Veröffentlichungen

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

Jedes Jahr werden etwa zwei Milliarden Bauteile durch Schmieden hergestellt. Wegen der erforderlichen hohen Temperaturen und hohen Umformkräfte werden viele Komponenten segmentweise hergestellt und später miteinander verbunden, z.B. durch Schweißen. Um Fertigungsschritte - und damit Kosten und Zeit - einzusparen, soll ein Fertigungsprozess entwickelt werden, bei dem Elemente aus verschiedenen Stählen gleichzeitig in einem Schmiedeprozess verformt und gefügt werden. Diese Elemente könnten sehr unterschiedliche Geometrien haben und somit die Herstellbarkeit komplexer Teile stark beeinflussen. Diese Kombination von Verformung und Verbindung wird als Hybridprozess bezeichnet.
In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zum gleichzeitigen Schmieden und Fügen von massiven Massiv - und Blechelementen beschrieben. Ziel ist es, einen ersten Einfluss der unterschiedlichen Umformtemperaturen auf die resultierende Fügezone des Hybridprozesses zu charakterisieren. Zu diesem Zweck werden eine Reihe von Tests mit einer Presse durchgeführt. Um herauszufinden, ob eine Korrelation zwischen der Temperatur und der Qualität von Hybridschmiedeteilen besteht, werden die Proben mittels Zugversuchen und metallographischer Analyse analysiert. Diese Analysen zeigen den Einfluss der Umformtemperatur auf die Fügezone. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen kann die Fugenzone charakterisiert und bewertet werden. Das Hauptergebnis ist, dass bei höheren Umformtemperaturen die Bereiche der Materialbindung deutlich stärker sind als bei tiefen Temperaturen.
Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Entwicklung des Fügens durch Hybridschmieden bei. Die Ergebnisse können genutzt werden, um die relevanten Herstellungsprozesse und Bauteileigenschaften von Hybridteilen weiter zu untersuchen.

Schmieden, Hybriedschmieden, Massivelement, Blechelement,

Die derzeitig genutzten Methoden zur Planung von Fabriklayouts sind hinsichtlich ihrer Bewertungsmethoden beschränkt. Die Fabrikbewertung erfolgt entweder qualitativ oder quantitativ, hierbei aber beschränkt auf wenige Zielgrößen. Diese Defizite wurden durch die Entwicklung einer Methode zur quantitativen, mehrdimensionalen ad hoc Fabrikbewertung überwunden. Auf dieser Basis ist es nun möglich, eine Fabriklayoutplanungsmethode zu entwickeln, die den Planungsaufwand reduziert und die Lösungsgüte deutlich erhöht.

Fabriklayoutplanung, Fabrikplanung, Fabrikbewertung, Operations Research, mathematische Modellierung

Für Unternehmen besteht das Problem, Industrie 4.0-Anwendungsszenarien zu identifizieren und die damit verbundenen Potenziale zu nutzen. In diesem Fachbeitrag wird eine Strategie vorgestellt, die methodische und wissensbasierte Leitlinien für Entscheidungen beinhaltet, um die Wahrscheinlichkeit für nutzbringende Industrie 4.0-Transfomationen zu erhöhen.

Industrie 4.0, Einführungsstrategie, Produktionssystem

Die Messung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments über Sensoren bildet die Grundlage für viele Industriezweige. Kombinierte Sensoren waren bisher nicht verfügbar, sodass durch getrennte Sensoren viel Bauraum beansprucht wird. Außerdem werden die Sensoreinstellungen schnell teuer. Daher wurde ein optisches und berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkel- und Drehmoments entwickelt. In diesem Beitrag werden die Validierungsmethodik, der Aufbau des Prüfstands und die Validierungsergebnisse vorgestellt. Mit einer Winkelauflösung von 0,001 Grad und einer Genauigkeit von mehr als 0,05 Prozent sind die Ergebnisse vielversprechend. Für die industrielle Anwendung sind jedoch weitere Untersuchungen zur Drehmomentenbestimmung und Miniaturisierung des optischen Aufbaus erforderlich.

