Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Machining of hygroscopic materials by high-pressure CO2 jet cutting
    ( 2016)
    Uhlmann, E.
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    Bilz, M.
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    Mankiewicz, J.
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    Motschmann, S.
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    John, P.
    Cutting with a high-pressure CO2 jet has the potential for a dry and residue-free machining of hygroscopic materials. An experimental system for continuous CO2 high-pressure jets at atmospheric conditions was developed. The high-pressure liquid CO2 expands into atmospheric pressure after exiting the nozzle and changes to gas and particles and can be used for the machining of parts and surfaces. The investigations led to first expertises for the continuous jet cutting with high pressure CO2 at atmospheric conditions with jet pressures of up to 3000 bar. Commercial blasting plants are not available yet and only research institutes hold prototypes and experimental systems. During the technological examinations the mass flow and impulse forces of CO2 and high-pressure water jets were determined and compared experimentally. Identical cutting tests were carried out with polyurethane. Principal similarities are shown in the produced cutting surfaces and grooves of both processes. The experiments indicated that the effects of the individual blasting parameters are identical to the impulse force and groove depth for both processes. The high-pressure CO2 jet offers a dry and residue-free machining of hygroscopic materials. The process can be integrated decentralized and directly into production lines. According to the current knowledge, the limitation for the cutting of materials, depending on the thickness of the workpiece, is a maximum hardness of 60 Shore D at a maximum density of 600 g/cm3. Thus, the process is currently limited to the processing of synthetic and natural materials.
  • Publication
    Innovative high-performance ceramics - Challenge for the life cycle engineering of turbomachinery
    ( 2015)
    Uhlmann, E.
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    Bilz, M.
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    Baumgarten, J.
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    Klein, T.B.
    Producers of turbomachines for the aviation and energy sectors have to meet the future challenges regarding environment protection, resource conservation and profitability. As part of the 2014 market and trend analysis on the subject of Life Cycle Engineering for turbomachinery, the market potential of the concept of Life Cycle Engineering for turbomachines as well as future trends and R&D issues have been identified. It has shown that the mechanical, chemical and thermodynamic characteristics of high-performance ceramics motivate new developments of Life Cycle Engineering in turbomachinery. However, particular material properties like high hardness and strength represent a challenge for the machining process of complex components made from high-performance ceramics. Since process and machining technologies are key components of the LCE concept, this paper will focus on the importance of a holistic hard machining of ceramic matrix composites with regard to technical and economic criteria.
  • Publication
    Trends der Teilereinigung in der Medizintechnik
    ( 2014)
    Bilz, M.
    Die industrielle Teile-Reinigung bildet in der medizinischen Fertigung einen wesentlichen Teil der Wertschöpfungskette. Marktveränderungen bedingen dabei, sich auf veränderte Anforderungen an die Reinigung einzustellen. Zur Herstellung medizinischer Produkte werden grundsätzlich dieselben Fertigungstechnologien (Drehen, Fräsen, Stanzen, Gießen, generative Verfahren) wie in andern Branchen eingesetzt. Die Reinigung hat die Aufgabe, das Entfernen von filmischen und partikulären Verunreinigungen vorzunehmen. In der Medizintechnik sind zusätzlich Keime und Mikroorganismen zu beachten. Ein weiterer Faktor der Medizintechnik sind jedoch die verwendeten Materialien wie Formgedächtnis-Polymere und -Metalle sowie resorbierbare und biokompatible Werkstoffe. Meist wird ein Produkt in bis zu fünf Schritten (Übersicht) gereinigt. Die Reinigungsverfahren werden in Nass- und Strahlverfahren, mechanische und thermische Verfahren und Sonderverfahren unterteilt (Übersicht und Einschätzung).
  • Publication
    Machining of carbon fibre reinforced plastics
    ( 2014)
    Uhlmann, E.
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    Sammler, F.
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    Richarz, S.
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    Heitmüller, F.
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    Bilz, M.
