Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik
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Selective laser melting of metals: desktop machines open up new chances even for small companies
(2012)
Additive manufacturing (AM) of metal parts by using Selective Laser Melting (SLM) has become a powerful tool mostly in the area of automotive, aerospace engineering and others. Especially in the field of dentistry, jewelry and related branches that require individualized or even one-of-a-kind products, the direct digital manufacturing process opens up new ways of design and manufacturing. In these fields, mostly small and medium sized businesses (SME) are operating which do not have sufficient human and economic resources to invest in this technology. But to stay competitive, the application of AM can be regarded as a necessity. In this situation a new desktop machine (Realizer SLM 50) was introduced that cost about 1/3 of a shop floor SLM machine and promises small quality parts. To find out whether the machine really is an alternative for SMEs the University of Applied Science, Aachen, Germany, designed, build and optimized typical parts from the dentistry and the jewelry branches using CoCr and silver material, the latter being new with this application. The paper describes the SLM procedure and how to find and optimize the most important parameters. The test is accompanied by digital simulation in order to verify the build parameters and to plan future builds. The procedure is shown as well as the resulting parts made from CoCr and silver material.
Transgenic plants have the potential to produce recombinant proteins on an agricultural scale, with yields of several tons per year. The cost-effectiveness of transgenic plants increases if simple cultivation facilities such as greenhouses can be used for production. In such a setting, we expressed a novel affinity ligand based on the fluorescent protein DsRed, which we used as a carrier for the linear epitope ELDKWA from the HIV-neutralizing antibody 2F5. The DsRed-2F5-epitope (DFE) fusion protein was produced in 12 consecutive batches of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plants over the course of 2 years and was purified using a combination of blanching and immobilized metal-ion affinity chromatography (IMAC). The average purity after IMAC was 57 ± 26% (n = 24) in terms of total soluble protein, but the average yield of pure DFE (12 mg kg−1) showed substantial variation (± 97 mg kg−1, n = 24) which correlated with seasonal changes. Specifically, we found that temperature peaks (>28°C) and intense illuminance (>45 klx h−1) were associated with lower DFE yields after purification, reflecting the loss of the epitope-containing C-terminus in up to 90% of the product. Whereas the weather factors were of limited use to predict product yields of individual harvests conducted for each batch (spaced by 1 week), the average batch yields were well approximated by simple linear regression models using two independent variables for prediction (illuminance and plant age). Interestingly, accumulation levels determined by fluorescence analysis were not affected by weather conditions but positively correlated with plant age, suggesting that the product was still expressed at high levels, but the extreme conditions affected its stability, albeit still preserving the fluorophore function. The efficient production of intact recombinant proteins in plants may therefore require adequate climate control and shading in greenhouses or even cultivation in fully controlled indoor farms.
Die Berechnung der Durchströmung von Bauteilen ist gegenüber derjenigen von umströmten Bauteilen deutlich im Hintertreffen. Das liegt vor allem an der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter optisch transparenter Modellkanäle für die experimentelle Analyse. Der Beitrag stellt ein Verfahren zur Herstellung transparenter durchströmter Geometrien auf der Basis generativ gefertigter Urmodelle vor. Damit können beliebig komplexe Innenströmungen optisch analysiert werden. Anhand von zwei Beispielen aus der Medizin, der Modellierung der oberen Atemwege und des Bronchialbaums, wird das Verfahren vorgeführt. Der generative Bauprozess mittels 3D-Printing wird beschrieben und die Abformung in transparentem Silikon gezeigt. Schließlich werden beispielhaft der Messaufbau und Ergebnisse der Anwendung vorgestellt. Das Verfahren bildet die Grundlage für die Analyse und Berechnung komplexer Innenströmungen und trägt somit zur Verbesserung zahlreicher technischer Anwendungen bei.
