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Das Ziel des Projekts IHU-THT war die Verbesserung des Leichtbaupotenzials von Blechbauteilen mit Fokus auf den Automobilbau. Dieses Ziel soll durch die Kombination von werkstoffseitigem Leichtbau durch Stahl-Aluminium-Mischverbindungen und konstruktivem Leichtbau, durch geschlossene Hohlprofile erreicht werden. Die hybriden Rohrstrukturen, sogenannte Tailored Hybrid Tubes (THTs), werden mittels Laserstrahllöten hergestellt. Zur Fertigung der geschlossenen Hohlprofile kommt das Verfahren der Innenhochdruckumformung (IHU) zum Einsatz.

Es wurden Untersuchungen zum Laserlöten an Blechmaterial mit unterschiedlichen Werkstoffen in verschiedenen Stärken durchgeführt. Zur Auslegung der Umformung wurden FEM-Simulationen des einstufigen IHU-Prozesses durchgeführt. Für die verwendeten Werkstoffkombinationen wurden Materialcharakterisierungen durchgeführt. Nach der weiteren Charakterisierung des Umformverhaltens der Fügezone, wurde die Blechlötverbindung auf dreidimensionale Rohrgeometrien übertragen. An den so erzeugten Stahl-Aluminium-THTs konnten IHU-Versuche erfolgreich durchgeführt werden. Dabei konnte eine Umformung sowohl im Aluminium- als auch im Stahlteil erzeugt werden, wodurch die Fähigkeit eines gemeinsamen IHU-Prozesses von laserstrahlgelöteten Stahl-Aluminium-THTs nachgewiesen werden konnte. Die Umformung eines Demonstratorbauteils wurde mithilfe des Simulationsmodells untersucht, ebenso konnte in Studien mit dem Simulationsmodell gezeigt werden, dass die Anpassung der Rohrwandstärken eine Angleichung des Umformverhaltens ermöglicht.

IHU, Innenhochdruckumformung, Stahl, Aluminum, Hybrid, Tailored, Tailored Forming

In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an technische Bauteile stetig gestiegen. Diese Entwicklung ist dem Wunsch nach immer leistungsfähigeren Produkten geschuldet, die neben einem geringeren Gewicht, einer kleineren Bauweise und erweiterter Funktionalität zudem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Beanspruchungsarten aufweisen.

Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 "Tailored Forming" ist es, die Potentiale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neuen zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen  zu erschließen.

In diesem Beitrag werden die Vorgehensweise und erste Ergebnisse ausgewählter Teilprojekte zur Halbzeugherstellung durch Verbundstrangpressen, zur Umformung der hybriden Halbzeuge durch Querkeilwalzen, Gesenkschmieden und Fließpressen und zur numerischen Versagensvorhersage der Fügezonen dargestellt. Hierdurch wird ein Überblick über mögliche Leichtbaustrategien im Bereich der Massivumformung durch die Verwendung bereits gefügter Halbzeuge gegeben.

Tailored Forming, Halbzeugherstellung, Umformung, Querkeilwalzen

Das Querkeilwalzen hybrider Bauteile ergibt je nach Anordnung (seriell oder koaxial) unterschiedliche Herausforderungen, die zunächst grundlegend untersucht werden.

Beim Querkeilwalzen von seriellen Bauteilen ist die kontrollierte Umformung der Fügezone die größte Herausforderung. Abhängig von der Fließspannung der verwendeten Werkstoffe verformen sich die Bauteilhälften unterschiedlich. Um diese Umformung kontrolliert ablaufen zu lassen, wurde zunächst das Umformverhalten hinsichtlich der Verschiebung und Qualität der Fügezone analysiert und anschließend Möglichkeiten ermittelt, mit denen die Umformung gezielt erfolgen kann. Dazu wurden systematisch nach dem DoE-Verfahren die Einflussparameter (Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit, Querschnittsflächenreduktion, Schulter- und Keilwinkel) zunächst mittels Finite-Element-Methode ermittelt und anschließend die Untersuchungen experimentell verifiziert. Eine Einflussnahme auf die Umformung anhand sowohl konstruktiver Maßnahmen (z. B. ungleiche Werkzeughälften) als auch durch prozessbedingte Parameter (z. B. unterschiedliche Temperierung) wird untersucht.

Das Querkeilwalzen von koaxialen Bauteilen hat aufgrund des Bauteilaufbaus andere Herausforderungen. Ziel ist es, bei der Umformung den Verlauf der Dicke der aufgetragenen Schicht gezielt beeinflussen zu können. Dazu wurden zu Beginn Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um beeinflussende Parameter zu ermitteln. Durch eine systematische Untersuchung der Versuchsparameter nach dem DoE-Verfahren ergaben die Schichtdicke vor der Umformung sowie die Querschnittsflächenreduktion als Parameter mit den größten Einflüssen auf die den Verlauf der Schichtdicke nach der Umformung. Die erzielten Ergebnisse wurden in experimentellen Versuchen anschließend verifiziert.

