Inhalte der Online-Ausgabe 11/12-2022

Steigerung der Bauteil­performance in der Zerspanung

V. Schulze – Bereich Fertigung- und Werkstofftechnik, wbk Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

In der vorliegenden Ausgabe 11/12-2022 der wt Werkstattstechnik online erwarten den Leser interessante Beiträge aus unterschiedlichen deutschen produktionstechnischen Instituten, die am von mir koordinierten DFG-Schwerpunktprogramm 2086 „Oberflächenkonditionierung in der Zerspanung“ beteiligt sind und dort Ansätze aus der Zerspanung, der Messtechnik, der Werkstofftechnik sowie der Simulation zusammenführen. Diese sind alle dem angegebenen Ziel gewidmet: Optimierung des Randschichtzustandes nach der Zerspanung zur Verbesserung der Bauteileigenschaften. S. 732

Werkzeugintegrierte Dünnschichtsensorik*

M. Plogmeyer, G. Bräuer; G. González, V. Schulze – Technische Universität Braunschweig, Institut für Oberflächentechnik IOT; Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig; KIT, wbk, Karlsruhe

Mit Dünnschichtsensoren werden die Temperaturen, Kräfte und der Werkzeugverschleiß in Zerspanungsprozessen in unmittelbarer Nähe zur Wirkzone erfasst. Dadurch können zum einen analytische Modelle zur Beschreibung von Randschichtzuständen präzise kalibriert werden. Zum anderen kann mit den in-process erfassten Kenngrößen ein sogenannter Softsensor zur Regelung der Prozessstellgrößen implementiert werden, um gezielt Randzoneneigenschaften des Werkstücks einzustellen. S. 733

Additive Fertigung individualisierter Sensorgehäuse*

S. Pfeffer, P. Springer, T. Granse; M. Neff, S. Leitl; A. Dorneich, M. Fritton, F. Geiger – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart; Arburg, Loßburg; Balluff, Neuhausen a. d. Fildern

Induktive Sensoren werden in Einschraubgehäusen als Standard­komponenten eingesetzt. In einem Verbund aus Fraun­hofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie den Firmen Arburg GmbH und Balluff GmbH wurde ein Ansatz entwickelt, um derartige Sensoren in individualisier­baren Gehäusen zu fertigen. Dieser Beitrag beschreibt wie Gehäuse additiv gefertigt und vergossen werden können. Zusätzlich werden Ergebnisse industrieller Qualifikationstests zur Evaluation der Sensoren beschrieben. S. 737

Überwachung der Randzone beim Unrundschleifen*

M. Rößler, M. Dix; J. Heinzel, B. Karpuschewski; R. Jedamski, J. Epp – Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz; Universität Bremen; Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT

Die gezielte Einstellung von Randzoneneigenschaften (unter anderem Eigenspannungszustand) beim Unrundschleifen stellt eine Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird die kombinierte Anwendung eines auf dem mikromagnetischen Barkhausenrauschen basierenden Messsystems und einer thermischen Prozessgrenze zur Detektion lokaler Randzonenbeeinflussungen beim Unrundschleifen untersucht. Das Barkhausenrauschsignal wird unter Berücksichtigung der variierenden Bauteilkrümmung ausgewertet. S. 743

Prozessregelung beim Einlippentiefbohren*

R. Wegert, T. Tandler, R. Badie, R. Eisseler, H.-C. Möhring; V. Guski, S. Schmauder – Institut für Werkzeugmaschinen IfW; Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre IMWF, Universität Stuttgart

Das Einlippentiefbohren zeichnet sich durch hohe Oberflächengüte und Druckeigenspannungen in der Bohrungswand aus. Diese Eigenschaften hängen wesentlich von den thermomechanischen Bedingungen im Bearbeitungsprozess ab. Die geforderten Randzoneneigen­schaften lassen sich durch Prozessregelung einstellen, wenn die thermo­mechanischen Bedingungen im optimalen Bereich gehalten werden. In diesem Beitrag wird eine Methode zur Regelung der Vorschubkraft vorgestellt. Die Vorgehensweise zur Ableitung der Übertragungs­funktion sowie die verwendete Hardware und die Schnittstellen werden beschrieben. S. 750

