Dr.-Ing. Malte Stonis

Dissertation

Beim Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen können prozessbedingt Schmiedefehler wie bspw. Falten entstehen. Einen Sonderfall stellt dabei die Bildung von inneren Falten dar, welches sich im Faserverlauf ausprägt. Innere Falten haben u. a. einen negativen Effekt auf die dynamischen Bauteileigenschaften. Als Fertigungsverfahren kann Schmieden in eindirektionales und mehrdirektionales Schmieden unterteilt werden. Beim eindirektionalen Schmieden wurde die Entstehung von inneren Falten beobachtet. Durch die Verwendung des Umformens aus mehreren Richtungen – dem mehrdirektionalen Schmieden – kann die Umformung variabel eingestellt werden und dadurch eine Faltenbildung verhindert werden. Eine neu entwickelte Methode hilft bei der Auswahl des Umformverfahrens und bei der Bestimmung einer geeigneten Werkzeuggeometrie. Hier wird speziell der Bereich angepasst, in dem die inneren Falten entstehen. Dazu wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dem eine rechnergestützte Identifizierung der inneren Falten und eine Korrektur des verwendeten sowie parametrisch aufgebauten Schmiedewerkzeugs im relevanten Bereich möglich ist.

Mehrdirektionales Schmieden, flache Langteile, Aluminium, Faserverlauf

Veröffentlichungen

Der Sonderforschungsbereich 1153 (SFB1153) "Prozesskette zur Herstellung hybrider Hochleistungsbauteile durch maßgeschneidertes Umformen" hat zum Ziel, neue Prozessketten für die Herstellung hybrider Massenbauteile aus gefügten Halbzeugen zu entwickeln. Das Teilprojekt B1 untersucht die Umformbarkeit von Hybridbauteilen mittels Querkeilwalzen. Diese Studie untersucht die Reduzierung der Schichtdicke von koaxial angeordneten Hybridhalbzeugen während eines Querkeilwalzprozesses. Die untersuchten Teile werden aus zwei Stählen (1.0460 und 1.4718) mittels Laserauftragschweißen hergestellt. Der Walzprozess wird mittels Finite Elemente (FE)-Simulationen ausgelegt und später experimentell untersucht. Forschungsschwerpunkte sind Untersuchungen zum Unterschied in der Schichtdicke des laserauftraggeschweißten 1.4718 vor und nach dem Querkeilwalzen in Abhängigkeit vom Keilwinkel, der Querschnittsflächenreduzierung und der Umformgeschwindigkeit. Außerdem werden die Simulationen und die experimentellen Versuche verglichen, um die Möglichkeit der Vorhersage der Dicke mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) zu überprüfen. Hauptergebnis war die Möglichkeit, das Umformverhalten von koaxial angeordneten Hybridbauteilen bei einer Querschnittsflächenreduzierung von 20% mittels FEA zu beschreiben. Bei einer Querschnittsreduzierung von 70% zeigten die Ergebnisse eine größere Abweichung zwischen Simulation und experimentellen Versuchen. Die Abweichungen lagen zwischen 0,8% und 26,2%.

Querkeilwalzen, Hybridschmieden, FEM, Schichtdicke

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der Fügezone hybrider Halbzeuge und deren umformtechnisches Verhalten während des Querkeilwalzens. Die Form, Lage und Verschiebung der Fügezone hybrider Halbzeuge aus Aluminium und Stahl wird hierbei abhängig von verschiedenen Walzparametern wie Temperatur, Geschwindigkeit und Werkzeuggeometrie betrachtet. Die Untersuchungen wurden sowohl simulativ als auch experimentell durchgeführt. 