Querkeilwalzen, Stahl, Aluminium, Fügezone, Schichtdicke

Dieser Beitrag beschreibt eine Methode zur automatisierten Erstellung von Wegenetzen für Fahrerlose Transportsysteme. Zurzeit erfolgt die Erstellung von Wegenetzen hauptsächlich manuell. Dies führt zu einer langen und arbeitsintensiven Planungsphase. Die vorgeschlagene Methode in diesem Paper verbindet die Vorteile mathematischer Wegfindung mit den Vorteilen der menschlichen Planung. Das menschliche Expertenwissen wird hierzu in einem Fuzzy Inferenz System gespeichert. Die Ergebnisse des Expertensystems werden sowohl mit dem A* Algorithmus, als auch mit manuell erstellen Wegenetzen unter realen Bedingungen verglichen. In beiden Fällen liefert das entwickelte Expertensystem bessere Ergebnisse.

Fuzzy Logik, Expertensystem, FTF, Wegenetz

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) sind aus modernen Produktionsanlagen kaum mehr wegzudenken. Sie sind in der Lage, automatisiert Teile des Materialflusses zu übernehmen. Durch Fortschritte im Bereich des Lasthandlings, des Fahrverhaltens der fahrerlosen Transportfahrzeuge (FTF) und der generellen gesteigerten Automatisierung innerhalb von Produktionsanlagen, steigt auch die mögliche Einsatzfläche für FTF. Die Auslegung des Wegenetzes für Fahrerlose Transportsysteme (FTS) ist ein zeitaufwändiger Prozess, der zurzeit größtenteils manuell vollzogen wird. Durch den zunehmenden Komplexitätsgrad der FTS wird eine manuelle Planung des Wegenetzes immer schwieriger und herausfordernder. Im Zuge des Forschungsprojektes „Automatisierte Auslegung des Wegenetzes für fahrerlose Transportsysteme“ (IG 18007) wurde ein Softwaredemonstrator entwickelt, der es ermöglicht, automatisiert Wegenetze für FTS zu erstellen. Der Softwaredemonstrator wurde auf realen Referenzszenarien verwendet und es konnte gezeigt werden, dass die automatisiert erstellten Wegenetze genauso belastungsfähig sind wie manuell erstellte und in manchen Fällen sogar effizienter.

Fuzzy Logik, Expertensystem, FTF, Wegenetz

Die Volatilität des Strompreises nimmt durch den steigenden Ausbau erneuerbarer Energien insbesondere an der Strombörse stetig zu. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) des produzierenden Gewerbes können sich diese Schwankungen durch gezielte Lastführung zu Nutze machen und Energiekosten sparen. Zur Hebung dieses Potenzials müssen KMU Messzähler zur registrierten Leistungsmessung nutzen und Strom zu möglichst börsennahen Preisen beziehen.

Strombezug, Spotmarkt Strombörse, Lastmanagement, Energiekosten

Der Rückbau stillgelegter Industrieanlagen stellt eine Herausforderung für die Planung und Steuerung der logistischen Prozesse dar. Räumliche und gesetzliche Restriktionen erschweren dabei die Planung und Steuerung der Demontage- und Nachbearbeitungsprozesse. So kann der Rückbau eines stillgelegten Kernkraftwerks bis zu zehn Jahre dauern und Kosten von vier Millarden Euro verursachen.

Gelingt eine systematische Beherrschung der logistischen Prozesse, können Rückbauzeit und anfallende Kosten signifikant reduziert werden. Einen Ansatz hierzu bietet die Entwicklung eines Verfahrens zur kombinierten Steuerung von Demontage- und Nachbearbeitungsprozessen.

Rückbau, Demontageplanung, Demontagesteuerung, Kernkraftwerk

Eine Software, die Fabriklayouts objektiv bewertet, entwickeln Forscher am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH). Die Auswahl des optimalen Layouts ist damit keine Bauchentscheidung mehr, sondern lässt sich mit Zahlen belegen.

