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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationEinsatzverhalten keramisch gebundener Gleitschleifkörper(Fraunhofer Verlag, 2021)Eulitz, AlexanderZu den kritischen Erfolgsfaktoren beim Gleitschleifen zählt insbesondere die Wahl eines geeigneten Schleifkörpers sowie passender Parameterwerte im Rahmen der Prozessauslegung. Obwohl die Anfänge der Gleitschleifbearbeitung vermutlich bis in das Altertum zurückreichen, basiert die Prozessauslegung nach wie vor vordergründig auf Erfahrungswissen der Anwender. Um eine wissensbasierte Prozessauslegung zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit grundlegende Erkenntnisse zum Einsatzverhalten keramisch gebundener Gleitschleifkörper unterschiedlicher Form und Größe beschrieben. Weiterhin werden die Voraussetzungen für eine Übertragbarkeit auf industrielle Anwendungsfälle geschaffen.
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PublicationFräsbearbeitung von Nickelbasislegierungen mit Industrierobotern.(Fraunhofer Verlag, 2018)Reinkober, SaschaIndustrieroboter besitzen das Potenzial, die mechanische Fertigung der Zukunft maßgeblich zu beeinflussen. Die im Vergleich zu Werkzeugmaschinen wirtschaftlichen Vorteile können Industrieroboter als die technologischen Erfolgsfaktoren für die flexible und kundenindividuelle Produktion etablieren. Das Systemverhalten von Standard Industrierobotern qualifiziert diese derzeit jedoch primär für die Fräsbearbeitung weicher beziehungsweise leicht zerspanbarer Werkstoffe und bedingt die Nutzung von kostenintensivem Zusatzequipment, welches die Systemkosten negativ beeinflusst.
Die Fräsbearbeitung von hochharten Superlegierungen unter Nutzung von Industrierobotern wird angesichts der hohen zu erwartenden Prozesskräfte bisher ausgeschlossen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Bearbeitungsprozesses zur Fräsbearbeitung von Nickelbasislegierungen unter Nutzung von Standard Industrierobotern. Dabei kommen keramische Schaftfräser zur Reduktion der Prozesskräfte zur Anwendung. Die somit erzielbare Zerspanleistung offenbart das Potenzial von marktverfügbaren Industrierobotern als Bearbeitungsmaschinen, auch ohne die Nutzung kostenintensiver Mess- und Zusatzsysteme. -
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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PublicationSpannutschleifen von Hartmetall-Schaftwerkzeugen mit gradierten Schleifscheiben(Fraunhofer Verlag, 2018)Schröer, NikolasDas Schleifen der Spannut ist der zentrale Prozessschritt bei der Herstellung von Schaftwerkzeugen. Im Vergleich mit den anderen Werkzeugschleifoperationen weist er hohe Zerspanungsvolumina und Hauptzeitanteile auf, beeinflusst aber auch das Einsatzverhalten des Zerspanwerkzeugs wesentlich. Er ist gekennzeichnet durch eine komplexe Prozesskinematik, die in variierenden Eingriffsbedingungen entlang der Schleifscheibenbreite resultiert. Mit Hilfe einer modellbasierten und experimentellen Analyse von Spannutschleifprozessen konnte ein umfangreiches Prozessverständnis generiert werden. Dabei wurden unter anderem Erkenntnisse über die komplexen Eingriffsbedingungen zwischen Schleifscheibe und Werkstück, die an der Nutentstehung beteiligten Schleifscheibenbereiche, die Oberflächenentstehungsmechanismen in der Spannut und das Abrichtverhalten von Diamantschleifscheiben erarbeitet. Dieses Wissen bildete die Basis für die Umsetzung eines Optimierungsansatzes für Spannutschleifprozesse, bei dem die Schleifscheibe ein anwendungsgerechtes, lokal variierendes Eigenschaftsprofil aufweist. Das Einsatzverhalten dieser gradierten Schleifwerkzeuge wurde untersucht und ihr Potenzial aufgezeigt.
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PublicationAdaptives Entwicklungstool zur intelligenten Konfigurierung von Condition-Monitoring-Algorithmen(Fraunhofer Verlag, 2017)Laghmouchi, AbdelhakimDie Verfügbarkeit von Produktionsmaschinen und Anlagen hängt überwiegend vom Zustand ihrer verschleißanfälligen mechanischen Komponenten ab. Ein Maschinenausfall wird in der Regel durch Verschleiß dieser Komponenten verursacht. Das Condition Monitoring von verschleißkritischen Komponenten führt zur Vermeidung ungeplanter Maschinenausfälle und zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Produktionsmaschinen und Anlagen. Hierbei ist die Entwicklung geeigneter, zuverlässiger und robuster Auswertealgorithmen ein elementares Kernstück einer Condition-Monitoring-Lösung. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit ist es, durch die Entwicklung einer innovativen Vorgehensweise zur Konfigurierung von Algorithmen für die Datenanalyse, den Entwicklungsaufwand zukünftiger Algorithmen für verschiedene Zustandsüberwachungsanwendungen zu reduzieren. Hierzu wurde ein Tool zur Evaluierung dieser Vorgehensweise entwickelt und anhand verschiedener Use Cases unter realitätsnahen Betriebsbedingungen evaluiert. Das entwickelte Tool dient als Werkzeug zur Realisierung diverser Auswertealgorithmen für unterschiedliche Condition-Monitoring-Anwendungen.
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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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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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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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PublicationModellbasierte Prozessoptimierung für das Mikrofräsen(Fraunhofer Verlag, 2016)Mahr, Frederik FelixAufgrund der Prozessdynamik beim Mikrofräsen kommt es zu Verlagerungen und Verformungen des rotierenden Fräswerkzeugs bis hin zum regenerativen Rattern. Dies hat Genauigkeitsverluste am zu fertigenden Bauteil und Einschränkungen der Prozesssicherheit zur Folge. Ziel dieser Arbeit ist es, ein parametrierbares Simulationsmodell für den Mikrofräsprozess zu entwickeln und für Prozessoptimierungen anzuwenden. Es werden Teilmodelle im Zeitbereich zur Berechnung der Zerspankräfte und den damit wechselwirkenden Verlagerungen der schwingungsfähigen nicht rotierenden und rotierenden Strukturkompenenten entwickelt und zu einem Gesamtmodell gekoppelt. Neben der Simulation zahlreicher Prozessgrößen sowie Stabilitätsprognosen werden zügige und mit geringem experimentellem Aufwand verbundene Ermittlungen von Prozessparametern für optimierte Mikrofräsprozesse ermöglicht. Es erfolgen modellbasierte Prozessoptimierungen zur Steigerung des Zeitspanungsvolumens und zur Erhöhung der erreichbaren Genauigkeit. Durch die Verwendung verschiedener Fräswerkzeuge und Werkstückwerkstoffe an zwei Werkzeugmaschinen unterschiedlicher Bauart, wird die Übertragbarkeit des Simulationsmodells nachgewiesen.
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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.