TITELTHEMEN: ZERSPANUNG – WERKZEUGMASCHINEN – SIMULATION – ENERGIEEFFIZIENZ 16.02.2022, 14:36 Uhr

Inhalte der Online-Ausgabe 1/2-2022

Effizienz in ihrer ganzen Breite

A. Sauer – Fraun­hofer-Institut für Produktions­technik und Automatisierung IPA; Institut für Energie­effizienz in der Produktion EEP, Universität Stuttgart (Editorial)

Der Energiepreisschock seit Ende 2021 sitzt uns in den Knochen. Fossile Energie wird teurer, fossile Ressourcen werden knapper. Nicht ohne Grund adressiert diese Ausgabe der wt Werkstattstechnik online in zahlreichen Beiträgen das Thema „Effizienz“ in seiner ganzen Breite: im Leichtbau, bei der Additiven Fertigung, der Digitalisierung der Produktionsprozesse, bei der Trocknung, Schmierung sowie in vielen weiteren Forschungsansätzen, die hier vorgestellt werden. S. 1

Benchmark von Lastprognosemethoden*

C. Kaymakci, T. Walser, A. Sauer – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

Schwankende Strompreise erhöhen den Bedarf an Systemen zur elektrischen Lastprognose für Industrieunternehmen. Zur Bereitstellung eines Prognoseservice sind Kenntnisse über gängige Methoden, die spezifischen Anforderungen und die Einflussfaktoren erforderlich. Je nach Anwendung erzielen Prognosemethoden unterschiedliche Genauigkeiten. Dieser Beitrag beschreibt ein Vorgehen, das mit einem Benchmark die Genauigkeit einer Prognosemethode evaluiert, so dass diese einheitlich mit anderen Methoden verglichen werden kann. S. 2

Energieflexibler Kältedemonstrator*

B. Seyed Sadjjadi, A. Emde, A. Sauer – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Durch die Dekarbonisierung industrieller Produktionssysteme und die Stabilisierung der Stromnetze wird die Bereitstellung von Energieflexibilität immer wichtiger. Der Energiebedarf elektrisch betriebener Kompressionskältemaschinen (KKM) kann in Kombination mit thermischen Kältespeichern auf die fluktuierende Erzeugung von erneuerbaren Energien angepasst werden und somit Energieflexibilität bereitstellen. Diese Arbeit bewertet die Funktionalität eines energieeffizienten und energieflexiblen Kältedemonstrators, der diesen Anwendungsfall abbilden soll. S. 9

Effiziente Trocknung mit Induktion und Infrarot*

G. Elserafi, A. von Hayn, M. Weigold; C. Wolf; D. Eggers – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Technische Universität Darmstadt; Institut für Technische Thermodynamik, TU Darmstadt; Heraeus Noblelight GmbH, Kleinostheim

In der metallverarbeitenden Industrie wächst mit steigenden Qualitätsanforderungen die Bedeutung der Bauteilreinigung und -trocknung in der Wertschöpfungskette. Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und klimapolitischer Ziele besteht die Motivation, die Energieeffizienz der Bauteiltrocknung zu steigern. Zu diesem Zweck sollen neben einem Referenzfall die Infrarot- und die Induktionstrocknung als alternative Trocknungstechnologien untersucht sowie deren Energieeinspar­potenzial ermittelt werden. S. 16

Hämmerndes Drehen*

J. Schwalm, M. Gerstenmeyer, F. Zanger, V. Schulze – Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wbk Institut für Produktionstechnik

Die Mikrotextur von Oberflächen im tribologischen Kontakt beeinflusst das Tribosystem und kann durch die Stellgrößen beim Drehen eingestellt werden. Die begrenzte Dynamik der Werkzeug­maschine beschränkt dies jedoch und erlaubt nur eine Einstellung über die kinematische Rauheit. In diesem Beitrag wird die Auslegung eines neuartigen piezoelektrischen Werkzeugsystems vorgestellt. Es erlaubt eine hochdynamische Positionierung von Zerspanungswerkzeugen zur Ober­flächentexturierung durch plastische Verformung. S. 22

Erhöhte Haftfestigkeit thermischer Spritzschichten*

F. Vogel, D. Biermann; M. Rodriguez Diaz, K. Möhwald – Technische Universität Dortmund, Institut für Spanende Fertigung ISF; Institut für Werkstoffkunde IW, Witten

Um thermische Spritzschichten mit erhöhter Haftfestigkeit zu realisieren, erfolgte am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der Technischen Universität Dortmund und dem Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Universität Hannover die Entwicklung einer innovativen Verfahrenskombination. Darauf aufbauend wurde untersucht, ob die Schichteigenschaften durch einen zusätzlichen Prozessschritt weiter optimierbar sind, um zukünftig Verschleißschutzbeschichtungen ohne eine Substrataktivierung durch Strahlen zu ermöglichen. S. 28

Methoden zur defektfreien Zerspanung von Silizium*

N. Kroh, J. Borngräber, F. Sammler – IHP GmbH, Frankfurt/Oder; HTW Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

Silizium gilt als ausgesprochen spröder, harter und mechanisch schwer zu bearbeitender Werkstoff. Jedoch besitzt es bisher wenig erforschte Eigenschaften, die nur unter hohen Drücken wirken und die spanende Bearbeitung erheblich vereinfachen können. Durch Anpassung der Schnittparameter und Werkzeugbahnen an dieses Merkmal werden die Kristallebenen des Siliziums plastisch/duktil getrennt anstatt zu brechen und es entstehen nahezu defektfreie Oberflächen. Im Rahmen der hier vorgestellten Forschungsarbeiten werden die Prozessparameter zur Erreichung der duktilen Bearbeitung von Silizium im Fräsprozess erforscht und die Nutzung des trochoidalen Fräsens untersucht.   S. 34

Ultraschallunterstützte Funkenerosion*

T.-M. Schimmelpfennig, L. M. Rickerts, I. Perfilov – Hochschule Wismar

Die Funkenerosion (EDM) wird in der Dentaltechnik zur Herstellung von hochpräzisem Zahnersatz aus CrCoMo eingesetzt. Dieser Beitrag stellt die Strategie und Technologie des EDM von Kavitäten für Schwenkriegel mit ultraschallstimuliertem Dielektrikum vor. Ein mit Plattenschwingern angeregtes Bearbeitungsbecken wird verwendet, um den Einfluss der Kavitationseffekte auf den Bearbeitungsprozess zu analysieren. Zur Effizienzerhöhung des ultraschallunterstützten EDM-Prozesses erfolgt die experimentelle Untersuchung der grundlegenden Zusammenhänge zwischen ausgewählten Prozessparametern. S. 39

Effizientes Schmieren der Spanbildungszone*

J. Saelzer, A. Zabel; G. Poll, F. Pape, H. Liu; B. Denkena, L. Ellersiek; S. Elgeti, J. Lee – ISF, TU Dortmund; Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie IMKT, Garbsen; Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW, Garbsen; Technische Universität Wien, Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik ILSB

Konventioneller Kühlschmierstoffeinsatz in der spanenden Fertigung führt zur Belastung von Umwelt und Gesundheit sowie zu erhöhten Fertigungskosten. Entsprechend weist der zielgerichtete Einsatz von Kühlschmierstoffen ein großes Potenzial zur nachhaltigen Gestaltung der Produktion auf, bringt jedoch auch zahlreiche technologische Herausforderungen mit sich. Durch die Kombination von experimenteller und simulativer Prozessanalyse lässt sich das Verhalten des Kühlschmierstoffs im Zerspanprozess verstehen und so ein gezielter Kühlschmierstoffeinsatz erreichen. S. 44

Visualisierung der Spanbildung beim Sägen mit IKZ*

C. Menze, D. Gutsche, R. Eisseler, T. Stehle, H.-C. Möhring; J. Stegmann, S. Kabelac – Institut für Werkzeugmaschinen (IfW), Universität Stuttgart; Institut für Thermodynamik (IfT), Leibniz-Universität Hannover

Beim Sägen gelangt je nach Abschattung der Zerspanungs­zone durch das Bauteil, Werkzeug beziehungsweise anfallende Späne nur ein Bruchteil der eingesetzten KSS-Menge in die Zwischenräume von Span, Werkzeug und Werkstück. Eine innere Kühlschmiermittelzufuhr (IKZ) kann eine sichere KSS-Ver­sorgung ermöglichen. Dieser Beitrag zeigt, wie erstmalig der Spanbildungsprozess in Interaktion mit einem Fluid im engen geschlossenen Schnittspalt beim Sägen sichtbar gemacht wird. Dies erlaubt die experimentelle Untersuchung thermischer und mechanischer Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen im Säge­prozesses. S. 50

Sensorbasierte Montageanalyse*

P. Berkhan, S. Kärcher, J. Maier, E. Cuk, T. Bauernhansl – Fraunhofer IPA, Stuttgart

Die Steigerung der Produktivität und die damit einhergehende kontinuierliche Optimierung von Produktionsprozessen sind für produzierende Unternehmen wesentliche Voraussetzungen zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit in der Zukunft. Insbesondere in der manuellen Montage ist die aufwandsarme Erhebung der dafür erforderlichen Datenbasis jedoch eine große Herausforderung. Dieser Beitrag stellt ein modulares Sensorsystem zur automatisierten Datenerhebung und Analyse von manuellen Montageprozessen vor und zeigt dessen Potenziale anhand eines Industriebeispiels auf. S. 55

Spanntechnik beim Absägen von AM-Bauteilen*

D. Becker, C. Maucher, H.-C. Möhring – IfW, Universität Stuttgart

Im Laser Powder-Bed-Fusion (LPBF)-Prozess sind additiv hergestellte Bauteile (AM) nach dem Drucken fest mit der Bauplattform verbunden. Diese Bauteile gilt es von der Bauplattform zu lösen. Dabei kommen bevorzugt spanende Verfahren, vor allem das Sägen, zum Einsatz. Für dünnwandige Bauteile ist dieser Prozess aufgrund der auftretenden Prozesskräfte jedoch eine Herausforderung. In diesem Beitrag wird ein an­gepasstes Spannkonzept für das Sägen untersucht. S. 61

Einsatzpotenzial von MMS in der Holzbearbeitung*

K. Güzel, A. Jaquemod, T. Stehle, H. C. Möhring – IfW, Uni Stuttgart

Den Herausforderungen des Klimawandels und der Ressourcenverknappung wird zunehmend mit der Entwicklung nachhaltiger Gebäude und Wohnsiedlungen begegnet. Dabei gewinnt der Holzbau als Bestandteil politischer Strategien und Maßnahmen an Bedeutung. Im Rahmen eines Förderprojektes zur Herstellung und Fügung mehrgeschossiger Außenwandkonstruktionen aus geschlitzten Kantvollhölzern werden Entwicklungs- und Optimierungspotenziale in der zerspanenden Fertigung der Vorfabrikation erarbeitet. Der Beitrag beschreibt den möglichen Einsatz der Minimalmengenschmierung beim Kreissägen von Holz. S. 67

Verschleißbewertung und -modellierung

T. Surmann, M. Lange, J. Dege – Premium-Aerotec GmbH (PAG), Varel

Der bei der Titanzerspanung durch Schneidenausbrüche geprägte und stochastische Werkzeugverschleiß lässt sich durch die üblichen Kriterien Verschleißmarkenbreite sowie -länge nur aufwendig und ungenau durch mikroskopische Untersuchungen in ein eindeutiges Maß fassen. Dieser Beitrag zeigt eine Möglichkeit, einen Verschleißwert durch die Abweichung des momentanen zum idealen Spindeldrehmoment zu ermitteln. Dies erlaubt eine Onlineverschleißerkennung sowie die Aufstellung eines Standzeitmodells. S. 73

Maschine und Werkzeug für die hier gezeigten Ergebnisse.

Foto: PAG

Schwingungsanalyse an Tieflochbohrwerkzeugen*

C. Krebs, S. Honnef, M. Volz, E. Abele, M. Weigold – PTW, Darmstadt

Unsicherheiten bei Tiefbohrprozessen bestimmen die Bohrungsqualität. Um die physikalischen Einflussgrößen auf die resultierende Bohrungsqualität zu ermitteln, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Analogieprozess zum Tiefbohren ent­wickelt. Der so entstandene Versuchsstand erlaubt die einachsige, laterale Auslenkung der Werkzeugspitze bei gleich­zeitiger Aufnahme der Werkzeugkörperbewegung. Ein anschließender Vergleich mit einem Realprozess liefert dabei eine gute Übereinstimmung. S. 79

Datengetriebene Qualitäts­überwachung beim Reiben*

F. He, W. Xu, M. Weigold – PTW, Darmstadt

In diesem Beitrag wird die Entwicklung datengetriebener Modelle zur Vorhersage des Mittenverlaufs bei der Bohrungsfeinbearbeitung beschrieben. Dabei werden der Kraftzustand der Reibahle beim Reibprozess mit gezielt eingebrachtem Achsversatz und die daraus resultierende Bohrungsqualität untersucht. Es werden lineare Beziehungen zwischen mehreren Signalen und den Bohrungsmittenverläufen gefunden. Das entwickelte lineare Regressionsmodell kann den Bohrungsmittenverlauf mit hoher Effizienz und Genauigkeit prognostizieren. S. 84

Wie überwache und prognostiziere ich den Abnutzungsvorrat?

S. Riedmiller, B. Adrian – Berger Holding GmbH & Co. KG, Wertach; Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern

Die Berger Holding GmbH & Co. KG und das Fraunhofer-­Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM ent­wickeln gemeinsam ein System zur Überwachung des Ab­nutzungsvorrats von Kugelgewindetrieben. Ziel ist der Kugel- gewinde­trieb, der seinen eigenen Verschleißzustand im Betrieb überwacht und den verbleibenden Abnutzungsvorrat meldet.   S. 89

M. Weber, B. Brockhaus, F. Hoffmann, H. Ranzau, M. Weigold; S. Dumss; C Schwaiger, F. Bleicher – PTW, Darmstadt; Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung, Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien, Technische Universität Wien

Anwendungen und Geschäftsmodelle mit Gaia-X*

Derzeit entwickelt eine Vielzahl von geförderten Konsortien Anwendungsfälle im Gaia-X-Kontext. Sie sind charakterisiert durch den Nutzen des unternehmensübergreifenden Datenaustauschs. Dennoch wird ein Großteil der Vorhaben keiner bewussten Kosten-Nutzen-Analyse unterzogen. Bestehende Vorgehensmodelle für datenbasierte Geschäftsmodelle berücksichtigen die Interoperabilität nicht. Es fehlt eine ganzheitliche Beschreibung, wie Anwendungsfälle in wettbewerbsfähige Geschäftsmodelle überführt werden. S. 91

Entergieeffizienz in der Produktion umsetzen*

B. Grosch, L. Petruschke, M. Burkhardt, T. Kohne, A. Wächter, M. Weigold – PTW, Darmstadt

Im Projekt „ETA-Transfer“ unter der Leitung des PTW der Technischen Universität Darmstadt wurde gemeinsam mit neun Industriepartnern die Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen für die industrielle Produktion und Produktionsgebäude untersucht. Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Hemmnisse identifiziert und Lösungsansätze entwickelt. In diesem Artikel werden Erfahrungen aus dem Projekt anhand von Beispielen analysiert und Lösungsansätze dargestellt, um die Umsetzung von Energie­effizienzmaßnahmen zu fördern. S. 97

MIM – höhere Oberflächengüte bei geringeren Rohstoffkosten

J. Trapp, M. Franke-Jurisch; P. Geisenhainer, F. Gerdts – Fraunhofer-­Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Forschung IFAM, Dresden; MUT Advanced Heating GmbH, Jena; Element 22 GmbH, Kiel

In diesem Beitrag wird ein innovatives Verfahren für die Verbesserung des Metallpulverspritzgusses (MIM, Metal Injection Molding) vorgestellt. Die Bauteile werden einem am Fraun­hofer IFAM in Zusammenarbeit mit der MUT Advanced Heating GmbH weiterentwickelten elektrochemischen Reduktionsverfahren unterzogen. Infolgedessen konnten feinere Ausgangspulver mit erhöhtem Sauerstoffgehalt eingesetzt werden. Gleichzeitig war es der Firma Element 22 möglich, die Entwicklung des MIM-Feedstocks auf die Bauteilqualität und Verarbeitbarkeit zu optimieren, ohne einen möglichen Sauerstoffeintrag aus dem Prozess berücksichtigen zu müssen. Das Ergebnis sind Titanbauteile höchster Oberflächengüte innerhalb der geforderten Norm.   S. 103

* Bei den mit einem Stern gekennzeichneten Beiträgen handelt es sich um Fachaufsätze, die von Experten auf diesem Gebiet wissenschaftlich begutachtet und freigegeben wurden (peer-reviewed).

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