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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationSortierung von Objekten in mikrofluidischen Systemen auf Basis von piezogetriebenen Aktoren(Fraunhofer Verlag, 2020)Horbert, Peter PaulLab-on-a-Chip Systeme finden breite Anwendung in der Grundlagenforschung, der Diagnostik sowie in der Biotechnologie und setzen sich aus einem Netzwerk mikrofluidischer Funktionsstrukturen zusammen. Ein Teil dieser Strukturen dient zur Isolation von Probenbestandteilen für eine nachfolgende Analytik, ist aber in vielen Fällen nicht für ein breites Anwendungsgebiet geeignet. Zielstellung dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Charakterisierung eines piezogestützten Sortiersystems, das für Objektgrößen von 7 - 300 µm und unterschiedliche Betriebsmodi in der Mikrofluidik geeignet ist. Im Vordergrund stehen die Untersuchung des Sortierprozesses und der Strömungseigenschaften im Mikrokanal. Die Erkenntnisse ermöglichen u. a. über Modellgleichungen die Charakterisierung des Sortiersystems und einen direkten Einblick in die Funktionsweise der mikrofluidischen Funktionsstrukturen. Das Sortiersystem leistet durch seine Vielseitigkeit und Flexibilität einen wichtigen Beitrag, um das Anwendungsfeld für mikrofluidische Applikationen im Bereich der Probenisolation zu erweitern. Im Bereich der Mikrofluidik konnte das Verständnis von Sortiervorgängen im Mikrokanal erweitert werden.
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PublicationLiquid Metal Embrittlement of Advanced High Strength Steels during Resistance Spot Welding(Fraunhofer Verlag, 2019)Frei, JulianNeue Stahlwerkstoffe mit verbesserten Materialeigenschaften stellen die etablierten Schweißverfahren vor neue Herausforderungen. Während des Widerstandspunktschweißens hochfester Stähle wird teilweise flüssigmetallinduzierte Rissbildung (liquid metal embrittlement) beobachtet. Eine qualitativ hochwertige, rissfreie Punktschweißverbindung liegt im Interesse der gesamten metallverarbeitenden Industrie. Vor allem jedoch in Bereichen hochbeanspruchter bzw. sicherheitsrelevanter Bauteile und Konstruktionen wie zum Beispiel Automobilkarosserien wird hierauf besonderen Wert gelegt. Das Phänomen liquid metal embrittlement (LME) bietet ein weites Spektrum an Fragestellungen aus der Ingenieurs- bzw. der Forscherperspektive. Es handelt sich dabei um ein komplexes Zusammenwirken verschiedener Prozesse, deren Kombination letztendlich zur Rissentstehung führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anwendungsrelevante Einflussfaktoren zu untersuchen, um einerseits das Prozessverständnis zu verbessern, und andererseits potentielle Abhilfemaßnahmen aufzuzeigen.
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PublicationNumerische Prozesssimulation zur Auslegung des Druckfließläppens am Beispiel additiv gefertigter BauteileFür die Feinbearbeitung von Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere in innenliegenden Bereichen, mit höheren Ansprüchen an die Oberflächengüte hat sich das Druckfließläppen in der industriellen Anwendung etabliert. Mit dem Verfahren lassen sich zudem Grate entfernen und Kanten definiert konturieren. Für den abrasiven Vorgang sorgen in ein polymeres Basismedium eingebettete Schleifkörner. In der vorliegenden Arbeit wird ein rheologisches Modell zur Beschreibung der viskoelastischen Eigenschaften der abrasiven Medien entwickelt und in konventionelle Simulationssoftware implementiert. Der Abgleich zwischen Simulations- und Arbeitsergebnissen erfolgt am Beispiel additiv gefertigter Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen. In diesem Zusammenhang wird auch das Potenzial für das Druckfließläppen laserstrahlgeschmolzener Bauteile aufgezeigt. Als Ergebnis liegt ein Simulationstool zur Prognose der Bearbeitungsergebnisse vor, welches sich auf beliebige Anwendungsszenarien übertragen lässt. Auf diese Weise wird zukünftig der Versuchsaufwand zur Prozessauslegung und -optimierung signifikant reduziert.
