Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Untersuchungen zur Beeinflussung der Geometrie und Werkstoffeigenschaften laserimplantierter Werkzeugstahloberflächen sowie zum tribologischen Einsatzverhalten
    (Fraunhofer Verlag, 2022)
    Spranger, Felix
    In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Schaffung und Aufrechterhaltung eines definierten tribologischen Verhaltens zwischen in Kontakt tretenden Wirkflächen für die Funktionalität von Bauteilen oder Werkzeugen eine entscheidende Rolle. Verfahren der Oberflächentechnik verfolgen das Ziel, entweder durch eine Manipulation der Werkstoffeigenschaften oder durch eine Strukturierung der Wirkfächen diese anzupassen. Obwohl erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur gezielten Manipulation zeigen, wurden diese bislang wenig betrachtet, da sie anfällig für Verschleiß sind und nur schwer hergestellt werden können. Mit der Laserimplantation ist ein Verfahren bekannt, welches diese Hemmnisse überwindet und eine Generierung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) durch ein gepulstes Laserdispergieren keramischer Hartstoffpartikel in Wirkflächen zulässt. Um eine breite Nutzbarkeit zu erreichen, wird in dieser Arbeit eine Erweiterung des Prozessverständnisses forciert, sodass die geometrischen als auch werkstofftechnischen Implanteigenschaften zielgerichtet manipulierbar werden. Des Weiteren wird die tribologische Wirkweise implantierter Oberflächen betrachtet.
  • Publication
    Digitale Unterstützung der aktiven Kundenintegration zur Optimierung der Produktentwicklung
    (Fraunhofer Verlag, 2021)
    Damerau, Thomas
    Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Frage, wie technikaffine Nutzer mittels digitaler Modelle aktiv in den Prozess der Produktentwicklung integriert werden können. Mit dem Ziel, einen Dialog zwischen Produktentwicklern und einer Nutzer-Community zu ermöglichen, entwirft die Arbeit einen PLM-zentrierten Ansatz, der sich den Modellen der Produktentstehung als Intermediär bedient. Der Ansatz umfasst sowohl eine Prozess- und Methodenbeschreibung als auch ein prototypisch realisiertes IT-Konzept, welches die gesamte Prozesskette von der Integration des Nutzers bis zur Informationsauswertung unterstützt. Wissenschaftlich zeigt die Arbeit einerseits, dass der Einsatz von Modellen aus der Produktentstehung technisch versierte Nutzer dabei unterstützt, ihr Lösungswissen zu kommunizieren und darüber hinaus die Beitragsquantität und -qualität zu steigern. Andererseits wird nachgewiesen, dass eine produktmodellgestützte Visualisierung Produktentwicklungsingenieure bei deren Auswertung unterstützt. Das IT-Konzept bietet Anknüpfungspunkte für die künftige Erforschung der Wirkweisen und Wirkung der aktiven virtuellen Kundenintegration in die Produktentwicklung.
  • Publication
    Liquid Metal Embrittlement of Advanced High Strength Steels during Resistance Spot Welding
    (Fraunhofer Verlag, 2019)
    Frei, Julian
    Neue 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.
  • Publication
    Merkmalbasiertes Nutzerunterstützungssystem für die Erfassung von Bauteilen mittels industrieller Computertomographie
    (Fraunhofer Verlag, 2019)
    Sawczyn, Nikolas
    Die vorliegende Dissertation widmet sich dem Ansatz, die computertomographische Erfassung von Bauteilen zu automatisieren und demnach das Verfahren für den Einsatz innerhalb der digital integrierten Produktion zu befähigen. Hierzu wird ein auf CAD-Daten basierendes Konzept zur CT-spezifischen Bereitstellung von Aufnahmeparametern erarbeitet. Das nichtlineare Beschreibungsmodell ermöglicht eine messobjektspezifische Optimierung der Aufnahmeparameter hinsichtlich der Auflösung oder der Messzeit. Durch vollfaktorielle Versuchspläne und CT-spezifische Prüfkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen wird eine hinreichende Datenbasis generiert. Darauf aufbauend wird ein empirisches Modell gebildet, welches der merkmalbasierten Abschätzung der Messunsicherheit dient. Eine Implementierung einer Schnittstelle nach dem DMIS-Standard ermöglicht die direkte Anbindung an kommerzielle Mess- und Auswertesoftware.
