Forschungsberichte ohne Pflichtabgabe (DFG, IGF…)
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- ItemEntwurfsmethodik für das Co-Design von mechanischer Struktur und Schnittstellenschaltung elektrodynamischer Energy-Harvester(2025-04-11) Hehn, Thorsten; Schillinger, Daniel; Sommer, Ralf; Leistritz, BiancaEnergy Harvesting ermöglicht die Umwandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie, um energieautarke Funk-Sensor-Knoten zu betreiben. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge, in denen viele Sensoren dezentral eingesetzt werden. Im durchgeführten Forschungsprojekt wurde eine Entwurfsmethodik zum Co-Design aus Mechanik und Elektronik für elektromechanische Vibrations-Harvester entwickelt. Ziel war ein optimales System, das Synergien zwischen Mechanik und Elektronik nutzt. Durch eine modellbasierte Entwicklung konnte ein Gesamtkonzept aus Harvester und Lastanpassungs-Elektronik erarbeitet werden, das Parameter wie Signalform, Frequenz und Baugröße berücksichtigt. Verschiedene Modellierungsansätze wurden evaluiert, um eine optimale Abstraktionsebene zu finden. Dabei wurde ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand erreicht. Zur Validierung der Ergebnisse wurde ein Harvester gefertigt und getestet. Ein ASIC wurde implementiert, simuliert und gefertigt, konnte aber messtechnisch nicht validiert werden.
- ItemEntwicklung eines digitalen Zwillings von Thermoformanlagen - Prozessnahe Vorhersage der Wanddickenverteilung von thermogeformten Formteilen(Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2022-09-30)Aus Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsgründen ist eine ressourceneffiziente Produktion im Thermoformen und allgemein in der Kunststoffverarbeitung relevant. Ein digitaler Zwilling soll parallel zum laufenden Prozess die Wanddickenverteilung des produzierten Formteils vorhersagen. Diese Vorhersage soll in einer kurzen Zeit und möglichst präzise erfolgen. Dazu werden zunächst verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Halbzeugtemperatur zum Umformzeitpunkt betrachtet. Es werden hierfür Live-Daten aus einer thermografischen Messung im Produktionsprozess genutzt. Im Anschluss werden diese Temperaturprofile so korrigiert, dass die Temperaturverteilung im Halbzeug zum Zeitpunkt der Umformung bestimmt wird. Dazu wird entweder eine vollständige dreidimensionale Wärmeleitungssimulation oder eine stark vereinfachte zweidimensionale Betrachtung des Halbzeugs genutzt. Hierbei zeigt sich, dass die vereinfachte Betrachtung qualitativ vergleichbare Ergebnisse liefern kann und dabei eine Rechenzeit von circa 50 ms benötigt. So kann auf Kosten eines etwa 10 % größeren Fehlers bei der Temperaturverteilung praktisch die komplette Rechenzeit eingespart werden (Rechenzeit: 0,044 s). Das so bestimmte Temperaturprofil zum Umformzeitpunkt dient als Eingangsgröße für die sich anschließende Umformsimulation, die die Wanddickenverteilung des Formteils bestimmt. Zur Charakterisierung des Materialverhaltens wurden mechanische Prüfungen auf einem Laborreckrahmen durchgeführt. Anhand dieser Messungen wird ein hyperelastisches und ein visko-hyperelastisches Materialmodell auf Basis des Yeoh-Modells kalibriert und gegenübergestellt. Die Umformsimulation kann mit beiden Modellen den resultierenden Wanddickenverlauf qualitativ gut wiedergeben. Abhängig vom Temperaturniveau zeigen sich jedoch deutliche Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Wanddicken von Formteilen. Das rein hyperelastische Modell liefert qualitativ ähnliche Ergebnisse und benötigt etwa 25 % weniger Rechenzeit als das visko-hyperelastische Materialmodell. So kann die Wanddickenverteilung in einem beispielhaften Becherformteil in etwa 5 Minuten bestimmt werden. Datei-Upload durch TIB
