Förderlinie IngenieurNachwuchs. 1. Förderrunde (2007 bis 2010/11) Maschinenbau

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1 Förderlinie IngenieurNachwuchs 1. Förderrunde (2007 bis 2010/11) Maschinenbau 1

2 Impressum Herausgeber Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Referat Forschung an Fachhochschulen, Ingenieurnachwuchs Bonn Projektträger AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. Projektträger Forschung an Fachhochschulen Bayenthalgürtel Köln Redaktion Henderika Hamacher, AiF e.v. Gestaltung Julia Mettelsiefen, AiF e.v. Bildnachweis Bildunion Bonn, Köln 2011

3 Förderlinie IngenieurNachwuchs 1. Förderrunde (2007 bis 2010/11) Maschinenbau

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5 Qualifizierung von Ingenieurnachwuchs an Fachhochschulen Fachhochschulen legen bei der Ingenieurausbildung traditionell großen Wert auf den Praxisbezug, der durch Kooperationen mit Unternehmenspartnern gewährleistet wird. Diesen Gedanken hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung in der Förderlinie IngenieurNachwuchs aufgegriffen, in der Nachwuchsteams aus erstberufenen Professorinnen und Professoren, Promovenden, Absolventen und Studierenden gefördert werden, die in Forschungsprojekten mit Unternehmen kooperieren. Neben der Sicherstellung des Praxisbezugs sind auch Kooperationen mit anderen n aus der Wissenschaft erwünscht. Durch die Einbindung von Universitäten sind z.b. kooperative Promotionen von Fachhochschulabsolventen möglich. Die Förderlinie wurde 2007 erstmalig mit dem Schwerpunkt Maschinenbau ausgeschrieben. Ziel ist die Orientierung der jährlich wechselnden Schwerpunkte an besonderen und aktuellen Nachwuchsproblemen, Forschungsbedürfnissen und Ausbildungserfordernissen. Im Rahmen der geförderten Projekte werden die Forschungskompetenzen der erstberufenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiter ausgebaut und Kontakte zu Unternehmen sowie anderen Forschungseinrichtungen vertieft. Studierende werden an Forschungs- und Entwicklungsthemen herangeführt und Absolventen weiterqualifiziert. Der Praxisbezug steht in jedem Forschungsprojekt im Vordergrund, denn ohne die technische Versiertheit der Ingenieurinnen und Ingenieure und ihren Blick für das Machbare wäre der technische Fortschritt nicht möglich, dem wir unseren Wohlstand verdanken. Innovationen sind der Garant einer erfolgreichen Zukunft, und dafür brauchen wir gut ausgebildete Ingenieurinnen und Ingenieure. In der Förderrunde 2007 wurden 101 Anträge eingereicht, 64 als förderungswürdig eingestuft und 40 mit einem Volumen von 9,3 Mio. Euro bewilligt. Die nachfolgenden Projektskizzen dieser ersten Förderrunde IngenieurNachwuchs zeigen einen Teil der vielfältigen Forschungsaktivitäten an Fachhochschulen, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit seinem Programm Forschung an Fachhochschulen ermöglicht.

6 Inhalt Optimierung von Bohrwerkzeugen für rostfreie Stähle Prof. Dr.-Ing. Eckehard Kalhöfer, Hochschule Aalen 8 Systematische Untersuchung der Schutzschichten auf rostfreiem Stahl Prof. Dr. Thomas L. Ladwein, Hochschule Aalen 9 Ventilatoren mit Computersimulationsmodellen optimieren Prof. Dr.-Ing. Stefan Frank, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin 10 Optimierter Aufbau von Low-Cost-Schwingungsanalysesystemen Prof. Dr. Josef Vollmer, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg 11 Hohe Oberflächengüte bei Mikrospritzguss-Formen durch Lasertechnik Prof. Dr.-Ing. Christian Stark, Fachhochschule Brandenburg 12 Produktionsoptimierung in der digitalen Fabrik Prof. Dr.-Ing. Holger Brüggemann, Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften 13 Maßgeschneiderte Profilentwicklung von Rotorblättern Prof. Dr.-Ing. Olaf Frommann, Hochschule Bremen 14 Präzise Materialabtragung mit Lasern in einem Schritt Prof. Dr. Roswitha Giedl-Wagner, Hochschule Deggendorf 15 Entwicklung oberflächenveredelter Elastomerformteile Prof. Dr. Kathrin Harre, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden 16 Verbesserung von Biokraftstoffen für Abgasnachbehandlungssysteme Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden 17 Voraussage von Materialverhalten bei Pkws durch Berechnungsmodelle Prof. Dr.-Ing. Udo Jung, Fachhochschule Gießen-Friedberg 18 Entwicklung alternativer Kühlschmier-Technologien Prof. Dr.-Ing. Markus Schneider, Fachhochschule Gießen-Friedberg (heute Hochschule Ruhr West) 19 Präzise Zentrierbestimmung optischer Baugruppen durch Laser Prof. Dr. Thomas Sure, Fachhochschule Gießen-Friedberg 20 Effiziente Durchsatzsteigerung im Anlagenbau und -betrieb Prof. Dr.-Ing. Jochen Kreutzfeldt, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 21 Verbesserung von PUR-Faserverbundwerkstoffen durch Simulation Prof. Dr.-Ing. Peter Wulf, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 22 Innenhochdruckfügeverfahren für asymmetrische Geometrien Prof. Dr.-Ing. Martin Garzke, Fachhochschule Jena 23 Modellierung und Simulation der Vereisung von Kleinflugzeugen Prof. Dr.-Ing. Norbert Gilbert, Fachhochschule Kaiserslautern 24 Leitfaden zum systematischen Aufbau von Produktionsstätten in China Prof. Dr.-Ing. Jürgen Mallon, Fachhochschule Kiel 25 Projected-Fringe-Technik-Systeme und Echtzeitmessungen im Test Prof. Dr. Claus Braxmaier, Hochschule Technik, Wirtschaft und Gestaltung Konstanz 26 Kostengünstige Herstellung hochwertiger Verbindungsprofile Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. Uwe Bäsel, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig 27 6