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PublicationMethodik zur integrierten virtuellen Auslegung und Absicherung flexibler Bauteile(Fraunhofer Verlag, 2018)Hofheinz, NicolasAufgrund angespannter Bauraumverhältnisse und der geringen Biegesteifigkeit flexibler Bauteile (Kabel und Schläuche), stellt ihre geometrische Integration in komplexe technische Produkte weiterhin eine Herausforderung dar. Die Absicherung dieser Bauteile findet in der Regel anhand aufwendiger Hardwareversuche statt. Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung der Integration flexibler Bauteile in komplexe Gesamtsysteme und insbesondere die Reduzierung der notwendigen physischen Versuchsumfänge. Dabei wird ein Frontloading-Ansatz durch eine frühzeitige Produktmitgestaltung aus Absicherungssicht verfolgt. Gepaart mit einer prognosesicheren Simulation des strukturmechanischen Verhaltens der auszulegenden Bauteile wird damit eine signifikante Erhöhung des Reifegrads virtuell generierter Leitungskonzepte angestrebt. Zu diesem Zweck wird, ausgehend von einer umfassenden industriellen Analyse, eine Methodik zur integrierten virtuellen Auslegung und Absicherung flexibler Bauteile entwickelt: ein System interagierender, simulationsgestützter Methoden, Modelle und Werkzeuge. Der Nutzen der Methodik wird anhand realer Anwendungsfälle aus der automobilen Fahrwerksentwicklung evaluiert.
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PublicationResource-optimized verification planning for mechatronic systems in the virtual stage of product creation(Fraunhofer Verlag, 2017)Gerhorst, FrankMost current methods for product verification and reliability assurance are based upon statistical sample sizes and the underlying probability distributions. But that approach typically results in industrially unmanageable sample sizes and high test resource requirements. The proposed approach in this thesis uses a generalized "Inverse Most-Probable-Limit State" concept, which takes a Monte-Carlo based most likely noise factor scenario in all load dimensions into account for each failure mode.
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PublicationEinflussfaktoren der Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid auf fertigungsrelevante Materialeigenschaften medizintechnischer Kunststoffe(Fraunhofer Verlag, 2017)Mankiewicz, JohannesDurch seine chemischen und physikalischen Vorteile hat sich Kohlendioxid in der Verfahrens- und Produktionstechnik in verschiedenen Anwendungen etabliert. Der reinigungstechnische Einsatz ist aktuell noch auf das Trockeneis- und CO2-Schneestrahlen beschränkt. Bei der Imprägnierung und Färbung von Kunststoffen gehört es zum etablierten Stand der Technik. Die Anwendung der flüssigen Phase des Kohlendioxids für die Lösemittelreinigung hat sich in der industriellen Praxis noch nicht durchsetzen können. Vor diesem Hintergrund besteht ein besonderes Potential der Technologie für medizintechnische Produktionsprozesse zur rückstandsfreien Reinigung von Kunststoffen, ohne eine anschließende Trocknung. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Erarbeitung von Erkenntnissen zum Einfluss der Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid auf die konstruktions- und fertigungstechnischen Materialeigenschaften von medizintechnischen Kunststoffen. Dazu werden aus der Gruppe der Elastomere sowie der amorphen und teilkristallinen Thermoplaste Kunststoffe im Rahmen des entwickelten Versuchsprogramms zum Einfluss der Reinigungszeit sowie der Parametrisierung des Übergangs zwischen Prozess- und Umgebungsbedingungen untersucht. Dies erlaubt die Beschreibung signifikanter Eigenschaftsänderungen der Materialien hinsichtlich der Gravimetrie, Geometrie, Zugfestigkeit, Oberflächenhärte und Quellung. Die dadurch erlangten Erkenntnisse erweitern das Prozessverständnis zur reinigungstechnischen Anwendung von flüssigem Kohlendioxid und erlauben die Ableitung von grundsätzlichen Anwendungshinweisen für den angestrebten Einsatz in der Praxis.
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PublicationSteigerung des Formänderungsvermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur unter Nutzung der elektro-magnetischen Umformung(Fraunhofer Verlag, 2017)Prasol, LukasDas geringe Formänderungsvermögen der Magnesiumlegierung AZ31 in konventionellen Blechumformprozessen bei Raumtemperatur limitiert den Einsatz in industriellen Anwendungen. Das elektro-magnetische Blechumformen hat eine Steigerung des Formänderungsvermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur zur Folge. Inhalt dieser Arbeit ist eine systematische Untersuchung des Formänderungsvermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei elektro-magnetischer Blechumformung und Raumtemperatur. Durch die Entwicklung eines FE-Simulationsmodells unter Integration eines formänderungsgeschwindigkeitsangepassten Werkstoffmodells ist eine Untersuchung der maßgeblichen, das Formänderungsvermögen beeinflussenden Effekte der Magnesiumlegierung AZ31 bei elektro-magnetischer Blechumformung realisierbar. Das Formänderungsvermögen wird experimentell im Belastungszustand der ebenen Dehnung und bei bi-axialer Streckziehbelastung ermittelt. Die prozessbedingte Joulesche Erwärmung des Werkstücks sowie die hohe Formänderungsgeschwindigkeit bewirken eine Steigerung des Formänderungsvermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur im Vergleich zu konventionellen Blechumformprozessen.