    The implementation of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) in the aeronautical industry has increased dramatically in recent years due to their favourable combination of low weight and high strength as well as the adaptability of their material properties. In order to economically and reproducibly machine these materials with high part qualities, improvements in machining strategies must be made. The focus of this paper lies on innovative technologies for the machining of CFRPs whereby CVD diamond coated tools and milling tools for the improvement of milling processes have been designed. Furthermore, water jet cutting, CO2 jet cutting and grinding of CFRPs has been investigated. The quality of the machined workpieces is also an issue which requires addressing, particularly in relation to the fraying of machined edges. An innovative quantitative method for the evaluation of the workpiece quality of CFRP is presented.
  • Publication
    Compressed carbon dioxide - a green washing fluid for medical parts
    ( 2013)
    Kareth, S.
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    Bilz, M.
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    Mankiewicz, J.
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    Petermann, M.
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    Rebien, D.
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    Wehrl, M.
    Precision parts cleaning is an important process step in the production of various industrial manufactured parts, like textiles, plastics or different medical implants. Besides the degreasing of parts and the removal of particles, the reduction of germs is an important feature for medical parts. Conventional cleaning systems use either isoparaffines or aqueous systems, creating big amounts of wastes. Another major drawback of aqueous cleaning processes is the use of surfactants and the required drying step especially for sensitive materials. The use of compressed or supercritical carbon dioxide as a solvent for high pressure extraction is a well established process. Inspired by this, carbon dioxide was suggested to be an innovative fluid for textile cleaning or parts cleaning.
  • Publication
    Eiskalt sauber. Einsatz und Potenziale des CO2-Strahlens
    ( 2012)
    Bilz, M.
    ;
    Motschmann, S.
    ;
    Uhlmann, E.
  • Publication
    Teilereinigung mit flüssigem CO2 bietet Rationalisierungspotenziale
    ( 2012)
    Mankiewicz, J.
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    Bilz, M.
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    Uhlmann, E.
    ;
    Petermann, M.
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    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.
  • Publication
  • Publication
    Entwicklung einer dezentralen Anlagentechnik zur wirtschaftlichen Reinigung mit flüssigem und überkritischem Kohlendioxid
    (Fraunhofer IPK, 2011)
    Bilz, M.
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    Mankiewicz, J.
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    Petermann, M.
    ;
    Rebien, D.
    Es werden Erkenntnisse wichtige Erkenntnisse über die Reinigungsleistung und das Phasenverhalten von flüssigem und überkritischem Kohlendioxid, wie auch wesentliche Fortschritte bezüglich der industriellen Anwendbarkeit von Reinigungsanlagen auf Basis von flüssige CO2, insbesondere bei der Keimreduzierung oder der Entfernung partikulärer Verunreinigung, gesammelt. Es werden die Anlagenkonzepte zur Reinigung auf Basis der kontinuierlichen Hochdruckextraktion und das Konzept der elCO2 gegenübergestellt Im Wesentlichen unterschieden sich die Verfahren aufgrund der maximalen Druckbereiche und der zugrunde liegenden Prozessführung. Es sind die Stärken und Schwachen der Technologien gegenübergestellt. Die Betrachtung beider CO2-basierten Reinigungstechnologien zeigt die spezifischen Vor- und Nachteile der beiden Verfahrensvarianten. Die Reinigung mit flüssigem Kohlenstoffdioxid bietet gute Möglichkeiten zum Abtrag partikularer Verschmutzungen und anhaftender