Fachgebiet Maschinenelemente

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http://hdl.handle.net/2003/117

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Entwicklung einer KI-Objekterkennung für technische Zeichnungen im Maschinenbau
(2023) Dillenhöfer, Fabian; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
Das Ziel der Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie einer KI-gestützten Objekterkennung von Bauteilen in technischen Zeichnungen des Maschinenbaus. Anschließend soll das KI-Niveau mit dem eines Studierenden verglichen werden. Zuletzt sollen Anwendungsszenarien wie z.B. in der Lehre für die KI verifiziert werden. Es wird eine KI-Detektion mit Hilfe von YOLOv4 entwickelt, welche es erlaubt, Bauteile in einer technischen Zeichnung zu erkennen und die Position zu bestimmen. Vorversuche haben drei wichtige Einflüsse für eine hohe Detektionsqualität herausgestellt: (I) Bildgröße und Auflösung, (II) die Anzahl der Trainingsdaten sowie (III) eine Definition der zu erkennenden Klassen insbesondere der Label(-regionen). Eine zweistufige Detektion liefert deutliche Vorteile im Hinblick auf die Detektionsqualität, da Details in großen technischen Zeichnungen mit einer Größe von bis zu DIN A0 sehr unscharf und klein dargestellt werden, wenn diese auf eine geeignete Größe für die Bilderkennung herunter skaliert werden, weshalb die Erkennung der Objekte bei einer einstufigen Version geschmälert wird. Es wird ein automatischer Wellengenerator mit Hilfe von python entwickelt, welcher in kurzer Zeit gelabelte Trainingsdaten erzeugen kann. Diese synthetischen Daten werden mit realen Daten verglichen, indem drei Modelle aufgestellt werden: ein rein manuelles, ein synthetisches und ein Modell mit gemischten Trainings- und Validationsdaten. Reale Zeichnungen, die händisch gelabelt werden, liefern die besten Detektionsergebnisse. Im Anschluss wird mit dem besten Modell eine teil-faktorielle Parameteranalyse mit Trainings- und Detektionsparametern durchgeführt, um das KI-Detektionsmodell weiter zu optimieren. Die Detektion ist in der Lage, Normteile und Maschinenelemente mit einer globalen Genauigkeit von mindestens 95% zu klassifizieren. Es werden Kompetenzniveaus formuliert, um die Fähigkeiten, die zur Bewältigung des Moduls Technisches Zeichnen im Rahmen des Grundstudiums im Ingenieurwesen erforderlich sind, einordnen zu können. Anschließend wird das KI-Niveau anhand der zuvor aufgestellten Lernniveaus/Lernziel-Taxonomien ermittelt und mit denen der Studierenden verglichen. Daraufhin wird diskutiert, in welchen Lernszenarien oder wo die KI im Berufsumfeld als eine vorteilhafte Unterstützung dienen kann. Abschließend werden weitere Ansatzpunkte genannt, an denen in Zukunft an der KI-Detektion zur Verbesserung der Qualität und zur universellen Schöpfung des Einsatzpotentials gearbeitet werden sollte.
Entwicklung einer Prozessmodifikation für teilkristalline Thermoplaste im Fused Layer Modeling
(2023) Bengfort, Philipp; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
Das Fused-Layer-Modeling (FLM)-Verfahren ist ein kosteneffizientes und vergleichsweise schnelles additives Fertigungsverfahren zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe. Insbesondere bei der Verarbeitung von teilkristallinen Thermoplasten kommt es zu verfahrensbedingten Mängeln, wie einem mangelhaften Lagenverbund und hohen Formabweichungen infolge von Materialschwindung und Verzug. In der vorliegenden Arbeit wird diese Problemstellung anhand des Standes der Technik analysiert sowie eine Zielsetzung und ein Vorgehen zur Lösung abgeleitet. Der Lagenverbund hängt ebenso wie die Materialschwindung von den temperaturgetriebenen Verschweißungs- und Kristallisationsprozessen der Materialextrusion ab. Durch die lokale Laservorwärmung des Substrats soll die Verschweißung zwischen den Lagen gefördert werden. Gleichzeitig wird untersucht, ob der Kristallisationsprozess und die damit verbundene Materialschwindung durch die intensive lokal begrenzte Kühlung der abgelegten Schmelze beeinflusst wird. Es ist ein rotatorischer Druckkopf entwickelt und vollfunktional in den 2,5-dimensionalen FLM-Prozess integriert worden. Auf zwei unabhängig voneinander rotierenden Achsen werden ein Lasermodul zur Vorwärmung des Substrats und ein Druckluftkühler zur gerichteten Kühlung der Schmelze um die Extrusionsdüse geführt. Um diesen modifizierten FLM-Prozess zu charakterisieren, werden die Zielgrößen Bauteilverzug und Lagenverbund in Abhängigkeit der Einflussfaktoren Drucktemperatur, Laserleistung, Kühlluftdruck und Layerzeit für den teilkristallinen Werkstoff Polyamid 12 (PA12) empirisch untersucht. Die Versuchsdurchführung beinhaltet die statistische Versuchsplanung, die Entwicklung geeigneter Untersuchungs- und Prüfmethoden, die Probenfertigung und -nachbearbeitung sowie die Bauteilprüfung und statistische Ergebnisauswertung. Mit dem modifizierten FLM-Prozess kann die Verarbeitung von PA12 optimiert werden. Insbesondere kann der Lagenverbund erhöht, der Verzug um bis zu 44% verringert und die Anisotropie herabgesetzt werden. Darüber hinaus wird die Abhängigkeit gegenüber Prozessparametern, wie der Extrusions-, Druckbett- und Bauraumtemperatur sowie dem Störeinfluss der Layerzeit gemindert. So können Extrusions- und Druckbetttemperaturen ohne Festigkeitsverlust gesenkt werden. Durch die Laservorwärmung werden hohe Layerzeiten großer Bauteile kompensiert und ein hoher Lagenverbund erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Umsetzbarkeit und das enorme Potential des modifizierten FLM-Prozesses auf und liefern die Grundlage für weiterführende Forschung sowie für den Technologietransfer zu einem optimierten industriellen FLM-Verarbeitungsprozess für teilkristalline Thermoplaste.
Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens für expandierte Stärke
(2023) Schlüsener, Jörn; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
Im Kontext der Umweltschädigung rücken Faktoren wie Nachhaltigkeit, biologische Abbaubarkeit, CO2-Neutralität und grundsätzlich auch die Vermeidung von petrochemisch erzeugten Kunststoffen zunehmend in den Fokus der Klimapolitik. Besonders für Einsatzmaterialien mit kurzen Lebenszyklen, welche sich überwiegend in der Verpackungsbranche wiederfinden, müssen daher biologische Alternativen gefunden werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen Extrusionssystems für ein stärkebasiertes und geschäumtes Ausgangsmaterial vorgestellt. Mit diesem Extrusionssystem wird ein additiver Fertigungsprozess auf Basis des FLM-Verfahrens realisiert. Auf diese Weise sollen für expandierte Stärkechips, welche bereits als nachhaltige Alternative für Füllmaterial im Verpackungs-bereich etabliert sind, weitere Einsatzgebiete eröffnet werden. Im Rahmen der Arbeit werden zunächst das Prinzip der Strangbildung und -auftragung mit dem expandierten Stärkematerial vorgestellt sowie der anlagentechnische Aufbau von Extrusionseinheit und Bewegungsapparat beschrieben. Das bestehende System wird auf seine Leistungsfähigkeit hin untersucht und es wird eine geeignete Systemeinstellung für die kontinuierliche Strangextrusion vorgenommen. Anhand verschiedener Druckszenarien werden die Prozesseigenschaften und -grenzen analysiert und entsprechende Gestaltungsregeln für einen erfolgreichen Druckprozess abgeleitet. Abschließend wird die erfolgreiche Produktion eines Demonstrationsteils dokumentiert, bei welcher diese Gestaltungsregeln berücksichtigt werden.
Entwicklung eines Verfahrens zur Erstellung eines lastoptimierten 3D-gedruckten Logistikladungsträgers
(2023) Knipschild, Jan; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, das Ladungsträger für die Logistik automatisiert erzeugt und herstellt. Es wird auf Basis der Ladungsgutgeometrie ein kastenförmiger Ladungsträger generiert, der nachfolgend bezüglich der Topologie optimiert wird, um den Materialeinsatz und die Fertigungszeit zu reduzieren. Für die Fertigung der Ladungsträger wird ein neuartiges additives Fertigungssystem verwendet, das direkt Kunststoffgranulat verarbeitet und aufgrund seines Aufbaus kostengünstig in der Anschaffung ist. Trotzdem kann die Kunststoffschmelze für die Fertigung eines Ladungsträgers ausreichend genau dosiert werden. Die Topologieoptimierung erfordert die Kenntnis über die Belastung des Ladungsträgers während des Transports, welche mit einer Kontaktsimulation ermittelt wird. Jedoch sind für die Simulation lange Rechenzeiten erforderlich, sodass eine alternative Heuristik entwickelt und der Kontaktsimulation gegenübergestellt wird. Während der Topologieoptimierung wird eine Überhangnebenbedingung verwendet, die eine Fertigung des Ladungsträgers durch einen 3D-Drucker ohne zusätzliche Stützstrukturen erlaubt. Überhangnebenbedingungen sind in der Literatur bereits bekannt, jedoch ist es gelungen, den erforderlichen Rechenaufwand für die Zusatzbedingung deutlich zu reduzieren. Zum Abschluss werden zwei Demonstratoren generiert und hergestellt.