Fabrikplanung, Layoutbewertung, Optimierungsverfahren

XXL-Produkte werden oft nach dem Baustellenprinzip montiert, d.h. das Produkt wird während der Montage nicht durch die Fabrik bewegt, sondern befindet sich an einer festen Position. Während der Montage verändern sich dabei die Flächenanforderungen eines solchen Produktes ständig. Einerseits wächst das Produkt selbst bei jedem Montageschritt, während auf der anderen Seite temporäre Flächen für Lagerung, Maschinen oder Arbeitsbereiche erforderlich sind. Derzeit ist es üblich, einen festen Bereich für jedes Produkt zu reservieren, um Überschneidungen oder Kollisionen mit anderen Baugruppen zu vermeiden. Dieser reservierte Bereich entspricht der Überlagerung der maximalen Ausmaße aller erforderlichen Flächen des Produkts, wodurch jedwede Dynamik der Flächen vernachlässigt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird die Fläche im Laufe des Montageprozesses allerdings schlecht genutzt. Wenn die verfügbare Fläche eine knappe Ressource ist, führt eine systematische Anordnung der Produkte, die den dynamischen Flächenanforderungen Rechnung trägt, zu einer erhöhten Flächenauslastung und Produktivität. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer Studie über die Anordnung von Montageobjekten vorgestellt, die dynamische, konkurrierende Flächenanforderungen berücksichtigt. Zuerst wird die Problemsituation erläutert. Anschließend wird die bestehende Forschung zu verwandten Themen beschrieben und auf die Möglichkeit einer Anpassung bestehender Methoden ausgewertet. Dann wird ein neu entwickeltes, mathematisches Optimierungsmodell vorgestellt, das eine optimale Anordnung von dynamischen Bereichen unter Berücksichtigung logischer und praktischer Einschränkungen berechnet. Um schließlich das Potenzial der entwickelten Methode zu quantifizieren, werden einige Testreihenergebnisse vorgestellt, die die mögliche Erhöhung der Flächenauslastung zeigen.

XXL-Produkte, Dynamische Flächenanordnung, Layoutplanung

Eine dreistufige Stadienfolge zur gratlosen Herstellung einer Einzylinderkurbelwelle mit Zapfen und Flansch mittels Querkeilwalzen, merkdirektionales Schmieden und Fertigschmieden wäre energie-, zeit- und kostensparend, führt aber zum Verschleiß am Werkzeug. Die querkeilgewalzte Vorform kann maßgeblich durch die Geometrieparameter Schulterwinkel und Querschnittsflächenreduktion beschrieben werden. Abhängig von der Geometrie der Vorform und dem beim mehrdirektionalen Schmieden erzeugten Lagerversatz resultiert unterschiedlich hoher abrasiver Verschleiß am mehrdirektionalen Gesenk. Die vorgestellte Untersuchung der Verschleißtiefe wurde simulativ und basierend auf dem Ansatz nach Archard berechnet. Kernerkenntnisse waren, dass der Verschleiß an formgebenden Werkzeugen primär von der Kontaktzeit und der Reibung mit dem querkeilgewalzten Bauteil abhängt. Ein geringer Lagerversatz, ein Schulterwinkel von maximal 50 ° und eine hohe Querschnittsflächenreduktion führen alle zu einer  relativ gesehen – geringeren Kontaktzeit und wirken sich dadurch positiv auf die Verschleißtiefe aus.

Verschleiß, mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen

In der Produktion lassen sich durch den optimalen Einsatz des Produktionsfaktors „Mensch“ produktbezogene Fehlerkosten reduzieren und die Qualität erhöhen. Hierfür müssen menschliche Leistungsschwankungen in der Produktionsplanung und -steuerung berücksichtigt werden. Dieser Artikel stellt die Grundlagen einer Methode für eine qualitätsorientierte Belegungsplanung unter Berücksichtigung menschlicher Leistungsschwankungen im Tagesverlauf vor.

Produktionsplanung und -steurung, Leistungskurve, Qualität

Wegenetze für fahrerlose Transportsysteme (FTS) werden bisher meist manuell generiert. Denn Algorithmen geben häufig Ergebnisse aus, die zwar mathematisch optimiert sind, sich aber nicht auf reale Produktionsumgebungen anwenden lassen. Dieses Paper stellt eine Lösung vor: Ein Expertensystem, das klassische Wegfindungsalgorithmen mit einem Fuzzy-System kombiniert und somit das Expertenwissen von menschlichen Wegenetzplanern einfließen lässt. Ergebnisse, die die Effizienz dieser Lösung zeigen, werden in diesem Paper ebenfalls veröffentlicht.

Wegenetz, fahrerlose Transportfahrzeuge, Wegenetzplanung, Fuzzy Logik

Flugzeuge, Schiffe oder Baumaschinen: Für die Montage sogenannter XXL-Produkte wird viel Platz benötigt. Forscher am IPH entwickeln eine Methode, mit der sich Montageflächen automatisch optimal anordnen lassen. So sparen Unternehmen Platz und steigern ihre Produktivität.

