Komponenten, materialgerechtes Design sowie die Integration digitaler  Produktpässe zur Nachverfolgbarkeit von Materialien und Lebenszyklen eingesetzt. 

Die Forschungsfragen betreffen dabei nicht nur technische Aspekte, sondern auch ökonomische Modelle, Ownership-Konzepte (z. B. Product-as-a-Service) und die Gestaltung entsprechender Entwicklungsprozesse. Insgesamt zielt die Forschung darauf ab, Nachhaltigkeit als  integralen Bestandteil des Engineerings zu verankern und neue Bewertungs- und Entscheidungsgrundlagen für zirkuläres Produktdesign zu schaffen. Aus Sicht der Forschung im Bereich der Produktentwicklung ist dabei eine längerfristige Roadmap-Orientierung und die sich daraus ergebende veränderte Modularisierung eines Produkts von besonderer Bedeutung. 

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Roth / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Die Auslegung klassischer Maschinenelemente sowie darauf aufbauender Systeme erfolgt in der Regel auf Basis der auftretenden Nennspannungen. Lokale Spannungskonzentrationen werden dabei häufig nicht explizit berücksichtigt, was den Einsatz konservativer Annahmen und entsprechend hoher Sicherheitsbeiwerte erforderlich macht. Zur Realisierung leichterer, kompakterer und leistungsfähigerer Bauteile kommen zunehmend digitale Werkzeuge zur numerischen Berechnung und Simulation zum Einsatz, die eine detaillierte Erfassung der tatsächlichen Bauteilbeanspruchungen ermöglichen.

Ergänzend hierzu werden integrierte Sensorsysteme entwickelt, durch die Maschinenelemente zu intelligenten, sogenannten „smarten“ Komponenten weiterentwickelt werden. Diese erlauben eine kontinuierliche Erfassung der Betriebsbeanspruchungen und schaffen damit die Grundlage für eine präzisere Zustandsüberwachung sowie eine vorausschauende Wartungsplanung im Sinne der Predictive Maintenance.

Durch den gezielten Einsatz methodischer Entwicklungswerkzeuge lassen sich aus heterogenen Einzelelementen innovative, hochverfügbare und zugleich komplexe und adaptive Systemlösungen konzipieren, die maßgeblich zur Senkung des Material- und Energieverbrauchs über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg beitragen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Markus Wagner / Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer

Diese Kernkompetenz des Technischen Designs umfasst verschiedene Aspekte der Analyse und Bewertung von Produkten und Systemen, mit einem Schwerpunkt auf Benutzerfreundlichkeit und Ergonomie. Dazu gehören die

Bedien- und Ergonomieanalyse, die Usabilityanalyse sowie die Untersuchung der User Experience (UX). Wichtige Methoden sowie Studiendesign, Evaluation und Validierung spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Verbesserung von Produkten. Akzeptanzstudien und Designbewertung helfen, die Nutzerakzeptanz zu erhöhen und das Design zu optimieren. Auch die Messung und Analyse von Körperposen und -bewegungen sowie die Erfassung der Wertigkeit und Produktqualität sind entscheidend, um die Interaktion der Nutzer mit dem Produkt erfolgreich zu gestalten.

Ansprechpartner: Dr.- Ing. Peter Schmidt und Dr.- Ing. Daniel Holder

Auf Basis der Erkenntnisse aus Analysen und Studien werden in Kreativworkshops erste Ideen zusammengetragen und visualisiert. Mit Hilfe unterschiedlicher realer und digitaler Zeichen- und Renderingtools entstehen auf Basis funktionaler und formaler Anforderungen Konzepte mit klarer Designsprache. Mit Hilfe von CAD- oder Modellierungssoftware lassen sich die Konzepte in dreidimensionale Entwürfe und Visualisierungen überführen. Hierbei kommen auch Virtual & Augemented Reality zum Einsatz, um das immersive Erleben der zu untersuchenden Lösungen zu ermöglichen. Dabei werden digitale Menschmodelle und Bewegungssimulationen genutzt, um die Produkte bestmöglich an den Menschen anzupassen.

Ansprechpartner: Dr.- Ing. Daniel Holder

Entscheidend für ein optimal nutzbares Produkt ist der Fokus auf den Menschen entlang des gesamten Entwicklungsprozesses. Im Sinne des Design for All bzw. Universaldesign werden dabei bewusst alle Menschen mit unterschiedlichsten Eigenschaften inkludiert. Mit Fokus auf ältere Menschen liegt hier ein besonderes Augenmerk auf der Gerontologie. Zum menschzentrierten Designprozess gehört des Weiteren ein Einbeziehen aller Nutzerbedürfnisse und eine ganzheitliche User Experience. In diesem Kontext gehen das Produkt- und Corporate Design Hand in Hand, weshalb an dieser Stelle Benchmark-Analysen und Semantische Differentiale zum Einsatz kommen. Eine wesentliche Herausforderung besteht dabei im ausgewogenen Verhältnis von designtechnischen und ergonomischen Kriterien, die beide im Zuge der Produktentwicklung erforscht und entsprechend berücksichtigt werden. Dabei liefert das Technische Design wertvolle Ansätze und Lösungsbausteine für einen gelingenden Design-Technik-Konvergenz-Prozess.

