670 Industrielle Fertigung
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Hochfeste Stähle sind aufgrund ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses vor allem für hohe Produktionsstückzahlen ein essentieller Baustein zur Umsetzung des werkstofflichen Leichtbaus. Um den höheren Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gerecht zu werden und Nahtdefekte zu vermeiden, gilt es den Schweißprozess entsprechend anzupassen. Folglich wird in der vorliegenden Arbeit der Einfluss von Strahloszillation auf die Schmelzbadgeometrie und die Erstarrungsbedingungen beim Schweißen hochfester Stähle analysiert. Ziel ist die Unterdrückung von Nahtmittenrissen, die sich laut Stand der Technik durch drei Strategien vermeiden lassen. So führen eine Reduzierung der Dehnungsgeschwindigkeiten während der Erstarrung, eine Ablenkung der Erstarrungsrichtung zum Schmelzbad hin durch eine Vergrößerung des Winkels der Erstarrungsfronten sowie eine Verringerung der im Prozess auftretenden Dehnungen zu einer verminderten Heißrissgefahr. Durch die anfängliche Ermittlung kritischer Schmelzbadformen und die anschließende systematische Untersuchung der Parameter Oszillationsfigur, -amplitude, -frequenz, Streckenenergie, Fokusdurchmesser und Schutzgas wird eruiert, wie die Schmelzbadgeometrie unter Anwendung von Strahloszillation bestmöglich im Sinne der drei Strategien variiert werden kann. Abschließend wird anhand von Beispielen erfolgreich demonstriert, dass sich Nahtmittenrisse durch die Anwendung von Strahloszillation beim Laserstrahlschweißen vermeiden lassen.
Ein effizienter Ressourceneinsatz hat vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und steigendem Bedarf nach Konsumgütern in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies erfordert nachhaltigere und flexiblere industrielle Produktionsprozesse. Eine Strategie, um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist der Einsatz neuartiger Fertigungsprozesse wie der additiven Fertigung. Die additive Fertigung bietet ein enormes Potential zur Flexibilisierung und Individualisierung von Produkten mit gesteigertem Mehrwert. Diese ist nach heutigem Stand allerdings mit langen Fertigungszeiten und geringerer Produktivität bei hohen Stückzahlen im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie dem Umformen verbunden. Die Kombination der additiven Fertigung mit der Umformung zur Herstellung hybrider Bauteile bietet die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile beider Technologien auszuschöpfen. Das im Rahmen der Arbeit verfolgte Ziel ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Umformbarkeit hybrider Bauteile zu erhalten. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die systematische Analyse von Einflussgrößen bei der Herstellung additiv gefertigter Strukturen auf einem Blechgrundkörper durch pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF-LB/M). Die hybriden Bauteile werden anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Gefüge charakterisiert. Die Umformbarkeit wird mittels freiem Biegen bewertet. Dadurch ist es möglich, die Formgebung anhand von Geometrie, Formänderungsverteilung, Materialfluss und Spannungszustand zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf ein Demonstratorbauteil übertragen und die Identifikation von Potentialen für eine industrielle Anwendung vorgenommen.
In the scope of this work, a novel joining process was developed and investigated from both an application-driven and an academic point of view. The process utilises laser radiation to melt a CuSn-braze preform, which is subsequently detached from a ceramic capillary via inert gas overpressure. After a flight phase, the braze droplet impinges on the joining interface and wets the joining partners where it forms a metallurgical bond after solidification. This process is referred to as laser drop on demand joining (LDJ). It was shown that the shear strength of the joints exceeds the strength of standard tin-based solders by a factor of two and the joints are able to withstand the temperatures and forces occurring during an Al-Casting process. In addition, an ana-lytic model was developed, enabling to quantify the absorptance and thermal energy losses by heat convection, conduction, and radiation, by measuring the time required to melt the preform.
