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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationMethodology for the in-process evaluation of software-based process failures in Selective Laser Melting machine tools(Fraunhofer Verlag, 2018)Pastl Pontes, RodrigoThe intense use of Additive Manufacturing technologies, especially Selective Laser Melting (SLM), to produce complex functional components by several sectors of the industry evidenced that current machines are not able to ensure the product quality. The results are affected by failures occurred in manufacturing processes caused, for instance, by the controller software. Such failures influence either the time to manufacture a component or its final quality. Current system validation methodologies are not adapted to SLM machines and, therefore, they are not effective. Within this context, this dissertation focused on the development of a methodology to evaluate process failures originated by the software of SLM machines in order to measure the machine quality. For this purpose, a process map for the machine was described, Key Performance Indicators were designed, and the Conformance Timed Automata Effect Analysis (ConTEA) testing methodology was developed. By using ConTEA, models with functioning scenarios are created, the tests can be generated and applied to the SLM machine software, failures can be tracked and the machine quality can be assessed.
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PublicationEndkonturnahe Schruppbearbeitung von Titanaluminid mittels Wasserabrasivstrahlen mit kontrollierter Schnitttiefe(Fraunhofer Verlag, 2018)Faltin, FabianIntermetallische Titanaluminid-Legierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringer Dichte weithin als eine mögliche Werkstoffgruppe für den Einsatz im Turbomaschinenbau betrachtet. Trotz der hervorragenden Eigenschaften ist der serientechnische Einsatz dieser Legierung bislang ausgeblieben. Der Hauptgrund ist hierbei unter anderem in der schwierigen Bearbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungsverfahren wie dem Fräsen oder Drehen zu sehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wasserabrasivstrahltechnologie für eine werkstoffeffiziente, endkonturnahe Schruppbearbeitung dieser schwer zerspanbaren Werkstoffe nutzbar gemacht. Mit Hilfe statistischer Versuchsplanungsmethoden wurden hierzu Regressionsmodelle abgeleitet, mit denen Schnitte mit definierter und vorhersagbarer Tiefe in Werkstücke eingebracht werden können, deren Überschneidung zur Entfernung von Segmenten aus Halbzeugen genutzt werden können. Anhand von Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen wurden zudem die Effekte, die zu Unebenheiten im Kerbgrund führen können, grundlegend untersucht und Bearbeitungsstrategien zu dessen Vermeidung vorgestellt.
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PublicationTrockeneisstrahlen als Vorbehandlungsverfahren vor dem Galvanisieren(Fraunhofer Verlag, 2017)Baira, El MustaphaGalvanotechnische Verfahren werden angewendet, um metallische Überzüge mit definierten Eigenschaften auf nahezu allen technisch bedeutsamen Werkstoffen abzuscheiden. Für qualitativ hochwertige Ergebnisse des galvanischen Beschichtungsprozesses sind gut gereinigte und vorbehandelte Oberflächen erforderlich. Gegenwärtig erfordert die Vorbehandlung vor dem Galvanisieren neben diversen Spülbädern einen Beizvorgang unter Verwendung von Chrom (VI). Das Trockeneisstrahlen hat viele Vorteile gegenüber konventionellen Vorbehandlungsverfahren. Da das Strahlmittel beim Auftreffen auf die zu reinigenden Oberflächen sublimiert, muss es weder entsorgt werden noch muss das Bauteil in einem nachfolgenden Reinigungsbad aufbereitet werden. Ziel der Arbeit ist die Substitution der konventionellen Vorbehandlungsverfahren durch alternative Verfahren unter Verwendung des Trockeneisstrahlens. Die neu gewonnenen, fundierten Erkenntnisse über die funktionalen Abhängigkeiten zwischen den Vorbehandlungsverfahren, den Oberflächeneigenschaften und der Haftfestigkeit der Galvanobeschichtung schaffen die Basis für eine umweltfreundliche, auf das Substrat-Beschichtungssystem abgestimmte Vorbehandlung.
