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
Hybridbauteile, die aus mehreren Werkstoffen bestehen, können die steigenden Anforderungen an Leichtbau und Funktionsintegration in der Automobil- und Flugzeugindustrie erfüllen. Hybride Halbzeuge werden hergestellt, indem auf einen niedrig legierten Grundwerkstoff eine hochlegierte Schicht aufgebracht wird, bevor das Werkstück warm umgeformt und bearbeitet wird. Während dieser Prozesskette können Werkstückabweichungen in Form von Materialverteilung und Werkstoffeigenschaften auftreten, die die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob solche Werkstückabweichungen innerhalb der Prozesskette durch die Analyse von Prozesssignalen aus nachfolgenden Prozessschritten erkannt werden können. Zu diesem Zweck wurden Hybrid-Halbzeuge aus C22.8/X45CrSi9-3 mit künstlichen Werkstückabweichungen versehen. Anschließend wurden die Prozesssignale während der Umformung und der Bearbeitung auf ihre Empfindlichkeit gegenüber den künstlichen Abweichungen hin analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass Abweichungen in der Beschichtungsgröße mit Hilfe von Signalen sowohl aus der Umformung als auch aus der Zerspanung effektiv überwacht werden können. Abweichungen in der Position der Beschichtung können nur während der Bearbeitung erkannt werden, während die Signale der Umformung besser auf die eingeführten Härteabweichungen von ca. 100 HV0,1 reagieren.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Querkeilwalzen, Zerspanung, Überwachung, Werkstückabweichungen
In dem Forschungsprojekt „AutoPress“ streben das IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH und die Jobotec GmbH gemeinsam die Entwicklung einer automatisierten Prozesssteuerung von Spindelpressen an. Durch den Retrofit und die Anwendung eines Optimierungsalgorithmus sollen der Energiebedarf gesenkt und die Bauteilqualität gesteigert werden.
Digitalisierung, Umformtechnik, Produktionstechnik
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs-Hybridbauteilen. Die Kombination von Aluminium und Stahl kann das Gewicht von Bauteilen reduzieren und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen. Beim Schweißen von Aluminium und Stahl bildet sich eine spröde intermetallische Phase, die die Lebensdauer des Bauteils verringert. Nach dem Schweißen wird das Werkstück inhomogen erwärmt und in einem Querkeilwalzverfahren warm umgeformt. Da die intermetallische Phase während der Warmumformung temperaturabhängig wächst, ist die Temperaturführung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der prozessintegrierten Kontakttemperaturmessung mit Dünnschichtsensoren untersucht. Dazu wird die Anfangstemperaturverteilung nach der induktiven Erwärmung des Werkstücks bestimmt. Anschließend wird ein Querkeilwalzen durchgeführt und die Daten der Dünnschichtsensoren mit den Temperaturmessungen nach der Erwärmung verglichen. Es zeigt sich, dass in das Werkzeug eingebrachte Dünnschichtsensoren in der Lage sind, Oberflächentemperaturen bereits bei einer Kontaktzeit von 0,041 s zu messen. Die neue Prozessüberwachung der Temperatur ermöglicht es, ein besseres Prozessverständnis zu entwickeln sowie die Temperaturverteilung weiter zu optimieren. Langfristig lassen sich aus der Kenntnis der Temperaturen in den verschiedenen Werkstoffen auch Qualitätsmerkmale sowie Erkenntnisse über die Ursachen möglicher Prozessfehler (z.B. Bruch der Fügezone) ableiten.
Querkeilwalzen, Dünnschichtsensoren, Hybridbauteile, Aluminium, Temperaturüberwachung
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine innovative Prozesskette zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die hybriden Werkstücke werden zunächst gefügt und anschließend durch Querkeilwalzen umgeformt. Um das Verhalten der Fügezone bei erhöhter Komplexität des Umformprozesses zu untersuchen, wurden Ritzelwellen hergestellt. Zu diesem Zweck wurden sechs Arten von Werkstücken, die mit drei Arten von Fügeverfahren hergestellt wurden, zu Ritzelwellen umgeformt. Das Referenzverfahren liefert eine Welle mit einem glatten Lagersitz. Es wurde festgestellt, dass die erhöhte Komplexität im Vergleich zu den Referenzprozessen keine Herausforderungen darstellte. Bei den Ritzeln aus Stahl wurde eine nahezu endkonturnahe Geometrie erreicht.
