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1 Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Ausgabe 23 April 2012 Titan- und Nickelbasislegierungen Untersuchungen von Makro bis Nano Abteilung Fertigungsautomatisierung und Werkzeugmaschinen Aufgabenspezifische Parallelstrukturen mit Binärantrieben Abteilung Produkt- und Life-Cycle-Management Die Lernfabrik verbindet Forschung, Ausbildung und Anwendung 1

2 Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Vorwort Liebe Freunde und Mitarbeiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig, diese Ausgabe des Portals ist für mich eine besondere Ausgabe, da ich Sie von dieser Stelle aus zum letzten Mal begrüßen werde. Denn nun tritt schließlich ein, was nach meiner Wiederwahl zum Präsidenten der TU Braunschweig abzusehen war: Ich werde nach nunmehr 13 Jahren die Leitung des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik abgeben. Ich tue dies mit einem lachenden und einem weinenden Auge, da ich zum einen eine schöne, ereignisreiche und spannende Zeit am IWF hatte, die ich nicht missen möchte. Zum anderen aber freue ich mich, dass das IWF mit meinem Nachfolger Klaus Dröder einen neuen, kompetenten Institutsleiter erhalten wird. Mit Stolz aber auch etwas Wehmut blicke ich auf all die wundervollen Jahre zurück und möchte die Gelegenheit nutzen, um mich bei meinen Mitarbeitern für die tolle Zusammenarbeit zu bedanken. In diesem Sinne hoffe ich auf noch viele spannende Portal-Ausgaben, die ich natürlich weiterhin verfolgen werde, und wünsche Ihnen bei der Lektüre der folgenden Seite viel Spaß. Mit herzlichen Grüßen, Ihr IWF ist vorläufig registrierter Rohstoff- und Materialeffizienzberater bei der demea Die Deutsche Materialeffizienzagentur (demea) hat zum Ziel, die Rohstoff- und Materialeffizienz in KMU zu verbessern. Dafür werden Projekte mit diesem Ziel zu 50 % von der demea gefördert, wobei mit Gutscheinen gearbeitet wird, um eine aufwändige Antragsstellung zu umgehen. Als vorläufiger Berater bei der demea kann das IWF somit Projekte mit Unternehmen, welche die europäische Definition eines KMU erfüllen, initiieren. Im produzierenden Gewerbe ist Material mit einem Kostenanteil von 45,4 % der maßgebliche Kostentreiber. Somit besteht hier ein großes Einsparpotential. Ein von der demea gefördertes Projekt erfolgt in mindestens zwei Stufen. In der ersten Projektstufe erfolgt eine Potentialanalyse, bei der die Stoffströme im Unternehmen aufgenommen werden. Diese decken auf, welche Ansatzpunkte das höchstmögliche Potential hinsichtlich einer Reduktion des Material- und Rohstoffeinsatzes bieten. Auf diesen Ergebnissen bauen dann die folgenden Projektstufen auf. Ein Schwerpunkt des IWF liegt dabei auf der Optimierung der Produktionsprozesse, um Ausschuss und Werkzeugverschleiß zu reduzieren. Planspiel Holistic Version 2.0 fertiggestellt Vor zwei Jahren entstand in einem Kooperationsprojekt zwischen dem IWF und dem Institut für Medienforschung der HBK Braunschweig ein Planspiel mit dem Ziel, Studierenden die komplexen Fragestellungen des Ganzheitlichen Life Cycle Managements und der Nachhaltigkeit und Lebenszyklusorientierung in Unternehmen zu vermitteln. Im Rahmen der Vorlesung Produkt- und Life-Cycle-Management wurde die zweite Version des Planspiels Holistic im vergangenen Wintersemester zum ersten Mal gespielt mit positivem Fazit. Grundsätzlich wurden bei der neuen Version des Spiels die Bereiche