  • Publication
    Vorgehensweise zur Auslegung des Laserstrahlschmelzens am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt
    (Fraunhofer Verlag, 2018)
    Bergmann, André
    Diese Arbeit verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz für die methodische Qualifizierung von Werkstoffen für das Laserstrahlschmelzen am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt. Mit der Entwicklung einer Untersuchungssystematik auf der Basis von statistischen Versuchs-methoden wird die Grundlage für umfassende Analysen der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Einflussfaktoren beim Laserstrahlschmelzen von Wolframkarbid-Kobalt geschaffen. Aus umfassenden Analysen gehen Regressionsmodelle hervor, mit welchen die zu erwartenden Bauteil- und deren Werkstoffeigenschaften prognostiziert und geeignete Prozessparameter für die additive Fertigung von Wolframkarbid-Kobalt WCCo 83/17 entwickelt werden können. Aus den systematischen Analysen werden Erkenntnisse zu den Einflüssen verschiedener Prozessparameter im Laserstrahlschmelzprozess und deren Auswirkungen auf das Arbeitsergebnis bereitgestellt. Es werden auftretende Effekte erklärt und die Bearbeitungsparameter optimiert. Das erlangte Wissen ergänzt das Prozessverständnis zum Laserstrahlschmelzen und trägt zur Erweiterung der Werkstoffpalette bei. Die Vorgehensweise lässt sich auf die Qualifizierung weiterer Werkstoffe für das Laserstrahlschmelzen übertragen.
  • Publication
    Numerische Prozesssimulation zur Auslegung des Druckfließläppens am Beispiel additiv gefertigter Bauteile
    (Fraunhofer Verlag, 2018)
    Schmiedel, Christian
    Für 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.
  • Publication
    Laser-Pulver-Auftragschweißen in der additiven Prozesskette für Legierungen aus dem Turbomaschinenbau
    (Fraunhofer Verlag, 2018)
    Graf, Benjamin
    Additive Prozesse gewinnen immer stärkere Bedeutung in der industriellen Fertigung. Während in den vergangenen Jahren zunächst die Fertigung von Prototypen im Vordergrund stand, werden die additiven Verfahren heute zunehmend als Fertigungsprozess für moderne Bauteile eingesetzt. Dadurch wird eine hohe Produktivität und Flexibilität von der additiven Fertigung gefordert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung der additiven Prozesskette bestehend aus Selective Laser Melting (SLM) und Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). Dabei wird untersucht, welche Vorteile und Grenzen diese Prozesskette besitzt. In den Experimenten kommen die Nickelbasislegierung Inconel 718 und die Titanlegierung Ti-6Al-4V zum Einsatz. Anhand unterschiedlicher Testgeometrien werden die Eigenschaften der kombinierten Prozesskette bestimmt. Beschrieben werden die Anbindung des LPA-Materials, der Einfluss auf das SLM-Gefüge, Verzug und die erreichbare Aufbaurate. Zusätzlich werden Aufbaustrategien für den dreidimensionalen Materialauftrag mittels LPA dargestellt. Auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse werden Empfehlungen für den anwendungsorientierten Einsatz der Prozesskette abgeleitet.
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    Einflussfaktoren der Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid auf fertigungsrelevante Materialeigenschaften medizintechnischer Kunststoffe
    (Fraunhofer Verlag, 2017)
    Mankiewicz, Johannes
    Durch 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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    Steigerung des Formänderungsvermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur unter Nutzung der elektro-magnetischen Umformung
    (Fraunhofer Verlag, 2017)
    Prasol, Lukas
    Das 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.
  • Publication
    Einfluss von Herstellungs- und Lagerungsfaktoren auf die Eigenschaften von Trockeneispellets und das Strahlergebnis
    (Fraunhofer Verlag, 2016)
    Motschmann, Simon
    Das Trockeneisstrahlen bietet die Möglichkeit einer schonenden, trockenen und rückstandsfreien Bearbeitung. Eine gesteigerte Abrasivität sowie reproduzierbare Eigenschaften des Strahlmittels ermöglichen die Ausweitung auf potentiell neue Einsatzfelder. Analysiert sind ausgewählte Einflussparameter in Form von Herstellungs- und Lagerungsbedingungen mit ihren Effekten auf die Eigenschaften von Trockeneispellets und das Strahlergebnis.