Absoluter Drehwinkel, Winkeldifferenz, Sensor, Drehmoment

Steigende Energiepreise sowie eine zunehmende Volatilität dieser, aufgrund der vermehrten Einspeisung von erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windenergie, stellen produzierende Unternehmen vor neue Herausforderungen: Beziehen Unternehmen ihren Strom kurzfristig zu schwankenden Preisen an Strombörsen oder über Energieeinkaufsgemeinschaften, kann die Fertigungssteuerung über ihre Stellgrößen die resultierenden Energiekosten bei konstantem Energieverbrauch beeinflussen. Gerade die Reihenfolgebildung, die kurzfristig über den nächsten zu bearbeitenden Auftrag entscheidet, weist dabei hohes Potenzial auf. Die in diesem Artikel vorgestellte energiepreisorientierte Reihenfolgeregel priorisiert zu Zeiten niedriger Energiepreise Aufträge mit einem hohen Energiebedarf und zu Zeiten hoher Energiepreise Aufträge mit einem niedrigen Energiebedarf, ohne dabei den geplanten Fertigstellungstermin zu vernachlässigen. Jedoch eignet sich die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nur unter bestimmten Voraussetzungen, die im vorliegenden Artikel anhand einer Simulationsstudie herausgearbeitet werden und die Wirkungsweise der Regel bestätigt wird.

Produktionsplanung und -steuerung, Fertigungssteuerung, Reihenfolgebildung, Energiekosten

In der Umformtechnik wie auch in anderen technischen Bereichen ist es heutzutage üblich, Prozesse zuerst zu simulieren, bevor experimentelle Vorversuche durchgeführt werden. Ein iterativer Simulationsprozess ist wirtschaftlicher als Vorversuche, nimmt aber dennoch viel Zeit in Anspruch, da eine Simulation mit realistischen Parametern meist viele Stunden dauert. Hinsichtlich eines wirtschaftlichen Entwicklungsprozesses entstand die Idee, zumindest Teile des Simulationsergebnisses innerhalb weniger Minuten durch Data Mining Verfahren vorherzusagen. In diesem Paper werden die vier Data Mining Verfahren Künstliches Neuronales Netz, Support Vector Machine, Lineare Regression und Polynomielle Regression bezüglich der Eignung zur Vorhersage der Umformkraft und simulativen Volumenschwundes durch Remeshing vorhergesagt. Beide Ausgangsgrößen wurden aufgrund ihrer Signifikanz für das Simulationsergebnis ausgewählt. Bei Betrachtung der Ausgangsgrößen kann für beide Vorhersagen festgestellt werden, dass das Künstliche Neuronale Netz am geeignetsten ist.

Data Mining, Neuronales Netzwerk, Lineare und Polynomielle Regression, Support Vector Machine

Interaktive Assistenzsysteme wie Datenbrillen oder Headsets als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglichen durch die Vernetzung innerhalb der Fabrik eine Erhöhung der Prozessqualität und -geschwindigkeit. Jedoch stehen gerade kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Einführung dieser Systeme kritisch gegenüber. Daher beschreibt dieser Beitrag die Entwicklung eines Reifegradmodells zur systematischen Fähigkeitsanalyse und -steigerung zur Einführung interaktiver Assistenzsysteme in Produktion und Logistik

Industrie 4.0, Interaktive Assistenzsysteme, Reifegradmodelle, Einführungsunterstützung

In dieser Veröffentlichung wird der Herstellungsprozess und die anschliessende Umnformung von seriellen hybriden Stahlteilen beschrieben. Die Halbzeuge wurden mittels Laserschweißen hergestellt und mittels Querkeilwalzen umgeformt. Die präsentierten Ergebnisse sind nur ein erster Ansatz, um Einblicke in das Umformverhalten von lasergeschweißten und quekeilgewalzten Teilen zu erhalten. Die untersuchte Materialkombination ist C22 (1.0402) und 20MnCr5 (1.7147). Die neue Prozesskette ermöglicht die Herstellung von hybriden Bauteilen. Zut Bewertung der entwickelten Prozesskette werden Schweißnaht und Fügezone vor und nach dem Querkeilwalzen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Fügeprozess mittels Laserschweißen eine starke Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen mit einer höheren Härte in der Fügezone als für die einzelnen Materialien ermöglicht. Nach dem Umformprozess ist die Verbindung in der Fügezone noch vorhanden. Die Härte der Fügezone nimmt ab, bleibt aber höher als für die einzelnen Werkstoffe selbst.