Hybridbauteile, Querkeilwalzen, Warmumformung, Laserstrahlschweißen, LHWD-Schweißen
Die Globalisierung ermöglicht selbst kleinen und mittleren Unternehmen einen weltweiten Vertrieb ihrer Produkte. Einhergehend damit vergrößert sich für diese allerdings auch der Kreis der direkten Wettbewerber. Durch den stetig zunehmenden Wettbewerb bauen insbesondere kleinere Unternehmen Maßnahmen zu Direktvertrieb und E-Commerce aus. Dafür müssen Ressourcen für Verpackung, Lager und Kommissionierung vorgehalten werden. Der hohe Wettbewerbsdruck, dem die Unternehmen ausgesetzt sind, kann die Beachtung der Anforderungen der Ressource Mensch in den Hintergrund des unternehmerischen Handelns geraten lassen. Wird diese Ressource nicht nachhaltig genutzt, entsteht für diese Unternehmen oft auf kurze und lange Sicht ein Wettbewerbsnachteil in der Form, dass jenes Unternehmen Ersatz für kurzfristig ausfallende Mitarbeiter suchen muss und wichtiges Erfahrungswissen durch betroffene Mitarbeiter verliert. Dies stellt insbesondere für kleinere und mittlere Unternehmen einen Wettbewerbsnachteil dar. Ebenso ist der volkswirtschaftliche Schaden zu betrachten: Für erkrankte Mitarbeiter müssen Aufwendungen für Genesung und Umschulung aufgebracht werden. Des Weiteren sind Stellen durch ein zunehmendes Gesundheitsbewusstsein schwerer zu besetzen, wenn nicht auf die Gesundheit jedes Mitarbeiters eingegangen wird. Das Forschungsvorhaben mit dem Titel „Automatisierte kamerabasierte ergonomische Evaluation von Arbeitsplätzen” (kurz AkEvAp) setzt genau an diesem Punkt an, um den Menschen als Ressource nachhaltig für die Kommissionierung zu nutzen.
Kommissionierung, AkEvAp, Ergonomie
Die Resilienz von Lieferketten gewinnt für produzierende Unternehmen in Zeiten schwerer Störungen durch Krisen massiv an Bedeutung. Die Auswahl von Zulieferern ist ein zentraler Aspekt bei dem Aufbau einer resilienten Lieferkette. Aktuell fehlt jedoch eine ganzheitliche Methode zur Auswahl von Lieferanten unter Berücksichtigung der Resilienz. In diesem Beitrag wird daher ein Forschungsprojekt vorgestellt, das die Entwicklung eines Bewertungsmaßes für die Resilienz im Kontext der Zuliefererauswahl zum Ziel hat. Dabei sollen die vorhandene Resilienz aus der Sicht des Zuliefererunternehmens und die benötigte Resilienz aus der Sicht des auswählenden Unternehmens berücksichtigt werden.
Logistik, Zuliefererauswahl, Resilienz, Supply Chain, Supply Chain Management
Volatile Märkte sowie zunehmende Produktvarianz führen zu komplexeren innerbetrieblichen Materialflüssen. Um diesen gerecht zu werden, ist eine deutliche Steigerung der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit vorherrschender Intralogistiksysteme von Nöten. Zur Flexibilisierung der Intralogistik können (kleinskalige) modulare Fördersysteme eingesetzt werden. Hemmnisse für den Praxiseinsatz stellen die geringe Verbreitung sowie die hohen Investitionskosten dar. Um Vorbehalte als auch Risiken zu reduzieren, wurden in einem Forschungsprojekt eine Evaluierungs- und Optimierungsmethode sowie ein anwendungsnahes Planungstool für modulare Förderanlagenlayouts entwickelt. Es befähigt sowohl Planungsdienstleister als auch Anwender, modulare Fördersysteme zu bewerten und deren Potentiale nutzbar zu machen.
