Institut für Maschinenelemente (IMA)

Projekte

Übersicht über laufende und abgeschlossene Projekte des Forschungsbereichs Zuverlässigkeitstechnik

Laufende Projekte im Forschungsbereich Zuverlässigkeitstechnik

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Frank Müller, DFG (Projektnummer: 405325157)

Mit Hilfe stochastischer Netzverfahren können komplexe, technische Systeme modelliert und deren Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit simuliert werden. Die statistische Güte der Eingangsdaten kann aktuell nicht innerhalb der Analyse berücksichtigt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist die durchgängige Integration der statistischen Güte der Eingangsdaten in die gesamte Analysemethodik, um die Ausdruckskraft von Vertrauensbereichen mit der Leistungsfähigkeit der Modellierungsmethoden zu verknüpfen.

Sebastian Imle, WITTENSTEIN motion control GmbH

Die Förderung von Rohstoffen in der Tiefsee erfordert eine umweltfreundliche und sichere Antriebslösung. Die Systemarchitektur definiert die Komponenten und Schnittstellen des Systems in Art und Güte. Die Verarbeitungsqualität dieser Informationen über eine sichere Kommunikationsarchitektur entscheidet über den Diagnosedeckungsgrad und die funktionale Sicherheit des Systems. Der Entwurf eines Zustandsüberwachungssystems für den Einsatz in der Tiefsee ist das Ziel dieses Projektes.

Frederic Heidinger, Patrick Münzing und Andreas Ostertag, Robert Bosch GmbH

Grundlagen für das automatisierte Fahren sind die Umwelterkennung, die Trajektorienplanung und die Trajektorienumsetzung im Fahrzeug. Die Energieversorgung ist Voraussetzung zur Erfüllung dieser Funktionen. Aufgrund der Kritikalität der Fahrzeugfunktionen ergeben sich bisher nicht gekannte Anforderungen an die Energieversorgung des Fahrzeugs. Die Betrachtung der Zuverlässigkeit und der Funktionalen Sicherheit zur Sicherstellung der einwandfreien Funktion des Fahrzeugs ist unerlässlich.
 
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Volker Schramm, CERN

Analyse von Überwachungssystemen für Teilchenbeschleuniger zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Schutzfunktion. Erarbeitung einer methodischen Vorgehensweise für Entwurf, Produktion, Tests und den Betrieb verlässlicher elektronischer Systeme. Zugleich Anwendung der Methodik für die Zuverlässigkeitsanalyse, Definition der Betriebsstrategie und zur Durchführung von Funktions- sowie Zuverlässigkeitstests.
 

Julian Popp, HSA Aalen, ISSA Forschungsprojekt

Die Nachfrage von Rohstoffen aus der Tiefsee steigt stetig. Damit diese Rohstoffe gefördert werden können, werden Systeme benötigt, die umweltfreundlich, sicher, zuverlässig und verfügbar sind. Im Rahmen des Projektes wird eine Systemarchitektur mit Fokus auf mechatronische Antriebstechnik entwickelt, die die enormen Anforderungen, die in der Tiefsee herrschen, gerecht wird. Die Verifikation und Validierung an einer selbstentwickelten Prüfstands-Umgebung ist ebenfalls Teil des Projektes.

Thomas Herzig, IMA

Die zum Nachweis des Zuverlässigkeitsziels erforderliche Erprobungsaufwand kann bereits im frühen Entwicklungsprozess berücksichtigt werden. Ziel ist es, durch Anpassung der Überdimensionierung, ein Optimum zwischen Produktentwicklungskosten (Material, Fertigung, …) und Erprobungskosten (Testart, Prüflingszahl, Anzahl benötigter Prüfstände, Wahl der Belastungsniveaus im beschleunigten Test, …) zu finden. Die Wahl der geeigneten Erprobungsstrategie wird dabei objektiv mit Hilfe von Testkosten, Gesamtzeit und Erfolgswahrscheinlichkeit bewertet und von der im Entwicklungsprozess berücksichtigten Überdimensionierung einzelner Ausfallmechanismen beeinflusst.
 

Andreas Ostertag, DFG Sonderforschungsbereich (SFB 1244)

Für die im SFB 1244 angestrebten adaptiven Tragwerke ist eine Anpassung sowohl an die jeweilige aktuelle Lastsituation wie Wind und Wetter als auch an den Nutzer erforderlich. Neben der Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit ist das Verhalten des Systems im Fehlerfall von besonderer Bedeutung. Ziel ist durch ein Fail-Safe-Konzept mittels einer angepassten Fehlerreaktion den Betriebszustand so weit und so lange wie möglich aufrecht zu erhalten. Außerdem werden Fail-Safe-Elemente entwickelt und eingesetzt.
 

Frank Müller und Jan Gröber, Festo AG & Co. KG

Analyse der Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme am Beispiel einer neuartigen Ventilinsel unter Berücksichtigung der mechanischen und elektronischen Komponenten sowie der Software. Planen und Durchführen von Zuverlässigkeitstests. Systematische Erarbeitung der Grundlagen zur Beschreibung der Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme sowie die Erarbeitung der Möglichkeit zur Bestimmung der Systemzuverlässigkeit in frühen Phasen der Produktentwicklung.
 

Kevin Lucan und Mark Henß, Bergische Achsen, DAF, Daimler, Haldex, IVECO, Knorr-Bremse, MAN, MERITOR, SAF Holland, WABCO

Für die Entwicklung betriebsfester und zuverlässiger Komponenten und Systemen ist, neben der Belastbarkeit, die Kenntnis der im Feld auftretende Belastung notwendig. Aus diesem Grund werden für Nutzfahrzeug-Bremssysteme, im Rahmen eines Arbeitskreises mit zehn namenhaften Industriepartnern, Standard Lastkollektive aus der Feldbelastung abgeleitet. Ziel ist die Entwicklung eines branchenweiten Standards für Auslegung und Absicherung von Nutzfahrzeug-Bremsen.
 

Fei Long, GSaME, DFG

Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0 auf der Basis von Petrinetzen, unter Berücksichtigung von sämtlichen Aspekten wie Flexibilität, Wandlungsfähigkeit, Lernfähigkeit, zahlreiche Abhängigkeiten und Wechselwirkungen. Ziel ist die Entwicklung einer leistungsfähigen Methode zur Modellierung und Analyse der Verfügbarkeit von Produktionssystemen in Industrie 4.0.
 

Alexander Kremer, Walther Flender GmbH

Trotz einer langen Historie und einer immensen Vielfalt angebotener Riemenkonstruktionen ist deren Berechnung bis heute nicht genormt. Hinzu kommen fehlende quantitative Aussagen zu Zuverlässigkeit und Verschleiß von Zahnriemengetrieben. Daher soll eine Methodik entwickelt werden, mit der es möglich ist auf Basis relevanter Parameter ein anwendungsorientiertes Lebensdauermodell zu generieren, welches zur Prognose der Lebensdauer von Zahnriemenantrieben herangezogen werden kann.
 

Mark Henß, IMA

Prognostics and Health Management ist eine technische Disziplin, die sich mit der Bewertung und Regelung der nutzbaren Restlebensdauer von Systemen beschäftigt. Getrieben vom Entwicklungstrend „Cyber-Physical-Systems“ wird der Zustand des Systems im Betrieb in Echtzeit diagnostiziert, prognostiziert und durch Regeleingriffe gezielt optimiert. PHM schließt somit Methoden und Modelle aus Zuverlässigkeitstechnik, Statistik, Maschinellem Lernen, Messtechnik etc. ein. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, das Spektrum an Methoden und Modellen in einem gemeinsamen Theorieansatz zu bündeln. Der Einsatz des Maschinellen Lernens ermöglicht eine automatische Erkennung relevanter Muster und Trends in Daten, die dem Mensch nur schwer zugänglich sind. Fehlende Trainingsdaten, Labels und eine geringe Daten-Qualität können dem Einsatz entgegenstehen. In diesem Projekt wird untersucht wie Vorwissen in die Algorithmen implementiert werden kann um diese Defizite zu beheben.
 

Alexander Grundler, ZF Friedrichshafen AG

Die Berücksichtigung von Vorerfahrung ermöglicht nicht nur eine präzisere Aussage der Zuverlässigkeit eines Produktes, sondern auch eine Verringerung von Kosten und Zeit in der Zuverlässigkeitstestplanung. Bestehende Methoden zeigen hierbei jedoch zum Teil sehr konservatives Verhalten und insbesondere die Quantifizierung von Vorwissen aus Berechnungsergebnissen und Simulationen, als auch die Transformation von Zuverlässigkeitsinformationen zwischen verschiedenen Systemebenen bedürfen praktikabler Methoden.
 

Martin Diesch, MTU Friedrichshafen GmbH

Die Kenntnis der realen Belastung im Feld ist für die Entwicklung eines zuverlässigen Produktes von größter Wichtigkeit. Im Rahmen dieses Projektes sollen Lastkollektive ermittelt werden, welche die Belastung von Bauteilen von Großdieselmotoren beschreiben. Dafür sollen virtuelle Sensoren zur Beschreibung des Zusammenhanges zwischen physikalischen Messgrößen und schadensrelevanten Einflussfaktoren dienen.
 

