Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Künstliche Neuronale Netze zur Qualitätsprognose von Funktional Gradierten Materialien im laserbasierten Directed Energy Deposition

2023-09-25 , Marquardt, Raphael , Bähring, Stefan , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt.

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Methode zur Quantifizierung von Einsatzgrenzen einer zentralen und dezentralen Struktur für die Fertigungssteuerung

2023 , Willeke, Nils , Krüger, Jörg

In der Massenfertigung werden flexible Organisationsformen und dezentrale Steuerungsstrukturen als Lösungsansätze für volatile Märkte seit mehr als einem Jahrzehnt diskutiert. Über die Einsatzgrenzen in einem Fertigungssystem kann jedoch ohne einen Leistungsvergleich keine Aussage getroffen werden. Die Untersuchung einer Vielzahl von Algorithmen ist zeit- und ressourcenaufwändig. Um eine praxistaugliche Schätzung der Einsatzgrenzen zu ermöglichen, wird eine Angleichung der Auswahllogik bei der Entscheidungsfindung vorgenommen, sodass diese anhand der Eigenschaften proaktives Rüsten und Aktualität der Entscheidungsgrundlage bestimmt werden können. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt und Simulationsstudien durchgeführt. Für die Berechnung einer Kennzahl und den Vergleich von Simulationsalternativen wurde ein existierendes Verfahren automatisiert. Die Sieger aus den Vergleichen werden in Entscheidungshilfen operationalisiert. Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine performantere Simulation und die Bestimmung minimal möglicher Einsatzgrenzen der Werkstattfertigung.

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Mechanical properties of laser welded joints of wrought and heat-treated PBF-LB/M Inconel 718 parts depending on build direction

2023 , Simón Muzás, Juan , Brunner-Schwer, Christian , Hilgenberg, Kai , Rethmeier, Michael

Laser-based Powder Bed Fusion of Metal (PBF-LB/M) is a broadly used metal additive manufacturing (AM) method for fabricating complex metallic parts, whose sizes are however limited by the build envelope of PBF-LB/M machines. Laser welding arises as a valid joining method for effectively integrating these AM parts into larger assemblies. PBF-LB/M components must usually be stress-relieved before they can be separated from the build plate. An additional heat treatment can be beneficial for obtaining homogeneous mechanical properties across the seam or for the formation of desired precipitations in nickel-based-alloys. Therefore, the tensile performance of laser welded hybrid (AM/wrought) and AM-AM tensile samples of Inconel 718 is examined after undergoing three different heat treatments and considering three relevant build directions. It can be shown that the build orientation is an influencing factor on weld properties even after two applied heat treatments.

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Methodik zur modellbasierten Systemarchitekturdefinition von Smart-circular Product-Service Systems

2022 , Halstenberg, Friedrich Andreas

Induziert durch Digitalisierung und Servitisierung bieten Unternehmen in zunehmendem Maße Systeme aus vernetzten mechatronischen Produkten, Software und Dienstleistungen an: sogenannte Smart-circular Product Service Systems (Smart-circular PSS). Ungeklärt ist bislang, wie Teams bei der Entwicklung von Smart-circular PSS sachgerecht methodisch unterstützt werden können. Diese Arbeit begegnet diesen Beobachtungen mit der Forschungshypothese, dass sich Systemarchitekturen von Smart-circular PSS durch geeignete Methoden des Modellbasierten Systems Engineerings (MBSE) so entwerfen lassen, dass die Systeme effektiv und effizient zu einer CE beitragen. Aufbauend auf gewonnenen Erkenntnissen wurde die Methodik zur Definition von Smart-circular PSS-Systemarchitekturen (MESSIAH) entwickelt, die Entwicklungsteams bei der Konzeptionierung von Smart-circular PSS unterstützt. Die Methode beinhaltet eine Modellierungsgenerik, eine gerichtete Methode sowie einen Baukasten zum schnellen Prototypisieren von Services. MESSIAH wurde anhand von fünf Studien evaluiert und erprobt.

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Process Setup and Boundaries of Wire Electron Beam Additive Manufacturing of High-Strength Aluminum Bronze

2023-08-08 , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

In recent years, in addition to the commonly known wire-based processes of Directed Energy Deposition using lasers, a process variant using the electron beam has also developed to industrial market maturity. The process variant offers particular potential for processing highly conductive, reflective or oxidation-prone materials. However, for industrial usage, there is a lack of comprehensive data on performance, limitations and possible applications. The present study bridges the gap using the example of the high-strength aluminum bronze CuAl8Ni6. Multi-stage test welds are used to determine the limitations of the process and to draw conclusions about the suitability of the parameters for additive manufacturing. For this purpose, optimal ranges for energy input, possible welding speeds and the scalability of the process were investigated. Finally, additive test specimens in the form of cylinders and walls are produced, and the hardness profile, microstructure and mechanical properties are investigated. It is found that the material CuAl8Ni6 can be well processed using wire electron beam additive manufacturing. The microstructure is similar to a cast structure, the hardness profile over the height of the specimens is constant, and the tensile strength and elongation at fracture values achieved the specification of the raw material.

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Auftragschweißen mittels mikrowelleninduziertem Plasma

2023 , Kersting, Robert , Krüger, Jörg , Uhlmann, Eckart , Möhring, Christian

Plasmaschweißverfahren 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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Empirische Untersuchung eines hybriden Simulators zur ganzheitlichen Erlebbarkeit neuer Fahrzeuginterieur-Konzepte

2022 , Hartfiel, Bert

Im modernen Automobilbau ist das ganzheitliche Kundenerlebnis (engl. User Experience) mit dem Fahrzeug ein zentrales Kaufkriterium. Daher ist auch im Entwicklungsprozess eine starke Kundenzentrierung von entscheidender Bedeutung. Interaktive Entwicklungswerkzeuge werden deshalb bereits seit Jahrzehnten vor allem in frühen Entwicklungsphasen eingesetzt, um neue Fahrzeugkonzepte subjektiv erleben und evaluieren zu können. In Bezug zu einer ganzheitlichen Erlebbarkeit neuer Fahrzeuginterieur-Konzepte stoßen vorhandene Entwicklungswerkzeuge jedoch an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Simulator als Hybride aus dynamischen Fahrsimulator und variablem VR-Prüfstand entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wird dieses Tool mithilfe von drei Validierungsstudien umfassend untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass neben einer gesteigerten physikalischen Validität auch die verhaltensbezogene Validität bei der Ausführung primärer Fahraufgaben in diesem Simulator erhöht ist. Es wird jedoch auch deutlich, dass der aktuelle Entwicklungsstand dieses Tools noch nicht für die valide Evaluierung sekundärer und tertiärer Fahraufgaben geeignet ist und Weiterentwicklungen erforderlich sind.

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Entwicklung eines Prozess- und Informationsmodells für das Produktlebenszyklusmanagement in der digitalen Transformation

2023 , Schindlbeck, Roman , Rethmeier, Michael , Stark, Rainer , Dust, Robert

Die 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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Infraschallunterstütztes Dornhonen

2023 , Zimmermann, Sascha , Uhlmann, Eckart

Der 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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Modellieren von Widerstandspunktschweissungen in FE

2022 , Seitz, Georg

In der Veröffentlichung wird anwendungsbezogen die Simulation von Widerstandpunktschweißungen in FEA-Programmen erklärt. Hierbei wird insbesondere der Nutzen für den praxisorientieren Schweißingenieur/Produktionsplaner erläutert und wie dieser die Schweißstruktursimulation nutzen kann, um Schweißverzug vorherzusagen und diesen zu minimieren.

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