7 Inhalt Mit Hilfe von Asset-Management die Anlagenverfügbarkeit erhöhen Prof. Dr.-Ing. Tilo Heimbold, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig 28 Gehäuselose Synchronmaschinen in Bohrköpfen Prof. Dr.-Ing. Holger Borcherding, Hochschule Ostwestfalen-Lippe 29 Fehldrucke durch multisensorische Mustererkennung vermeiden Prof. Dr.-Ing. Volker Lohweg, Hochschule Ostwestfalen-Lippe 30 Bremsen und Kupplungen auf Basis magnetorheologischer Fluids Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas, Hochschule Ostwestfalen-Lippe 31 Hochwertiges bleifreies Löten elektronischer Baugruppen Prof. Dr.-Ing. Felix Müller-Gliesmann, Hochschule Mannheim 32 Effiziente Qualitätskontrolle in Lackieranlagen mit DEA Prof. Dr. Thomas Rödel, Hochschule Merseburg 33 Geschmeidiger in die Lüfte mit leichter Verstellpropelleranlage Prof. Dr.-Ing. Guido Sperl, Hochschule München 34 Expertenbasierte Fehler- und Änderungsmanagement-Methodik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Hornfeck, Georg-Simon-Ohm-Hochschule für angewandte Wissenschaften Nürnberg 35 Weniger Schadstoffemissionen bei homogener Kraftstoffverbrennung Prof. Dr.-Ing. Miroslaw Weclas, Georg-Simon-Ohm-Hochschule für angewandte Wissenschaften Nürnberg 36 Innovatives Fahrwerkkonzept für Hybridfahrzeuge Prof. Dr.-Ing. Norbert Austerhoff, Hochschule Osnabrück 37 Lenkbare und robuste fahrerlose Transportsysteme in der Produktion Prof. Dr.-Ing. Ralf Stetter, Hochschule Ravensburg-Weingarten 38 Flexible Automatisierung eines Mikroproduktionssystems Prof. Dr.-Ing. Holger Voos, Hochschule Ravensburg-Weingarten 39 Automatisierter Fertigungsablauf unabhängiger Einzelprozesse Prof. Dr.-Ing. Jürgen Griebsch, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 40 On-Board-Regenerationsverfahren für Abgasreinigungssysteme Prof. Dr.-Ing. Thomas Heinze, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 41 Neue Technologie für die Prüfung dünnwandiger Schalenstrukturen Prof. Dr.-Ing. Matthias Ziegenhorn, Hochschule Lausitz 42 Radarsensoren in Briefmarkengröße für Fahrerassistenzsysteme Prof. Dr.-Ing. Thomas Walter, Hochschule Ulm 43 Belastbarkeitsprüfung von Verbundwerkstoffen durch Simulation Prof. Dr. Evgenia Kirillova, Hochschule RheinMain 44 Verträglichere Implantate durch neuartige Beschichtungen Prof. Dr. Marion Wienecke, Hochschule Wismar 45 7

8 Optimierung von Bohrwerkzeugen für rostfreie Stähle Beim Zerspanen werden Werkstoffe wie Stahl durch spanende Verfahren wie z.b. Bohren in eine gewünschte Form gebracht, indem überflüssiges Material in Form von Spänen abgetragen wird. Chrom-Nickel-Stähle, auch austenitische Stähle genannt, sind wegen ihrer schwierigen Spanabfuhr und der geringen Wärmeleitfähigkeit problematisch zu bohren. Im Forschungsprojekt wurde das Zerspanungsverhalten von rostfreien, austenitischen Stählen insbesondere beim Hochleistungsbohren untersucht, denn obwohl die Schnittparameter beim Bohren dieser Stähle gewöhnlich relativ niedrig sind, zeigen einige Versuche die Möglichkeit auf, mit Hochleistungszerspanung zu arbeiten und damit die Produktivität zu verbessern. Die erzielten Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung von Bohrwerkzeugen speziell für die Bearbeitung rostfreier, austenitischer Stähle und geben Hinweise auf die zu wählenden Schnittparameter. Um die Spanwurzeluntersuchungen beim Bohren zu ermöglichen, wurde eine Spanunterbrechungsvorrichtung konstruiert. Die Zeit zur Synchronisation von Werkstück und Werkzeug ist bei dieser Vorrichtung besonders kurz, sodass die Verfälschungen durch eine langsame Synchronisation im Vergleich zu anderen Lösungen klein sind. Für die Geometrieoptimierungen der Bohrerspitze hinsichtlich der Schneidenbelastungen wurde eine Vorrichtung entwickelt, die die detaillierte Untersuchung der Belastungen entlang der Schneide erlaubt. Weiterhin wurde eine Methode zum Hochgeschwindigkeitsfilmen der Spanformung beim Bohren entwickelt. Diese Methode ist vollkommen neu und ermöglicht das Studium der Spanformung, um so die Geometrie des Bohrers hinsichtlich einer optimalen Spanformung zu verbessern. Mit den erarbeiteten Messmethoden und Vorrichtungen können Bohrwerkzeuge für rostfreie, austenitische Stähle, aber auch für andere Werkstoffe gezielt optimiert werden. Hochleistungs-Bohren von rostfreiem, austenitischem Stahl Euro Hochschule Aalen Prof. Dr.-Ing. Eckehard Kalhöfer Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik 14 Bachelorarbeiten Miller Präzisionswerkzeuge GmbH, Altenstadt 8