- ItemVerkürzung der Vorstreckstempelauslegung beim Thermoformen durch Simulation - Ermittlung von Reibwerten für die Umformsimulation mit Vorstreckstempel mittels eines Reverse-Engineering-Ansatzes(Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2022-09-30)Beim Thermoformen werden zur Homogenisierung der Wanddickenverteilung der Bauteile Vorstreckstempel eingesetzt. Die Auslegung der Stempel erfolgt dabei noch immer zu einem großen Teil empirisch in aufwendigen Iterationsschleifen. Durch den Einsatz von Simulationen kann der Entwicklungsprozess von Vorstreckstempeln sowie die Inbetriebnahme verkürzt werden. Herausfordernd ist jedoch die simulative Beschreibung der Stempel/Halbzeug- Interaktion. Insbesondere die Bestimmung realer Reibkoeffizienten ist aufwendig und führt noch immer nicht zu genauen Ergebnissen. Daher soll in diesem Vorhaben über einen Reverse-Engineering-Ansatz die Bestimmung der für die Umformsimulation erforderlichen Reibkoeffizienten durch Ermittlung von Ersatzreibwerten vereinfacht werden. Dazu werden einerseits Umformsimulationen mit verschiedenen aus der Literatur entnommenen sowie fiktiven (Ersatz-)Reibwerten durchgeführt und der Einfluss auf die Wanddickenverteilung des simulierten Formteils analysiert. Andererseits werden Vorstreckstempel unter Variation der Fertigungsparameter bei der spanenden Bearbeitung hergestellt. Die Vorstreckstempel weisen somit unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten auf und führen bei den Formteilen zu unterschiedlichen Wanddickenverteilungen in experimentellen Thermoformversuchen. Durch einen Vergleich der resultierenden Wanddicken der Formteile aus Simulation und aus Experimenten wird der Zusammenhang zwischen den simulativ zu verwenden Ersatzreibwerten und den Oberflächenrauigkeiten des Stempels erfasst. Durch den Reverse-Engineering- Ansatz kann auf die aufwendige Bestimmung von realen Reibungswerten verzichtet werden. Dadurch wird insbesondere kmU, wie z. B. Werkzeugbauern und Thermoformern der Zugang zur simulativen Stempelauslegung erleichtert. Ergebnisse sind kürzere und effizientere Designprozesse der Vorstreckstempel und der Formteile, die wiederum durch eine homogenere Wanddickenverteilung wesentliche Materialeinsparungen ermöglichen. Datei-Upload über TIB
- ItemSteigerung der Produktivität und der Folienqualität in der Flachfolienextrusion durch Vermeidung der Belagsbildung auf Kühlwalzen mithilfe eines mit einem optischen Inspektionssystem gekoppelten Walzenreinigungssystem(Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2023-03-31)Aufgrund der komplexen adhäsiven Wechselwirkungen zwischen der Kunststoffschmelze und den metallischen Oberflächen der Walzen bildet sich bei der Verarbeitung von Kunststoffen sehr häufig ein Belag auf der Walzenoberfläche aus. Der Belag kann durch flüchtige Bestandteile des verarbeiteten Materials (z. B. Additive, Katalysatoren, Oligomere) oder durch eine Reaktion des Polymers mit der metallischen Walzenoberfläche verursacht werden. Mit zunehmender Laufzeit kann dieser Belag durch adhäsive Vorgänge lokal wachsen und dadurch zu einer ungleichmäßigen, fleckigen oder streifigen Folie führen und die Produktqualität stark negativ beeinflussen. Des Weiteren kann durch die Belagsbildung der lokale Wärmeübergang zwischen der Kühlwalze und der Folie verschlechtert werden, wodurch die Kühlleistung und damit auch der maximal erreichbare Durchsatz der Anlage sinken. Hinzu kommt, dass die lokal ungleichmäßige Abkühlung zu weiteren Qualitätsmängeln in der Folie führen kann. Entsprechend muss die Extrusionsanlage bei Vorliegen einer kritischen Belagsdicke abgeschaltet und meistens manuell gereinigt werden. Die mit den Reinigungsprozessen verbundenen Stillstandzeiten der Extrusionsanlage führen zu einem erheblichen Produktionsausfall sowie einem Anstieg der Personalkosten durch den zusätzlichen Reinigungsaufwand. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird ein optisches Inspektionssystem aufgebaut, um Bilder der Walzenoberfläche mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung und hohem Kontrast aufnehmen zu können. Zur Ermittlung einer optimalen Aufnahme- und Belichtungsstrategie müssen sowohl der Abstand als auch der Blickwinkel der Kameras und der Beleuchtungen flexibel und reproduzierbar einstellbar sein. Daher wird ein Versuchsstand, an welchem die Messkomponenten reproduzierbar ausgerichtet werden können. Im Weiteren erfolgt die Entwicklung eines Bildverarbeitungsalgorithmus zur zeitlichen Erfassung der Glanzveränderungen auf der Kühlwalzenoberfläche. Weiterhin wird der prozesstechnische Einfluss auf die Belagsbildung und die Folienqualität durch Auswertung der sich ergebenden „Belagskarten“ sowie der optischen Folieneigenschaften ermittelt. Abschließend erfolgten die Konstruktion und Erprobung eines berührenden Walzenreinigungssystems. Datei-Upload über TIB
- ItemEntwicklung und Erprobung einer Auslegungsroutine zur Ertüchtigung von Kunststoffoptiken für Laseranwendungen (KOptLas)(Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2022-08-18)In vielen optischen Anwendungen wie Beleuchtungs- oder Kamerasystemen haben sich thermoplastische Kunststoffe gegenüber dem klassischen Werkstoff Glas durchgesetzt. Neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung zählen vor allem die große Designfreiheit und die massentaugliche Verarbeitbarkeit mittels Spritzgießen ohne aufwendige Nachbearbeitungsschritte zu den Stärken von Kunststoffoptiken. Laseranwendungen mit mittleren Laserleistungen von 1 bis 100 W, wie das Laserbeschriften, stellen höhere Anforderungen an die optischen Eigenschaften, die von Kunststoffoptiken bisher nicht erfüllt werden. Mithilfe einer gekoppelten thermomechanischen Auslegung können Kunststoffoptiken für die Verwendung in Laseranwendungen befähigt werden, da die Materialausdehnung und die thermische Brechungsindexänderung der Linsen im Einsatzfall betrachtet werden. Die thermomechanische Auslegung gepaart mit einer optischen Simulation ermöglicht die Berechnung der nötigen Linsengeometrie. Dazu werden die Materialeigenschaften und der Einfluss der Laserleistung auf den Kunststoff untersucht und die Auswirkung auf die optische Leistungsfähigkeit analysiert. Als Qualitätskennwert für den Einfluss der Materialeigenschaften auf die Fokussiereigenschaften der Linse wird die Beugungsmaßzahl M² verwendet. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Fokussiereigenschaften der Linse vom Brechungsindex und dem gewählten Laserstrahldurchmesser. Auf Grundlage der in der optischen Auslegung bestimmten Linsengeometrie wird eine Kompensationsmethode entwickelt und eingesetzt, die auf Basis von vollfaktoriellen simulativen Versuchsplänen die Kavitätsgeometrie im Spritzgießwerkzeug optimiert. Dadurch ist eine mehrfache Werkzeugnachbearbeitung nicht mehr notwendig und es konnten Linsen mit einer mittleren absoluten Differenz von 1,27 μm zu der Soll-Geometrie in realen Spritzgießversuchen hergestellt werden. In den Prozessuntersuchungen wird eine große Sensitivität der Qualitätskennwerte Beugungszahl und mittlere absolute Differenz von dem Nachdruck im Spritzgießprozess erkennbar, und durch eine Anpassung der Prozessparameter konnte die Qualität der Linsen in Abformgenauigkeit und optischer Leistung gesteigert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB