Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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In the past years, development and production processes in many companies have changed in a revolutionary way, leading to new demands in information and CAx technology. The R&D-departments of the German automotive industry installed a working group to develop a common long term CAD/CAM strategy1. A preliminary result is the concept for an open CAx system architecture as a basis for realizing industrial requirements on CAD/ CAM and for the cooperation with system vendors. The project ANICA was started in cooperation with five international CAD/CAM -suppliers in order to show the feasibility of this architecture. The access interfaces of different system kernels are analysed with the aim of developing a concept for a cooperating CAx system network. The concept will be put into practice with a software prototype basing on CORBA and OLE. The communication elements within such an architecture have to go far beyond conventional CAD data. This will lead to an extension of "feature" concepts including CAx functionality and dynamic information about the process chain of a product. The impact on modern concepts for user interfaces, on reverse engineering methods and on product data models will be discussed to finally close the loop to industrial CAx application.
Process Chain in Automotive Industry - Present Day Demands versus Long Term Open CAD/CAM Strategies
(1997)
The automotive industry was a pioneer in using CAD/CAM technology. Now the car manufacturers development process is almost completely done with this technology. Substantial initiative for the standardisation of CAD/CAM technics comes from the automotive industry, as e.g. for neutral CAD data interfaces. The R&D departments of German car manufacturers have founded a working group ii with the aim to develop a common long term CAD/CAM strategy. One important result is the concept of a future CAx iii architecture based on the standard data structure STEP iv . The commitment of the car manufactures to STEP and open system architectures is in contradiction to their attitude towards suppliers and subcontractors: Recently, more and more contractors are contractually bound to use exactly the same CAD system as the orderer. The German car industry tries to find a way out of this contradiction and to improve the co-operation between the companies in short term. Therefore they proposed a "Dual CAD Strategy", i.e. to put improvements in CAD communication into practice which are possible today - even proprietary solutions - and in parallel to invest in strategic concepts to prepare tomorrow's open system landscape.
On the one hand, in the world of Product Data Technology (PDT), the ISO standard STEP (STandard for the Exchange of Product model data) gains more and more importance. STEP includes the information model specification language EXPRESS and its graphical notation EXPRESS-G. On the other hand, in the Software Engineering world in general, mainly other modelling languages are in use - particularly the Unified Modeling Language (UML), recently adopted to become a standard by the Object Management Group, will probably achieve broad acceptance. Despite a strong interconnection of PDT with the Software Engineering area, there is a lack of bridging elements concerning the modelling language level. This paper introduces a mapping between EXPRESS-G and UML in order to define a linking bridge and bring the best of both worlds together. Hereby the feasibility of a mapping is shown with representative examples; several problematic cases are discussed as well as possible solutions presented.
Interoperability between different CAx systems involved in the development process of cars is presently one of the most critical issues in the automotive industry. None of the existing CAx systems meets all requirements of the very complex process network of the lifecycle of a car. With this background, industrial engineers have to use various CAx systems to get an optimal support for their daily work. Today, the communication between different CAx systems is done via data files using special direct converters or neutral system independent standards like IGES, VDAFS, and recently STEP, the international standard for product data description. To reduce the dependency on individual CAx s ystem vendors, the German automotive industry developed an open CAx system architecture based on STEP as guiding principle for CAx system development. The central component of this architecture is a common, system-independent access interface to CAx functions and data of all involved CAx systems, which is under development in the project ANICA. Within this project, a CAx object bus has been developed based on a STEP data description using CORBA as an integration platform. This new approach allows a transparent access to data and functions of the integrated CAx systems without file-based data exchange. The product development process with various CAx systems concerns objects from different CAx systems. Thus, mechanisms are needed to handle the persistent storage of the CAx objects distributed over the CAx object bus to give the developing engineers a consistent view of the data model of their product. The following paper discusses several possibilities to guarantee consistent data management and storage of distributed CAx models. One of the most promising approaches is the enhancement of the CAx object bus by a STEP-based object-oriented data server to realise a central data management.