Computerisierung, Evaluation, Spielmechanik/Balancing und Stabilisierung optimiert. Der Spielablauf wird nun von einer eigens programmierten Software unterstützt, um den Verwaltungsaufwand für die Spielleiter zu reduzieren und zusätzliche Handlungsoptionen für die Spieler zu ermöglichen. Außerdem erhalten die Studierenden während des Spiels und vor allem nach dem Spiel durch die unterstützende Software detaillierte Informationen über ihre Spielhandlungen. So bekommen sie ein ausführliches Feedback in Bezug auf die Theorien des LCM und können den Lernerfolg verbessern. Es wurden neue Spielkarten entwickelt und ein völlig neues Design entworfen. Als wichtiger Meilenstein für die weitere Entwicklung von Holistic wurde auch eine englische Version des Spiels erstellt. Es kann so in der diesjährigen Sense Summer University der TU Braunschweig mit internationalen Studierenden im Rahmen eines einwöchigen Moduls gespielt werden. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Hesselbach 2

3 Titan- und Nickelbasislegierungen Untersuchungen von Makro bis Nano Das europäische Projekt MaMiNa ( Macro, Micro and Nano Aspects of Machining ) ist eines der größten EU-Projekte an der Technischen Universität Braunschweig. In diesem Projekt bearbeiten 19 europäische Teilnehmer aus Forschung und Industrie aktuelle Fragestellungen zur Hochgeschwindigkeitszerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Untersucht werden verschiedene Titanlegierungen (z.b. Ti , Ti ) und Nickelbasislegierungen (Inconel 625) die teilweise ganz neu in ihrer Legierungszusammensetzung sind. Die drei Abkürzungen Macro, Micro und Nano beziehen sich auf drei verschiedene Betrachtungsbereiche. Der Bereich Macro umfasst die Durchführung von Dreh- und Fräsversuchen, wohingegen im Teil Micro die Spanbildungsmechanismen untersucht und beschrieben werden. Der Begriff Nano steht für die molekulardynamische Simulation der Zerspanung. Einer der wichtigsten Faktoren hinsichtlich der wirtschaftlichen Bearbeitung dieser Werkstoffe, die sowohl für die Luft- und Raumfahrt als auch für die Medizintechnik eingesetzt werden, ist die Spanbildung und deren Einfluss auf die Zerspanbarkeit. Daher bildet die Untersuchung der Spanbildung den Kern des Projektes MaMiNa. 24 junge Wissenschaftler aus unterschiedlichen Nationen und Fachbereichen des Maschinenbaus arbeiten EU-weit im Bereich der Zerspanung, Simulation und Materialanalyse der betrachteten Hochleistungswerkstoffe zusammen. Die am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik durchgeführten Zerspanversuche bilden für andere Partner die Basis für deren Simulationen sowohl zum Aufbau als auch zur Verifikation der Simulationssysteme. allen Titanlegierungen unabhängig von der Schnittgeschwindigkeit beobachtet werden. Für Nickelbasislegierungen ergibt sich eine Schnittgeschwindigkeitsabhängigkeit, ab der kontinuierliche oder segmentierte Späne auftreten. Liegt die Schnittgeschwindigkeit - z.b. für Inconel unter vc=2,5 m/s so entstehen kontinuierliche Späne und über diesem Wert segmentierte Späne. Die höheren Schnittgeschwindigkeiten führen zu einer Schnittkraftreduktion, weil der Werkstoff durch die hohe innere Reibung thermisch erweicht und sich dadurch leichter zerspanen lässt. Dies kann auch durch eine Temperaturbeaufschlagung von außen herbeiführt werden. Wird die Zerspanzone vor der Schneide erwärmt, so lässt sich die Schnittkraft um 30% senken. Auch durch die Legierungszusammensetzung ergeben sich