Veröffentlichungen

Das Laserdurchstrahlschweißen (LTW) ist eine bekannte Technologie zum Verbinden konventionell hergestellter thermoplastischer Teile, z. B. Spritzgussteile. Wird LTW für additiv gefertigte Teile (in der Regel Prototypen, Kleinserien) verwendet, muss das Verfahren weiterentwickelt werden, um die aus dem additiven Fertigungsprozess resultierenden Schwierigkeiten bei der Teilezusammensetzung zu überwinden.

In diesem Beitrag wird eine Methode zur Verbesserung der Schweißnahtqualität von lasergeschweißten, additiv gefertigten Bauteilen mithilfe eines auf einem neuronalen Netz basierenden Expertensystems vorgestellt. Zur Validierung des Expertensystems werden Probekörper aus Polylactid additiv gefertigt. Die Parameter des additiven Fertigungsprozesses, die Transmissivität und die Parameter des LTW-Prozesses werden verwendet, um die Scherzugkraft mit dem neuronalen Netzwerk vorherzusagen. Die transparenten Proben werden mit schwarzen absorbierenden Proben als Überlappstoß verschweißt und in Scherzugversuchen geprüft. In dieser Arbeit wird die Vorhersage der Scherzugskraft mit einer Genauigkeit von 88,1 % des auf einem neuronalen Netz basierenden Expertensystems nachgewiesen.

Additive Fertigung, Laserdurchstrahlschweißen, Neuronale Netze, Expertensystem

Während des Flachbackenwalzens laufen zwei Werkzeugplatten aneinander vorbei und formen das darin eingeschlossene zylindrische Halbzeug um. Im Rahmen des Forschungsprojekts Unrundwalzen wird das Walzen von mehreren, lokal unrunden Geometrien wie Exzentern untersucht. Unter Zuhilfenahme der statistischen Versuchsplanung ist eine simulative Parameteruntersuchung erfolgt, Haupteinflussgrößen wurden erkannt und Prozessfenster identifiziert.

Unrund, Exzenter, Flachbackenwerkzeuge, Vorform, Zwischenform, FEM

Wie lassen sich additiv gefertigte Bauteile mit dem Laser verschweißen? Der schichtweise Aufbau additiver Bauteile macht den Schweißprozess komplizierter als bei herkömmlich produzierten Teilen. Das IPH und LZH erforschen gemeinsam, wie man Bauteile trotzdem qualitätssicher fügen kann.

Additive Fertigung, 3D-Druck, Laserdurchstrahlschweißen, Fügen, Qualität

In der manuellen Massivumformung werden bei der Bearbeitung von Schmiedeteilen handgeführte Schmiedezangen eingesetzt. Beim Schmiedeprozess werden die Mitarbeiter körperlich durch hohe Schmiedeteilgewichte und übertragene Stöße belastet. Diese körperliche Belastung führt zu gesundheitlichen Einschränkungen der Mitarbeiter und erhöht die Ausfallquoten. Im IPH wurden ergonomische Schmiedezangen entwickelt, die zu einer Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen.

Ergonomie, Schmiedezangen, Umformtechnik, Prävention

Die Planung von Fabriken kann die Produktivität der Produktion erheblich steigern, obwohl der Prozess sehr kosten- und zeitintensiv ist. In dieser Arbeit wird ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) vorgestellt, das diesen Prozess beschleunigt und die Kosten senkt. Das System besteht aus einem UAV, das mit einer IMU, einer Kamera und einem LiDAR-Sensor ausgestattet ist, um unbekannte Innenräume zu navigieren und zu erkunden. Es ist also unabhängig von GNSS und nutzt ausschließlich die bordeigenen Sensoren. Die gewonnenen Daten sollen es einem DRL-Agenten ermöglichen automatisiert Entscheidungen zu treffen und dabei den Ansatz des Bestärkenden Lernens anzuwenden. In der Arbeit präsenteiren wir eine virtuelle Trainings- und Testumgebungen, die für das Anlernen eines DRL-Agenten verwendet werden soll.

Drohne, UAS, Bestärkendes Lernen

In diesem Beitrag werden Zielfunktionen für die Optimierung von modularen Fördersystemen vorgestellt. Modulare Fördersysteme bestehen sowohl aus konventioneller als auch aus modularer Fördertechnik, die in Form von matrixartigen Layouts angeordnet sind. Ziel eines laufenden Forschungsprojektes ist es, kleinen und mittleren Unternehmen eine benutzerfreundliche Entscheidungshilfe für die Auswahl und Planung von modularen Fördersystemen zu geben. Zu diesem Zweck sollen die Fördersysteme nach den Zielen Durchsatz und Platzbedarf bewertet werden. Dazu wurden mathematische Gleichungen entwickelt, die eine schnelle und präzise Bewertung von Layouts ermöglichen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der effizienten Berechnung des Durchsatzes. Die Ergebnisqualität der Bewertungsgleichungen hinsichtlich des Durchsatzes wurde durch eine Simulation von Beispielanlagen nachgewiesen.