9 Systematische Untersuchung der Schutzschichten auf rostfreiem Stahl Nichtrostende hochlegierte Stähle werden in vielen Bereichen der Technik als Werkstoffe für Rohrleitungen, Behälter und Apparate eingesetzt. Während der Fertigung der Bauteile werden im Kontakt mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre ohne weiteres Zutun oder durch gezielte chemische Oberflächenbehandlung Passivschichten erzeugt, die den Stahl vor Korrosion schützen. Entsprechend ihrer Entstehung können die nur 10 bis 50 Atomlagen dünnen Passivschichten unterschiedlich ausgebildet sein und unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Rauheit, Belagsfreiheit oder Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Im Forschungsprojekt C-O-F-O-N-S wurden erstmalig systematisch die Mechanismen der Bildung und die jeweiligen Eigenschaften der Passivschichten untersucht und ein Verfahren entwickelt, mit dem die Oberflächeneigenschaften jederzeit zuverlässig gemessen und beurteilt werden können. Die Charakterisierung der Oberflächen wurde mit verschiedenen elektrochemischen und physikalischen Methoden durchgeführt. Für die elektrochemischen Messungen wurde eine Aufsatzzelle entwickelt, mit der nur die Oberfläche ohne störende Einflüsse von Kanten oder Spalten gemessen werden kann. Zwischen den verschiedenen Oberflächen wurden deutliche Unterschiede aufgezeigt, die mit physikalischen Messergebnissen, z.b. Rauheitswerten, korrelieren. Die Bestimmung der Oberflächenenergien brachte hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit keine eindeutige Korrelation (weitere Messungen sind dazu nötig), jedoch konnten durchaus Unterschiede zwischen verschiedenen Oberflächenbehandlungen und der anschließenden Auslagerungsdauer an der Luft gemessen werden. Mit einer Kombination aus den Messtechniken und der entwickelten Aufsatzzelle ist es möglich, die Funktionalität der Oberflächen zuverlässig zu messen und zu beurteilen. Basierend auf den experimentellen Daten wurde ein Oberflächenindex entwickelt, mit dem die Korrosionsbeständigkeit einer Oberfläche im Voraus eingeordnet werden kann. Die Ergebnisse lassen sich im Apparate- und Anlagenbau sowie in der Halbzeug- und Rohreherstellung einsetzen. Charakterisierung und Optimierung der Oberflächen nichtrostender Stähle (C-O-F-O-N-S) Euro Hochschule Aalen Prof. Dr. Thomas L. Ladwein Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik 1 Bachelorarbeit 1 Promotion in Kooperation mit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Althammer GmbH & Co. KG, Heidenheim, BASF AG, Ludwigshafen, Lurgi AG, Frankfurt 9

10 Ventilatoren mit Computersimulationsmodellen optimieren Trommelläufer-Ventilatoren werden insbesondere in der Automobil- und Hausgeräte-Industrie eingesetzt, weil sie sich durch einfachen Aufbau, kleinen Bauraum und relativ geringe Strömungsgeräusche auszeichnen. Trotz ihrer weiten Verbreitung entzieht sich ihre Auslegung bis heute weitgehend analytischen und numerischen Methoden. In der Regel werden Trommelläufer daher durch zeit- und kostenaufwendige Versuchsreihen optimiert. Im Forschungsprojekt NUBAT wurden systematisch geeignete numerische Verfahren zur Entwicklung von Trommelläufern getestet, um einen besseren Wirkungsgrad, einen kleineren Bauraum und eine geringere Geräuschemission zu erzielen. Die auf praxisrelevante Einsatzgebiete angepassten Computersimulationsmodelle minimieren den Entwicklungs- und Erprobungsaufwand erheblich und können die Hersteller bei einer effizienten Optimierung ihrer Ventilatoren unterstützen. Nachdem zahlreiche Varianten von Trommelläufer-Ventilatoren unter idealen und industrienahen Bedingungen sowohl experimentell als auch numerisch untersucht wurden, konnte eine Berechnungsmethodik für die CFD (Computational Fluid Dynamics) entwickelt werden. Die Methodik ist in der Lage, sowohl die Kennlinie als auch den Wirkungsgrad mit hoher quantitativer Präzision über einen weiten Betriebsbereich vorherzusagen. Damit wird der Industrie ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das die Optimierung der Trommelläufer hinsichtlich Baugröße, Druckaufbau und Wirkungsgrad noch vor dem Bau eines ersten Prototypen ermöglicht. Geeignet hierzu ist kommerziell verfügbare Software zur CFD. Diese kann sowohl mit strukturierten als auch unstrukturierten Gittern, stationärer als auch instationärer Berechnung und mit modernen Wirbel-Viskositäts-Modellen genutzt werden. Wichtig ist eine ausreichend feine Vernetzung des Rechengebiets mit mehreren Millionen Gitterpunkten und einer relativ hohen Auflösung der Wandgrenzschicht, insbesondere im Rotor. Numerische Berechnung und Auslegung von Trommelläufer-Ventilatoren bei idealer und gestörter Zu- und Abströmung (NUBAT) Euro Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Prof. Dr.-Ing. Stefan Frank Fachbereich Ingenieurwissenschaften II 4 Bachelorarbeiten 5 Masterarbeiten 1 Promotion in Kooperation mit der TU Berlin Bosch Siemens Hausgeräte GmbH, München, CFX Berlin Software GmbH, Berlin, Wilhelm Gronbach GmbH, Wasserburg 10

