Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen

2023-09-11 , El-Sari, Bassel , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit Ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert. Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums.

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Conception and Requirements Identification of Gaia-X-Based Service Offerings

2023-08-10 , Tanrikulu, Cansu , Gogineni, Sonika , Kondak, Konstantin , Lindow, Kai

Gaia-X is an initiative to develop the next generation of a secure and federated European data infrastructure to promote digital sovereignty for data exchange to fuel innovations. This paper introduces the basics of Gaia-X, in particular the mobility domain, followed by the federated system and its standards. In addition, a research methodology is presented to help conceptualize and derive requirements for service offerings on a Gaia-X-based data space. This is elaborated with a use case from the project "GAIA-X4 AMS" (Gaia-X4-Advanced Mobility Services), which reflects implementation in Gaia-X ecosystems and its added value.

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Sustainable product lifecycle management with Digital Twins: A systematic literature review

2023-07 , Seegrün, Anne , Kruschke, Thomas , Mügge, Janine , Hardinghaus, Louis , Knauf, Tobias , Riedelsheimer, Theresa , Lindow, Kai

A Digital Twin (DT) is a virtual replica of a product or product-service system, which can be used to provide transparency of a product's sustainability and to positively influence the ecological impact throughout its lifecycle by means of intelligent data analytics. This paper identifies current sustainability-focused application scenarios of DTs in the manufacturing industry and outlines the results of a systematic literature review (SLR). The identification of the state-of-the-art and the assessment of current DT concepts with regard to the addressed product lifecycle phases, technological maturity and sustainability scope point towards key directions to guide future research.

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PLM und Digitalisierung als grüne Wegbereiter

2023-04-04 , Seegrün, Anne , Lindow, Kai , Kirsch, Lucas

Der Klimawandel bestimmt zunehmend den politischen und gesellschaftlichen Diskurs. Was kann die Industrie tun, um sich dieser Generationenherausforderung zu stellen? Fakt ist: Die Zeiten, in denen Nachhaltigkeit lediglich in der Strategie-Roadmap und als Absichtserklärung im Jahresbericht auftaucht, sind vorbei – jetzt geht es um Konkretisierung. Gut, dass die Digitalisierung helfen kann.

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Laserstrahlauftragschweißen - Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität

2023-09 , Kampffmeyer, Dirk , Wolters, Michael , Raute, Julius , Müller, Vinzenz , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.

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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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Brennstoffzelle - wie sauber muss es sein?

2023-06-29 , Tammer, Christoph , Schießl, Timo , Burgdorf, Philipp

Die technische Sauberkeit ist bei der Brennstoffzelle eine wichtige Einflussgröße für die realisierte Produktqualität in Bezug auf Lebensdauer und Performanz. Wie an welcher Stelle der Prozesskette im Hinblick auf welche Grenzwerte gereinigt und geprüft werden sollte, wird aktuell im Rahmen eines Forschungsprojektes betrachtet.

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Ontology Based Skill Matchmaking Between Contributors and Projects in Open Source Hardware

2023-08-10 , Konietzko, Erik Paul , Gogineni, Sonika

Open source hardware (OSH) projects are dynamic with respect to those actively participating in them. In addition, often-stated challenges in OSH projects are the difficulty to find suitable collaborators and to motivate them to stay for the longer run. This paper addresses these challenges to balance the workload between the project core team and the community. For this purpose, an ontology-based demonstrator for skill-based matching in OSH communities was developed and evaluated. A sample project and user data from a collaborative online OSH development platform was enriched with skills and connected with a semantic network consisting of two ontologies. On one hand, the demonstrator enables finding users with particular capabilities to match certain project requirements. On the other hand, users of the development platform can be matched to projects based on their skill interests. A use case scenario was evaluated using the demonstrator. The results show that an integration of a semantic network with a collaborative OSH development platform is realisable and presents potentials for further utilization.

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Werkzeuge effizient reparieren

2023-08-01 , Mönchinger, Stephan , Müller, Vinzenz

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Investigation of the LME Susceptibility of Dual Phase Steel with Different Zinc Coatings

2023-05-05 , El-Sari, Bassel , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

The application of anti-corrosion coated, high-strength steels in the automotive industry has increased in recent years. In combination with various zinc-based surface coatings, liquid metal embrittlement cracking can be observed in some of these materials. A high-quality, crack-free spotwelded joint is essential to realize the lightweight potential of the materials. In this work, the LME susceptibility of different coatings, which will be determined by the crack length and the occurrence rate, will be investigated using a welding under external load setup. The uncoated specimens did not show any LME. EG, GI and GA showed significantly less LME than ZM coatings. The latter coatings showed much larger crack lengths than the EG, GI and GA coatings. Furthermore, two mechanisms regarding the LME occurrence rate were observed: the occurrence of LME in zinc-magnesium coatings was theorized to be driven by the material properties of the coatings, whereas the occurrence of LME at EG, GI and GA samples was forced mainly by the application of the external tensile load. In the experimental setup of this work, the materials were exposed to unusually high mechanical loads (up to 80% of their yield strength) to evoke LME cracks.

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