Elemente der Fertigungstechnik Planung. Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen

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1 Elemente der Fertigungstechnik Planung Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen 2. Fertigungsverfahren 2.3 Additive Verfahren Schweißen Gießen Verbundwerkstoffe Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Fakultät II Maschinenbau Hochschule Hannover LFP - Labor für Produktentwicklung u. Digitale Fabrik Ricklinger Stadtweg Hannover Raum 1741c, Tel.: paul.diersen@hs-hannover.de Internet: Sprechstunde siehe Aushang Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 1

2 Elemente der Fertigungstechnik Planung Inhalt Kapitel 1 Einführung Fertigungstechnik Planung 2 Fertigungsverfahren 3 Fertigungseinrichtungen Inhalte - Organisatorisches, Lehrinhalte der Vorlesung - Einführung u. Übersicht - Montageverfahren - Spanende Verfahren - Fügende/Additive Verfahren - Maschinensysteme u. Ausrüstungskomponenten - Fertigungsleittechnik, CIM-Komponenten 4 Industrie Einführung Industrie Umsetzungsbeispiele Industrie Digitale Fabrik u. Fertigungssimulation - Fertigungssimulation mit DELMIA V6 - Verbaureihenfolgen, Handarbeitsplätze, Roboterzellen Prüfungsleistung - Hausarbeit I inkl. Präsentation - Hausarbeit II inkl. Präsentation Seminar (Labor Digitale Fabrik, R. 1741c) - Fertigungssimulation mit DELMIA V6 Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 2

3 Einleitung - Einführung Schweißtechnik Definition: Unter Schweißen versteht man gemäß EN und DIN das unlösbare stoffschlüssige Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit/ohne Schweißzusatzwerkstoffen. Die nicht lösbare Verbindung kann nur unter Inkaufnahme einer Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile wieder gelöst werden. Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 3

4 Einleitung - Anwendungen Schweißtechnik Stahlbau Maschinenbau Kranbau (Manitowoc) Behälterbau Fahrzeugbau Flugzeugbau Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 4

5 Einleitung - Anwendungen Schweißtechnik Schi au (Meyer Wer, Quantum of the Seas) Offshore (GSI SLV Unterwasser E-Schweißen ) Windkra anlagen Aluminium Schweißkonstruk on (MIG) Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 5

6 Schweißverfahren - Übersicht Quelle: TU Berlin, AG Konstruktion Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 6

7 Schweißverfahren - Gasschweißen Gasschweißen: Gasflamme schütz vor Oxidation Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 7

8 Schweißverfahren - Lichtbogenhandschweißen: Schlacke schütz vor Oxida on Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 8

9 Schweißverfahren - Metall-Schutzgasschweißen (MSG) MAG - Beim Metall-Ak vgasschweißen wird CO 2 oder Mischgas aus Argon und geringen Anteilen CO 2 und O 2 verwendet - Das MAG-Verfahren wird in erster Linie bei un- und niedrig-legierten Stählen eingesetzt MIG - Beim Metall-Inertgasschweißen wird als Edelgas Argon, seltener auch das teure Edelgas Helium verwendet Das MIG-Verfahren bevorzugt bei hochlegierten Stählen und Aluminiumlegierung Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 9

10 Schweißverfahren - Metall-Schutzgasschweißen (MSG) Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 10

11 Schweißverfahren - Laserschweißen und weitere (WIG, UP,...) LBW: Laser Beam Welding Quelle: Airbus Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 11

12 Nahtgüte - Stoß- u. Nahtarten Quelle: TU Berlin, AG Konstruktion Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 12

13 Nahtgüte - Schweißnahtdicke a Bei Stumpfnähten entspricht ist die Schweißnahtdicke a der Bauteildicke t oder der dünneren bei unterschiedlichen Dicken. Bei Kehlnähten ist die Schweißnahtdicke a gleich der Höhe eines vom Wurzelpunkte ausgehenden rechtwinkligen Dreiecks. Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 13

14 Nahtgüte - Schweißnahtdicke a Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 14

15 Nahtgüte - Schweißnahtdicke a Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 15

16 Nahtgüte - Schweißnahtlänge Die rechnerische Nahtlänge l ist gleich der Länge der Wurzellinie, jedoch zählen Krater und Nahtanfange bzw. Nahtenden, die die verlangte Nahtdicke nicht erreichen, nicht zur Nahtlänge. Kehlnähte dürfen beim Fes gkeitsnachweis nur berücksich gt werden, wenn ihre Länge min 6 a bzw. > 30 mm ist. b b Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 16