Fördertechnik, Layoutplanung, Optimierung, Genetischer Algorithmus, Software
Arbeitsbedingte Erkrankungen und die daraus resultierenden Fehlzeiten der Mitarbeiter können vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit haben. Gerade in der Schmiedeindustrie führt die manuelle Handhabung von Schmiedeteilen zu hohen körperlichen Belastungen und damit zu häufigen Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems, insbesondere des Hand-Arm-Systems. Eine Möglichkeit, diesem Umstand entgegenzuwirken, ist der Einsatz von ergonomischen Schmiedezangen. In der hier vorgestellten Studie wurde der Einfluss von ergonomischen Schmiedezangen auf die körperliche Belastung von Schmiedebeschäftigten mittels Simulation und Experiment untersucht und mit herkömmlichen Schmiedezangen verglichen. Im Rahmen der Simulation und der experimentellen Untersuchung wurden Schmiedeteile und Schmiedezangen variiert. In der Simulation konnte eine ergonomische Beurteilung der Schmiedesituation mit Hilfe des Ergonomic Assessment Worksheet bewertet werden. In der experimentellen Untersuchung wurde anhand von Greifkraft- und Kalorienmessungen ermittelt, wie sich die Handhabung der Schmiedezange auf die Schmiedearbeiter auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz der neuen ergonomisch optimierten Schmiedezange zu einer deutlichen körperlichen Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen kann. Die Erkenntnisse aus den ergonomisch entwickelten Konzepten sind auch auf andere Branchen übertragbar.
Umformtechnik, Ergonomie
Machine Learning findet bereits in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens Anwendung und bietet weitreichende Potenziale in der Produktion. Gleichzeitig gewinnt durch die zunehmende Relevanz von ESG der effiziente Einsatz von Ressourcen immer mehr an Bedeutung. Mit der Umsetzung von Machine Learning in der Produktion zur Steigerung der Ressourceneffizienz können Unternehmen effektiver und effizienter werden, wobei sie gleichzeitig ESG-Strategien umsetzen. Insbesondere KMU stellt die Einführung vor eine große Herausforderung. Neben der hohen Komplexität von Machine Learning-Anwendungen fehlt oft die Kenntnis über passende Anwendungsmöglichkeiten sowie die Überzeugung des Nutzens, der sich daraus ergibt. Im folgenden Artikel werden Anwendungen des Maschinellen Lernens zur Steigerung der Ressourceneffizienz entlang der internen Lieferkette sowie deren Potenziale diskutiert.
Machine Learning, Produktion, Ressourceneffizienz
Die Realisierung eines geplanten Layoutkonzepts stellt eine komplexe Teilaufgabe innerhalb der Fabrikplanung dar. Insbesondere die zeitliche Anordnung der notwendigen Umzugsschritte unter Berücksichtigung vorhandener Restriktionen wird nach aktuellem Stand meist manuell ausgeführt. Eine methodische Planungsunterstützung könnte zu einer entscheidenden Reduzierung des Aufwands der Realisierungsvorbereitung beitragen. Daher wurde in einem Forschungsprojekt eine einfach anwendbare Methode zur Planung eines Fabrikumzugs für Reorganisationsprojekte entwickelt, welche von Unternehmen im praktischen Kontext angewendet werden kann.
