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Rüstprozessoptimierung in der Zerspanung

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Um die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens zu sichern, besteht ein Ansatz in der Effizienzsteigerung der Produktion. Eine Möglichkeit - als Beispiel wird die spanende Fertigung gewählt - besteht in der Rüstoptimierung, die zu einer Reduzierung der Nebenzeiten und damit zu geringeren Stückkosten führt. Die bekannten Ansätze der Rüstprozessoptimierung werden vorgestellt und ihre Vor- bzw. Nachteile diskutiert. Die bestehenden Methoden und Werkzeuge geben Handlungsempfehlungen, die zu einer Reduzierung der Rüstzeit führt. Sie ermöglichen jedoch keine Standortbestimmung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit eines betrachteten Rüstprozesses und sind nicht in der Lage, einen Ziel-Zustand zu definieren, bereits vor der Umsetzung eine erreichbare Rüstzeit zu bestimmen und somit den erreichbaren Maßnahmenerfolg wirtschaftlich zu bewerten. Mit der in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methode zur Effizienzsteigerung beim Rüsten wird am Beispiel von Bearbeitungszentren der Kleinserienfertigung dieses Defizit aufgelöst. In einem dreischrittigen Vorgehen leitet die Methode den Anwender zu einer organisatorischen und technischen Optimierung des Rüstprozesses an. Im dritten Schritt unterstützt die Methode den Anwender bei der Entscheidungsfindung, ob eine identifizierte Maßnahme zur Rüstprozessoptimierung in dem vorliegenden Unternehmensumfeld wirtschaftlich umsetzbar ist. In allen drei Schritten nutzt die Methode das Analysiersystem MTM-UAS, dessen Anwendbarkeit auf Rüstprozesse im Rahmen der Arbeit validiert wird. Mit dem entwickelten Bausteinsystem werden für die unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeiten der, in der Ausarbeitung identifizierten, Prozessschritte des Rüstens mit Planzeiten beschrieben. Das Potential der Rüstprozessoptimierung wird aus der Veränderung der Arbeitsmethode geschöpft und durch die Modellierung mit Prozessbausteinen ausgewiesen. Die Methode identifiziert Verbesserungsmöglichkeiten in der Arbeitssystemgestaltung und der Arbeitsablaufgestaltung sowie in der Technisierung von Rüstprozessen. Eine in der Arbeit entwickelte Struktur aus Technisierungsgrad und Freiheitsgrad der Ablauforganisation ordnet die unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeiten der Rüsttätigkeiten und bietet dem Anwender mit dem aufgespannten Lösungsraum eine Anleitung für die systematische Optimierung der Arbeitsmethode. Als Abbruchkriterium der iterativen Methode zur Verbesserung des Rüstprozesses dient ein in der Arbeit entwickeltes, wirtschaftliches Bewertungsmodell des Optimierungsgrads. Die Bewertung basiert auf der Kapitalwertmethode, in die unternehmens- und maßnahmenspezifischen Kennzahlen eingehen, und erfolgt durch den Vergleich mit einem Grenzwert, der sich als Quotient aus Aufwand und Ertrag der Maßnahme errechnet. Im Verlauf der Arbeit werden die einzelnen Schritte der Methode zur Effizienzsteigerung beim Rüsten von Bearbeitungszentren in der Kleinserienfertigung anhand eines Demonstratorprozesses an einem Bearbeitungszentrum illustriert und in ihrer erzielten Wirkung dargestellt. ····· 10361107452

Dynamische Optimierung und Unsicherheitsbewertung der lastabhängigen präventiven Instandhaltung von Maschinenkomponenten

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Seit Jahren sehen Betreiber von Produktionsanlagen ihre Instandhaltung als einen Hebel zur Steigerung der Produktivität und zur Senkung von Kosten. Dadurch stieg die Bedeutung der präventiven und in den letzten Jahren auch der zustandsorientierten Instandhaltung. Obwohl viele Betreiber ihre Anlagen auch heute schon zumindest teilweise präventiv instandhalten, d.h. Komponenten von Anlagen vor einem Ausfall periodisch austauschen, so zeigen aktuelle Studien, dass in dieser Strategie noch deutliches Potenzial liegt. Allerdings fehlen vielen Betreibern und Herstellern von Maschinen und Anlagen ausreichende Mengen an Ausfalldaten, um die Vorteilhaftigkeit der präventiven Instandhaltung für einzelne Komponenten zu bestimmen und die optimalen Instandhaltungsintervalle zu ermitteln. Außerdem zeigt die statistische Analyse der Daten häufig eine sehr hohe Streuung der Lebensdauern, was dazu führt, dass kein optimales Intervall für die präventive Instandhaltung bestimmt werden kann. Ein wichtiger Grund für diese Streuung der Lebensdauern sind wechselnde und unbekannte Belastungen. Der Ansatz, welcher in dieser Arbeit vorgestellt wird, adressiert diese beiden Herausforderungen. Der erste Teil des Ansatzes dient der Abschätzung der Wahrscheinlichkeit, dass sich eine präventive Instandhaltung bei den gegebenen Ausfalldaten und einem vorgegebenen Betrachtungszeitraum lohnt. Dieser Ansatz berücksichtigt nicht nur die beschränkte Datenverfügbarkeit, sondern auch Stutzungen und Intervalldaten. Außerdem ist der Ansatz in der Lage, komplexere Zuverlässigkeitsverteilungen zu berücksichtigen, wie belastungsabhängige Lebensdauermodelle. Er verwendet dafür eine doppelte Monte-Carlo-Simulation. Im zweiten Teil wird ein Ansatz zur lastabhängigen Optimierung der präventiven Instandhaltung, vor und während des Betriebes, vorgestellt. Dadurch können die aktuellen Belastungen, welche während der Nutzung auftreten, berücksichtigt werden und die Zeit für die präventive Instandhaltung bei minimalen Kosten wird entsprechend dynamisch bestimmt. Auch hier wird eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Der Ansatz wird auf zwei verschiedene Werkzeugmaschinenkomponenten angewandt. Die erstere ist ein Kugelgewindetrieb an einer Schleifmaschine, welche bei einem Getriebehersteller eingesetzt wird. Die zweite Komponente ist ein Getriebe in einer Stanzmaschine. ····· 10361107444

Verfahren und Maschine zur Individualisierten Produktion mit High Power Selective Laser Melting

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Bisher wird das SLM in der betrieblichen Praxis schwerpunktmäßig, bis auf wenige Ausnahmen, nur für die Fertigung von Funktionsprototypen eingesetzt. Aufgrund der Bandbreite der verarbeitbaren Werkstoffe, der Komplexität realisierbarer Geometrien sowie der erreichbaren Bauteilqualität besitzt das SLM im Vergleich zu anderen generativen Fertigungstechnologien das größte Potenzial, sich über die Prototypenfertigung hinaus als Fertigungsverfahren für die individualisierte Serienproduktion zu etablieren. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, bedarf es im Wesentlichen einer Erhöhung der Prozesseffizienz, um die gegenwärtig, im Vergleich zu konventionellen spanenden oder um- bzw. abformenden Verfahren, hohen Herstellungskosten signifikant zu verringern. Da im Gegensatz zu den genannten konventionellen Verfahren keine Werk- und Halbzeuge vorgehalten werden müssen sowie Rüstzeiten und -kosten aufgrund der entfallenden Werkzeugwechsel vernachlässigbar sind, stellt die reine Fertigungszeit den wesentlichen Kostentreiber des SLM dar. Die Fertigungszeit eines Bauteils wiederum hängt durch den schichtweisen Aufbau nur vom umzuschmelzenden Volumen, nicht aber von der Anzahl unterschiedlicher Geometrien und der Komplexität einzelner Bauteile ab. Da das umzuschmelzende Volumen durch die Bauteilgeometrie unveränderlich vorgegeben ist, ist die Steigerung der Aufbaurate der wesentliche Stellhebel für den Einsatz des SLM in der individualisierten Serienfertigung. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Aufbaurate signifikant zu steigern. Um einen Beitrag zur Etablierung des SLM in der individualisierten Serienfertigung zu leisten, wird im Rahmen dieser Arbeit erstmalig der Einsatz eines 1 kW Festkörperlasers und eine Steigerung der Aufbaurate ausgehend vom derzeitigen Stand der Technik (ca. 1-2 mm³/s) um mindestens eine Größenordnung auf 10-20 mm³/s avisiert (s. Bild 8). Wesentliche Nebenbedingung ist dabei eine gleichbleibende Bauteilqualität, insbesondere die Erreichung einer Dichte von ca. 100%, um serienidentische Funktionseigenschaften der Bauteile zu gewährleisten. ····· 10361107443