17 Nahtgüte - Wärmeeinflusszone und Beeinflussungen an Schweißnähten Quelle: Nur zu Vorlesungszwecken Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 17

18 Fes gkeitsnachweis - Übersicht Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 18

19 Fes gkeitsnachweis - Übersicht Berechnungsrichtlinie Maschinenbau - Sicherheitsnachweis unter Berücksichtigung u.g. Regelwerke (sofern zutreffend) - FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile gilt als Berechnungsrichtlinie (FKM: Forschungskuratorium Maschinenbau e. V.) - Werkstoffe und Sicherheiten nicht festgelegt - Industrielle Praxis: Berechnung nach Roloff/Matek Stahlbau - Spannungsnachweis nach DIN Seit 2012 Eurocode 3 bzw. DIN EN Belastung statisch, Lastannahmen und Werkstoffe festgelegt St 37-2 (S235JR), St 52-3N (S335J2G3) Kranbau - Betriebsfestigkeitsberechnung (Spannungsnachweis unter dynamischer Belastung) - Vorschriften für die Berechnung ist die DIN T1 u. T2 - Statische u. dynamische Lasten unter der Schwere des Betriebs sowie der täglichen Einsatzdauer - Werkstoffe vorzugweise St 37-2 (S235JR), St 52-3N (S335J2G3) Druckbehälterbau - Der Spannungsnachweis erfolgt nach der Druckbehälter-Verordnung, AD-Merkblätter, TRD-Regeln. - Belastungen sind überwiegend ruhend meistens bei erhöhter Temperatur und Druck. - Korrosionseinflüsse Quelle: Roloff/Matek, FKM, DIN Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 19

20 Fes gkeitsnachweis - Übersicht Berechnungsrichtlinie Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 20

21 Fes gkeitsnachweis - Ablauf Schweißnahtberechnung anhand einer Kehlnaht Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 21

22 Fes gkeitsnachweis - Ablauf Schweißnahtberechnung anhand einer Kehlnaht l = H 2a Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 22

23 Fes gkeitsnachweis - Ablauf Schweißnahtberechnung anhand einer Kehlnaht Berechnung der Vergleichsspannung nach der Normalspannungshypothese da die Schweißnaht als spröder Werkstoff angesehen wird. Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 23

24 Fes gkeitsnachweis - Ablauf Schweißnahtberechnung anhand einer Kehlnaht 4. Zulässige Spannungen 5. Vergleich der vorhandenen mit der zulässigen Spannung - Sind die vorhanden Spannung zu groß muss die Schweißnahtgeometrie angepasst werden - Der Nachweis muss auch für das Bauteil erbracht werden Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 24

25 Fes gkeitsnachweis - Ablauf Schweißnahtberechnung anhand einer Kehlnaht Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 25

26 Fes gkeitsnachweis Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 26

27 Fes gkeitsnachweis - Punktschweißung Eigenscha en - güns ge Verbindungstechnik - sehr gut automa sierbar - für Stähle mit C-Gehalt < 0,1% - Ab 0,1mm Blechstärke - Bis 20 mm Blechstärke - Praxis: 0,5 bis 2 mm - 2 oder mehr Teile gleichzei g verbindbar Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 27

28 Fes gkeitsnachweis - Punktschweißung Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 28

29 Gestaltungshinweise - Schweißgerechte Konstruk on Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 29

30 Gestaltungshinweise - Schweißgerechte Konstruk on Quelle: Roloff/Matek Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 30

31 Gestaltungsbeispiele für Schweißteile: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 31

32 Gestaltungsbeispiele für Schweißteile: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 32

33 2.3.2 Gießen Auswahl Fertigungsverfahren Beim fertigungsgerechten Gestalten werden Gestalt und Werkstoff des zu entwerfenden Produkts so festgelegt, dass mit den vorgesehenen Fertigungsverfahren eine kostengünstige und Problemlose Herstellung in guter Qualität erreicht wird. Conrad/Fertigungsverfahren und Gestaltung (nach Ehrlenspiel, Koller) Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 33

34 Übersicht Gießverfahren Gießen in verlorene Formen (Beispiel Sandguß) } Formenaufbau im Sandguß } Entformter Abguß aus Fachkunde Kraftfahrzeuge, Europa-Verlag Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 34