11 Optimierter Aufbau von Low-Cost-Schwingungsanalysesystemen Maschinen und Anlagen mit beweglichen Teilen weisen generell mechanische Schwingungen auf. Solche Schwingungen sind in manchen Anwendungen wichtig zur Funktion, wie beim Verdichten, Rütteln, Sieben und Fördern. In anderen Anwendungen treten sie erst auf, wenn Verschleiß an mechanischen Bauteilen vorhanden ist. Im Forschungsprojekt VIBMESS wurde eine Plattform zum Aufbau anwendungsspezifischer, integrierter Low-Cost-Schwingungsanalysesysteme entwickelt, die entweder die Maschinenfunktion überwachen oder hinsichtlich einer vorbeugenden Instandhaltung über den Verschleißzustand der Maschine informieren. Die Plattform besteht aus einem Baukasten von Komponenten und Methoden zum Aufbau eines optimierten Analysesystems. Dafür wurden kommerziell erhältliche Beschleunigungs-, Vibrations- und Körperschallsensoren sowie mikroelektronische Signalverarbeitungsbausteine bewertet und Signalverarbeitungsverfahren für ausgewählte Anwendungen entwickelt. Low-Cost-Schwingungsanalysesysteme können mit mikromechanischen Beschleunigungssensoren und den weit verbreiteten Mikrocontrollern aufgebaut werden. Ein wesentlicher Bestandteil der entwickelten Analysesysteme ist die digitale Signalauswertung auf dem Mikrocontroller: Hier kann anwendungsbezogen eine Analyse von einer einfachen Berechnung des Effektivwertes bis hin zur Frequenzanalyse durchgeführt werden. Gerade Frequenzanalysen ergeben ein detailliertes Bild über die vorhandenen Schwingungen; bei der Verschleißüberwachung kann dabei prinzipiell sogar der Schadensort, manchmal auch das verursachende Bauteil ermittelt werden. Mit dem erstellten Baukasten können in Maschinen, die nur wenige Tausend Euro kosten, Low-Cost-Schwingungsanalysesysteme integriert werden und dem Anwender eine Zusatzfunktion bieten, die mit bisher verfügbaren Analysesystemen aus Kostengründen nicht möglich war. Der Baukasten ermöglicht für eigenständige Maschinen wie handgeführte Elektrowerkzeuge, Land- und Baumaschinen Zusatznutzen, die einen Wettbewerbsvorteil für Hersteller und Anwender bieten. Ebenfalls kann in Pumpen, Lüftern und sonstigen Teilsystemen einer großen Anlage eine Überwachungsfunktion integriert werden, die Informationen an eine zentrale Steuerung liefert und die Anlagenverfügbarkeit indirekt erhöht. Anwendungsspezifische Schwingungsüberwachung in Maschinen und Anlagen mittels Low-Cost-Körperschall-Sensorik (VIBMESS) Euro Hochschule Bonn-Rhein-Sieg Prof. Dr. Josef Vollmer Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau und Technikjournalismus 2 Bachelorarbeiten 1 Diplomarbeit 1 Masterarbeit Ammann Verdichtung GmbH, Hennef, BPW Bergische Achsen KG, Wiehl 11

12 Hohe Oberflächengüte bei Mikrospritzguss-Formen durch Lasertechnik Der Einsatz von Mikrobauteilen nimmt in vielen Bereichen wie im Automobilbau oder in der Elektroindustrie kontinuierlich zu. Die Herstellung der Bauteile in großer Stückzahl erfolgt meist mit Mikrospritzguss-Verfahren, die komplexe dreidimensionale Geometrien abformen können. Die Genauigkeit der räumlichen Geometrie und eine geringe Oberflächenrauigkeit der Mikrospritzguss-Werkzeugeinsätze entscheiden über die Qualität der Bauteile. Um eine geringe Rauigkeit zu erreichen, ist nach dem Fertigen der Form häufig noch ein Polierschritt notwendig, der bei dreidimensionalen Strukturen bisher nicht automatisiert erfolgen kann. Im Forschungsprojekt wurde ein durchgängiges und industrietaugliches Laserbearbeitungskonzept zur automatisierten Fertigung und zum Polieren von Mikrospritzguss-Werkzeugeinsätzen entwickelt, das eine hohe Oberflächengüte erreicht und ein manuelles zeit- sowie kostenintensives Nachpolieren nicht mehr erforderlich macht. Die mit Laserbearbeitung hergestellten Mikrogeometrien in metallischen Werkstücken entsprechen bei Anpassung der Prozessbedingungen der Bauteilgenauigkeit und Oberflächengüten für ein weites Spektrum praktisch anwendbarer Spritzgusswerkzeuge. Es wurden exemplarisch relativ einfache dreidimensionale Geometrien (Pyramiden, Kegel) mit einer Genauigkeit deutlich < 0,01 Millimeter und Oberflächengüten von R a = 0,094 Mikrometer gefertigt. Diese Messergebnisse entsprechen einem großen Teil manuell polierter Oberflächen, wobei sich der Glanzgrad noch unterscheidet, der jedoch für viele Anwendungen von geringer Bedeutung ist. Durch informationstechnische Verknüpfung von mechanischen Antriebsdaten, integrierter Messtechnik sowie der Softwareanbindung eines CAD-/CAM-Systems konnte nachgewiesen werden, dass es grundsätzlich Möglichkeiten gibt, eine praxisorientierte und zuverlässige Prozessautomatisierung für das Herstellen komplexer Geometrien und das anschließende Polieren zu realisieren. Die Prozessleitsoftware wurde auf der Basis von LabView programmiert und hinsichtlich ihrer betrieblichen Anwendungstauglichkeit exemplarisch verifiziert. Entwicklung eines Verfahrens zum Herstellen und Polieren von Formen für den Mikrospritzguss Euro Fachhochschule Brandenburg Prof. Dr.-Ing. Christian Stark Fakultät Technik und Informatik 4 Diplomarbeiten 1 Masterarbeit itec Automation & Laser AG, Berlin, Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH, Berlin 12

