Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen - Ökonomische und ökologische Vorteile

2023-12-19 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Brunner-Schwer, Christian , Knöfel, Frieder , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulver schweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.

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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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Qualitätsorientiertes Komplexitätsmanagement am Beispiel des automobilen Konfigurationsmanagementprozesses

2023 , Frisch, Alexander , Krüger, Jörg , Jochem, Roland , Grasse, Jean

Qualität und Komplexität sind zwei Größen, die häufig zusammen aufgeführt werden. Eine hohe Komplexität stellt ein wesentliches Risiko für die Qualität als wichtigste Größe des klassischen Zieldreiecks dar. In der Literatur wird deshalb oftmals eine Reduzierung der objektiven Komplexität empfohlen. Dadurch bleiben jedoch wesentliche Wettbewerbsvorteile einer hohen und beherrschten Komplexität ungenutzt. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein neues Vorgehensmodell entwickelt, welches durch Kombination aus verschiedenen Ansätzen des Qualitäts- und Komplexitätsmanagements eine methodische und gleichzeitige Verbesserung der Qualität und Komplexität ermöglicht. Zentraler Bestandteil der Arbeit ist die Anwendung des Vorgehensmodells im automobilen Konfigurationsmanagement als Beispiel für ein äußerst komplexes System. Im Rahmen der Praxisanwendung werden mehrere digitale Lösungen erarbeitet und umgesetzt, welche das Qualitätsniveau trotz der hohen vorliegenden Komplexität verbessern. Die Wirksamkeit der Lösungen wird schließlich in zwei durchgeführten Studien untersucht sowie die nachhaltige Verankerung im Unternehmen erläutert.

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Trennstrahlen mit flüssigem Kohlendioxid

2023 , John, Patrick , Uhlmann, Eckart

Das Hochdruckstrahlspanen mit flüssigem Kohlenstoffdioxid (HDCO2) ist ein trockener und rückstandsfreier Fertigungsprozess, der die Vorzüge des konventionellen Wasserstrahlschneidens mit den Potenzialen der Reinigungsverfahren des Schnee- und Pelletstrahlens vereint. Die industrielle Ausbreitung dieser jungen Technologie scheitert momentan an einem geringen Wissensstand und dem fehlenden Nachweis der Konkurrenzfähigkeit. Daher bildet die vorliegende Arbeit eine Grundlage für die Erhöhung der Produktivität und Qualität beim HDCO2. Erstmals werden das Abrasivstrahlen mittels HDCO2 entwickelt und neue Erkenntnisse zu Strahlgeometrie sowie entstehenden Werkstückeigenschaften beim Trennstrahlen mit flüssigem Kohlenstoffdioxid gewonnen. Die durchgeführten Verfahrensvergleiche und Materialuntersuchungen verdeutlichen neue Erkenntnisse über Wirkzusammenhänge und Abtrennmechanismen. Insgesamt führen die Untersuchungen der Einsatzbedingungen und der anwendungsnahen Einseitenbearbeitung von CFK/GFK-Hohlkammerbauteilen zu unterschiedlichsten Empfehlungen für den industriellen Einsatz der neuartigen Technologie.

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Wire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale

2023-12-05 , Raute, Maximilian Julius , Seitz, Georg , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen.

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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 kognitiven Assistenzsystems zur Nutzung von Erfahrungswissen im Qualitätsmanagement

2023 , Randermann, Marcel , Krüger, Jörg

Das Wissen in einer Organisation ist inzwischen ein wichtiger Produktionsfaktor und führt zu entscheidenden Wettbewerbsvorteilen im globalen Markt. Besonders wertvoll ist für Unternehmen das Erfahrungswissen, das kontextabhängig entsteht und situationsbedingt abgerufen wird. Das Qualitätsmanagement ist aufgrund seiner Kompetenzanforderungen von diesem Wissen abhängig, denn unstrukturierte Probleme lassen sich häufig nur erfahrungsgeleitet lösen. Darüber hinaus ist das Erfahrungswissen die Urquelle jeglicher Kreativität, die im Problemlöseprozess zwingend erforderlich ist. In der vorliegenden Arbeit wird ein kognitives Assistenzsystem entwickelt, das die menschliche Fähigkeit des kognitiven Erinnerns an frühere Ereignisse und Situationen unterstützt. Das entwickelte System stellt mittels Case-Based Reasoning Wissen bereit, das auf Grundlage einer Kontextsituation als relevant eingestuft wird. Dies führt zu einer Bereitstellung des situationsgerechten Erfahrungswissens und ermöglicht eine wirksame Problemlösung im Arbeitsprozess.