Andreas Kroner, Daimler AG

Im Bereich der Refabrikation ist es das Ziel, die Wiederverwendungsquote zu maximieren um Ressourcen und Kapital einzusparen. Jedoch ohne abstriche hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit der aufbereiteten Produkte. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die ausgewählten Komponenten ein zweites Produktleben darstellen können. Erkenntnisse aus dem Refabrikationsprozess von tauschaufbereiteten PKW-Getrieben werden hierfür herangezogen.
 

Abgeschlossene Projekte im Forschungsbereich Zuverlässigkeitstechnik

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Zeljana Beslic, IMA

Die Zahnradlebensdauer einer Serienverzahnung soll auf den Ausfall Grübchen experimentell am Lastprüfstand untersucht werden. Es soll ein statistischer Lebensdauernachweis des Zahnrads hinsichtlich des Ermüdungsschadens und der Einfluss auf die Streuung des Degradationsmodells Grübchen, unter Einflussnahme der Last dargelegt werden. Eine Erprobungsmethodik im Hinblick auf Ressourcenplanung und ein Simulationsansatz sollen mit den Messdaten verifiziert werden.
 

Sebastian Held, Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH

Mittelpunkt von PHM ist die Feststellung der nutzbaren Restlebensdauer von technischen Systemen, sowie die Ableitung entsprechender Maßnahmen. Im Rahmen von Digitalisierung, Elektrifizierung und autonomen Fahren bietet sich der Einsatz von PHM auch in der Nutzfahrzeugtechnik an. Innerhalb dieses Projekts werden PHM-Anwendungen für Nutzfahrzeugkomponenten, im Hinblick auf reduzierte Lebenszykluskosten bei gleichzeitiger Erhöhung von Sicherheit und Verfügbarkeit, entwickelt.
 

Martin Dazer, Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH

Eine zielgerechte Zuverlässigkeitstestplanung kann nur erfolgen, wenn bereits belastbares Vorwissen über das produktspezifische Ausfallverhalten vorliegt. Im Rahmen dieses Projekts wird dieses aus stochastischen Betriebsfestigkeitssimulationen gewonnen. Dabei werden systematische Unsicherheiten mit Wahrscheinlichkeits-funktionen modelliert und eine virtuelle Weibullverteilung generiert. Mit diesem virtuell ermittelten Vorwissen soll es ermöglicht werden, Empfehlungen für die Auswahl einer optimalen Teststrategie zu geben.
 

Zielgrößen wie insb. die Verfügbarkeit (A) und die Zuverlässigkeit (R) werden ausgehend von funktionsbezogenen Kundenwünschen kostenoptimal (€) definiert, die Auswirkung geeigneter Instandhaltungsstrategien auf das Geschäftsmodell untersucht und die Geschäftsmodellwahl unterstützt. Die Symbiose aus Stakeholdern, Werten, Funktionen und Budget im Zuverlässigkeitskontext steht im Fokus der Untersuchung.
 

Zur Auslegung von Zylinderkurbelgehäusen wird eine Methode entwickelt, die es erlaubt, bereits in frühen Phasen der Entwicklung Auskunft über die Zuverlässigkeit der Zylinderkurbelgehäuse zu geben. Basis der Berechnung sind Belastungskollektive aus dem Fahrbetrieb sowie experimentell ermittelte Werkstoffdaten. Durch Verknüpfung und Abgleich von Berechnung und Feld-Analyse soll eine durchgängige Strategie zur Zuverlässigkeitsanalyse entwickelt werden.
 

Auf Basis von Elementen der Robust Design-Methodik (Axiomatic Design und Taguchi) wird eine ganzheitliche Methode zum Gestalten von robusten und zuverlässigen Komponenten von Nutzfahrzeugbremssystemen entwickelt.
 

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Durch Entwicklung einer Methodik zur beschleunigten Erprobung von NKW-Bremssystemen soll deren Zuverlässigkeit untersucht werden. Neben End-of-Life Tests werden auch Zuverlässigkeitsnachweise (Reliability Demonstration Tests) und Voruntersuchungen geplant. Parallel dazu wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, wie für zukünftige Projekte entwicklungsbegleitend die Zuverlässigkeit der Systeme nachgewiesen werden kann.
 