Entwicklung eines automatischen konduktiven Ladesystems für Elektrofahrzeuge
(2022) Bucher, Jens; Künne, Bernd; Lobeck, Frank
Die zunehmende Elektrifizierung des Straßenverkehrs erfordert in gleichem Maße den Ausbau der Ladeinfrastruktur und die Zurverfügungstellung von Ladesäulen. Mit dem Hintergrund, dass die Entwicklung von autonom fahrenden Fahrzeugen stetig voranschreitet, werden in Zukunft automatische Ladesysteme für Elektrofahrzeuge unverzichtbar sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines automatischen konduktiven Ladesystem für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Anhand des aktuellen Standes der Technik wird gezeigt, dass bereits erste Prototypen entwickelt werden, jedoch keine vollständigen Untersuchungen von kostengünstigen automatischen Ladesystemen mit aktiven Markern am Inlet bekannt sind. Aus diesem Grund wird zunächst ein kostengünstiges und kompaktes, an der Wand zu befestigendes, automatisches Ladesystem entwickelt, welches lediglich vier aktiv regelbare Freiheitsgrade aufweist. Die fehlenden zwei rotatorischen Freiheitsgrade werden über eine elastische Ausgleichseinheit kompensiert. Zudem wird eine Prozedur für den automatischen Einsteckvorgang vorgestellt, die auf der verwendeten Strategie der Inlet-Posenbestimmung mit montierten Infrarot-LEDs im Inlet basiert. Die Prozedur beinhaltet das Suchen der IR-LEDs bei gleichzeitiger Plausibilitätsüberprüfung der Anordnung der gefundenen Punkte, eine Vorpositionierung mit anschließender Identifikationsüberprüfung des Fahrzeugs, einem Visual Servoing zur Annäherung zwischen Stecker und Inlet und einem abschließenden Einsteckvorgang. Für das entwickelte System wird anschließend eine Untersuchung der Inlet-Posenbestimmung mit IR-LEDs im Arbeitsraum des automatischen Ladesystems anhand definierter Bewertungskriterien durchgeführt. Diese Untersuchung wird um die Strategie der Inlet-Posenbestimmung mittels AprilTag als passiven Marker und um die Strategie eines trainierten neuronalen Netzwerks zur Erkennung der Inlet-Pose ohne jegliche Modifikation am Fahrzeug erweitert. Somit werden Vor- und Nachteile qualitativ erarbeitet und die Strategien gegenübergestellt. Abschließend wird eine Evaluierung des Systems im Rahmen diverser Steckversuche im Arbeitsraum des Systems bei unterschiedlicher Inletorientierung durchgeführt. Dabei werden der Steckerfolg, die Dauer des automatischen Steckvorgangs und die wirkenden Kräfte und Momente am Inlet analysiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wird abschließend eine Handlungsempfehlung für das zukünftige Vorgehen und die Standardisierung des automatischen konduktiven Ladens von Elektrofahrzeugen ausgesprochen.
Untersuchung formschlüssiger Stützkonstruktionen für das FLM-Verfahren
(2021) Krautwald, Tim; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
Stützkonstruktionen im FLM-Verfahren besitzen mehrere Problemstellungen, die im Rahmen dieser Arbeit durch einen neuartigen Ansatz gelöst werden. Zum einen existiert keine einheitliche Lösung für die verschiedenen, als Baumaterial eingesetzten, Thermoplaste. Besonders auffallend ist dabei die durch ausgeprägte Schrumpfung und starken Lagenzusammenhalt charakterisierte Gruppe der teilkristallinen Thermoplaste, für die nur unzureichende oder gar keine Optionen zur Abstützung existieren. Zum anderen reduziert der häufige Wechsel zwischen verschiedenen Bauplatten und Haftvermittlern die Flexibilität des Verfahrens und steigert die Kosten. Es muss stets ein passendes Stütz- zum gewählten Baumaterial vorgehalten, konditioniert und eingestellt sein. Ein vereinheitlichtes Konzept für Stützkonstruktionen, welches weitestgehend unabhängig vom eingesetzten Baumaterial ist, erscheint zur Weiterwicklung des Verfahrens notwendig und sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine formschlüssig wirkende Stützkonstruktion auf Basis einer Mikroverzahnung entwickelt und erprobt. Diese fixiert das Bauteil durch eine Vielzahl kleiner Formschlusselemente und erlaubt gleichzeitig eine vollflächige Abstützung der Oberfläche. Bei diesem Verfahren ist kein Stoffschluss zwischen den eingesetzten Thermoplasten erforderlich, sodass diese weitestgehend unabhängig voneinander gewählt werden können. Im Zuge der Konzeptionierung werden verschiedene Ansätze betrachtet und bewertet, von denen letztlich ein druckgeprägtes Lösungskonzept gewählt wird. Der Aufbau der Verzahnung erfolgt dabei durch den Druck der Schmelze, der diese in das Gitter der Stützkonstruktion fließen und die formschlüssigen Elemente ausprägen lässt. Im Rahmen der Herleitung werden die relevanten Einflussgrößen sowie die zu erwartenden Zusammenhänge qualitativ erarbeitet und mit Kennwerten existierender additiver Fertigungssysteme verglichen. Um die identifizierten Zusammenhänge durch ein anwendungsnahes Modell zu stützen, werden empirische Versuche mit Mitteln der statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Nach der Charakterisierung des Versuchssystems werden zwei Versuchspläne ausgearbeitet, welche die Auswirkungen der Einflussgrößen auf jeweils flache und steile Überhangwinkel fokussieren. Durch eine Zugprüfung der auf diesen Plänen basierenden additiv gefertigten Prüfkörpern wird die Haltekraft zwischen den Probenhälften ermittelt. Eine Bewertung der Oberflächenqualität erfolgt im Anschluss. Für beide Fälle werden Modelle erarbeitet, die eine hohe Anpassungsgüte besitzen. Die gefundenen Zusammenhänge werden Anhand von Demonstratoren aus Polypropylen (PP) als teilkristallines Baumaterial und mit Glykol modifiziertem Polyethylenterephthalat (PETG) sowie Polyvinylalkohol (PVA) als Stützmaterialien validiert. An diesen Druckobjekten werden auch die manuelle Entfernung der Stützkonstruktion und das Auflösen in einem Auswaschsystem exemplarisch vorgeführt. Neben dem Einsatz als lösbare Verbindung wird auch die Eignung der Mikroverzahnung für dauerhafte formschlüssige Verbindungen im FLM-Verfahren anhand einer zusätzlichen Versuchsreihe nachgewiesen. Neben der theoretischen Herleitung des treibenden Mechanismus der Mikroverzahnung wird auch der praktische Einsatz des Verfahrens mit konventionellen additiven Fertigungssystemen beschrieben und nachgewiesen. So stehen die formschlüssigen Stützkonstruktionen einem breiten Anwenderkreis unmittelbar zur Verfügung.