Modular Fördertechnik, Fördersystembewertung, Durchsatzanalyse, Layoutoptimierung, Logistik

Ein volatiles, intransparentes Marktumfeld führt zu Schwankungen in der Auslastung der Produktionskapazitäten im verarbeitenden Gewerbe, die sich innerhalb der Produktion in einer Über- oder Unterauslastung von Maschinen und Personen niederschlagen. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) erwarten eine zunehmende Volatilität, die mit einer Zunahme der Häufigkeit von Markt- und Konjunkturzyklen einhergeht. Für KMU ist es schwierig, mit diesen Schwankungen umzugehen. Plattformen zur gemeinsamen Nutzung von Kapazitäten können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen. Plattformen sind in verschiedenen Formen verfügbar, werden aber aufgrund der vorherrschenden Skepsis der Unternehmen nicht häufig genutzt. Daher wird eine Methodik entwickelt, die eine Entscheidungshilfe für oder gegen die Nutzung von Plattformen bietet. Zusätzlich wird die Wahl des Plattformtyps unterstützt und die Veränderungen der logistischen und wirtschaftlichen Indikatoren berücksichtigt. Mit diesen Informationen können Unternehmen eine qualitative Entscheidung treffen, und die bestehenden Hemmschwellen können abgebaut werden.

Kapazitätssharing, Entscheidungshilfe, Anbieter Nachfrager, logistische wirtschaftliche Indikatoren

Durch die Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen lassen sich mehrdirektionale Prozesse in der Warmmassivumformung künftig verschleißarm und wirtschaftlich optimieren. Die ermittelten, verschleißinduzierenden Prozessparameter innerhalb der Konstruktionsrichtlinie stellen elementares Grundwissen dar, welches prozessspezifisch angewendet werden kann. Grundsätzlich hängt das wirtschaftliche Potenzial mehrdirektionaler Schmiedeprozesse unter Verwendung von Schiebewerkzeugen vom Anwendungsfall und den gewünschten Bauteilgeometrien ab. Mehrdirektionale Schmiedeprozesse bieten große Einsparpotenziale und können durch die gezielte Prozessauslegung unter Verwendung der erarbeiteten Ergebnisse hohe Standmengen aufweisen und die Wettbewerbssituation von Unternehmen positiv beeinflussen. Dadurch lassen sich die Herstellkosten für explizit ausgewählte Nischenbauteile mit deutlich erhöhter Komplexität künftig bei überschaubarem Investitionsaufwand reduzieren. Neben der prozessspezifischen Optimierung der Prozessparameter müssten in Zukunft Optionen zur konstruktiven Werkzeuganpassung in Hinblick auf lokale Kühlung beziehungsweise thermischen Isolierung der Schieber-Keil-Mechanik erarbeitet werden, um die Systeme in automatisierten Serienfertigungen gezielt einsetzen zu können.

Schieberwerkzeuge, Prozessauslegung, Wirtschaftlichkeit, Massivumformung

Die innerbetriebliche Lieferkette in Unternehmen umfasst alle Bereiche von der Beschaffung bis zum Versand. Sie ist geprägt von einer heterogenen Prozesslandschaft, oftmals einhergehend mit repetitiven, administrativen Aufgaben. Diese sind in der Regel mit einem hohen manuellen Aufwand sowie einem hohen Fehlerpotenzial verbunden. Ein Beispiel hierfür ist die manuelle Eingabe von Lieferscheinen in ein Enterprise-Resource-Planning-System (ERP-System). Selbst inkrementelle Verbesserungen helfen KMU bereits enorm, die Heterogenität der Prozesse in der innerbetriebliche Lieferkette zu bewältigen. Robotic Process Automation (RPA) ist hierfür ein vielversprechender Ansatz. RPA bietet das Potenzial zur Automatisierung von administrativen Prozessen in der innerbetriebliche Lieferkette, die bislang nicht automatisierbar erschienen.

logistics, internal supply chain, robotic process automation, RPA

In der Energiewende werden dringend Fortschritte benötigt – doch immer wieder kommt es bei den erneuerbaren Energien zu Akzeptanzproblemen und Klageverfahren. Im Projekt „WindGISKI“ soll ein Geoinformationssystem auf Basis Künstlicher Intelligenz entwickelt werden, was an diesen Fragestellungen ansetzt. In einem Vorprojekt wurden dazu bereits Einflussfaktoren innerhalb des Spannungsfeldes aus Arten-, Umwelt- und Klimaschutz identifiziert. Ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaft und Wirtschaft geht mit der Entwicklung der Künstlichen Intelligenz nun den nächsten Schritt.

