Inhalte der Online-Ausgabe 6-2020

Die Zukunft der Produktionstechnik

T. Bergs – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen; Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren am Werkzeugmaschinen­labor WZL der RWTH Aachen (Editorial)

Das SARS-CoV-2-Virus und seine Auswirkungen stellen zahlreiche Wirtschaftsbranchen vor große Herausforderungen. Volkswirte des Internationalen Währungsfonds (IWF) prognostizieren für dieses Jahr einen deutlichen Einbruch des Bruttoinlandsprodukts (BIP) in Deutschland; weltweit gehen sie von einem Rückgang der Wirtschaftsleistung um 3 % in diesem Jahr aus (https://www.imf.org/en/Publications/WEO/Issues/2020/04/14/weo-april-2020). Für viele produzierende Unternehmen ergeben sich daraus zwangsweise auch neue Fragen rund um die Zukunft der Produktionstechnik. Noch nie war die Frage drängender, unter welchen Bedingungen Unternehmen künftig erfolgreich Produkte entwickeln und produzieren können.

Prozess-Empowerment durch Handlungsempfehlungen*

T. Kaufmann, D. Trauth, T. Bergs; S. Ganguly, W. Maaß – WZL der RWTH Aachen; Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, Saarbrücken

Industrielle Güter durchlaufen eine Vielzahl von Bearbeitungsschritten, während der Bauteilwert sich entlang dieser Wertschöpfungskette steigert. Eine robuste und Edge-KI-basierte Vorhersage von Prozessergebnissen befähigt Maschinenbediener durch abgeleitete Handlungsempfehlungen aktiv bei ihrer Entscheidungsfindung. Dies ermöglicht nicht nur eine vorausschauend effiziente, sondern auch eine nachhaltige Produktion.

Hartwalzen von Lagerringen zur Lebensdauersteigerung*

K. Jahnel, S. Hähnel, T. Grunwald, T. Bergs – Fraunhofer IPT, Aachen

Zur Steigerung der Lagerlebensdauer von Hybridwälzlagern hat das Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT gemeinsam mit Cerobear GmbH, Hegenscheidt-MFD (A Member of the NSH-Group) und Schmitz-Metallographie GmbH an der Qualifizierung und Implementierung des Verfahrens Hartwalzen in die Prozesskette zur Herstellung von Hybridwälzlagern gearbeitet. Durch die Induzierung von Druckeigenspannungen in die Lagerlauffläche konnte die Lebensdauer nachweislich erhöht werden. Die Arbeiten wurden im Rahmen des geförderten Forschungsvorhabens „Hartwalzen von Lagerringen“ durchgeführt, das aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert wurde.

Höhere Standmenge mit der richtigen Vorschubrampe*

T. Bergs, J. Brimmers, J. Mazak – WZL der RWTH Aachen

Die Weichbearbeitung von Kegelrädern erfolgt durch ein Werkzeugsystem aus Messerkopf und Stabmessern. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels aus Werkzeuggeometrie und Prozesskinematik entstehen Mehrflankenspäne, deren Geometrie simulativ bestimmt werden kann. In diesem Bericht wird der Einfluss des veränderlichen Vorschubs auf den Werkzeug­verschleiß untersucht und durch Ergebnisse der Fertigungs­simulation „BevelCut“ erläutert.

Echtzeit-Bauteilprüfung beim Feinschneiden*

H. Voigts, R. Hild, A. Feuerhack, T. Bergs – WZL der RWTH Aachen

Die Schnittteilqualität beim Feinschneiden unterliegt einer Vielzahl von Einflussfaktoren. Derzeit findet die Qualitätsbewertung offline vom Prozess statt. Um eine echtzeitfähige Qualitätsbeurteilung für den Einsatz von Assistenzsystemen zu ermöglichen, wurde eine bildverarbeitende Methodik untersucht. Es wurde ein Prüfstand entwickelt zur Erforschung der Methoden für eine automatisierte bildverarbeitende und echtzeitfähige Analyse der Schnittteilqualität mittels neuronalen Netzen.

Einfluss der Schleifscheibenanstellung auf die Oberflächenqualität*

B. Denkena, A. Krödel, M. Wilckens – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Leibniz Universität Hannover

Eine steigende Nachfrage an komplex geformten Bauteilen fordert neue, produktivere Fertigungsverfahren sowohl für die Luftfahrt wie auch für die Medizintechnik. Die Bahnplanung für diese Bauteile kann durch die gezielte Verwendung von Bearbeitungswinkeln verbessert werden. Bisher ist der Einfluss sich ändernder Winkel während der Bearbeitung auf die Oberflächenqualität des Bauteils jedoch unzureichend untersucht. Dieser Artikel zeigt vorteilhafte Winkelbereiche für zwei beispielhafte Maschinen und Werkzeuge auf.