Today, the worlds and terminologies of mechanical engineering and software engineering coexist, but they do not always work together seamlessly. Both worlds have developed their own separate formal vocabulary for expressing their concepts as well as for capturing and communicating their respective domain knowledge. But, these two vocabularies are not unified, interwoven, or at least interconnected in a reasonable manner. Thus, the subject of this paper is a comparison of the vocabularies of the two fields, namely feature technology from the area of mechanical engineering and software design patterns from the software engineering domain. Therefore, a certain amount of definitions, history, examples, etc. is presented for features as well as for design patterns. After this, an analysis is carried out to identify analogies and differences. The main intention of this paper is to inform both worlds - mechanical and software engineering - about the other side's terminology and to start a discussion about potential mutual benefits and possibilities to bridge the gap between these two worlds, e.g. to improve the manageability of CAx product development processes.
The increasing parallelisation of development processes as well as the ongoing trends towards virtual product development and outsourcing of development activities strengthen the need for 3D co-operative design via communication networks. Regarding the field of CAx, none of the existing systems meets all the requirements of very complex process chain. This leads to a tremendous need for the integration of heterogeneous CAx systems. Therefore, MACAO, a platform-independent client for a distributed CAx component system, the so-called ANICA CAx object bus, is presented. The MACAO client is able to access objects and functions provided by different CAx servers distributed over a communication network. Thus, MACAO is a new solution for engineering design and visualisation in shared distributed virtual environments. This paper describes the underlying concepts, the actual prototype implementation, as well as possible application scenarios in the area of co-operative design and visualisation.
In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten von thermoplastischen
Verbundwerkstoffen mittels experimentellen und numerischen Untersuchungen
betrachtet. Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Identifikation und Quantifikation
des Versagensverhaltens und der Energieabsorptionsmechanismen von geschichteten,
quasi-isotropen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden und die Umsetzung
der gewonnenen Einsichten in Eigenschaften und Verhalten eines Materialmodells zur
Vorhersage des Crash-Verhaltens dieser Werkstoffe in transienten Analysen.
Vertreter der untersuchten Klassen sind un- und mittel-vertreckte Rundgestricke und
glasfaserverstärkte Thermoplaste (GMT). Die Untersuchungen an rundgestrickten
glasfaser-(GF)-verstärktem Polyethylentherephthalat (PET) waren Teil eines
Forschungsprojektes zur Charakterisierung sowohl der Verarbeitbarkeit als auch des
mechanischen Verhaltens. Experimente an GMT und Schnittfaser-GMT wurden
ebenfalls zum Vergleich mit dem Gestrick durchgeführt und dienen als Bestätigung
des beobachteten Verhaltens des Gestrickes.
Besonderer Aufmerksamkeit wird der Einfluß der Probengeometrie auf die Resultate
gewidmet, weil die Crash-Charakteristiken wesentlich von der Geometrie des
getesteten Probekörpers abhängen. Hierzu wurde ein Rundhutprofil zur Untersuchung
dieses Einflußes definiert. Diese spezielle Geometrie hat insbesondere Vorteile
hinsichtlich Energieabsorptionsvermögen sowie Herstellbarkeit von thermoplastischen
Verbundwerkstoffen (TPCs). Es wurden Impakt- und Perforationsversuche zur
Untersuchung der Schädigungsausbreitung und zur Charakterisierung der Zähigkeit
der untersuchten Materialien durchgeführt.
Geschichtete TPCs versagen hauptsächlich in einem Laminat-Biegemodus mit
kombiniertem intra- und interlaminaren Schub (transversaler Schub zwischen Lagen und teilweise mit transversalen Schubbrüchen in einzelnen Lagen). Durch eine
Kopplung der aktuellen Versagensmodi und Crash-Kennwerten wie der mittleren
Crash-Spannung, konnten Indikationen über die Relation zwischen Materialparameter
und absoluter Energieabsorption gewonnen werden.
Numerische Untersuchungen wurden mit einem expliziten Finiten Elemente-
Programm zur Simulation von dreidimensionalen, großen Verformungen durchgeführt.
