Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Selbstoptimierendes System zur aktiven Schwingungskompensation in Werkzeugmaschinen
    (Fraunhofer Verlag, 2021)
    Mewis, Jan
    Die Werkzeugmaschinenindustrie ist charakterisiert durch ständig steigende Anforderungen an Fertigungskosten und -qualität. Der dadurch zunehmenden Belastung der Werkzeugmaschinen muss durch geeignete Maßnahmen entgegengewirkt werden. Insbesondere das dynamische Verhalten hat einen hohen Anteil an der erreichbaren Produktivität und Fertigungsgenauigkeit. Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erfordert eine Verringerung der Massen. Gleichzeitig ist jedoch auch eine Erhöhung der Dämpfung und der Steifigkeit gefordert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung eines aktiven, robusten, sowie sich selbst identifizierenden und optimierenden Systems zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen durchgeführt und evaluiert. Die Modelle und Grundlagen hierfür sind systematisch erarbeitet, nachvollziehbar dargestellt und zielgerichtet miteinander verknüpft worden. Die Dämpfungswirkung konnte anhand eines aktiven Mehrgrößensystems mit signifikanten Interaktionen nachgewiesen werden, das seriell in den Kraftfluss eines Maschinengestells integriert wurde. Zusammen mit den entwickelten Methoden sind die Modelle auf beliebige linearisierbare aktive Mehrgrößensysteme anwendbar.
  • Publication
    In-Situ-Kraftmessung bei variablen Werkzeugwinkeln
    ( 2019)
    Uhlmann, Eckart
    ;
    Uhlemann, Sebastian
    ;
    Kochan, Jaroslaw
    Werkzeugentwicklungen sind von iterativen Anpassungen und aufwendigen Versuchsreihen mit einer Vielzahl von Prototypen geprägt. In einem Forschungsprojekt wurde ein sensorisch instrumentiertes Fräswerkzeug mit verstellbaren Schneiden entwickelt und mittels SLM (Selective Laser Melting) aufgebaut. Mit dieser Entwicklung liegt ein Instrument vor, das im Fräsprozess unmittelbar an den Schneiden Belastungen erfassen kann und durch nachgestellte FEM (Finite Elemente Methode)-Analysen und Optimierungsroutinen ein enormes Potenzial für die Auslegung optimierter Werkzeuggeometrien bietet.
  • Publication
    In-Situ-Kraftmessung bei variablen Werkzeugwinkeln
    ( 2019)
    Uhlmann, Eckart
    ;
    Uhlemann, Sebastian
    ;
    Kochan, Jaroslaw
    Werkzeugentwicklungen sind von iterativen Anpassungen und aufwendigen Versuchsreihen mit einer Vielzahl von Prototypen geprägt. In einem Forschungsprojekt wurde ein sensorisch instrumentiertes Fräswerkzeug mit verstellbaren Schneiden entwickelt und mittels SLM (Selective Laser Melting) aufgebaut. Mit dieser Entwicklung liegt ein Instrument vor, das im Fräsprozess unmittelbar an den Schneiden Belastungen erfassen kann und durch nachgestellte FEM (Finite Elemente Methode)-Analysen und Optimierungsroutinen ein enormes Potenzial für die Auslegung optimierter Werkzeuggeometrien bietet.
  • Publication
    Agentenbasierte Automatisierung des Betriebs Industrieller Produkt-Service Systeme
    (Fraunhofer Verlag, 2016)
    Raue, Niels
    Die wirtschaftliche Bearbeitung von Nickelbasis-Legierungen gehört zu einer der herausforderndsten Aufgaben in der Fertigungstechnik. Moderne Schneidkeramiken haben in den vergangenen Jahren vielfach bewiesen, dass sie bei der Bearbeitung von Nickelbasis-Legierungen die Produktivität signifikant steigern können. Insbesondere Sialon-Keramik und Whisker-Keramik haben sich mittlerweile in Form von Wendeschneidplatten im Turbinenbau etabliert. Schaftwerkzeuge sind bisher jedoch nicht in diesen Schneidstoffen verfügbar. Die Bereitstellung keramischer Schaftfräswerkzeuge stellt damit einen wichtigen Beitrag zur kontinuierlichen Senkung von Herstellungskosten im Turbinenbau dar. Dieser Themenstellung widmet sich die vorliegende Arbeit. Es werden Werkzeuggeometrien entwickelt, Prozessumgebungen beschrieben sowie Betrachtungen zur Reduzierung von Hauptzeiten am Beispiel einer Turbinenleitschaufel durchgeführt, die wichtige Impulse für die industrielle Anwendung liefern. Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß sowie der Simulation von Spannungsverteilungen eröffnen Ansatz-punkte für weiterführende wissenschaftliche Arbeit.
  • Publication
    Niedrigdimensionale Modelle zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung der Pose
    (Fraunhofer Verlag, 2016)
    Wintering, Jens Hermann
    Zur Minimierung der Simulationszeit werden bei der Werkzeugmaschinenentwicklung Modellordnungsreduktionsverfahren eingesetzt. Typischerweise geben diese Ersatzmodelle das Übertragungsverhalten beziehungsweise die Systemeigenschaften einiger ausgewählter Eingangspunkte zu einigen ausgewählten Ausgangspunkten wieder. Zur Berücksichtigung der Schlittenposition im Simulationsmodell wird allerdings eine größere Anzahl an Ein- und Ausgangsknoten benötigt. Durch die Erhöhung der Ein- und Ausgänge des Systems erhöht sich wiederum die Dimension des reduzierten Ersatzsystems massiv. Um dies zu vermeiden, wurden in transienten Simulationen bisher keine veränderten Schlittenpositionen berücksichtigt, wie sie in der Regel bei Werkzeugmaschinen auftreten. Das Ziel der Arbeit ist ein Verfahren zur zeiteffizienten Simulation von Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften bei Änderung der Steifigkeits- und Massenverteilung mittels einer Kombination von Modellordnungsreduktionsverfahren.