A Modular Vehicle Test Platform to Integrate and Validate Complex Automotive Systems

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In a conjoint research project the Department of Mechanism Theory and Dynamics of Machines of the RWTH Aachen University and the Continental Automotive GmbH elaborated a concept for a modular overall vehicle research and development platform to verify and validate complex embedded electric/ electronic systems especially applicable for electric hybrid and electric driven vehicles. Basic designs of electric hybrid vehicle drive train layouts are briefly pictured. A classification of hybrid vehicles according to the increasing function range and to the corresponding complexity in research and development is described. The continuous progress in driver and safety assistance systems will most likely bring forth drive-bywire technology in future vehicles. The fully electro-mechanical by-wire technology requires suitable redundant designs and a robust electrical energy supply developed and tested according to the identified risks, the likelihood of hazardous events and the potential health consequences to persons. The aim to control and even manage the rising complexity of future vehicle technology in a reliable and faultless manner leads to new approaches in R&D, e.g. model based development to support system understanding. These approaches have to include technical know-how, project management, socio-cultural understanding and the building up of therefore adapted business knowledge. A major focus has to be put on the integrated product creation process using a common engineering information structure, development structure and testing structure also to be used for later vehicle integration and validation. For fast and efficient integration a flexible overall test platform to combine simulation and real testing at laboratory conditions is necessary. The design of a modular overall vehicle test platform combining system stimulation and simulation is shown. Different set-ups of the platform are explained using several examples of integration use cases. The development and test platform is also engineered to perform system risk assessments and basic set-up adjustments before pre-production stage. In the automotive industry R&D is a key factor to succeed in the global market. New methods and tools are inevitable to support engineers efficiently to develop, test, integrate and validate complex, interacting systems. The elaborated vehicle test platform is a powerful tool offering the therefore needed technologies. But, no matter how sophisticated any method or tool is, it is the engineers using them in a smart way to manage today`s challenges for mobility and to innovate future transportation. ····· 10361107434

Strukturoptimierung zur Lebensdauersteigerung und Gewichtsreduktion von Lenksystemen

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Bei der Entwicklung von Lenksystemen hat die virtuelle Produktentwicklung einen hohen Stellenwert. Durch Simulationen und Berechnungen können neue Lenksysteme bereits vor der Herstellung erster Prototypen zu einem frühen Zeitpunkt beurteilt und gegebenenfalls optimiert werden. Neben der Beurteilung von Bauteilen werden im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung konkrete Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Hierbei können Strukturoptimierungen aktiv die Entwicklung unterstützen. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten rur den Einsatz der Strukturoptimierung bei der Entwicklung von Lenksystemen vorgestellt. Ziele sind dabei die Lebensdauersteigerung und die Gewichtsreduktion von Lenksystemen. Angepasst an die jeweilige Anwendung können hierrur die Dimensionierung, Formoptimierung oder Topologieoptimierung angewandt werden. Die Steigerung der Lebensdauer ist insbesondere bei den hoch belasteten Lenksystemgehäusen wichtig, um über das gesamte Fahrzeugleben eine hohe Sicherheit des Lenksystems zu gewährleisten. Daher wird ein automatisierter Prozess zur schädigungsbasierten Formoptimierung entwickelt, der sich zur Lebensdauersteigerung der Lenksystemgehäuse eignet. Er erlaubt die Berücksichtigung von Strukturmodifikationen in der Simulation eines elastischen Mehrkörpersystems. Der Prozess wird vorgestellt und mit seinen Randbedingungen erläutert. Eine weitere Forderung bei der Weiterentwicklung von Lenksystemen ist die Gewichtsreduktion der Systeme. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, eine Gewichtsreduktion durch eine hohle Zahnstange zu realisieren. Zur Gestaltung der Innenkontur von Zahnstangen werden Dimensionierungen und Topologieoptimierungen eingesetzt. Die in den Optimierungen verwendeten Berechnungsmodelle zur Analyse von Lenksystemen müssen an besondere Anforderungen der Optimierungsprozesse angepasst werden. Die aufgebauten Modelle zur Finiten Elemente Analyse, zur Mehrkörpersimulation und zur Betriebsfestigkeitsanalyse von Lenksystemkomponenten werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und weiterentwickelt. Auf Basis des CAD-Modells eines Lenksystems wird ein Finite Elemente Modell des Gehäuses aufgebaut. Daraus wird ein Superelement zur Integration eines elastischen Gehäuses ins Mehrkörpersystem erstellt, wofür die genutzten Methoden und Parameter diskutiert werden. In einer elastischen Mehrkörpersimulation werden Lastfälle simuliert, welche die Belastungen während eines Fahrzeuglebens realitätsnah beschreiben. Durch diese Simulationen werden die Lasten auf das Lenksystemgehäuse berechnet und mit diesen Lasten eine Betriebsfestigkeitsanalyse durchgeruhrt. Vereinfachungen im Mehrkörpersystem zur Rechenzeitverkürzung und deren Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeitsanalyse werden in dieser Arbeit untersucht. Die Analyseergebnisse, insbesondere die berechneten Schädigungswerte, werden durch den Vergleich mit Versuchsergebnissen überprüft, um einen Bezug der Analysen zur Realität herzustellen. Aufbauend auf diesen realitätsnahen Analysen können nun Optimierungen von Lenksystemgehäusen und Zahnstangen durchgeführt werden. Diese werden anhand von Beispielen an einem aktuellen Lenksystem demonstriert. Damit wird belegt, dass die automatisierten Optimierungsprozesse rur komplexe industrielle Anwendungen geeignet sind. Die Ergebnisse der Optimierungen sind verbesserte Designvorschläge rur die Lenksystemkomponenten. Diese zeichnen sich im Vergleich zum Ausgangsdesign durch eine erhöhte Lebensdauer oder ein geringeres Gewicht aus. Dadurch tragen sie zur Steigerung der Sicherheit und Verminderung des Verbrauchs bei modernen Automobilen bei. ····· 10361107429

Bestimmung akustischer Kenngrößen an einem fahrzeugunabhängigen Prüfstand zur Modellierung der Schallentstehung und Schallausbreitung in Fahrzeugklimaanlagen

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While in the past the noise of the engine and other ancillary components of vehicles decreased, other components like the HVAC system have become more and more important. In upper class vehicles the aerodynamic noise of the air-conditioning system at high level might be annoying to the passengers. Modifications made at the late stage of the development phase are often very expensive. Therefore, it is more profitable to carry out tests and acoustic measurements related to both the whole HVAC system and single components at the early stage of the conception phase. This doctoral thesis presents the theoretical background of sound propagation in duct systems. Methods for determining the transfer matrices of HVAC elements, termination impedances, reflection coefficients and sound source characteristics are introduced. In addition to that, empirical approaches for calculating sound source characteristics of induct elements are presented. The experimental determination of acoustic characteristics is a main aim of this work. Therefore, different test benches are needed. An important aspect of these test benches is the examination of test objects independent of any vehicle. With this requirement test benches for the application of whole HVAC systems as well as several elements (e.g. ducts, bends etc.) were developed and validated. For a plane wave propagation the sound field in a duct system can be derived using transfer matrices. The value of these matrices of various sections and built-in components were determined by using a transfer matrix test bench. Another important parameter of HVAC systems is the termination impedance of air openings inside the vehicle. It is fundamental to describe the proportion of sound being emitted into the interior of a vehicle. Another test bench was developed, accounting for the necessary source characteristics and providing the following features: a defined air flow of `silent` air and sound excitation by using a noise source. The emission characteristic values obtained during these measurements can be implemented into a calculation model in relation to parameters, such as flow rate or position of the valves. In addition to the fan, which is regarded as a primary sound source, flow-induced noise also occurs at valves, bends and air openings, and thus it also has to be taken into consideration for the description of the overall noise characteristics. Based on the results obtained by the measurements, a sound propagation model is derived. If this sound propagation is mainly one-dimensional, the acoustic transfer matrix model can be applied to simulate the transmission characteristics. Due to the research results obtained in this doctoral thesis, it is possible to implement the sound source approach into the transfer matrix description of duct systems. With the measurements results of the terminating impedances the sound propagation within an HVAC system from the fan through the flow ducts, including valves, bends and other elements, to the drivers position outside the system is possible. The characteristics of the several components are described by transfer matrices, terminating impedances and sound source properties that result from measurements. ····· 10361107424