Das Modell besteht bezüglich des Querschnittaufbaus aus einer mesoskopischen
Darstellung, die zwischen Matrix-zwischenlagen und mesoskopischen Verbundwerkstofflagen unterscheidet. Die Modellgeometrie stellt einen vereinfachten
Längsquerschnitt durch den Probekörper dar. Dabei wurden Einflüsse der Reibung
zwischen Impaktor und Material sowie zwischen einzelnen Lagen berücksichtigt.
Auch die lokal herrschende Dehnrate, Energie und Spannungs-Dehnungsverteilung
über die mesoskopischen Phasen konnten beobachtet werden. Dieses Modell zeigt
deutlich die verschiedenen Effekte, die durch den heterogenen Charakter des Laminats
entstehen, und gibt auch Hinweise für einige Erklärungen dieser Effekte.
Basierend auf den Resultaten der obengenannten Untersuchungen wurde ein
phänomenologisches Modell mit a-priori Information des inherenten
Materialverhaltens vorgeschlagen. Daher, daß das Crashverhalten vom heterogenen
Charakter des Werkstoffes dominiert wird, werden im Modell die Phasen separat
betrachtet. Eine einfache Methode zur Bestimmung der mesoskopischen Eigenschaften
wird diskutiert.
Zur Beschreibung des Verhaltens vom thermoplastischen Matrixsystem während
„Crushing“ würde ein dehnraten- und temperaturabhängiges Plastizitätsgesetz
ausreichen. Für die Beschreibung des Verhaltens der Verbundwerkstoffschichten wird
eine gekoppelte Plastizitäts- und Schädigungsformulierung vorgeschlagen. Ein solches
Modell kann sowohl den plastischen Anteil des Matrixsystems als auch das
„Softening“ - verursacht durch Faser-Matrix-Grenzflächenversagen und Faserbrüche -
beschreiben. Das vorgeschlagene Modell unterscheidet zwischen Belastungsfällen für
axiales „Crushing“ und Versagen ohne „Crushing“. Diese Unterteilung ermöglicht
eine explizite Modellierung des Werkstoffes unter Berücksichtigung des spezifischen
Materialzustandes und der Geometrie für den außerordentlichen Belastungsfall, der
zum progressiven Versagen führt.
Based on the framework of continuum mechanics two different concepts to formulate phenomenological anisotropic inelasticity are developed in a thermodynamically consistent manner. On the one hand, special emphasis is placed on the incorporation of structural tensors while on the other hand, fictitious configurations are introduced. Substantial parts of this work deal with the numerical treatment of the presented theory within the finite element method.
In this work the investigation of a (Ti, Al, Si) N system was done. The main point of investigation was to study the possibility of getting the nanocomposite coatings structures by deposition of multilayer films from TiN, AlSiN, . This tries to understand the relation between the mechanical properties (hardness, Young s modulus), and the microstructure (nanocrystalline with individual phases). Particularly special attention was given to the temperature effects on microstructural changes in annealing at 600 °C for the coatings. The surface hardness, elastic modulus, and the multilayers diffusion and compositions were the test tools for the comparison between the different coated samples with and without annealing at 600 °C. To achieve this object a rectangular aluminum vacuum chamber with three unbalanced sputtering magnetrons for the deposition of thin film coatings from different materials was constructed The chamber consists mainly of two chambers, the pre-vacuum chamber to load the workpiece, and the main vacuum chamber where the sputtering deposition of the thin film coatings take place. The workpiece is moving on a car travel on a railway between the two chambers to the position of the magnetrons by step motors. The chambers are divided by a self constructed rectangular gate controlled manually from outside the chamber. The chamber was sealed for vacuum use using glue and screws. Therefore, different types of glue were tested not only for its ability to develop an uniform thin layer in the gap between the aluminum plates to seal the chamber for vacuum use, but also low outgassing rates which made it suitable for vacuum use. A epoxy was able to fulfill this tasks. The evacuation characteristics of the constructed chamber was improved by minimizing the inner surface outgassing rate. Therefore, the throughput outgassing rate test method was used in the comparisons between the selected two aluminum materials (A2017 and A5353) samples short time period (one hour) outgassing rates. Different machining methods and treatments for the inner surface of the vacuum chamber were tested. The