Aktuelle Forschungsprojekte

Die Entwicklungen der letzten Jahre im Bereich der Digitalisierung bringen ein großes Potential für die Beschäftigten in den Bereichen der Produktion und der Logistik mit sich. Ihre Akzeptanz und der Erfolg ihres Einsatzes ist eng an die vorhandenen Qualifikationen und Kompetenzen der Mitarbeiter geknüpft.
Das Fachgebiet Fertigungstechnik fokussiert primär die Veränderungsprozesse, welche durch den Einsatz von Assistenzsystemen sowie Produktionsplanungssystemen in der verarbeitenden Industrie angestoßen werden und evaluiert den entstandenen Qualifizierungsbedarf. Neben den Beratungen, welche den Unternehmen als ein Hilfswerkzeug für die Bewältigung der neuen Herausforderung zur Verfügung stehen, entwickelt das Fachgebiet ein auf die Bedürfnisse der Zielgruppe zugeschnittenes Lehrkonzept.

Das Fachgebiet Fertigungstechnik der TU Ilmenau adressiert innerhalb des Projektes die Integration des Anwendungsszenarios des vorrichtungsfreien Laserstrahlschweißens. Dazu sollen entstehende Verschiebungen beim vorrichtungsfreien Schweißen aufgenommen, abgeschätzt und entsprechende Gegenmaßnahmen abgeleitet werden, um den Prozess zur Lage der Bauteile anzupassen. Auf Basis des Einsatzes von echtzeitfähiger Prozessanalytik, sollen entstehende Verschiebungen mittels geeigneten Deep-Learning-Methoden charakterisiert, den zeitlichen Folgeverlauf der Spaltänderung prädiziert sowie eine notwendige Lageänderung berechnet und umgesetzt werden. Das Vorhaben adressiert gezielt die Anwendung robotergestützter Schweißszenarien, um eine hohe Umsetzbarkeit im industriellen Einsatzfeld zu gewährleisten sowie die ganzheitliche Abbildung der entwickelten Engineering-Methoden beim Einsatz von lernbasierten Assistenzsystemen demonstrieren zu können.

Das Fachgebiet Fertigungstechnik der TU Ilmenau adressiert in diesem Forschungsvorhaben das Laserstrahlschweißen von verzinkten Stählen. Die bestehende Herausforderung, die insbesondere bei Schmelzschweißverfahren vorherrscht, liegt in der niedrigen Verdampfungstemperatur der Zinkschicht. Diese liegt mit 906°C weit unterhalb der Schmelztemperatur des Stahls und sorgt damit beim Laserstrahltiefschweißen für Schweißnahtdefekte in Form von Spritzern und Porenbildung. Das Fachgebiet Fertigungstechnik verfolgt hier den Ansatz von angepassten rotationssymmetrischen Intensitätsverteilungen, um Einfluss auf die Dampfkapillare und das Schmelzbad zu nehmen und somit eine signifikante Reduzierung von Schweißnahtfehlern zu realisieren. Die industrielle Anwendung von Kern-Ring-Intensitäten ist in diesem Kontext schon seit einigen Jahren Stand der Technik. Dabei sind die speziell erzeugten Intensitätsabbildungen jedoch weitestgehend geometrisch unveränderlich. An dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben an und verfolgt das Ziel die Kern- und Ringabbildungen, mit Hilfe eines speziellen optischen Aufbaus, in Ihren Durchmessern unabhängig voneinander einzustellen. Bei der Entwicklung des optischen Aufbaus wird das Fachgebiet Fertigungstechnik vom Fachgebiet Technische Optik der TU Ilmenau unterstützt.  Untersuchungsgegenstand im Projekt sind neben Tiefziehstählen und höherfesten Stählen auch unterschiedliche Beschichtungsart und –dicken.  Somit sollen für unterschiedliche Schweißaufgaben (Blechdicke, Beschichtung, etc.) geeignete Verhältnisse aus Kern zu Ringdurchmesser mit den entsprechenden Leistungen gefunden werden und als Richtlinie für Hersteller von Lichtleitkabeln, die solche Intensitätsabbildungen erzeugen können, dienen.

