Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Untersuchungen zur Beeinflussung der Geometrie und Werkstoffeigenschaften laserimplantierter Werkzeugstahloberflächen sowie zum tribologischen Einsatzverhalten

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.

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Towards Robust Object Detection and Pose Estimation as a Service for Manufacturing lndustries

2021 , Rudorfer, Martin

The trend towards high-mix and low-volume production demands flexible and reconfigurable control for assembly systems. In less-structured environments, object detection and pose estimation is a key capability to enable industrial robotics applications such as grasping, handling and assembling. The integration and interconnectivity of such automation functions is fostered by Industry 4.0 through the adoption of service-based ecosystems. The main objective of this thesis is to create a service-based framework for object detection and pose estimation in manufacturing environments. This could be a viable alternative to traditional machine vision systems such as smart cameras and embedded PCs, which are challenged by the high diversity and fast-paced progress in the field of object detection and pose estimation. We approach this problem in three steps: First, by designing a service-based framework that allows to handle all methods uniformly. Second, by examining the integration of three exemplary object detection and pose estimation methods, and third, by characterizing the strengths and weaknesses of the proposed solution compared to traditional machine vision systems.

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Assistenzsystem für die Entwicklung nachhaltiger Produkte

2020 , Buchert, Tom

Entscheidungen in der Produktentwicklung definieren die Gestalt und Wirkungsweise eines Produktes und legen damit dessen Lebensweg sowie auftretende Nachhaltigkeitswirkungen fest. IT-basierte Assistenzsysteme bieten das Potenzial, Entwickler bei ihren Entscheidungen zu unterstützen, indem zusätzliche Informationen mit Nachhaltigkeitsbezug für den Entscheidungsträger aufbereitet werden. In dieser Dissertationsarbeit erfolgt daher eine systematische Analyse relevanter Entscheidungssituationen sowie hierfür benötigter Informationen. Kern der vorgeschlagenen Lösung sind modulare ""Building-Blocks"", welche es Unternehmen erlauben, selbstständig Assistenzsysteme für die Entwicklung nachhaltiger Produkte aufzubauen. Dieses flexible Konzept ermöglicht eine individuelle Anpassung des Systems an die Charakteristika der Organisation (Prozesse, Methoden, IT-Welt etc.). Um dieses Prinzip zu demonstrieren, werden in der Arbeit drei Umsetzungen eines Assistenzsystems für wesentliche Entscheidungssituationen bei der Entwicklung nachhaltiger Produkte vorgestellt. Diese reichen von übergreifenden Systembetrachtungen über Konzeptentscheidungen auf Produktebene bis hin zur Optimierung einzelner Bauteile.

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Sortierung von Objekten in mikrofluidischen Systemen auf Basis von piezogetriebenen Aktoren

2020 , Horbert, Peter Paul

Lab-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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Digitale Unterstützung der aktiven Kundenintegration zur Optimierung der Produktentwicklung

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.

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Artefaktkorrektur für die 3D-Röntgenbildgebung auf Basis synthetischer Röntgenprojektionen

2021 , Melnik, Steffen

Die Computertomografie ermöglicht es innere Strukturen von Prüfkörpern dreidimensional darzustellen. Dabei wird eine Vielzahl von Röntgenbildern aus verschiedenen Projektionswinkeln aufgenommen und mittels Rekonstruktionsverfahren zu einem volumetrischen Datensatz verrechnet. Während der Berechnung kommt es in der 3D-Rekonstruktion zu sogenannten Artefakten. Dabei handelt es sich um Bildstörungen die eine Auswertung der Daten erschweren. Diese Arbeit widmet sich der Beantwortung der wissenschaftlichen Fragestellung ob und in welchem Umfang synthetische Röntgenprojektionen zur Korrektur von Artefakten in der Computertomographie eingesetzt werden können. Dazu wurde ein softwarebasiertes Artefaktkorrekturverfahren entwickelt, welches aus den Schritten Modellierung, Registrierung, Projektionsbildgenerierung, Korrektur und 3D-Rekonstrukrtion besteht. Die Eignung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Artefaktkorrektur wird diskutiert und Potenziale aufgezeigt. Ferner werden die verschiedenen Einflussfaktoren hinsichtlich einer exakten Simulation untersucht.

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Management von Innovationsnetzwerken unter Fokussierung von Kollaboration

2020 , Cap, Jan-Patrick

Innovation ist die Grundlage für ökonomisches Wachstum und Wohlstand moderner Volkswirtschaften. Innovation kann aber kaum mehr durch eine einzelne Organisation alleine erbracht werden. Innovationsnetzwerke setzen Innovationen fach- und organisationsübergreifend schneller und effizienter um und bringen unterschiedliche Sichtweisen in die Entwicklung ein. Im Rahmen der Arbeit wird eine integrierte Methode zum Management von Innovationsnetzwerken entwickelt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Forschungs- und Technologieorganisationen, da diese sich als Innovationstreiber durch angewandte Forschung und als Brückenfunktion zwischen Grundlagenforschung und industrieller Entwicklung und Kommerzialisierung in unterschiedlichen Volkswirtschaften bewiesen haben. Die Methode zielt darauf ab eine praxisorientierte Methode zu entwickeln, die die Kollaboration in Innovationsnetzwerken unterstützt und effektiv gestaltet. Für die Anwendung der Methode werden aufeinander abgestimmte Werkzeuge und ein Vorgehensmodell bereitgestellt, die für den Zweck der Selektion, Regulation, Evaluation und Allokation in Innovationsnetzwerken eingesetzt werden können.

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Einfluss des Post-Processings auf laserstrahlgeschmolzene Bauteile am Beispiel von ß-Titanlegierungen

2021 , Gerlitzky, Georg

Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen gewinnen bei der Fertigung von individualisierten Produkten immer mehr an Bedeutung. Dass liegt vor allem an der hohen geometrischen Gestaltungsfreiheit des Verfahrens und der guten Werkstoffausnutzung, die vor allem bei teuren Hochleistungswerkstoffen von Vorteil ist. Dem Durchbruch des Laserstrahlschmelzens für diese Werkstoffe stehen allerdings Probleme, wie geringe Produktivität und die mangelnde Integration in produktive Prozessketten gegenüber. Damit einhergehend besteht Forschungsbedarf hinsichtlich des Einflusses von Post-Prozessen, wie Wärmebehandlung und Nachbearbeitung, auf die Eigenschaften der laserstrahlgeschmolzenen Bauteile. In dieser Arbeit werden am Beispiel des Werkstoffs Ti 5553 zunächst Prozessgrundparameter zur Qualifizierung des Werkstoffs für das Laserstrahlschmelzen untersucht. Anschließend werden die Einflüsse der Wärmebehandlung und der Nachbearbeitung auf die Bauteileigenschaften quantifiziert. Abschließend werden Wechselwirkungen zwischen den Post-Prozessen aufgezeigt und Versagensmechanismen auf Basis der Belastungsarten charakterisiert. Die erarbeiteten technologischen Grundlagen können bei der anforderungsgerechten Auslegung von Prozessketten für das Laserstrahlschmelzen behilflich sein und somit breitere Anwendungsfelder für das Verfahren erschließen.

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Qualification of computational welding mechanics approaches for simulation of directed energy deposition

2020 , Biegler, Max Robert

Mit dem aktuellen Anstieg der Nachfrage nach additiver Fertigung (AM) wächst der Bedarf an zuverlässigen Simulationswerkzeugen zur Unterstützung experimenteller Arbeiten. Computational Welding Mechanics Ansätze aus dem Verbindungsschweißen können die AM-Directed Energy Deposition (DED) Prozesse simulieren, sind aber im Allgemeinen nicht für AM-spezifische Effekte aus mehreren Temperaturzyklen validiert. Um Vertrauen in die Ergebnisse zu schaffen und die numerische Simulation zuverlässig einzusetzen, muss die Ergebnisqualität anhand von Experimenten für in-situ- und post-prozess-Fälle validiert werden. In dieser Arbeit wird ein thermomechanisches Struktursimulationsmodell vorgeschlagen und dessen Validierung demonstriert.

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Einsatzverhalten keramischer Fräswerkzeuge bei der Zerspanung von glas- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

2020 , Stawiszynski, Bartek

Durch die Forderungen der Anwendung alternativer Antriebe beziehungsweise energieeffizienter Leichtbaustrukturen sind moderne Hochleistungswerkstoffe wie Faserverbundkunststoffe (FVK) verstärkt in den Fokus gerückt. Diese Materialien bestehen aus Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Kohlenstoff- oder Glasfasern, die in einer Kunststoffmatrix gebunden sind. Durch das ungünstige Verschleißprofil von Hartmetallwerkzeugen kommt es zu signifikanten Qualitätsminderungen an den gefertigten Bauteilen, die nur durch manuelle Nacharbeit kompensiert werden können. Hierdurch sinkt die Produktivität. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Potentials des Schneidstoffs Siliziumnitrid beim Umrisskantenfräsen von glas- und kohlefaserverstärkten Kunststoffen, die in den Bereichen Automotive, Aerospace und Energy zunehmend Anwendung finden. Spezifische Siliziumnitrid-Schneidstoffe werden systematisch hinsichtlich der Ausbildung mikro- und makrogeometrischer Werkzeuggeometrien, der Wechselwirkung mit CVD-Diamantbeschichtung und dem daraus resultieren Verschleißverhalten analysiert. Ferner wird das prozess- und verschleißbedingte Einsatzverhalten der entwickelten Vollkeramikfräswerkzeuge sowie die resultierenden Umrisskantenqualitäten bei den verwendeten FVK-Bauteilen im Automotivebereich bewertet.

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