This work demonstrates how the interaction between particle image velocimetry (PIV) and robotics can massively increase measurement efficiency. The interdisciplinary approach is shown using the complex example of an automated, large scale, industrial environment: a typical automotive wind tunnel application. Both the high degree of flexibility in choosing the measurement region and the complete automation of stereo PIV measurements are presented. The setup consists of a combination of three robots, individually used as a 6D traversing unit for the laser illumination system as well as for each of the two cameras. Synchronised movements in the same reference frame are realised through a master-slave setup with a single interface to the user. By integrating the interface into the standard wind tunnel management system, a single measurement plane or a predefined sequence of several planes can be requested through a single trigger event, providing the resulting vector fields within minutes.
In this paper, a brief overview on the demands of large scale industrial PIV and the existing solutions is given. Afterwards, the concept of RoboPIV is introduced as a new approach. In a first step, the usability of a selection of commercially available robot arms is analysed. The challenges of pose uncertainty and importance of absolute accuracy are demonstrated through comparative measurements, explaining the individual pros and cons of the analysed systems. Subsequently, the advantage of integrating RoboPIV directly into the existing wind tunnel management system is shown on basis of a typical measurement sequence. In a final step, a practical measurement procedure, including post-processing, is given by using real data and results. Ultimately, the benefits of high automation are demonstrated, leading to a drastic reduction in necessary measurement time compared to non-automated systems, thus massively increasing the efficiency of PIV measurements.
In the face of the current trend towards larger and more complex production tasks in the SLM process and the current limitations in terms of maximum build space, the welding of SLM components to each other or to conventionally manufactured parts is becoming increasingly relevant. The fusion welding of SLM components made of 316L has so far been rarely investigated and if so, then for highly specialised laser welding processes. When welding with industrial gas welding processes such as MIG/MAG or TIG welding, distortions occur which are associated with the resulting residual stresses in the components. This paper investigates process-side influencing factors to avoid resulting residual stresses in SLM components made of 316L. The aim is to develop a strategy to build up SLM components as stress-free as possible in order to join them as profitably as possible with a downstream welding process. For this purpose, influencing parameters such as laser power, scan speed, but also scan vector length and different scan patterns are investigated with regard to their influence on residual stresses.
Rechnerunterstuetzte Aufbereitung von Finite-Elemente-Rechenmodellen-Erfassung der Bauteilgeometrie
(1977)
Rechnerunterstuetzte Aufbereitung von Finite-Elemente-Rechenmodellen -Erstellen der FEM-Netzwerke
(1977)
The radio-based wireless data communication has made the realization of new technical solutions possible in many fields of the automation technology (AT). For about ten years, a constant disproportionate growth of wireless technologies can be observed in the automation technology.
However, it shows that especially for the AT, conventional technologies of office automation are unsuitable and/or not manageable. The employment of mobile services in the industrial automation technology has the potential of significant cost and time savings. This leads to an increased productivity in various fields of the AT, for example in the factory and process automation or in production logistics. In this paper technologies and solutions for an automation-suited supply of mobile wireless services will be introduced under the criteria of real time suitability, IT-security and service orientation.
Emphasis will be put on the investigation and development of wireless convergence layers for different radio technologies, on the central provision of support services for an easy-to-use, central, backup enabled management of combined wired / wireless networks and on the study on integrability in a Profinet real-time Ethernet network.
Die generative Herstellung von Kunststoffbauteilen hat im Gewand des Rapid Prototyping die Produktentwicklung nachhaltig positiv beeinflusst und ist im Begriff als Rapid Manufacturing die Fertigung zu revolutionieren. Je mehr sich die besonderen Eigenschaften generativ gefertigter Kunststoffbauteile herumsprechen, desto lauter wird der Ruf nach Metallbauteilen. Die Entwicklung entsprechender Prozesse läuft auf Hochtouren, kann aber bisher aber erst vereinzelt Erfolge vorweisen. Dabei wären es gerade die Metallbauteile, die ausgestattet mit den besonderen Merkmalen generativ gefertigter Werkstücke, in vielen Branchen einen deutlichen Entwicklungsschub auslösen könnten. Für den potenziellen Anwender ist dabei besonders verwirrend, dass die unterschiedlichsten Ansätze nebeneinander verfolgt werden. Im Folgenden soll daher der Versuche unternommen werden, dieses weite Feld systematisiert darzustellen und Möglichkeiten und Trends zu erläutern.
Rapid Prototyping and PIV
(2001)
Rapid Prototyping
(2004)
Als um 1987 ein Verfahren namens Stereolithographie und ein Stereolithography Apparatus (SLA) vorgestellt wurden, war der Traum von der Herstellung beliebiger dreidimensionaler Bauteile direkt aus Computerdaten und ohne bauteilspezifische Werkzeuge Realität geworden. Ein Anwendungs-Szenario wurde gleich mitgeliefert. Diese Technologie würde es möglich machen, die gesamte Ersatzteilversorgung der Amerikanischen Pazifikflotte mittels ein paar dieser Maschinen, umfangreicher Datenstätze und genügend Rohmaterial vor Ort auf einem Flugzeugträger direkt nach Bedarf zu fertigen. Diese Vorstellung definierte schon damals die direkte digitale Fertigung, das Rapid Manufacturing. In der Realität bestanden die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile nur aus Kunststoff, waren ungenau, bruchempfindlich und klebrig und allein in der Produktentwicklung, eben als Prototypen zu benutzen. Sie waren schnell verfügbar, weil zu Ihrer Herstellung keine Werkzeuge benötigt wurden. Folgerichtige und zudem modern hießen sie: Rapid Prototyping. Rapid Prototyping wurde schnell zum Synonym eines neuen Zweiges der Fertigungstechnik, der Generativen Fertigungstechnik. Die weitere Entwicklung brachte neue Verfahren, höhere Genauigkeiten, verbesserte Werkstoffe und neue Anwendungen. Die Herstellung von Negativen, also Werkzeugen, mit dem gleichen Verfahren wurde marketing-getrieben Rapid Tooling genannt und als die ersten Bauteile nicht mehr als Prototypen, sondern als Endprodukte eingesetzt wurden, nannte man dies Rapid Manufacturing - das Ziel war erreicht. War das Ziel wirklich erreicht? Ist es Rapid Manufacturing, wenn ein generativ gefertigtes Bauteil die gewünschte Spezifikation erreicht? Was muss passieren, damit aus dem Phänomen Rapid Prototyping eine Strategie wird, die geeignet ist, einen Paradigmenwechsel von der heutigen Hersteller-induzierten Massenproduktion von Massenartikeln zur Verbraucher-induzierten (und verantworteten) Massenproduktion von Einzelteilen für jedermann ermöglichen und möglicherweise unsere Arbeits- und Lebensformen tiefgreifend zu beeinflussen? Im Beitrag wird der Begriff der (Fertigungs-) Strategie „Rapid Manufacturing“ näher beleuchtet. Es wird diskutiert, welche Maßnahmen auf der technischen und der operative Ebene getroffen werden müssen, damit die generative Fertigungstechnik im Sinne dieser Strategie umgesetzt werden kann. Beispiele belegen, dass diese Entwicklung bereits begonnen hat und geben Anregungen für eine konstruktive Diskussion auf der RapidTech 2006.
Das IoT ist ohne eingebettete Systeme undenkbar. Erst kleine und kleinste Mikrocontroller mit intelligenten Kommunikationsschnittstellen und Anbindung ans Internet ermöglichen sinnvolles und flächendeckendes Einsammeln von Daten. Doch wie kompliziert ist der Einstieg in die Embedded-Welt? Dieser Artikel gibt Einblick, wie die »Arduino-Plattform« die Einstiegshürden für eingebettete Systeme dramatisch reduzieren kann.
Die IMechE Railway Challenge wird jährlich in Stapleford, Großbritannien ausgetragen. Im Rahmen der Challenge entwickeln und bauen Studierende eine Lokomotive und vergleichen sich in verschiedenen Disziplinen, darunter eine automatisierte Zielbremsung, optimale Energierückgewinnung beim Bremsen und minimale Geräuschemissionen. Neben diesen und weiteren technischen Wettbewerbsdisziplinen treten die Fahrzeuge und die Teams auch in nicht-technischen Disziplinen wie einer Business Case Challenge an.