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Umformtechnik, Aluminium, Stahl

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der Temperatur- und Geometriemessung von schmiedewarmen Halbzeugen und Bauteilen mittels optischer Messtechnik. Hierfür hat das Teilprojekt C5 des Instituts für Mess- und Regelungstechnik der Leibniz Universität Hannover eine geeignete Messtechnik entwickelt und hinsichtlich der Anforderungen an Tailored Forming Bauteile angepasst, um auch verschiedene Werkstoffpaarungen messen zu können. Die Ergebnisse der Simulation werden mit den Ergebnissen der Umformversuche, ermittelt durch das in dieser Arbeit beschriebene Messverfahren, verglichen. Das Ziel ist es, am Beispiel des Querkeilwalzprozesses, Erwärmungsstrategien und Prozessparameter zu verbessern, um stabile Fertigungsschritte für Tailored Forming Bauteile zu ermöglichen.

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Umformtechnik, Aluminium, Stahl, Optische Messtechnik

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1153 "Tailored Forming" der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden im Teilprojekt B1 am IPH Untersuchungen zum Querkeilwalzen an hybriden Halbzeugen durchgeführt. Diese Veröffentlichung diskutiert die Möglichkeiten der Umformung von Hartwerkstoffen wie 100Cr6, Stellite und Delcrome im Rahmen des Tailored Formings. Hierfür wurden von Teilprojekt A4 hybride Halbzeuge aus C22.8 und den verschiedenen Hartwerkstoffen mittels Auftragschweißen hergestellt und anschließend vom Teilprojekt B1 mittels Querkeilwalzen umgeformt. Es zeigt sich, dass die Umformung hybrider Hartwerkstoffhalbzeuge mittels Querkeilwalzen möglich ist und gute Ergebnisse liefert.

Tailored Forming, Querkeilwalzen, Hartwerkstoffe, PPA

Durch den Einsatz digitaler Werkzeuge im Fabrikplanungsprozess kann die Planungsqualität verbessert und die Projektdauer signifikant verkürzt werden. Um diese Potenziale ausschöpfen zu können, muss im gesamten Planungsprozess eine Datendurchgängigkeit gewährleistet werden. In diesem Beitrag werden, am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) eingesetzte, digitale Fabrikplanungswerkzeuge vorgestellt sowie deren Einsatzmöglichkeiten und Anforderungen diskutiert.

digitale Fabrikplanung, Fabrikplanungsprozess, Datendurchgängigkeit, digitale Werkzeuge

Bis heute ist die Auslegung von Vorformen für Gesenkschmiedeprozesse ein zeitaufwändiger und manueller Trial-and-Error Prozess. Die Qualität der Vorform ist dabei maßgeblich abhängig vom konstruierenden Ingenieur. Gleichzeitig besitzt die Vorform einen großen Einfluss auf das spätere Schmiedeergebnis. Um unabhängig von der Erfahrung des Ingenieurs und zeitaufwändigen Optimierungsprozessen zu werden, präsentiert und untersucht dieser Artikel einen Algorithmus zur Vorformoptimierung von querkeilgewalzten Vorformen. Der Algorithmus berücksichtigt dafür die Massenverteilung des fertigen Bauteils, das Vorformvolumen, die Komplexität der Vorformkontur, die Auftrittswahrscheinlichkeit von Falten im fertigen Bauteil und den notwendigen Gratzuschlag. So bildet sich ein multikriterielles Optimierungsproblem, das zu einem großen Suchraum führt. Daher wird ein evolutionärer Algorithmus zur Optimierung verwendet. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels getestet, um den Einfluss der Algorithmusparameter zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der Algorithmus in der Lage ist, innerhalb einer Minute eine geeignete Vorform hinsichtlich der gegebenen Kriterien, auszulegen. Darüber hinaus zeigen zwei der fünf Algorithmusparameter, der Selektionsdruck und die Populationsgröße, einen signifikanten Einfluss auf die Laufzeit und Qualität der Optimierung.