Einsatz eines DC/DC-Wandlers zur Spannungsanpassung zwischen Antrieb und Energiespeicher in Elektro- und Hybridfahrzeugen

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In Elektro- und Hybridfahrzeugen ist es möglich, eine einheitliche Spannungslage für Antrieb und Energiespeicher zu verwenden oder zwei unterschiedliche Spannungsniveaus über einen DC/DC-Wandler miteinander zu verbinden. Um die beiden Lösungsansätze miteinander vergleichen zu können, wurden die Einflussfaktoren von Energiespeicher, DC/DC-Wandler, Wechselrichter und Maschine identifiziert. Diese Einflussfaktoren wurden daraufhin analysiert und beurteilt, wie sich die Zwischenkreisspannung auf das Gewicht, den Leistungsbauteilbedarf und den Wirkungsgrad der Komponenten auswirkt. Es wurde aufgezeigt, wie die einzelnen Komponenten anzupassen sind, wenn sich die Zwischenkreisspannung ändert. Mithilfe einer automatisierten Optimierungsrechnung wurde das System mit und ohne DC/DC-Wandler ausgelegt. Anschließend wurden die Systeme miteinander verglichen und bewertet. Da im Bereich von Elektro- und Hybridfahrzeugen das Gewicht und die Kosten eine entscheidende Rolle spielen, wurde bei der Auslegung der Komponenten insbesondere auf einen minimalen Bauteileinsatz geachtet. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde für ein Hybridfahrzeug ein Wechselrichter mit integriertem DC/DC-Wandler entwickelt und aufgebaut. Die Simulationsergebnisse wurden an diesem System verifiziert. Die Vor- und Nachteile wurden für die Systeme mit und ohne DC/DC-Wandler aufgezeigt. ····· 10361107421

Optimierte Ausnutzung von schnelldrehenden Synchron-Hauptspindelantrieben für Werkzeugmaschinen

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Der Betriebsbereich - sprich die Menge aller möglichen Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen - der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) ist abhängig von den Motorparametern und wird durch die maximalen Spannungen und Ströme begrenzt. Bei der Regelung von PMSM besteht eine der wichtigsten Aufgaben darin, aus dem vom Drehzahlregler berechneten Solldrehmoment, in Abhängigkeit der Drehzahl, Sollwerte für den Drehmomenten- und Feldstrom zu ermitteln. Sowohl im Grunddrehzahl- als auch im Feldschwächbereich besteht das Ziel darin, den Motor so anzusteuern, dass die einzelnen Betriebspunkte mit möglichst hoher Effizienz des Gesamtsystems erzielt werden. Durch diese optimale Ansteuerung können gleichzeitig die maximalen Drehmomente bzw. maximalen Leistungen erzielt werden. Die Motorparameter von PMSM sind in der Regel nicht konstant. Bei der PMSM mit innenliegenden Magneten weisen die Induktivitäten in Längs- und Querrichtung beispielsweise eine ausgeprägte Abhängigkeit vom eingestellten Stromarbeitspunkt auf. Je nach Betrag und Phasenlage des eingeprägten Stroms ergeben sich unterschiedliche Sättigungszustände im magnetischen Kreis der Maschine, die ein Absinken der Induktivitätswerte zur Folge haben. Bei PMSM mit außenliegenden Magneten ist die Rotorfluss- bzw. Spannungskonstante stark temperaturabhängig. Die Remanenzflussdichte der Permanentmagnete aus Neodym-Eisen-Bor haben einen negativen Temperaturkoeefizienten, der sich direkt auf die Drehmomentbildung und die induzierte Polradspannung auswirkt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine direkte Drehmomentsteuerung entwickelt, die in der Lage ist, veränderliche Motorparameter in Echtzeit zu berücksichtigen. Das vorgestellte Verfahren erlaubt die Berechnung de roptimalen Sollwerte für den Momenten- und Feldstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl, den aktuellen Strom- und Spannungsbegrenzungen sowie den veränderlichen Motorparametern. Darauf aufbauend wurden Methoden entwickelt, die eine zuverlässige Ermittlung der variablen Motorparameter erlauben. Die Ermittlung der stromabhängigen Induktivitäten der PMSM mit innenliegenden Magneten erfolgt vorab auf einem Prüfstand mit Hilfe eines Identifikationsverfahrens, welches die Verwendung eines Standard-Wechselrichters als Stellglied und zur Messwerterfassung erlaubt. Die temperaturabhängige Rotorflusskonstante der PMSM mit außenliegenden Magneten wird im Betrieb über ein mathematisches Modell der Maschine ermittelt und der Drehmomentsteuerung zur Verfügung gestellt. Mit dem beschriebenen Lösungsansatz besteht die Möglichkeit, über Wechselrichter gespeiste PMSM mit innen- und außenliegenden Magneten optimal auszunutzen. Die Betriebspunkte werden wirkungsgradoptimal eingestellt und es ergibt sich ein maximaler Betriebsbereich. Da die variierenden Motorparameter zu jedem Zeitpunkt bekannt sind und in der echtzeitfähigen Drehmomentsteuerung berücksichtigt werden ist eine optimale Aufteilung von Feldund Momentenstrom gewährleistet. Des Weiteren wird der Spannungsstellbereich des Wechselrichters voll ausgenutzt, wodurch niedrigere Gesamtströme resultieren. Diese verursachen geringere Schaltverluste im Wechselrichter und geringere Kupfer- und Eisenverluste im Motor. Durch die optimale Ausnutzung steht immer die volle Leistung zur Verfügung, weshalb sich die Beschleunigungs- und Abbremszeiten reduzieren lassen. Die Effizienz des Gesamtsystems steigt an, es entstehen geringere Temperaturen und die Kühlleistung sinkt. ····· 10361107420

Integration von Funktionswerkstoffen in metallische Tragstrukturen mittels inkrementeller Umformverfahren

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Smarte Strukturen finden in technischen Anwendungen immer größere Verbreitung. Die Einbettung von Funktionswerkstoffen in metallische Tragstrukturen gestaltet sich hierbei heutzutage als sehr komplex und erfordert mindestens einen zusätzlichen Fügeprozess. Eine integrierte Einformung der Komponenten während des eigentlichen Herstellprozesses der Tragstruktur stellt ein erhebliches Potential zur Vereinfachung des Aufbaus sowie zur Kostenreduktion dar. Die Herausforderungen bei der umformtechnischen Integration bestehen im Wesentlichen in der mechanischen Empfindlichkeit und den hohen Montageanforderungen der Funktionswerkstoffe. Inkrementelle Umformverfahren erscheinen hier besonders geeignet, da durch deren Flexibilität die Einformung und die lokale Belastung in weiten Bereichen beeinflussbar sind. Zur Klärung der generellen Machbarkeit erfolgten numerische Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen zur Einformung anhand der beiden Umformverfahren Drücken und Rundkneten. Zunächst wurden die Geometrien der Fügepartner im Hinblick auf die sich einstellenden Kontaktflächen optimiert. Zusätzlich erfolgten die Auswertung der auftretenden Belastungen im numerischen Modell sowie die experimentelle Aufnahme der resultierenden Kontaktspannungen mittels Druckmessfolien. Am Beispiel zweier Demonstratoren konnten schließlich die in den Grundlagenuntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zum Fügen funktionaler Werkstoffe erfolgreich umgesetzt werden. Anhand des Drückprozesses konnten zerstörungsfrei Magnetringe in eine Aluminiumhülse eingeformt werden. Diese dienen als Demonstrator in einem Fahrradtretlager als Sensorik für die Aufnahme der Trittfrequenz sowie der aufgebrachten Leistung. Mit Hilfe des Rundknetprozesses erfolgte die Einbettung von Piezoaktoren in Aluminiumohre. Durch eingehende Untersuchungen des sich einstellenden Spannungszustandes konnte zudem eine gezielte Vorspannung der Fügekomponente erzielt werden. Die wesentlichen Parameter zur Beeinflussung der Vorspannkraft stellen die Ringkonturgeometrie sowie die Umformtemperatur dar. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorspannung der Fügekomponente durch die beiden Parameter Flankenwinkel ß und Vorwärmtemperatur des Rohres in einem sehr weiten Bereich einstellbar ist. ····· 10361107419