Fabrikplanung, Umzugsplanung, Projektplanung, Optimierung, Operations Research
Die Nutzung von Machine Learning hat sich bereits in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens etabliert und findet zunehmend Anwendung. Auch im Bereich der Produktion und Logistik gewinnt Machine Learning immer mehr an Bedeutung. Die komplexe Implementierung stellt jedoch vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) vor große Herausforderungen. Dies führt dazu, dass viele KMU auf die Nutzung von Machine-Learning-Anwendungen verzichten. Daher befasst sich das IPH – Institut für Integrierte Produktion gemeinsam mit dem IPRI – International Performance Research Institute in dem Forschungsprojekt „MLready“ mit der Entwicklung einer Einführungsstrategie, die KMU dazu befähigen soll, Machine Learning einfach und effizient implementieren und nutzen zu können
Maschinelles Lernen, KMU, Produktion, ML-Einführungsstrategie
Obwohl Fabrikplanung als Möglichkeit zur signifikanten Steigerung der Produktivität in der Fertigung weitgehend anerkannt ist, können die damit verbundenen Kosten in Bezug auf Zeit und Geld ein Hemmnis sein. In diesem Beitrag präsentieren wir eine Lösung für diese Herausforderung durch die Entwicklung eines Software-in-the-Loop (SITL) Frameworks, das ein automatisiertes unbemanntes Luftfahrtsystem (UAS). Das Framework beinhaltet simulierte Sensoren, ein UAS und eine virtuelle Fabrikumgebung. Darüber hinaus sellen wir einen Deep Reinforcement Learning (DRL) Agenten vor, der in der Lage ist, Kollisionen zu vermeiden und Explorationen mit dem Dueling Double Deep Q-Network (3DQN) mit priorisierter Erfahrungswiedergabe durchzuführen.
Künstliche Intelligenz, Bestärkendes Lernen, Unbemannte Luftfahrtsysteme
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Schmiedefolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Schmiedefolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Schmiedefolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Schmiedefolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedestücke mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Schmiedefolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Schmiedefolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Schmieden, Schmiedeabläufe, CAD, automatisierte Prozessgestaltung, Gesenkschmieden
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Stadienfolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Stadienfolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Stadienfolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Stadienfolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedeteile mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Stadienfolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Stadienfolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Stadienfolge, Stadienplanung, Automatisierung
Die Realisierung von Reorganisationsprojekten stellt eine komplexe und eigenständige Planungsaufgabe im Rahmen einer Fabriklayoutplanung dar. Es existieren nur wenig methodische Kenntnisse, welche die zeitlichen, räumlichen und organisatorischen Restriktionen in der Erstellung eines Terminplans berücksichtigen. Der vorliegende Beitrag soll die Wirkzusammenhänge in der Planung und Durchführung von Realisierungsprojekten darstellen und somit eine Diskussionsgrundlage für weiterführende Untersuchungen im Bereich der Terminplanung von Fabrikumzügen für die Reorganisation von Fabrikobjekten bereitstellen.
Fabrikplanung, Umzugsplanung, Projektplanung, Wirkmodellierung
Aufgrund der guten Fließeigenschaften von Aluminium neigt das Material beim gratlosen Präzisionsschmieden dazu, in Werkzeugspalte zu fließen und den sogenannten Flittergrat zu erzeugen. Zur industriellen Umsetzung von gratlosen Präzisionsschmiedeprozessen sollen, in Kooperation mit einem Industriepartner, eine innovative Prognosemethode für Flittergrat sowie Dichtungskonzepte erarbeitet werden. Simulative Untersuchungen zeigen, dass die lokale Formfüllung nicht gleichzusetzen ist mit einem hohen Druck respektive einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Flittergrat.