Der Einsatz von hochlegierten Stählen ist in zahlreichen Branchen, u.a. der chemischen Industrie und der Automobilbranche, von wesentlicher Bedeutung. Für die Herstellung branchenspezifischer Produkte ist das Laserstrahlschweißen aufgrund seiner verfahrenstechnischen Vorteile industriell weit verbreitet, allerdings treten bei hohen Schweißgeschwindigkeiten ≥8m/min prozessbedingte Nahtimperfektionen wie Spritzerbildung auf. Dadurch wird das wirtschaftliche Potenzial begrenzt. Demgegenüber können derzeit zur Verfügung stehende Leistungsreserven neuer Festkörperlaser nicht oder nur unter aufwendiger Anpassung der Prozessführung in eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit umgesetzt werden. Das Ziel des Vorhabens ist es, Strategien und Vorgehensweisen zu entwickeln, welche die Entstehung von Nahtimperfektionen beim Laserstrahlschweißen von hochlegierten Stählen bei hohen Schweißgeschwindigkeiten (≥8m/min) auf Grundlage von lokalen Gasströmungen maßgeblich reduzieren. Dem verfolgten Ansatz liegt zu Grunde, dass der zusätzlich ausgeübte Staudruck der Gasströmung das innerkapillare Druckgleichgewicht von kapillarschließenden zu kapillaröffnenden Drücken positiv beeinflusst, ohne eine wesentliche mechanische Einwirkung vorzunehmen. Die daraus resultierende Erhöhung der Kapillarstabilität reduziert Nahtimperfektionen maßgeblich. Gegenüber bekannten Lösungsansätzen, wie der Strahlpendelung oder ortsangepassten Intensitätsverteilungen, ist der verfolgte Ansatz nicht auf spezifische Schweißregime, Einschweißtiefen oder Blechdicken begrenzt. Das Projekt liefert dafür erforderliche wissenschaftliche Erkenntnisse auf Grundlage der Wechselwirkungen zwischen Prozessgrößen, Gaszuführung und resultierender Nahtqualität, verallgemeinert diese und verknüpft sie hinsichtlich industrieller Fragestellungen wie Lagetoleranzen und Spalteinfluss. Daraus ergibt sich ein hohes industrielles Anwendungspotenzial sowie die Möglichkeit zur kostengünstigen Umsetzung, insbesondere für KMU.

Die Anwendung einer sich selbst ausbreitenden Reaktion als Wärmequelle bei Fügeprozessen zielt auf sehr hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Reaktionsfront und damit einhergehend kurze Prozesszeiten ab. Eine Vielzahl von Anwendungen erfordert jedoch maßgeschneiderte Temperaturverteilungen während des Fügeprozesses in Abhängigkeit von Wärmeleitung, Wärmekapazität und Dichte der Materialien und der geometrischen Form in der Verbindungszone von den Komponenten, um eine Schweißbarkeit zu realisieren.
Beim Fügen insbesondere beim Löten werden gegenwärtig üblicherweise nanoskalige Reaktionsfolien mit einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Ebene eingesetzt. Das einheitliche Schichtdesign berücksichtigt jedoch nicht die werkstofflichen und geometrischen Besonderheiten der zu fügenden Strukturen. Bei Verbindungen zwischen Partner unterschiedlicher Dicke oder unterschiedlicher Morphologie müssen zum Beispielasymmetrische oder anisotrope Wärmeflüsse während des Fügeprozesses und bei der Auslegung der Folien berücksichtigt werden. Die Charakterisierung der Interaktion zwischen Prozess, Folie und Mikrostruktur stellt die zentrale Herausforderung bei Fügeprozess mit reaktiven Folien dar, um einen maßgeschneiderten Temperatur-Zeit-Verlauf für eine großflächige Verbindung (> 20 x 20 mm²), eine Gestaltung der Folien und eine Oberflächenstruktur zu realisieren.
Dieses Projekt zielt darauf ab, einen Gesamtansatz für die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung reaktiver Folien mit maßgeschneiderten Morphologien für die makroskopische Verbindung von Thermoplasten und Metallen zu entwickeln. Mit einer Kombination aus Material-, Form- und Kraftschluss in der Fügezone können Verbindungen mit verbesserten Trageeigenschaften im Vergleich zu Verbindungen, die gegenwärtig mit nanoskalige Reaktionsfolien hergestellt werden, realisiert werden.