Einsatz konturierter und beschichteter Kolben-Buchse-Paare in Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise

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Axialkolbenmaschinen sind die in der hydraulischen Antriebstechnik am weitesten verbreitete Pumpenbauform für den mittleren bis hohen Druckbereich. Neben der weiteren Steigerung des Gesamtwirkungsgrades sind auch eine Erhöhung der Lebensdauer und eine bessere Umweltverträglichkeit über dem gesamten Produktlebenszyklus Ziel aktueller Forschungen. Diese Ziele können teilweise durch die Vermeidung von Sondermessing im Triebwerk erreicht werden. Gleichzeitig würde sich damit auch die Ölalterung im hydraulischen Kreislauf verlangsamen. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich dabei mit dem vorderen Triebwerksbereich einer Axialkolbenpumpe, also den tribologischen Kontakten Kolben-Buchse, Kolben-Gleitschuh und Gleitschuh-Schrägscheibe. Statt der bekannten Hart-Weich-Kombination sollen in den tribologischen Kontakten Hart-Hart-Paarungen verwendet werden. Die Werkstoffauswahl fiel auf vergüteten Stahl, der auf einer Zirkoncarbidbeschichtung läuft. Damit das Triebwerk auch mit dieser Paarung lauffähig bleibt, müssen am Kolben-Buchse-Kontakt geometrische Änderungen vorgenommen werden: der bekannte Einlaufverschleiß wird bei der Verwendung der Hart-Hart-Paarung nicht mehr stattfinden können, so dass bereits vor der Montage der Triebwerksteile feine Konturen an Kolben und Buchse gefertigt werden müssen. Die Kenntnis über die benötigte Form und Größe der Konturen ist der Kern der Arbeit. In der vorliegenden Untersuchung wird deshalb zunächst simulativ ermittelt, welche Konturen an Kolben und Buchse den Schmierfilmaufbau begünstigen. Anschließend werden fertigungstechnische Aspekte erläutert. Zuletzt werden die beschichteten und konturierten Triebwerksteile an einem Einkolbenprüfstand sowie in einer vollständigen Axialkolbenmaschine getestet. Dabei zeigt sich, dass die Hart-Hart-Paarung die Belastungen erträgt und dass bei Verwendung günstiger Konturen auch geringe Steigerungen des Wirkungsgrads möglich sind. ····· 10361107415

Strukturierung optischer Oberflächen durch Diamant-Mikroschneiden

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In der vorliegenden Dissertation aus dem Bereich der ultrapräzisen Fertigung optischer Oberflächen durch Mikrozerspanung mit Diamantwerkzeugen wird ein neues Verfahren zur Herstellung spiegelnder, prismatischer Mikrokavitäten entwickelt. Diese Kavitäten mit mikrooptischer Funktion werden als Strukturierung durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide in eine vorgefertigte, optische Fläche mit makroskopischen Abmessungen eingebracht. Zu Beginn der Arbeit wird die Schnittkinematik entwickelt. Danach werden die zugehörigen Eingriffsgrößen systematisch hergeleitet und benannt. Dann folgt die Umsetzung als Fertigungsprozess durch Anpassung einer Werkzeugmaschine inkl. der Integration von in-situ Messtechnik, Erstellung von Diamantwerkzeugen und Erarbeitung von CAD/CAM-Software zur effizienten Programmierung der Werkzeugmaschine. Um die grundlegenden Zusammenhänge von Eingangsgrößen, Prozessgrößen und dem Arbeitsergebnis für das neue Fertigungsverfahren zu identifizieren und zu charakterisieren werden Zerspanversuche anhand von Referenzstrukturen durchgeführt. Dabei wird das Diamant-Mikroschneiden mit bestehenden Diamantzerspanverfahren verglichen und es werden die Unterschiede herausgearbeitet. Ausführlich werden dabei die Mechanismen des Werkzeugverschleißes untersucht, da dieser beim Diamant-Mikroschneiden besonders beachtet werden muss. Abschließend fließen die wissenschaftlichen Erkenntnisse in praxisnahe Strategien zur Fertigungsprozessgestaltung ein, deren Wirksamkeit durch die Erstellung diverser Strukturen u. a. hexagonaler Retroreflektoren nachgewiesen wird. ····· 10361107410

Konzepte zur Erweiterung des walzbaren Geometriespektrums beim Ringwalzen

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Der Radial-Axial Ringwalzprozess ist ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Ringe in Durchmesserbereichen von 100mm bis zu 9,5m. Mit diesem Verfahren können Ringe mit rechteckigem oder profiliertem Querschnitt hergestellt werden. Zur Walzung profilierter Ringen gibt es verschiedene Sonderverfahren, die jedoch spezielle Walzwerkkonstruktionen oder konturierte Walzen erfordern. In dieser Arbeit wurden Konzepte erarbeitet, die die Walzung profilierter Ringe auch ohne den Einsatz von Sonderwerkzeugen auf Radial-Axial Ringwalzwerken ermöglichen. Bei den Geometrien handelt es sich um Ringe mit einstufigem axialen Profil sowie konusförmige Ringe. Ringe mit einstufigen axialen Profilen werden durch Walzung im Radialwalzspalt nach modifizierten Walzstrategien erzielt. Auf diese Weise können auch Ringe mit axialen Einziehungen gewalzt werden. In Grunduntersuchungen auf einem Modell Radial-Axial Ringwalzwerk wurden unterschiedliche Parameterkombinationen an Ringen aus einem wachsbasierten Modellwerkstoff untersucht. Walzungen geeigneter Kombinationen wurden auf den Industriemaßstab (Walzwerk Banning H100V80) mit Stahlringen überführt. Darüber hinaus wurde für ausgewählte Prozessparameter bzw. Randgrößen die Auswirkung auf die entstehenden Breitungsprofile mit der Methode der Finiten Elemente untersucht. Vorgestellt werden auch Konzepte zur Walzung konusförmiger Ringe, wobei Ringe mit trapezförmiger oder parallelogrammförmiger Querschnittsform erzielt werden. Die konusförmigen Ringe können durch Werkzeugverstellungen oder durch Verfolgung ermittelter Walzstrategien eingestellt werden. Die Walzstrategien basieren auf bestimmten Kombinationen von Vorringgeometrien und Abwalzverhältnissen. Besonders Erfolg versprechende Kombinationen wurden nach Erprobung im Modellmaßstab auf den Industriemaßstab übertragen. Auch hier konnten konusförmige Ringe reproduzierbar eingestellt werden, wobei Konuswinkel bis zu 18° erzielt wurden. ····· 10361107406

Dienstorientierte Plattform zur Gewährleistung von Arbeitssicherheit mit intelligenten Textilien

