Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Künstliche Neuronale Netze zur Qualitätsprognose von Funktional Gradierten Materialien im laserbasierten Directed Energy Deposition

2023-09-25 , Marquardt, Raphael , Bähring, Stefan , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt.

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Brennstoffzelle - wie sauber muss es sein?

2023-06-29 , Tammer, Christoph , Schießl, Timo , Burgdorf, Philipp

Die technische Sauberkeit ist bei der Brennstoffzelle eine wichtige Einflussgröße für die realisierte Produktqualität in Bezug auf Lebensdauer und Performanz. Wie an welcher Stelle der Prozesskette im Hinblick auf welche Grenzwerte gereinigt und geprüft werden sollte, wird aktuell im Rahmen eines Forschungsprojektes betrachtet.

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Entwicklung eines Prozess- und Informationsmodells für das Produktlebenszyklusmanagement in der digitalen Transformation

2023 , Schindlbeck, Roman , Rethmeier, Michael , Stark, Rainer , Dust, Robert

Die Digitalisierung erfordert von industriellen Unternehmen, reaktionsfähig neue Kundenbedürfnisse zu bedienen. Der tägliche Umgang mit digitalen Technologien verändert die Erwartungen der Nutzer an Produkte und Services. Um im Wettbewerb zu bestehen, sind Geschäftsmodelle konsequent kundenorientiert auszurichten und permanent anzupassen. Innovationen ressourceneffizient und schnell in Form von Produkten und Services zu operationalisieren, setzt voraus, dass die Prozesse und Systeme von Unternehmen ein durchgängiges, anpassbares und transparentes Wissens-, Informations- und Datenmanagement gewährleisten. In dieser Arbeit wird ein Modell für ein strukturiertes Vorgehen entwickelt, um neue Geschäftsmodelle zu gestalten und die dafür notwendigen Adaptionen des Produktlebenszyklusmanagements vorzunehmen. Die Anforderungen an das Modell werden anhand der praxisbezogenen Aktionsforschung und qualitativer Untersuchungsmethoden abgeleitet. Darauf aufbauend erfolgt die Modellbildung, in die konkrete Techniken und Handlungsanleitungen einfließen. Anschließend wird das Modell durch den Use Case „Automatisiertes Laden“ evaluiert.

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Methode zur Quantifizierung von Einsatzgrenzen einer zentralen und dezentralen Struktur für die Fertigungssteuerung

2023 , Willeke, Nils , Krüger, Jörg

In der Massenfertigung werden flexible Organisationsformen und dezentrale Steuerungsstrukturen als Lösungsansätze für volatile Märkte seit mehr als einem Jahrzehnt diskutiert. Über die Einsatzgrenzen in einem Fertigungssystem kann jedoch ohne einen Leistungsvergleich keine Aussage getroffen werden. Die Untersuchung einer Vielzahl von Algorithmen ist zeit- und ressourcenaufwändig. Um eine praxistaugliche Schätzung der Einsatzgrenzen zu ermöglichen, wird eine Angleichung der Auswahllogik bei der Entscheidungsfindung vorgenommen, sodass diese anhand der Eigenschaften proaktives Rüsten und Aktualität der Entscheidungsgrundlage bestimmt werden können. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt und Simulationsstudien durchgeführt. Für die Berechnung einer Kennzahl und den Vergleich von Simulationsalternativen wurde ein existierendes Verfahren automatisiert. Die Sieger aus den Vergleichen werden in Entscheidungshilfen operationalisiert. Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine performantere Simulation und die Bestimmung minimal möglicher Einsatzgrenzen der Werkstattfertigung.

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Laserstrahlauftragschweißen - Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität

2023-09 , Kampffmeyer, Dirk , Wolters, Michael , Raute, Julius , Müller, Vinzenz , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.

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Laser Surface Texturing of Ti6Al4V Alloy for the Reduction of Peri-implantitis

2023 , Souza Schweitzer, Luiz Guilherme De

Within the scope of the present work, a novel laser texturing processing to optimize the surface characteristics of dental titanium implants is developed. The treatment with ultrashort pulsed laser for the surface texturing shows promising results to prevent implant-associated infections on dental implants. On the one hand, this is achieved by reducing the biofilm formation of the pioneer bacteria Streptococcus. The reduction of biofilm formation on the surface avoids the proliferation of pathogen bacteria responsible for the peri-implantitis disease. On the other hand, the host tissue integration is achieved through the adhesion of human MSCs, allowing the maintenance of biocompatibility. The investigation of both aspects within the same framework conditions comprises a method to assess the technology developed to prevent the occurrence of peri-implantitis cases without compromising the biocompatibility of the implant.

