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Entwicklung eines aktiven Spannsystems zur hochpräzisen Kompensation von Winkelfehlern bei der Positionierung von Präzisionsbauteilen in Werkzeugmaschinen

2011 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Essmann, J. , Löwenstein, A. , Pagel, L. , Gaßmann, S. , Hinze, M.

Aufgrund der andauernden Produktminiaturisierung floriert der Markt für Mikrobauteile wie nie zuvor. Zur nachhaltigen Sicherung der internationalen Konkurrenzfähigkeit in diesem Markt muss die Produktivität der Fertigung gesteigert werden. Die Reduzierung der Nebenzeiten in der Produktion ist hierfür ein probates Mittel. Das bedeutet u. a. die exakte, schnelle und reproduzierbare Positionierung von Bauteilen in Werkzeugmaschinen durch Spannen, Messen, Ausrichten, und Werkstückwechseln. In der Mikroproduktion sind Strukturgrößen und Fertigungstoleranzen im Bereich einiger Mikrometer üblich. Um die genannten Prozessschritte automatisiert mit einer Präzision im Submikrometerbereich zu realisieren wurde innerhalb des hier vorgestellten Projektes eine neue Generation von Spannsystemen entwickelt. Die Projektergebnisse des InnoNet-Projekts ActiveClamp wurden durch ein interdisziplinäres Konsortium, koordiniert durch das Fraunhofer IPK, in dem Zeitraum vom 1.1.2009 bis zum 31.12.2010 erarbeitet. Neben zwei Forschungseinrichtungen waren sechs Unternehmen beteiligt. Das Projekt wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Der im Projekt entstandene Prototyp ist in der Lage, Winkelfehler von 10 mrad mit einer Auflösung von 0,002 mrad zu kompensieren. Die Werkstücke werden über ein pneumatisch betätigtes Nullpunktspannsystem aufgenommen. Für den Winkelfehlerausgleich sind hochgenaue Piezomotoren im Ein satz. Für den Betrieb dieser Piezo-Antriebe wurde eine bislang einzigartige Ansteuerung realisiert. Hierzu wurde eine Hardware entwickelt, die eine maximale Ausgangssignalfrequenz von 200 Hz bei einer maximalen Phasenkapazität von 27 MikroF erreicht. Zudem verfügt die Firmware der Ansteuerung über sechs verschiedene Signalformen, wobei die Schrittauflösung zwischen 32 und 1024 Schritten pro Signalperiode variiert werden kann. Dadurch wird eine minimale Schrittauflösung des verwendeten Antriebssystems von wenigen Nanometern erreicht. Mit Hilfe der eigens entwickelten Softwareanwendung und der intuitiven Benutzeroberfläche können die Parameter der Ansteuerung jederzeit konfiguriert und so verschiedenen Anwendungen angepasst werden. Zur Positionsregelung werden kapazitive Sensoren mit einer Auflösung von 20 nm genutzt. Bei diesen hohen Präzisionsanforderungen können aufgrund des Stick-Slip Effektes keine konventionellen Gelenke eingesetzt werden. Daher wurden Festkörpergelenke entworfen bei denen selbst bei kleinen Bewegungen keine Haftreibung auftritt. Da das Konzept skalierbar ist, kann es für unterschiedliche industrielle Anwendungen, wie z. B. Messmaschinen, Justageanlagen, optische Systeme und medizintechnische Geräte, eingesetzt werden.

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Technologie zur Herstellung vollkeramischer Fräswerkzeuge

2011 , Bäcker, C. , Herrmann, M. , Hübert, C. , Koplin, C , Oberschmidt, D. , Uhlmann, E. , Renz, A. , Schulz, I. , Wacinski, M.