Schärfprozess beim Doppelseitenplanschleifen*

L. Lichtschlag, E. Uhlmann – Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF)

Die Herstellung der Schneidfähigkeit der Schleifwerkzeuge bildet neben der Erzeugung ebener Schleifbelagsprofile die Grundlage effizienter und produktiver Schleifprozesse beim Doppelseitenplanschleifen mit Planetenkinematik. Zur wissenschaftlichen Durchdringung des meist erfahrungsbasiert ausgelegten, komplexen Schärfprozesses werden potenzielle Einflussgrößen und deren Effekte auf das Schärfergebnis systematisch analysiert.

Praxisnahe Validierung industrieller F&E-Trends*

M. Keßelring, M. Kayser, F. Wagner – Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart

Mit qualitativen Experteninterviews analysiert dieser Beitrag die Praxisrelevanz von quantitativ gewichteten F&E (Forschung und Entwicklung)-Trends der kommenden zwei bis fünf Jahre. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, Verantwortlichen und Mitarbeitenden in F&E einen besseren Einblick in relevante Praxisthemen der industriellen F&E zu geben und Chancen und Herausforderungen aufzeigen. Diese Grundlage soll Entscheider befähigen, kollektive Tendenzen industrieller F&E abzuleiten und geeignete Investitionsstrategien zu formulieren.

Die drei Modi der Biologischen Transformation

T. Bauernhansl, M. Wolperdinger – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA; Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2019 die Biologische Transformation zu einer strategischen prioritären Forschungsinitiative erklärt. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB leiten diese Initiative. Die Biologische Transformation ist definiert als die systematische Anwendung des Wissens über natürliche Prozesse, die darauf abzielt, ein Fertigungssystem hinsichtlich seiner gesellschaftlichen und geschäftlichen Herausforderungen zu optimieren [1]. Angestrebt ist eine Konvergenz von Bio- und Technosphäre.

Use Cases eines Sensor­systems für die Produktion*

S. Kärcher, F. Grabi, S. Gessert, C. Reich, T. Bauernhansl – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Unternehmen stehen aktuell häufig vor der Frage, wie sie die Vorteile von Industrie 4.0 (I4.0) am besten für sich nutzen können. Als schwierig erweist sich zum einen, dass der I4.0-Markt intransparent ist, zum anderen, dass I4.0-Lösungen oft hohe Investitionen sowie spezifische IT-Kompetenzen erfordern und wenig flexibel in der Erprobung sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bietet sich ein modulares Sensorsystem an: Es ermöglicht die Datenerfassung und -auswertung mit geringem Aufwand und kann von Unternehmen eingesetzt werden, um Erfahrungen im Bereich der Digitalisierung zu sammeln. Anwendungsmöglichkeiten beziehungsweise Use Cases finden sich etwa in der Montage, der Fertigung, der Intralogistik sowie bei der Wertstromanalyse. Einige Use Cases werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Schwingungsüberlagerter Kreissägeprozess*

M. Raab, M. Stroka, M. Schneider – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Der Beitrag beschreibt die Auswirkung einer 20-kHz-Wechselschwingung beim Sägewerkzeug am Beispiel des orthogonalen Schnitts. Eingangs werden der Stand der Wissenschaft zu ultraschallinduzierter Reibungsreduzierung sowie die FEM-­gestützte Abbildung des Schwingverhaltens scheibenförmiger Werkzeuge im 20-kHz-Bereich vorgestellt. Anschließend wird der experimentelle Versuchsaufbau beschrieben, welcher die Gegenüberstellung mit und ohne Ultraschallüberlagerung beim Zerspanvorgang anhand der zeitlich gemittelten Kraft­verläufe erlaubt sowie erste Ergebnisse dazu vorgestellt.

Hybrid-additive Fertigung von Werkzeugkomponenten*

S. Belitz, T. Todzy, A. Jäger; H. Zeidler – Technologieentwicklung Werkzeugbau – Mercedes-Benz Werk Sindelfingen, Mercedes-Benz AG, Sindelfingen; Institut für Maschinenelemente, Konstruktion und Fertigung IMKF, Technische Universität Bergakademie Freiberg

Durch die wachsende Produktvielfalt nimmt das Potenzial der additiven Fertigung im Werkzeugbau stetig zu. Ein neuartiger Ansatz ist die hybrid-additive Herstellung von Werkzeugkomponenten mittels Laserauftragschweißen. Mithilfe numerischer Simulationen können effiziente Verfahrstrategien analysiert und prozessbedingte Eigenspannungen und Verformungen reduziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Finite­Elemente-Modell für den Laserauftragschweißprozess entwickelt und in der Software „LS-Dyna“ validiert.

Lastgerechte Endlosfaser-verstärkungen im 3D-Druck*

B. Wirth, J. Dittus, F. Baumann, S. Coutandin, J. Fleischer – wbk Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Neue additive Fertigungsverfahren ermöglichen die individualisierte Herstellung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (eFVK) mit hohen mechanischen Steifigkeiten und Festig­keiten. Um Bauteile belastungsspezifisch auslegen zu können, müssen neue Methoden zur belastungsgerechten Integration der Verstärkungsfasern unter Berücksichtigung von Prozessrandbedingungen entwickelt werden. Am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie wird ein innovativer Ansatz entwickelt, der Verstärkungsfasern spannungs- und fertigungsgerecht in additiv gefertigte Bauteile integriert.