13 Produktionsoptimierung in der digitalen Fabrik Produktionsunternehmen entwickeln ihre Produktionsstrukturen und logistischen Abläufe ständig weiter, um im globalen Konkurrenzkampf ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten. Das Wertstromdesign ist eine erfolgreiche standardisierte Methode zur Optimierung von Produktionsabläufen. Kern dieser Methode ist die Darstellung des Wertschöpfungsprozesses eines Produktionsbetriebs auf Papier. Im Sinne der digitalen Fabrik wurde im Forschungsprojekt die Wertstromdesign- Methode mit einem Simulationstool verknüpft und in einen durchgängigen digitalen Planungsprozess integriert. Durch die Verknüpfung mit einem Simulationstool ist es erstmals möglich, Soll- Konzepte und ihre Auswirkungen zu simulieren und zu optimieren. Es wurden Softwareelemente entwickelt, mit denen sich das Wertstromdesign für einen Benutzer des Simulationstools plant simulation leicht und ohne Programmierkenntnisse erstellen lässt. Mit den entwickelten Softwarebausteinen ist es möglich, auch verschachtelte Materialströme von verschiedenen Produktvarianten in einem Wertstrom abzubilden. Weiterhin wurden Bausteine entwickelt, mit denen sich die Wertströme analysieren lassen und die Empfehlungen zur Optimierung geben. Dazu gehören u.a. ein Bestandsschreiber, der die Bestandsentwicklung von Supermärkten und Lägern visualisiert, sowie ein Tool, das zur Optimierung der Losgröße eingesetzt werden kann. Die erstellten Softwarebausteine wurden in mehreren Unternehmen validiert, und mit dem entwickelten Tool konnten erfolgreiche Ansätze für die Optimierung der Produktionsabläufe aufgezeigt werden. Der Siemens PLM beabsichtigt, die entwickelten Softwarebausteine in das Simulationstool plant simulation zu übernehmen. Produktionsoptimierung in der digitalen Fabrik Euro Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Prof. Dr.-Ing. Holger Brüggemann Fakultät Maschinenbau 2 Bachelorarbeiten 1 Diplomarbeit 1 Masterarbeit digifab Verein Netzwerk Digitale Fabrik e.v., Wolfenbüttel, LPSN Lean Production System Network der TU Braunschweig, Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH & Co., Wolfenbüttel, Siemens PLM Software GmbH, Köln, Voith Turbo Scharfenberg GmbH & Co. KG, Salzgitter 13

14 Maßgeschneiderte Profilentwicklung von Rotorblättern Die erforderliche relative Dicke für Rotorblätter bei Windenergieanlagen liegt bei 30 Prozent. In der Windenergieindustrie wird jedoch häufig auf die Profile von Flugzeugen zurückgegriffen, die lediglich relative Dicken bis zu 15 Prozent aufweisen. Die Flugzeugprofile werden entsprechend skaliert, was die aerodynamischen Eigenschaften nachteilig verändert. Im Forschungsprojekt Ü30 wurden durch die systematische Anwendung numerischer Optimierung neuartige Profile für Rotorblätter mit relativen Dicken über 30 Prozent entwickelt, die erhebliche Vorteile gegenüber existierenden Profilen aufweisen. Ausgehend von einer physikalisch basierten Geometriebeschreibung wurden die für die Rotorblätter maßgeschneiderten Profile iterativ erzeugt und mittels Simulationsprogrammen einer Qualitätsbewertung unterzogen, wodurch die Optimierungsalgorithmen automatisch neue und bessere Geometrien erzeugten. Es wurde eine neuartige Profilfamilie mit großen relativen Dicken von 35 Prozent und stumpfer Hinterkante (10 bis 12 Prozent, sogenannte Flat-Back- Airfoils) entwickelt, die gegenüber herkömmlichen Profilen erhebliche Vorteile aufweisen. Zum einen sind größere Auftriebskräfte erzielbar (Leistungssteigerung), zum anderen weisen sie geometrische Eigenschaften auf (großes Flächenträgheitsmoment), die eine leichtere und damit kostengünstigere Fertigung ermöglichen. Grundlage war die multidisziplinäre Optimierung unter Berücksichtigung rotatorischer Effekte (Flieh- und Corioliskräfte), ein Ansatz, der bisher nicht verfolgt wurde. Aufgrund der guten Ergebnisse ist eine Verwertung in Form von weiteren Kooperationen mit Herstellern von Windenergieanlagen bzw. Rotoren geplant. In diesem Rahmen wird ein EU-gefördertes Projekt avisiert, um die Ergebnisse auf heutige konkrete Fragestellungen der Praxis zu übertragen. Aerodynamisch/numerische Entwicklung und experimentelle Validierung von extrem dicken Profilen für Rotorblätter von Windenergieanlagen unter Verwendung von Numerischer Optimierung (Ü30) Euro Hochschule Bremen Prof. Dr.-Ing. Olaf Frommann Fakultät Natur und Technik 3 Masterarbeiten 1 Promotion in Kooperation mit der TU Braunschweig Aerodyn Energiesysteme GmbH, Rendsburg, PN Rotor GmbH, Stade 14