Establishment of a rotary print head to effect residual stresses and interlayer bonding in an FLM-process
(2021-07-27) Bengfort, Philipp; Stracke, Dennis; Künne, Bernd
n fused layer modeling (FLM) manufacturing technology, there is an increased demand for semi-crystalline materials due to their favorable mechanical properties, such as high strength and toughness. The reasons for their limited use are process-related residual stresses and reduced interlayer bonding, resulting in component distortion, warping and poor strength. Addressing these problems, this paper presents the development and implementation of a rotary print head that enables local laser pre-deposition heating and forced air cooling in the 2.5-dimensional FLM process. Samples of polypropylene are fabricated to investigate the effects of the modified process on residual stresses and interlayer bonding. The investigations show that local laser pre-deposition heating can positively influence the interlayer bonding. In combination with a reduction of the extrusion temperature and additional cooling, it is possible to considerably reduce the residual stresses. The results of this research show that pre-deposition heating and forced air cooling significantly improve the processability of semi-crystalline thermoplastics in the FLM process.
Beitrag zur Auslegung und Gestaltung einer innovativen Kreisbogen‐Stirnverzahnung
(2019) Möller, Martin; Künne, Bernd; Bechthold, Jens
In this thesis a novel frontally circular arc profiled coupling is examined. The aim is in the finding of basic attributes of the novel coupling, in the detection of relationships between shape and load-bearing capacity and in the developing of instructions to design the coupling. Starting with the general introduction of the novel frontally circular arc profiled coupling and the representation of the current state of knowledge to coupling technology, in the following parameter are defined, to describe the geometry of the frontally circular arc profiled coupling in a numerical way. After that, basics of mechanical engineering are used to determine relationships between the burden, the geometry and the stress of the coupling. By comparisons the effects of the geometric parameters on the capacity of the coupling are shown. In combination with the consideration of aspects of production engineering optimal settings for the parameters are worked out. As a result of the found relationships interim instructions are developed to design the coupling. In the following, the on theoretic relationships based calculation rules are evaluated with experiments. For that the calculated results are compared with the results of the trials. A concluding critical confrontation with the used method and the achieved results shows the potential for a continuation or development of the investigations in this thesis.
Konzept zur Einführung des 3D-Drucks im Rahmen einer Fortbildungs- und Unterrichtsgestaltung am Berufskolleg
(2017-01-24) Flake, Lennart; Künne, Bernd
Gegenstand dieser Studienarbeit ist die Ausarbeitung und Formulierung eines didaktischen Rahmenkonzeptes einer Fortbildungs- und Unterrichtsgestaltung am Berufskolleg. Sie richtet sich an Lehrende sowie Lernende. Zur Einführung in die Arbeit mit dem Unterrichtsgegenstand "3D-Drucker" ist eine handlungsorientierte Lernsituation mit beruflichem Bezug angelegt. Der 3D-Druck besitzt im Bereich der beruflichen Bildung besondere Eignung, da er ein ideales Medium zu sein scheint, um schulisch eine ganzheitliche Herangehensweise umzusetzen. Die Fokussierung auf aktiv entdeckendes Lernen ermöglicht nachhaltiges Lernen und die Erweiterung in allen Kompetenzbereichen. „Im Sinne der Handlungsorientierung ist Handeln erst dann vollständig, wenn handelnde Personen (…) die Handlung planen, durchführen und kontrollieren; d.h. wenn die Lernenden alle Phasen selbständig durchlaufen“ (Berchtold und Stock 2006).