Mikromagnetische Charakterisierung der Bohrungsintegrität*

S. Strodick, F. Walther; R. Schmidt, L. Brause, A. Zabel, D. Biermann – Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik WPT; Institut für Spanende Fertigung ISF, Technische Universität Dortmund

(Mikro-) Magnetische Prüfsysteme werden zur schnellen und zer­störungsfreien Charakterisierung von Oberflächen­­­­rand­zonen BTA-tiefgebohrter Komponenten eingesetzt. Zur Erhöhung der Robustheit der Prüfmethodik erfolgen Analysen der Störgrößen sowie Validierungsmessungen mit verschiedenen Prüfsystemen und Sensoriken. Die Untersuchungen sind Teil der Entwicklung einer Softsensorik, die im Rahmen einer robusten Prozessregelung die gezielte Oberflächen­konditionierung beim Tiefbohren ermöglichen wird. S. 757

Digitale Werkstückmodelle in der Prozessplanung*

B. Denkena, M. Wichmann, J. Huuk – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW, Leibniz Universität Hannover

Innerhalb der CAD/CAM-Kette werden verschiedene digitale Werkstückmodelle eingesetzt, um Geometrien darzustellen oder Informationen zu visualisieren. Im Rahmen der NC-Simulation wird ein Dexel-Modell eingesetzt, welches die Möglichkeit bietet Simulations-, Prozess- und Qualitätsdaten lokal im Werkstück zu speichern. Es bietet somit eine umfangreiche Basis für das Training von ML-Modellen. In diesem Beitrag wird der Einsatz des digitalen Werkstückmodells am Beispiel eines Schaftfräsprozesses mit anschließender Formfehlerprognose dargestellt. Darauf aufbauend wird eine Methode vorgestellt, welche die prognostizierten Formfehler im Rahmen einer adaptiven Prozessplanung durch eine zusätzliche Zustellung und ein Neigen des Fräsers kompensiert. S. 762

Funktionsorientierte Stellgrößenauslegung beim Drehen*

B. Denkena, B. Breidenstein, M. Wichmann, H. N. Nguyen; L. Fricke, S. Barton, H. Maier – IFW; Institut für Werkstoffkunde IW, Uni Hannover

Mittels gezielter Randzonenbeeinflussung im Zerspanprozess kann neben der Geometrie ebenfalls die Funktionalität des Bauteils anhand der Prozessplanung eingestellt werden. Die verformungsinduzierte Martensitbildung beim Drehprozess erlaubt ein Aufhärten in der Randzone bei gleichzeitigem Beibehalten der Duktilität im Kern des Bauteils. Zusätzlich beeinflusst die Oberflächenrauheit die Bauteil­eigenschaften. Die Möglichkeiten und Grenzen für das gleichzeitige Einstellen beider Zielgrößen durch eine gezielte Prozessstellgrößen­auswahl werden aufgezeigt. S. 767

Einfluss von Spanleitstufen auf die Oberfläche*

T. Junge, A. Nestler, A. Schubert; T. Mehner, T. Lampke – Professur Mikrofertigungstechnik; Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik, Technische Universität Chemnitz

Das Einsatzverhalten von Bauteilen wird von deren Ober­flächenzustand bestimmt. In diesem Zusammenhang haben bei der spanenden Endbearbeitung die Werkzeuggeometrie und der daraus resultierende Spanfluss beziehungsweise -bruch eine große Bedeutung. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen werden die Aus­wirkungen der Spanleit­stufengeometrie auf Temperaturen und Kräfte beim Drehen der Aluminiumlegierung EN AW-2017 sowie die resultierenden Eigenspannungen und die Oberflächenrauheiten vertieft betrachtet. S. 773

Verschleißerkennung beim Außenlängsdrehen mit AE*

D. Diaz Ocampo, M. Heizmann; F. Pachnek, C. Kübler-Tesch, F. Zanger – Institut für Industrielle Informationstechnik IIIT; wbk, KIT