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PublicationEinsatzverhalten nanocomposite-beschichteter PcBN-Werkzeuge für die Hartdrehbearbeitung.Diese Dissertation verschafft einen Überblick über das Einsatzverhalten nanocomposite-beschichteter PcBN-Werkzeuge für die Bearbeitung gehärteter Stähle. Dabei wird speziell auf die Verschleiß- und Temperaturentwicklung im Hartdrehprozess eingegangen.
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PublicationSimulationsmodell als Basis zur Ableitung von Zerspanstrategien zur Reduzierung von thermischen Bearbeitungseinflüssen beim Hartdrehen(Fraunhofer Verlag, 2017)Ivanov, Ivan MitkovDie in zahlreichen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzten Stahlbauteile unterliegen im Betrieb hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Im Anschluss an die erforderliche Härtung erfolgt die Schlichtbearbeitung zur Schaffung der Endkontur. Aufgrund der Produktivitätssteigerung, Flexibilität und Ressourceneffizienz bietet sich die Hartdrehbearbeitung als Alternative zum konventionellen Schleifen an. Beim Hartdrehen werden die physikalischen Werkstückeigenschaften durch die prozessabhängige Randschichtbildung verändert. Das Verständnis dieser Phänomene und die Prozessoptimierung hinsichtlich der Schaffung von qualitativ höherwertigen Oberflächen erfordern die Modellierung der Hartdrehbearbeitung unter Berücksichtigung von temperaturabhängigen Phasentransformationen. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit ist es, durch die Entwicklung eines Simulationsmodells der Hartdrehbearbeitung des gehärteten Wälzlagerstahls 100Cr6 Erkenntnisse über die thermischen Bearbeitungseinflüsse auf die Werkstückqualität zu erhalten. Das beschriebene Simulationsmodell dient als Basis zur Ableitung von Fertigungsmaßnahmen und Zerspanstrategien zur Vermeidung von prozessbedingten Fertigungsungenauigkeiten beim Hartdrehen.
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PublicationKinematisch modulierte Schleifprozesse zur Strukturierung von tribologisch beanspruchten Funktionsoberflächen(Fraunhofer Verlag, 2017)Bäcker, ClemensEine gezielte Strukturierung von tribologisch beanspruchten Oberflächen kann zu einer Verbesserung der Kontaktbedingungen und somit zu einer Steigerung ihrer Lebensdauer führen. Komplexe Funktionsflächen wie die Zahnflanke werden nach der Wärmebehandlung mittels Schleifprozessen nachbearbeitet und im Anschluss häufig einer Endbearbeitung unterzogen, um den Verschleiß der Zahnräder im Einsatz zu reduzieren. Als zentrale Fragestellung dieser Arbeit wurde untersucht, in welcher Weise sich durch Schleifverfahren die Oberflächenstruktur von unterschiedlichen Funktionsflächen beeinflussen lässt. In simulationsbasierten und experimentellen Untersuchungen konnte ein umfangreiches Wissen über die Zusammenhänge zwischen dem Konditionierprozess, der Stellgrößen des kinematisch modulierten Schleifprozesses und den Arbeitsergebnissen sowie dem Einsatzverhalten der strukturierten Oberflächen erarbeitet werden. Die Analyse der durchgeführten Versuche dokumentiert eindrucksvoll, wie sich sowohl die Oberflächenkennwerte als auch die -struktur unter Einsatz geeigneter Stellgrößen der kinematischen Modulation verbessern lassen, die in vorteilhaften Kontaktbedingungen beim Einsatz resultieren können.
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PublicationUmweltbewertung und Ökoeffizienz beim Metall-Schutzgasschweißen von Dickblechverbindungen(Fraunhofer Verlag, 2017)Sproesser, GuntherDer globale Wettbewerb fordert von schweißtechnischen Fertigungsverfahren und Verfahrensentwicklungen eine starke Konzentration auf die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit. Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen) kommen deshalb zunehmend MSG-Hochleistungsverfahren zum Einsatz. Parallel zu dem wirtschaftlichen Druck steigt das Bewusstsein für die planetarischen Grenzen der Erde und rückt Themen wie den Klimawandel in den Fokus der Öffentlichkeit. Ziel der vorliegenden Arbeit ist ein Beitrag zur Lösung der Umweltprobleme, welche auf das MSG-Schweißen zurückgeführt werden können. Um die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu berücksichtigen werden sowohl Prozesse im konventionellen als auch im Hochleistungsbereich betrachtet. Zunächst wird der Energiebedarf in Abhängigkeit von Verfahrensvariante, Lichtbogenart und Leistungsbereich charakterisiert. Mit Hilfe von Ökobilanzen erfolgt eine detaillierte Analyse der Umweltwirkungen in den Kategorien Klimawandel, Versauerung, Eutrophierung, Photooxidantien und stratosphärischer Ozonabbau. Anschließend werden die Verbesserungsstrategien "Energieeffizienz" und "Fugenvorbereitung" in einer Ökoeffizienzbetrachtung bewertet.