unterschiedliche Schnittkraftwerte. Es gelang eine Legierung zu entwickeln, die ebenso eine 30%ige Kraftverringerung bei gleicher Werkstofffestigkeit ergab. Zukünftig können durch die richtige Auswahl der Schnittgeschwindigkeiten Titan- und Nickelbasiswerkstücke effizienter zerspant werden. Am IWF werden Dreh- und Fräsversuche mit Schnittgeschwindigkeiten bis 100 m/s auf unterschiedlichen Versuchsständen durchgeführt. Dies sind deutlich höhere Werte als sie in der industriellen Hochgeschwindigkeitszerspanung dieser Werkstoffe eingesetzt werden. Für Titanlegierungen liegen die maximalen Werte der Schnittgeschwindigkeit bei vc=120 m/min und für Nickelbasislegierungen bei vc= 60 m/min. Für deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten gibt es bis heute keine geeigneten Schneidstoffe, die der hohen Beanspruchung durch die Schnittkräfte standhalten können. Auch die bisher untersuchten Beschichtungen der Schneidstoffe konnten diese Grenze nicht zu höheren Werten verschieben. Spanwurzeluntersuchungen in Quickstopversuchen zeigen, wie sich durch die Werkstoffbeanspruchung sogenannte Scherbänder bilden, auf denen dann der Werkstoff gegeneinander abgleitet. Je nach Legierungszusammensetzung bilden sich die Scherbänder unterschiedlich aus (Bild 1). Das Scherband entsteht vor der Schneidkante und durchläuft dann den Werkstoff bis zur Werkstückoberfläche. Eine Segmentierung konnte bei Bild 1: Spanwurzelentstehung an Ti Kontakt: Dipl.-Ing. Wiebke Hahmann w.hahmann@tu-braunschweig.de 3

4 Abteilung Fertigungsautomatisierung und Werkzeugmaschinen Aufgabenspezifische Parallelstrukturen mit Binärantrieben Binärantriebe, wie Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, Huboder Drehmagnete, können zwei stabile Positionen anfahren, die durch mechanische Endlagen vorgegeben werden. In vielen Anwendungsbereichen haben sich Binärantriebe aufgrund ihrer hohen direkten Kraft- und Momentenübertragung sowie ihres robusten, einfachen und kostengünstigen Aufbaus bewährt. Ein weiterer Vorteil eines Binärantriebs ist die positionsgenaue Ansteuerung über ein einziges Bit ohne die Notwendigkeit einer Lageregelung oder eines zusätzlichen Messsystems für das Auslesen der Antriebsstellung. Das IWF hat im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 562 Robotersysteme für Handhabung und Montage Hochdynamische Parallelstrukturen mit adaptronischen Komponenten unter anderem nachgewiesen, dass Parallelroboter auf Basis geschlossener kinematischer Ketten über strukturbedingte Vorteile im Vergleich zu seriell aufgebauten Industrierobotern verfügen. Dazu zählen beispielsweise eine hohe Struktursteifigkeit am Endeffektor oder geringe bewegte Massen. Diese Eigenschaften sollen am IWF bei der Integration von Binärantrieben in Parallelstrukturen genutzt werden, um neue Handhabungsgeräte für einfache Positionieraufgaben, bei der Handhabung sowie bei Füge- oder Messoperationen zu schaffen, die im Vergleich zu kontinuierlich angetriebenen Robotern besonders kostengünstig sind und gleichzeitig über eine ausreichende Genauigkeit verfügen. Die auf zwei Lagen begrenzten Binärantriebe führen in einer Parallelstruktur zu einem Arbeitsraum aus diskreten Punkten. Die Herausforderung besteht darin, eine Struktur zu synthetisieren, die die Punkte einer gegebenen Handhabungsaufgabe erreichen kann. Zusätzlich verhindern Fertigungs- und Montagetoleranzen nach einer Lösungsfindung ein genaues Anfahren der Zielpunkte in der