Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Schneckengetriebe werden meist aus einer Stahlschnecke und einem Bronze-Schneckenrad gefertigt. Diese werden zur einstufigen Übertragung von Drehbewegungen bei hohen Übersetzungen eingesetzt. Einen Nachteil von Schneckengetrieben stellt der relativ hohe Verschleiß infolge der hohen Gleitreibung im Zahneingriff dar. Durch eine geeignete Schmierung können Reibung und Verschleiß reduziert werden. Dies reduziert den Temperaturanstieg
im Betrieb und führt somit zu einer längeren Lebensdauer des Getriebes. Aufgrund der ausgeprägten Kühlwirkung erfolgt die Schmierung von Schneckengetrieben in der Praxis überwiegend mit Schmierölen. Fettartige Schmierstoffe werden ebenfalls verwendet, weisen jedoch eine geringere Kühlwirkung als flüssige Schmierstoffe auf. Bei Vakuumanwendungen oder unter extremen Betriebsbedingungen, wie z.B. Hoch- oder Tieftemperaturanwendungen
sowie bei niedrigen hydrodynamischen Geschwindigkeiten, verlieren die oben genannten konventionellen Schmierstoffe ihre Schmierwirkung. Als Alternative
werden Festschmierstoffe eingesetzt.
Festschmierstoffe können im Allgemeinen auf verschiedene Weise in den Kontaktstellen von Maschinenelementen verwendet werden. In dieser Arbeit wird das Prinzip der Transferschmierung durch ein Opferbauteil eingesetzt. Hierbei werden Compounds aus strahlenmodifiziertem Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyamid (PA) als Opferbauteil im Schneckengetriebe verwendet, sodass die Stahlschnecke zeitgleich mit dem Bronze-Schneckenrad und dem Opferrad aus PA-PTFE-Compound im Zahneingriff steht. Durch die Belastung des Opferrades mit einem relativ kleinen Drehmoment verschleißt das Opferrad, wodurch der PTFE-Festschmierstoff freigesetzt und an der Stahloberfläche deponiert wird. Dies führt zur Bildung eines Transferfilms, welcher zur Schmierung des Kontakts
zwischen der Stahlschnecke und dem Bronze-Schneckenrad führt. Die Mechanismen des Auf- und Abbaus solcher Transferfilme in Schneckengetrieben sind derzeit unbekannt und werden in dieser Arbeit anhand experimenteller Untersuchungen erforscht. Hierzu wurden tribologische Versuche an Modellprüfständen durchgeführt, wodurch das reib- und Verschleißverhalten an Stahl-Bronze-Kontakten untersucht wurde. Als Modellprüfstände kamen der Block-auf-Ring-, der Block-Zwei-Scheiben- und der Drei-Scheiben-Prüfstand zum Einsatz. Anschließend wurden Bauteilversuche auf einem Schneckengetriebeprüfstand durchgeführt, um die aus den Modellversuchen gewonnenen Erkenntnisse zu validieren. Mit Hilfe von oberflächenanalytischen Techniken wurden die Prüfkörper auf der Mikroskala untersucht, um die Qualität und Quantität des aufgebauten Transferfilms zu bestimmen.
In dieser Arbeit wird die Co-Konsolidierung im Thermoformen zwischen kontinuierlich faserverstärkten, teilkonsolidierten CF/PEEK Tape-Preforms und kontinuierlich faserverstärkten, vollständig konsolidierten CF/PEEK Tape-Laminaten untersucht. Bei der Co-Konsolidierung handelt es sich um die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei oder mehr Thermoplasten durch separates Aufheizen, Zusammenbringen der Fügeflächen und rasches Abkühlen unter Druck im isothermen Werkzeug. Die adressierte Anwendung ist das Verschweißen von Versteifungen auf Tape-Preforms während dem Thermoformen, sodass nachgeschaltete Fügeprozesse solcher Versteifungen obsolet werden und die Zykluszeit des Thermoformens unverändert bleibt.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Grad der Teilkonsolidierung der Tape-Preforms -
unabhängig der gewählten Einstellgrößen des Werkzeugdrucks - keinen Einfluss auf die Konsolidierung der Tape-Laminate nach dem Thermoformen nimmt. Im Bereich einer Versteifung ist ein vergleichsweise größerer Werkzeugdruck zur Konsolidierung der teilkonsolidierten Tape-Preform notwendig, damit dort die gleichen Eigenschaften wie fern der Co-Konsolidierung erzeugt werden. Die zwischen Tape-Laminat und Versteifung gemessenen Zugscherfestigkeiten, die mittels Co-Konsolidierung im Thermoformen erzeugt werden, sind niedriger als die der Co-Konsolidierung im Autoklav.