Charakterisierung, Modellierung und Simulation des Materialverhaltens von Papierfaserprodukten unter Verpackungsbedingungen
(2017) Palm, Björn; Künne, Bernd; Stumpf, Christian
In der Verpackungslogistik heutzutage verwendete Konstruktivpolster sind meist aus Kunststoffen hergestellt. Die umweltverträgliche Alternative der nach dem Faseformverfahren aus Papierfaserstoffen hergestellten Konstruktivpolster konnte sich bislang nicht gegen die Kunststoffe durchsetzen, da aufgrund mangelnder Materialkennwerte weder eine belastbare Simulation des Materialverhaltens noch der auf das verpackte Gut wirkenden Kräfte möglich ist. Folglich werden Konstruktivpolster aus Papierfaserstoffen nur für einfache und unkritische Verpackungslösungen verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird diesem Missstand begegnet, indem eine Grundlage zur Vorhersage der auf das mit Faserformprodukten verpackte Gut zu erwartenden Kräfte geschaffen wird. Hierzu wird das Materialverhalten von Faserform charakterisiert, modelliert und im Anschluss einer Simulation zugeführt. Für die Charakterisierung des Materialverhaltens wird zunächst eine geeignete Umgebung geschaffen. Hierzu gehören die Validierung bestehender Prüfmöglichkeiten sowie die Erweiterung der Prüfmöglichkeiten, so dass der Parameterraum klimatischer und kinematischer Anforderungen an Konstruktivpolster lückenlos abgebildet werden kann. Die Charakterisierung erfolgt durch Variation der Einflussgrößen Dehnrate, Dichte und Feuchte des Faserformproduktes innerhalb dieses Parameterraums. Anhand der charakterisierten Werte erfolgt die Modellierung der Abhängigkeiten des mechanischen Verhaltens der Verpackung von den auf diese wirkende Einflussgrößen. Die hieraus gewonnenen Datensätze werden in ein ausgewähltes Materialmodell implementiert, um das Materialverhalten simulierbar zu machen. Die Validation der Simulation erfolgt mittels eines Vergleichs mit den modellierten Kennwerten. Abschließend erfolgt eine Absicherung der erarbeiteten Zusammenhänge durch die Bestimmung der möglichen Fehler. Hierzu werden sämtliche auftretende Ungenauigkeitsquellen betrachtet und die daraus resultierenden Sicherheitsbeiwerte bestimmt. Durch die erarbeitete Möglichkeit zur Simulation von Konstruktivpolstern aus Papierfaserstoffen ist es nun möglich, Konstruktivpolster virtuell auf Ihre geometriebedingte Anforderungserfüllung hin zu untersuchen. Zusätzlich kann nun bereits in der Planungsphase des Konstruktivpolsters eine Optimierung der Geometrie vorgenommen werden. So wird es ermöglicht, auch empfindlichere Transportgüter mittels Papierfaserkonstruktivpolstern zu verpacken und somit fossile Rohstoffe einzusparen. Des Weiteren können bestehende Verpackungsgeometrien optimiert und somit Rohstoffe eingespart werden.
Ermittlung der dreidimensionalen, mechanischen Eigenschaften von Formkörpern aus Fasermaterialien und deren FE-Modellierung
(2017) Stracke, Dennis; Künne, Bernd; Stumpf, Christian
Diese Arbeit widmet sich der makroskopischen Charakterisierung der räumlichen Materialeigenschaften von Zellstoffproben aus Primärfasern. Zunächst erfolgt eine Betrachtung des zu Grunde liegenden Herstellungsprozesses mit dem Ziel der Homogenisierung der für die späteren Versuche benutzten Probenkörper. Aufbauend auf den rheologischen Eigenschaften der Fasersuspension wird der Anformvorgang theoretisch und praktisch untersucht, um Vorhersagen über Faserausrichtung und Porosität des angeformten Faservlieses zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt wird ein Zusammenhang zwischen der mit Hilfe eines 3D-Scanners gemessenen mittleren Probendicke und dem Flächengewicht hergestellt. Die Betrachtung der physikalischen Materialeigenschaften schließt mit einer Untersuchung der hygroskopischen Materialantwort. Basierend auf der Fick'schen Gleichung wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem in Abhängigkeit des Zielklimas Absorptionsverläufe berechnet werden können. Zur Bestimmung der mechanischen Materialparameter in z-Richtung wird der aus der Literatur bekannte Arcan-Versuchsaufbau modifiziert. Die Auswertung der aufgenommen Versuchsdaten inklusive der statistischen Einordnung erfolgt über die gesamte Bandbreite der durchgeführten Versuche vollautomatisch. Die skizzierten Algorithmen lassen sich über Variablen an andere Proben- bzw. Versuchsparameter anpassen. Neben der experimentellen Untersuchung des als initial transversal isotrop angenommenen Materialverhaltens mittels Zug-, Druck- und Scherversuchen in der Anformebene sowie der dazu orthotropen Richtung widmet sich ein Kapitel der viskoelastischen Materialantwort in Form von Spannungsrelaxations- und Kriechversuchen. Das Verfestigungs- und das Moduldegradationsverhalten wird mit Hilfe von Hysterese-Versuchen analysiert. Die anschließende FE-Modellierung betrachtet das Zug- und Scherverhalten in der Ebene mittels klassischer Hill'scher Fließgrenze und einem Verfestigungsgesetz vom Sättigungstyp. Die Anwendbarkeit tensorieller Versagenskriterien wird zudem bewertet. Zur Beschreibung der beobachteten viskosen Effekte wird ein modifiziertes Zeitverfestigungsgesetz angewandt. Letztendlich erfolgt die Modellierung des Delaminationsverhaltens in z-Richtung mittels eines Kohäsivzonenmodells.
