Studienabschlussarbeiten

Die Verfahren der additiven Fertigung scheinen eine vielversprechende Antwort auf viele neuen Anforderungen eines sich ständig ändernden Marktes zu sein. Sie stellen ein höchst dynamisches aufstrebendes Feld dar und werden zunehmend über die Prototypenfertigung hinaus auch in der (Klein-)Serienproduktion eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ihre grundlegende Eignung, Möglichkeiten und Grenzen für die Herstellung von Federn aus Kunststoff untersucht. Diese grundlegende Eignung der additiven Fertigung für die Herstellung von Kunststofffedern ließ sich hierbei feststellen, insofern die verfahrens- und werkstoffspezifischen Einschränkungen berücksichtigt werden. Es wurde ein Anforderungskatalog an additiv herzustellende technische Federn und eine Bewertungsmethode erstellt, welche die Eignung der Verfahren überprüft und den Anwender bei ihrer Auswahl unter Berücksichtigung von Art, Geometrie und Einsatz der Feder sowie verschiedener Prioritätensetzungen für die Wichtung von bspw. der Nachhaltigkeit, Bauteilqualität oder Verfahrenskosten, unterstützt. Die in dieser Bewertungsmethode abgedeckten Verfahren waren SLA und PolyJet, SLS und MJF, FLM und 3DP. Anschließend wurde in der Testphase eine Reihe an Testfedern verschiedener Geometrien und Arten aus PETG, PLA und TPC entworfen, gedruckt und eine Auswahl in statischen Versuchen auf ihr Federverhalten untersucht. Es wurde eine Reihe an Handlungs- und Gestaltungsempfehlungen abgeleitet, die Hinweise zu grundlegenden Eignung, Konstruktion und zum FLM-Druck verschiedener Federtypen aufführen. Beim Vergleich der gemessenen Federkennlinien mit zuvor auf Basis der durch die Hersteller gegebenen Werkstoff-Kennwerte simulierten Kennlinien ließ sich ein Zusammenhang feststellen. Im Vergleich mit konventionellen Federn mit vergleichbarem Bauraumbedarf und Gewicht konnten sie in den meisten Fällen größere Federraten erreichten. Die drei Werkstoffe wurden im Hinblick auf die Federrate, die Hysterese, das Relaxationsverhalten, die Bruchneigung, die plastische Verformung und Veränderung der Kennlinie über die Versuche und die Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften in mehreren Drucken verglichen. PETG und PLA erreichten im Schnitt die besten Werte und TPC die niedrigsten.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten, technische Federn mittels additiver Fertigungsverfahren herzustellen. Dabei werden diese auf die Metallverarbeitung beschränkt. Dazu werden die Verfahren wie auch verschiedene Federtypen vorgestellt. Die Möglichkeiten, Chancen und Probleme der Verfahren werden aufgezeigt, und die Eignung für die Federherstellung bewertet. Darauf aufbauend wird eine Musterfeder konstruiert, und mit dem Verfahren Laserschmelzen gefertigt. Dabei ist der Ausgangspunkt der Konstruktion eine konventionell gefertigte Schraubendruckfeder. Ausgehend von den ermittelten Messergebnissen werden die Feder und das Verfahren bewertet. Durch die Erkenntnisse der Musterfeder können grundlegende Ausblicke für andere additive Verfahren beschrieben werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion eines Versuchsstands für den Hin- und Herbiegeversuch von Metalldrähten nach DIN ISO 7801. Dieser wird als Vorrichtung passend zur im Fachgebiet vorhandenen Torsionsschwingmaschine entwickelt und nutzt ihren Motor als Antrieb. Abweichend zur Norm wird eine stufenlose Verstellbarkeit des Biegeradius umgesetzt, um bei der Durchführung des Versuchs unabhängig vom Drahtdurchmesser eine konstante Dehnung zu ermöglichen und dadurch die Vergleichbarkeit der Biegezahlen zu verbessern. Der Versuchsstand soll für hochfeste Seildrähte mit Durchmessern zwischen 0,8 und bis zu 4,0 mm geeignet sein. Die Arbeit umfasst die Erstellung einer Anforderungsliste, die Generierung verschiedener Varianten sowie darauf aufbauend die Wahl des technischen Prinzips mit notwendigen Dimensionierungsrechnungen für die einzelnen Bauteile und einzustellende Bedienparameter. Außerdem erfolgt die Erstellung eines Zeichnungssatzes und eine auf den erforderlichen Halbzeugen, Norm- und Kaufteilen sowie Fertigungsverfahren basierende Kostenrechnung.