Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Adaptive Reparatur-Prozesskette
    ( 2023-02-11)
    Müller, Vinzenz
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    Mönchinger, Stephan
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    Colombo, Giovanna Fiocco
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    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Das additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED), kombiniert mit automatisierten Reverse-Engineering-Ansätzen, bietet die Möglichkeit, Bauteile effizient zu reparieren. Durch intelligente Algorithmen können im sogenannten Scangineering 3D-Scandaten von Bauteilen vorverarbeitet, ausgerichtet und parametrisiert werden. Die erkannten geometrischen Defekte werden zur Errechnung der Werkzeugwege für den additiven Aufbau verwendet und mittels des LP-DED-Prozesses aufgeschweißt und repariert. Dabei kommen vor allem die Vorteile der flexiblen Prozessführung, ein hoher Automatisierungsgrad und gute Reproduzierbarkeit zum Tragen.
  • Publication
    Entwicklung eines Prozess- und Informationsmodells für das Produktlebenszyklusmanagement in der digitalen Transformation
    (Fraunhofer Verlag, 2023)
    Schindlbeck, Roman
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    Rethmeier, Michael
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    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.
  • Publication
    Deutsche Normungsroadmap Circular Economy
    (DIN, 2023-01)
    Winterhalter, Christoph
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    Teigeler, Michael
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    Westerkamp, Dieter
    Die deutsche Normungsroadmap Circular Economy unterstützt den Weg von einer linearen in eine zirkuläre Wirtschaft, denn bei dem Vorhaben Stoffkreisläufe zu schließen und damit wertvolle Ressourcen zu sparen, spielen Normen und Standards eine wichtige Rolle. Die Normungsroadmap betrachtet Hemmnisse und Herausforderungen für die Transformation aus Normungsperspektive und benennt die Normungsbedarfe für sieben entscheidende Sektoren der deutschen Wirtschaft.
  • Publication
    Studie zur Stärkung der Holzbauwirtschaft in der Metropolregion Berlin-Brandenburg
    (Fraunhofer IPK, 2023)
    Kohl, Holger
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    Bunschoten, Raoul
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    Oertwig, Nicole
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    Kulick, Christian
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    Karl, Moritz Maria
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    Blackburn, Phoebe
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    Kohl, Holger
    Berlin verfolgt das Ziel, sich bis zum Jahr 2050 zu einer klimaneutralen Stadt zu entwickeln: Im Vergleich zur Gesamtsumme der CO2-Emissionen des Jahres 1990, sollen diese bis 2030 um mindestens 60 Prozent und bis zum Jahr 2050 um mindestens 85 Prozent verringert werden. Fast ein Drittel der CO2-Emissionen in Deutschland kann dem Gebäudebereich zugerechnet werden. Einen enormen Hebel zur Verbesserung der Klimabilanz bietet der konsequente Einsatz von Baumaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Insbesondere der Baustoff Holz kann für die Metropolregion Berlin-Brandenburg eine zentrale Stellung zur Erreichung der Klimaziele einnehmen. Hierzu wurde bereits im Frühjahr 2021, in der Vorhabensliste1 des Strategischen Gesamtrahmens Hauptstadtregion, eine regionale Holzbau-Offensive festgehalten. Diese hat zum Ziel, die Region Berlin-Brandenburg zu einer Region des Holzbaus zu entwickeln. Damit die holzbasierte Transformation des Bauens in der Hauptstadtregion nachhaltig gelingt, ist insbesondere eine starke kreislaufwirtschaftsbasierte regionale Holzbauwirtschaft von Bedeutung.
  • Publication
    Automatisierte Optimierung der Energieeffizienz verschalteter Anlagen durch steuernden Eingriff
    (Fraunhofer Verlag, 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.
  • Publication
    Mittels Scangineering und Schweiß-Knowhow zum reparierten Umformwerkzeug
    ( 2022-12-19)
    Biegler, Max
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    Mönchinger, Stephan
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    Müller, Vinzenz
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    Rethmeier, Michael
    Zum wirtschaftlichen und nachhaltigen Einsatz von Stanz- und Formwerkzeugen ist in der Regel eine Reparatur der verschlissenen Werkzeuge erforderlich. Das Additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED) in Kombinationen mit intelligenten Reverse-Engineering-Ansätzen bietet die Möglichkeit, Bauteile materialschonend und effizient zu reparieren.
  • Publication
    Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939
    ( 2022-12)
    Raute, Maximilian Julius
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    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.
  • Publication
    Analyse und Nutzung von Aluminium-Bronze-Schleifstaub für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen
    ( 2022-12)
    Müller, Vinzenz
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    Marko, Angelina
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    Kruse, Tobias
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    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Die additive Fertigung verspricht ein großes Potenzial für den maritimen Sektor. Insbesondere Directed Energy Deposition (DED) Verfahren bieten die Möglichkeit, großvolumige maritime Bauteile wie Propellernaben oder -schaufeln herzustellen. Bei der Nachbearbeitung solcher Bauteile fällt in der Regel eine große Menge an Schleifabfällen an. Ziel des vorgestellten Projekts ist die Entwicklung einer nachhaltigen zirkulären AM-Prozesskette für maritime Komponenten auf Basis von Aluminiumbronze-Schleifresten. Dazu soll das Material wiederaufbereitet und anschließend als Rohmaterial für die Herstellung von Schiffspropellern im Laser-Pulver DED-Verfahren verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Schleifabfälle mittels dynamischer Bildanalyse untersucht und mit kommerziellem DED-Pulver verglichen. Anschließend werden Probengeometrien aus Schleifstaub gefertigt und durch metallographische Schliffe und REM/EDX analysiert.
  • Publication
    Retaining Mechanical Properties of GMA-Welded Joints of 9%Ni Steel Using Experimentally Produced Matching Ferritic Filler Metal
    ( 2022-11-30)
    El-batahgy, Abdel-monem
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    Elkousy, Mohamed Raafat
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    Al-Rahman, Ahmed Abd
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    Gumenyuk, Andrey
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    Rethmeier, Michael
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    Gook, Sergej
    Motivated by the loss of tensile strength in 9%Ni steel arc-welded joints performed using commercially available Ni-based austenitic filler metals, the viability of retaining tensile strength using an experimentally produced matching ferritic filler metal was confirmed. Compared to the austenitic Ni-based filler metal (685 MPa), higher tensile strength in gas metal arc (GMA) welded joints was achieved using a ferritic filler metal (749 MPa) due to its microstructure being similar to the base metal (645 MPa). The microstructure of hard martensite resulted in an impact energy of 71 J (−196 °C), which was two times higher than the specified minimum value of ≥34 J. The tensile and impact strength of the welded joint is affected not only by its microstructure, but also by the degree of its mechanical mismatch depending on the type of filler metal. Welds with a harder microstructure and less mechanical mismatch are important for achieving an adequate combination of tensile strength and notched impact strength. This is achievable with the cost-effective ferritic filler metal. A more desirable combination of mechanical properties is guaranteed by applying low preheating temperature (200 °C), which is a more practicable and economical solution compared to the high post-weld heat treatment (PWHT) temperature (580 °C) suggested by other research.