35 Beispiel Sandguss: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 35

36 Beispiel Sandguss: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 36

37 Übersicht Gießverfahren: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 37

38 Beispiel Druckguss (Aliminium): Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 38

39 Beispiel Druckguss: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 39

40 Merkmale des Gußprozesses Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 40

41 Gestaltungsbeispiele für Gußbauteile Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 41

42 Gestaltungsbeispiele für Gußbauteile Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 42

43 2.3.3 Verbundwerkstoffe - Overview of Composite and Lightweight Materials for Aircrafts Light Metals - Aluminium - Magnesium - Titanium - Lithium - and their alloys Composites - Glass Fibre Reinforced Plas c: GFRP (german: GFK) - Carbon Fibre Reinforced Plas c: CFRP (german: CFK) - Aramid Fibre Reinforced Plas c: AFRP (german: AFK Kevlar) - and their combina ons e.g. Sandwiches, GLARE (glass-fibre reinforced aluminium) Others - Wood - Plas cs, Bio-Plas cs - Tex les (curtain) Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 43

44 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Motivation for the application of light weight materials in aircraft structures Forces act upon an aircra : Lift Weight (self-weight + payload) => Saved weight kann be used for payload! Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 44

45 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Overview of light weight materials and their properties Density [kg/dm 3 ] (Light) Metals Composites Others Material Steel alloys Aluminium Magnesium Titanium Plas cs, e.g. PA6 GFRP (GFK) CFRP (CFK) AFRP (AFK) Wood Beryllium Lithium Plas c 5 N/mm2. E: Elas c modulus (Young's modulus), named a er Thomas Young, 19th century Bri sh scien st Rm : Tensile Strength Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 45

46 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Overview of light weight materials and their properties Stress strain curve Stress δ = Force/Area Rm Re Strain = L1-L2/L0 Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 46

47 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Overview of light weight materials and their properties Stress strain curve Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 47

48 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Composites description of fibre and matrix (vulcanisa on) Fibre diameter: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 48

49 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Composites description of fibre and matrix Example: Ferroconcrete Fibre diameter: Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 49

50 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Definition of composites Composites are a combina on of two or more materials differing in form or composi on. Composites materials are not isotropic in behaviour. Their inherent advantage is that the various fibre orienta ons can be tailored to suit various structural applica ons: hair fibre Proper es may vary due to the orienta on & posi on of fibres through the material. Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 50

51 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Description of fibre material Carbon Fibres Glass Fibres Polyaramid Fibres Pitch: in diesem Zusammenhang Pech Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 51

52 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Typical aircraft structure for current Airbus A320 family (15 % composites) Aramid Fibre Reinforced Plas c: AFRP Carbon Fibre Reinforced Plas c: CFRP Glass Fibre Reinforced Plas c: GFRP Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 52

53 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Typical aircraft structure for current Airbus A380 family (25 % composites) GLARE: glass-fibre reinforced aluminium LBW: Laser Beam Welding Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 53

54 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Development of aircraft structures from 1975 to the future Outlook for new aircrafts like A320 (2018): - Cost driven design - Two concepts are currently preferred 1) Black aircraft made by CFRP only 2) Combination of low cost materials like combination of aluminium-gfrp-cfrp or foams composite structure / total structure % weight A320 Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 54

55 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Description of composite manufacturing Fibre Resin (matrix) Composite Roving (random orienta on) Epoxy-Resins curing at C with 2-10 bar for min. Chopped (random orienta on) Woven (two, or more direc onal) Unidirec onal/cramped (one direc onal) Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 55

56 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Examples for manual manufacturing Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 56

57 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Examples for automated manufacturing Fiber placement machine for CFRP aerostructures Tape laying machine for CFRP aerostructures "Glare"-shell for Airbus A380 goes to the curing process in the autoclave Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 57

58 Elemente der Fertigungstechnik Planung Verbundwerkstoffe (Composites) - Summary Composites hail strike Advantages - lighter weight then other materials - very smooth, curved, aerodynamic structure applicable - lack of corrosion =>higher humidity in the cabin - good performance in flexing environment - good fa que strenght bird strike Disadvantages - no obvious sign of damages - poten al for heat damage (e.g. epoxy 180 C) - difficult to repair and repaint - lightning strike protec on (GFRP electrical insulator, carbon fibre conducts electricity but not as easily as aluminum) =>copper mesh as Faraday cage lightning strike Hochschule Hannover Fakultät II Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Paul Diersen Elemente der Fertigungstechnik Planung Seite 58