Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Safety of slim tool extensions for milling operations
    ( 2019)
    Uhlmann, E.
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    Thom, S.
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    Barth, E.
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    Pache, T.
    ;
    Prasol, L.
    The development of 5-axis machine tools (MT) allows complete machining of complex workpiece geometries. In order to counteract lacking operation space and to improve the accessibility of the workpiece, slim tool extensions (STE) are applied. Operating errors, e.g. by crash, can cause plastic deformation of STE during machining operation and therefore lead to an increased moment of inertia, and thus to rotational energy due to the spindle speed control of machine tools. Currently applied machine tool enclosures are not designed for such failures with corresponding kinetic energies EKIN. The described failure implies a risk potential for operators and a high damage potential for machine tools. In this paper, the failure scenario is identified and modeled. This includes the calculation of elastoplastic deformations of STE based on finite element analysis and analytical calculation of kinetic energies EKIN considering deformed STE. Based on the described model a parameter study is carried out considering the geometry of the STE as well as the spindle speed nS. The safety of existing machine tool enclosures is evaluated according to DIN EN 12417 in order to identify safe operating conditions. Finally, the authors suggest possible solutions addressing both, the STE and machine tool enclosure. The research presented in this paper is funded by the German Machine Tool Builders Association (VDW).
  • Publication
    Probabilities in safety of machinery - how fixed and movable guards bring about a significant risk reduction
    ( 2018)
    Mödden, H.
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    Uhlmann, E.
    ;
    Prasol, L.
    ;
    Thom, S.
    ;
    Duchstein, B.
    If hazards arising from machine tools cannot be completely eliminated by design, protective devices must be provided. Separating guards prevent people from accessing or entering the danger area; in addition, they retain any parts that may have been released in the work area. An attempt shall be made here to supplement the currently purely intuitive (qualitative) consideration of the protection effects by a probabilistic scaling of the risk reduction effects. By scaling these effects, the Pareto principle can be applied: achieving the best possible benefit with minimal effort. This procedure is indispensable for machine tool manufacturers to master economic risks in global competition. Since there is no plausible risk model in current safety standards for machine safety with which risk reduction effects can be scaled, a simplified quantitative risk model is presented in this paper for this purpose (and two further papers are presented at ESREL 2018).
  • Publication
    Solutions for sustainable machining
    ( 2016)
    Uhlmann, E.
    ;
    Peukert, B.
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    Thom, S.
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    Prasol, L.
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    Fürstmann, P.
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    Sammler, F.
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    Richarz, S.
    The manufacturing industry contributes over 19 % to the world's greenhouse gas emissions [1, 3] and 31 % of the total energy consumed annually in the United States of America [2, 3]. There is therefore an increasing demand for sustainable solutions for the production technology industry. At the TECHNISCHE UNIVERSITAET (TU) BERLIN, Germany, a collaborative research center (CRC) is focusing on new solutions for the sustainable machining of high performance alloys, with developments from machine tools frames to cutting tool technology being undertaken. An innovative machine tool concept with a modular frame, which allows a high level of flexibility, has been developed. Furthermore, add-on upgrading systems for older machine tools, which are particularly relevant for developing countries, have been developed. These systems allow the accuracy of outdated machine tools to be increased, thus making the machine tools comparable to modern systems. Finally the cutting process also requires solutions for dry machining, as the use of cooling lubricant is environmentally damaging and a significant cost contributor in machining processes. Two solutions are being developed at the TU BERLIN: an internally cooled cutting tool and a heating concept for ceramic tools to allow dry machining of high temperature alloys, for example for the aerospace industry.
  • Publication
    Coining of micro structures with an electromagnetically driven tool
    ( 2012)
    Uhlmann, E.
    ;
    König, C.
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    Prasol, L.
    ;
    Ziefle, A.
  • Publication
    Neue Potentiale der Impulsmagnetik
    ( 2011)
    Uhlmann, E.
    ;
    Prasol, L.
    ;
    König, C.
    ;
    Ziefle, A.
    Die impulsmagnetischen Verfahren lassen sich nicht nur zur Umformung von Aluminium- und Kupferlegierungen einsetzen, sondern besitzen durch die sehr hohe Umform- bzw. Bauteilgeschwindigkeit einzigartige Möglichkeiten. Die hohe impulsförmige Kraft, die den Verfahren eigen ist, ermöglicht das Schockverschweißen von Profilen und Blechen unterschiedlicher Materialien. Die Umformgeschwindigkeiten von bis zu ? = 25000 s-1 erlauben das Umformen von Magnesiumlegierungen zu Formänderungen, die konventionell nur mit Vorwärmen realisierbar sind. Des Weiteren lassen sich mit dem impulsmagnetischen Verfahren Werkzeuge auf kürzestem Wege auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen, mit denen neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Die Beschleunigung auf hohe Werkzeuggeschwindigkeiten auf kürzestem Wege bietet Potenzial, höherfeste Werkstoffe umzuformen und zu zerteilen, bei Reduktion des Werkzeugverschleißes. Die Effekte, die durch die schnelle adiabate Bearbeitung im Werkstoff entstehen, können so genutzt werden. Als innovative Fügetechnologie ermöglicht das impulsmagnetische Schweißen für das Fügen artfremder Metalle einen schnellen, berührungslosen und aufgrund nicht vorhandener Emissionen umweltfreundlichen Prozess. Da der Fügemechanismus anders als bei konventionellen Verfahren nicht thermisch induziert, sondern druckbasiert umgesetzt wird, sind die üblichen Beschränkungen der Verschweißbarkeit nicht von der Schmelztemperatur bestimmt. Es bildet sich eine wenige µm dicke Schweißschicht, in der ein Härtemaximum in Querrichtung zur Schweißnaht lokalisiert ist. Bei der Auslegung von impulsmagnetischen Umformprozessen kann mittlerweile verlässlich auf die Hilfe von elektromagnetischer als auch strukturdynamischer FEM-Simulation zurückgegriffen werden. Hierbei kann mittels Geometrie- und Materialvariation eine optimale Spulengeometrie ermittelt werden. Das Umformen von Magnesiumlegierungen bei Raumtemperatur ermöglicht, den aufwendigen und u.a. kostenintensiven Schritt des Erwärmens während der Prozesskette einzusparen. Das impulsmagnetische Umformen von Magnesiumknetlegierungen bei Raumtemperatur bietet somit einen Anreiz, dieses Verfahren beispielsweise im Fahrzeugbau zu integrieren und somit die Produktionskosten zu senken.