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Tailor Welded Blanking Digital

2023-11-30 , Weber, Joshua , Daniel, González , Höfemann, Matthias , Joos, Paul , Rys, Anastasia , Lemke, Josefine

Der immer effizientere Einsatz von Energie und Ressourcen bleibt eine große Herausforderung, die nur mit innovativen Lösungen zu bewältigen ist. Ein schneller, günstiger und ressourcenschonender Ansatz ist die Anwendung von digitalen Methoden. Vor allem bei anspruchsvolleren Fertigungsketten, wie die Herstellung von Karosseriebauteilen aus Tailor Welded Blanks, ist es sinnvoll, die Produktauslegung bzw. die Prozessauslegung vor der eigentlichen Produktion digital und ganzheitlich zu simulieren, um Werkzeuganpassungen und unnötige Versuche zu verhindern. Dies funktioniert mit der Benutzung eines sogenannten digitalen Zwillings für die Fertigungskette durch die Verknüpfung von numerischen Simulationen, die die einzelnen Prozessschritte abbilden.

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Algorithmische Konzeption von hochautomatisierten Fließmontagesystemen am Beispiel des automobilen Karosseriebaus

2023 , Hagemann, Simon , Stark, Rainer , Lanza, Gisela

Die Herstellung von variantenreichen Produkten durch hochautomatisierte Anlagen stellt eine Kernkompetenz in der Automobilindustrie dar. Im Karosserierohbau mit typischerweise hohen Automatisierungsgraden müssen Anlagen in immer kürzeren Zeitabständen geplant werden. Aus diesem Grund liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf einer Methode, die eine algorithmische Konzipierung von hochautomatisierten Montagesystemen ermöglicht. Eingangsinformationen bilden Produkt- und Fügefolgedaten sowie Projektprämissen. In einer Wissensbasis ist explizites produktionstechnisches Wissen formalisiert sowie implizites Planungswissen mittels vordefinierter Montagetemplates abgelegt. Die Planungsalgorithmen basieren auf dem impliziten Enumerationsverfahren Branch and Bound. Ein Regelwerk bestimmt dabei, welche Montagetemplates der Wissensbasis enumeriert werden. Die erarbeitete Methode wurde prototypisch als Softwaresystem realisiert. Der Prototyp hat Softwareexperimente ermöglicht, die belegen, dass reale Szenarien in geringer Zeit berechnet werden können und die Ergebnisse einer sehr hohen Qualität entsprechen.

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Herstellung definierter Werkzeugmikrogeometrien an Mikrofräswerkzeugen und deren Einfluss auf die Zerspanung spröder und duktiler Werkstoffe

2023 , Kuche, Yves

Einen Ansatz, um die Prozessstabilität und Produktivität beim Mikrofräsen zu steigern, bietet die gezielte Schneidkantenpräparation durch das Verfahren Tauchgleitläppen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, erweitertes Prozesswissen zur Herstellung werkstoffspezifischer Werkzeugmikrogeometrien bereitzustellen. Zunächst wurden die Einflussfaktoren und Stellgrößen definiert und gezielt untersucht. Dabei konnte insbesondere der aus den Prozessparametern resultierende Läppdruck näher betrachtet sowie ein Einfluss des Keilwinkels und der Hartmetallzusammensetzung bestimmt werden. Weiterhin wurde durch den Einsatz der Diskrete Elemente Methode (DEM) ein Modell zur numerischen Analyse des Tauchgleitläppens vorgestellt. Es wurden die Effekte moderner Werkzeugbeschichtungen auf die Werkzeugmikrogeometrie untersucht und die Mikrofräswerkzeuge für die Fräsbearbeitung von Feinkorngraphit sowie der bleifreien Kupferlegierung CuZn21Si3P eingesetzt. Als Ergebnis konnte der Einfluss der Schneidkantenrundungen und Schartigkeitskennwerte auf die resultierende Oberflächenrauheit, die Aktivkräfte, den Werkzeugverschleiß und die Kantenqualität der bearbeiteten Werkstücke quantifiziert werden.

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