Flittergrat, FEM-Simulation, Dichtungskonzept, Präzisionsschmieden, Umformtechnik
Es wird eine neue Prozesskette für die Herstellung von lastangepassten Hybridbauteilen vorgestellt. Die Prozesskette "Tailored Forming" besteht aus einem Auftragschweißprozess, der Warmumformung, der spanenden Bearbeitung und einer optionalen Wärmebehandlung. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Kombination des Laserstrahl-Warmdraht-Auftragschweißens mit anschließender Warmumformung zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die Anwendbarkeit wird für verschiedene Werkstoffkombinationen und Bauteilgeometrien, z. B. eine Welle mit Lagersitz oder ein Kegelrad, untersucht. Als Plattierungswerkstoffe werden der austenitische Edelstahl AISI 316L und der martensitische Ventilstahl AISI HNV3 verwendet, als Grundwerkstoffe werden Baustahl AISI 1022M und Einsatzstahl AISI 5120 eingesetzt. Die resultierenden Bauteileigenschaften nach dem Laserwarmdraht-Auftragschweißen und der Warmumformung wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand werden vorgestellt. Die Warmumformung bewirkt im Auftragschweißen und in der Wärmeeinflusszone eine Umwandlung von einem Schweißgefüge in ein feinkörniges Umformgefüge. Die Warmumformung beeinflusst den Eigenspannungszustand in der Umhüllung erheblich, wobei der resultierende Eigenspannungszustand von der Werkstoffkombination abhängt.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Auftragschweißen, Warmumformung, Eigenspannung, Tailored Forming
Die digitale Erschließung von Räumen innerhalb der Stadt Hannover mittels digitalem Abbild ermöglicht es, Nutzungsbedarfe dieser Räume bedarfsgerechter und effizienter zu decken. Die Erstellung eines digitalen Abbilds, welches neue Möglichkeiten für den Zugang zum öffentlichen Raum erschließt, erfordert den Einsatz verschiedener Sensorik wie beispielsweise LiDAR-Sensoren und Tracking-Kameras zur 3D-Vermessung. Zur Auswahl geeigneter und mittels Multikopter einsetzbarer Sensoren, werden zunächst Anforderungen an das Gesamtsystem definiert, welche in Funktionsanforderungen für die Sensorik abgeleitet werden. Anschließend wird der Erfüllungsgrad der Funktionsanforderungen durch die unterschiedlichen Sensoren zunächst simulativ und anschließend praktisch ermittelt.
5G, Multikopter, digitales Abbild
Im Unrundwalzen wird die Machbarkeit untersucht, mehrere zueinander versetzte, lokal unrunde Formelemente in ein zylindrisches Halbzeug zu walzen. Ein Teilgebiet der Untersuchungen ist das Walzen von zwei elliptischen Abschnitten.
Aus drei unterschiedlichen Berechnungskonzepten für die Bestimmung der Werkzeuggravur wurde einer für eine simulative Parameterstudie gewählt. Die Haupteinflussgrößen, unter anderem die Länge und Breite der Gravur und ein Prozessfenster wurden identifiziert.
Umformtechnik, Fertigungstechnik, FEM
Um die Herstellung komplexer Geometrien möglichst effizient zu gestalten, werden in der Regel mehrere Umformstufen genutzt. Bei diesen wird das Rohteil zunächst homogen erwärmt und anschließend über mehrere Vor- und Zwischenstufen sowie der Fertigformung geschmiedet. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer inhomogenen, anstelle einer homogenen, Rohteilerwärmung eine deutliche Materialersparnis erzielt werden kann. Ein limitierender Faktor bei der praktischen Durchführung einer inhomogenen Erwärmung ist der Temperaturgradient zwischen den warmen und halbwarmen Bereichen des Rohteils.
Die vorliegende Studie untersucht daher den Einfluss der Länge des Temperaturgradienten auf die notwendige Rohteilgröße zur Erreichung einer Formfüllung bei gegebener Fertigteilgeometrie. Dafür wurde eine simulative Parameterstudie mit drei unterschiedlich langen Temperaturübergängen sowie zwei unterschiedlichen Fertigteilgrößen durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass je nach Fertigteilgröße und Länge des Temperaturgradienten zwischen 3,31 % und 17,49 % Material im Vergleich zu einem homogen erwärmten Rohteil eingespart werden können. Die Länge des Temperaturgradienten hat damit einen deutlichen Einfluss auf das Einsparpotential des Materials.
Massivumformung, Inhomogene Erwärmung, Ressourceneffizienz, FEM