Hoher Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe führt zu geringen Standzeiten und inhomogenen Randschichten der Bauteile. Manuelle Verschleißuntersuchungen erfordern eine Unterbrechung der Fertigungsprozesse, was die Produktivität senkt. Durch Körperschallsensoren werden die akustischen Emissionen beim Außenlängsdrehen von Ti-6Al-4V erfasst und geeignete Merkmale identifiziert, welche eine indirekte Verschleißschätzung während des Prozesses ermöglichen. S. 779

Steigerung der Datenqualität in der Montage*

C. Schnur, S. Klein, A. Schütze, T. Schneider; A. Blum – Lehrstuhl für Messtechnik, Universität des Saarlandes; Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH, Saarbrücken, Lehrstuhl für Montagesysteme, Universität des Saarlandes

Daten sind eine wichtige Grundlage für die Anwendung von maschinellem Lernen (ML) in der Industrie, zum Beispiel für die Zustandsbewertung in der Montage. Insbesondere bei Brownfield-Anlagen ist die Datenqualität für einen zuverlässigen Einsatz von ML-Methoden häufig nicht ausreichend. Im Rahmen dieses Beitrags wird eine open-source Checkliste, basierend auf dem CRISP-DM Referenzmodell, vorgestellt, die die kritischen Punkte bei ML-Projekten abdeckt und so die Datenqualität sicherstellen und steigern soll. S. 783

Multiprotokollfähiges Meta-Datenmodell*

M. Bodenbenner, M. P. Sanders, B. Montavon, R. H. Schmitt – WZL, RWTH Aachen University; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen

Die Integration heterogener Messsysteme in eine Produktions-IT führt zu einem hohem Aufwand, da die Schnittstelle des Gerätes manuell an das verwendete Protokoll und Datenformat angepasst werden muss. In diesem Beitrag wird vorgestellt, wie durch die Verwendung einer domänenspezifischen Beschreibungssprache die Schnittstelle eines Messsystems, prototypisch basierend auf HTTP und MQTT, auf Basis eines Meta-­Datenmodells generiert und sich Informationen mit Kontext- und Metadaten annotieren lassen. S. 788

Virtualisierung in der Steuerungstechnik*

C. Susen, S. Storms, W. Herfs – WZL, RWTH Aachen

Das in der Informationstechnik bewährte Prinzip der Virtualisierung erlaubt die parallele Nutzung mehrerer Betriebssysteme auf derselben Hardware. Zusätzliche Anforderungen in der Steuerungstechnik an Sicherheit, Verfügbarkeit und zeitliche Determiniertheit erschweren den Einsatz dieses Prinzips jedoch erheblich. Ein Konzept zur Virtualisierung und Konsolidierung industrieller Steuerungen soll die Adaption erleichtern und zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit beitragen S. 792

In-situ Materialanalyse mit Mikromagnetik und ML-Verfahren*

D. Böttger, B. Strass, B. Wolter; A. Güray, D. Gauder, V. Schulze, G. Lanza – Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken; wbk, KIT, Karlsruhe

In diesem Beitrag wird das Detektionsvermögen der in-situ Hochgeschwindigkeits-3MA-Prüftechnik hinsichtlich qualitätskritischer Merkmale an AISI4140 mittels maschineller Lernverfahren wie der kanonischen Diskriminanzanalyse (CDA) und die Bewertung von dessen in-situ Fähigkeit erläutert. Abschließend wird das Potenzial in Bezug einer Steuerung und Regelung des Prozesses mithilfe von Softsensorik gezeigt. S. 797

Qualitätsmanagement-Methoden für Produkte mit KI-Funktionalitäten*

A. Aichele, A. Sauer; S. Grundstein, J. Schöck – Fraunhofer IPA, Stuttgart; ROI Management Consulting AG, München

Durch die Integration von künstlicher Intelligenz in mecha­tronische Systeme kann der Funktionsumfang in Produkten deutlich erhöht werden. Gleichzeitig stellt sich die Frage nach der Absicherung dieser neuartigen Systeme. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage in wie weit bekannte und sich bereits im Einsatz befindliche Methoden des Qualitätsmanagements in diesem neuen Kontext angewendet werden können. S. 802