Öle. Vor allem die Kombination einzelner Reinigungsschritte ist in der Lage das Reinigungsergebnis zu optimieren. Die Reinigung mit überkritischem CO2 hingegen ermöglicht die Anpassung der Losemitteleigenschaften an die jeweilige Verunreinigung durch Parametnsierung von Druck und Temperatur. Die Kombination beider Verfahren liegt nahe. Ein Anlagenhybrid soll eine noch deutlich flexiblere und leistungsfähigere Reinigung mit Kohlendioxid ermöglichen. Durch die Zusammenführung der Verfahren soll ein noch breiteres Spektrum an Verunreinigungen abgereinigt werden können. Die im Innonet-Projekt "KodiWasch" erarbeiteten Erkenntnisse belegen, dass bei der elCO2-Reinigungsanlage gute Reinigungsergebnisse mittels der Flutreinigung erzielt werden. Diese ermöglicht ein hohes Maß an Badmechanik sowie das Entfernen partikulärer Verunreinigungen. Die Ultraschallreinigung erzielte bei angefüllten Bädern einen tiefenwirksamen Reinigungseffekt. Wie sich bei den Reinigungsversuchen gezeigt hat, besitzt auch die Drucksenkung die Fähigkeiten Verunreinigungen aus dem Reinigungsgut herauszutragen. Eine Kombination der beschriebenen Reinigungsverfahren mit Drucksenkungen und Drucksteigerungen nach dem Prinzip der Hochdruckextraktion kann eine verbesserte Anpassung an das Reinigungsproblem bewirken und damit gründlichere Reinigungsergebnisse ermöglichen. Die Möglichkeit zur temperaturstabilen Drucksenkung, durch die Nutzung von Aufwärmvorgängen bei unterschiedlichen Druckstufen, die eine Umwälzung von erhitzten CO2-Gas ermöglichen, ist im Hinblick auf die elCO2-Prozessführung einzigartig und sollte übernommen werden. Hierbei muss beachtet werden, dass Umwälzvorgänge wie die Aufwärmung und die Flutreinigung modular erweiterbare Reinigungsanlagen jedoch ausschließen. Hohe Systemdrucke verursachen bei großen Reinigungskammervolumina hohe Investitionskosten. Es wäre zu überprüfen, inwiefern eine kompakte Kleinanlage für Sonderanwendungen, Kleinserien oder Minderproduktionsmengen marktfähig wäre, die auf eine CO2-Rückgewinnung verzichtet.
  • Publication
    Um die Ecke gebracht - schonende Umlenkung von Trockeneis-Strahlmittel
    ( 2011)
    Uhlmann, E.
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    Motschmann, S.
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    Bilz, M.
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    Schöfisch, K.
    Bislang wird das Trockeneisstrahlen hauptsächlich zum Reinigen leicht zugänglicher Oberflächen eingesetzt. Für schwer zugängliche Bereiche wie z. B. Hinterschneidungen sind für das Trockeneisstrahlen verschiedene Strahldüsen-Varianten erhältlich. Diese nutzen jedoch zur Strahlmittelablenkung fast ausschließlich Pralleffekte innerhalb der Strahldüse, wodurch es zur verstärkten Zerkleinerung und teilweise auch zur vorzeitigen Sublimation des Strahlmittels kommt. Dies wiederum führt zu einem Geschwindigkeits- und Massenverlust, wodurch die kinetische Energie verringert und somit auch die Abtragsleistung reduziert wird. Um diesen Verlust zu reduzieren, forscht das Fraunhofer IPK aktuell an einer Düsenvariante zur schonenden Strahlmittelumlenkung. Das Grundkonzept nutzt dabei das allgemein bekannte Injektorprinzip. Dabei soll eine Strahlmittelablenkung um bis zu 90° durch einen sekundären Druckluftstrom erreicht werden. Um den Anlagenaufwand gering zu halten, wird eine Zweischlauch-Trockeneisstrahlanlage verwendet. Mit einem entwickelten Injektorkrümmer wurde die schonende Umlenkung von Trockeneispellets unter Einsatz eines sekundären Luftstroms evaluiert. Das Düsenkonzept ermöglicht eine deutlich höhere Abtragsleistung für Reinigungsprozesse durch eine effektivere Ausnutzung des empfindlichen Strahlmittels im Vergleich zur untersuchten Vergleichsdüse. Die in den Versuchen maximal erreichte Abtragsleistung des Injektorkrümmers ist um den Faktor 16 höher als bei der verwendeten Alternativdüse mit identischen Prozess-Parametern. Zudem ist der Raumbedarf für den Injektorkrümmer deutlich geringer und ermöglicht somit die leichtere Reinigung auch schwer zugänglicher Bereiche.