Windenergie, Flächenauswahl, Künstliche Intelligenz

Durch Additive Fertigung können Bauteile flexibel gefertigt werden. Gerade für Produkte mit Unikatcharakter ist dieser Fertigungsprozess geeignet. In der Fertigung von großen Bauteilen, die bisher im Guss gefertigt werden, bietet dies die Vorteile von größerer Flexibilität in der Konstruktion und den Verzicht auf den Bau von, bei Unikaten nur einmalig genutzten, Formen. Um Großbauteile additiv zu fertigen, entwickelt ein Konsortium aus fünf Unternehmen einen neuen 3D-Drucker für XXL-Produkte. Zur Qualitätssicherung hat das IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover zwei Überwachungssysteme implementiert. Diese erfassen die Geometrie mittels dreier Laserlinienscanner und regeln den Fertigungsprozess während des Drucks mit zwei unterschiedlichen Softwaresystemen.

XXL-Produkte, Großbauteile, Additive Fertigung, 3D-Druck, Qualitätssicherung

Tailored Forming dient der Herstellung von Hybridbauteilen, bei denen die verwendeten Werkstoffe lokal an die unterschiedlichen physikalischen, chemischen und tribologischen Anforderungen angepasst werden. In dieser Arbeit wird eine Tailored-Forming-Prozesskette für die Herstellung einer Hybridwelle mit Lagersitz untersucht. Die Prozesskette besteht aus den Fertigungsschritten Laserwarmdraht-Auftragschweißen, Querkantenwalzen, Drehen und Festwalzen. Als Grundwerkstoff wird ein zylindrischer Stab aus Baustahl C22.8 verwendet und im Bereich des Lagersitzes eine Plattierung aus dem martensitischen Ventilstahl X45CrSi9-3 aufgebracht, um die erforderliche Festigkeit und Härte zu erreichen. Es wird untersucht, wie sich die Oberflächen- und Untergrundeigenschaften des Hybridbauteils, wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand, innerhalb der Prozesskette verändern. Die Ergebnisse werden mit einer früheren Studie verglichen, in der der austenitische rostfreie Stahl X2CrNiMo19-12 als Plattierungswerkstoff untersucht wurde. Es zeigt sich, dass der Eigenspannungszustand nach der Warmumformung von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Plattierungswerkstoffs abhängt.

Tailored Forming, Eigenspannung, Laserheißdrahtplattieren, Festwalzen, Hybridbauteile

Das Laserdurchstrahlschweißen (LTW) ist ein etabliertes Verfahren zum Fügen konventionell hergestellter thermoplastischer Großserienteile, z. B. Spritzgussteile für den Automobilsektor. Für den Einsatz von LTW bei additiv gefertigten Bauteilen (in der Regel Prototypen, Kleinserien oder Einzelanfertigungen) muss das Verfahren weiterentwickelt werden, um die aus dem additiven Fertigungsprozess resultierenden Schwierigkeiten beim Fügen der Bauteile zu überwinden. Im Vergleich zum Spritzgussverfahren führt das additive Fertigungsverfahren zu einer inhomogenen Struktur mit Lufteinschlüssen im Inneren des Bauteils. Daraus resultiert eine Veränderung der Transmissivität.

In diesem Beitrag wird eine Methode zur Verbesserung der Schweißnahtqualität von lasergeschweißten, additiv gefertigten Bauteilen mit Hilfe eines auf einem neuronalen Netz basierenden Expertensystems vorgestellt. Das entwickelte Expertensystem unterstützt den Anwender bei der Einstellung des additiven Fertigungsprozesses. Mit den Ergebnissen einer Vorarbeit wird ein neuronales Netz trainiert, um die Transmissionswerte der transparenten Proben vorherzusagen. Um das Expertensystem zu validieren, werden Proben aus transparentem Polylactid mit verschiedenen Fertigungsparametern additiv gefertigt, um die Transmissivität zu verändern. Die Transmissivität der Proben wird mit einem Spektroskop gemessen. Die Parameter des additiven Fertigungsprozesses werden zur Vorhersage der Transmissivität mit dem neuronalen Netz verwendet und mit den Messungen verglichen. Die transparenten Proben werden mit schwarzen Polylactidproben mit unterschiedlicher Laserleistung in Überlappungskonfiguration verschweißt und Scherzugversuche durchgeführt. Mit diesen Experimenten wird die Vorhersage von additiven Fertigungsparametern mit dem Expertensystem demonstriert, um die Bauteile für einen LTW-Prozess zu verwenden.

