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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationHochleistungswasserabrasivstrahlen zur Vorkonturierung von TitanaluminidDie Wasserstrahltechnologie bietet ein großes Potenzial bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Der umfassenden Anwendung stehen jedoch komplexe Wirkmechanismen bei der effizienten Erzeugung von dreidimensionalen Formelementen gegenüber. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit die Wirkzusammenhänge der notwendigen Prozessvarianten hergestellt und dem Anwender Methoden zur Bestimmung der Einsatzbereiche und zur Auslegung der Kerben vorgeschlagen. Darüber hinaus wird ein auf den Wirkmechanismen basierendes dreidimensionales Modell der Werkstoffabtrennung eingeführt, um das allgemeine Verständnis der Wasserstrahltechnologie zu verbessern.
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PublicationEntwicklung eines kognitiven Assistenzsystems zur Nutzung von Erfahrungswissen im QualitätsmanagementDas Wissen in einer Organisation ist inzwischen ein wichtiger Produktionsfaktor und führt zu entscheidenden Wettbewerbsvorteilen im globalen Markt. Besonders wertvoll ist für Unternehmen das Erfahrungswissen, das kontextabhängig entsteht und situationsbedingt abgerufen wird. Das Qualitätsmanagement ist aufgrund seiner Kompetenzanforderungen von diesem Wissen abhängig, denn unstrukturierte Probleme lassen sich häufig nur erfahrungsgeleitet lösen. Darüber hinaus ist das Erfahrungswissen die Urquelle jeglicher Kreativität, die im Problemlöseprozess zwingend erforderlich ist. In der vorliegenden Arbeit wird ein kognitives Assistenzsystem entwickelt, das die menschliche Fähigkeit des kognitiven Erinnerns an frühere Ereignisse und Situationen unterstützt. Das entwickelte System stellt mittels Case-Based Reasoning Wissen bereit, das auf Grundlage einer Kontextsituation als relevant eingestuft wird. Dies führt zu einer Bereitstellung des situationsgerechten Erfahrungswissens und ermöglicht eine wirksame Problemlösung im Arbeitsprozess.
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PublicationHerstellung definierter Werkzeugmikrogeometrien an Mikrofräswerkzeugen und deren Einfluss auf die Zerspanung spröder und duktiler WerkstoffeEinen Ansatz, um die Prozessstabilität und Produktivität beim Mikrofräsen zu steigern, bietet die gezielte Schneidkantenpräparation durch das Verfahren Tauchgleitläppen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, erweitertes Prozesswissen zur Herstellung werkstoffspezifischer Werkzeugmikrogeometrien bereitzustellen. Zunächst wurden die Einflussfaktoren und Stellgrößen definiert und gezielt untersucht. Dabei konnte insbesondere der aus den Prozessparametern resultierende Läppdruck näher betrachtet sowie ein Einfluss des Keilwinkels und der Hartmetallzusammensetzung bestimmt werden. Weiterhin wurde durch den Einsatz der Diskrete Elemente Methode (DEM) ein Modell zur numerischen Analyse des Tauchgleitläppens vorgestellt. Es wurden die Effekte moderner Werkzeugbeschichtungen auf die Werkzeugmikrogeometrie untersucht und die Mikrofräswerkzeuge für die Fräsbearbeitung von Feinkorngraphit sowie der bleifreien Kupferlegierung CuZn21Si3P eingesetzt. Als Ergebnis konnte der Einfluss der Schneidkantenrundungen und Schartigkeitskennwerte auf die resultierende Oberflächenrauheit, die Aktivkräfte, den Werkzeugverschleiß und die Kantenqualität der bearbeiteten Werkstücke quantifiziert werden.
