Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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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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Critical depth of cut and asymptotic spindle speed for chatter in micro milling with process damping

2016 , Wang, J.J. , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Sung, C.F. , Perfilov, I.

This paper presents formulas for determining the critical depths of cut and asymptotic spindle speed for stable micro milling processes with process damping. The asymptotic spindle speed of a theoretically infinite stable depth of cut is shown to be proportional to the modal natural frequency, radial ploughing constant and radial immersion angle, but inversely proportional to the shearing related cutting constants and tool diameter. These formulas enable identifying the asymptotic speed, absolute stability limit, and in-process radial ploughing constant from experimental stability limits without requiring modal parameters. The presented model is validated by comparison with prior works and verified by experiments.

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Gyroscopic and mode interaction effects on micro-end mill dynamics and chatter stability

2013 , Shi, Y. , Mahr, F. , Wagner, U. von , Uhlmann, E.

This paper investigates the gyroscopic and mode interaction effects on the micro-end mill dynamics and the stability behavior due to regenerative chatter. A high-speed spindle system for micro-milling is modeled using finite elements. The transfer functions and the mode shapes are studied to gain a deep insight into the dynamic characteristics. The experimentally identified chatter states and operational vibration modes are given to verify the analytical results. It is shown that, due to the small rotary inertia of the micro-end mill, the gyroscopic effect considered in the inertial frame is less significant despite high rotational speeds. The mode interaction strongly affects the dynamics and the chatter stability. Moreover, piezoelectric elements are applied to in-process excitation in order to identify the transfer behavior of the micro-end mill in the operating state.

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Teilereinigung mit flüssigem CO2 bietet Rationalisierungspotenziale

2012 , Mankiewicz, J. , Bilz, M. , Uhlmann, E. , Petermann, M. , Kareth, S.

Technisches CO2 wird als Sekundärprodukt von vielen Lieferanten technischer Gase in unterschiedlicher Qualität angeboten. Es bietet viele grundsätzliche Vorteile und kommt bereits in unterschiedlichsten Industriebranchen zur Anwendung. Das deklarationsfreie CO2 wird in der Medizin- und Lebensmitteltechnik verwendet. Dort ist es als Strahlmittel, Kühlmedium, Prozess- oder Schutzgas weit verbreitet. So gehört die Extraktion von Koffein aus Kaffeebohnen zu den wohl bekanntesten Anwendungen. Die Teilereinigung mit komprimiertem CO2 hat ihren Ursprung in der Hochdruckextraktion zur Gewinnung von Naturextrakten. In der Metallbearbeitung befasste sich unter anderen das Forschungszentrum Karlsruhe mit der Öl- und Fettextraktion aus industriellen Schleifschlämmen, Spanabfällen sowie von Bauteilen. Die Öl- und Fettextraktion mit überkritischem CO2 erfolgte dort bei Prozessdrücken von weit über 74 bar und Temperaturen über 31 °C.

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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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Steigerung der Werkzeugstandzeit und Prozesssicherheit. Bei der Schweißnahtnachbearbeitung durch angepasste Fräswerkzeuge

2013 , Uhlmann, E. , Lypovka, P.

In Rahmen der Studie wurden zunächst die Grundlagen der Schweißnahtnachbearbeitung durch Fräsen erarbeitet, wofür einfache sich um einen Parameter unterscheidende Werkzeuge untersucht wurden. Es wurde nachgewiesen, dass die Gefügeinhomogenität von Schweißnähten einen signifikanten Einfluss auf das dynamische Werkzeugverhalten und die Werkzeugstandzeit hat. Der Einsatz von nicht angepassten Werkzeugen aus der Neufertigung kann dabei zu Werkzeugversagen führen. Zur Anpassung der Werkzeuge wurden Werkzeugbeschichtung, zur Steigerung der Schneidenhärte, sowie definierte Schneidkantenverrundung, zur Verbesserung der Stabilität von Schneidkanten, eingesetzt. Die Prototypen der angepassten Werkzeuge wurden hergestellt und aufbauend auf den Anforderungen eines Reparaturfalls getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit allen angepassten Werkzeugspezifikationen die Standzeiten der Referenzwerkzeuge für die Neufertigung übertroffen wurden. Außerdem konnten eine hohe Prozesssicherheit und hohe Qualität der Bearbeitung realisiert werden. Die vorab definierten Zielkriterien an den Standweg wurden mit zwei von vier angepassten Werkzeugen erzielt. Im Rahmen weiterer Forschungsarbeiten ist der Einfluss unterschiedlicher Drall- sowie Keilwinkel auf das Einsatzverhalten der Schaftwerkzeuge bei der Schweißnahtnachbearbeitung zu analysieren. Die bisher erzielten Ergebnisse sollen auf komplexere Werkzeugausführungen, wie z.B. Messerköpfe, übertragen werden.

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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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Design- and control-concept for compliant machine tools based on controller integrated models

2012 , Uhlmann, E. , Eßmann, J. , Wintering, J.-H.

The paper presents a novel design- and control-concept for machine tools aiming for lightweight design. A Kalman-filter containing a model of the mechanical structure is applied. The Kalman-filter calculates the dynamic dislocation of the machine tool body with respect to the tool-center-point and its velocity. Dislocation and velocity are used for the correction of the CNC's setpoint values. Experimental results show, that the dynamic dislocation had been reduced considerably. This allows for a compliant design contrary to the established design-concept of stiff frames. The concept is proposed for direct-drive machine tools used for micro-milling.

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