15 Präzise Materialabtragung mit Lasern in einem Schritt Der Materialabtrag bei der Fertigung von Werkzeugen insbesondere mit Strukturen im Mikrometerbereich erfolgt mit Lasern sehr präzise. Bei der Abtragung wird generell, ob mit neuartigem Laser oder traditioneller Zerspanung, in zwei Schritten gearbeitet: Zunächst erfolgt die grobe Materialabtragung und dann die Feinarbeit. Um den Abtrag in einem Schritt zu erzeugen, wurde im Forschungsprojekt LAKTOS ein Topographie-Sensor-System in eine 3-D-Laserbearbeitungsanlage integriert, das die Ist-Kontur aufnimmt, mit der gewünschten Soll-Kontur vergleicht und daraus ein Schichtmodell erzeugt, das den Laserabtrag definiert. Darüber hinaus wurden optoelektronische Sensoren eingesetzt, die den Materialdampf und die Partikelwolke während der Bearbeitung untersuchten, um Informationen über das Abtragsverhalten verschiedener Materialien zu gewinnen sowie Unregelmäßigkeiten zu erfassen. Fokuslagenerkennung zu realisieren, was zur Patentanmeldung eingereicht ist. Für die Kontrolle des Abtragsergebnisses ist ein konfokaler Sensor erfolgreich in eine Mikrobearbeitungsanlage integriert worden. Er ermöglicht damit auch, die Bearbeitung in Schrupp-Schlicht- Schritte einzuteilen und das Restmaterial zu bestimmen, auch in den Fällen, in denen die Vorbearbeitung spanend erfolgt. Zusätzlich wird die Erzeugung von Replikas dadurch möglich. Die Online-Sensorik, die das sogenannte Prozessleuchten auswerten soll, ist noch nicht ausgereift, die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass fehlerhafte Bearbeitungsergebnisse erkannt werden können, aber die Abtragstiefenbestimmung wahrscheinlich nicht in der notwendigen Auflösung möglich ist. Allerdings erfordert die Umsetzung noch weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Prinzip sich einsetzen lässt, um eine automatische Laserabtragskontrolle mittels integrierter Topographie- und Online-Sensorik (LAKTOS) Euro Hochschule Deggendorf Prof. Dr. Roswitha Giedl-Wagner Fakultät Maschinenbau und Mechatronik 2 Bachelorarbeiten GFH GmbH, Deggendorf 15

16 Entwicklung oberflächenveredelter Elastomerformteile Bauteile aus elastomeren Werkstoffen sind Hochleistungswerkstoffe und leisten einen wesentlichen Beitrag zum sicheren und dauerhaften Betrieb von Maschinen und Fahrzeugen. Bedingt durch hohe reversible Dehnraten führen jedoch hohe Reibungskräfte zu Stick-Slip-Effekten und schnellem Verschleißen der Oberflächen. Bei einzelnen Elastomerwerkstoffen können mittels elektronenstrahlaktivierter Halogenierung und Modifizierung der Oberfläche mit Mikro- und Nanopartikeln die tribologischen Eigenschaften (Reibung und Verschleiß) verbessert werden. Grundlegende Erkenntnisse über die Wirkungsmechanismen dieser innovativen und umweltfreundlichen Verfahren sind bislang allerdings nicht bekannt. Im Forschungsprojekt OVERELAST wurden mit neuartigen Verfahren oberflächenveredelte Elastomerformteile für den Maschinen- und Fahrzeugbau aus kommerziell verfügbaren Elastomerwerkstoffen entwickelt und wissenschaftliche Grundlagenerkenntnisse gewonnen. Die Aktivitäten wurden auf die aktivierte Halogenierung konzentriert, da bei der Mikro- und Nanopartikelmodifizierung eine hohe Patentaktivität wahrgenommen wurde. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Halogenierungsanlage wurde ein reproduzierbares und auf den technischen Maßstab übertragbares nasschemisches Behandlungs- einschließlich eines Reinigungsverfahrens zur Erzeugung elektronenstrahlaktivierbarer Präkursoren (Moleküle) entwickelt. Für die nachfolgende Elektronenstrahlbehandlung wurden Parameter zur Niedrigenergie-Elektronenbestrahlung ermittelt, Elastomerrezepturen ohne und mit verstärkenden Füllstoffen entwickelt und Formteile mit hoher Oberflächengüte hergestellt. Anhand der Werkstoffe wurden grundlegende Zusammenhänge von Struktur und Eigenschaftsprofilen der durch aktivierte Halogenierung behandelten Elastomerwerkstoffe in Abhängigkeit von den angewandten Verfahrensparametern und der Kompositformulierung untersucht. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurden modellhaft einige Bauteile für typische Anwendungsfälle ausgewählt und das Verfahren an diese Bauteile angepasst. Es konnte nachgewiesen werden, dass in allen untersuchten Fällen nach chemischer Vorbehandlung eine Anwendung des Elektronenstrahls mit niedrigen Energien und Eindringtiefen im oberflächennahen Bereich ausreichend ist, um Reibung, Verschleiß und den Stick- Slip-Effekt signifikant zu verbessern. Oberflächenveredelte Elastomerformteile für den Maschinen- und Fahrzeugbau (OVERELAST) Euro Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Prof. Dr. Kathrin Harre Fakultät Maschinenbau/Verfahrenstechnik 5 Bachelorarbeiten 5 Diplomarbeiten 2 Masterarbeiten 1 Promotion in Kooperation mit der TU Dresden Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik, Dresden, Kautasit Gummitechnik GmbH, Dresden, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. 16