Vorformoptimierung, Genetischer Algorithmus, Querkeilwalzen, Adaptiver Grat

Massivumgeformte Bauteile werden in vielen Anwendungen im Automobil- und Anlagenbau verwendet. Die Bedingungen unter denen die Bauteile hergestellt werden, häufig bei mehr als 800 °C und tausenden Tonnen Umformkraft, führen jedoch zu einem hohen Gesenkverschleiß. Eine Möglichkeit zur Verminderung des Verschleißes besteht im Einsatz von geeigneten Schutzschichten. Erste Grundlagenuntersuchungen haben die Möglichkeit aufgezeigt, mit dem Einsatz von harten Diamond-like Carbon (DLC)-Verschleißschutzschichten die tribologischen Effekte auf der Gesenkoberfläche deutlich zu reduzieren. Mit neuen Methoden wie beispielsweise dem Einsatz von Multilagenschichten und einer Temperaturmessung mittels Dünnschichtsensoren soll das Potenzial des Verschleißschutzes für die Halbwarmmassivumformung untersucht und ausgebaut werden.

DLC , Halbwarmmassivumformung, Verschleiß

In einem Aluminium (Al)-Schmelzofen sind der Füllstand des Schmelzbades und die Oxidschichtmenge mit Kontaktsensoren nicht überwachbar, da das Schmelzbad aufgrund der hohen Haltebereich-Temperaturen von über 600°C nicht zugänglich ist. Deshalb wird ein Online-Überwachungssystem des Aluminium-Schmelzbades mithilfe optischer Sensoren erforscht. Dafür wird das Schmelzbad mit geeigneten optischen Messsystemen identifiziert. Schließlich werden durch Bildanalyse-Algorithmen die Höhenänderung der Schmelze herausgearbeitet. Zudem werden Oxidschichten im Ofen auf der Badoberfläche mithilfe der Algorithmen detektiert.

Aluminium-Schmelzofen, Schmelzbadüberwachung, Oxidschicht

Die Layoutaufnahme und Layoutauswertung stellen bei Fabrikplanungsprojekten einen hohen Aufwand dar, da sie durch manuelle Prozesse geprägt sind. Mit dem Einsatz von Drohnen und automatisierten Auswertealgorithmen sollen diese Prozesse beschleunigt und verbessert werden. Durch diesen Beitrag wird das steigende Digitalisierungsbedürfnis in der Industrie aufgegriffen und erste Ansätze für die digitale Aufnahme und Weiterverarbeitung eines Fabriklayouts aufgezeigt. Der Schwerpunkt liegt in dem Einsatz einer Drohne innerhalb eines Fabrikgebäudes und der Aufbereitung von dreidimensionalen Punktwolkenmodellen für Fabrikplanungsprozesse.

Drohne, Fabrikplanung, 3D-Fabriklayout, Objekterkennung

Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung komplexer Schmiedeteile sind die Materialeffizienz und die Entwicklungszeit einer Stadienfolge entscheidende Kriterien. Gerade KMU können Stadienfolgen aufgrund zu geringer Kapazitäten und des hohen Wettbewerbsdrucks häufig nur verkürzt auslegen. Daher soll eine allgemeingültige Methode entwickelt werden, die basierend auf der Massenverteilung eines beliebigen Schmiedeteils automatisiert mehrstufige, effiziente Stadienfolgen generiert.

Automatisierte Prozessauslegung, Gesenkschmieden, Ressourceneffizienz

In diesem Paper wird die Validierung eines induktiven Sensors für einen energieautarken Sensor zur Zustandsüberwachung nasslaufender Stahlscheibenkupplungen in Schiffsgetrieben vorgestellt. Für einen zuverlässigen Betrieb dieser ist eine permanente Überwachung ihres Zustands sinnvoll. Im Rahmen der zustandsorientierten Instandhaltung werden immer mehr Sensoren in Maschinen installiert. Die Zuverlässigkeit wird noch wichtiger, wenn Menschen durch einen möglichen Ausfall der Maschinen gefährdet werden. Für die Schifffahrt ist es daher unerlässlich, dass zum Beispiel der Antriebsstrang und damit das Getriebe in einwandfreiem Zustand sind. Bei längeren Überfahrten muss der Verschleiß oder gar die Beschädigung wichtiger Komponenten bekannt sein, damit die Wartung proaktiv durchgeführt werden kann. Um diesem Bedarf zu begegnen, wird ein energieautarkes und drahtloses Sensornetz entwickelt. Miniaturisierte Sensorknoten überwachen Drehmoment, Drehzahlen, Temperaturen sowie den Verschleißzustand der Drehmomentübertragungskomponenten. Die zum Betrieb dieser Sensoren benötigte Energie stammt aus der Umgebung. Somit arbeitet das System drahtlos und ohne externe Energieversorgung, wodurch die Installations- und Wartungskosten erheblich sinken. Neben dem Konzept der Sensorintegration im Getriebe wird auch das Energy Harvesting-Konzept näher beschrieben. Schließlich werden Messungen in einer zahnradähnlichen Umgebung durchgeführt und das Verhalten eines magnetoinduktiven Sensors in einer nicht ständig versorgten Situation untersucht.