Praxis. Die resultierenden Positionsabweichungen können angesichts der rudimentären Ansteuerung nicht mit bekannten Methoden kompensiert werden. Für das in Bild 1 dargestellte Funktionsmuster konnte am IWF bereits ein Syntheseverfahren entwickelt werden, das die Bestimmung von geometrischen Parameterwerten anhand von aufgabenspezifischen Zielpunkten erlaubt. Toleranzbedingte Positionierfehler sollen mittels eines neuen Ansatzes, der mechanischen Kalibrierung, kompensiert werden. Hierbei werden geometrische Parameter über strukturinhärente Verstellkomponenten korrigierbar, sodass die Genauigkeitsanforderungen der jeweiligen Aufgabe erreicht werden können. Kontakt: Dipl.-Ing. Daniel Schütz d.schuetz@tu-braunschweig.de Bild 1: Funktionsmuster einer planaren Parallelstruktur mit Binärantrieben und strukturinhärenten Verstellkomponenten des IWF. 4

5 Abteilung Produkt- und Life-Cycle-Management Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Die Lernfabrik verbindet Forschung, Ausbildung und Anwendung Bild 1: Energietransparente Schleifmaschine und ipad-app EnyFlow. Steigende Energie- und Rohstoffkosten sowie die Verantwortung für die Umwelt führen dazu, dass Unternehmen verstärkt nach Wegen zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion suchen. Dazu eignen sich technische als auch organisatorische Maßnahmen. Technische Maßnahmen senken den Energieverbrauch von Anlagen und Systemen, z.b. durch den Einsatz von effizienteren Antriebssystemen oder durch die richtige Dimensionierung von Komponenten. Organisatorische Maßnahmen ermöglichen eine Effizienzsteigerung, z.b. durch die energiebewusste Auslegung von Prozessketten oder die Sensibilisierung von Mitarbeitern, in ihrem täglichen Handeln bewusster mit Energieträgern umzugehen vermeiden. Oft ist den beteiligten Akteuren, ob Manager, Ingenieur oder Mechaniker jedoch erst gar nicht bewusst, an welcher Stelle sie einen direkten oder indirekten Einfluss auf den Energieverbrauch der Fabrik oder von Teilsystemen haben. An diesem Punkt setzt Die Lernfabrik an und präsentiert den Akteuren die Methoden und Werkzeuge, die es ihnen ermöglichen Energieverbräuche in ihrem Einflussbereich quantifizierbar und damit sichtbar zu machen, sie zu analysieren und im nächsten Schritt Effizienz- und Einsparpotentiale aufzudecken. Die Methoden und Werkzeuge wurden in weiten Teilen im BMBF-geförderten Projekt EnHiPro Energie- und Hilfsstoffoptimierte Produktion entwickelt und erarbeitet. Sie ergänzt durch Ergebnisse aus der nunmehr 15-jährigen Forschungsarbeit im Themenfeld der Nachhaltigen Produktion am IWF. Die Lernfabrik gliedert sich in acht Stationen (Energietransparente Maschine, Energieleitstand, Effiziente Druckluft, Erneuerbare Energien, Energieeffizienz lernen, Grünes Büro, Mineralölfreie Produktion und Späneentölung), an denen der Besucher erfährt, was in dem Handlungsfeld der Produktionsumgebung getan werden kann, um Energie oder Ressourcen effizienter, sparsamer und umweltschonender einzusetzen. Eine ganzheitliche Sichtweise umschließt die Betrachtung der Fabrikhülle, der technischen Gebäudeausstattung, der Maschinen und Anlagen sowie deren dynamische und energetische Kopplung miteinander. Diese Sichtweise ermöglicht es, Effizienzmaßnahmen im Gesamtsystemkontext zu bewerten und somit eine Problemverschiebung zu vermeiden. Beispielhaft sei im Folgenden eine Station der Lernfabrik herausgegriffen, um das Kommunikationskonzept näher zu beleuchten. Die