Produkt-Service-Systeme kollaborativ umsetzen*

J. L. Schmitt, D. Doerr, J. Heidelbach, T. Bauernhansl – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau ist die kollaborative Umsetzung von Produkt-Service-Systemen ein viel­versprechendes Handlungsfeld. Entsprechende Vorhaben scheitern aber häufig oder kommen nicht zustande. Eine wesentliche Ursache sind die fehlenden Kooperationsfähig­keiten der Kooperationspartner. Zur Lösung des beschriebenen Problems untersucht dieser Beitrag, wie sich Kooperations­fähigkeiten durch die Interaktion mit neutralen Drittparteien bedarfsgerecht und effizient steigern lassen. S. 807

Stabile Antireflex-Beschichtungen für die Medizintechnik

P. Munzert; R. Staud; R. Götzelmann; S. Malobabic; F. Haacke – Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF; Jena; Karl Storz, Tuttlingen; Bühler Alzenau GmbH, Alzenau; Laser Components GmbH, Olching; GXC Coatings GmbH, Goslar

Optische Bauteile in der Medizintechnik unterliegen stetig steigenden Anforderungen an die Effizienz und Qualität. Um die Lichtausbeute der Optiken zu steigern, sowie das Auftreten von Geisterbildern zu vermeiden, sind Antireflex-Beschichtungen unverzichtbar. Jedoch unterliegen diese meist extremen Anforderungen bezüglich mechanischer und chemischer Beständigkeit. In einem gemeinsamen vom BMBF geförderten Projekt wurden Antireflex-Beschichtungen für Endoskopfenster entwickelt, die gegenüber Reinigungs-, Desinfektions- sowie Sterilisationsprozessen, wie sie im Krankenhaus angewendet werden, beständig sind. S. 816

Funktionalisieren von Faser-Kunststoff-Verbunden

V. Franke, J. Gebauer – Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden

Im Projekt „Chimera“ wird zur Gewichtsreduktion im Fahrzeugbau ein faserverstärktes Kunststoffbauteil auf innovative Weise mit metallischen Eigenschaften versehen. Durch die Kombination zweier Teilprozesse, dem Laserstrukturieren und dem thermischen Spritzen, sollen optimale Verbundfestigkeit und Langzeitbeständigkeit hergestellt werden. Demonstrator im Projekt ist ein Gehäusebauteil zur elektromagnetischen Abschirmung in einem Elektrofahrzeug. S. 822

Servitisierung im Rahmen der Fabrikplanung*

P. Burggräf, T. Adlon, M. Beyer, R. Koc – WZL, RWTH Aachen

Cyber-Physische-Produkt-Service-Systeme (CPSS) bilden die Grundlage zur Befähigung von Industrie 4.0 Use-Cases. Unter diese fallen auch digitale, vernetzte und intelligente Services, welche im Rahmen des Fabrikbetriebes Anwendung finden. Auf einem anbietergetriebenen Markt werden Services von Providern heutzutage in die Fabrik „gepusht“. Die Betrachtung der Service-Dimension aus der Planungsperspektive („Pull“) einer Fabrik findet in der Theorie und Praxis wenig Beachtung. Es wurden Bedarfe identifiziert, das Themenfeld in der Fabrikplanung der Zukunft zu verankern. S. 827

Anforderungen und Einsatz­bereiche der Brennstoffzelle*

A. Sauer, E. Gross, M. Schneider – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Momentan werden Brennstoffzellensysteme meist noch manufaktur­artig hergestellt, mit langen Produktionszeiten und unter hohen Kosten. Diese zeitintensive und anspruchsvolle Fertigung erfordert eine effiziente Automatisierungslösung. Der Brennstoffzellenstack, der den Kern des Brennstoffzellen­systems bildet, ist ein besonders zeit- und qualitätskritischer Engpass. Im Rahmen des Forschungs­projekts „H2FastCell“ wurden Experteninterviews sowie eine Onlineumfrage durchgeführt, welche die relevanten Ansätze und Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsmontage von Brennstoffzellenstacks aufzeigt. S. 834