Der Einsatz von Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magneten in elektrischen Maschinen ermöglicht die Realisierung von leistungsfähigen Windkraftgeneratoren oder Antrieben moderner Elektrofahrzeuge mit hohem Wirkungsgrad und legt damit die Grundlage für die Energie- und Mobilitätswende. Aber auch in Lautsprechern, Smartphones oder Sensoren dient NdFeB dazu, die Funktionsfähigkeit der Applikation bei minimalem Bauraum zu gewährleisten. Die Herstellung von leistungsfähigen NdFeB-Magneten erfolgt industriell in pulvermetallurgischen Verfahren wie dem Sintern oder kunststoffgebunden. Dabei ist die Formgebung der Magnete mit Blick auf die Entformbarkeit eingeschränkt und die Produktion mit hohem zeitlichen Vorlauf für die Werkzeugherstellung verbunden. Die vorliegende Dissertation behandelt als alternatives Fertigungsverfahren das Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett (PBF-LB/M), in dem die Magnete werkzeuglos und mit sehr hoher geometrischer Gestaltungsfreiheit direkt aus Pulvermaterial hergestellt werden können. Durch die erzielten Ergebnisse ist es bereits heute möglich, die magnetischen Eigenschaften bestimmter kunststoffgebundener NdFeB-Magneten auch durch additive Verfahren darzustellen. Die Forschungsergebnisse tragen darüber hinaus zur Erweiterung der geometrischen Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren um eine magnetische Dimension bei. Damit werden Entwickler magnetischer Kreise dazu befähigt, vollständig neue und nicht durch die Gestaltungsrichtlinien bestehender Fertigungsprozesse eingeschränkte Designvarianten zu konzipieren und innerhalb kürzester Zeit in die Realität umzusetzen. Durch die im PBF-LB/M darstellbare kurzfristige Verfügbarkeit von NdFeB-Magneten kann der Zeitpunkt im Produktentstehungszyklus, an dem die Magnetgeometrie fixiert und keine Änderungen mehr möglich sind, auf einen späten Zeitpunkt verlegt werden. Dadurch kann auf kurzfristige Änderungen an die Anforderungen der Laufeigenschaften der Maschine reagiert oder Toleranzen im Magnetkreis kompensiert werden.
Der Einsatz von an Schweißrobotern angebrachten, pneumatisch betätigten Spannrollen ermöglicht eine Steigerung der Flexibilität beim Remote-Laserstrahlschweißen im Karosseriebau. Dabei stellen die Auslegung der Spannkräfte, der Fügevorrichtungen und der fertigungsgerechten Bauteiltoleranzen eine Herausforderung dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Spann- und Fügeprozess des Remote-Laserstrahlschweißens mit Einsatz einer Spannrolle untersucht. Die Untersuchung erfolgte experimentell und simulativ für Blechformteile aus Stahl und Aluminium sowie für Aluminiumgussbauteile. Zur simulativen Untersuchung wurden validierte Finite-Elemente Simulationsmodelle erarbeitet, die erstmalig den Einsatz einer flexiblen Spannrolle im Karosseriebau abbilden. Die Simulationsmodelle ermöglichen die Berechnung von Spannprozessen auf drei Arten: weggesteuert mit vollständiger Vorgabe der Rollenbewegung, kraftgesteuert mit Vorgabe eines Spannkraftverlaufs und kraftgeregelt mit Vorgabe gewünschter resultierender Fügespalte. Auf Basis der Untersuchungen wurden prozess- und bauteilseitige Maßnahmen zur Reduktion erforderlicher Spannkräfte und resultierender Fügespalte identifiziert und ein grundlegendes Prozessverständnis für den neuartigen Fertigungsprozess aufgebaut.
