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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
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PublicationUntersuchungen zur Beeinflussung der Geometrie und Werkstoffeigenschaften laserimplantierter Werkzeugstahloberflächen sowie zum tribologischen Einsatzverhalten(Fraunhofer Verlag, 2022)Spranger, FelixIn 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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PublicationDigitale Unterstützung der aktiven Kundenintegration zur Optimierung der Produktentwicklung(Fraunhofer Verlag, 2021)Damerau, ThomasDie 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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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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PublicationLiquid Metal Embrittlement of Advanced High Strength Steels during Resistance Spot Welding(Fraunhofer Verlag, 2019)Frei, JulianNeue Stahlwerkstoffe mit verbesserten Materialeigenschaften stellen die etablierten Schweißverfahren vor neue Herausforderungen. Während des Widerstandspunktschweißens hochfester Stähle wird teilweise flüssigmetallinduzierte Rissbildung (liquid metal embrittlement) beobachtet. Eine qualitativ hochwertige, rissfreie Punktschweißverbindung liegt im Interesse der gesamten metallverarbeitenden Industrie. Vor allem jedoch in Bereichen hochbeanspruchter bzw. sicherheitsrelevanter Bauteile und Konstruktionen wie zum Beispiel Automobilkarosserien wird hierauf besonderen Wert gelegt. Das Phänomen liquid metal embrittlement (LME) bietet ein weites Spektrum an Fragestellungen aus der Ingenieurs- bzw. der Forscherperspektive. Es handelt sich dabei um ein komplexes Zusammenwirken verschiedener Prozesse, deren Kombination letztendlich zur Rissentstehung führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anwendungsrelevante Einflussfaktoren zu untersuchen, um einerseits das Prozessverständnis zu verbessern, und andererseits potentielle Abhilfemaßnahmen aufzuzeigen.
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PublicationMerkmalbasiertes Nutzerunterstützungssystem für die Erfassung von Bauteilen mittels industrieller Computertomographie(Fraunhofer Verlag, 2019)Sawczyn, NikolasDie vorliegende Dissertation widmet sich dem Ansatz, die computertomographische Erfassung von Bauteilen zu automatisieren und demnach das Verfahren für den Einsatz innerhalb der digital integrierten Produktion zu befähigen. Hierzu wird ein auf CAD-Daten basierendes Konzept zur CT-spezifischen Bereitstellung von Aufnahmeparametern erarbeitet. Das nichtlineare Beschreibungsmodell ermöglicht eine messobjektspezifische Optimierung der Aufnahmeparameter hinsichtlich der Auflösung oder der Messzeit. Durch vollfaktorielle Versuchspläne und CT-spezifische Prüfkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen wird eine hinreichende Datenbasis generiert. Darauf aufbauend wird ein empirisches Modell gebildet, welches der merkmalbasierten Abschätzung der Messunsicherheit dient. Eine Implementierung einer Schnittstelle nach dem DMIS-Standard ermöglicht die direkte Anbindung an kommerzielle Mess- und Auswertesoftware.
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PublicationLaser-Pulver-Auftragschweißen in der additiven Prozesskette für Legierungen aus dem Turbomaschinenbau(Fraunhofer Verlag, 2018)Graf, BenjaminAdditive Prozesse gewinnen immer stärkere Bedeutung in der industriellen Fertigung. Während in den vergangenen Jahren zunächst die Fertigung von Prototypen im Vordergrund stand, werden die additiven Verfahren heute zunehmend als Fertigungsprozess für moderne Bauteile eingesetzt. Dadurch wird eine hohe Produktivität und Flexibilität von der additiven Fertigung gefordert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung der additiven Prozesskette bestehend aus Selective Laser Melting (SLM) und Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). Dabei wird untersucht, welche Vorteile und Grenzen diese Prozesskette besitzt. In den Experimenten kommen die Nickelbasislegierung Inconel 718 und die Titanlegierung Ti-6Al-4V zum Einsatz. Anhand unterschiedlicher Testgeometrien werden die Eigenschaften der kombinierten Prozesskette bestimmt. Beschrieben werden die Anbindung des LPA-Materials, der Einfluss auf das SLM-Gefüge, Verzug und die erreichbare Aufbaurate. Zusätzlich werden Aufbaustrategien für den dreidimensionalen Materialauftrag mittels LPA dargestellt. Auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse werden Empfehlungen für den anwendungsorientierten Einsatz der Prozesskette abgeleitet.
