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.

Ziel des Vorhabens ist es, eine Verkürzung der Zeitspanne zwischen dem Engineering und der Fertigung in Produktions-netzwerken zu erzielen. Dem verfolgten Ziel liegt der folgende Ansatz zu Grunde: Gelingt es, bereits in der Entwurfsphase des technischen Prinzips eines Produktes oder einer Baugruppe durch Ähnlichkeiten zu bereits umgesetzten Projekten einen Typenvertreter zu definieren, können dann erste richtungsweisende Informationen über die Lieferkette, im Sinne von not-wendigen Kapazitäten im Engineering, in der Fertigung und in der Montage, abgeschätzt und somit frühzeitig im Netzwerk reserviert werden. Dieses Vorgehen erlaubt es, in einer Lieferkette frühzeitig Kapazitätsblöcke im der Konstruktion, Design und Fertigung zu reservieren, so dass die Zeit bis zur Umsetzung stark reduziert wird.

Im Rahmen des Vorhabens finden vorrangig Recherchen und Marktanalysen statt. Der Marktbedarf und die Kundenbedürfnisse werden zunächst evaluiert und der Mehrwert der Idee des Vorhabens herausgearbeitet. Neben den durch das Vorhaben für den Markt erzeugten Potentialen werden ebenfalls die möglichen Marktbarrieren und -hindernisse ermittelt und dargestellt.
Einen weiteren Schwerpunkt des Vorhabens bildet die Recherche und die Ausarbeitung des nationalen und internationalen Standes der Technik, der Konkurrenzprodukte bzw. Konkurrenzvorhaben und eine eindeutige Abgrenzung der Idee des Vorhabens von den existierenden Ansätzen.
Auf Basis der geleisteten Arbeiten wird konkrete wissenschaftliche Aufgabenstellung für den Forschungsverbund herausgearbeitet sowie Partner für die Arbeit an den definierten Teilthemen ausgesucht.

Dem Thüringer Kompetenzzentrum Wirtschaft 4.0 kommt die zentrale Aufgabe zu, Thüringer Unternehmen – unabhängig von der jeweiligen Branche – für den Prozess Wirtschaft 4.0 zu beraten, bedarfsgerecht zu informieren und fallbezogen für die weitere konkrete Umsetzung digitaler Lösungen im Unternehmen ein offenes und für externe Experten frei zugängliches Partnernetzwerk bereitzustellen. Neben den regionalen Organisationen wird zusätzlich eine Zusammenarbeit mit bundesweiten Kompetenzzentren angestrebt bzw. weiter ausgebaut.

Ziel des Vorhabens ist es, eine Methodik für die digitale Vernetzung von Analysegeräten zu erforschen und zu entwickeln, welche sowohl eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Analysegeräte, der Konsistenz der Maschinenmessdaten sowie der Auslastung von Analysegeräten in Echtzeit (Ausfallzeit) mit einer höheren Testfrequenz (Sicherheit) erlaubt als auch den Anforderungen der Datensicherheit (patientenbezogene Daten) entspricht.

Gelingt es, Testobjekte mit physikalischen Standards (Testmuster), die eine objektive und einfache Testung des Zustandes eines Gerätes und der Konsistenz der Messung ermöglichen, sowie Konzepte für eine manipulationssichere Übertragung der Testdaten zu entwickeln, kann eine Zustandsüberwachung der Geräte vorgenommen und eine verlässliche Angabe über die vorhandenen Testkapazitäten der Geräte abgeleitet werden.

Erstmalig ermöglicht eine Vernetzung der Analysegeräte sowohl mit übergeordneten Informationssystemen als auch untereinander zu einem Peer-to-Peer Netzwerk, eine aggregierte und verlässliche Angabe über verfügbaren Testkapazitäten zu erhalten und eine Überlastung des Gesundheitssystems im Pandemiefall zu verhindern.

Gegenstand des Projektes ist die ortsabhängige Zustandserfassung verschlissener Bohrgestänge für Horizontalbohrmaschinen und deren vollmechanisierte Aufbereitung, einhergehend mit einer signifikanten Verbesserung der Verschleißeigenschaften.

Vorbereitende Tätigkeiten für eine Antragsstellung eines ZIM-Innovationsnetzwerkes. Das Ziel ist die Durchführung einer Studie, welche die Erkenntnisse über die Potentiale der additiven Fertigungsverfahren für die Werkzeugbaubranche sowie die Bereitschaft der reg. Unternehmen für den Aufbau von komplementären Technologiekooperationen untersucht. Die Arbeiten sollen helfen, Auswirkungen der angestrebten Projektergebnisse auf die Wettbewerbsposition der Werkzeugbauunternehmen zu ermitteln.

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.