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PublicationEine empirische Untersuchung zur Entstehung und Nutzung von Synergiepotenzialen zwischen der Innovations- und der Qualitätsfunktion im ProduktentstehungsprozessInnovation und Qualität sind für deutsche Unternehmen entscheidende Erfolgsfaktoren. Aufgrund des steigenden Wettbewerbsdrucks und der schnell wachsenden Märkte muss der Innovationsprozess immer effizienter gestaltet werden, um die Markteinführungszeit für neue Produkte und Geschäftsmodelle bei gleichzeitig hoher Leistungsqualität zu verkürzen. Es gibt wohl kein Unternehmen, das nicht auf die beiden Erfolgsfaktoren Innovation und Qualität setzt. Im Zusammenwirken der Innovations- und der Qualitätsfunktion entwickelt sich so zunehmend ein Spannungsfeld zwischen einer schnellen Markteinführung innovativer Produkte und Perfektion. Die Forschungsarbeit verfolgt grundsätzlich die Frage, welche Faktoren einen positiven Beitrag auf die Zusammenarbeit der beiden Funktionsbereiche ausüben, und wie sich eine intensive Kollaboration zwischen der Innovations- und der Qualitätsfunktion auf die Performance neuer Produkte auswirkt. Die abgeleiteten Modelle für die Unternehmenspraxis und die Ergebnisse der empirischen Forschung machen auf die Relevanz eines leistungsfähigen Produktentstehungsprozesses unter Einbindung des Qualitätsmanagements aufmerksam und heben so die Bedeutung einer erfolgreichen Zusammenarbeit der beiden Funktionsbereiche hervor.
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PublicationPlasma-Laser-Auftragschweißen als hybrides BeschichtungsverfahrenBauteile sind in einer Vielzahl von Industriezweigen korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Um mit diesen Belastungen umzugehen, sind kostenintensive Werkstoffe notwendig. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Zur Exploration möglicher Effizienzsteigerungen und Verbesserung der Umwelteinwirkungen werden kontinuierlich Auftragschweißprozesse für das Panzern, Plattieren oder Puffern von Bauteilen weiterentwickelt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine neuartige Kombination aus Plasmalichtbogen und Laserstrahlung zu einem hybriden Auftragschweißprozess untersucht. Neben der Analyse der technischen Leistungsfähigkeit des hybriden Auftragschweißprozesses erfolgt eine ökologische Betrachtung anhand einer vergleichenden Ökobilanzierung sowie einer Wirtschaftlichkeitsanalyse anhand einer Kostenvergleichsrechnung.
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PublicationElectromagnet Assisted Laser-GMA Hybrid Welding of Thick-Walled Structural Steels and Its Influence on the Weld Seam PropertiesCurrently, thick-walled steels are mostly joined using arc-based welding processes in the industry. The industrial use of alternative welding processes, such as the laser-gma hybrid welding process, are limited due to some process-specific challenges, such as the gravity-induced droplet formation at the weld root, limited gap bridgeability and a high sensitivity to manufacturing tolerances, or poor mechanical properties due to high cooling rates. In this work, laser-gma hybrid welding with contactless electromagnet backing is presented. With this innovative process, it was possible to join plates with a thickness up to 30 mm using a 20-kW fiber laser. In addition, the gap bridgeability could be significantly increased. The mechanical properties such as the tensile strength and Charpy impact strength could also be increased. With the implementation of this process in industry, e.g. in shipbuilding or wind tower fabrication, the productivity can be significantly increased compared to the arc-based welding processes, such as the submerged arc welding.
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PublicationAuftragschweißen mittels mikrowelleninduziertem PlasmaPlasmaschweißverfahren sind seit Jahren in der Industrie etabliert. Dennoch erfahren sie aufgrund der immer komplexer werdenden Produktentstehungsprozesse eine sehr dynamische Weiterentwicklung. Dies gilt insbesondere bei der Auseinandersetzung mit neuen Materialien oder Anwendungen im stetig wachsenden Feld der additiven Fertigung. Diese Arbeit stellt eine neue Variante des Plasma-Auftragschweißens vor, bei dem Plasma durch Mikrowellen im Frequenzband fA ˜ 2,45 GHz erzeugt wird. Das Plasma weist bemerkenswerte Eigenschaften auf. Es ist potentialfrei, sehr reaktiv und lässt sich punktgenau erzeugen, ohne signifikante Wärmeverluste in der Auftragsdüse in Kauf nehmen zu müssen. Die Arbeit beleuchtet sowohl anlagentechnische, theoretische als auch anwendungsspezifische Fragestellungen dieser neuen Technologievariante.