Das additive Fertigungsverfahren Laserstrahl-Schmelzen von Metallen im Pulverbett bietet aufgrund von Freiheitsgraden im Design, vorteilhafter Materialeigenschaften, Umsetzungs-Geschwindigkeit und Flexibilität in der Produktion ein breites Anwendungsspektrum für die Herstellung von Metall-Erzeugnissen. Zur Industrialisierung sind die Handlungsfelder Gesamtanlageneffizienz, Erweiterung der Werkstoffpalette, Simulationsmethoden, fachliche Ausbildung bezüglich Anlagentechnik und Design sowie die Prozess-Überwachung und -Regelung im Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Die in dieser Arbeit gezeigten Untersuchungen zur Prozesscharakterisierung und Erweiterung eines Überwachungssystems identifizieren typische Prozessfehler und zeigen das Potential von lateralen und koaxialen Prozessüberwachungs-Systemen. Bei der Betrachtung des koaxialen Schmelzbad-Überwachungssystems wurden hierfür mittels Grundlagenversuchen Erkenntnisse zur Signalverarbeitung erarbeitet. Darauf aufbauend werden Anwendungsmöglichkeiten für beide Systeme erarbeitet. Für das laterale Überwachungssystem wird eine automatisierte Auswertungsmöglichkeit auf Basis des maschinellen Lernens entwickelt um Schichtbilder zu klassifizieren. Für das koaxiale Überwachungssystem werden Möglichkeiten zur Nutzbarmachung bezüglich der Oberflächenrauheit auf belichteten Bauteilflächen, in Folgeschichten von Kanalverschlüssen und bei Spritzer-Ereignissen betrachtet. Gegenmaßnahmen zur Verminderung von Oberflächenrauheit mittels Laserpolieren werden motiviert und Ergebnisse vorgestellt.
In Folge des Multimaterialbaus sind im modernen Karosseriebau der Automobilindustrie artungleiche Werkstoffpaarungen zu fügen. Beim Einsatz etablierter thermischer Fügeverfahren, wie das Widerstandspunktschweißen, werden dabei die Verfahrensgrenzen erreicht. Standardmäßig eingesetzte mechanische Verbindungstechniken reduzieren hingegen die Flexibilität in den Fertigungslinien. Als ein neuer Verfahrensansatz zum Fügen von artungleichen Materialpaarungen ist das Widerstandselementschweißen mit gestauchten Hilfsfügeelementen einzuordnen. Dieser Verfahrensansatz ermöglicht den Einsatz des konventionellen Widerstandspunktschweißens zum Fügen von Multimaterialpaarungen im Karosseriebau der Automobilindustrie. Zu dieser innovativen Verfahrensalternative des Widerstandselementschweißens wurden im Rahmen dieser Arbeit die umformtechnischen Wirkzusammenhänge zur Beeinflussung der Verbindungsfestigkeit ganzheitlich analysiert, sowie daraus abgeleitet ein umfassendes Prozessverständnis erarbeitet. Der Fokus der Arbeit lag dabei auf der Analyse der Haupteinflussfaktoren auf die Verbindungsfestigkeit. Die resultierenden prozessübergreifenden Wirkzusammenhänge zur Beeinflussung der Verbindungsfestigkeit wurden in einem Materialflussmodell zusammengefasst. Die Anwendbarkeit des konventionellen Widerstandspunktschweißens wurde belegt und das resultierende Versagensverhalten in den statischen und dynamischen Belastungsfällen erörtert. Die erarbeiteten Erkenntnisse zum Widerstandselementschweißen mit gestauchten Hilfsfügeelementen bilden die notwendige Grundlage zum Prozessverständnis, das für eine breite industrielle Anwendung erforderlich ist.
Multipulseffekte beim Mikro-Materialabtrag von Stahllegierungen mit Pikosekunden- Laserpulsen
(2021)
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur modellbasierten Steigerung der Abtragseffizienz vorgestellt, die auf der Kenntnis von Multipulseffekten bei der Laserstrukturierung basiert und die Strahlformung von Flat-Top-Profilen nutzt. Die Ursachen und Auswirkungen von Multipulseffekten der Inkubation, d. h. der Pulszahlabhängigkeit des Abtragsverhaltens, wurden für den Mikro-Materialabtrag von Stählen untersucht. Die gemessene Abnahme der pulszahlabhängigen Reflektivität der strukturierten Substratoberfläche wurde als eine Ursache der mit steigender Pulszahl sinkenden Abtragsschwellfluenz identifiziert. Als zweite Ursache beeinflusst die mit steigender Pulszahl sinkende Energieeindringtiefe die Inkubation. Mit dem Ziel der flexiblen Erzeugung der räumlichen Intensitätsverteilung wurde die digitale holografische Strahlformung mittels eines Flüssigkristall-basierten räumlichen Lichtmodulators untersucht. Die erzeugten Flat-Top-Strahlprofile können unter Berücksichtigung der systembedingten Aberrationen und der Vergrößerung des Frequenzbereichs simuliert werden. Basierend auf der Simulation des Strahlprofils und der Kenntnis der Auswirkung der Multipulseffekte auf den Materialabtrag wurde die Strukturgeometrie als Abtragsergebnis modelliert. Dafür wurden erstmalig die pulszahlabhängige Schwellfluenz und Eindringtiefe einschließlich ihres Sättigungsverhaltens als experimentell ermittelte Materialparameter berücksichtigt.