Schiff, Getriebe, Verschleiß, Sensor, Drehmoment

Die Fügestelle ist der schadensanfälligste Bereich an einem hybriden Halbzeug in der Innenhochdruckumformung. In realen Prozessen würde daher eine Umformung an der Fügestelle verhindert werden, um einer Schädigung vorzubeugen. Eine bessere Kenntnis des Umformverhaltens trägt dazu bei, den Aufwand bei der Auslegung zu reduzieren. Zu diesem Zweck sollen in dieser Studie die Umformeignung der Werkstoffpartner simulativ und die Umformeigenschaften der Fügestelle des hybriden Stahl-Aluminium-Halbzeugs experimentell untersucht werden.

IHU, THT, Tailored Forming, Stahl-Aluminium, FEM

Dieses Paper beschreibt die Entwicklung und prototypische Implementierung eines energieautarken Sensors zur Zustandsüberwachung von nasslaufenden Lamellenkupplungen in Schiffsgetrieben. Für die präzise Steuerung eines automatisierten Systems und die Überwachung seiner Leistungsfähigkeit ist das Wissen über den möglichen Verschleiß eine wesentliche Voraussetzung. Darüber hinaus bietet die Speicherung von Sensordaten über die Lebensdauer des Systems die Möglichkeit einer langfristigen Zustandsüberwachung. Die Kombination mit verschiedenen anderen technologischen Komponenten schafft eine Lösung, die eine kostengünstige Zustandsüberwachung von Schiffsgetrieben ermöglicht. Im Vergleich zu bestehenden Systemen werden beispielsweise die Kosten für Installation und Wartung erheblich reduziert. Sowohl die Methodik von der morphologischen Box bis zum Feinkonzept als auch die ersten Messungen der Sensoren werden vorgestellt.

automatisiertes System, Zustandsüberwachung, Metrologie, Kupplung, Getriebe

Der automobile Leichtbau setzt zunehmend auf hybride Strukturen aus Stahl und Aluminium. Die Verbindung dieser Werkstoffe erfolgt derzeit vorwiegend durch Formschluss, beispielsweise durch Nieten. Auch Schweißen und Kleben werden zum Fügen der beiden Werkstoffe eingesetzt. Das hybride Verbundschmieden erlaubt ein Fügen der unterschiedlichen Bauteilelemente während der Umformung. Dies verkürzt die Prozesskette. Mithilfe von Zink als Lotwerkstoff werden die Bauteile stoffschlüßig verbunden. In dieser Veröffentlichung die Ergebnisse der simulative Parameterstudie erläutert. Es wird gezeigt, wie Temperatur, Geometrie und Geschwindigkeit das Fügeergebnis beeinflussen. Weiterhin werden erste Ergebnisse von praktischen Fügeversuchen vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Simulative Parameterstudie

Ressourcenverknappung und Klimawandel sind die Haupttreiber für den raschen Wandel der Stromerzeugungsstrukturen. Die Energiewende führt zu einem Anstieg der Energiepreise für die Herstellung von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Innerhalb des letzten Jahrzehnts haben sich die Energiepreise in Deutschland verdoppelt und werden voraussichtlich weiter wachsen. Metallverarbeitende KMU schreiben bereits 4,5 Prozent ihres Bruttoproduktionswerts den Stromkosten zu. Das Paper zeigt mögliche Einsparpotenziale bei der Nutzung von Lagerbeständen als Energiespeicher und bietet Ansätze für eine effiziente Lösung der damit verbundenen Optimierungsprobleme.