Additive Fertigung, Laserdurchstrahlschweißen, Neuronale Netze, Expertensystem

Die Reorganisation von Fabrikobjekten in der Restrukturierung bestehender Fabriken ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Im vorliegenden Beitrag wir ein Überblick über mögliche Zielkonflikte und zentrale Einflussfaktoren auf den Projekterfolg gegeben.

Fabriken unterliegen einem kontinuierlichen Wandel. Immer kürzer werdende Entwicklungszyklen in der Herstellung unterschiedlicher Produkte führen zu einem erhöhten Restrukturierungsbedarf betroffener Fertigungsstrukturen. Im Kontext von Fabrikplanungsprojekten steht die Gestaltung des Layouts unter dem Einfluss individueller Rahmenbedingungen im Fokus der Betrachtung. Die für eine Realisierung notwendigen Umzugsschritte werden zumeist erst nach Abschluss der Layoutgestaltung ermittelt. Die Planung und Vorbereitung des Umzugs stellt allerdings hinsichtlich der Zielsetzung und Komplexität eine eigenständige Projektaufgabe dar. Im Rahmen des Forschungsprojekts zur „Entwicklung einer Methode zur Optimalen Planung des Umzugs von Fabrikobjekten im Zuge der Realisierung eines neues Fabriklayouts“ (OptiFaU) werden grundlegende Zusammenhänge in der Planung und Durchführung von Fabrikumzügen untersucht und hinsichtlich Ihrer Bedeutung für den Projekterfolg diskutiert. Ziel des Projekts ist es, planenden Personen (z. B. UmzugsdienstleisterInnen oder FabrikplanerInnen) eine Möglichkeit zur Bewertung von Umzugsalternativen zur Verfügung zu stellen.

Umzugsplanung, Projektplanung, Terminplanng, Fabrikplanung, Reorganisation

Einen Algorithmus zur automatisierten Konstruktion von Walzwerkzeugen hat das IPH im DFG-Projekt "Unrundwalzen" entwickelt. Die Forschenden nutzen ihn, um umfangreiche Parameterstudien mit einer Vielzahl von Werkzeugen durchzuführen.

Unrundwalzen, Querkeilwalzen, Walzwerkzeuge, Konstruktion, Automatisierung, Algorithmus

Für mehr als die Hälfte der ca. 30.000 Windenergieanlagen in Deutschland endet in den kommenden zehn Jahren die 20-jährige EEG-Förderung. Wie technisch-wirtschaftlich optimale Nachnutzungsstrategien aussehen könnten, ist ungeklärt. Das BMWK-Verbundprojekt „TransWind“ verfolgt das Ziel, die End-of-Life-Thematik auf Mikro- und Makroebene transdisziplinär zu analysieren, um Akteure aus Politik, Windbranche sowie Ressourcen- und Kreislaufwirtschaft bei der Auswahl von Nachnutzungsstrategien zu unterstützen.

Windenergieanlagen, End-of-Life, EEG, Ökologie, Rückbau, Repowering, Demontage, XXL-Produkte

Die Prozesskette Tailored Forming dient der Herstellung hybrider Bauteile und besteht aus einem Fügeprozess für verschiedene Werkstoffe (z. B. Auftragschweißen), anschließender Warmumformung, spanender Bearbeitung und Wärmebehandlung. Auf diese Weise können Bauteile mit an den Lastfall angepassten Werkstoffen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden Hybridwellen durch Auftragschweißen einer Beschichtung aus X45CrSi9-3 auf ein Werkstück aus 20MnCr5 hergestellt. Die Hybridwellen werden dann durch Querkeilwalzen umgeformt. Es wird untersucht, wie sich die Dicke der Schicht und die Art der Abkühlung nach der Warmumformung (an Luft oder in Wasser) auf die Eigenschaften der Schicht auswirken. Die Hybridwellen werden ohne Schichtablösung umgeformt. Allerdings kommt es im Bereich des Lagersitzes durch den Mannesmann-Effekt zu leichten Kernauflockerungen. Die Mikrohärte der Auftragschicht wird durch die Kühlstrategie nur geringfügig beeinflusst, während die Mikrohärte des Grundmaterials bei wassergekühlten Wellen deutlich höher ist. Das Gefüge der Plattierung besteht nach beiden Abkühlstrategien hauptsächlich aus Martensit. Im Grundwerkstoff führt die Luftkühlung zu einem überwiegend ferritischen Gefüge mit Ferrit-Perlit-Körnern. Abschrecken in Wasser führt zu einem Gefüge, das hauptsächlich aus Martensit besteht.

Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Querkeilwalzen, Hybridbauteile, Auftragschweißen

Die Additive Fertigung ermöglicht es, RFID-Tags zur Identifikation von Bauteilen nicht nur von außen anzubringen, sondern sie direkt in das Bauteil zu implementieren. Welche Verfahren sind geeignet – und inwieweit lässt sich dieser Prozess automatisieren?

Additive Fertigung, 3D-Druck, FDM, Fused Deposition Modeling, Identifikation, RFID

Produktkomplexität und Variantenvielfalt steigern den Aufwand für die Entwicklung von Produktionsprozessen bei KMU. Im Rahmen des IGF-Forschungsprojekts „Selbstlernende mehrstufige Qualitätsüberwachungsverfahren für die (Laser)-Materialbearbeitung“ (AiF-Nr.: 20419N) wurde daher ein Expertensystem für produzierende Unternehmen aus dem Bereich Lasermaterialbearbeitung entwickelt. Das Expertensystem unterstützt die Anwender bei der Prozessteuerung und Qualitätsvorhersage von neuen Produkten und Produktvarianten .

Lasermaterialbearbeitung, Expertensystem, Machine Learning

Wie können Unternehmen das Maximum aus ihrer Fertigung herausholen und auch am Hochlohnstandort wirtschaftlich erfolgreich sein? Eine Hilfestellung bietet ein Manufacturing Execution System – eine prozessnah operierende Ebene eines mehrschichtigen Fertigungsmanagementsystems. Betriebe werden damit in die Lage versetzt, ihre Fertigungsplanung und -steuerung zu optimieren.

Eine Vielzahl kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) verzichtet aktuell noch auf diese Unterstützung, da die Aufwände für die Einführung eines solchen Systems zu groß erscheinen. Eine Möglichkeit, die anfallenden Aufwände zu reduzieren, ist die umfassende Vorbereitung auf die MES-Einführung. Ein "MES-Readiness-Check" soll eine Unterstützung für diese Vorbereitung bieten. Die Anforderungen, die diese Einführungsphase an Unternehmen stellt, werden dadurch offen gelegt. Der Betrieb kann prüfen, ob er die notwendigen Anforderungen erfüllt.

Manufacturing Execution System, MES, Digitalisierung

Ansprechperson

Susann Reichert
B. Eng.

Referentin für Public Relations und Marketing

Anmerkung zu Veröffentlichungen bei sogenannten

„Predatory Publishers"

In der Vergangenheit sind unsere Mitarbeiter vereinzelt auf sogenannte „Predatory Publisher" hereingefallen. Dabei handelt es sich um Verleger, die sich nicht an die Regeln guter wissenschaftlicher Praxis halten, indem sie beispielsweise einen Peer-Review-Prozess vortäuschen, ohne dass dieser tatsächlich stattfindet. Vor Bekanntwerden der unwissenschaftlichen Motivation der Anbieter wurden diese durch das IPH als eine von mehreren Möglichkeiten gesehen, relevante Forschungsergebnisse einem breiten internationalen Publikum zugänglich zu machen.
Vom Vorwurf pseudowissenschaftlicher Beiträge möchte sich das IPH jedoch nachdrücklich distanzieren. Die Qualität der Anbieter ist nicht mit der inhaltlichen Qualität und dem allgemeinen wissenschaftlichen Anspruch der Beiträge des IPH, welche vorab immer in internen Reviewprozessen geprüft werden, gleichzusetzen.
In den Publikationslisten wurden diese Beiträge gelöscht, da sie unseren Anforderungen an Veröffentlichungen nicht genügen. Im Sinne der Transparenz und des offenen Umgangs mit diesem Thema haben wir uns jedoch dafür entschieden, diese ebenfalls in den Jahresberichten aufgeführten Veröffentlichungen in den auf unserer Webseite downloadbaren PDF-Dokumenten nicht zu verändern. Bei diesen handelt es sich um Zeitdokumente, die in ihrer gedruckten Form nicht nachträglich verändert werden können. Nach Bekanntwerden hat das IPH intern Prozesse inklusive eines systematischen Bewertungssystems für Anbieter etabliert, um sicherzustellen, dass diese Anbieter nicht weiter genutzt werden.