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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationElectromagnet Assisted Laser-GMA Hybrid Welding of Thick-Walled Structural Steels and Its Influence on the Weld Seam PropertiesCurrently, thick-walled steels are mostly joined using arc-based welding processes in the industry. The industrial use of alternative welding processes, such as the laser-gma hybrid welding process, are limited due to some process-specific challenges, such as the gravity-induced droplet formation at the weld root, limited gap bridgeability and a high sensitivity to manufacturing tolerances, or poor mechanical properties due to high cooling rates. In this work, laser-gma hybrid welding with contactless electromagnet backing is presented. With this innovative process, it was possible to join plates with a thickness up to 30 mm using a 20-kW fiber laser. In addition, the gap bridgeability could be significantly increased. The mechanical properties such as the tensile strength and Charpy impact strength could also be increased. With the implementation of this process in industry, e.g. in shipbuilding or wind tower fabrication, the productivity can be significantly increased compared to the arc-based welding processes, such as the submerged arc welding.
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PublicationPlasma-Laser-Auftragschweißen als hybrides BeschichtungsverfahrenBauteile sind in einer Vielzahl von Industriezweigen korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Um mit diesen Belastungen umzugehen, sind kostenintensive Werkstoffe notwendig. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Zur Exploration möglicher Effizienzsteigerungen und Verbesserung der Umwelteinwirkungen werden kontinuierlich Auftragschweißprozesse für das Panzern, Plattieren oder Puffern von Bauteilen weiterentwickelt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine neuartige Kombination aus Plasmalichtbogen und Laserstrahlung zu einem hybriden Auftragschweißprozess untersucht. Neben der Analyse der technischen Leistungsfähigkeit des hybriden Auftragschweißprozesses erfolgt eine ökologische Betrachtung anhand einer vergleichenden Ökobilanzierung sowie einer Wirtschaftlichkeitsanalyse anhand einer Kostenvergleichsrechnung.
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PublicationKompensationsstrategien zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von IndustrieroboternDie thermische Beeinflussung der Roboterstruktur durch die Erwärmung der Antriebe hat einen wesentlichen Effekt auf die Genauigkeit des Roboters. Daraus resultierende Vorformungen führen zu einer Drift am Tool Center Point, woraus eine Abweichung von der Soll-Position resultiert. Diese Abweichungen sind in den meisten Anwendungsfällen für die spanende Fertigung nicht tragbar, weshalb das Robotersystem im erwärmten Zustand zyklisch und unter Nutzung kostenintensiver Laser Tracker Systeme aufwändig nachkalibriert werden muss. In der vorliegenden Arbeit werden Kompensationsstrategien zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Industrierobotern entwickelt, die möglichst ohne kostenintensive externe Systeme und ohne Stillstandzeiten für die Korrektur auskommen. Zum einen wird eine Lösung umgesetzt, die das gesamte Robotersystem auf einem permanenten, ausgeglichenen Temperaturniveau – also im Beharrungszustand – hält. Zum anderen wird eine indirekte Kompensation der thermischen Drift beschrieben, die auf Simulationsdaten des thermischen Verhaltes des Robotersystems zurückgreift. Mit den Systemen kann die Genauigkeit von Robotersystemen weiter gesteigert und diese für den industriellen Einsatz ertüchtigt werden.
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PublicationAutomatisierte Optimierung der Energieeffizienz verschalteter Anlagen durch steuernden Eingriff(Fraunhofer Verlag, 2023)Thiele, GregorIndustrielle 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.
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PublicationTrennstrahlen mit flüssigem KohlendioxidDas 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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PublicationLaser Surface Texturing of Ti6Al4V Alloy for the Reduction of Peri-implantitis(Fraunhofer Verlag, 2023)Souza Schweitzer, Luiz Guilherme DeWithin the scope of the present work, a novel laser texturing processing to optimize the surface characteristics of dental titanium implants is developed. The treatment with ultrashort pulsed laser for the surface texturing shows promising results to prevent implant-associated infections on dental implants. On the one hand, this is achieved by reducing the biofilm formation of the pioneer bacteria Streptococcus. The reduction of biofilm formation on the surface avoids the proliferation of pathogen bacteria responsible for the peri-implantitis disease. On the other hand, the host tissue integration is achieved through the adhesion of human MSCs, allowing the maintenance of biocompatibility. The investigation of both aspects within the same framework conditions comprises a method to assess the technology developed to prevent the occurrence of peri-implantitis cases without compromising the biocompatibility of the implant.
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PublicationAlgorithmische Konzeption von hochautomatisierten Fließmontagesystemen am Beispiel des automobilen Karosseriebaus(Fraunhofer Verlag, 2023)
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PublicationEntwicklung einer datenbasierten Methodik zur Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen aus KundenperspektiveDiese Dissertation befasst sich mit der kundenorientierten Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen in Serienfahrzeugen. Derzeitige Bewertungskonzepte auf Basis von Befragungen und Testfahrten sind nicht in der Lage, die Qualitätswahrnehmung des Kunden ausreichend abzubilden. Es besteht dringender Handlungsbedarf, innovative Methoden zu entwickeln, die das reale Kundenerlebnis mit den Systemen möglichst frühzeitig und kontinuierlich erfassen. Daraus hervorgehend ist das Ziel der Arbeit die Entwicklung einer datenbasierten Methodik zur Qualitätssicherung von Fahrerassistenzsystemen aus Kundensicht. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der Identifizierung, Klassifizierung und Auswertung von Fahrereingriffen, die das System überstimmen und einen Indikator für unzufriedenstellendes Funktionsverhalten darstellen. Die entwickelte Methodik zeigt auf, wie subjektive Kundenbewertungen mit objektiven Fahrzeugdaten verbunden und analysiert werden können, um die Kundenwahrnehmung zum Systemverhalten zu erfassen. Die Arbeit bietet somit eine Grundlage zur Aufnahme der Kundenzufriedenheit im Bereich der Längs- und Querführung von Fahrerassistenzsystemen in Serienfahrzeugen.
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PublicationKonzept und Lösungen für automatische ProduktdatenverwaltungProduktdatenverwaltungssysteme entstanden, um CAD Daten in größeren Unternehmen und deren Kollaborationsumgebung geordnet abzulegen und für die weitere Verwendung zu kennzeichnen. In der Folge wurden die initial geschaffenen Datenbanken um immer weitere Elemente wie Workflow Managementsysteme, das Anforderungs- oder das Projektmanagement erweitert. Der Kern der Applikationen wurde jedoch lediglich in Ansätzen neu konzipiert. Gleichzeitig bieten in der Zwischenzeit verfügbare IT-Methoden des Maschinellen Lernens und der natürlichen Sprachverarbeitung Potentiale, um konventionelle Datenverwaltungssysteme neu zu gestalten. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die grundlegenden Bedarfe und Aufgaben innerhalb des PDM Systems durch Maschinelles Lernen und natürliche Sprachverarbeitung zu automatisieren. Die Autorin bettet diese exemplarisch angewendeten Technologien in ein Gesamtkonzept ein. Die Arbeit fokussiert die Erfassung der Daten aus Sicht von Entwicklungsingenieuren. Damit leistet das neue PDM Konzept einen Beitrag, um die Datenqualität und damit in der Folge die Akzeptanz und Nutzung von PDM Werkzeugen zu verbessern.
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PublicationQualitätsorientiertes Komplexitätsmanagement am Beispiel des automobilen KonfigurationsmanagementprozessesQualität 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.