Entwicklung einer Richtlinie für die Auslegung von Direktschraubverbindungen in Vulkanfiber
(2016) Mittendorf, Roman-Marius; Künne, Bernd; Walther, Frank
Die Suche nach alternativen ressourcengerechten Werkstoffkonzepten für petrochemische Kunststoffe ist eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Ein Werkstoff, der mit den Eigenschaften technischer Kunststoffe vergleichbar ist, ist Vulkanfiber. Die Vulkanfiber ist ein in der Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelter Schichtwerkstoff, welcher aus Cellulose in Form von mehreren Spezialpapierlagen durch Pergamentierung hergestellt wird. Als Folge der rasanten Entwicklung petrochemischer Kunststoffe im Zeitraum zwischen 1930 und 1950 fehlen im Bereich der Vulkanfiber grundlegende materialwissenschaftliche Untersuchungen sowie Richtlinien hinsichtlich der Weiterverarbeitung und Fügemöglichkeiten. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Richtlinie zur funktions- und betriebssicheren Auslegung einer sta-tisch-zentrisch-zugbeanspruchten Direktschraubverbindung von Vulkanfiberbauteilen unter gleichzeitiger Berücksichtigung der klimatischen Einsatzbedingungen. Grundvoraussetzung für die Planung, Durchführung und Interpretation von wissenschaftlichen Untersuchungen am Werkstoff Vulkanfiber ist eine hinreichende Kenntnis der Hygroskopizität. In Voruntersu-chungen werden der Feuchtigkeitsgehalt sowie der zeitliche Verlauf des Konditionierungsprozesses unter Einsatz gravimetrischer Messverfahren charakterisiert. Zugleich wird der hyg-rische Längenausdehnungskoeffizient der Vulkanfiber bestimmt. Während der Hauptuntersuchung werden in einem ersten Schritt die Herstellungsverfahren des Gewindebohrens und des Gewindefurchens untersucht. Im Anschluss erfolgt die Charakterisierung der Tragfähigkeit eines Vulkanfiberinnengewindes unter Einsatz der Methode der statistischen Versuchsplanung und Verwendung der Statistiksoftware JMP®. In einer Screening-Analyse werden zunächst die signifikanten Einflussfaktoren identifiziert. Anschließend folgt eine Regressionsanalyse, wobei ein Modell für die Prognose der Gewindetragfähigkeit in Abhängigkeit von der Gewindegröße, der Einschraubtiefe sowie der Umgebungstemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit erstellt und validiert wird. Hinsichtlich des Verspannungszustands wird nachfolgend der Zusammenhang zwischen dem Anziehdrehmoment und der resultierenden Vorspannkraft beim Montageprozess untersucht. Des Weiteren erfolgt eine analytische Bestimmung des Kraftverhältnisses der Schraubenverbindung. Hierzu wird eine Parameterstudie in Anlehnung an den Rechnungsgang der VDI-Richtlinie 2230 durchgeführt. Bzgl. der Setz- und Kriechvorgänge erfolgt eine experimentelle Abschätzung des maximalen Vorspannkraft-verlusts. Zusätzlich wird die Thematik des Demontageprozesses viertieft. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen wird letztendlich die Richtlinie zur funktions- und betriebssicheren Auslegung einer Direktschraubverbindung von Vulkanfiberbauteilen entwickelt. Die Richtlinie dient Konstrukteuren und Konstrukteurinnen als Gestaltungs- und Entscheidungshilfe sowie Bewertungsgrundlage bei der konstruktiven Auslegung einer Verbindung zwischen Vulkanfiberkomponenten und stellt zugleich einen essentiellen Schritt zur Reaktivierung des industriellen Interesses am Werkstoff Vulkanfiber als ressourcengerechten Konstruktionswerkstoff dar.
Entwicklung eines Algorithmus zur automatischen Kontrolle von Konstruktionen
(2013-03-19) Schleidgen, Florian; Künne, Bernd; Kuhlenkötter, Bernd
Industrially manufactured products are fabricated in a process chain. Errors in this process chain, particularly in the early stage of development, result in operational problems on the one hand, and in social problems, e. g. environmental pollution by waste of resources, on the other. In the thesis titled “Development of an Algorithm for the Automated Control of Constructions” a tool capable of preventing these errors is developed. Its purpose is the automated identification and the context-sensitive display of errors in design data which exist in the form of technical drawings. This leads to a constant level of process reliability, which is beneficial to the process chain as a whole. For this purpose, the developed algorithm identifies the contents of a construction to be inspected, analyzes its designing and compares the findings with a requirement specification. The types of the engineering design suitable for this procedure are variant, adjustment and new design. The inspection can be performed at any state of the construction.
Entwicklung eines Prozessmodells der Interpretation technischer Zeichnungen
(2012-05-07) Hahne, Markus; Künne, Bernd; Ott, Bernd
Technical drawings are for the manufacturing industry indispensable to generate, storage and distribution of product data. Because of their analogy figurative form of presentation, it is still not succeeded in the implicit data presented by information capture and processes them. In the present work, a model is developed, which describes the basic principles by which implicitly assembly drawings presented in product data from the explicitly presented data can be derived. The model is based on an object and process analysis, in particular the conceptual confusion and eliminate ambiguities. The verification of the model is based on the Eye-Mind-Hypotheses using an Eye-Tracking examination and a specially developed appraises algorithms. The practical usefulness of the developed process model of subscription inter-pretation is that this is the basis for the formulation of the problem heuristics can serve the perspectives from which to propose drawing information to assess.