Diese Dissertation erläutert die Umsetzung eines RAMI 4.0 konformen Marktplatz in der spanenden Bearbeitung. Ziel ist es einen Lösungsansatz zu definieren, in dem firmenübergreifende Prozessketten für kleine Losgrößen automatisiert identifiziert werden und die Fertigung eines individuellen Produktes realisiert wird. Die Extraktion von Produktinformationen, die Fertigung eines individualisierten Produktes sowie die Beschreibung der Informationen in den Verwaltungsschalen wird validiert. Vor allem stellt sich als Herausforderung für die Zukunft heraus, eine gemeinsame Semantik für die Beschreibung von Capabilities zu definieren. Diese würde ermöglichen, dass ein Matching zwischen proprietären Produktinformationen und Skills möglich wird.
Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) ermöglichen die Herstellung kundenindividueller Produkte in kleinen Losgrößen durch Nutzung aktueller Entwicklungen der Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Materialfluss in CPPS ist jedoch aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften der Fördergüter und dynamischer Prozesszuweisungen die Gefahr physikalisch bedingter Störungen erhöht. Diese Arbeit untersucht die Nutzung von Physiksimulation als Basis eines Digitalen Zwillings von Fördermitteln, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Das Ziel besteht darin, durch die Simulation der physikalischen Phänomene einzelner Materialflussprozesse die negativen Einflüsse von Störungen zu verringern und somit die Leistungsfähigkeit des Produktionssystems zu erhöhen. Hierzu findet zunächst eine konzeptionelle Entwicklung des Digitalen Zwillings statt, die eine Analyse der beteiligten Systeme, eine Anforderungsdefinition, eine Festlegung von Aufbau- und Ablaufstruktur, sowie eine Formalisierung der einzelnen Funktionsbestandteile umfasst. Im Anschluss wird der Digitale Zwilling softwaretechnisch implementiert, mit einem exemplarischen Fördermittel vernetzt und prototypisch in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigen die Eignung der Physiksimulation für den beschriebenen Zweck und die Wirksamkeit des Einsatzes auf Produktionssystemebene, indem Materialflussprozesse beschleunigt durchgeführt, überwacht und im Falle von Störungen nachträglich simulativ untersucht werden können.
Die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine kann die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit spanender Bearbeitungsverfahren beeinflussen. Bei der spanenden Mikrobearbeitung sind die Größen- und Kraftverhältnisse zwischen Span, Werkzeug und Werkzeugmaschine im Vergleich zur spanenden Bearbeitung mit Werkzeuggrößen über einem Millimeter jedoch grundlegend unterschiedlich. Aufgrund dessen können dort gewonnene Erkenntnisse nicht ohne Weiteres für die spanende Mikrobearbeitung adaptiert werden. So gilt es für die spanende Mikrobearbeitung gesondert zu identifizieren, welche Effekte und Faktoren die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussen. Die veränderten Größenverhältnisse, Eingriffsverhältnisse und eingesetzten Maschinenkomponenten erschweren jedoch eine experimentelle Untersuchung. Eine simulationsgestützte Analyse des Prozesses und der Maschinenkomponenten kann deshalb maßgeblich dazu beitragen, die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine bei der spanenden Mikrobearbeitung zu verstehen.
Diese Arbeit präsentiert simulationsgestützte Methoden zur Analyse der Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine bei der spanenden Mikrobearbeitung. Darauf aufbauend werden die Interaktion zwischen Spindelwelle und Elektromotor sowie die Interaktion zwischen Prozess, Werkzeug, Spindel und Maschine für das Mikrofräsen und Mikroschleifen untersucht. Zwischen der Spindelwelle und dem Elektromotor kann keine Interaktion identifiziert werden. Stattdessen liegt ein nicht vernachlässigbarer unidirektionaler Einfluss des Elektromotors auf die Spindelwelle vor. Ebenso konnte eine unidirektionale Beeinflussung des Werkzeugs durch die Werkzeugspindel ermittelt werden. Zwischen dem Prozess und dem Werkzeug kommt es zu einer Interaktion. Jedoch beschränkt sich diese Interaktion auf das Werkzeug, das heißt, die Spindelwelle wird nicht vom Werkzeug beeinflusst. Insgesamt zeigt sich, dass bei der spanenden Mikrobearbeitung nicht nur die Auftrennung der Werkzeugmaschine und des Spindel-Werkzeug-Systems zweckmäßig ist, sondern dass auch das Werkzeug und die Werkzeugspindel als separate Aspekte betrachtet werden müssen.