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PublicationNutzenoptimierter Einsatz präventiver Qualitätsmethoden im Produktentstehungsprozess der Automobilindustrie(Fraunhofer Verlag, 2016)Heintzmann, MarkusDie Automobilindustrie steht heute vor einer großen Zahl unterschiedlichster Herausforderungen. Während einerseits die technologische Komplexität der Produkte mehr und mehr zunimmt, sind die Unternehmen gezwungen, die individuellen Kundenwünsche stärker zu berücksichtigen, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Das dadurch entstehende, breitere Angebot wird in zunehmend kürzeren Zeiten entwickelt. Die Unternehmen müssen durch verstärkte Effizienzmaßnahmen versuchen, ihre langfristige Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten. Weiterhin müssen sich die Hersteller zusätzlichen, neuen Herausforderungen stellen, welche beispielsweise aus Ressourcenknappheit und Verschmutzung der Umwelt resultieren und die Entwicklung neuer Technologien erfordern. Die Qualität der Entwicklung muss dabei jedoch immer den gleichen Anforderungen genügen, wie bei bewährter Technik. Eine hervorragende Qualität der Produkte wird schlichtweg vorausgesetzt. Das Spannungsfeld aus Qualität, Kosten und Zeit ist damit heutzutage präsenter denn je. Ein positiver Einfluss ist in diesem Zusammenhang vom präventiven Qualitätsmanagement und den zugehörigen Methoden zu erwarten. Zielgerichtet eingesetzt kann es in diesem Spannungsfeld einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Kundenwünsche, robusten Prozessen und zuverlässigen Produkten liefern. Die dadurch erzielte Verbesserung der Qualität kann zu direkten Kostensenkungen im Unternehmen führen. Leider stehen viele Unternehmen präventiver Qualitätsarbeit mit Skepsis gegenüber, zudem herrscht über den richtigen Umgang mit präventiven Qualitätsmethoden keine Klarheit. Hohe Qualitätskosten in den Unternehmen lassen jedoch auf ein Kostenpotential schließen, das bei weitem nicht ausgeschöpft ist. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, dieses Potential durch einen nutzenoptimierten Einsatz präventiver Q-Methoden bereits im Produktentstehungsprozess zu heben, woraus sich die Zielsetzung dieser Arbeit ableitet. In diesem Zusammenhang wurde ein Vorgehensmodell entwickelt, welches den erwarteten Nutzen des themenbezogenen Methodeneinsatzes ermittelt und zu jedem Zeitpunkt Transparenz über das zu hebende Nutzenpotential eines Betrachtungsumfangs erzeugt, sowie über alle Faktoren, die dessen Ausschöpfung verhindern können. Durch das Vorgehensmodell wird sichergestellt, dass ein nutzenoptimierter Methodeneinsatz schon im frühen Entwicklungsprozess stattfindet und der Nutzen auch mit Sicherheit gehoben wird. Dadurch entsteht ein hoher Beitrag zu Kostensenkungen im Unternehmen und konzeptionelle Weichen können rechtzeitig richtig gestellt werden.
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PublicationQualitätsreferenzmodell für die Produktion von Unikaten und Kleinserien(Fraunhofer Verlag, 2016)Rößle, DominikDie steigende Nachfrage nach kundenindividuellen Produkten und die damit verbundene individualisierte Produktion rückt den Fokus der Unternehmen auf die Sicherstellung der Konformität mit den Kundenanforderungen. Zur Sicherstellung der Konformität ist es notwendig, gezielt Methoden in den einzelnen Phasen des Produktlebenszyklus einzusetzen. Das Qualitätsreferenzmodell unterstützt den Anwender bei der Methodenwahl sowie bei der Prozessoptimierung.
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PublicationGleitschleifen - Verfahrensgrundlagen und Prozessmodellierung(Fraunhofer Verlag, 2016)Dethlefs, ArneDer großen wirtschaftlichen Bedeutung des Gleitschleifens steht eine im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren sehr geringe wissenschaftliche Durchdringung des Prozesses gegenüber. Vor dem genannten Hintergrund ist es Ziel dieser Arbeit einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge beim Gleitschleifen zu leisten und hieraus Möglichkeiten zur umfassenden Prozessmodellierung abzuleiten.