Energietransparente Maschine ist in der Lernfabrik Vision und Realität zugleich. Standardkomponenten der industriellen Messtechnik ermöglichen es, kostengünstig Energieflüsse in diversen Formen (elektrische Leistung, Druckluft etc.) zu erfassen, aufzubereiten und bereitzustellen. Mobile Applikationen (z.b. ipad-apps) können auf die historischen und momentanen Verbrauchswerte zugreifen und diese standortbezogen darstellen. So ist es im IWF z.b. möglich, mit einem ipad an eine Schleifmaschine heranzutreten und sich den aktuellen Bedarf an elektrischer Leistung, Druckluft und Kühlschmierstoff dynamisch visualisieren zu lassen (siehe Bild 1). Kombiniert mit Maschinen- und Betriebsdaten lassen sich so in übergeordneten Planungsapplikationen verursachungsgerechte Energiekosten erheben und damit eine energiebewusste Produktionsplanung durchführen. Diese Energietransparente Maschine stellt nur eine von vielen Stationen der Lernfabrik dar, die neben der Forschung auch Inhalt der studentischen Lehre und der gewerblichen Ausbildung sind. Kontakt: Dipl.-Ing. Gerrit Bogdanski 5

6 Promotionen "Grundlagenuntersuchungen zum Stanzen von Holzwerkstoffen und Massivholz" Dr.-Ing. Torsten Loohß "Systemunabhängiges Ummanteln mit einem automatisierten externen Rüstplatz" Dr.-Ing. Henning Strauß Abteilung Produkt- und Life-Cycle- Management "Simulationsbasierte Planungsunterstützung für Variantenfließfertigungen" Aktuelles Abteilung Produkt- und Life-Cycle-Management Im Februar 2012 wurde im Rahmen des Lean Production System Networks (LPSN), organisiert durch das IWF, ein Workshop zum Thema Energieeffizienz bei Volkswagen in Kassel durchgeführt. Das Forschungsvorhaben SynProd Synergetische Entwicklung mechatronischer Produkte in Wertschöpfungsnetzwerken wird seit dem 1. März 2012 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über einen Zeitraum von drei Jahren gefördert. Mit einer Laufzeit von drei Jahren ist das EU-Projekt EMC2- Factory Eco Manufactured transportation means from Clean and Competitive Factory im Oktober 2011 gestartet ( Nach Abschluss der ersten Projekthälfte Ende letzten Jahres wurde zum April 2012 das Folgeprojekt Entwicklung einer Analysemethode zur Beschreibung des Zerspanungsverhaltens von Schleifmitteln auf Unterlage von der DFG bewilligt. Das gemeinsame Projekt mit dem Institut für Dynamik und Schwingungen der TU Braunschweig hat eine Laufzeit von weiteren 12 Monaten. Dr.-Ing. Philipp Halubek Impressum Technische Universität Braunschweig Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Langer Kamp 19b Braunschweig Telefon: +49 (0)531 / Fax: +49 (0)531 / iwf-braunschweig@tu-bs.de Internet: Institutsleitung: Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder (ab 1. Juni 2012) apl. Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann Kontakte: Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister Telefon: +49 (0)531 / h.hoffmeister@tu-bs.de Abteilung Produkt- und Life-Cycle- Management apl. Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann Telefon: +49 (0)531 / c.herrmann@tu-bs.de Abteilung Fertigungsautomatisierung und Werkzeugmaschinen Dr.-Ing. Annika Raatz Telefon: +49 (0)531 / a.raatz@tu-bs.de Redaktion: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Malte Schönemann Telefon: +49 (0)531 / m.schoenemann@tu-bs.de Dipl.-Ing. (FH) Martin Luig Telefon: +49 (0)531 / m.luig@iwf.tu-bs.de Dipl.-Ing. Kathrin Schlüter Telefon: +49 (0)531 / k.schlueter@iwf.tu-bs.de 6