Tailored Forming, Laserstrahlschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

Die Lagerplanung ist ein wichtiger Bestandteil der Fabrikplanung und stellt in Zeiten des globalen Wettbewerbs ein Optimierungspotenzial dar. Die Auswahl eines geeigneten Lager-, Kommissionier- und Transportsystems, im Folgenden LKT-System, ist speziell für kleine und mittlere Unternehmen eine große Herausforderung. In einem Forschungsprojekt am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH wird eine Methode entwickelt, mit der Unternehmen anhand des notwendigen Grads an Wandlungsfähigkeit und Automatisierung das optimale LKT-System bestimmen können. In diesem Artikel wird das Forschungsprojekt vorgestellt, der Lösungsweg erläutert sowie auf erste Ergebnisse eingegangen.

Lagerplanung, LKT-Systeme, Wandlungsfähigkeit, Automatisierung, Softwaredemonstrator

Der Energiebedarf von Gurtförderanlagen wird im Wesentlichen durch die notwendige Antriebsleistung bestimmt, die sich aus dem Hauptantrieb und Zwischenantrieben zusammensetzt. Durch den Einsatz von angetriebenen Tragrollen kann der konventionelle Antrieb am Kopfende der Förderanlage entlastet und damit geringer dimensioniert werden, was zu Energie- und Kosteneinsparungen führen kann. Im Gegensatz zu konventionellen Kopfantrieben ermöglichen angetriebene Tragrollen die Umsetzung von modularen Förderanlagen. Um die Vorteile von angetriebenen Tragrollen uneingeschränkt nutzen zu können, muss bei der Auslegung und Umsetzung von Förderanlagen eine nicht zu unterschätzende Anzahl von Hemmnissen überwunden werden, wie zum Beispiel die Stromversorgung entlang der kompletten Anlage.

Angetriebene Tragrollen, Prüfstand, Gurtförderanlage, Energieeffizienz

Um eine gratlos geschmiedete Kurbelwelle innerhalb weniger Prozessschritte und mit geringem Energieverbrauch herzustellen sind innovative Umformverfahren nötig. Beispiele sind hier das Querkeilwalzen und das mehrdirektionale Schmieden. Eine direkte Kombination dieser umformenden Fertigungsverfahren führt normalerweise zu Grat am unteren Ende der Kurbelwangenvorform. Der Grund ist die mehrdirektionale Umformung einer rotationssymmetrischen, querkeilgewalzten Vorform quer zur Rotationsachse. In diesem Paper wird ein Parameterfeld identifiziert, in dem eine gratfreie Kombination der beiden Umformverfahren möglich ist. Die Parameter, die innerhalb der experimentellen Versuche variiert wurden, sind der Schulterwinkel und die Querschnittflächenreduzierung beim Querkeilwalzen sowie der Lagerversatz, die Umformgeschwindigkeit und die Umformtemperatur beim mehrdirektionalen Schmieden. Die Grenzen des Parameterfeldes sind grafisch dargestellt. Für eine gratfreie Kombination des Querkeilwalzens und der mehrdirektionalen Umformung sind jeweils niedrige Werte für die signifikanten Einflussparameter Schulterwinkel (? = 30°) Querschnittsflächenreduzierung (?A = 30 %) und Umformtemperatur (T =1050 °C) empfehlenswert.

Mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, gratlos

Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.

So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.

Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz

Ein Teilziel des Forschungsprojektes „Vernetzte, kognitive Produktionssysteme (netkoPs)“ war die Entwicklung einer formalen Sprache Production Modelling Language (PML). Die PML ist als digitales Abbild des Produktes und des Produktionssystems zu verstehen. Aus dem Stand der Forschung sowie den Zielen des Forschungsprojektes netkoPs wurden zu Beginn Nutzpotenziale für die PML abgeleitet. Anschließend wurde auf Basis einer Anforderungsanalyse die benötigten Datenfelder für die PML klassifiziert. In einem nächsten Schritt wurde die PML, angelehnt an die AutomationML, umgesetzt. Die im Kontext von netkoPs formulierten Nutzenpotenziale konnten abschließend im Zusammenhang mit den weiteren Forschungsergebnissen aufgezeigt werden. So kann z. B. eine vorauseilende ProductPML Rüstvorgänge vor dem Eintreffen des Produktes anstoßen.