XXL-Produkte, Flächenanordnung

Datenbrillen oder Datenhandschuhe als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglichen eine intelligente Vernetzung innerhalb der Smart Factory. Aufgrund fehlender Einführungsstrategien zögern kleine und mittelständische Unternehmen mit der Integration dieser Technologien in die Produktion und Logistik. In diesem Zusammenhang beschreibt dieser Beitrag einen reifegradorientierten Ansatz zur systematischen und ganzheitlichen Planung und Steuerung der Einführung dieser interaktiven Assistenzsysteme.

Industrie 4.0, Reifegradmodell, Interaktive Assistenzsysteme, Datenbrillen

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parameter des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens und des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Ein steigender Schulterwinkel führt dabei zu einem größeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, Schulterwinkel

In der Reklamationsbearbeitung werden 8D-Reports zur Dokumentation der Analyse und Beseitigung von Fehlern eingesetzt. Die Qualität dieser Reports ist jedoch oftmals unzureichend und führt unter anderem zu längeren Bearbeitungszeiten und der Wiederholung von Fehlern. Das neu entwickelte Bewertungssystem QuSys ermöglicht eine automatisierte Überprüfung von 8D-Reports.

Reklamationsbearbeitung, Qualität, Bewertungssystem, Fehler, 8D-Reports

Die hohe Störfanfälligkeit bei der Montage großskaliger Produkte verlangt eine kurzfristige Auswahl von Maßnahmen zur Reaktion auf Störungen, um Auswirkungen wie Lieferantenverspätungen oder Auslastungsverluste zu reduzieren. Die Nutzung von Flexibilitätspotenzialen eines Produktionssystems stellt einen Ansatz dar, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Dieser Fachbeitrag zeigt auf, welche Flexibilitätspotenziale in diesem speziellen Umfeld zur Verfügung stehen und genutzt werden können.

Montage, Produktionsmanagement, Störungsmanagement

Um die Produktionskosten von Schmiedeteilen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Speziell für wertvolle Materialien wie Titan stellen die Materialkosten einen Großteil der Produktionskosten dar. Daher kann die Verringerung des Ausgangsmaterials die Gesamtkosten signifikant verringern. Um das Verbesserungspotenzial zu identifizieren, wurde eine bestehende Schmiedeprozesskette untersucht.

Für ein Hüft-Implantat aus Titan wurde eine neue Schmiedeprozesskette entwickelt. Um das anfänglich benötigte Material zu reduzieren, wurde das Querkeilwalzen als Vorformvefahren und das Gesenkschmieden mit Gratsperren untersucht. Der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf das Endergebnis wurde analysiert und detailliert dargestellt. Um die Vorhersagegenauigkeit des neu entwickelten gratreduzierten Schmiedeprozesses zu erhöhen und Iterationsschleifen von Gesenkauslegungen zu verringern, wurden passende Simulationsparameter unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Schmiedeumgebung untersucht. Dies geschieht mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) unter Berücksichtigung von Formfüllung, Prozessstabilität und Pressenkräfte. Beim Einsatz von Querkeilwalzen und Gesenkschmieden mit Gratsperre reduziert der neu entwickelte Schmiedprozess den Gratanteil deutlich von 69% auf 32%.

Querkeilwalzen, Schmieden, Gratreduziert, FEM Simulationen, Gratsperren

In diesem Paper wird die Bildverarbeitung einer binären Einspurcodierung für die Bestimmung des Drehmoments präsentiert. Das Ziel der wissenschaftlichen Untersuchung ist die Bestimmung des absoluten Drehwinkels eines Zylinders und dem anliegenden Drehmoment. Für die Bildaufnahme werden zwei unabhängige Module genutzt, welche jeweils erlauben, die absolute Drehposition und Drehzahl zu erfassen. Bei gleichzeitiger Nutzung beider, kann das Drehmoment bestimmt werden. Markierungen werden mit einem Laserverfahren aufgebracht, um auch eine spätere Umsetzung zu ermöglichen. Der gewählte technologische Ansatz ist das sog. Winkeldifferenzverfahren. Das Konzept der Bildverarbeitung als auch erste Ergebnisse zur Drehmomentmessung aus der zweifachen absoluten Winkelpositionserfassung werden präsentiert.

Bildverarbeitung, Einspurcodierung, Drehmoment

Dieser Vortrag erläutert die Ergebnisse des Forschungsprojekts "4.0 Ready" und geht dabei insbesondere auf die Potenziale und Hemmnisse der Einführung interaktiver Assistenzsysteme sowie die Unterstützung dieser über die Verwendung von Reifegradmodellen ein.

Industrie 4.0, Interaktive Assistenzsysteme, Datenbrillen, Reifegradmodelle

Ihre Ansprechpartnerin

Susann Reichert
B. Eng.

Referentin für Public Relations und Marketing

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