Geplant ist die Entwicklung eines innovativen selbsttätigen Druckes gesteuerten Rückschlagventils mit einem entsprechenden Absperrventil für einen Nenndruck bis zu 1.000 bar, für den am Markt bislang nicht umgesetzten Einsatz bei H2 Tankstellen. Für die Fertigung des Ventils wird ein neuartiges kombiniertes additives Fertigungsverfahren für metallische Bauteile entwickelt (Drahtbasiert WAAM und Pulverbett). Dies ermöglicht auch eine innovative Gestaltung des Ventils für verbesserte Durchströmung. In diesem Zusammenhang wird ein Werkstoff bzw. ein Materialmix entwickelt, der ein verspröden duch H2 verhindern soll bzw. dem entgegenwirkt, und zusätzlich Temperaturen im Bereich von 2 K bis zu 673 K standhält. Das innovative Ventil soll außerdem erstmals mit Sensoren zur Zustandsüberwachung ausgestattet werden und die Daten sollen mittels intelligenter Algorithmen ausgewertet und für entsprechende Wartungszwecke und Sicherheitsanalysen genutzt werden. Die Sensorik soll dabei bereits im Fertigungsprozess integriert werden. Die Energie für die integrierte Sensorik wird aus Energy Harvesting über die Bewegungsenergie des Ventils gewonnen.

Ziel des Projektes ist es ein qualitätsgesichertes Verfahren zu entwickeln, um mittels Lichtbogenschweißen Elemente für Kunstobjekte aus hochlegierten Stahlwerkstoffen, die die Anforderung des Hochglanzpolierens erfüllen, herzustellen. Es sollen komplexe Rohteile für Kunstobjekte individuell und kostengünstig hergestellt werden und die Anforderungen des Polierens nach dem Fräsen erfüllen. Durch das neu entwickelte Verfahren und die daraus resultierenden Konstruktionsmöglichkeiten, sollen die entstehenden Rohteile für die Kunstobjekte montagefreundlicher, schneller in der Herstellung durch Reduzierung der Wartezeit bei der Materialbestellung und des Zerspanungsaufwandes sowie kostengünstiger werden als bisher. Um beim verzerrungsfreien Polieren erstmals die Besonderheiten der additiven Fertigung zu berücksichtigen, müssen neue Abläufe bei der Oberflächenvorbereitung und beim Polierprozess entwickelt werden. Diese umfassen sowohl Aspekte von eigenspannungs- und verzugsarmen additiv hergestellten Elementen, die beim anschließenden Zerspanung geometrisch in den Maßtoleranzen liegen und keinen Verzug aufweisen.

Das IGF-Forschungsvorhaben 20156 BR adressiert das hochproduktive Verbindungsschweißen mittels Metall-Schutzgas-Schweißprozess. Dabei erfolgt einerseits die Verfahrenserweiterung über die Zuführung von bis zu zwei Heißdrähten (HD) in das Schmelzbad des MSG-Prozesses. Über eine Phasenverschiebung der zugeführten Drähte wird dabei eine zweidimensionale Auslenkung des Lichtbogens gewährleistet, die beispielsweise zu einer positiven Beeinflussung der Erstarrungsmechanismen des Schmelzbades führt. Andererseits wird die zweidimensionale Auslenkung des Lichtbogens durch ein zusätzliches Magnetfeld realisiert. Beide Ansätze ermöglichen die Anpassung des Wärmefeldes in der Schweißzone sowie eine Erhöhung der Abschmelzleistung im Schweißprozess. Dies führt zu einer hochproduktiven und wirtschaftlichen Anwendung des MSG-Prozesses beispielsweise im Bereich des Dickblechschweißens.

Im Bauwesen werden häufig lineare Stahlelemente in unterschiedlichen Raumrichtungen und Relativlagen eingesetzt, die zur Lastabtragung mittels sogenannten Stahlbauknoten verbunden werden. Durch die Individualität von Tragwerkgestaltungen für Gebäude werden komplexe Stahlbauknoten in niedrigen Losgrößen und häufig als Einzelstücke hergestellt. Der Konstruktions- und Fertigungsaufwand bei diesen Strukturen, die höchste Lasten tragen müssen, ist sehr hoch und somit teuer. Die Idee des Projekts ist Auftragsschweißen als additives Fertigungsverfahren zu nutzen, um erstmals individuelle Stahlbauknoten in Zukunft wirtschaftlich und qualitätsgesichert herzustellen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung des Herstellungsverfahrens bei gleichzeitiger zu entwickelnder gesicherter lnline-Qualitätssicherung mit Rückkopplung auf den aktuellen Druckvorgang. Zusätzlich findet eine Rückkopplung zur Topologie-Optimierung statt, die durch das zu entwickelnde Verfahren restringiert wird. Die Analyse der relevanten Prozessfaktoren, die Entwicklung der Software, sowie die materialtechnische Untersuchung und die Integration in die Prozesskette stellen weitere Herausforderungen des Projektes dar.