Process Mining in der additiven Auftragsabwicklung*

P. Scherwitz, S. Ziegler; J. Schilp – Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg; Universität Augsburg

Die Fähigkeit der additiven Fertigung in Losgröße 1 zu fertigen, erzeugt eine hohe Komplexität in der Auftragsabwicklung. Dies stellt die datenbasierte Optimierung der Prozessabläufe vor große Herausforderungen. Durch die geringen Stückzahlen, bei einer hohen Variantenanzahl, ist die Prozessaufnahme in der additiven Fertigung mit signifikanten Aufwänden verbunden. Abhilfe kann hier eine automatisierte Prozessaufnahme schaffen. Deshalb soll in diesem Beitrag die Technologie des Process Mining untersucht und darauf aufbauend eine Vorgehensweise für die datenbasierte Optimierung in der additiven Fertigung vorgestellt werden.

Anwenderfreundliche Prozessüberwachungssysteme*

B. Denkena, B. Bergmann, T. H. Stiehl – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW, Leibniz Universität Hannover

Prozessüberwachungssysteme reduzieren Ausschuss und Stillstände. Allerdings schränken die prozessspezifische Parametrierung und das erforderliche Expertenwissen den wirtschaftlichen Einsatz der Systeme ein. Dieser Beitrag stellt nachvollziehbare und automatische Ansätze zur Auswahl geeigneter Signale, ihrer Verarbeitung und Bildung von Überwachungsgrenzen vor. Die Ergebnisse zeigen, dass die damit erreichte Überwachungsleistung vergleichbar mit einer Konfiguration durch geschultes Personal ist.

Erhöhung der Robustheit beim Verzahnungsdrücken*

W. Schmidt, P. Groche – Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt

Hohe Anforderungen an Komponenten erfordern Bauteile mit hoher Härte. Hochpräzise harte Verzahnungen werden üblicherweise spanend hergestellt. Denn nach einer Umformung weicher Halbzeuge kommt es infolge des zwingend erforderlichen Härteprozesses oft zu schwer kontrollierbarem Wärmeverzug. Die umformtechnische Herstellung von Verzahnungen aus harten Halbzeugen ist bisher aufgrund der erwarteten hohen Werkzeuglasten nicht etabliert. Im Beitrag wird eine neuartige Prozesskinematik unter Verwendung von Servoantrieben vorgestellt, um die Lasten zu senken und die Hartumformung zu ermöglichen.

Auslegung von Servopressenantrieben*

B.-A. Behrens, R. Krimm, A. Höber – Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen IFUM, Garbsen

Die Auslegung des Antriebsstrangs einer Servopresse stellt einen komplexen Prozess dar. Aufgrund der konstruktiven Wechselwirkung der Komponenten ist dieser mit einer potenziell großen Anzahl von Iterationsstufen, häufig auch im Kontakt mit Zulieferern, verbunden. Im Beitrag wird ein Softwaretool vorgestellt, das den Entwicklungsprozess einer Servo­- presse beschleunigt und variabler gestaltet. Im Rahmen des Vorhabens wurde neben einem parametrischen Motormodell ein variables mechanisches Modell eines Servopressen-­Antriebsstrangs erstellt und validiert.

Mikrostrukturierung mit innovativen Laserverfahren*

J. Finger, A. Brenner, L. Pongratz, A. Gillner – Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Die Herstellung funktionaler Oberflächen mit Strukturmerk­malen im Mikrometerbereich stellt für die Fertigungstechnik eine besondere Herausforderung dar. Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Femto- und Picosekundenbereich bieten hier Lösungen zur großflächigen Strukturierung mit Genauigkeiten im Nanometerbereich. Durch Kontrolle der zeitlichen Pulsfolge lassen sich die Produktivität des Verfahrens signifikant steigern und zusätzliche Prozessschritte, wie das Laserpolieren, integrieren.

Präventive Arbeitsgestaltung in der Intralogistik*

M. Braun, D. Marrenbach, O. Scholtz – Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IA, Stuttgart

Trotz weitreichender Automatisierungspotenziale leistet der Mensch einen unabdingbaren Beitrag, um kundenorientierte und wettbewerbsfähige Logistikprozesse zu sichern. Zur Abwendung unerwünschter Ereignisse gewinnt das Vorsorgeprinzip an Bedeutung. Im Forschungs- und Transferprojekt „Previlog“ wurden präventive Methoden einer menschengerechten Arbeitsgestaltung in der Intralogistik entwickelt und erprobt. Sie sind in einem pragmatischen Handlungsleitfaden zusammengefasst. Bei der Wirkungskontrolle präventiver Maßnahmen zeigte sich, dass die Wirksamkeit von Umsetzungen vornehmlich durch interindividuelle Faktoren beeinflusst wird.