machining of the surface of material A (A2017) with ethanol as coolant fluid was able to reduce its outgassing rate a factor of 6 compared with a non-machined sample surface of the same material. The reduction of the surface porous oxide layer on the top of the aluminum surface by the pickling process with HNO3 acid, and the protection of it by producing another passive non-porous oxides layer using anodizing process will protect the surface for longer time and will minimize the outgassing rates even under humid atmosphere The residual gas analyzer (RGA) 6. Summary test shows that more than 85% of the gases inside the test chamber were water vapour (H2O) and the rests are (N2, H2, CO), so liquid nitrogen water vapor trap can enhance the chamber pumping down process. As a result it was possible to construct a chamber that can be pumped down using a turbo molecular pump (450 L/s) to the range of 1x10-6 mbar within one hour of evacuations where the chamber volume is 160 Litters and the inner surface area is 1.6 m2. This is a good base pressure for the process of sputtering deposition of hard thin film coatings. Multilayer thin film coating was deposited to demonstrate that nanostructured thin film within the (Ti, Al, Si) N system could be prepared by reactive magnetron sputtering of multi thin film layers of TiN, AlSiN. The (SNMS) spectrometry of the test samples show that a complete diffusion between the different deposited thin film coating layers in each sample takes place, even at low substrate deposition temperature. The high magnetic flux of the unbalanced magnetrons and the high sputtering power were able to produce a high ion-toatom flux, which give high mobility to the coated atoms. The interactions between the high mobility of the coated atoms and the ion-to-atom flux were sufficient to enhance the diffusion between the different deposited thin layers. It was shown from the XRD patterns for this system that the structure of the formed mixture consists of two phases. One phase is noted as TiN bulk and another detected unknown amorphous phase, which can be SiNx or AlN or a combination of Ti-Al-Si-N. As a result we where able to deposit a nanocomposite coatings by the deposition of multilayers from TiN, AlSiN thin film coatings using the constructed vacuum chamber
Solid particle erosion is usually undesirable, as it leads to development of cracks and
holes, material removal and other degradation mechanisms that as final
consequence reduce the durability of the structure imposed to erosion. The main aim
of this study was to characterise the erosion behaviour of polymers and polymer
composites, to understand the nature and the mechanisms of the material removal
and to suggest modifications and protective strategies for the effective reduction of
the material removal due to erosion.
In polymers, the effects of morphology, mechanical-, thermomechanical, and fracture
mechanical- properties were discussed. It was established that there is no general
rule for high resistance to erosive wear. Because of the different erosive wear
mechanisms that can take place, wear resistance can be achieved by more than one
type of materials. Difficulties with materials optimisation for wear reduction arise from
the fact that a material can show different behaviour depending on the impact angle
and the experimental conditions. Effects of polymer modification through mixing or
blending with elastomers and inclusion of nanoparticles were also discussed.
Toughness modification of epoxy resin with hygrothermally decomposed polyesterurethane
can be favourable for the erosion resistance. This type of modification
changes also the crosslinking characteristics of the modified EP and it was
established the crosslink density along with fracture energy are decisive parameters
for the erosion response. Melt blending of thermoplastic polymers with functionalised
rubbers on the other hand, can also have a positive influence whereas inclusion of
nanoparticles deteriorate the erosion resistance at low oblique impact angles (30°).
The effects of fibre length, orientation, fibre/matrix adhesion, stacking sequence,
number, position and existence of interleaves were studied in polymer composites.
Linear and inverse rules of mixture were applied in order to predict the erosion rate of
a composite system as a function of the erosion rate of its constituents and their
relative content. Best results were generally delivered with the inverse rule of mixture
approach.
A semi-empirical model, proposed to describe the property degradation and damage
growth characteristics and to predict residual properties after single impact, was
applied for the case of solid particle erosion. Theoretical predictions and experimental
results were in very good agreement.
Strahlerosionsverschleiß (Erosion) entsteht beim Auftreffen von festen Partikel
auf Oberflächen und zeichnet sich üblicherweise durch einen Materialabtrag aus, der
neben der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel stark vom jeweiligen
Werkstoff abhängt. In den letzten Jahren ist die Anwendung von Polymeren und
Verbundwerkstoffen anstelle der traditionellen Materialien stark angestiegen.
Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe weisen eine relativ hohe Erosionsrate
(ER) auf, was die potenzielle Anwendung dieser Werkstoffe unter erosiven
Umgebungsbedingungen erheblich einschränkt.
Untersuchungen des Erosionsverhaltens anhand ausgewählter Polymere und
Polymer-Verbundwerkstoffe haben gezeigt, dass diese Systeme unterschiedlichen
Verschleißmechnismen folgen, die sehr komplex sind und nicht nur von einer
Werkstoffeigenschaft beeinflusst werden. Anhand der ER kann das
Erosionsverhalten grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: sprödes und duktiles
Erosionsverhalten. Das spröde Erosionsverhalten zeigt eine maximale ER bei 90°,
während das Maximum bei dem duktilen Verhalten bei 30° liegt. Ob ein Material das
eine oder das andere Erosionsverhalten aufweist, ist nicht nur von seinen
Eigenschaften, sondern auch von den jeweiligen Prüfparametern abhängig.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, das grundsätzliche Verhalten von
Polymeren und Verbundwerkstoffen unter dem Einfluss von Erosion zu
charakterisieren, die verschiedenen Verschleißmechanismen zu erkennen und die
maßgeblichen Materialeigenschaften und Kennwerte zu erfassen, um Anwendungen
dieser Werkstoffe unter Erosionsbedingungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
An einer exemplarischen Auswahl von Polymeren, Elastomeren, modifizierten Polymeren und Faserverbundwerkstoffen wurden die wesentlichen Einflussfaktoren
für die Erosion experimentell bestimmt.
Thermoplastische Polymere und thermoplastische- und vernetzte- Elastomere
Die Versuche, den Erosionswiderstand ausgewählter Polymere (Polyethylene
und Polyurethane) mit verschiedenen Materialeigenschaften zu korrelieren, haben
gezeigt, dass es weder eine klare Abhängigkeit von einzelnen Kenngrößen noch von
Eigenschaftskombinationen gibt. Möglicherweise führt die Bestimmung der
Materialeigenschaften unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie bei den Erosionsversuchen zu einer besseren Korrelation zwischen ER und
Materialkenngröße.
Modifiziertes Epoxidharz
Am Beispiel eines modifizierten Epoxidharzes (EP) mit verschiedener
Vernetzungsdichte wurde eine Korrelation zwischen Erosionswiderstand und
Bruchenergie bzw. Erosionswiderstand und Vernetzungsdichte gefunden. Die
Modifizierung erfolgte mit verschiedenen Anteilen von einem hygrothermisch
abgebauten Polyurethan (HD-PUR). Der Zusammenhang zwischen ER und
Vernetzungsparametern steht im Einklang mit der Theorie der Kautschukelastizität.
Modifizierungseffizienz in Duromeren, Thermoplasten und Elastomeren
Des weiteren wurde der Einfluss von Modifizierungen von Polymeren und
Elastomeren untersucht. Mit dem obenerwähnten System (d.h. EP/HD-PUR) läßt sich
auch der Einfluss der Zähigkeitsmodifizierung des Epoxidharzes (EP) auf das
Erosionsverhalten untersuchen. Es wurde gezeigt, dass für HD-PUR Anteile von
mehr als 20 Gew.% diese Modifizierung einen positiven Einfluss auf die
Erosionsbeständigkeit hat. Durch Variation der HD-PUR-Anteile können für dieses
EP Materialeigenschaften, die zwischen den Eigenschaften eines üblichen
Duroplasten und eines weniger elastischen Gummis liegen, erzeugt werden.
Deswegen stellt der modifizierte EP-Harz ein sehr gutes Modellmaterial dar, um den
Einfluss der experimentellen Bedingungen zu studieren, und zu untersuchen, ob
verschiedene Erodenten zu gleichen Erosionsmechanismen führen. Der Übergang
vom duroplastischen zum zähen Verhalten wurde anhand von vier Erodenten
untersucht. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein solcher Übergang auftritt, wenn
sehr feine, kantige Partikel (Korund) als Erodenten dienen. Die Partikelgröße und -form ist von entscheidender Bedeutung für die jeweiligen Verschleißmechanismen.
Die Effizienz neuartiger thermoplastischer Elastomere mit einer cokontinuierlichen
Phasenstruktur, bestehend aus thermoplastischem Polyester und
Gummi (funktionalisierter NBR und EPDM Kautschuk), wurde in Bezug auf die
Erosionsbeständigkeit untersucht. Große Anteile von funktionalisiertem Gummi (mehr
als 20 Gew.%) sind vorteilhaft für den Erosionswiderstand. Weiterhin wurde
untersucht, ob sich die herausragende Erosionsbeständigkeit von Polyurethan (PUR)
durch Zugabe von Nanosilikaten eventuell noch steigern läßt. Das Ergebnis war,
dass die Nanopartikel sich vor allem bei einem kleinen Verschleißwinkel (30°) negativ
auswirken. Die schwache Adhäsion zwischen Matrix und Partikeln erleichtert den
Beginn und das Wachsen von Rissen. Dies führt zu einem schnelleren
Materialabtrag von der Materialoberfläche.
Faserverbundwerkstoffe
Ferner wurden Faserverbundwerkstoffe (FVW) mit thermoplastischer und
duromerer Matrix auf ihr Verhalten bei Erosivverschleiß untersucht. Es war von
großem Interesse, den Einfluss von Faserlänge und -orientierung zu untersuchen.
Kurzfaserverstärkte Systeme haben einen besseren Erosionswiderstand als die
unidirektionalen (UD) Systeme. Die Rolle der Faserorientierung kann man nur in
Verbindung mit anderen Parametern, wie Matrixzähigkeit, Faseranteil oder Faser-
Matrix Haftung, berücksichtigen. Am Beispiel von GF/PP Verbunden weisen die
parallel zur Verstreckungsrichtung gestrahlten Systeme den geringsten Widerstand
auf. Andererseits findet bei einem GF/EP System die maximale ER in senkrechter
Richtung statt. Eine Verbesserung der Grenzflächenscherfestigkeit beeinflusst die
Erosionsverschleißrate nachhaltig. Wenn die Haftung der Grenzfläche ausreichend
ist, spielt die Erosionsrichtung eine unbedeutende Rolle für die ER. Weiterhin wurde
gezeigt, dass die Präsenz von zähen Zwischenschichten zu einer deutlichen
Verbesserung des Erosionswiderstands von CF/EP- Verbunden führt.
Eine weitere Aufgabenstellung war es, die Rolle des Faservolumenanteils zu
bestimmen. „Lineare, inverse und modifizierte Mischungsregeln“ wurden
angewendet, und es wurde festgestellt, dass die inversen Mischungsregeln besser
die ER in Abhängigkeit des Faservolumenanteils beschreiben können.
Im Anwendungsbereich von Faserverbundwerkstoffen ist nicht nur die Kenntnis
der ER, sondern auch die Kenntnis der Resteigenschaften erforderlich. Ein
halbempirisches Modell für die Vorhersage des Schlagenergieschwellwertes (Uo) für den Beginn der Festigkeitsabnahme und der Restzugfestigkeit nach einer
Schlagbelastung wurde bei der Untersuchung des Erosionsverschleißes
angewendet. Experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen stimmten
nicht nur für duromere CF/EP-Verbundwerkstoffe, sondern auch für
Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix (GF/PP) sehr gut überein.