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Historical Paper Documents

2023 , Rögner, Frank-Holm , Schottner, Gerhard , Grählert, Wulf , Gruber, Florian , Fuchs, Theobald , Hügle, Johannes

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Process Setup and Boundaries of Wire Electron Beam Additive Manufacturing of High-Strength Aluminum Bronze

2023-08-08 , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

In recent years, in addition to the commonly known wire-based processes of Directed Energy Deposition using lasers, a process variant using the electron beam has also developed to industrial market maturity. The process variant offers particular potential for processing highly conductive, reflective or oxidation-prone materials. However, for industrial usage, there is a lack of comprehensive data on performance, limitations and possible applications. The present study bridges the gap using the example of the high-strength aluminum bronze CuAl8Ni6. Multi-stage test welds are used to determine the limitations of the process and to draw conclusions about the suitability of the parameters for additive manufacturing. For this purpose, optimal ranges for energy input, possible welding speeds and the scalability of the process were investigated. Finally, additive test specimens in the form of cylinders and walls are produced, and the hardness profile, microstructure and mechanical properties are investigated. It is found that the material CuAl8Ni6 can be well processed using wire electron beam additive manufacturing. The microstructure is similar to a cast structure, the hardness profile over the height of the specimens is constant, and the tensile strength and elongation at fracture values achieved the specification of the raw material.

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Entwicklung einer datenbasierten Methodik zur Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen aus Kundenperspektive

2023 , Jasper, Hendrik , Krüger, Jörg

Diese Dissertation befasst sich mit der kundenorientierten Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen in Serienfahrzeugen. Derzeitige Bewertungskonzepte auf Basis von Befragungen und Testfahrten sind nicht in der Lage, die Qualitätswahrnehmung des Kunden ausreichend abzubilden. Es besteht dringender Handlungsbedarf, innovative Methoden zu entwickeln, die das reale Kundenerlebnis mit den Systemen möglichst frühzeitig und kontinuierlich erfassen. Daraus hervorgehend ist das Ziel der Arbeit die Entwicklung einer datenbasierten Methodik zur Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen aus Kundensicht. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der Identifizierung, Klassifizierung und Auswertung von Fahrereingriffen, die das System überstimmen und einen Indikator für unzufriedenstellendes Funktionsverhalten darstellen. Die entwickelte Methodik zeigt auf, wie subjektive Kundenbewertungen mit objektiven Fahrzeugdaten verbunden und analysiert werden können, um die Kundenwahrnehmung zum Systemverhalten zu erfassen. Die Arbeit bietet somit eine Grundlage zur Aufnahme der Kundenzufriedenheit im Bereich der Längs- und Querführung von Fahrerassistenzsystemen in Serienfahrzeugen.

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Automatisierte Optimierung der Energieeffizienz verschalteter Anlagen durch steuernden Eingriff

2023 , Thiele, Gregor

Industrielle Kälteanlagen bestehen aus verschiedenen Komponenten wie Kühltürmen, Kältemaschinen und Wasserkreisläufen. Über Leitsysteme lassen sich Variablen wie Drücke und Temperaturen einstellen. Die Komponenten einzeln energieeffizient zu fahren, führt nicht zum optimalen Betrieb der gesamten Anlage. Die zunehmende Vernetzung von Maschinen und Anlagen ermöglicht eine übergeordnete Orchestrierung der Teilsysteme, die neue Optimierungsaufgaben mit sich bringt. Mit OptTopo stellt dieses Buch einen Algorithmus vor, der auf Basis verschiedenartiger Modelle der Komponenten die effizientesten Werte für das Gesamtsystem berechnet. Die Berücksichtigung der Topologie verschalteter Systeme birgt Potenziale, das Optimierungsproblem zu reduzieren. Die Untersuchung weist die Machbarkeit des Ansatzes nach und zeigt auf, dass im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen nach einmaliger Initialisierung beliebig viele Anforderungen ohne erneute Berechnung bedient werden können.

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