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Arbeitgeber sind in der Bundesrepublik Deutschland nach dem Arbeitsschutzgesetz verpflichtet, Maßnahmen zu treffen, um die Sicherheit und den Gesundheitsschutz der Beschäftigten bei der Ausführung ihrer Arbeit zu gewährleisten. Dazu wird die Zero Accident Strategy` verfolgt. Die ` vorliegende Dissertation weist den Bedarf an neuen Denkansätzen für innovative Sicherheitskonzepte nach. Es wird gezeigt, dass vorhandene Sicherheitslösungen häufig nur auf Erkenntnissen aus einem Forschungsgebiet basieren und das Potential, das durch Betrachtung aller Disziplinen zur Verfügung steht, nicht vollständig ausschöpfen. Neben den technologischen Hindernissen werden auch gesellschaftliche Gründe nachgewiesen, die die Akzeptanz bereits vorhandener Lösungen hemmen. Das menschliche Wohlbefinden wird bei der Auslegung von Sicherheitslösungen nur selten berücksichtigt. Diese Dissertation setzt sich zum Ziel, die Umsetzung für ein innovatives Sicherheitskonzept aufzuzeigen. Hierzu wird ein Lösungsraum über Technologien aus mehreren Wissenschaften aufgespannt. Der Lösungsraum umfasst Aspekte der Medizin, der Informatik, der Bekleidungsindustrie und des Maschinenbaus. Die Verknüpfung der verschiedenen Disziplinen stellt die Möglichkeiten für ein nachhaltiges Sicherheitskonzept in Aussicht. Mit intelligenten Textilien, die in zertifizierte Arbeitsausrüstungen eingearbeitet werden, wird eine offene, dienstorientierte Plattform mit ihren Schnittstellen und Protokollen konzipiert, umgesetzt und validiert. Die dienstorientierte Plattform bildet den Kern eines Sicherheitskonzepts mit den Funktionen Zugangskontrolle, Vollständigkeitsüberwachung und Ereignisprotokollierung. Die Zugangskontrolle steuert den Zugang zu gesicherten Arbeitsbereichen. Sie stellt sicher, dass nur berechtigte Personen Einlass in gesicherte Bereiche erhalten. Die Vollständigkeitsüberwachung rt, dass die aus mehreren Komponenten bestehende Arbeitsausrüstung vom Beschäftigten in gesicherten Bereichen stets vollständig und korrekt angelegt ist. Nur dann ist der Arbeitsschutz gewährleistet. Alle Ereignisse des Sicherheitssystems werden protokolliert. Eine grafische Benutzerschnittstelle erlaubt die komfortable Verwaltung und Überwachung des Systems. Abschließend wird nachgewiesen, dass die vorgestellte Lösung dem Stand der Technik entspricht und ihn teilweise sogar übertrifft. Es wird insbesondere gezeigt, dass eine Übertragung des Sicherheitskonzeptes auf beliebige Anwendungsfälle aufgrund der offenen, dienstorientierten Plattform möglich ist und somit auch für zukünftige Innovationen eine nachhaltige Lösung bereitstellt. ····· 10361107405

Untersuchungen zum Orbitalreibschweißen für ausgewählte Metallwerkstoffe

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Angesichts der zunehmenden Nachfrage an Materialmischbauweisen in der Industrie spielen Fügeverfahren wie das Reibschweißen eine immer größere Rolle. Das Standardverfahren ist das Rotationsreibschweißen, mit dem aufgrund seiner Prozesscharakteristik hauptsächlich rotationssymmetrische Voll- und Hohlprofile geschweißt werden. Für Bauteile mit anderen Fügequerschnitten kommt unter anderem das Orbitalreibschweißen in Frage. Das Orbitalreibschweißen wird in der Kunststoffindustrie schon seit einigen Jahren angewendet, für metallische Verbindungen ist dagegen noch kein industrieller Einsatz zu finden. Die Analyse zum Stand der Technik zeigt beim Orbitalreibschweißen von metallischen Werkstoffen noch Unvollständigkeiten auf. Aus diesem Grund wurde eine wissenschaftliche Arbeit zu diesem Fügeverfahren durchgeführt mit dem Ziel, einige dieser Erkenntnislücken zu schließen. Vor allem auf dem Gebiet geeigneter Reibschweißanlagen besteht noch großer Optimierungs- und Handlungsbedarf. Die Ergebnisse der Arbeit sollen der Weiterentwicklung verbesserter Maschinenkonzepte dienen, um den Einsatz der Orbitalreibschweißtechnologie in der Industrie zu forcieren. Es wird eine theoretische Betrachtung des Prozessablaufes durchgeführt, um einen Überblick zum prozessspezifischen Bewegungs- und Geschwindigkeitsablauf sowie zur Wärmeentwicklung zu erhalten. Vor den experimentellen Untersuchungen findet eine Analyse der verwendeten Reibschweißmaschine statt, um die Stärken und Schwachstellen des Systems aufzuzeigen. In praktischen Experimenten werden die wichtigsten Prozessparameter bei artgleichen Verbindungen aus dem unlegierten Baustahl S355J2, dem Vergütungsstahl C45, dem nichtrostenden Stahl X5CrNi18-10 und dem Aluminiumwerkstoff AlMgSi1 untersucht. Zur Anwendung kommt hierbei die Methodik der statistischen Versuchsplanung. In Vergleichsversuchen werden die Verfahren Orbital-, Rotations- und Linearreibschweißen gegenübergestellt. Zum einen wird der Wärmeeintrag anhand von Temperatur- und Verkürzungsmessungen verglichen, zum anderen werden Einsatzfelder für das Orbitalreibschweißen aufgezeigt. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den theoretischen und praktischen Untersuchungen werden zur Aufstellung einer Simulation zum Orbitalreibschweißen für den unlegierten Baustahl S355J2 genutzt. Das Simulationsmodell basiert auf einem inversen Ansatz, um die eingebrachte Wärmeenergie zu definieren. ····· 10361107404

Untersuchungen und Methoden zur Beschreibung und Nutzung tribologischer Systeme mit strukturierten Halbzeugoberflächen in der Kaltmassivumformung

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In der vorliegenden Arbeit wird der Stand der Technik hinsichtlich der Simulation als Hilfsmittel für die Auslegung von Prozessen in der Kaltmassivumformung zusammengestellt. Wesentliche Aspekte tribologischer Systeme werden zusammengetragen und deren Abbildung in Reibmodellen diskutiert.Ausgehend von dem Ziel, die Wirkungsweise strukturierter Halbzeugoberflächen in Kaltmassivumformprozessen besser beschreiben zu können, werden Methoden zu Oberflächenstrukturierung, Oberflächenbeschreibung, Reibwertermittlung und Abbildung von Oberflächenwandlung sowie Reibung in der Simulation entwickelt. Im Detail erfolgt mit dem Ziel, eine industrielle Umsetzung der gezielten tribologischen Einstellung von Oberflächenstrukturen zu erreichen, die Entwicklung eines Werkzeugsystems zum Rundkneten, das es erlaubt, deterministische Oberflächenstrukturen in einem durchlaufenden Prozess auf Stangenmaterial zur Verwendung in der Umformtechnik aufzuprägen. Die Möglichkeit, Halbzeuge für die Kaltmassivumformung durch neue Prozesse oder Prozesserweiterungen in der bestehenden Prozesskette zu strukturieren, wird prinzipiell dargestellt. Tribologische Kenngrößen werden in Simulationen zugänglich gemacht und geeignete Darstellungsformen entwickelt, die die Lasthistorie von Oberflächen beschreiben. Die Oberflächenrauheit kann in Form des quadratischen Mittenrauwertes Sq für Fließpressoperationen in Abhängigkeit der Ausgangsrauheit und der tribologischen Belastungen berechnet werden. Die Beschreibung der Oberflächenwandlung strukturierter Oberflächen wurde implementiert und in verschiedenen Simulationen erprobt. Die entwickelten Subroutinen und Postprozessoren machen erstmals Oberflächeneigenschaften einer systematischen Bewertung zugänglich. Anhand der Oberflächenwandlung konnte ein Reibmodell entwickelt werden, dass druck- und halbzeugoberflächenspezifische Reibkoeffizienten berechnet, die über standardisierte Schnittstellen zurück in Simulationsumgebungen gegeben werden können. Das Oberflächenwandlungsmodell sowie die Berechnung der lokalen Reibkoeffizienten µ in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung und der lokal berechneten Rauheit werden erfolgreich an verschiedenen Fließpressoperationen getestet. Die berechneten Oberflächenrauheiten korrelieren gut mit den gemessenen. Das entwickelte Reibmodell verhält sich stabil und prognostiziert strukturierungsabhängige Umformkräfte, deren Strukturabhängigkeit mit denen aus Messungen gut übereinstimmen. Eine Beschreibung der Reibung ausschließlich auf Basis von Topografieänderung scheint nicht zielführend. Beanspruchungen der Schmierstoffe sind in Abhängigkeit der Lasten zu betrachten. Die verbesserte Modellierung der Fluid-Struktur-Interaktion auf strukturierten Oberflächen kann zu weiterführenden Ergebnissen leiten. Die Modellierung des Verhaltens von viskosen Schmierstoffen zwischen Werkzeug und Werkstück kann helfen, die Fragestellung der Kontaktpropagation zu klären. ····· 10361107402