Die funktionale Wechselwirkung zwischen geometrischen Oberflächeneigenschaften und dem daraus resultierenden Haftreibwert wird in der vorliegenden Arbeit anhand von mechanisch bearbeiteten Stahloberflächen untersucht. Dabei wird der Fokus neben einer umfangreichen Analyse der Einflussfaktoren auf die Oberflächencharakterisierung gelegt. Basierend auf Drückversuchen und der Untersuchung der Oberflächendeformation wird eine Methode zur funktional relevanten Beschreibung der Oberfläche entwickelt. Die am Haftreibwert beteiligten Oberflächenanteile sind durch die Parameter Inselanzahl, projizierte Durchschnittsoberfläche und Durchschnittsmaterialvolumen beschrieben. Diese Kenngrößen fließen in eine mathema-tische Berechnung eines theoretischen Haftreibwertes ein. Es werden der theoretisch errech-nete und der aus einer statistischen Versuchsreihe ermittelte Haftreibwert miteinander vergli-chen. Statistische Untersuchungen sowie die Aufstellung eines Messunsicherheitsbilanz stüt-zen die Forschungsergebnisse. Damit leistet diese Arbeit nicht nur einen Beitrag zur funktion-sorientierten Oberflächenbeschreibung, sondern auch zur methodischen Korrelations-/ Re-gressionsanalyse und zur Integration geometrischer Oberflächenparameter in Haftreibwert-untersuchungen.
Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (TP-FKV) werden aufgrund ihres Leichtbaupotentials zusammen mit Metallen vermehrt in Multimaterialstrukturen eingesetzt [1, 2]. Der Einsatz TP-FKV ermöglicht das thermische Fügen, wobei die Benetzung der Metalloberfläche mit Polymer und hierdurch die Zug-Scher-Festigkeit der Verbindung mit steigendem Fügeweg ebenfalls ansteigt. Im Rahmen der Arbeit wurde der Fügeweg als Indikator für eine qualitätsgesicherte Fügung mittels induktiver Erwärmung validiert.
Der Fügeweg wird maßgeblich durch die Fügetemperatur, den Fügedruck und die verwendeten Materialien bestimmt. Um den im Prozess gemessenen Fügeweg als Qualitätssicherungsmerkmal nutzen zu können sind bei der Beurteilung der Messkurven auch mechanische und insbesondere thermische Dehnungen zu berücksichtigen. Diese Einflüsse konnten durch analytische Methoden erfasst, bewertet und bei der Beurteilung des Fügeweges entsprechend herausgerechnet werden.
Zur quantitativen Bewertung wurden TP-FKV/Stahl-Verbindungen durch induktives Fügen hergestellt und der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Prozessparameter, Witterung und Wechsellasten auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für alle untersuchten TP-FKV in Kombination mit einer laserstrukturierten Stahloberfläche Verbindungsfestigkeiten im Bereich von Referenzklebungen erreicht wurden. Durch den Einsatz von für das jeweilige Matrixpolymer optimierten Haftvermittlern auf den Stahloberflächen konnten ebenfalls gute Verbindungsfestigkeiten erreicht werden. Das Schädigungsverhalten der TP-FKV/Stahl-Verbindung nach Bewitterung beziehungsweise Wechsellasten wurde anhand von Schliffbildanalysen und Simulationen analysiert. Die Arbeit schließt mit der Implementierung des induktiven Fügens in eine Fertigungszelle.
Eine große Untergruppe der Soft Robotik sind die mehrkammerigen pneumatischen Biegeaktuatoren.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung dieser Art Aktuatoren mittels eines Balkenmodells und arbeitet speziell die Vorteile heraus, die sich aus einer Berücksichtigung der wechselseitigen Abhängigkeiten von Design und Modellierung ergeben. Die Verwendung eines Balkenmodells ist numerisch deutlich effizienter als die Simulation eines dreidimensionalen Körpers, trotzdem werden die Freiheitsgrade axiale Dehnung, Biegung, Scherung und Torsion vom verwendeten Cosserat-Balken berücksichtigt. Zunächst wird ein sinnvolles Design für mehrkammerige
Biegeaktuatoren durch systematische Untersuchung von Designaspekten und unter Berücksichtigung von Aspekten der Modellierung hergeleitet. Zur Modellierung der einzelnen Kammern des Biegeaktuators wird ein Ansatz mittels des Prinzips der virtuellen Arbeit gewählt. Das resultierende Modell erlaubt insbesondere Rückschlüsse auf die Sensitivität der Kammern gegenüber externen axialen Kräften. Dies ist ein wichtiger Aspekt, der bei der Modellierung des mehrkammerigen Biegeaktuators mittels Cosserat-Balken aufgegriffen wird. Dieses Modell wiederum nutzt das besonders gut zu modellierende Design des Aktuators, um einen Zusammenhang zwischen Dehn- und Biegesteifigkeit herzustellen, der, im Gegensatz zu bisherigen Modellen, auch Rücksicht auf die axiale Dehnung des Aktuators nimmt. So lassen sich dreidimensionale Simulationen einzig auf Grundlage axialer Parameteridentifikation durchführen. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Zusammenhänge zwischen Design und Modellierung und die daraus entwickelten Methoden sind eine wichtige Grundlage für komplexere Anwendungen in der Zukunft.