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PublicationInfraschallunterstütztes DornhonenDer Einsatz von Schwingungen bei Fertigungsverfahren ist seit Jahrzehnten ein allgegenwärtiges Thema in der Forschung. Die Vorteile lassen sich insbesondere an verringerten Bearbeitungskräften und damit an der Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung erkennen. Die Komplexität des zielgerichteten Einsatzes, wie die Notwendigkeit zusätzlicher Aktuatoren und die konstruktive und schwingungstechnische Auslegung der Komponenten und Prozessbedingungen, verhindert jedoch den industriellen Einsatz. Innerhalb dieser Arbeit werden Dornhonprozesse untersucht, bei denen zusätzliche Schwingungen mit Hilfe der integrierten Antriebe eines Bearbeitungszentrums realisiert werden. Dafür werden realisierbare Schwingungsparameter und resultierende Veränderungen der Prozessparameter analysiert. Zur Identifikation von Prozessveränderungen dienen ein geometrisch kinematisches Durchdringungsmodell sowie Einkornritzversuche. An Werkstücken aus Gusseisen mit Lamellengraphit werden die Auswirkungen von erzwungenen Schwingungen beim Dornhonen technologisch untersucht. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis sowie zur Auslegung und Nutzung der infraschallunterstützten Dornhonbearbeitung.
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PublicationEntwicklung eines Prozess- und Informationsmodells für das Produktlebenszyklusmanagement in der digitalen TransformationDie Digitalisierung erfordert von industriellen Unternehmen, reaktionsfähig neue Kundenbedürfnisse zu bedienen. Der tägliche Umgang mit digitalen Technologien verändert die Erwartungen der Nutzer an Produkte und Services. Um im Wettbewerb zu bestehen, sind Geschäftsmodelle konsequent kundenorientiert auszurichten und permanent anzupassen. Innovationen ressourceneffizient und schnell in Form von Produkten und Services zu operationalisieren, setzt voraus, dass die Prozesse und Systeme von Unternehmen ein durchgängiges, anpassbares und transparentes Wissens-, Informations- und Datenmanagement gewährleisten. In dieser Arbeit wird ein Modell für ein strukturiertes Vorgehen entwickelt, um neue Geschäftsmodelle zu gestalten und die dafür notwendigen Adaptionen des Produktlebenszyklusmanagements vorzunehmen. Die Anforderungen an das Modell werden anhand der praxisbezogenen Aktionsforschung und qualitativer Untersuchungsmethoden abgeleitet. Darauf aufbauend erfolgt die Modellbildung, in die konkrete Techniken und Handlungsanleitungen einfließen. Anschließend wird das Modell durch den Use Case „Automatisiertes Laden“ evaluiert.
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PublicationKompensationsstrategien zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von IndustrieroboternDie thermische Beeinflussung der Roboterstruktur durch die Erwärmung der Antriebe hat einen wesentlichen Effekt auf die Genauigkeit des Roboters. Daraus resultierende Vorformungen führen zu einer Drift am Tool Center Point, woraus eine Abweichung von der Soll-Position resultiert. Diese Abweichungen sind in den meisten Anwendungsfällen für die spanende Fertigung nicht tragbar, weshalb das Robotersystem im erwärmten Zustand zyklisch und unter Nutzung kostenintensiver Laser Tracker Systeme aufwändig nachkalibriert werden muss. In der vorliegenden Arbeit werden Kompensationsstrategien zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Industrierobotern entwickelt, die möglichst ohne kostenintensive externe Systeme und ohne Stillstandzeiten für die Korrektur auskommen. Zum einen wird eine Lösung umgesetzt, die das gesamte Robotersystem auf einem permanenten, ausgeglichenen Temperaturniveau – also im Beharrungszustand – hält. Zum anderen wird eine indirekte Kompensation der thermischen Drift beschrieben, die auf Simulationsdaten des thermischen Verhaltes des Robotersystems zurückgreift. Mit den Systemen kann die Genauigkeit von Robotersystemen weiter gesteigert und diese für den industriellen Einsatz ertüchtigt werden.
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