Anforderungsmanagement für kundenindividuelle Produkte

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Unternehmen müssen die Anforderungen Ihrer Kunden und Märkte genau kennen und durch innovative Produkte effizient erfüllen, um in einer globalen Wirtschaft langfristig erfolgreich zu sein. Denn je schneller und treffsicherer Kundenanforderungen erfasst werden, je hochwertiger Angebote sind und je zuverlässiger die Wünsche des Kunden im Auftragsfall erfüllt werden, desto eher werden Neukunden gewonnen und Bestandskunden gebunden. Höchste Qualität und Effizienz im Prozess aus Anfrage, Angebot, Auftrag und Service steigert die Kundenzufriedenheit und damit die Wahrscheinlichkeit von Folgeaufträgen. Vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wurden im Themenfeld `Management und Virtualisierung der Produktentstehung` des Rahmenkonzepts `Forschung für die Produktion von morgen` u. a. die beiden Verbundprojekte DIALOG und KOMSOLV gefördert. Beide Projekte sehen ihren Schwerpunkt bei industriellen Produkten, die vorzugsweise in Einzelfertigung kundenindividuell angeboten und hergestellt werden. Während im DIALOG-Projekt praktikable Methoden und Tools für das Anforderungsmanagement entlang der Prozessketten Angebotsbearbeitung und Produktnutzung entwickelt werden, konzentriert sich KOMSOLV auf die Erforschung von Werkzeugen zur Constraint- und Konfliktanalyse und zur schnellen Konfiguration mit parametrischen CAD-Systemen. Die Projektleitung für DIALOG übernahm die Firma INTENSIO Software und Consulting GmbH aus Karlsruhe, für KOMSOLV das Institut für Konstruktionstechnik der Technischen Universität Braunschweig. Beide Projekte wurden vom Projektträger Karlsruhe, Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) betreut. Das vorliegende Buch fasst die Ergebnisse beider Forschungsprojekte in den drei Hauptkapiteln Methodische Lösungsansätze, Praxisorientierte Tools und Anschauliche Anwendungsszenarien zusammen. ····· 10361107397

Fluidtechnik für mobile Anwendungen

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Die Vorlesung `Fluidtechnik für mobile Anwendungen` wendet sich insbesondere an Studenten der Fachrichtungen `Entwicklung und Konstruktion` sowie `Fahrzeugtechnik` im Rahmen des Maschinenbaustudiums an der RWTH Aachen University. Der Umdruck zu dieser Vorlesung bietet dem interessierten Studenten wie auch dem industriellen Anwender einen Einblick in die vielfältigen Möglichkeiten der modernen Hydraulik. Anhand vieler Beispiele aus der Praxis wird aufgezeigt wie durch diese innovative Technik Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Komfort gesteigert werden können. Im ersten Abschnitt werden die für mobile Anwendungen spezifischen Anforderungen an Komponenten und Systeme vorgestellt. Dabei geben die Einsatzgebiete den mobilen Anwendungen Grenzen hinsichtlich Energieeffizienz, Schallemission und Betriebskosten vor. Der zweite Abschnitt berücksichtigt die speziellen Anforderungen der Anwendung in Kraftfahrzeugen durch eine weitere Untergliederung in die `Fluidtechnik im Antriebsstrang` und die `Fluidtechnik im Fahrwerk`. Durch die gehobene Leistungsklasse unterscheidet sich die Fluidtechnik in mobilen Arbeitsmaschinen wesentlich von den Kraftfahrzeugapplikationen. Auf die Energieversorgungssysteme, den hydrostatischen Fahrantrieb, die hydrostatische Lenkung und angepasste Systeme der Arbeitshydraulik wird im dritten Abschnitt besonders eingegangen. Ergänzende Literatur findet sich in der `Schriftenreihe Automobiltechnik` der fka und der `Schriftenreihe Fluidtechnik` des IFAS. ····· 10361107396

Wirkmedienbasiertes Tiefziehen von verrippten Blechen

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Ziel dieser Arbeit ist es, die technologischen Grundlagen für die Fertigung mehrfach gekrümmter Blechstrukturen mit Verzweigungen zu erforschen. Die bei der Umformung maßgeblich wirkenden Mechanismen sollen sowohl mit Hilfe der FEM als auch experimentell untersucht werden. Ferner sollen die Entstehung von Versagensfällen verstanden und Einflussgrößen auf die verfahrensspezifischen Restriktionen dargestellt werden. Ein weiteres Ziel ist die Erarbeitung einer geeigneten Prozessführungsstrategie zur Erweiterung der klassischen Verfahrensgrenzen für ebene Bleche sowie die Erprobung an verzweigten Blechen. Diese sollen im Hinblick auf die Realisierung ausgewählter Bauteileigenschaften optimiert werden. Im Einzelnen können folgende Teilziele zusammengefasst werden: . Machbarkeitsnachweis des wirkmedienbasierten Tiefziehens für verrippte Bleche . Ermittlung von Versagensfällen und Bestimmung der Einflussgrößen . Bestimmung der Beanspruchung in den Stegen während der Umformung . Erhöhung der Bauteilqualität durch Regelung des Umformprozesses ····· 10361107393

