Beim Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen können prozessbedingt Schmiedefehler wie bspw. Falten entstehen. Einen Sonderfall stellt dabei die Bildung von inneren Falten dar, welches sich im Faserverlauf ausprägt. Innere Falten haben u. a. einen negativen Effekt auf die dynamischen Bauteileigenschaften. Als Fertigungsverfahren kann Schmieden in eindirektionales und mehrdirektionales Schmieden unterteilt werden. Beim eindirektionalen Schmieden wurde die Entstehung von inneren Falten beobachtet. Durch die Verwendung des Umformens aus mehreren Richtungen – dem mehrdirektionalen Schmieden – kann die Umformung variabel eingestellt werden und dadurch eine Faltenbildung verhindert werden. Eine neu entwickelte Methode hilft bei der Auswahl des Umformverfahrens und bei der Bestimmung einer geeigneten Werkzeuggeometrie. Hier wird speziell der Bereich angepasst, in dem die inneren Falten entstehen. Dazu wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dem eine rechnergestützte Identifizierung der inneren Falten und eine Korrektur des verwendeten sowie parametrisch aufgebauten Schmiedewerkzeugs im relevanten Bereich möglich ist.
Mehrdirektionales Schmieden, flache Langteile, Aluminium, Faserverlauf
Die derzeitig genutzten Methoden zur Planung von Fabriklayouts sind hinsichtlich ihrer Bewertungsmethoden beschränkt. Die Fabrikbewertung erfolgt entweder qualitativ oder quantitativ, hierbei aber beschränkt auf wenige Zielgrößen. Diese Defizite wurden durch die Entwicklung einer Methode zur quantitativen, mehrdimensionalen ad hoc Fabrikbewertung überwunden. Auf dieser Basis ist es nun möglich, eine Fabriklayoutplanungsmethode zu entwickeln, die den Planungsaufwand reduziert und die Lösungsgüte deutlich erhöht.
Fabriklayoutplanung, Fabrikplanung, Fabrikbewertung, Operations Research, mathematische Modellierung
Auch heutzutage ist der Entwicklungsprozess von Massivumformverfahren in der Schmiedebranche durch eine getrennte Konstruktion und Simulation gekennzeichnet. Die dadurch entstehenden Iterationsschleifen benötigen viel Zeit. Am Beispiel eines gratlosen Umformprozesses für einen Flansch wird gezeigt, dass es mithilfe der Data-Mining Methode ”Neuronales Netzwerk” möglich ist, die Umformkraft zu prognostizieren ohne zeitaufwendige Finite-Elemente-Simulation durchzuführen.
Simulation, KI, Prognose, Umformkraft
Im Leichtbau werden neben hochfesten Stählen auch Leichtmetalle wie Aluminium eingesetzt. Eine Schweißverbindung aus Aluminium und Stahl führt jedoch zur Ausscheidung von spröden, intermetallischen Phasen und Kontaktkorrosion. Um die Vorteile dieser Kombination im Hinblick auf die Gewichtseinsparung zu nutzen, wurde das Hybride Verbundschmieden entwickelt. Dabei wurden ein Aluminium-Massivteil und ein Stahlblech in einem Arbeitsgang geformt und gleichzeitig mit Zink als Lotmaterial verbunden. Zu diesem Zweck wurde das Zink durch Schmelztauchverfahren auf das Aluminium aufgetragen, um über diese Schicht in einem Umformprozess unter Druck und Wärme eine Verbindung herzustellen. Durch die gebildete Zwischenschicht aus Zink ist die Bildung der intermetallischen Fe-Al-Phasen und die Kontaktkorrosion ausgeschlossen. Durch die Bestimmung der mathematischen Zusammenhänge zwischen den Fügeparametern und den Verbindungseigenschaften konnte die Festigkeit einer bestimmten Fügegeometrie auf das Niveau konventioneller Fügetechniken eingestellt werden. Neben der Darstellung der Verbindungseigenschaften wird auch der Einfluss des Fügeprozesses auf die Struktur der beteiligten Materialien dargestellt. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten bei statischer Zugspannung und Scherbeanspruchung aufgezeigt.
