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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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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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PublicationUntersuchungen zur Beeinflussung der Geometrie und Werkstoffeigenschaften laserimplantierter Werkzeugstahloberflächen sowie zum tribologischen Einsatzverhalten(Fraunhofer Verlag, 2022)Spranger, FelixIn einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Schaffung und Aufrechterhaltung eines definierten tribologischen Verhaltens zwischen in Kontakt tretenden Wirkflächen für die Funktionalität von Bauteilen oder Werkzeugen eine entscheidende Rolle. Verfahren der Oberflächentechnik verfolgen das Ziel, entweder durch eine Manipulation der Werkstoffeigenschaften oder durch eine Strukturierung der Wirkfächen diese anzupassen. Obwohl erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur gezielten Manipulation zeigen, wurden diese bislang wenig betrachtet, da sie anfällig für Verschleiß sind und nur schwer hergestellt werden können. Mit der Laserimplantation ist ein Verfahren bekannt, welches diese Hemmnisse überwindet und eine Generierung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) durch ein gepulstes Laserdispergieren keramischer Hartstoffpartikel in Wirkflächen zulässt. Um eine breite Nutzbarkeit zu erreichen, wird in dieser Arbeit eine Erweiterung des Prozessverständnisses forciert, sodass die geometrischen als auch werkstofftechnischen Implanteigenschaften zielgerichtet manipulierbar werden. Des Weiteren wird die tribologische Wirkweise implantierter Oberflächen betrachtet.
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PublicationSpanbildungsmodellierung unter Berücksichtigung von in situ Dehnungsmessungen bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide(Fraunhofer Verlag, 2022)Henze, SteffenIn dieser Arbeit werden neuartige Erkenntnisse über die Vorgänge in der Spanbildungszone während der Spanbildung beschrieben. Durch die Verwendung von hochenergetischer Röntgenstrahlung wird der sich einstellende Spannungszustand in der Spanbildungszone experimentell bestimmt. Diese Erkenntnisse dienen zur Aufstellung eines Spanbildungsmodells und der Entwicklung einer numerischen Zerspanungssimulation.
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PublicationWasserabrasivinjektorstrahlen zum Formdrehen von TitanaluminidZu den kritischen Erfolgsfaktoren beim Wasserabrasivinjektorstrahlen zählen insbesondere die Wahl des geeigneten Abrasivmittels sowie die passenden Parameterwerte im Rahmen der Prozessauslegung. Obwohl die Bearbeitung mit dem Wasserabrasivinjektorstrahl nahezu ohne thermische Beeinflussung der oberflächennahen Randzone erfolgt, werden die industriellen Anwendungsmöglichkeiten weiterhin nur in geringem Maße ausgeschöpft. Die Prozessauslegung bei der Strahlbearbeitung rotierender Werkstücke basiert nach wie vor vordergründig auf Erfahrungswissen der Anwender. Die rückwirkungsfreie Strahlwirkung erfordert zusätzlich eine werkstoffspezifisch-empirische Prozessbeschreibung. Um eine wissensbasierte Prozessauslegung zum Formdrehen mit dem Wasserabrasivinjektorstrahl zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit grundlegende Erkenntnisse zum Einsatzverhalten des Wasserabrasivinjektorstrahls bei der Konturbearbeitung eines Titanaluminid beschrieben. Ferner werden die Voraussetzungen für eine Übertragbarkeit auf weitere industrielle Anwendungsfälle geschaffen.
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PublicationProzesstechnologien für die funkenerosive Senkbearbeitung einer Siliziumnitrid-Titannitrid-Keramik mit reduzierter elektrischer LeitfähigkeitSiliziumnitridkeramiken stellen aufgrund der gesteigerten Verschleißfestigkeit sowie Härte ein großes Potential für den Einsatz als Werkzeugwerkstoff bei der Glasformgebung mittels nicht-isothermen Blankpressens dar. Die genannten Eigenschaften erschweren allerdings die Werkzeugfertigung mit spanenden Verfahren. Eine Lösungsmöglichkeit stellt die funkenerosive Bearbeitung elektrisch leitfähiger Keramiken dar. Aufgrund der Komplexität der Funkenerosion stehen keine Kenntnisse für die wirtschaftliche Bearbeitung neu entwickelter Werkstoffe zur Verfügung. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Bereitstellung von Prozesstechnologien auf Basis grundlegender Erkenntnisse zur funkenerosiven Senkbearbeitung und zum Abtragverhalten einer neuen Siliziumnitrid-Titannitrid-Keramik. Dafür erfolgen Untersuchungen sowie Neuentwicklungen von Prozesstechnologien für Keramiken mit variiertem Titannitridgehalt. Die vorherrschenden Abtragmechanismen werden durch Gefüge- und Oberflächenanalysen bestimmt. Mit den Erkenntnissen der Arbeit wird eine Modellvorstellung zum Abtragverhalten der Keramiken abgeleitet. Abschließend erfolgt die Fertigung eines Demonstrators.
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PublicationMaschine und Technologie für die Bahnerosion mit gasförmigem Dielektrikum zur Herstellung von Mikrostrukturen(Fraunhofer Verlag, 2022)Perfilov, IvanIm Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Entwicklung eines neuartigen Maschinenkonzepts für die Bahnerosion mit gasförmigem Dielektrikum. Die Maschine verfügt über einen für die Trockenfunkenerosion entwickelten IsoPuls-Relaxationsgenerator, welcher die Variabilität und Steuerbarkeit eines statischen Generators mit der hohen Entladefrequenz sowie geringen Entladeenergien von Relaxationsgeneratoren kombiniert, sowie auch über eine technologisch optimierte Maschinensteuerung. Die technologischen Untersuchungen und erzielten Erosionsergebnisse zeigen die Eignung des vorgestellten Maschinenkonzepts sowie das Anwendungspotenzial der Bahnerosion mit gasförmigem Dielektrikum für den Einsatz in der Mikroproduktion. Damit liefert diese Arbeit nicht nur einen Beitrag zum besseren Prozessverständnis der Trockenfunkenerosion, sondern zeigt auch eine Vorgehensweise auf, wie ein innovatives Maschinenkonzept und die zugrunde liegende Technologie zu realisieren sind.
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PublicationEinfluss prozess- und geometrieinduzierter Wärmeakkumulation auf die Werkstoffeigenschaften laserstrahlgeschmolzener metallischer Bauteile(Fraunhofer Verlag, 2022)Mohr, GuntherDas bedeutendste additive Verfahren zur Fertigung metallischer Werkstücke ist das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (L-PBF). Das Verhältnis zwischen Eigenschaften kleiner, geometrisch primitiver Laborproben und den Eigenschaften realer, geometrisch komplexer Werkstücke bei der Fertigung mittels L-PBF ist bis heute nicht geklärt. In zahlreichen Studien wurde zwar der Einfluss direkter Prozessstellgrößen an oftmals kleinen Probekörpern untersucht, Faktoren, die sich aus geometrie- und prozessbedingten Variationen der thermischen Historie ergeben, haben bisher jedoch kaum Beachtung gefunden. Hier knüpft die vorliegende Arbeit an. Sie untersucht die prozess- und geometrieinduzierte Wärmeakkumulation beim L-PBF experimentell am Beispiel einer austenitischen Stahllegierung. Zur Quantifizierung der intrinsischen Vorerwärmungstemperatur von Werkstücken während der Fertigung kommt eine thermographische In-situ-Prozessüberwachung zum Einsatz. Es werden die Einflüsse parametrischer Prozessstellgrößen und insbesondere von Zwischenlagenzeiten und Querschnittsveränderungen der Werkstückgeometrie auf die Vorerwärmungsbedingungen an größeren als den üblichen Laborproben untersucht.
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PublicationMicrostructure and Mechanical Properties of Refill Friction Stir Spot Welding of AM50 Cast Magnesium Alloy(Fraunhofer Verlag, 2022)Fu, BanglongMagnesium (Mg) alloys have been considered as an important material in aerospace, sport, electrical, railway systems and, most importantly, in automotive industry, which comprises 80% of Mg usage. In order to enlarge its usage, appropriate welding methods should be investigated. Refill friction stir spot welding (refill FSSW) is a novel solid-state welding technology. Due to the significant merits of keyhole-free weld, improved mechanical properties, etc., it has been successfully used for the welding of Al-based similar and dissimilar combinations. However, studies concerned with Mg alloys are limited. The feasibility of refill FSSW of casting Mg alloy AM50 was investigated firstly. Defect-free welds with flat surface and high performance were obtained successfully. Moreover, a modified method, differential rotation refill FSSW (DR-refill FSSW), was developed. DR-refill FSSW provides a new and effective strategy for improving the performance of spot welds based on microstructural engineering.
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PublicationCFK-Module zur adaptronischen Kompensation thermisch induzierter Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen(Fraunhofer Verlag, 2022)Marcks, PhilippThermische Verlagerungen an Werkzeugmaschinen sind bis heute ein unmittelbar qualitätsbeeinflussendes Kriterium. In Abhängigkeit der Werkzeugmaschinenstruktur sind diese mitunter sehr schwer bis gar nicht kompensierbar. Eine Methode, thermisch induzierte Winkelverlagerungen unabhängig von der Anzahl der angetriebenen Achsen zu kompensieren, wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht und im Ergebnis als adaptronisches System vorgestellt.
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PublicationOptimierung der optischen Eigenschaften diamantzerspanter Beugungsgitter mit mehreren Freiheitsgraden durch Minimierung der Maschinenkinematik(Fraunhofer Verlag, 2022)Jagodzinski, MarcoDie Dissertationsschrift befasst sich mit der spanenden Fertigung von gekrümmten, aberrationskorrigierenden Blaze-Gittern durch ultrapräzise Werkzeugmaschinen und fokussiert die Beziehungen zwischen den optischen Eigenschaften der Gitterelemente und der Fertigungskinematik. Zur Verknüpfung der optischen Eigenschaften mit den kinematischen Einflüssen werden Parameteruntersuchungen bezüglich der erreichbaren Wellenfrontfehler und der Einflüsse der Mikrogeometrien auf die Beugungseffizienz und das Streulichtniveau beschrieben. Auf Basis der Berechnungen und Modelle erfolgt eine Prognose der erreichbaren optischen Eigenschaften von Kinematiken mit unterschiedlicher Komplexität. Die Ergebnisse werden an planen und gekrümmten Beugungsgittern validiert. Die Arbeit verknüpft die Einflüsse der Fertigungskinematik mit der optischen Funktion gekrümmter aberrationskorrigierter Beugungsgitter. Die optimale Fertigungskinematik kann somit anwendungsspezifisch selektiert werden, wodurch Perspektiven bezüglich der qualitativen Verbesserung von bestehenden als auch neuartigen Gitterkomponenten und Systemen eröffnet werden.