Mikroverzahnungsnormal

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Der stete Trend zur Miniaturisierung schafft insbesondere in der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen neue Herausforderungen. Um bei Mikrozahnrädern die Zuverlässigkeit erreichen zu können, wie sie großen Zahnrädern seit vielen Jahrzehnten zugeschrieben wird, ist die Beherrschung des Messprozesses eine wesentliche Voraussetzung. Die Quantifizierung und Einschätzung der Fähigkeit des Messprozesses wird durch die Messunsicherheit ermöglicht. Für die Ermittlung der Messunsicherheit auf experimentellem Weg zeigt die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methode durch die Verwendung eines einfachen, aber präzisen Mikroverzahnungsnormals einen Weg auf. Die Methode teilt sich in fünf Schritte auf, an deren Ende sowohl ein ausgelegtes sowie gefertigtes Mikroverzahnungsnormal als auch eine mit diesem Mikroverzahnungsnormal ermittelte Messunsicherheit für die Messung des Profils, der Flankenlinie und der Teilung eines geradverzahnten, evolventischen Mikrostirnrades stehen. Da sich das Mikroverzahnungsnormal aus wenigen Standardgeometrien verwendet werden vor allem genormte Prüfstifte höchster Qualität - zusammensetzt, wird ermöglicht, mit einem vergleichsweise preiswerten Normal alle wesentlichen Geometrien einer evolventischen Zahnflanke für den Mikrometerbereich abzubilden. Neben Profil, Flankenlinie und Teilung wird darüber hinaus die gesamte Zahnflankenfläche am Mikroverzahnungsnormal abgebildet, um für eine stärker an Bedeutung gewinnende funktionsbezogene Qualitätssicherung das Messergebnis einer funktional relevanten Zahnflankenfläche mit einer Mess-unsicherheit vergleichbar zu machen. Es konnte anhand des Mikroverzahnungsnormals der Einfluss der Anzahl sowie Verteilung der Messpunkte bei der Profilmessung an einem Normal aufgezeigt werden. Zwischen der wälzweg-, der radius- und der kreiswinkeläquidistanten Verteilung zeigten sich deutliche Unterschiede. Dies zeigt auch für Messungen mit anderen Normalen, dass schon bei der Kalibrierung die Anzahl und Verteilung der Messpunkte berücksichtigt werden müssen. Ein globaler Kalibrierwert, wie sonst üblich, ist in solch einem Falle nicht empfehlenswert. Für eine anwenderfreundliche Nutzung des Mikroverzahnungsnormals wird dieses `als Zahnrad` gemessen. Das bedeutet, dass die Messung des Mikroverzahnungsnormals so durchgeführt wird, als wäre es ein Mikrozahnrad und kein aus Zylindern bestehendes Normal. Dies erlaubt nicht nur die Messung und Auswertung des Mikroverzahnungsnormals über eine beim Anwender vorhandene Softwarelösung, sondern ermöglicht ebenso eine unkomplizierte und direkte Bestimmung der Messunsicherheit anhand der dem Anwender bekannten Verzahnungskenngrößen. Ein Zahnradmodell zur Einbindung des Mikro-verzahnungsnormals in eine Verzahnungssoftware wurde entwickelt. Durch die Gestaltung des Mikroverzahnungsnormals lässt sich dieses nach erfolgter Bestimmung der Messunsicherheit auch regelmäßig im Serienbetrieb zur Überprüfung der Messunsicherheit des Messprozesses einsetzen. Hierzu wird, anstelle eines Mikrozahnrades, das Mikroverzahnungsnormal gemessen und mit den zuvor bestimmten Messunsicherheitswerten verglichen. Eine beispielhaft durchgeführte Messunsicherheitsermittlung hat die prinzipielle Eignung des Mikroverzahnungsnormals gezeigt. Anhand der erhaltenen Ergebnisse konnten erste Hinweise zur Verbesserung des verwendeten Messprozesses abgeleitet werden. Das entwickelte Mikroverzahnungsnormal ist, neben der experimentellen Ermittlung der Messunsicherheit, auch für eine Erstqualifizierung des Messgerätes geeignet. Um die Eignung eines Messgerätes zur Messung von Mikrozahnrädern zu prüfen, kann das Mikroverzahnungsnormal gemessen werden. Durch einen Vergleich dieser ausgewerteten Messung mit den Kalibrierwerten der entsprechenden Qualitätsmerkmale lässt sich die Eignung des Messgerätes für die Messaufgabe feststellen. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als nationalem Metrologieinstitut, sowohl bei der Entwicklung des Mikroverzahnungsnormals als auch bei dessen Kalibrierung konnte sichergestellt werden, dass das Normal den Ansprüchen, die an ein solches Normal gestellt werden, genügt. ····· 10361107391

Produktionstechnische Herausforderungen der Elektromobilität

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In der Mobilität gibt es einen Wandel zu voll-elektrischen Fahrzeugen und den damit verbundenen Speichertechnologien. Die hierfür benötigten Produktionsprozesse befinden sich jedoch noch in einem Entwicklungs-stadium. Für die Automobilindustrie besteht zusätzlich eine besondere Herausforderung in der parallelen Verwendung von elektrischen- und auf Verbrennung basierenden Antriebskonzepten. Vor diesem Hintergrund ist es eines der Hauptziele unseres Instituts neue Produktionslösungen für die Elektromobilität zu erarbeiten. Hierbei liegt der Fokus vor allem auf der Produktionsplanung, der Automatisierung und Handhabung sowie der Qualitätssicherung für eine effiziente und wirtschaftliche Produktion von Antriebs- und Speicherkomponenten. Auf der wbk-Herbsttagung geben Ihnen Referenten aus der Industrie und dem wbk Einblick in den aktuellen Stand der Forschung. Durch die Verbindung von Beiträgen aus Wissenschaft und Praxis soll der Themenkreis der Elektromobilität bezüglich der kommenden technologischen Herausforderungen für die Automobilindustrie aus produktionstechnischer Sicht mit unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet werden. Hiermit möchten wir zu einem Dialog anregen, um einen Austausch zwischen Entscheidern aus Industrie und Dienstleistungen zu ermöglichen und Forschungsthemen der Zukunft zu identifizieren. ····· 10361107390

Unternehmenszielorientierte Fabrikplanung im Kontext eines Ganzheitlichen Produktionssystems

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Die industrielle Produktion ist mehr denn je dazu herausgefordert, sich ständig ändernden Rahmenbedingungen anzupassen. Als wesentliche Veränderungstreiber lassen sich u. a. die steigende Anzahl der zu bedienenden Märkte, die Schnelllebigkeit von Technologien und Innovationen sowie die Zunahmen der Produktvarianten identifizieren. Im Gegensatz hierzu besteht die Fabrik als `Ort der industriellen Produktion` häufig aus gewachsenen und schwer veränderbaren Strukturen, die diesen Anforderungen nicht genügen. Ausgehend von der Automobilindustrie versuchen Unternehmen durch die Implementierung Ganzheitlicher Produktionssysteme (GPS) diesen Veränderungstreibern unter Berücksichtigung organisatorischer, personeller und wirtschaftlicher Aspekte zu begegnen und so ihren Wertschöpfungsprozess an den geänderten Anforderungen auszurichten. Dabei werden in einem GPS Methoden unternehmensspezifisch und systematisch zusammengestellt, um auf diese Weise die Produktion umfassend, durchgängig und an den Unternehmenszielen ausgerichtet anzuordnen. Neben der Anpassung von nichtphysischen Bestandteilen der Unternehmen entsteht ebenfalls ein großer Aufwand beim Ändern der physischen Bestandteile - der Fabrik. Die Fabrikplanung leistet bei der Einführung eines GPS durch die Gestaltung des Ortes der Produktion einen wesentlichen Beitrag. Allerdings sind in der Praxis erhebliche Wissensdefizite in der Abstimmung des Fabrikplanungsprozesses mit dem Einführungsprozess eines GPS zu erkennen. Diese betreffen sowohl die notwendige Qualifikationen der planenden Mitarbeiter als auch die zielorientierte Ausrichtung des Fabrikplanungsprozesses und die letztendliche Gestaltung der Fabrik unter Beachtung der Prämissen des GPS. Vor diesem Hintergrund leistet diese Arbeit einen grundlegenden Beitrag zur Umsetzung eines an den Unternehmenszielen ausgerichteten Fabrikplanungsprozesses. Dies wird durch die konsequente Verknüpfung mit dem Einführungsprozess eines GPS erreicht. Basis hierfür bildet ein Modell zur Verknüpfung der einzelnen GPS-Elemente mit den Elementen der Fabrik. Dabei wird der in der Wissenschaft etablierte, systemorientierte Aufbau einer Fabrik erweitert indem dieser in direkten Zusammenhang mit den aus den Unternehmenszielen abgeleitete GPS-Elementen gesetzt wird. Hierdurch werden die Zusammenhänge zwischen GPS-Elementen und Elementen der existierenden Fabrik in Art (Strukturebenen, Gestaltungsfeld) und Stärke beschrieben. Um eine Fabrik in der Form zu gestalten, dass das Resultat bestmöglich zur Erfüllung der angestrebten Unternehmensziele dient, ist eine Methodik notwendig, welche die Ziele des GPS auf den Fabrikplanungsprozess überträgt. Im Rahmen der Methodik werden die beiden Hauptzielsetzungen eines GPS - Vermeidung von Verschwendung und kontinuierliche Verbesserung - konsequent auf den Fabrikplanungsprozess angewendet. Die Methodik besteht aus drei Methodenbausteinen: Prozessbaustein, Qualifizierungsbaustein und Gestaltungsbaustein. Der Prozessbaustein beschreibt die Anwendung der Ziele des GPS auf den Fabrikplanungsprozess. Der Qualifizierungsbaustein stellt den Aufbau der notwendigen Kompetenz bei den planenden Mitarbeitern sicher. Der Gestaltungsbaustein unterstützt die Realisierung des beschriebenen Prozesses. Zur Validierung des methodischen Teils enthält die Arbeit die Darstellung dreier Praxisbeispiele aus dem Bereich der variantenreichen Serienproduktion. Es wird deutlich aufgezeigt, dass die Methodik praxistauglich, erfolgreich anwendbar und bei Bedarf fallspezifisch erweiterbar ist. Durch die erfolgreiche Anwendung der Methodik können Iterationsschleifen aufgrund einer nicht unternehmenszielkonformen Planung entfallen. Zusätzlich können durch die entsprechende Ausgestaltung des Fabrikplanungsprozesses die Schnittstellen zwischen GPS-Einführungs- und Fabrikplanungsprozess eindeutig beschrieben und die Einführung eines GPS sowie die kontinuierliche Verbesserung des Status Quo des Unternehmens beschleunigt werden. ····· 10361107383