17 Verbesserung von Biokraftstoffen für Abgasnachbehandlungssysteme Im Biokraftstoffquotengesetz ist für Deutschland ein Mindestziel von 8 Prozent im Jahr 2015 festgelegt. Gleichzeitig erfolgt weltweit eine schrittweise Verschärfung der zulässigen Emissionsgrenzwerte in vielen Einsatzgebieten von Verbrennungsmotoren. Laut europäischer Richtlinie werden bis 2011 bei mobilen Arbeitsmaschinen die Partikelemissionen abhängig von der Motorleistung um 88 bis 95 Prozent reduziert. Die vorgeschriebenen Grenzwerte können meist nur mit einer Abgasnachbehandlung in Form von Partikelfiltern eingehalten werden. Im Forschungsprojekt wurde daher die Verträglichkeit von Abgasnachbehandlungssystemen mit Biokraftstoffen insbesondere bei Baumaschinen untersucht. Damit die Funktionalität der für konventionelle Dieselkraftstoffe ausgelegten Nachbehandlungssysteme erhalten bleibt, wurden die notwendigen Anforderungen an die Kraftstoffqualität ermittelt. Im Projekt wurden Motorprüfstandsuntersuchungen an einem Dieselmotor der Firma JOHN DEERE (JD PowerTechPlusTM 4045 HL480) durchgeführt. Insbesondere wurde dabei die Funktionalität je eines platinbeschichteten Oxidationskatalysators, eines un- bzw. beschichteten Partikelfilters und eines SCR-Katalysators mit direkter Ammoniakdosierung bei der Verwendung von Biodiesel, Rapsöl, Sonnenblumenöl und von Mischungen (Alternativkraftstoffe mit konventionellem Dieselkraftstoff) getestet. Bei der Verwendung von hochqualitativem Biodiesel und der daraus hergestellten Biodieselmischungen waren keine wesentlichen Nachteile bezüglich der Funktionalität der angewandten Abgasnachbehandlungssysteme zu verzeichnen. Das als Kraftstoff eingesetzte Rapsöl laut Vornorm DIN V zeigt bezüglich der eingesetzten Abgasnachbehandlungstechnologien Vorteile bei der Beladungsdauer und beim Regenerationserfolg. Das eingesetzte Sonnenblumenöl ist für den Einsatz als Kraftstoff bei Verwendung von Abgasnachbehandlungssystemen nicht geeignet. Bei der Partikelgrößenverteilung liegt das Maximum stellenweise im Bereich sehr kleiner Partikel (< 30 Nanometer) und ist damit als sehr kritisch einzustufen. Der Vergleich der Ergebnisse der beiden Pflanzenöle zeigt, dass die Normierung von Pflanzenölkraftstoffen dringend notwendig ist. Untersuchung der Beeinträchtigung der Funktionalität von Abgasnachbehandlungssystemen bei Einsatz von Biokraftstoffen und Ableitung von Qualitätsanforderungen an neue Kraftstoffe Euro Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse Fakultät Maschinenbau/Verfahrenstechnik 4 Diplomarbeiten 1 Masterarbeit 1 Promotion in Kooperation mit der TU Dresden Agrargenossenschaft Bergland Clausnitz e.g., Rechenberg-Bienenmühle, Greentop GmbH, Neu- Anspach, John Deere Werke, Mannheim, Öko Zentrum Nossen GmbH, Nossen 17

18 Voraussage von Materialverhalten bei Pkws durch Berechnungsmodelle Das steigende Sicherheitsbedürfnis im Pkw bei gleichzeitig angestrebten niedrigen Verbrauchswerten durch Leichtbau erfordert den Einsatz hochfester Werkstoffe, die eine hohe Crashperformance bei geringen Materialdicken sicherstellen. Um das Potential der heute verfügbaren neuen Werkstoffe ausschöpfen zu können, muss das Verhalten von Bauteilen im langjährigen Fahrbetrieb und im Crashfall besser vorausgesagt werden. Im Forschungsprojekt wurden dafür Komponenten- Berechnungsmodelle entwickelt, die bereits in der frühen Entwicklungsphase unterschiedliche Karosseriekonzepte nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ hinsichtlich der Disziplinen Crash und Betriebsfestigkeit bewerten können. Die Komponenten-Berechnungsmodelle bilden nur einen kleinen Abschnitt der Pkw-Karosserie ab (etwa ein Fünftel oder weniger), aber dennoch lassen sich damit gute Abschätzungen des Materialverhaltens sowohl bei Dauerschwingbelastung im Fahrbetrieb als auch bei einem Unfall (seitlicher Pfahlaufprall) vornehmen. Mit dieser neuen Methode können nun aussagekräftige Vorauslegungen in frühen Entwicklungsphasen bereits beim klein- und mittelständischen Zulieferunternehmen erfolgen, ohne dass der Automobilhersteller sein neues Fahrzeugmodell außer Haus geben muss, wodurch die Geheimhaltung gewahrt bleibt. Inzwischen werden erste Karosseriekonzepte, die z.b. hochfeste warmgeformte Stähle beinhalten, mit dieser neuen Methode vom Zulieferer untersucht und optimiert, um sie anschließend einem Automobilhersteller vorzustellen. Konzeptentwicklung kritischer Pkw-Karosseriestrukturen mit Komponenten-Berechnungsmodellen Euro Fachhochschule Gießen-Friedberg Prof. Dr.-Ing. Udo Jung Fachbereich Maschinenbau, Mechatronik und Materialtechnologie 8 Diplomarbeiten 1 Promotion in Kooperation mit der Lulea University of Technology (S) in Planung Daimler AG, Stuttgart, Linde + Wiemann GmbH KG, Dillenburg, Opel AG, Rüsselsheim 18