Sub-zero Kühlschmierstoffe: Wirkmechanismen und Einsatzverhalten am Beispiel der Drehbearbeitung
(2023)
Die für die Kühlung und Schmierung eingesetzte Technologie ist für die Leistungsfähigkeit fertigungstechnischer Prozesse von hoher Bedeutung, sowohl für die Produktivität und Prozessstabilität als auch hinsichtlich der Qualität gefertigter Werkstücke. Beim Drehen werden dazu üblicherweise Emulsionen eingesetzt. Der Einsatz kryogener Medien weist zwar ein hohes Verbesserungspotential auf, wird aber bislang nur selten industriell eingesetzt. In dieser Arbeit wird auf Basis einer umfangreichen Analyse der strömungsmechanischen, thermodynamischen und tribologischen Vorgänge verschiedener Kühlschmierstrategien eine neuartige sub-zero Kühlschmierstrategie motiviert und entwickelt. Zu diesem Zweck werden sub-zero Kühlschmierstoffe formuliert, die einen Gefrierpunkt von weit unter 0 °C aufweisen und dadurch unter geringen Zufuhrtemperaturen in einem flüssigen stabilen Zustand eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird die sub-zero Kühlschmierstrategie ganzheitlich mit Blick auf die Strahlerzeugung, die Zufuhrmethodik sowie hinsichtlich der Kühl- und Schmierwirkung erforscht. Auf Basis dieser Erkenntnisse wird eine optimierte sub-zero Kühlschmierstrategie am Beispiel der Drehbearbeitung von Titanlegierungen und Stahlwerkstoffen analysiert. Im Vergleich zur Trockenzerspanung sowie der Verwendung kryogener und herkömmlicher KSS weist der neuartige sub-zero Ansatz ein hohes Potenzial auf. Die sub-zero Kühlschmierstrategie ist eine universell einsetzbare Kühlschmierstrategie, mit der die Vorteile der kryogenen Zerspanung mit den Vorteilen herkömmlicher Emulsion kombiniert werden können. Weitgehend unabhängig von dem zerspanten Werkstoff, der Werkstückgeometrie, den Zerspanungswerkzeugen oder den Stellgrößen wird der Drehprozess durch die Kombination aus hoher Kühl- und Schmierwirkung verbessert.
Die vorliegende Arbeit betrachtet die Eigenschaften eines tribologischen Kontaktes bei elektrischem Stromdurchgang. Diese unerwünschten Stromdurchgänge entstehen etwa durch die Kombination von unvermeidbaren parasitären Kapazitäten in einem Elektromotor unter dem Einsatz von schnellschaltenden Frequenzumrichtern mit steilen Spannungsflanken. Folge dieser Stromdurchgänge sind Schäden an den Kontaktpartnern als auch an dem dazwischen befindlichen Schmiermittel. Zur Vorhersage der Gefährdung eines Antriebsstrangs hinsichtlich parasitärem Stromdurchgang werden elektro-mechanische Simulationen eingesetzt. Diese erlauben eine Beurteilung des tribologisch-elektrischen Kontaktes hin auf seine Gefährdung gegen Stromdurchgang. Basierend hierauf können dann geeignete Abhilfemaßnahmen getroffen werden.
Zur weiteren Verbesserung solcher elektro-mechanischen Simulationen werden im ersten Teil der Arbeit experimentell die Durchschlagspannung als auch der Widerstand des Entladekanals ermittelt. Hierbei zeigt sich ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten des Entladewiderstands, welches in dieser Form nicht vollumfänglich mit den Kenntnissen aus der Hochspannungstechnik erklärt werden kann. Hierauf aufbauend werden die langzeitlichen Auswirkungen des parasitären Stromdurchgangs im definierten tribologischen Zustand der Mischreibung betrachtet. Zur Ermittlung von Wechselwirkungen werden umfangreiche Messgrößen aufgezeichnet und analysiert. Im abschließenden Teil der Arbeit werden die Auswirkungen des elektrischen Stromdurchgangs auf die Oberflächenrauheiten simulativ ermittelt.