Leichtbau, Aluminium, Verbindungseigenschaften
Die Messung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments über Sensoren bildet die Grundlage für viele Industriezweige. Kombinierte Sensoren waren bisher nicht verfügbar, sodass durch getrennte Sensoren viel Bauraum beansprucht wird. Außerdem werden die Sensoreinstellungen schnell teuer. Daher wurde ein optisches und berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkel- und Drehmoments entwickelt. In diesem Beitrag werden die Validierungsmethodik, der Aufbau des Prüfstands und die Validierungsergebnisse vorgestellt. Mit einer Winkelauflösung von 0,001 Grad und einer Genauigkeit von mehr als 0,05 Prozent sind die Ergebnisse vielversprechend. Für die industrielle Anwendung sind jedoch weitere Untersuchungen zur Drehmomentenbestimmung und Miniaturisierung des optischen Aufbaus erforderlich.
Absoluter Drehwinkel, Winkeldifferenz, Sensor, Drehmoment
In diesem Paper ist die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage der Flittergratbildung beim gratlosen Schmieden basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM) beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Damit beeinflusst Flittergratblidung die Qualität von Prozess und Bauteil negativ. Eine direkte Berechnung des Flittergrats mittels FEM ist derzeit nicht möglich.
Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen. Anschließend wurde die vorformabhängige Flittergratbildung durch experimentelle Schmiedeversuche ermittelt. Die experimentell ermittelte Flittergratbildung wurde mit dem durch FEM-Simulationen berechnenten Druck in den Bereichen nahe des Fließspalts verglichen. Ausgehend vom FE-Knoten, der der Kante des Fließspalts am nächsten ist, wurden alle FE-Knoten entlang einer fiktiven Messlinie betrachtet, um Druckfunktionen P mittels polynomialer Regression zu bilden. Durch einen Vergleich der so ermittelten Druckfunktionen mit der experimentellen Flittergratbildung konnten die folgenden Schlüsse gezogen werden:
Schmieden, Gratloses Schmieden, FEM, Aluminium, Simulative Prognosemethode
Steigende Energiepreise sowie eine zunehmende Volatilität dieser, aufgrund der vermehrten Einspeisung von erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windenergie, stellen produzierende Unternehmen vor neue Herausforderungen: Beziehen Unternehmen ihren Strom kurzfristig zu schwankenden Preisen an Strombörsen oder über Energieeinkaufsgemeinschaften, kann die Fertigungssteuerung über ihre Stellgrößen die resultierenden Energiekosten bei konstantem Energieverbrauch beeinflussen. Gerade die Reihenfolgebildung, die kurzfristig über den nächsten zu bearbeitenden Auftrag entscheidet, weist dabei hohes Potenzial auf. Die in diesem Artikel vorgestellte energiepreisorientierte Reihenfolgeregel priorisiert zu Zeiten niedriger Energiepreise Aufträge mit einem hohen Energiebedarf und zu Zeiten hoher Energiepreise Aufträge mit einem niedrigen Energiebedarf, ohne dabei den geplanten Fertigstellungstermin zu vernachlässigen. Jedoch eignet sich die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nur unter bestimmten Voraussetzungen, die im vorliegenden Artikel anhand einer Simulationsstudie herausgearbeitet werden und die Wirkungsweise der Regel bestätigt wird.
Produktionsplanung und -steuerung, Fertigungssteuerung, Reihenfolgebildung, Energiekosten
In der Umformtechnik wie auch in anderen technischen Bereichen ist es heutzutage üblich, Prozesse zuerst zu simulieren, bevor experimentelle Vorversuche durchgeführt werden. Ein iterativer Simulationsprozess ist wirtschaftlicher als Vorversuche, nimmt aber dennoch viel Zeit in Anspruch, da eine Simulation mit realistischen Parametern meist viele Stunden dauert. Hinsichtlich eines wirtschaftlichen Entwicklungsprozesses entstand die Idee, zumindest Teile des Simulationsergebnisses innerhalb weniger Minuten durch Data Mining Verfahren vorherzusagen. In diesem Paper werden die vier Data Mining Verfahren Künstliches Neuronales Netz, Support Vector Machine, Lineare Regression und Polynomielle Regression bezüglich der Eignung zur Vorhersage der Umformkraft und simulativen Volumenschwundes durch Remeshing vorhergesagt. Beide Ausgangsgrößen wurden aufgrund ihrer Signifikanz für das Simulationsergebnis ausgewählt. Bei Betrachtung der Ausgangsgrößen kann für beide Vorhersagen festgestellt werden, dass das Künstliche Neuronale Netz am geeignetsten ist.