19 Entwicklung alternativer Kühlschmier-Technologien Schleifverfahren zählen zu den spanenden Fertigungsprozessen, die vergleichsweise hohe Mengen an Kühlschmierstoffen verbrauchen. Eine Senkung des Kühlschmierstoffbedarfs ist aus umwelt-, verfahrens- und sicherheitstechnischen sowie gesundheitlichen und monetären Gründen erstrebenswert und führt außerdem zu einer Verbesserung des Schleifergebnisses. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden alternative Kühlschmier-Technologien entwickelt, die die Kühl- und Schmierwirkung der Kühlschmierstoffe verbessern und den gesamten Fertigungsprozess hinsichtlich geringerer thermischer Schädigung des Werkstückmaterials optimieren. Dies wird sowohl durch eine innere Kühlschmierstoff-Zufuhr (IKZ) als auch durch den Einsatz von nano-additivierten Kühlschmierstoffen (KSS) erreicht. Die Zuführung des KSS durch das Werkzeug ist vor allem bei den Bearbeitungsverfahren mit bestimmter Schneide (z.b. Bohren, Drehen, Fräsen) bekannt. Eine Steigerung der Kühl- und Schmierwirkung im Zerspanungsprozess führt zu einer Senkung der Temperatureinbringung, wodurch Ausschussteile reduziert werden. Es wurde eine IKZ für konventionelle, poröse Schleifscheiben und für Schleifscheiben mit Vollmetallgrundkörper entwickelt. Die Modifikationen wurden anhand der Messungen von auftretenden Kräften und Oberflächenqualitäten sowie dem Werkzeugverschleiß und den Temperaturen beim Schleifen untersucht. Gegenübergestellt wurden die konventionelle Überflutungsschmierung, die Trockenbearbeitung und die entwickelte IKZ. Darüber hinaus wurden sowohl die Schleifscheibenspezifikationen, die Prozessparameter und die zu bearbeitenden Werkstückmaterialien variiert. Die Untersuchung der Oberflächenqualität hat gezeigt, dass das Schleifen mit der IKZ zu einer Steigerung der Oberflächenqualität führen kann. Seitens des Werkzeugverschleißes kann durch den Einsatz der IKZ der Schleifscheibenverschleiß bei Verwendung konventioneller Schleifscheiben um ca. 50 Prozent reduziert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Temperaturen bei der IKZ durchschnittlich 20 bis 30 Prozent höher liegen als bei der Überflutungsschmierung. Dies ist auf die Sekundärkühlung, d.h. die indirekte Kühlung durch das Werkstück bei der Überflutungsschmierung, zurückzuführen. Hier sind bereits Weiterentwicklungen umgesetzt worden, die eine Reduzierung der Temperaturen zur Folge haben. Alternative Kühlschmier-Technologien zur Prozessoptimierung beim Schleifen Euro Fachhochschule Gießen-Friedberg Prof. Dr.-Ing. Markus Schneider Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen (heute Hochschule Ruhr West) 3 Bachelorarbeiten 2 Diplomarbeiten 2 Masterarbeiten 1 Promotion in Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen in Planung Alan Lubrication GmbH, Fulda, Geibel & Hotz Maschinen und Werkzeuge GmbH, Homberg (Ohm) 19

20 Präzise Zentrierbestimmung optischer Baugruppen durch Laser Die erreichbare Abbildungsleistung moderner optischer Systeme wird heute zu einem wesentlichen Teil von der Fertigungsqualität der einzelnen Linsen bestimmt. Mit hoher Präzision gefertigte Linsen werden typischerweise mittels eines optischen Ausrichtverfahrens in die mechanische Fassung gefügt. Die Fassung wird in einem justierbaren Futter einer Drehscheibe aufgenommen, optisch zur Maschinenachse manuell/visuell ausgerichtet und dann überdreht. Bei diesem Verfahren ist die erreichbare Genauigkeit durch die Präzision der Drehmaschine und der zugehörigen Justier- und Messtechnik limitiert. Im Forschungsprojekt LA- KONZ wurde eine Laserzentriereinheit entwickelt, die den Zentrierzustand optischer Baugruppen innerhalb einer Bearbeitungsmaschine während des Produktionsprozesses mit hoher Präzision bestimmen kann. Durch den Einsatz einer computergestützten Bildverarbeitung ist es im Laufe der Arbeiten gelungen, sowohl die hohen Genauigkeiten zu verbessern als auch die Anzahl der zentrierbaren Linsen zu erhöhen. Es wurde eine vollständige Anwendung inklusive Benutzerinterface für einen Industriepartner entwickelt, die mittlerweile im regulären Fertigungsprozess fest eingebunden ist. Dadurch können ca. 80 Prozent der im Sortiment verfügbaren Linsen unter einer Minute auf eine durchschnittliche Genauigkeit von + 0,60/- 0,25 Mikrometer zentriert werden. In dieser Statistik aus über Linsen wurden auch Linsen berücksichtigt, die eine Toleranz von 2 oder 3 Mikrometer besitzen, sodass dies noch nicht der maximal möglichen Genauigkeit der Software entspricht. 4,5 Prozent lagen bei einer Genauigkeit unter 0,25 Mikrometer. Damit sind die geforderten Spezifikationen deutlich übertroffen und der Beweis der Industrietauglichkeit abgeschlossen. Weiteres Potential besitzt die Analyse durch den Einsatz ausgefeilter Algorithmen. Um möglichst schnell und robust arbeiten zu können, wurde nur ein einfaches Bilderkennungsverfahren verwendet, das in Zukunft die noch fehlenden 20 Prozent des Sortiments ebenfalls sicher zentrieren wird. Entwicklung einer Laser-Zentriereinrichtung zur Insitu-Kontrolle des Zentrierzustandes bei der Linsenherstellung (LAKONZ) Euro Fachhochschule Gießen-Friedberg Prof. Dr. Thomas Sure Fachbereich Maschinenbau, Mikrotechnik, Energie- & Wärmetechnik 1 Promotion in Kooperation mit der Justus Liebig Universität Gießen Leica Microsystems, Wetzlar, OptoTech Optikmaschinen GmbH, Wettenberg 20