Empirische Entwicklung eines applikationsadaptiven Antriebskonzeptes am Beispiel eines intralogistischen Fördersystems
(2012-01-17) Eggert, Jan; Künne, Bernd; Kuhlenkötter, Bernd
Variable volumes of order and the trend towards decreasing batch sizes, individual production and short times of delivery lead to variable capacity utilization of intralogistic systems. Because of this fact characteristics which are needed during the dimensioning process of such systems can hardly be predicted. That is why they can only be roughly estimated. Intralogistic systems are designed on a modular basis which allows to adapt these systems in an application-specific manner. There is nearly no way to react to changing requirements during the regular utilization period. Over-sizing is the common method to already consider changing requirements during the designing process of a product. In future systems became necessary which will be able to react to changing requirements. Even a change in capacity utilization already means a change in a specific requirement. One solution in meeting this problem is the development of an application-adaptive drive concept. By adapting certain system degrees of freedom depending on the actual system load the individual load on some components can be reduced. This leads to a utilization of the system which is more requirement-oriented. Thus the durability of certain components can be enhanced as well as the risk of unnecessary over-sizing can be avoided. Within this thesis an approach is developed by using a selected intralogistic system as an example. Applying this approach enables one to realize an application-adaptive drive concept. The selected roller conveyor was chosen as the exemplary application. Its belt tension acts as a system degree of freedom which has an influence on both the durability of the belt and on further components like the bearings of the belt pulleys and the electric drive. To determine requirement-based values for this degree of freedom it became necessary to analyze the mode of the conveyor system in dependency of several characteristic factors. For this purpose an experimental roller conveyor has been equipped with various stationary and mobile sensor units. In addition it has been supplemented by a newly developed tensioner unit which can be used to arbitrarily adjust the belt tension. Appropriate experiments have been planned, performed and analyzed by using the methods of Design of Experiments. Based on that, four mathematical models have been developed which describe the influences of the factors on the various response variables in a quantitative manner. The quality of each model has been computed and formally evaluated by the help of appropriate statistical parameters and analysis methods. Additional validation experiments have been performed to prove the models' validity. During the connecting optimization phase these models have been applied to determine optimized belt tension values. The optimization was based on varying utilization profiles for both the stationary conveying process and for the starting period of the system. The optimized values have in common that the pre-defined optimization criteria are matched at their best which reveals the potential in the enhancement of the durability of several components as well as a reduction of breakdowns. The developed approach can be applied as a tool to develop an application-adaptive drive concept, which can also be transferred to different applications.
Empirische Entwicklung von Prognosemodellen für die Auslegung von Rollenfördermodulen
(2011-09-05) Wieczorek, Dorothee; Künne, Bernd; Kuhlenkötter, Bernd
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation erfolgte die Erarbeitung eines Auslegungstools für Rollenfördermodule. Die Arbeit zeigt zudem ein mögliches Vorgehen zur Gestaltung weiterer Stetigfördermodule auf. In der Intralogistik wird zur Auslegung von Stetigförderern die Baukastensystematik eingesetzt, um die Konstruktions- und Fertigungszeiten gering zu halten. Die Anlagen werden dabei so lange in Module, Komponenten und Einzelteile „aufgelöst“, bis die Erzeugnisteile genügend oft verwendet und daher in Serie gefertigt werden können. Betreiber von Intralogistikanlagen bemängeln jedoch, dass die angebotenen Baukastensysteme nicht fein genug unterteilt sind und dass die Auslegung der Komponenten und Module anhand statischer Kenngrößen erfolgt. Zudem wird die Betriebsphase der Anlagen bei der Auslegung zu wenig berücksichtigt. Die Anlagenbetreiber fordern deshalb neue Lösungsansätze zur Gestaltung von Intralogistikanlagen, welche diese Unzulänglichkeiten beheben. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an. So wurde erstmals ein Auslegungstool entwickelt, dass eine Gestaltung von Fördermodulen anhand dynamischer Prozessgrößen sowie eine Berücksichtigung der Betriebsphase im Auslegungsprozess ermöglicht. Anhand dieses Auslegungstools können die freien Parameter eines Rollenfördermoduls zugunsten einer anforderungsgerechten, situationsgerechten und anpassungsfähigen Gestaltung gewählt werden. Bei dem Auslegungstool handelt es sich um drei Prognosemodelle, die mithilfe der Statistischen Versuchsplanung erarbeitet wurden. Dabei handelt es sich um empirische Modelle, die auf Versuchsergebnissen beruhen. Um diese zu ermitteln, sind drei Messkomponenten entwickelt worden. Zusammen mit einem Rollenförderer als Demonstrator entstand so eine geeignete Versuchsanlage zur Durchführung der erforderlichen Versuchsreihen. Jedes der drei Modelle beschreibt die Abhängigkeit einer Zielgröße von den sie beeinflussenden Parametern. Die Modelle bilden das Förderverhalten und die Belastung der tragenden Komponenten des Rollenfördermoduls ab. Zur Verdeutlichung, wie die entwickelten Prognosemodelle bei der Gestaltung eines Fördermoduls genutzt werden können, wurde eine Rollenfördergerade anhand von zwei Beispielszenarien ausgelegt.
Systematische Optimierung der mechanischen und hygroskopischen Eigenschaften von Faserformprodukten
(2010-10-27) Stumpf, Christian; Schejok, Christian; Künne, Bernd; Kuhlenkötter, Bernd
Entwicklung eines internetbasierten Wissensmanagementsystems für die reinigungsgerechte Konstruktion
(2010-03-30T08:27:55Z) Richard, Tim; Künne, Bernd; Deuse, Jochen
Die Dissertation beschäftigt sich mit Wissensmanagement im Bereich der Reinigungstechnik. Dass der Betriebsfaktor Wissen eine sehr große Bedeutung in Deutschland besitzt, ist allgemein bekannt. Für das organisationsinterne Wissen, welches als Abgrenzungskriterium zu Wettbewerbern gilt, wird zumindest in einigen Fällen ein beachtlicher Aufwand betrieben. Es existiert jedoch auch vorwettbewerbliches Wissen, welches einer gesamten Branche nutzen sollte. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, für dieses Wissen ein System zu erstellen, welches die Dynamik des Web 2.0 auch für das berufliche branchenübergreifende Umfeld entfacht und gleichzeitig über ein Workflowmanagementsystem die Qualität der Inhalte sicher stellt, um die Akzeptanz bei den Nutzern weiter zu erhöhen. Dasselbe System kann ergänzend hierzu auch im Intranet von Unternehmen zum Einsatz kommen, so dass die Mitarbeiter ein einheitliches Werkzeug für den betriebsinternen und betriebsübergreifenden Austausch zur Verfügung haben. Um den Konstrukteuren und Konstrukteurinnen neben dem Wissensmanagementwerkzeug konkrete Handlungsempfehlungen bieten zu können, die beschreiben, wie die Optimierung der Reinigungsgerechtheit von Konstruktionen möglich ist, wurde zudem eine Systematik zur Berücksichtigung der reinigungsrelevanten Einflussfaktoren ausgearbeitet. Dabei wird auf bekannte Werkzeuge zurückgegriffen, die für die Verwendung im Bereich der Reinigungstechnik angepasst worden sind. Einen besonders großen Stellenwert in diesem Umfeld nimmt die Simulation der Strömung von Reinigungsmedien ein. Es wurde aufgezeigt, dass sich schlecht zu reinigenden Stellen eines Bauteils ergeben, falls die Strömungsenergie durch das Medium in diesen Bereichen gering ist. Hierdurch ist eine sehr gute Visualisierung von kritischen Bereichen möglich.
Simulationsgestützte Untersuchung von Steuerungsstrategien für Krane in Parksystemen
(2010-03-24T09:41:20Z) Eller, Jörg; Künne, B.; Jünemann, R.
Entwicklung eines Schädigungsmodells des Delaminationsprozesses von Polyurethanbandagen bei Schwerlasträdern
(2008-02-18T10:23:16Z) Langenohl, Aljoscha; Künne, Bernd; Crostack, Horst-Artur
Räder mit weichelastischen Laufflächen verdrängen in logistischen Anwendungen aufgrund ihrer Laufruhe, guten Kraftübertragung und ihrer Fähigkeit, Stöße zu absorbieren, zunehmend Räder aus Stahl, Grauguss oder Aluminium. Bei den Bandagen von diesen Schwerlasträdern haben sich massive Polyurethane wegen ihrer besseren mechanischen gegenüber Kautschukprodukten durchgesetzt. Aufgrund des unterschiedlichen Dehnungsverhaltens des elastischen Belages und des metallischen Trägerkörpers ist die Fügezone zwischen beiden Komponenten eine Schwachstelle. Die Ablösung des Elastomerbelages eines Schwerlastrades von der Nabe ist eine der häufigsten Ausfallursachen, die unerwartet auftreten kann. Stillstandszeiten von logistischen Systemen oder Produktionsstätten können durch diesen unvorhergesehenen Ausfall zu großen wirtschaftlichen Schäden führen. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf Basis experimenteller Untersuchungen ein Schädigungsmodell entwickelt, das den Ablösungsprozess der Polyurethanbandage von der metallischen Nabe in der Teilfuge von Schwerlasträdern beschreiben kann. Für diese Untersuchung werden mit Musterfehlern präparierte Räder hergestellt, die Delaminationen von definierter Größe aufweisen. Diese Räder werden bei unterschiedlichen Belastungsparametern auf einem dafür speziell entwickelten Versuchsstand belastet. Vor und nach den Belastungsintervallen wird die Teilfuge zwischen PUR-Bandage und Nabe mittels zerstörungsfreier Prüftechnik auf den Fortschritt der Delamination hin untersucht. Dabei werden Einflussfaktoren für ein Fortschreiten eines Fehlers in einem vorgeschädigten Rad identifiziert und quantifiziert. Aus den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen wird schließlich ein Schädigungsmodell abgeleitet, das unter definierten Randbedingungen Aussagen über den Ablösungsprozess erlaubt.

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