  • Publication
  • Publication
    Entwicklung eines Bearbeitungszentrums zur Mikrofertigung durch Fräsen und Laserabtrag
    ( 2007)
    Eßmann, J.
    In der Feinwerktechnik, bei der Herstellung medizin- und biotechnischer Produkte sowie im Werkzeug- und Formenbau werden Strukturen kleinster Abmaße und hoher Oberflächengüten erzeugt. Die Kombination aus 5-Achs-Mikrofräsbearbeitung und Lasermaterialabtrag mittels gepulster Laserstrahlung sowie die Erfassung der Werkstückgeometrie im Arbeitsraum bietet eine Alternative zu etablierten Fertigungsprozessketten wie beispielsweise der Formherstellung mittels Funkenerosion (EDM). Im Rahmen des Vorhabens HiDynMolder wird eine Werkzeugmaschine zur Mikrofertigung durch Fräsen und Lasermaterialabtrag entwickelt. Die Kombination dieser Fertigungsverfahren mit der maschinenintegrierten Werkstück-Geometrieerfassung stellt eine flexible Alternative zu etablierten Prozessketten der Mikrofertigung dar. Insbesondere Werkzeuge und Formen aus gehärteten Stahlwerkstoffen können durch eine hochdynamische Fräsbearbeitung mit Ultrafeinstkorn-Hartmetallwerkzeugen und Lasermaterialabtrag mittels Kurzpuls-UV-Laserstrahlung wirtschaftlich hergestellt werden. Dazu wird das Bearbeitungszentrum mit einer Schlichtspindel ausgerüstet, die eine maximale Drehzahl von 250.000 min(exp -1) erreicht sowie mit linearmotorgetriebenen Maschinenachsen, die einen Ruck oberhalb 1000 m/s(exp 3) ermöglichen. Die berührungslose Geometrieerfassung ermöglicht eine Nachbearbeitung ohne Umspannverluste, die auf der Basis der tatsächlich vorhandenen Bauteilgeometrie geplant werden kann. Der Lasermaterialabtrag stellt dabei eine wirtschaftliche Erweiterung im Bezug auf minimale Strukturabmaße, Geometriekomplexität und Werkstoffspektrum dar. Entnommen aus TEMA
  • Publication
    Trennende Schutzeinrichtungen für Werkzeugmaschinen zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
    (Fraunhofer IRB Verlag, 2004)
    Bold, J.
    ;
    Uhlmann, E.
    Aus der zunehmenden Dynamisierung der Prozeßgeschwindigkeiten bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung resultiert eine hohe Gefährdung der Bediener durch im Schadensfall abgeschleuderte Bruchstücke von Werkzeugen, Werkstücken oder Spannzeugen. Trennende Schutzeinrichtungen müssen diese Bruchstücke sicher zurückhalten. Ein auf der Grundlage von europäischen Richtlinien neu installiertes Produkthaftungsgesetz verpflichtet die Hersteller von Werkzeugmaschinen die Sicherheit ihrer Produkte auf höchstem Niveau zu gewährleisten. Mit Hilfe von experimentellen Aufprallprüfungen lassen sich die Rückhalteeigenschaften von Materialien für trennende Schutzeinrichtungen untersuchen. Durch die Bereitstellung einer breiten Datenbasis an spezifischen Durchdringungswiderständen sowie die Diskussion der Bauweisen von Wandelementen und Sicherheitsfenstern unter Aspekten wie der chemischen Alterung oder der Kostenoptimierung liefert die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag zur sicherheitstechnischen Qualifizierung.
  • Publication
    Berechnungsmodell zur Ermittlung von Spannkräften bei Backenfuttern
    (Fraunhofer IRB Verlag, 2003)
    Feng, P.
    ;
    Uhlmann, E.
    Die Berechnung der optimalen Spannkraft für Backenfutter ermöglicht neben der Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit und der Prozesssicherheit, die Effektivität der Drehbearbeitung für hohe Drehzahlen zu steigern. Die notwendige Ausgangsspannkraft beu Außenspannung wird durch die zur Aufnahme der am Werkstück auftretenden Prozesskräfte erforderliche Mindestspannkraft und den dynamischen Spannkraftverlust infolge der Fliekräfte beschrieben. In dem Teilmodell zum Spannkraftverlust wird der Einfluss der Werkstück-, Spannfutter- und Spannbackensteifigkeit berücksichtigt. In dem Teilmodell zur Mindestspannkraft wird die Spannkraftverteilung in den Spannflächen mit Hilfe von FEM-Analysen untersucht. Die Genauigkeit des in dieser Arbeit neu entwickelten Spannkraftberechnungsmodells übersteigt die der bisherigen Berechnungsansätze deutlich. Das Modell besitzt sowohl für herkömmliche Spannfutter als auch für Spannfutter neuer Bauart Gültigkeit. Diese und der Grad der Genauigkeit des Berechnungsmodells werden anhand von experimentellen Untersuchungen und FEM-Analysen validiert. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage zur Erstellung einer neuen VDI-Richtlinie, die bei der Ermittlung der zulässigen Drehzahl oder der notwendigen Ausgangsspannkraft von Backenfuttern in der Arbeitsvorbereitung Anwendung finden kann.