Data Mining, Neuronales Netzwerk, Lineare und Polynomielle Regression, Support Vector Machine
Interaktive Assistenzsysteme wie Datenbrillen oder Headsets als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglichen durch die Vernetzung innerhalb der Fabrik eine Erhöhung der Prozessqualität und -geschwindigkeit. Jedoch stehen gerade kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Einführung dieser Systeme kritisch gegenüber. Daher beschreibt dieser Beitrag die Entwicklung eines Reifegradmodells zur systematischen Fähigkeitsanalyse und -steigerung zur Einführung interaktiver Assistenzsysteme in Produktion und Logistik
Industrie 4.0, Interaktive Assistenzsysteme, Reifegradmodelle, Einführungsunterstützung
In dieser Veröffentlichung wird der Herstellungsprozess und die anschliessende Umnformung von seriellen hybriden Stahlteilen beschrieben. Die Halbzeuge wurden mittels Laserschweißen hergestellt und mittels Querkeilwalzen umgeformt. Die präsentierten Ergebnisse sind nur ein erster Ansatz, um Einblicke in das Umformverhalten von lasergeschweißten und quekeilgewalzten Teilen zu erhalten. Die untersuchte Materialkombination ist C22 (1.0402) und 20MnCr5 (1.7147). Die neue Prozesskette ermöglicht die Herstellung von hybriden Bauteilen. Zut Bewertung der entwickelten Prozesskette werden Schweißnaht und Fügezone vor und nach dem Querkeilwalzen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Fügeprozess mittels Laserschweißen eine starke Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen mit einer höheren Härte in der Fügezone als für die einzelnen Materialien ermöglicht. Nach dem Umformprozess ist die Verbindung in der Fügezone noch vorhanden. Die Härte der Fügezone nimmt ab, bleibt aber höher als für die einzelnen Werkstoffe selbst.
Tailored Forming, Laserstrahlschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen
Die Lagerplanung ist ein wichtiger Bestandteil der Fabrikplanung und stellt in Zeiten des globalen Wettbewerbs ein Optimierungspotenzial dar. Die Auswahl eines geeigneten Lager-, Kommissionier- und Transportsystems, im Folgenden LKT-System, ist speziell für kleine und mittlere Unternehmen eine große Herausforderung. In einem Forschungsprojekt am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH wird eine Methode entwickelt, mit der Unternehmen anhand des notwendigen Grads an Wandlungsfähigkeit und Automatisierung das optimale LKT-System bestimmen können. In diesem Artikel wird das Forschungsprojekt vorgestellt, der Lösungsweg erläutert sowie auf erste Ergebnisse eingegangen.
Lagerplanung, LKT-Systeme, Wandlungsfähigkeit, Automatisierung, Softwaredemonstrator
Der Schmelzprozess in einem Aluminiumschmelzofen kann nicht durch Kontaktsensoren überwacht werden, da der Ofen aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 700 ° C) nicht zugänglich ist. Im hier vorgestellten Forschungsprojekt wird daher erstmals die Überwachung des Schmelzprozesses mittels optischer Sensoren untersucht. Dieser Artikel befasst sich mit einem innovativen optischen Messsystem, das in der Lage ist, die Schmelzbrücke trotz der glühenden Ofenwände zu überwachen. Zu diesem Zweck wird eine Lichtfeldkamera auf einem Aluminiumschmelzofen installiert, um den Prozess zu überwachen und mit einem drehbaren Brenner gezielt Wärme in den Schmelzofen zu leiten. Die verwendete Lichtfeldkamera kann eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erfassen. Um dies zu erreichen, wird ein separates Linsenfeld zwischen dem Bildsensor und der Hauptlinse angeordnet, um ein virtuelles Zwischenbild auf den eigentlichen Bildsensor zur weiteren Datenverarbeitung zu projizieren. Darüber hinaus dient ein selbst entwickeltes Bildanalyseprogramm zur Überwachung der Höhenvariation des Aluminiumblocks und etwaiger Schmelzreste auf der Schmelzbrücke des Ofens.
So konnte die Energieeffizienz des Aluminiumschmelzprozesses um 15% gesteigert und die Schmelzzeit durch Online-Überwachung um fast 20 Minuten reduziert werden.
Lichtfeldkamera, Prozessüberwachung, Bildverarbeitung, Schmelzprozess, Energieeffizienz
Die Losgrößenbildung ist eine wichtige Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung. Bei der Losgrößenbildung wird üblicherweise auf losgrößenabhängige Auftragswechselkosten- sowie Lagerhaltungskosten zurückgegriffen. Modelle zur Losgrößenbildung vernachlässigen jedoch den Aspekt von losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten. Insbesondere für Schmiedeunternehmen ist der Werkzeugverschleiß aber von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, weil die Werkzeugkosten einen Hauptkostenfaktor der Herstellungskosten darstellen. In diesem Artikel wird das deterministische Logsgrößenmodell von Andler um losgrößenabhängige Instandhaltungskosten erweitert. Hierfür wird zunächst der Zusammenhang zwischen der Losgröße und dem Werkzeugverschleiß als Funktion abgebildet. Diese Funktion wird im Anschluss mit losgrößenabhängigen Instandhaltungskosten bewertet und in das Losgrößenmodell von Andler integriert. Die Validierung des erweiterten Losgrößenmodells erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die Funktionalität des erweiterten Losgrößenmodells validiert. Danach wird eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der losgrößenabhängigen Kosten und Stückkosten durchgeführt.
Losgrößenbildung, Werkzeugverschleiß, Schmiedeindustrie, Sensitivitätsanalyse
In dieser Veröffentlichung werden Untersuchungen über die Verschiebung der Fügezone von seriell angeordneten hybriden Halbzeugen beim Querkeilwalzen vorgestellt. Die untersuchten Werkstoffkombinationen sind Stahl-Stahl (C22 und 41Cr4) und Stahl-Aluminium (20MnCr5 und AlSi1MgMn). Der Querkeilwalzprozess wurde mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend experimentell untersucht. Untersuchungsschwerpunkt ist die Untersuchung der Verschiebung der Fügezone in Abhängigkeit der Hauptparameter des Querkeilwalzens. Es konnte gezeigt werden, dass das Umformverhalten seriellen hybriden Halbzeugen aus Stahl-Stahl und Stahl-Aluminium mit der FEM beschrieben werden kann. Die Abweichung der Verschiebung gemäß Simulation im Vergleich zu den experimentellen Versuchen beträgt nur etwa 3 %, was eine gute Näherung ist.
Querkeilwalzen, Hybride Bauteile, Fügezone, Stahl, Aluminium
Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmiedeprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde in diesem Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozessschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen.
Die FEM-Simulationen wurden hinsichtlich der vorformgeomtrieabhängigen Formfüllungs-Sychronität untersucht, um Bereiche der Flittergratbildung zu prognostizieren. Die FEM-basierten Prognosen wurden mit der in experimentellen Schmiedeversuchen ermittelten Flittergratbildung verglichen. Der Vergleich zeigte gute Übereinstimmung. In allen Bereichen, in denen simualtiv Flittergrat prognostiziert wurde, konnte auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung.
Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergratbildung, Vorhersage
Durch die Zunahme der Einspeisungen erneuerbarer Energien nimmt die Volatilität des Strompreises stetig zu. Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes können produzierende Unternehmen durch die Anwendung einer energiepreisorientierten Reihenfolgeregel Energiekosten sparen. Da die Anwendung dieser Reihenfolgeregel nicht nur Auswirkungen auf die Energiekosten hat, wird in diesem Fachbeitrag eine Potentialanalyse vorgestellt, welche neben den Energiekosten zusätzlich die Termineinhaltungskosten von Fertigungsaufträgen berücksichtigt.
Kostenrechnung, Fertigungssteuerung, Produktionsplanung und -steuerung
Produktbezogene Fehlerkosten können durch die Berücksichtigung menschlicher Leistungsschwankungen in der Belegungsplanung reduziert werden. In diesem Artikel wird das Problem der Belegungsplanung als mathematisches Problem formuliert und mit produktbezogenen Fehlerkosten und Logistikkosten erweitert. Produktbezogene Fehlerkosten steigen mit der Überbeanspruchung des operativen Personals. Die Logistikkosten basieren auf dem Umlaufbestand und der Durchlaufzeit. Die kostmäßige Definition der betrachteten Zielgrößen ermöglicht schließlich eine simultane Optimierung der Belegungsplanung. Zudem wird ein Memetischer Algorithmus (MA) zur Lösung des mathematischen Problems entwickelt. Im evolutionären Prozess des Memetischen Algorithmus ist ein lokales Suchverfahren sowie Reparaturverfahren integriert, um die Lösungsfindung zu beschleunigen und zu zu verbeseen. Schließlich wird der Einfluss von produktbezogenen Fehlerkosten auf die Gesamtkosten eines Belegungsplan untersucht.
flexible Belegungsplanung, memetischer Algorithmus, menschliche Leistugnsschwankungen, Fehlerkosten
Das Erfassen von Drehmomenten durch Sensoren, sowie das Erzeugen von Drehmomenten, stellt eine wichtige Basis für viele Industriezweige dar. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein optisches, berührungsloses Messverfahren zur absoluten Drehwinkel- und Drehmomentmessung entwickelt. Zum Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik wurde ein Versuchsstand aufgebaut und mit einem Referenzdrehmomentsensor verglichen. Die Ergebnisse dieser Validierung werden in diesem Paper vorgestellt.
Drehmoment, Drehwinkel, Optisch, Validierung
Um durch den Einsatz Fahrerloser Transportsysteme (FTS) die Effizienz des Gesamtbetriebs steigern zu können, muss die Verfügbarkeit des FTS entsprechend hoch sein. Störungen sind zu vermeiden; treten sie dennoch auf, spielt ein erfolgreiches Störungsmanagement eine zentrale Rolle. Vor allem bei produzierenden Unternehmen können erhebliche wirtschaftliche Schäden auftreten, wenn Material nicht rechtzeitig an der richtigen Station angeliefert wird. Verzögerungen können die Termintreue gefährden. Zur Unterstützung der Betreiber und Hersteller von FTS soll deshalb im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts eine Lösung für die Praxis entwickelt werden. Entstehen soll u. a. ein Softwaredemonstrator, der gezielt Handlungsanweisungen zur Störungsbehebung gibt, die automatisiert oder teilautomatisiert realisiert werden.
FTF, Expertensystem, Fahrerlose Transportfahrzeuge, Case-based Reasoning, CBR
Schmiedeteile eignen sich für den Gebrauch in der Automotiveindustrie, da sie die Anforderungen des Leichtbaus erfüllen und zugleich hohen Belastungen standhalten. Um eine hohe Prozessgüte zu erreichen, muss beim gratlosen Präzisionschmieden die Flittergratbildung zwischen den formgebenden Elementen (Gesenkhälften und Stempeln) vermieden werden. Nach aktuellem Stand der Forschung ist die zur Vermeidung notwendige Vorheresage der Flittergratbildung nicht möglich.
In diesem Paper ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Flittergratbildung, basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM), beschrieben. Dazu wurden verschiedene Analyseparemeter aus der FEM hinsichtlich ihrer Korrelation (Signifikanz und Effekt) zu den Prozessparametern Umformtemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite untersucht. Unter allen untersuchten Analyseparametern wurden der Hydrostatische Druck und die Umformkraft in Hauptumformrichtung als die zur Flittergratprognose am meisten geeigneten Parameter identifiziert.
Aluminiumschmieden, gratloses Präzisionsschmieden, gratloses Schmieden, FEM
Ein kombiniertes Messverfahren zur optischen Bestimmung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments wurde erfolgreich umgesetzt. Sowohl absolute Codierungen des Winkels als auch dazugehörige Produktionstechnologien für die Herstellung geeigneter Markierungen auf der Welle wurden untersucht und erfolgreich umgesetzt.
Der absolute Drehwinkel konnte mit einer Auflösung von etwa 0,001° bei einer Genauigkeit von besser als 0,2° (entspricht 0,05 % v. E.) erfasst werden. Das Drehmoment wurde mit einer Genauigkeit von etwa 3 % v. E. bestimmt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
optisches Messverfahren, Drehmoment, absoluter Drehwinkel