Die Erhaltung, denkmalgerechte Sanierung und Ertüchtigung historischer Bauwerke werden unter dem Begriff der Revitalisierung zusammengefasst, welche eine enorme wirtschaftliche und technische Herausforderung darstellt. Zur Bewältigung dieser, erfordert es vielfältige maßgeschneiderte Lösungen, welche mittels 3D-Bauwerksaufnahme und des Laserscannings, digitaler Erfassung von Bauwerkszuständen, numerischer Simulations- und additiver Fertigungsverfahren auf validierte Methoden bzw. Revitalisierungsstrategien schließen und konkrete Wertschöpfungsketten für das Handwerk bereitstellen.

Die Anwendungsfelder des Remote-Laserstrahlschweißens nehmen aufgrund der Vorteile hinsichtlich Positionierzeiten, hohen Schweißgeschwindigkeiten, optimierten Schweißfolgen und großen Arbeitsabständen weiter zu. Eine Erweiterung der Remote-Anwendung auf das Schweißen hochlegierter Stähle, bspw. für die Hausgerätetechnik, erfordern dabei allerdings einen effizienten Schutz des Schweißgutes vor der sauerstoffhaltigen Umgebung durch Schutzgase, um die Werkstoffeigenschaften, insbesondere den Korrosionsschutz, sicherzustellen.
An dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben an, mit dem Ziel, durch die systematische Untersuchung des komplexen Systems Schutzgaszuführung, Strömung, Störkontur, Laserstrahlprozess und Umgebungseinfluss eine Ableitung von anwendergerechten Auslegungskriterien zu entwickeln. Dem verfolgten Ansatz liegt eine systemische Betrachtung entlang dieses Strömungspfades von der Düse über den Arbeitsbereich mit den Wechselwirkungen im Laserstrahlprozess bzw. der Umgebung bis hin zur Störkontur zu Grunde. Experimentelle Untersuchungen ermöglichen dabei die Betrachtung von Analogien der Strömungstechnik sowie die methodische Zerlegung des komplexen Gesamtsystems.

Mit dem Teilvorhaben soll vorrangig die Forschungsfrage beantwortet werden, wie ein regionales Wertschöpfungsnetzwerk zu konzipieren ist, um die Anforderungen der Betriebe aus der Holz- und Forstwirtschaft zu erfüllen. Als Ergebnis liefert das Teilvorhaben einen Leitfaden, welcher die Topologie, die optimale Funktionsweise, die Dimension sowie ein modellhaftes Vorgehen beim Aufbau einer regionalen Wertschöpfungskette beschreibt.

Mit dem Teilvorhaben soll vorrangig die Forschungsfrage beantwortet werden, welches Potential die Methoden der Produktionsfeinplanung für die energieintensiven produzierenden Unternehmen (diskreter oder kontinuierlicher Fertigungsart) in Hinblick auf die Reduktion von energetischen Kosten beinhaltet. Als Ergebnis liefert das Teilvorhaben ein Simulationswerkzeug, welches unter Berücksichtigung von mehreren unsicheren Einflussgrößen (u. a. Energiepreise) eine Erstellung von optimalen Produktionsplänen für die Unternehmen ermöglicht.  

Der Einsatz digitaler Technologien in produzierenden Unternehmen führt zur Veränderung von Anforderungen an die Kompetenzen der Beschäftigten. Die Maßnahmen für die Vermittlung dieser fehlenden neuen Kompetenzen sind in Unternehmen oft nicht vorhanden und müssen erst entwickelt werden. Das Ziel des Teilvorhabens ist die Ermittlung der Qualifizierungsbedarfe in produzierenden Unternehmen und die Entwicklung von Schulungsobjekten und -inhalten, welche für die Weiterbildungsaktivitäten eingesetzt werden können.