Der Verursacher eines großen Teils der Verluste beim Betrieb elektrischer Maschinen ist das Blechpaket. Bereits bei der Herstellung der Halbzeuge, den Blechcoils, werden die grundsätzlichen elektromagnetischen Eigenschaften und die Verluste festgelegt. Die weitere Verarbeitung des Elektroblechs zu einem Stator- oder Rotorblechpaket generiert durch Trenn- und Fügeprozesse zusätzliche fertigungsinduzierte Verluste.
Gegenstand der Forschungsarbeiten waren unterschiedliche Trenn- und Fügeverfahren, welche in ihren Prozessparametern variiert wurden, um anschließend die elektromagnetischen Eigenschaften messtechnisch zu erfassen. Die resultierenden maximalen Differenzen der jeweiligen Prozessparameter repräsentieren ein Potential zur optimierten betriebspunktgerechten Produktion, da sich hier durch entsprechende Parametereinstellung im Betrieb niedrigere Verluste Δ𝑃𝑉,𝑟𝑒𝑎𝑙 und somit ein höherer Wirkungsgrad erzielen lassen.
Ein neues Messverfahren, welches die Veränderung der magnetischen Leitfähigkeit durch Fertigungseinflüsse erfasst, wurde durch die Forschungsarbeit erfolgreich evaluiert und qualifiziert. Durch Methoden der hochfrequenztechnischen Materialprüfung wird die komplexe Permeabilität als Grundlage für die Qualitätsbewertung herangezogen. Bei der vorgestellten Messmethode ist kein manuelles Aufbringen von Wicklungen nötig. Die Prüfkörper können automatisch in die Messeinrichtung eingelegt und vermessen werden. Die Messergebnisse stehen dem QMS und ERP/MES in elektronischer Form zur weiteren Verarbeitung direkt zur Verfügung.
Unser alltägliches Leben in der modernen digitalen Kommunikationsgesellschaft stützt sich zunehmend auf Daten, die von mechatronischen Systemen mit Hilfe von Sensoren aus der Umwelt erfasst und verarbeitet werden. Aus den gewonnenen Informationen sollen Anwendungen zukünftig mehr und mehr Handlungen selbstständig ableiten und den Menschen einen Mehrwert generieren. Durch die stetige Steigerung der Funktionsintegrationsdichte innerhalb alltäglicher Anwendungen bei gleichzeitig reduziertem Bauraum vergrößern sich dabei die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Materialen innerhalb der Baugruppe.
Die vorliegende Forschungsarbeit setzt an der Miniaturisierung elektrischer Leiterbahngeometrien auf dreidimensionalen mechatronisch-integrierten Bauteilen (3D-MID) an. Erfahrungen zeigen, ein frühes Versagen in Verbindung mit geringen Leiterbahnquerschnitten, hervorgerufen durch thermomechanische Spannungen zwischen den Polymersubstratmaterialien und den metallisierten elektrischen Leiterbahnen.
Dazu wird die Verwendung alternativer epoxidharzbasierter Duromere untersucht, die im Spritzpress- und Spritzgießprozess verarbeitet werden können. Sie bieten im Vergleich zu den bisher typisch verwendeten thermoplastischen Materialien wie Polycarbonate, Polyamide und flüssigkristalline Polyamide einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE).