digitales Abbild, ProductionML, dezentrale Steuerung, Materialfluss

Die Losgrößenbildung ist eine wichtige Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung. Bei der Losgrößenbildung wird üblicherweise auf losgrößenabhängige Auftragswechselkosten- sowie Lagerhaltungskosten zurückgegriffen. Modelle zur Losgrößenbildung vernachlässigen jedoch den Aspekt von losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten. Insbesondere für Schmiedeunternehmen ist der Werkzeugverschleiß aber von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, weil die Werkzeugkosten einen Hauptkostenfaktor der Herstellungskosten darstellen. In diesem Artikel wird das deterministische Logsgrößenmodell von Andler um losgrößenabhängige Instandhaltungskosten erweitert. Hierfür wird zunächst der Zusammenhang zwischen der Losgröße und dem Werkzeugverschleiß als Funktion abgebildet. Diese Funktion wird im Anschluss mit losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten bewertet und in das Losgrößenmodell von Andler integriert. Die Validierung des erweiterten Losgrößenmodells erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die Funktionalität des erweiterten Losgrößenmodells validiert. Danach wird eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der losgrößenabhängigen Kosten und Stückkosten durchgeführt.

Losgrößenbildung, Werkzeugverschleiß, Schmiedeindustrie, Sensitivitätsanalyse

Falsch bücken, schwer heben, über Kopf greifen: Auf Dauer können solche Bewegungen krank machen. Um dem vorzubeugen, entwickeln Forscher am IPH und IFA ein System zur Ergonomiebewertung in der Montage: Mit Hilfe von 3D-Kameras sollen ungesunde Bewegungen automatisch erkannt werden.

3D-Kamerasystem, Ergonomiebewertung, Montage

In dieser Veröffentlichung werden Untersuchungen über die Verschiebung der Fügezone von seriell angeordneten hybriden Halbzeugen beim Querkeilwalzen vorgestellt. Die untersuchten Werkstoffkombinationen sind Stahl-Stahl (C22 und 41Cr4) und Stahl-Aluminium (20MnCr5 und AlSi1MgMn). Der Querkeilwalzprozess wurde mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend experimentell untersucht. Untersuchungsschwerpunkt ist die Untersuchung der Verschiebung der Fügezone in Abhängigkeit der Hauptparameter des Querkeilwalzens. Es konnte gezeigt werden, dass das Umformverhalten seriellen hybriden Halbzeugen aus Stahl-Stahl und Stahl-Aluminium mit der FEM beschrieben werden kann. Die Abweichung der Verschiebung gemäß Simulation im Vergleich zu den experimentellen Versuchen beträgt nur etwa 3 %, was eine gute Näherung ist.

Querkeilwalzen, Hybride Bauteile, Fügezone, Stahl, Aluminium

Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmiedeprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde in diesem Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozessschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen.

Die FEM-Simulationen wurden hinsichtlich der vorformgeomtrieabhängigen Formfüllungs-Sychronität untersucht, um Bereiche der Flittergratbildung zu prognostizieren. Die FEM-basierten Prognosen wurden mit der in experimentellen Schmiedeversuchen ermittelten Flittergratbildung verglichen. Der Vergleich zeigte gute Übereinstimmung. In allen Bereichen, in denen simualtiv Flittergrat prognostiziert wurde, konnte auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung. 

Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergratbildung, Vorhersage

Individuelle Produkte lassen sich bald annähernd zum Preis von Massenware herstellen – mithilfe von 3D-Druckern. Bei der Einführung der neuen Technologien erhalten kleine und mittlere Unternehmen (KMU) Unterstützung vom Niedersächsischen Zentrum für Additive Fertigung.

3D-Druck, additive Fertigung, individuelle Produkte

Durch die Zunahme der Einspeisungen erneuerbarer Energien nimmt die Volatilität des Strompreises stetig zu. Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes können produzierende Unternehmen durch die Anwendung einer energiepreisorientierten Reihenfolgeregel Energiekosten sparen. Da die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nicht nur Auswirkungen auf die Energiekosten hat, wird in diesem Fachbeitrag eine Potentialanalyse vorgestellt, welche neben den Energiekosten zusätzlich die Termineinhaltungskosten von Fertigungsaufträgen berücksichtigt.

Kostenrechnung, Fertigungssteuerung, Produktionsplanung und -steuerung

Ihre Ansprechpartnerin

Judith Kebbe
M. A.

Referentin für Public Relations und Marketing

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