Im InnoNet-Projekt "TechVolk" wurde die Entwicklung vollkeramischer Fräswerkzeuge ganzheitlich betrieben. Das Projekt war in fünf Arbeitspakte unterteilt, die sich den verschiedenen Fragestellungen beginnend von der Herstellung von keramischen Rohlingen bis zum Einsatz der Werkzeuge auf modernen Werkzeugmaschinen widmen. Als potenzielle Schneidstoffe wurden verschieden SiAlON und Whisker-Keramiken identifiziert und untersucht. Dabei wurde die Zusammensetzung der Werkstoffe bestimmt und charakteristische Kennwerte wie die Bruchzähigkeit und das Weibullmodul ermittelt. Neben der Herstellung von Rohlingen für die Werkzeuge wurde eine Gradierung von SiAlON-Keramiken vorgenommen. Es wurden dafür die Pulverbett-Methode sowie das Drucktempern in Stickstoffatmosphäre eingesetzt. Im Rahmen von Modellverschleißuntersuchungen konnten grundlegende Mechanismen der Kantendegradation beobachtet und analysiert werden. Bei der Entwicklung von Geometrien für die vollkeramischen Werkzeuge wurde ein iteratives Vorgehen gewählt. Es wurden ausgehend von sehr einfachen und robus ten Geometrien zunehmend komplexe Werkzeuge entwickelt, die hinsichtlich Zähnezahl und Drallwinkel kommerziell verfügbarer Hartmetallwerkzeuge übertreffen. Belastungssimulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode wurden für den Optimierungsprozess genutzt. Die Gestaltung der Keilgeometrie wurde durch die Ergebnisse von Vorversuchen mit keramischen Wendeschneidplatten beeinflusst. Es wurden Stirn- und Umfangsfräswerkzeuge mit Durchmessern zwischen 20 und 2 Millimetern entwickelt. Der Schwerpunkt lag auf einem Umfangsfräser mit 8 Mil limeter Durchmesser. Im Rahmen der Untersuchungen zur Schleiftechnologie wurden grundlegende Untersuchungen zum Einfluss der Schleifwerkzeuge, Schleifparameter und der Schleifstrategie auf die Festigkeit von keramischen Biegebruchproben angestellt. Die darauf aufbauenden technologischen Untersuchungen zum Werkzeugschleifprozess beinhalteten die Analyse der Zusammenhänge zwischen Prozessführung und Arbeitsergebnis. Darüber hinaus wurde der Abrichtprozess optimiert und die Eingriffsbedingungen bei dem Spannutschleifen simuliert. Die entwickelten Werkzeuggeometrien und Bearbeitungsstrategien wurden einer technologisch-wirtschaftlichen Betrachtung unterzogen. Dafür wurde ein direkter Vergleich von Hartmetall- und Keramikwerkzeugen durchgeführt, in dem die unterschiedlichen Leistungsfähigkeiten herausgearbeitet werden konnten. Bei gleichem Standvolumen konnte für keramische Werkzeuge mit vier Millimetern Durchmesser das Zeitspanungsvolumen um den Faktor Acht gesteigert werden. Darüber hinaus wurden das Verschleißverhalten von ausgereiften Werkzeuggeometrien für verschiedenen Werkstückwerkstoffe und Schnittgeschwindigkeiten bis 1.400 m/min untersucht.

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Entwicklungen von Technologien und Systemen für die Planung, Fertigung und Anpassung aktiver Epithesen

2007 , Uhlmann, E. , Kneissler, M. , Oberschmidt, D. , Müller, G. , Klein, M. , Camerer, C.

Der vorliegende Bericht dokumentiert Zielstellungen, Entwicklungsschritte und Ergebnisse zum InnoNet-Projekt 'Entwicklung von Technologien und Systemen für die Planung, Fertigung und Anpassung aktiver Epithesen'. Zur ästhetischen und funktionalen Wiederherstellung von Gesichtspartien nach Tumorresektionen und Unfällen oder zur Behebung angeborener Fehlbildungen spielen Epithesen eine immer größere Rolle. Da Epithesen der heutigen Generation starr sind, war das Ziel des Projektes die Entwicklung aktiver Epithesen, die eine bisher fehlende Imitation der natürlichen Gesichtsmimik unterstützen. Der im Rahmen des Projektes entwickelte Prototyp einer Augenepithese zeichnet sich durch diese Fähigkeit/Eigenschaft aus. Über ein Elektromyographie-Signal wird die Muskelbewegung an der gesunden Augenpartie des Patienten beim natürlichen Lidschlag abgeleitet. Das Signal wird anschließend in einer Elektronik verarbeitet, um das künstliche Augenlid der Epithese über einen Gleichstrom-Mikromotor synchron zum gesunden Auge zu bewegen. Durch die konsequente Nutzung mikrosystemtechnischer Komponenten und moderner Fertigungsverfahren wurde ein System entwickelt, dass aufgrund seiner Modularität und Flexibilität an individuelle Defekte angepasst werden kann. Die prototypische Versorgung eines Patienten wurde realisiert. Da heutige Gesichtsprothesen zu einem Großteil manuell gefertigt werden, ist ihre Herstellung mit erhöhten Kosten verbunden. Zur schnelleren und kostengünstigeren Fertigung und Planung wurden Methoden und Komponenten zur dreidimensionalen Abtastung von Defekten zur Flächenrückführung und Nutzung von CAD/CAM-Technologien entwickelt. Hiermit werden die maximal möglichen Abmaße der Epithese bestimmt sowie die für die Insertion der Implantate bestmöglich geeigneten Knochenpartien zur Verankerung der Epithese identifiziert. Eine Anbindung an das Navigationssystem Robodent zum operativen Setzen der Implantate wurde realisiert und im klinischen Einsatz erfolgreich überprüft. Entnommen aus TEMA