Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Steuerung von Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen

2021 , Uhlmann, E. , Schweitzer, L. , Schneider, P. , Michel, A. , Hein, C.

Laser-induzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) weisen ein hohes Potenzial für Anwendungen in den Bereichen der Oberflächenfunktionalisierung auf. Die Steuerung der Richtung dieser Nanostrukturen kann nur durch Änderung der Laserpolarisation erfolgen. Auf dem Markt gibt es kein System zur automatischen Änderung der LIPSS-Orientierung. Für den industriellen Einsatz ist dies vom Vorteil, um Inhomogenität im Strukturverlauf zu vermeiden. In diesem Beitrag wird eine Systemlösung vorgestellt, indem die Steuerung der Richtung von Nanotexturen ermöglicht wird.

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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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In situ experiments with synchrotron high-energy x-rays and neutrons

2011 , Staron, P. , Fischer, T. , Lippmann, T. , Stark, A. , Daneshpour, S. , Schnubel, D. , Uhlmann, E. , Gerstenberger, R. , Camin, B. , Reimers, W. , Eidenberger, E. , Clemens, H. , Huber, N. , Schreyer, A.

High-energy X-rays offer the large penetration depths that are often required for determination of bulk properties in engineering materials research. Photon energies of 150 keV and more are available at synchrotron sources, depending on storage ring and insertion device. In addition, synchrotron sources can offer very high intensities on the sample even at these energies. They can be used not only to obtain high spatial resolution using very small beams, but also high time resolution in combination with a fast detector. This opens up possibilities for a wide range of in situ experiments. Typical examples that are already widely used are heating or tensile testing in the beam. However, there are also more challenging in situ experiments in the field of engineering materials research like e.g. dilatometry, differential scanning calorimetry, or cutting. Nevertheless, there are a number of applications where neutron techniques are still favorable and both probes, photons and neutrons, should be regarded as complementary. A number of in situ experiments were realized at the GKSS synchrotron and neutron beamlines and selected examples are presented in the following.

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Mit Schleppfinishing zur perfekten Kontur

2010 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Langmack, M. , Mahr, F. , Löwenstein, A.

Das Schleppfinishing ist auch für die Mikrofertigung geeignet, beispielsweise bei der Schneidkantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen oder beim ENTGRATEN und der Oberflächenbehandlung von Mikrostrukturen. Auf eine mehrachsige Prozessführung kann dabei verzichtet werden.

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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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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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Vollhartmetall-Schaftfräser für die Hartbearbeitung über 65 HRC

2011 , Uhlmann, E. , Richarz, S. , Sattel, S.

Im Werkzeug- und Formenbau sowie in der Automobilindustrie liegen Bauteile aufgrund hoher Einsatzbelastungen oft im gehärteten Zustand vor. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin hat der Werkzeugspezialist Gühring praxisgerechte Werkzeuglösungen untersucht, um die etablierte Prozesskette zu verkürzen.

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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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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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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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