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PublicationCO2-Schneeentstehung und deren Wirkung auf die Effekte beim CO2-Schneestrahlen(Fraunhofer Verlag, 2016)Kretzschmar, MichaelDas Reinigungsstrahlen mit festem CO2 hat viele Vorteile gegenüber dem Strahlen mit beständigen Strahlmitteln und hat sich als industrielle Anwendung bewährt. So entfällt beispielsweise die Entsorgung oder die Aufbereitung des Strahlmittels, da es nach dem Strahlvorgang in die Gasphase übergeht und in die Atmosphäre entlassen wird. Bisherige Untersuchungen befassten sich vornehmlich mit dem Trockeneisstrahlen und der beim Strahlprozess auftretenden Effekte. Für das CO2-Schneestrahlen existieren bislang weder Untersuchungen zu den Effekten noch zur CO2-Schneeentstehung während des Strahlvorgangs. Diese Untersuchungen sind Teil dieser Arbeit mit dem Ziel, die CO2-Schneeentstehung mittels eines Modells zu beschreiben. Darüber hinaus sollen die CO2-Schneeeigenschaften wie die Partikelhärte und damit auch die Zusammensetzung der Effekte funktional beschrieben werden. Auf der Grundlage der statistischen Versuchsplanung wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt und im Anschluss die entsprechenden Modellgleichungen erstellt. Die Modelle können genutzt werden, um die CO2-Schneeeigenschaften gezielt zu beeinflussen und so den CO2-Schneestrahlprozess effektiver gestalten zu können.
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PublicationEinfluss von Herstellungs- und Lagerungsfaktoren auf die Eigenschaften von Trockeneispellets und das Strahlergebnis(Fraunhofer Verlag, 2016)Motschmann, SimonDas 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.
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PublicationSchleifen von Hartmetall- und Vollkeramik-Schaftfräsern(Fraunhofer Verlag, 2012)Hübert, ChristophDie Grundlage für die Beherrschung und Optimierung der spanenden Bearbeitung metallischer Komponenten ist das Vorliegen wettbewerbsfähiger Zerspanwerkzeuge. Die anspruchsvollen Eigenschaften der eingesetzten Schneidstoffe erfordern zur Einbringung der Formelemente des Schneidenteils in aller Regel eine schleifende Bearbeitung. Als zentraler Fragestellung dieser Arbeit wurde untersucht, in welcher Weise diese trennenden Verfahren einen signifikanten Einfluss auf die generierten Werkzeugmerkmale und das Einsatzverhalten geometrisch komplexer Zerspanwerkzeuge haben. In simulationsbasierten und experimentellen Untersuchungen konnte umfangreiches Wissen über die Zusammenhänge zwischen Schleifprozessen, Werkzeugeigenschaften und Einsatzverhalten von drallgenuteten Schaftfräsern aus Hartmetall und Hochleistungskeramik erarbeitet werden. Erstmals wird die Interaktion der zwei die Schneidkante schaffenden Schleifoperationen am Beispiel der Umfangsschneiden drallgenuteter Schaftfräser in das Zentrum technologischer Untersuchungen gestellt. Die Analyse durchgeführter Versuche zum Stirn-Umfangfräsen an der Nickelbasis-Legierung Inconel 718 dokumentiert eindrucksvoll den Einfluss der Parameterwahl beim Schleifen der eingesetzten Zerspanwerkzeuge sowie die grundsätzliche Leistungsfähigkeit keramischer Schaftwerkzeuge.