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PublicationVorgehensweise zur Auslegung des Laserstrahlschmelzens am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt(Fraunhofer Verlag, 2018)Bergmann, AndréDiese Arbeit verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz für die methodische Qualifizierung von Werkstoffen für das Laserstrahlschmelzen am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt. Mit der Entwicklung einer Untersuchungssystematik auf der Basis von statistischen Versuchs-methoden wird die Grundlage für umfassende Analysen der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Einflussfaktoren beim Laserstrahlschmelzen von Wolframkarbid-Kobalt geschaffen. Aus umfassenden Analysen gehen Regressionsmodelle hervor, mit welchen die zu erwartenden Bauteil- und deren Werkstoffeigenschaften prognostiziert und geeignete Prozessparameter für die additive Fertigung von Wolframkarbid-Kobalt WCCo 83/17 entwickelt werden können. Aus den systematischen Analysen werden Erkenntnisse zu den Einflüssen verschiedener Prozessparameter im Laserstrahlschmelzprozess und deren Auswirkungen auf das Arbeitsergebnis bereitgestellt. Es werden auftretende Effekte erklärt und die Bearbeitungsparameter optimiert. Das erlangte Wissen ergänzt das Prozessverständnis zum Laserstrahlschmelzen und trägt zur Erweiterung der Werkstoffpalette bei. Die Vorgehensweise lässt sich auf die Qualifizierung weiterer Werkstoffe für das Laserstrahlschmelzen übertragen.
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PublicationNumerische Prozesssimulation zur Auslegung des Druckfließläppens am Beispiel additiv gefertigter BauteileFür die Feinbearbeitung von Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere in innenliegenden Bereichen, mit höheren Ansprüchen an die Oberflächengüte hat sich das Druckfließläppen in der industriellen Anwendung etabliert. Mit dem Verfahren lassen sich zudem Grate entfernen und Kanten definiert konturieren. Für den abrasiven Vorgang sorgen in ein polymeres Basismedium eingebettete Schleifkörner. In der vorliegenden Arbeit wird ein rheologisches Modell zur Beschreibung der viskoelastischen Eigenschaften der abrasiven Medien entwickelt und in konventionelle Simulationssoftware implementiert. Der Abgleich zwischen Simulations- und Arbeitsergebnissen erfolgt am Beispiel additiv gefertigter Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen. In diesem Zusammenhang wird auch das Potenzial für das Druckfließläppen laserstrahlgeschmolzener Bauteile aufgezeigt. Als Ergebnis liegt ein Simulationstool zur Prognose der Bearbeitungsergebnisse vor, welches sich auf beliebige Anwendungsszenarien übertragen lässt. Auf diese Weise wird zukünftig der Versuchsaufwand zur Prozessauslegung und -optimierung signifikant reduziert.
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PublicationWerkzeug- und prozessseitige Grundlagen des Schienenschleifens unter Berücksichtigung der Schienentemperatur und der Wechselwirkung mit dem Einsatzverhalten der Schiene(Fraunhofer Verlag, 2018)Lypovka, PavloTrotz der großen wirtschaftlichen Bedeutung des Schienenschleifens ist dieses Reparaturverfahren aus der Sicht der Fertigungstechnik kaum wissenschaftlich erforscht. Das Ziel der Arbeit ist es, ein Grundverständnis des Wirkzusammenhanges relevanter Einflussgrößen und Bearbeitungsergebnissen zu gewinnen und daraus die Empfehlungen zur Prozessgestaltung hinsichtlich des wirtschaftlich sinnvollen Schienenbetriebes nach der Schleifbearbeitung abzuleiten.
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PublicationEinsatzverhalten und Leistungsbedarfe unterschiedlicher Kühlungsmethoden beim Außen-Längs-Runddrehen(Fraunhofer Verlag, 2018)Fürstmann, PaulDie Drehbearbeitung hochwarmfester Legierungen stellt produzierende Unternehmen vor wirtschaftliche Herausforderungen. Insbesondere die physikalischen Grenzen verfügbarer Schneidstoff-Beschichtungssysteme limitieren die Schnittparameter und damit potenzielle Produktivitätssteigerungen. Eine wichtige Einflussgröße, welche den Prozesswirkungsgrad und die Produktivität beeinflusst, ist die Wahl einer geeigneten Werkzeugkühlung. Zum besseren Verständnis und mit dem Ziel die Produktivität trotz vorhandener Grenzen zu steigern, wird die Ursache-Wirkungskette des Werkzeugverschleißes bei der Trockenbearbeitung, der Trockenbearbeitung mit einem geschlossen-innengekühlten Drehwerkzeug mit Flüssigstickstoffkühlung und der Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff beim Außen-Längs-Runddrehen von TiAl6V4 analysiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Modellierung der energetischen und wirtschaftlichen Effektivität und Ermittlung der jeweils günstigsten Prozessparameter. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich zukünftige Entwicklungspotenziale ableiten, um die Fertigung hochwarmfester Werkstoffe energetisch effizienter und ökonomischer durchzuführen.