Produktionsprogrammplanung, Energiekosten, Lagerbestand, Energiespeicher

Im Durchschnitt wurden seit 1997 jährlich mehr als 1.275 Windenergieanlagen in Deutschland installiert und mehr als 27.000 Windenergieanlagen sind heute in Betrieb. Die technische und wirtschaftliche Lebensdauer von Windenergieanlagen beträgt etwa 20 bis 25 Jahre. Folglich wird die Demontage von veralteten Windenergieanlagen in den kommenden Jahren durch Repowering oder Stilllegung von Windparks deutlich zunehmen und zu Millionen von Kosten für die Betreiber führen. Eine Möglichkeit, die kostspielige und zeitraubende Demontage von Windenergieanlagen komplett vor Ort zu ersetzen, ist der Aufbau eines Demontage-Netzwerkes, in dem teilweise demontierte Windenergieanlagen zur weiteren Bearbeitung zu spezialisierten Demontageplätzen transportiert werden. Dieses Netzwerk erfordert ein Optimierungsmodell zur Ermittlung der optimalen Standorte und eine angemessene Verteilung der Demontageschritte auf die Demontagestandorte. Die Herausforderung besteht darin, die Abhängigkeit der Netze vom Trade-off zwischen Transport- und Rückbaukosten zu berücksichtigen, die wiederum von der Wahl der Rückbautiefen und Standorte abhängt. Aufbauend auf dem Koopmans-Beckmann-Problem wird ein mathematisches Optimierungsmodell zur Lösung des beschriebenen Standortplanungs- und Allokationsproblems vorgestellt. Um einen Proof-of-Concept zu ermöglichen, wenden wir unser Modell auf eine Fallstudie eines beispielhaften Windparks in Norddeutschland an. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Modell Demontagebetrieben helfen kann, effiziente Demontagenetze für Windenergieanlagen aufzubauen und von entstehenden wirtschaftlichen Vorteilen zu profitieren.

Demontage, Windenergieanlagen, Optimierungsmodell

Strukturierte Fabrikplanung stellt einen Schlüssel zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit in Hinblick auf den ständig steigenden Druck durch Globalisierung und die hohe Marktdynamik dar. Die Durchführung von Fabrikplanungsprojekten wird jedoch von Unternehmen gescheut, da diese Projekte mit hohem Aufwand verbunden sind. Aus diesem Grund sollen die Prozesse der Fabriklayoutaufnahme und -auswertung durch neue Techniken ergänzt, teilautomatisiert und damit effizienter gestaltet werden.

Fabriklplanung, Drohne, Photogrammetrie, Laserscan, Bildverarbeitung

Ständig steigende Qualitätsanforderungen und immer strengere Auflagen stellen die Gießerei vor große Herausforderungen: Sie müssen die vom Markt geforderten hochwertigen Komponenten zu vertretbaren Kosten herstellen. Moderne Technologien und innovative Methoden helfen, diese Herausforderung zu meistern. Bis vor Kurzem stützte sich die Produktion, vom Entwurf des Aluminiumschmelzofens bis zum täglichen Prozess, weitgehend auf traditionelle Methoden und Erfahrungen. Wichtige Daten und Informationen über den Schmelzprozess – zum Beispiel die Temperaturen und die Form des Aluminiumblocks im Ofen – können jedoch mit herkömmlichen experimentellen Methoden kaum erreicht werden, da die Temperaturen 700 ° C überschreiten. Das Forschungsprojekt untersucht daher erstmals die Methode zur Überwachung eines Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Oberflächenform des Blocks während des Schmelzprozesses vorherzusagen, da es aufgrund des Wärme- und Energieverlustes während der Messung nicht möglich ist, eine konstante Überwachung aufrechtzuerhalten. Um die notwendigen Daten zu generieren, wird eine 3D-Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen. Der Grundgedanke ist, eine allgemeine Methode zur Kurvenmodellierung aus Streustrahlendaten auf der Aluminiumoberfläche im 3D-Raum zu finden. Anhand der (x, y, z)-Daten der 3D-Kamera wird die Aluminiumoberfläche als Polynomfunktion modelliert. Dabei wird der Koeffizient mit verschiedenen Interpolations- und Approximationsmethoden abgeleitet. Um das optimale Polynomfunktionsmodell zu finden, beschreibt die Aluminiumoberfläche während des Schmelzprozesses durch Interpolation oder Approximation, wobei die beste Methode zur Kurvenanpassung erweitert und implementiert wird für die Oberflächenmodellierung. 

Schmelzprozess, Lichtfeld

Ökologische Nachhaltigkeit wird von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) nach repräsentativen Umfragen als eines der wichtigsten zukünftigen Handlungsfelder wahrgenommen. Dem gegenüber steht die Logistikleistung, die unter ökologischen Aspekten betrachtet bisher wenig Aufmerksamkeit und Optimierung erfahren hat. Neben den hohen Schadstoffemissionen und der damit einhergehenden Schädigung der Umwelt wirkt sich diese fehlende Betrachtung der Ökologie innerhalb der Logistik auch negativ auf die Wettbewerbsfähigkeit aus. Durch das Forschungsprojekt „Entwicklung ökologisch-logistischer Wirkmodelle zur gezieltem Einflussnahme auf die Ökologie und Logistikleistung von KMU“ (ÖkoLogWi) soll Unternehmen befähigt werden, die CO2-Emissionen der Logistik transparent erfassen und optimieren zu können. Als Grundlage für dieses Modell werden in dieser Veröffentlichung daher die grundlegenden Einflussfaktoren und Zusammenhänge zwischen Logistik und Ökologie erörtert. Zudem werden mögliche Handlungsrahmen und Vorgehen zur Definition relevanter Bewertungskriterien skizziert.

Ökologie, Logistik, Wirkmodelle, CO2 Berechnung, Nachaltigkei-

Im Gesenkschmiedeprozess können Bauteile von hervorragender Qualität und technischen Eigenschaften hergestellt werden. Es ist jedoch nicht möglich Hinterschnittgeometrien, wie z. B. Kolbenbolzenbohrungen, zu schmieden. Diese werden normalerweise in nachfolgenden Prozessen eingebracht. Daher wurde ein Hinterschnittschmiedeprozess neu entwickelt. Dazu wurde ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt, das hohe Schließkräfte aufbringen muss. Mit den Forschungsergebnissen können die Anforderungen an das zentrale Bauteil, schwerer Spezial-Tellerfedern, reduziert werden und stattdessen normale Tellerfedern verwendet werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die Schließkraft hinsichtlich ihrer Entstehung und ihrer Einflussgrößen zu untersuchen, um den Werkzeugbau vereinfachen zu können. Daher werden in Schmiedesimulationen die Eingangsgrößen Pressengeschwindigkeit, Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform untersucht. Der Effekt der Parameter auf die Schließkraft wurde statistisch ausgewertet. Dabei stellte sich die Pressengeschwindigkeit als wichtigste Einflussgröße heraus. Die Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform zeigten einen geringeren, aber ebenfalls signifikanten Einfluss auf die Kraft. Eine günstige Kombination der Parameter wird ermittelt, sodass die Presskraft und die Belastung für das Werkzeug minimiert werden, sodass der Prozess auf kleineren, wirtschaftlicheren Pressen durchgeführt werden kann. Die Simulationen werden zuletzt durch experimentelle Versuche validiert.

Schmieden, Hinterschnitt, FEM, mehrdirektional, Schließkraft, Werkzeugbau