Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Verbundprojekt SmartStream: Intelligente Bearbeitung durch die Verwendung schaltbarer Fluide

2019 , Schmiedel, C. , Bierwisch, C. , Uhlmann, E. , Menzel, P. , Mohseni-Mofidi, S. , Breinlinger, T. , Nutto, C.

Strömungsschleifen und Hydroerosiv (HE)-Verrunden sind einzigartige Verfahren, die sich dadurch auszeichnen, dass sie funktionelle Oberflächen im Inneren eines Bauteils bearbeiten können, die sonst mechanisch nicht zugänglich sind. Jedoch unterliegen die Verfahren Begrenzungen aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Strömungsmechanik. Daher können die Verfahren nicht bei allen Anwendungen für eine technisch sowie wirtschaftlich sinnvolle Bearbeitung genutzt werden. Im Verbundprojekt SmartStream werden Möglichkeiten zur Überwindung bisher geltender Verfahrensgrenzen untersucht. Zur lokalen Beeinflussung der Zerspanungsleistung der auf die Oberflächen wirkenden Abrasivmedien werden diese durch ein externes magnetisches Feld schaltbar gemacht. Mit Hilfe des angelegten Magnetfeldes lassen sich zum einen strömungsmechanisch ungünstig gelegene Bereiche des Werkstücks bearbeiten und zum anderen die Zeitspanvolumina lokal gezielt steuern. Im vorliegenden Beitrag werden erreichte Entwicklungsziele am Beispiel des Strömungsschleifens vorgestellt.

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3D-Vorkonturierung mittels Wasserabrasivstrahl

2018 , Uhlmann, E. , Männel, C.

Die notwendige Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Treibhausgasemissionen sind nur zwei der Gründe für die steigenden Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften. Nicht immer können die konventionellen Fertigungsverfahren mit den Entwicklungen neuer Werkstoffe Schritt halten. Der Einsatz der Wasserstrahltechnologie, deren Verschleiß vom Werkstoff unabhängig ist, bietet für diese Materialien ein hohes Potenzial. Der Wasserabrasivstrahl nutzt diesen Vorteil heute für vielfältige materialabtrennende Aufgaben. In diesem Beitrag werden die Vorkonturierung von dreidimensionalen Strukturen mittels Wasserabrasivstrahl sowie die Randbedingungen für eine wirtschaftliche Umsetzung vorgestellt. Ein Vergleich zwischen konventionalen Bearbeitungsverfahren und innovativer Wasserstrahlbearbeitung zeigt die Vorteile des Wasserabrasivstrahls bei der Bearbeitung von schwer zerspanbarem Titanaluminid auf.

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Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Nickelbasislegierungen: Keramische Schaftfräswerkzeuge

2012 , Uhlmann, E. , Wacinski, M. , Bäcker, C.

Die Herstellungskosten von Turbinen und Triebwerken können nur durch die Steigerung der Produktivität deutlich reduziert werden. Wichtig ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der spanenden Verfahren, die die Hauptlast bei der Produktion von Gasturbinen tragen. Der Einsatz von keramischen Schneidstoffen erlaubt eine deutliche Erhöhung der Zeitspanvolumen bei der Dreh- und Fräsbearbeitung von Nickelbasislegierungen. Die Entwicklung von einteiligen keramischen Schaftfräswerkzeugen mit Werkzeugdurchmessern unter 10 mm ist seit Jahren Gegenstand der Forschung eines Konsortiums aus Forschungsinstituten und Industriepartnern.

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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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Trochoide Fräsbearbeitung mit Industrierobotern

2018 , Uhlmann, E. , Reinkober, S. , Hoffmann, M. , 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].

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Zustandsüberwachung in der Cloud

2016 , Uhlmann, E. , Laghmouchi, A. , Hohwieler, E. , Geisert, C.

Aufgrund der hohen Verfügbarkeitsanforderungen an Produktionsmaschinen wächst das Interesse an zustandsbasierter Instandhaltung. Der Einsatz von Zustandsüberwachungssystemen (Condition Monitoring-Systemen) zur Steigerung der Verfügbarkeit von Maschinen und zur Reduktion der Instandhaltungskosten spielt dabei eine entscheidende Rolle und hat in den letzten Jahren zugenommen. Da am Markt verfügbare und auf Industriesensoren basierende Lösungen meist anwendungsspezifisch, kostenintensiv und in der Inbetriebnahme aufwändig sind, wurde am Fraunhofer IPK ein Konzept für die Zustandsüberwachung in der Cloud entwickelt, das mithilfe von Einplatinen-Computern und MEMS-Beschleunigungssensoren (Mikro-Elektro-Mechanisches-System) als Sensorknoten eine preisgünstige und einfach zu handhabende Alternative darstellt.

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Werkzeugmaschinen der Zukunft

2012 , Uhlmann, E.

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Erhöhung der Genauigkeit beim Fräsen mit Industrierobotern

2018 , Uhlmann, E. , Reinkober, S. , 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.

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Verfahren zur automatisierten Reinigung

2014 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Kuche, Y.

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Kunststoffeinsatz - Gefahr oder Segen?

2011 , Uhlmann, E. , Duchstein, B.

Maschinensicherheitsfenster aus Polycarbonat (PC) in Werkzeugmaschinen sind seit dem Aufkommen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Die Attraktivität dieses Werkstoffs liegt vor allem in der hohen Duktilität und dem daraus resultierenden hohen Durchdringungswiderstand. Im betrieblichen Produktionsprozess mit Einsatz von Kühlschmierstoffen tritt jedoch Alterung auf, die bisher noch nicht ausreichend erforscht wurde.

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