Die Forschungsschwerpunkte liegen dabei auf der Entwicklung eines chemisch basierten Aktivierungsverfahrens zur lasergestützten, selektiv-additiven Metallisierung eines Fine-Pitch Leiterbahnlayouts auf nichtleitenden Substraten. Durch die ideale Anpassung der Werkstoffe innerhalb des Multimaterialverbundes lassen sich die Einsatzmöglichkeiten von 3D-MID Anwendungen in den Bereich der Package-Baugruppen erweitern und den Grad der Miniaturisierung steigern.
Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurden Systeme für die Strahlführung und -formung von Laserstrahlen hinsichtlich ihrer Dynamik anhand der Datenübertragungsrate bewertet und verglichen. Die Datenübertragungsrate ist die Anzahl an Strukturpunkten pro Zeiteinheit, die mit einem System erzeugt werden kann. Es zeigt sich dabei, dass eine Strahlformung mit akustooptischen Effekt die höchsten Datenübertragungsraten ermöglicht und somit ein enormes Potential birgt. Dieser Idee wurde in vorliegender Arbeit nachgegangen und so eine neue Technologie für die Laserstrahlformung bei der Materialbearbeitung erforscht. Die Innovation besteht hier in der Berechnung der Signale, die für die akustooptische Laserstrahlformung (AOS) notwendig sind. Im Rahmen dieser Arbeit ist hierfür ein Iterativer-Fourier-Transformations-Algorithmus entwickelt worden, mit dem eine effiziente Strahlformung erreicht wird. Diese Arbeit befasst sich mit der AOS-Technologie zuerst im Allgemeinen: So werden die Umschaltrate, die Leistungsgrenzen für den Einsatz dieser Technologie und die Einschränkungen für die erreichbaren Intensitätsverteilungen in der Bearbeitungsebene aufgezeigt. Gerätschaften, die für diese Technologie kommerziell erhältlich sind, können dabei mit mehreren tausend Watt Laserleistung betrieben werden. Damit ist die AOS nahezu unbegrenzt mit Strahlquellen im kontinuierlichen Betrieb und auch im Pulsbetrieb einsetzbar.
Die kryogene Kühlung ist eine Kühlschmierstrategie zur Bearbeitung schwerzerspanbarer Werkstoffe. Diese Kühlmethode findet durch die Absenz eines Schmierstoffs bisher keine breite industrielle Anwendung.
Die Forschungsschwerpunkte dieser Arbeit liegen in der Entwicklung und Erprobung eines Systems zur Beimischung eines Schmiermittels in ein kryogenes Medium. Als Kryogen dient flüssiges Kohlenstoffdioxid. Durch verschiedene Funktionsnachweise konnte gezeigt werden, dass eine homogene Vermischung des Schmierstoffs mit dem CO2 nicht notwendig ist, um einen gleichmäßigen Schmiermittelauftrag zu erreichen.
Anschließende Untersuchungen zur kryogenen Minimalmengenschmierung beim Drehen von Ti-6Al-4V, X5CrNi18-10 und 42CrMo4 sowie beim Fräsen von XCrNiMoTi17-12-2 und Ti-6Al-4V verdeutlichen den Einfluss unterschiedlicher Schmierstoffe. Die Prozessanalyse belegt, dass native Schmierstoffe die Werkzeugstandzeit und das Zeitspanvolumen gegenüber synthetischen und mineralischen Produkten beim Fräsen erhöhen können.
Eine Analyse der Energieeffizienz zeigt, dass durch längere Werkzeugstandzeiten der Energiebedarf mit der kryogenen Minimalmengenschmierung im Vergleich zur konventionellen Nassbearbeitung reduziert werden kann. Die kryogene Minimalmengenschmierung bietet dadurch beträchtliche Potenziale zur Etablierung einer nachhaltigen Produktion.