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Beschreibung und Ermittlung des Ausfallverhaltens von Maschinenelementen auf Basis von simulierten Lebensdauerdaten, unter Berücksichtigung von Fertigung-, Gestalt-, Werkstoff- und Belastungsstreuungen. Ziel ist die Ermittlung der Zuverlässigkeit um entsprechende Verbesserungsmaßnahmen zur Erreichung des geforderten Zuverlässigkeitsziels einzuleiten.
 

Der Next Generation Train (NGT) ist ein Schienenfahrzeug im Hochgeschwindigkeitspersonenverkehr. Aufgabe dieses Teilprojekts des DLR@UNI-Projekts sind eine grundlegende Machbarkeitsstudie für die Integration eines induktiven Energieübertragungssystems, Systemzuverlässigkeits- und Instandhaltungsaufwandsabschätzung und die Fahrzeug- bzw. Streckenintegration.
 

Ziel ist die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Abschätzung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Tribosystems Radial-Wellendichtring (RWDR). Als Grundlage dient die Auswertung von Felddaten und Prüfstandsversuchen aus der Industrie und Prüfstandsversuche am Institut.
 

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Durch Anwendung stochastischer Netzverfahren für die Modellierung und der Monte-Carlo-Simulation sollen Instandhaltungsstrategien von Werkzeugmaschinen analysiert und optimiert werden. Dabei werden vielfältige Abhängigkeiten zwischen den Kompo- enten, unterschiedliche Instandhaltungsmaßnahmen, die Belastungshistorie sowie die entstehenden Kosten berücksichtigt.
 

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Aufzeigen von Möglichkeiten und Grenzen der digitalen Fahrzeugabsicherung. Modell zur Ermittlung von Absicherungslücken in der Fahrzeugentwicklung. Ermittlung der Auswirkung von Bauteildegradation auf den Fahrkomfort mittels Simulation. Beschreibung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Gesamtfahrzeugfunktionen am Beispiel Fahrkomfort.
 

Modellierung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Ableitung der Halbleiterbeanspruchung aus der Fahrzeugbelastung. Entwicklung einer strukturierten Methode zur Zuverlässigkeitsabsicherung von Halbleitern in einem elektrischen Antriebsstrang. Neue Ansätze zur Kombination von „health monitoring“ und nutzungsdaueroptimierten Zuverlässigkeitskonzepten zur Verhinderung von ermüdungsbedingten Ausfällen im Fahrzeug.
 

Durch Modellierung von Verschleißausfällen und die Entwicklung einer statistischen Methode soll ein zuverlässigkeitsbasiertes Prognoseszenario für Fahrzeugkomponenten ermöglicht werden. Es wird somit das Liegenbleiben von Nutzfahrzeugen im Feld reduziert.
 

Entwicklung einer durchgängigen Methodik zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von Start-Stopp-Startern unter Berücksichtigung von Feldbelastungen, Planung von Versuchen zur Ermittlung der Zuverlässigkeit, Anpassung und Verwendung von Raffungsmodellen zur Reduktion von Testzeiten, Einbeziehung von Tests auf Komponentenebene sowie Nachweis der geforderten Mindestsystemzuverlässigkeit durch statistische Beschreibung des Ausfallverhaltens.
 

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Durch Auswertung von Prüfstandsversuchen soll die Entwicklung von Modellen und Methoden zur Abschätzung der Lebensdauer von hydraulischen Antrieben vorangetrieben werden.
 

Beratung bezüglich verschiedener Aspekte der Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtungen des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) (CERNConseil Européen pour la Recherche Nucléaire)
 

Beratung bezüglich verschiedener Aspekte der Zuverlässigkeitstestplanung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Komponenten und Systeme. (KIMMKorea Institute of Machinery and Materials, staatliches Prüf-und Zertifizierungsinstitut)
 

Auf Basis von Anwendungsfällen werden der Bedarf und die Anforderungen an Methoden für Zuverlässigkeit ermittelt. Dem wird der Stand der Technik im Bereich der Zuverlässigkeitsmethoden gegenübergestellt. Danach werden die Verbesserungs- und Übertragungspotentiale für Methoden aufgezeigt. Die Studie konzentriert sich auf die Antriebskomponenten der Getriebe, insbesondere Zahnräder und Lager. Das Projekt ist eine Kooperation mit dem Lehrstuhl für Produktentwicklung (TU München).

 

Entwicklung eines Aktiven Semantischen Zuverlässigkeitsnetzen (ASZ) zur Analyse der Zuverlässigkeit mit Berücksichtigung von Kosteneinflüssen

 

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Garantieforderungen der Anwender über einen längeren Zeitraum gewinnen zunehmend an Bedeutung, so dass Aussagen über die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems eines Getriebes einschließlich der Schmierung nötig sind. Ebenso ist ein Trend zu beobachten, Systeme mit Lebensdauerschmierung ohne Ölwechsel auszustatten.
 