Ansprechpartner: Dr.- Ing. Daniel Holder und Dr.- Ing. Peter Schmidt

Eine weitere Expertise des Technischen Designs liegt in der HMI- Technologieentwicklung adaptiver und morphender Systeme, die in realen und virtuellen Prototypen aufgebaut, umgesetzt und getestet werden. Der Prototypenbau, insbesondere mithilfe von 3D-Druck, ist dabei eine Kernkompetenz. Durch die schnelle Herstellung von Modellen können Ideen, Konzepte und Lösungsansätze effizient getestet und weiterentwickelt werden. Ebenfalls ist die anthropomorphe Formgebung bei der Entwicklung neuer HMI-Konzepte ein bedeutender Faktor, um benutzerfreundliche und intuitive Designs zu schaffen, die den menschlichen Bedürfnissen optimal entsprechen. Neben der Entwicklung realer Mensch-Maschine-Schnittstellen spielen vor allem auch virtuelle grafische Interfaces eine bedeutende Rolle. Ein Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von eHMI zur Kommunikation zwischen autonomen Systemen und ihrer Umgebung. Im Bereich der Benutzerinteraktion ist die Arbeit mit Natural User Interfaces (NUI) essenziell, die natürliche Modalitäten wie Sprache, Gestik und Berührung integrieren. Haptik ergänzt diese Interaktionsformen durch taktiles und haptisches Feedback - auch über Ultraschall-Technologie - und sorgt für ein realistisches Nutzererlebnis.

Ansprechpartner: Dr.- Ing. Peter Schmidt

Die optimierungsunterstützte Konstruktion verknüpft analytische und numerische Verfahren mit systematischem Vorgehen, um Bauteile bereits in der Konzeptphase gewichts- und funktionsorientiert auszuformen. Topologie- und Parameteroptimierung lassen sich nahtlos in den digitalen Entwicklungsworkflow integrieren und ermöglichen die kraftfluss- und lastfallgerechte Gestaltgebung. Durch iterativen Abgleich von Simulationsergebnissen und experimentellen Validierungsergebnissen kann ein systemweites Optimum angestrebt werden. Ein solcher methodischer Ansatz gewährleistet nachhaltige Leichtbaulösungen, die im Zusammenspiel von Werkstoffwahl, Lastfallanalyse und Fertigungsgerechtigkeit optimale Ergebnisse liefern.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Philipp Berendes

Hochleistungslaminate werden durch gezielte Schichtfolge und den Einsatz funktionaler Additive zu multifunktionalen Verbundwerkstoffen weiterentwickelt. Kontrollierte Laminat-Verarbeitung und entsprechenden Aushärtungsprozessen, verbunden mit einer systematische Materialcharakterisierung sichern reproduzierbare Bauteileigenschaften. Die Funktionsintegration von Sensorik, Wärmeleitung oder elektromagnetischer Abschirmung erfolgt bereits im Laminataufbau, wodurch Struktur und Funktion in einem Bauteil verschmelzen. So entstehen Laminatsysteme, die Leichtbauprinzipien mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen verbinden und zugleich höchste Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit und Langlebigkeit erfüllen.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Philipp Berendes

Unsere Erprobung von Leichtbaukomponenten orientiert sich konsequent an realen Einsatzbedingungen. Mechanische Prüfabläufe, klimatische Simulationen und Sondertests – von Ermüdungszyklen über Vibration bis zu Umwelteinflüssen – werden flexibel kombiniert, um Belastungsgrenzen und Versagensmechanismen präzise zu erfassen. Die ermittelten Kennwerte fließen kontinuierlich in digitale Modelle zurück, sodass Iterationen von Simulation und Versuch eine schrittweise Annäherung an das strukturelle Optimum ermöglichen. Dadurch lassen sich Sicherheitsfaktoren gezielt reduzieren und Materialeinsatz minimieren, ohne dass Zuverlässigkeit oder Dauerfestigkeit leiden. Dieser ganzheitliche Nachweisprozess bildet die Grundlage für innovative Leichtbaulösungen, bei denen Effizienz und Betriebssicherheit Hand in Hand gehen.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Philipp Berendes

Wir gestalten Peripherieelemente für Batterien konsequent nach Leichtbauprinzipien, von einzelnen Halte- und Isolationsteilen über modulare Rahmensysteme bis hin zum kompletten Pack. Thermische, elektrische und mechanische Funktionen werden in einer gewichtsoptimierten Struktur vereint, wobei Materialmix, Topologieoptimierung oder cell-to-pack-Konzepte je nach Anwendung eingesetzt werden. Durch den iterativen Kreislauf aus Simulation, Prototypfertigung und Prüfung entstehen Batteriesysteme mit minimaler Peripheriemasse, hoher Packdichte und nachweisbarer Betriebssicherheit.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Philipp Berendes