Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Trochoid milling with industrial robots
    ( 2020)
    Uhlmann, Eckart
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    Reinkober, S.
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    Hoffmann, M.
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    Käpernick, P.
    The highly dynamic production puts the versatility of production systems in the center of industrial interests. Due to their flexibility and low energy consumption industrial robots are a big part of this development. They have been used as handling systems for decades and are already state of the art in this regard. This is not the case for other surrounding tasks such as milling. These systems have in comparison to conventional machine tools a relatively low stiffness c, which allows only low cutting forces Fc and therefore low feed rates fz and speeds vc. This leads to higher processing times and therefore to a higher energy consumption. A highly dynamic milling strategy, which results in significantly lower cutting forces Fc than in conventional milling and which at the same time has high cutting rates is trochoid milling. This paper shows the basic usability of this milling strategy on standard industrial robots. Furthermore, the challenges of the near future will be shown.
  • Publication
    Pocket milling of composite fibre-reinforced polymer using industrial robot
    ( 2019)
    Melo, E.G. de
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    Klein, T.B.
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    Reinkober, S.
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    Gomes, J.D.O.
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    Uhlmann, E.
    In the recent decades, aerospace and automotive industry are replacing metal materials by carbon fibre-reinforced polymer (CFRP). The mechanical properties of CFRP materials are very attractive due to high mechanical strength and low weight. However, there are technological challenges in the machining process for this type of material. The anisotropy and inhomogeneity of the CFRP cause high wear of the cutting tool, spalling, delamination, fuzzing, fibre pull-out, matrix cracking, thermal degradation and resulting in poor quality of the part. In addition, the requirement for processes that are more flexible within a larger work area makes the use of industrial robot (IR) a promising alternative. The present work evaluated the performance of the IR regarding motion accuracy, which influences machining conditions of composites. The trimming in a pocket milling was carried out using the factional replication of the 3k factorial design, with three levels and three factors. The tool geometry, feed rate fz and spindle speed n were selected as input parameters. In order to evaluate the robotic machining performance, resultant cutting force Fr, surface and dimensional quality were selected as output parameters to be assessed. After obtaining the force results, equations were generated for each cutting tools and Response Surface Methodology (RSM) was applied. The results show that the use of IR is a promising alternative for the CFRP machining of large aeronautical components.
  • Publication
    Trochoide Fräsbearbeitung mit Industrierobotern
    ( 2018)
    Uhlmann, E.
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    Reinkober, S.
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    Hoffmann, M.
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    Käpernick, P.
    Der hohe Bedarf an einer dynamischen und kundenindividuellen Produktion rückt die Flexibilität von Produktionssystemen zunehmend in den Fokus. Industrieroboter leisten heute einen entscheidenden Beitrag zur Befriedigung dieses Bedarfes. Obwohl sie in der Handhabung bereits Stand der Technik sind, finden sie in der mechanischen Fertigung, nach wie vor nur selten Anwendung. Das Trochoidfräsen bietet ein Potenzial zur Steigerung der Zerspanleistung Pc [1, 2]. Diese hochdynamische Frässtrategie erzeugt deutlich geringere Schnittkräfte Fc als konventionelles Fräsen und steigert gleichzeitig das Zeitspanvolumen Qw [2, 3, 4].
  • Publication
    Erhöhung der Genauigkeit beim Fräsen mit Industrierobotern
    ( 2018)
    Uhlmann, E.
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    Reinkober, S.
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    Hollerbach, T.
    Aufgrund des seriellen kinematischen Aufbaus und den serienmäßig antriebsseitig verbauten Winkelmesssystemen ist die Form- und Lagegenauigkeit von Industrierobotern bei Fräsaufgaben limitiert. Diese wird maßgeblich von den auftretenden Prozesskräften F in Kombination mit den geringen nicht-linearen Steifigkeiten c der Getriebe serieller Kinematiken beeinflusst. Ein vielversprechender Ansatz die Genauigkeit kostengünstig zu erhöhen, ist die Verwendung von abtriebsseitigen Winkelmesssystemen. Für statische Prozesse ist die Nutzbarkeit bereits validiert. In diesem Beitrag wird erstmalig die Anwendbarkeit solcher Systeme bei Bahnprozessen untersucht und anhand von Bearbeitungsversuchen in Stahl validiert.
  • Publication
    Innovativer Fräsroboter für Großstrukturen
    ( 2016)
    Uhlmann, E.
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    Reinkober, S.
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    Epping, M.
    Die erzielbaren Bearbeitungsergebnisse unter Nutzung serieller Fräskinematiken sind beschränkt. Daher haben die Fraunhofer-Institute IPK, IFAM und LBF begonnen, einen neuen Knickarmroboter, die Flexmatik 4.1, von Grund auf neu zu entwickeln. Durch innovative Antriebskonzepte, wie z.B. durch Direktantriebe, topologieoptimierte Geometrien, Kompensation thermischer Dehnungen, eine adaptive Schwingungsregelung, innovative Sensorintegrationen und eine G-Code-basierte Steuerung, soll eine Bahngenauigkeit von ± 0,1 mm ab dem ersten Bauteil erreicht werden. Durch die Entwicklung dieser neuen bearbeitungsgerechten Fräskinematik soll die Lücke zwischen Werkzeugmaschine und fräsendem Handhabungsroboter geschlossen werden.
  • Publication
    Energy efficient usage of industrial robots for machining processes
    ( 2016)
    Uhlmann, E.
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    Reinkober, S.
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    Hollerbach, T.
    Robot guided machining has a great potential to substitute or supplement machining with expensive machine tools as well as the inaccurate manual processing in industrial production systems. Beside the costs and quality, energy efficiency is one of the most relevant factors for the implementation of innovative and sustainable technologies. The Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology IPK investigated the total energy performance of a milling robot system. As a result of this investigation, an energy balance of the system was created. In addition, application-specific cutting parameters, path strategies for an energy-optimized usage of the system were identified. These information allow energy-optimized path planning in CAM systems and can be implemented in energy management systems. The results can help to qualify the robot guided machining for new industrial fields.
  • Publication
    Energieeffiziente Nutzung von Industrierobotern für die Bearbeitung
    ( 2016)
    Uhlmann, E.
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    Reinkober, S.
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    Mohnke, C.
    Neben den Investitionskosten und der Leistungsfähigkeit sind die Nutzungskosten und somit auch die Energieeffizienz relevante Faktoren für die Implementierung innovativer und nachhaltiger Technologien. Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) Berlin hat eine Energiebilanz für ein Fräsrobotersystem erstellt. Darüber hinaus wurden der Einfluss von anwendungsspezifischen Schnittparametern sowie Pfadstrategien auf die energieoptimierte Nutzung des Systems untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung ermöglichen eine energieoptimierte Bahnplanung bereits in CAM-Systemen und können in Energiemanagementsysteme integriert werden. Insgesamt können die Ergebnisse helfen, die robotergeführte Bearbeitung für neue Industriebereiche zu qualifizieren.