Studienabschlussarbeiten

In dieser Bachelorarbeit wurden faserverstärkte Kunststoffe in Sandwichbauweise unter statischer und dynamischer Torsionsbelastung geprüft. Dabei sollen die gewonnenen Erkenntnisse vorwiegend für das Konstruieren und Auslegen von Kegeldruckfedern nutzbar sein, wobei das Ermüdungsverhalten im Vordergrund steht. Zuerst werden dabei die Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe erläutert, unter anderem der Aufbau, verwendbare Materialien und Herstellungsverfahren. Darauffolgend wird auf statische und dynamische Versagensarten, sowie die Klassische Laminattheorie eingegangen und ein analytisches Modell zur Berechnung der Torsionssteifigkeit vorgestellt. Im Anschluss daran werden Aufgaben- und Zielstellung der Arbeit definiert und Vorbetrachtungen zu Probekörpergeometrie und zu verwendende Werkzeuge getroffen. Es wurden statische Versuche an vier Proben durchgeführt und mit den Ergebnissen der analytischen Versuche verglichen. Auf Basis der Erkenntnisse der statischen Versuche wurden Mittelwinkel und Lastniveaus der dynamische Torsionsschwellversuche abgeschätzt. Vorversuche zum genauen Bestimmen der Amplituden fanden statt und dynamische Versuche wurden an 50 Proben durchgeführt. Dynamische Versuche der Probekörper wurden bis zum Bruch oder bis zum Erreichen von einer Million Zyklen fortgesetzt. Die aus den Versuchen gewonnenen Werte wurden zur Erstellung eines Wöhlerdiagrammes verwendet und das Ermüdungsverhalten, sowie auch das Versagen des Laminates, wurden bewertet. Abschließend werden Ableitungen und Empfehlungen für den Einsatz des Laminataufbaus in Sandwichbauweise als Kegeldruckfedern gegeben.

Diese Bachelorarbeit behandelt die Entwicklung und Konstruktion eines adaptiven automatisierten Schnellwechselsystems für schwere Kunststoff- und Spritzgießwerkzeugebis zu 10 t Gewicht. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Auswahl des geeigneten Automatisierungsmechanismus, welcher mit einem konventionellen Spannmechanismus zu kombinieren ist. Der Stand der Technik wird hierbei berücksichtigt. Die Richtlinie VDI2221 wird als Methode der Konstruktion verwendet. Mithilfe dieser Methode lassen sich Teilfunktionen feststellen und anhand dieser wird ein Morphologischer Kasten als eine komplette Lösungsvariante erfasst. Um das System universal und flexibel zu machen, wird ein Zentrierring konstruiert, welcher die Spannung des Werkzeugs in jedem beliebigen Winkel ermöglicht. Der Zentrierring gewährleistet mit dieser bestimmten Form die form- und kraftschlüssige Spannung der Spannbacken. Die Spannbacken lassen sich durch ein Schraubengetriebe bewegen, die durch einen elektrischen Motor angetrieben werden. Schließlich wird eine Simulation durchgeführt, welche demonstriert hat, dass das Systemunter relativen hohen Spannungen zuverlässig funktioniert.

Schraubenzugfeder ist eine der am häufigsten verwendeten Federformen im Industriebereich. Im Vergleich mit der Schraubendruckfeder sind die Windungen der Schraubenzugfeder normalerweise vorgespannt, was zur Vorspannkraft 0 und Vorspannung innerhalb der Windungen führt, auch wenn keine externen Belastungen existieren. Im Betrieb kann sich der Durchmesser der Windungen leicht ändern. Die Ösen von Schraubenzugfedern können sehr unterschiedlich gestaltet werden, bei den Ösen werden die Torsions- und Biegespannung im Betrieb überlappen. Zusätzlich begünstigt die Drahtkrümmung die maximale örtliche Spannung des Wickelkörpers. Diese Effekte führen dazu, dass die genaue Festigkeitsberechnung der Schraubenzugfeder nur mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse zu realisieren ist. In Rahmen dieser Arbeit werden Programme mit Hilfe der Python-Sprache entwickelt, womit die CAD-Modelle von Schraubenzugfedern mit unterschiedlichen Ösenformen automatisiert jeweils in FreeCAD erstellt und in Salome-Platform vernetzt werden können. Die FE-Analyse erfolgt in dem FE-Löser CalculiX. Alle in dieser Arbeit verwendeten Softwares verfügen über kostenfreie öffentliche Lizenzen. Die Qualität der erstellten CAD-Modelle und die Genauigkeit der FE-Analyse werden letztendlich durch die Validierungen und den Vergleich mit den Simulationsergebnissen von ANSYS bewertet.

In dieser Arbeit wird eine Zylinderprüfbank zur Ermittlung mechanischer Kenngrößen an Fahrwerkskomponenten von Flugzeugen konzipiert. Die Erarbeitung erfolgte in Anlehnung an den beschriebenen Entwicklungsprozess in der VDI 2221 (1). Ergebnis der Arbeit ist es einen technischen Vorentwurf der Vorrichtung für die Zylinderprüfbank zu entwerfen, welche Kräfte, Wege und Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Messbereichen erzeugen, aufnehmen und aufzeichnen kann. Zu Beginn der Arbeit werden die Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt erarbeitet. Im Anschluss wird das System abstrahiert und in Teilfunktionen zerlegt. Anschließend erfolgte eine Markt- und Patentrecherche von Messkonzepten. In der darauffolgenden Prinzipsynthese wird die Lösungsfindung, auf Basis der Funktionsstruktur, in zwei Teilschritte geteilt. Teil Eins befasste sich mit der Krafterzeugungsthematik, auf dieser Vorbetrachtung aufbauend erfolgte im zweiten Teil die Gesamtbetrachtung des Systems. Die Prinzipien werden dabei mit der Auswahlhilfe nach Pahl/ Beitz (2) auf technische Anwendbarkeit eingeschränkt. Im nächsten Abschnitt diente die selektierte Prinziptabelle als Grundlage zur Erstellung der Wirkstrukturen. Diese Wirkstrukturen wurden anschließend nach VDI 2225 (3) und nach Pahl/ Beitz (2) bewertet. Folgend wird die beste Wirkstruktur überarbeitet und optimiert. Funktionsrelevante Elemente werden detaillierter betrachtet und mit technischen Lösungen besetzt. Desweiteren werden Maßgebenden Module dimensioniert und technisch ausgelegt.

Die Belastung von mechanischen Bauteilen, so auch von Schraubendruckfedern, führt zum Auftreten von Spannungen. Aufgrund der Drahtkrümmung sind diese bei Schraubendruckfedern örtlich erhöht. Außerdem ändert sich im Betrieb der Durchmesser des Wickelkörpers und kommen die Übergangs-windungen in Kontakt. Die Berücksichtigung dieser Effekte mit hoher Präzision ist nur mittels Finite-Elemente-Simulationen möglich. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein automatisiertes CAD-Modell von Baugruppe mit einer Schraubendruckfeder und zwei Federtellern aus von Benutzer eingegebenen Parametern in SALOME (freies, unter der GPL stehendes CAD-Programm) aufgebaut. Dieses Modell wird automatisch mit Netgen Mesh Generator vernetzt und für eine Finite-Elemente-Simulation vorbereitet. Die Simulation von erwünschter Einfederung wird weiter mit Calculix (freies, unter der GPL stehendes Finite-Elemente-Programm) durchgeführt. Die Evaluation der entwickelten Software wird anhand von Vergleichen der Simulationsergebnisse mit analytischen Berechnungen und Referenz-Ergebnissen aus ANSYS Workbench vorgenommen und bewertet.