Entwicklung eines Verfahrens zum Programmtest in der robotergestützten Montage

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Der Einsatz digitaler Werkzeuge zur effizienteren Produktionsplanung von Anlagen rückt hinsichtlich immer kürzer werdender Produktlebenszyklen zunehmend in den Vordergrund. Insbesondere die Inbetriebnahmephase von Roboterzellen kann durch den Einsatz von Offline-Programmierung verkürzt und der Anlagenanlauf beschleunigt werden. Im Bereich der Inbetriebnahme von robotergestützten Montageanlagen existieren Defizite hinsichtlich der vorzeitigen Erstellung und des Tests von Roboterprogrammen, was die Motivation der vorliegenden Arbeit begründet. Nachfolgend wird das Verfahren der virtuellen Roboterprogrammentwicklung (VIPE) vorgestellt. Unter dem Begriff virtuelle Roboterprogrammentwicklung wird die vollständige Programmerstellung und der systematische Test von Programmfunktionalitäten ohne Vorhandensein der realen Roboterzelle verstanden. Die virtuelle Roboterprogrammentwicklung wird im Rahmen dieser Arbeit wie folgt dargelegt: In den Kapiteln 1 und 2 wird die Zielstellung erläutert und die eigentliche Problemstellung analysiert. Dies erfolgt mithilfe einer Roboterprogrammanalyse zur Identifikation montagespezifischer Programmstrategien, welche zum heutigen Stand mangels Simulationsansätzen nicht vorzeitig abgesichert werden. Dazu gehören Positionierungs-, Füge- und Fehlerbehandlungsstrategien. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird in Kapitel 3 eine Anforderungsanalyse durchgeführt, welche die Basis zur Bewertung bestehender Lösungen des Standes der Technik und Forschung in Kapitel 4 darstellt. In Kapitel 5 erfolgt die Entwicklung eines Testkonzeptes und der Entwurf eines Systems zur Erfüllung gestellter Anforderungen. Mithilfe der Informationen über die zu beobachtenden Montageaktionen wird ein ereignisbasierter funktionaler Test zur Prüfung beliebiger Montageabläufe unter Nutzung der Unified Modeling Language vorgesehen. Die Beschreibung von Testszenarien erfolgt mithilfe von Zustandsautomaten und Sequenzdiagrammen. Das Gesamtsystem erlaubt die Kopplung einer herstellerspezifischen Steuerung und führt eine Starrkörpersimulation zur Erzeugung plausibler Sensorsignale und Aktorbewegungen durch, welche essenziell zur Absicherung der vorgestellten Strategien sind. Kapitel 6 weist die Konzepttauglichkeit anhand der Realisierung des Gesamtsystems in Form eines Softwareprototyps nach. Anschließend wird in Kapitel 7 mithilfe von praxisnahen Anwendungsbeispielen der Funktionsnachweis erbracht. Anhand eines mechatronischen Zellenmodells zur Schraubenmontage werden drei exemplarische Strategien beschrieben. Mithilfe einer Positionierungsstrategie wird die Werkstückträgerposition durch Auswertung von Abstandsmessungen ermittelt. Eine Fügestrategie stellt die prozesssichere Schraubenmontage unter Einfluss von Bauteiltoleranzen sicher. Abschließend wird eine Fehlerbehandlungsstrategie für die Schraubenkommissionierung erläutert. Für diese Strategien werden Testszenarien modelliert und Ereignissequenzen abgeleitet. ····· 10361107381

Strategische Prozessmodelle für die späte Individualisierung von Serienfahrzeugen in der Automobilindustrie

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Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag über strategische Prozessmodelle für die späte Individualisierung von Serienfahrzeugen in der Automobilindustrie. Hierbei wird zunächst der Begriff der Individualisierung von Serienfahrzeugen definiert und in der Abgrenzung zur Differenzierung von Serienfahrzeugen dargestellt. Aus der Charakterisierung der spezifischen Prozessparameter einer Auftragsfertigung in ihrer Abhängigkeit vom Original Equipment Manufacturer, kurz OEM, wird die Problemstellung der auftragsbezogenen Steuerung von Individualisierungsumfängen unter Berücksichtigung der vorherrschenden Komplexität und Variantenvielfalt erläutert. Hierbei wird detailliert auf die Prozesse der Produktion, Beschaffung und Logistik eingegangen. Im Sinne einer klassischen Geschäftsprozessbetrachtung wird die Produktentwicklung bewusst ausgeklammert. In der Untersuchung des Einflusses der Produktentwicklung auf den Prozess der Individualisierung besteht weiterer Forschungsbedarf. Hierin liegt weiteres Potential zur Reduzierung von Durchlaufzeit und Kosten. Auf Basis einer Prozessanalyse unter Berücksichtigung der Wertschöpfungstiefe des Auftragsfertigers sowie seiner Schnittstellen zum OEM und seinen Lieferanten wird ein theoretischer Soll-Prozess für das Supply Chain Management beschrieben. Hierbei wird auf die Notwendigkeit der systemischen Unterstützung insbesondere in der Verknüpfung mit den Systemen des OEM vertieft eingegangen. Es werden strategieorientierte Kennzahlen, Key Performance Indicators, vorgestellt, die in eine Balanced Scorecard für die Steuerung einer Auftragsfertigung einfließen. Unter Nutzung dieser spezifischen Kennzahlen sowie deren Einbindung in ein geeignetes ERP-System wird mit dem Build-by-Pick-Modell ein Prozess zur optimierten Steuerung von Auftragsfertigungen beschrieben. Auf Basis von Fallbeispielen aus der Praxis werden die spezifischen Probleme bei der Umsetzung einer termingerechten auftragsbezogenen Teileverfügbarkeit beschrieben und Maßnahmen zu deren Optimierung aufgezeigt und bewertet. ····· 10361107380

Stress State Dependent Damage Modeling with a Focus on the Lode Angle Influence

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Numerical fracture prediction of metals is of great interest in automotive industry, since it is an effective way to improve crashworthiness of car body parts. In the present thesis, the effect of stress state on damage modeling with the focus on the Lode angle parameter (or third deviatoric stress invariant) is discussed and validated by experimental and numerical studies. The numerical implementation is integrated to the damage model GISSMO (Generalized Incremental Stress State dependant damage MOdel) as an extension, which was proposed by Neukamm et al[1-4]. The model is extended for 3D usage by utilization of Lode angle parameter. The stress state is defined with two stress state parameters, stress triaxiality and Lode angle parameter uniquely. The material ductility (or fracture strain) is considered as a function of the stress triaxiality and Lode angle parameter. The stress triaxiality and Lode angle parameter space is covered with a series of tests for the dual-phase steel DP600. Tests of axisymmetric notched round specimens, grooved flat specimens and Nakazima were conducted to study the material behavior for Lode angel parameter equal to 1, 0 and -1, respectively. Additionally, for the intermediate stress states, tests of butterfly specimens and flat specimens were carried out. The representative fracture strain of each test is obtained by combining experimental and numerical results, and parallel corresponding stress state parameters are determined numerically by using proposed weighting functions, which depend on the nonlinear damage accumulation formulation in the GISSMO damage model. The stress state dependent fracture strain formulation is implemented into the commercial finite element code LS-DYNA. A nine-parameter stress state dependent analytical fracture locus is proposed. In addition, a mathematical fracture strain function based on biharmonic spline method is introduced. The investigations on the material DP600 show the influence of Lode angle parameter on the fracture strain. With the introduced calibration approach a good correlation is obtained between experimental and numerical force-displacement curves. ····· 10361107375

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