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Vergleich der Möglichkeiten zur Reduktion des Prüfaufwands bei Zuverlässigkeitstests durch die Berücksichtigung von Vorwissen mittels des Satzes von Bayes. Untersuchung verschiedener Ansätze: Verfahren nach Beyer-Lauster, Kleyner und Kececioglu bzw. Weibayes Methode. Entwicklung einer praktikablen Methode zur Nutzung von Zuverlässigkeitsgrößen aus der Vergangenheit.
 

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Ausgehend von einer Industriebefragung soll eine verbesserte Methode zur Berechnung der Gesamtzuverlässigkeit bzw. der Ausfallwahrscheinlichkeit von Produktionsanlagen entwickelt werden.
 

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Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Anwendung stochastischer Netzverfahren zur realitätsnahen Analyse der Zuverlässigkeit und der Verfügbarkeit technischer Systeme. Bestehende Abhängigkeiten zwischen den Systemkomponenten, die Instandhaltungsstrategie sowie die Kostenaspekte beim Betrieb werden bei der Analyse berücksichtigt. Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung des realitätsnahen Systemmodells und eines geeigneten Analyseverfahrens.
 

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Für das Common Rail Einspritzsystem wird ein Modell zur rechnerischen Simulation von Lastkollektiven, die auf im Feld gemessenen Beanspruchungskollektiven beruhen, erarbeitet. Hierzu werden sowohl Fahrer, Fahrstrecke als auch Motor einbezogen. Mittels Parametervariation sollen die Einflüsse auf die Ausfallwahrscheinlichkeit der Common Rail Komponenten untersucht werden.
 

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Für ein Nutzfahrzeuggetriebe soll aufgezeigt werden, wie von der Definition der Zuverlässigkeit in der Konzeptphase, nach und nach die erforderliche Zuverlässigkeit von Komponenten und Getriebe in der Entwicklungsphase, bis hin zur Nutzungsphase versuchstechnisch nachgewiesen werden kann.
 

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Zuverlässigkeitsaussagen für ein Produkt sind zwingend notwendig und werden vom Kunden auch gefordert. Bisher können Aussagen zur Zuverlässigkeit eines Bauteiles oder von ganzen Baugruppen erst in den späten Phasen des Entwicklungsprozesses, d. h. in der Ausarbeitungsphase bei Vorliegen des detaillierten Entwurfs oder bei der Erprobung erfolgen. Hierfür existieren verschiedene qualitative und quantitative Methoden und Verfahren, um die Zuverlässigkeit "im Nachhinein" zu bestimmen.
 

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Einfluss der Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors auf die Zuverlässigkeit von Fahrzeuggetrieben und anderen Antriebsstrangkomponenten.
 

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Verzahnung mit Sensortechnik-Diagnosesystem, Berechnungsalgorithmen und Produktgestaltung.
 

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Die Qualität der Produkte ist in den letzten Jahren ein wichtiges Entwicklungskriterium. Dies liegt zum einen an den Qualitätsansprüchen der Kunden, die ein funktionierendes langlebiges Produkt kaufen wollen, zum Anderen aber auch an den gesetzlichen Bestimmungen, die z. B. in den USA durch die Produkthaftung bestehen. Eine aussagekräftige Untersuchung der Zuverlässigkeit hängt in starkem Maße von den verwendeten Eingangsdaten ab.
 

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Die Zuverlässigkeit von Systemen in Nutzfahrzeugen müssen hohe Anforderungen erfüllen, da ungeplante Stillstandszeiten vermieden werden müssen. Als Vergleichsbasis dienen dazu bisherige Systeme, deren Zuverlässigkeit möglichst übertroffen werden sollen.
 

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Die Zuverlässigkeit eines Produkts wird durch die Wahrscheinlichkeit beschrieben, mit der es während einer definierten Zeitdauer unter gegebenen Funktions- und Umgebungsbedingungen nicht ausfällt. Die Zuverlässigkeit ist damit als zeitabhängige Komponente der Qualität anzusehen, die unmittelbar die Funktionsfähigkeit eines Produkts beschreibt. Sie stellt dadurch eine wesentliche Produkteigenschaft dar.
 

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Kontakt Bereichsleitung Zuverlässigkeitstechnik

Dieses Bild zeigt Dazer
M. Sc.

Martin Dazer

Bereichsleiter Zuverlässigkeitstechnik

 

Institut für Maschinenelemente (IMA)

Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart