FuE Angebote & Kompetenzen

Prozessinnovation

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Zur systematischen Prozessentwicklung werden im Bereich Fertigungstechnik auf analytischer und experimenteller Basis verfahrensspezifische Wirkzusammenhänge erarbeitet. Daraus abgeleitete Prozessmodelle ermöglichen eine auf definierte Zielkriterien ausgerichtete Technologieentwicklung für die Fertigung in Branchen wie Luftfahrt und Energie, Automobil und Verkehr, Maschinen- und Anlagenbau sowie optische Industrie, Medizintechnik und Werkzeugindustrie. Für das Spanen mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide sowie für abtragende Verfahren stehen dabei folgende Aspekte im Fokus aktueller Forschungsarbeiten:

• Steigerung von Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit,
• Verbesserung von Genauigkeit und Reproduzierbarkeit,
• Reduktion von Komplexität und Fehlerquellen.

Grundvoraussetzung für den sicheren Einsatz von Fertigungstechnologien, an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit ist die detaillierte Kenntnis und Analyse relevanter Prozesskenngrößen, wie Kräfte, Energien, Temperaturen, Schwingungen und Verschleiß. Neben der Auswahl präziser Sensortechnik in Kombination mit leistungsfähigen Systemen zur Datenerfassung bildet die Entwicklung von robusten Softwarelösungen für die computergestützte Selektion und Aufbereitung der Daten einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten.  

Werkzeugentwicklung

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Die Herstellung von Werkzeugen zählt seit über zwei Millionen Jahren zu den lebensnotwendigen Fähigkeiten der Menschheit. In der Fertigungstechnik entscheidet das Leistungsvermögen der eingesetzten Werkzeuge auch heute über die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen und deren Bestehen am Markt. Bei der Entwicklung innovativer Zerspan- und Schleifwerkzeuge sowie Wirksystemen für abtragende Verfahren bildet das bewusste Durchbrechen gewachsener Denkstrukturen den Kern aktueller Forschungsansätze. Die Zielsetzung besteht darin, durch Einsatz innovativer Schneidstoffe, systematische konstruktive Gestaltung und optimierte Herstellungsmethoden der Werkzeuge, auch jenseits verfahrensspezifischer Restriktionen, Einsatzpotenziale zu identifizieren und prozessfähige Technologien zu qualifizieren. Dazu werden die folgenden Entwicklungsmethoden eingesetzt:

• Simulation der Beanspruchungskollektive beim Werkzeugeinsatz,
• Konzipierung und Realisierung von optimierten Werkzeugstrukturen,
• Prüfung und Bewertung des technologischen Einsatzverhaltens.

Grundvoraussetzung für die serienreife Umsetzung der Forschungsergebnisse in marktfähige Produkte ist die frühe Einbindung interdisziplinärer Kompetenzen in den Produktenstehungsprozess. Die Werkzeugentwicklung wird daher in Kooperation mit Forschungseinrichtungen aus den Bereichen Werkstoffwissenschaft und Materialprüfung sowie industriellen Partnern organisiert. Die Ergebnisse in der Anwendung zeigen signifikante Steigerungen von Effizienz, Leistungsfähigkeit und Präzision.

Adaptive Bearbeitung

Bei der Bearbeitung auf NC ‑ Werkzeugmaschinen hängt die erreichbare Genauigkeit neben der konstruktiven Gestaltung insbesondere von der Qualität der verwendeten Maschinenelemente, Werkstoffe, Antriebe und Messsysteme ab. Je höher die geforderte Genauigkeit eines Bearbeitungsprozesses desto mehr Ressourcen und Kapital bindet eine geeignete Werkzeugmaschine. Weiterhin unterliegen die genauigkeitsrelevanten Komponenten einer Werkzeugmaschine gerade bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Superlegierungen und Hochleistungskeramik einem außerordentlich hohen Verschleiß. Um die geforderten Genauigkeiten dauerhaft zu gewährleisten, ist daher ein regelmäßiger Austausch der verschleißbehafteten Komponenten unabdingbar. Zielsetzung der Forschung auf dem Gebiet der adaptiven Bearbeitung ist es, Fertigungssysteme mit geringen Steifigkeiten und Positioniergenauigkeiten und entsprechend geringer Ressourcen- und Kapitalbindung für die Präzisionsbearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe zu qualifizieren. Dabei werden die folgenden Lösungsansätze verfolgt:

• Kombination von Fertigungssystem und Präzisionsmesstechnik,
• Kraft- und zeitgesteuerte Bahnführung,
• Iterative rechnerunterstützte Bahnplanung.

In den entwickelten adaptiven Bearbeitungsprozessen hängt die erreichbare Genauigkeit nicht mehr in erster Linie von der Positioniergenauigkeit und Steifigkeit des Fertigungssystems sondern von der Intelligenz, Korrektheit und Adaptivität der eingesetzten Planungssysteme ab. Da diese infolge der Bearbeitung keinem Verschleiß unterliegen, sind die Voraussetzungen für eine flexible, ressourceneffiziente und kostengünstige Fertigung geschaffen.  

Gestaltung und Dimensionierung trennender Schutzeinrichtungen

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Schwerpunkte technischer Entwicklung im Bereich der Produktionstechnik sind heute neue Werkstoffe, neue Fertigungsverfahren und neue Maschinenkonzepte zur Steigerung der Produktivität. Neben den generellen Zielsetzungen für technische Konstruktionen, wie Funktionserfüllung und Wirtschaftlichkeit, gewinnt auch die sicherheitsgerechte Gestaltung, Leichtbau sowie das Design entscheidend an Bedeutung. Höhere Anforderungen an die Maschinen erfordern höhere Anforderungen an die Konstruktion von Sicherheitseinrichtungen. Im Sinne einer mittelbaren Sicherheitstechnik tragen Schutzwände und Sichtscheiben an trennenden Schutzeinrichtungen für Werkzeugmaschinen zur Senkung der Gefährdungen bei. Die Schutzeinrichtungen verhindern die zum Teil irreversiblen Schäden von Mensch und Umgebung, die von herausgeschleuderten Bruchstücken ausgehen können. Die Entwicklung der Werkzeugmaschinen hin zu immer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten bewirkt auch Veränderungen bei der Dimensionierung der trennenden Schutzeinrichtungen.

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Um eine ausreichende Rückhaltefähigkeit dauerhaft gewährleisten zu können werden die Materialdicken der trennenden Schutzeinrichtung erhöht oder andere Werkstoffe eingesetzt, was zu Kosten- oder Massensteigerungen führt. Das IWF steht vielen Industriekunden als Ratgeber für eine sicherheitsgerechte Entwicklung von Schutzsystemen und trennenden Schutzeinrichtungen zur Seite. Neben dem Angebot, Aufprallprüfungen durchzuführen, existieren große Erfahrungen mit einem breiten Spektrum an Werkstoffen und wissenschaftliche Erkenntnisse über die Einflussparameter sicherheitsgerechtem Konstruieren.
Das F&E‐Angebot des IWF Berlin unterteilt sich in mehrere Abschnitte:

• Analyse der prozessbedingten Unfallgefahren an Werkzeugmaschinen,
• Durchführung experimenteller Aufprallprüfungen (m_Pr=0,05 kg bis 20 kg, v_Prbis zu 350 m/s) und von FEM‐Aufprallsimulationen an Werkstoffen für trennende Schutzeinrichtungen an Werkzeugmaschinen und vergleichbaren Anwendungen,
• Beratung zur sicherheitsgerechten Diemensionierung trennender Schutzeinrichtungen und

Erarbeitung von Hinweisen zur Konstruktion und zum Gebrauch sicherer
Maschinenkapselungen unter Berücksichtigung ergonomischer Gesichtspunkte. Darüber hinaus arbeitet das IWF aktiv an der Entwicklung und Überarbeitung von internationalen Normen mit. Die im Bereich Sicherheitstechnik am IWF gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Deutsche und Internationale Normung ein. Als Mitglied im Normenausschuss Werkzeugmaschinen (NWM) des Deutschen Institut für Normung (DIN), u. a. NA 122‐00‐03‐01 UA „Unterausschuss Drehmaschinen - Sicherheit", ist das IWF ständiger Ansprechpartner und Entwickler auf dem Gebiet der sicherheitstechnischen Normung für Werkzeugmaschinen. So wurden beispielsweise die wichtigen Normen für die spanende Bearbeitung, die DIN EN 12415, zukünfitg EN ISO 23125, und DIN EN 12417 unter Verwendung der Ergebnisse aus Aufprallprüfungen am IWF erstellt.

Komponentenentwicklung und Simulation

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Die Entwicklung leistungsfähiger, innovativer Komponenten für Werkzugmaschinen ist ein ständiger Bestandteil des Bereiches Werkzeugmaschinen (WZM) am IWF. Neben der Erarbeitung von Detaillösungen entstehen neuartige Baugruppen, die den auf sie wirkenden Anforderungen optimal angepasst werden können bzw. die Leistungsfähigkeit der gesamten Maschine nachhaltig steigern. Beispiele sind Entwicklungen von Spindelkästen oder Kompensationselementen aus hochsteifen CFK-Fasern aber auch hochgenaue aerostatische Luftlager aus porösen Keramiken sowie Positioniersysteme mit ferromagnetischen Flüssigkeiten. Die Komponentenentwicklung wird hierbei unterstützt durch den Einsatz moderner Berechnungsverfahren wie Finite Elemente Simulationen (FEM), Mehrkörpersimulationen (MKS) und freie numerische Simulationen. Schwerpunkte in der wissenschaftlichen Ausrichtung der Gruppe Konstruktion und Entwicklung stellen folgende Themengebiete dar: 

• Einsatz von Faserverbundwerkstoffen zur Kompensation statischer, dynamischer und thermischer Störeinflüsse,
• Poröse Keramiken als Lagerwerkstoff,
• IT-Unterstützung der Planung und Entwicklung hybrider Leistungsbündel (HLB),
• Simulation von Strukturverhalten und Prozessen,
• Real-Zeit-Dynamiksimulationen von MDOF Systemen,
• Experimentelle Strukturanalysen von Werkzeugmaschinen.