Verkürzte Produktlebenszyklen und ein erhöhtes Maß an Individualisierung erfordern den vermehrten Einsatz flexibler Fertigungsprozesse. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Technologie der additiven Fertigung im Produktionsumfeld stetig an Bedeutung. In dieser Arbeit wird deshalb die Möglichkeit des Einsatzes laserbasierter additiver Fertigungsverfahren im Werkzeugbau der Massivumformung untersucht. Der Fokus liegt dabei auf den resultierenden Materialeigenschaften, da diese ausschlaggebend für den Einsatz im Werkzeugbau. Insbesondere werden das Verhalten unter Zug- und Druckbelastung sowie die Härte analysiert. Die Identifikation des zugrundeliegenden Gefüges findet mittels Mikroskopie statt. Die Fertigung der analysierten Körper erfolgt durch Laserstrahlschmelzen im Pulverbett und Laser-Pulverauftragschweißen. Des Weiteren ist der Einfluss einer thermischen Nachbehandlung Bestandteil der Untersuchungen. Auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse wird das Potential der additiven Fertigung für den Werkzeugbau in der Massivumformung abgeleitet und der Einsatz eines additiv gefertigten Werkzeugs für eine ausgewählte Fertigungsfolge durch die Verwendung im Serienbetrieb nachgewiesen.
Web‐ und wissensbasierter Engineering‐Konfigurator für roboterzentrierte Automatisierungslösungen
(2021)
Der Markt für roboterzentrierte Automatisierungslösungen (RA) ist ein globaler Wachstumsmarkt. Aufgrund der hohen Kosten und Komplexität von RA bleiben häufig kleine und mittlere Unternehmen (KMU) hinter diesem Trend zurück.
Gegenstand und Zielstellung der Promotion ist die Schaffung von effizienten sowie skalierbaren Engineering-Konzepten und -Lösungen für die Planung von RA auf Basis von Webtechnologien. Hierfür wurden das Konzept des Engineering-Konfigurators, eine microservicebasierte Webplattform-Referenzarchitektur sowie eine für Engineering-Konfiguratoren benötigte Entwicklungsmethode basierend auf drei Teilmethoden (W1-W3) eingeführt. Über nutzerzentrierte Entwicklungsansätze, eine modulare Architektur für RA sowie Ansätze aus der wissensbasierten Konfiguration (Teilbereich aus der künstlichen Intelligenz (KI)) werden der Vertrieb, die Planung und das Engineering von RA einem breiteren Publikum zugänglich gemacht. Validiert wurden die Konzepte und Methoden im Rahmen der Webplattform ROBOTOP sowie anhand diverser 3D-Web-, AR (Augmented Reality)- und VR (Virtual Reality)-Mehrbenutzer-Demonstratoren. Die Konzepte und Methoden befähigen somit auch eine effiziente Digitalisierung bzw. Prozessautomatisierung des Engineerings von RA durch die eingeführten, strukturierenden Methoden zur Wissenserfassung, -modellierung sowie -implementierung und unterstützen dabei die Vision des digitalen Zwillings im Kontext von Industrie 4.0.
Montagesysteme sind integraler Bestandteil des verarbeitenden Gewerbes, vor allem im deutschen Fahrzeug- und Maschinenbau. Im Fokus dieser Arbeit stehen komplexe Montageprozessketten (MPK) in der Großserienfertigung, die in jedem Prozessschritt mit mehreren Parametern in engen Prozessfenstern definiert sind und dort robust liegen. Dennoch treten Serienfehler auf, die nur sehr schwer zu entdecken sind. Einerseits liegen alle Parameter entlang der MPK innerhalb der Grenzen und weisen einen guten bis sehr guten Cp-Wert auf. Andererseits existieren Ereignisse in MPK, die zu Ausschuss führen, obwohl jeder Einzelprozess und deren Kennwerte hervorragend innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der prozessschritt-übergreifenden, datengetriebenen Auswertung von MPK. Im Rahmen von E|ASY-Class und E|ASY-Pat ist die Entdeckung von Wissen in Prozesskurven adressiert und die Prozessvisualisierung E|ASY-Heat erlaubt eine laufende Änderungsanalyse des Prozessverhaltens. Für die Analyse von MPK visualisiert E|ASY-Inter komplexe Wechselwirkungen zwischen Montageprozessen und den geprüft defekten Erzeugnissen in der Funktionserfüllung, um Fehlerursachen zu identifizieren. Spontane Änderungen mit schadhafter Auswirkung auf die Funktionserfüllung des montierten Erzeugnisses erkennt E|ASY-Event anhand der Signalausbreitung entlang komplexer Montagesysteme. Für die Detailanalyse unterstützt E|ASY-Curves mittels 3D-Darstellung die visuelle Auswertung von Prozesskurven.
Both the operation of power electronic feeders as well as consumers in electrical grids and the transition to electricity generation based on renewable plants create challenges with regard to voltage quality in electrical grids. Therefore within this thesis a control concept of a storage supported device for the simultaneous provision of various system services is elaborated, analyzed and evaluated. Moreover, an approach for the energy and power management of the energy storage of this plant is presented. Essential topics of the examination are the determination of the present level of power quality, the derivation of suitable power quality indicators as well as the power distribution to the system services. In addition, the storage technologies redox-flow battery and flywheel storage, are implemented using models and combined into a hybrid storage system. For operation of the storage system with maximum efficiency an approach depending on the power values and state of charge values of the stores is investigated.
Angetrieben durch die Elektrifizierung des automobilen Antriebsstrangs durchlaufen elektrische Maschinen eine rasante Entwicklung. Vor diesem Hintergrund erfolgt insbesondere die Optimierung der Wicklung, wobei die Formspulentechnologie in Kombination mit rechteckigen Leiterquerschnitten in den Fokus rückt. Diese ersetzt komplexe Wickelverfahren durch deterministische Umform-, Montage- und Fügeverfahren, woraus sich Vorteile in der Serienproduktion ableiten lassen. Zusätzlich werden produktseitige Optimierungen, wie z.B. die Erhöhung des mechanischen Kupferfüllfaktors, ermöglicht. Eine wesentliche Problemstellung beim Einsatz von Formspulenwicklungen liegt darin, dass bei der Herstellung eine große Anzahl an Kontaktstellen zu realisieren ist. An diese werden herausfordernde mechanische und elektrische Anforderungen gestellt.
Eine im Rahmen dieser Dissertation durchgeführte Analyse kommt zu dem Ergebnis, dass Lasertechnologien die größten Potentiale zur Kontaktierung von flachleiterbasierten Formspulenwicklungen zeigen. Daher wird eine Untersuchung des Abtrags der Lackisolation von Kupferleitern unter Berücksichtigung verschiedener Lasertechnologien durchgeführt. Zur Realisierung der Fügeaufgabe werden leistungsstarke infrarote Laser eingesetzt und es erfolgt eine umfassende Ermittlung der Wirkbeziehungen zwischen Prozessgrößen, Werkstückeigenschaften sowie den erzielbaren Kontaktstelleneigenschaften. Auf Grundlage der Erkenntnisse wird eine exemplarische Herstellungskette für offene Formspulenwicklungen analysiert und mit einer Systematik quantifiziert, wie sich prozesskettenübergreifende Abhängigkeiten auf den Kontaktierungsprozess auswirken. Die Ausarbeitung schließt mit einem Konzept, das die Nutzung der ermittelten Zusammenhänge zur Umsetzung eines stabilen Kontaktierungsprozesses im Kontext der Prozesskette zur Herstellung von Formspulenwicklungen vorstellt.
Das kumulative Walzplattieren ist ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Blechhalbzeugen mit ultrafeinkörnigem Gefüge. Vor dem Hintergrund des Leichtbaugedankens ist die erzielbare Festigkeitssteigerung ein bedeutender Vorteil. Der industriellen Umsetzung des Verfahrens stehen insbesondere fehlende Kenntnisse zum Werkstoffverhalten der hochfesten mehrlagigen Halbzeuge in Umformprozessen entgegen.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Umformeigenschaften der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung AA6014. Hierzu werden die resultierenden Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Prozessparameter der Halbzeugherstellung untersucht. Im Fokus steht ein neuer Ansatz zur Temperierung der Arbeitswalzen im Walzprozess. Anhand der formgebenden Prozesse Tiefziehen und Biegen werden die Umformeigenschaften sowie die Formgebungsgrenzen analysiert. Abschließend wird der bekannte Ansatz der Tailor Heat Treated Blanks-Technologie zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen, infolge einer lokalen Kurzzeitwärmebehandlung, auf die mehrlagige, hochfeste Aluminiumlegierung AA6014 übertragen.
Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit der untersuchten Werkstoffe für den Einsatz in der Umformtechnik nachgewiesen. Die Erhöhung des Leichtbaupotentials durch eine signifikante Steigerung der spezifischen Festigkeit von Blechhalbzeugen kann einen Beitrag leisten, um den hohen Anforderungen an zukünftige Mobilitätskonzepte gerecht zu werden.
Die tribologischen Anforderungen an Kunststoffbauteile in energieeffizienten Systemen mit optimierter Reibung und Verschleißschutz sind hoch. Durch die geringen Schichtdicken in Kombination mit dem verhältnismäßig weichen Kunststoff als Substratwerkstoff sind zahlreiche etablierte Charakterisierungsverfahren nicht für solche Bauteile geeignet.
Basierend auf einer Vorgehensweise zur Festigkeitsauslegung, werden in der vorgestellten Forschungsarbeit speziell zur Charakterisierung harter Dünnschichten auf weichen Substratmaterialien geeignete Prüfmethoden ausgewählt, angepasst und entwickelt. Hierfür wird der Schicht-Elastizitätsmodul mit einem kombinierten Verfahren aus Indentierungen und numerischen Berechnungen ermittelt. Regressionsmodelle ersetzen für zukünftige Anwendungen die FE-Simulationen und beschleunigen weitere Auswertungen.
Ein modifizierter Ritztest erzeugt gezielt mehrachsige Spannungszustände, die mittels FE-Simulationen nachgebildet werden. So werden die mechanischen Grenzen des Schicht-Substrat-Verbundes ermittelt und die Auswirkungen von Parametermodifikationen illustriert.
Der Einfluss von dünnen harten Schichten auf die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen des gesamten Bauteils wird analytisch und experimentell untersucht. Für das Anwendungsgebiet der beschichteten Wälzlagerkäfige werden die tribologischen und funktionalen Potentiale für harte und tribologisch relevante Schichten aufgezeigt und gängigen Käfigwerkstoffen gegenübergestellt.
Die Umformtechnik ist eine vielversprechende Produktionstechnologie, da sie durch kurze Fertigungszeiten und hohe Materialeffizienz ökologische und ökonomische Vorteile bietet. Gerade durch das Kaltfließpressen wird eine energie- und materialeffiziente Herstellung hochbeanspruchbarer, präziser Stahlbauteile erreicht. Steigende Anforderungen an Bauteile hinsichtlich Festigkeit, Gewicht und Funktionsintegration bringen etablierte umformtechnische Verfahren der Blech- und Massivumformung an ihre Grenzen. Eine Kombination der Verfahrensklassen Blech- und Massivumformung vereint deren spezifische Vorteile, erweitert die Grenzen etablierter Umformverfahren und ermöglicht die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile. So sind gewichtsoptimierte (Blech-) Grundkörper mit lokaler Funktionalisierung durch filigrane Nebenformelemente wie Verzahnungen herstellbar. In der Wissenschaft und Technik wird diese Verfahrenskombination als Blechmassivumformung bezeichnet. Im Fokus dieser Arbeit steht die Herstellung blechmassivumgeformter Bauteile durch einen Vorwärts- und Querfließpressprozess. Bislang gelten die erreichbare Bauteilgenauigkeit und die versagenskritische Werkzeugbeanspruchung als maßgebliche Herausforderungen und erschweren eine industrielle Anwendung. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit auf die Schaffung eines grundlegenden Prozessverständnisses zum Fließpressen filigraner Verzahnungselemente am Beispiel von Lauf- und Sperrverzahnungen an Blechen ab. Das Prozesswissen bildet die Basis zur Erforschung von Maßnahmen zur Erweiterung aktueller Formgebungsgrenzen.