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Fertigungsschritt Vorsetzen bei der Herstellung von Schraubendruckfeder und der Vorhersage des Vorsetzbetrages. Für die Berechnung wurde ein vorhandenes Berechnungsmodell in Form eines Excel-basierten Tools verwendet. Dieses Model wurde zum einen um Effekte der Geometrieänderung erweitert. Unter Geometrieänderungen versteht man Effekte des Windungsanlegens und der Federdurchmesseraufweitung. Weiter wurde das Excel-Tool für die Werkstoffklasse der nichtrostenden Stähle erweitert. Eine Besonderheit dieser Klasse ist ein nichtlinear-elastisches Materialverhalten. Um dieses Merkmal abzubilden, wurden zwei konkrete Materialien dieser Werkstoffklasse (1.4310 und 1.4568) untersucht. Für diese Materialien wurden Torsionsprüfungen mit ausführlicher Analyse der Spannungs-Schiebungs-Diagramme des Entlastungsvorgans durchgeführt. Aus diesen Diagrammen wurde ein Zusammenhang zwischen der maximalen Schiebung, bis zu der das Drahtstück belastet wurde, und der Form der Rücklaufkurven abgeleitet. Für die Berechnung werden wahre Spannungen anstatt Ingenieursspannungen verwendet. Die wahre Spannungs-Schiebungs-Kennlinie wird mit Hilfe der Ramberg-Osgood-Gleichung beschrieben. Das Berechnungsmodell wurde sowohl für Materialien mit als linear angenommenem Rücklauf als auch mit nichtlinear-elastischem Werkstoffverhalten ergänzt. Das Excel-Tool wurde sowohl durch einen Vergleich von Vorsetzbeträge auf Basis von FEM-Simulationen als auch über Versuchsergebnisse aus Vorsetzversuchen verifiziert.

In dieser Masterarbeit werden unterschiedliche Konzepte von werkstoffhybriden Verbindungen und Krafteinleitungen an zylindrischen CFK-Probekörpern untersucht, woraus eine Anwendungsempfehlung für zukünftige Einsatzgebiete abgeleitet wird. Faserverbundkunststoffe sind ein essentieller Bestandteil des stofflichen Leichtbaus und tragen somit wesentlich zur Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in den unterschiedlichsten Industriezweigen bei. Insbesondere im Bereich der Komponenten- und Baumaschinenbranche bieten Faserverbundkunststoffe ein hohes Entwicklungspotential. Für eine serientaugliche Integration sind Untersuchungen im Bereich der werkstoffhybriden Verbindungselemente unabdingbar. Daher werden in dieser Arbeit unterschiedliche bestehende, aber auch neu entwickelte Verbindungskonzepte untersucht, um einen Grundstein für die spätere Auslegung von hybriden Anbindungskonzepten für Baumaschinen zu legen. Zu Beginn werden die für das Thema notwendigen Grundlagen der faserverstärkten Kunststoffe und hybriden Verbindungselemente behandelt. Anschließend wird eine Konzeptsammlung erstellt und über eine vergleichende Bewertung eine Vorauswahl der vielversprechendsten Verbindungen getroffen. Ferner werden die gewählten Verbindungen anhand eines erstellten Anforderungsprofils für unterschiedliche Lastfälle ausgelegt und zur Validierung in einer FE-Simulation analysiert. Darauf folgen quasistatische Versuche, anhand derer die Verbindungsfestigkeiten der Konzepte bestimmt werden. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse aus der Fertigung und den Versuchsdaten werden die untersuchten Konzepte erneut bewertet und Anwendungsempfehlungen abgeleitet. Abschließend wird ein Ausblick über weitere essentielle Untersuchungen und Optimierungen gegeben, um einen sicheren Einsatz der untersuchten Verbindungen zu gewährleisten.