For smaller railway operators or those with a diverse fleet, it can be difficult to collect sufficient data to improve maintenance programs. At the same time, new rules such as entity in charge of maintenance – ECM – regulations impose an additional workload by requiring a dedicated maintenance management system and specific reports. The RailCrowd platform sets out to facilitate compliance with ECM and similar regulations while at the same time pooling anonymised fleet data across operators to form virtual fleets, providing greater data insights.
Qualitaetssicherung in der automatisierten schweisstechnischen Fertigung durch Einsatz von Sensoren
(1983)
Qualitaetssicherung in der automatisierten schweisstechnischen Fertigung durch Einsatz von Sensoren
(1983)
As researchers continue to seek the expansion of the material base for additive manufacturing, there is a need to focus attention on the Ni–Cu group of alloys which conventionally has wide industrial applications. In this work, the G-NiCu30Nb casting alloy, a variant of the Monel family of alloys with Nb and high Si content is, for the first time, processed via the laser powder bed fusion process (LPBF). Being novel to the LPBF processes, optimum LPBF parameters were determined, and hardness and tensile tests were performed in as-built conditions and after heat treatment at 1000 °C. Microstructures of the as-cast and the as-built condition were compared. Highly dense samples (99.8% density) were achieved after varying hatch distance (80 µm and 140 µm) with scanning speed (550 mm/s–1500 mm/s). There was no significant difference in microhardness between varied hatch distance print sets. Microhardness of the as-built condition (247 HV0.2) exceeded the as-cast microhardness (179 HV0.2.). Tensile specimens built in vertical (V) and horizontal (H) orientations revealed degrees of anisotropy and were superior to conventionally reported figures. Post heat treatment increased ductility from 20% to 31% (V), as well as from 16% to 25% (H), while ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS) were considerably reduced.
Additive Manufacturing durch Aufschmelzen von Metallpulvern hat sich auf breiter Front als Herstellverfahren, auch für Endprodukte, etabliert. Besonders für die Variante des Selective Laser Melting (SLM) sind Anwendungen in der Zahntechnik bereits weit verbreitet und der Einsatz in sensitiven Branchen wie der Luftfahrt ist in greifbare Nähe gerückt. Deshalb werden auch vermehrt Anstrengungen unternommen, um bisher nicht verarbeitete Materialien zu qualifizieren. Dies sind vorzugsweise Nicht-Eisen- und Edelmetalle, die sowohl eine sehr hohe Reflektivität als auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen – beides Eigenschaften, die die Beherrschung des Laser-Schmelzprozesses erschweren und nur kleine Prozessfenster zulassen. Die Arbeitsgruppe SLM des Lehr- und Forschungsgebietes Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik hat sich unter der Randbedingung einer kleinen und mit geringer Laserleistung ausgestatteten SLM Maschine der Aufgabe gewidmet und am Beispiel von Silber die Parameterfelder für Einzelspuren und wenig komplexe Geometrien systematisch untersucht. Die Arbeiten wurden von FEM Simulationen begleitet und durch metallographische Untersuchungen verifiziert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur schnellen Parameterfindung bei komplexen Geometrien und bei Veränderungen der Zusammensetzung, wie sie bei zukünftigen Legierungen zu erwarten sind. Die Ergebnisse werden exemplarisch auf unterschiedliche Geometrien angewandt und entsprechende Bauteile gezeigt.
Establishing high-performance polymers in additive manufacturing opens up new industrial applications. Polyetheretherketone (PEEK) was initially used in aerospace but is now widely applied in automotive, electronics, and medical industries. This study focuses on developing applications using PEEK and Fused Filament Fabrication for cost-efficient vulcanization injection mold production. A proof of concept confirms PEEK’s suitability for AM mold making, withstanding vulcanization conditions. Printing PEEK above its glass transition temperature of 145 °C is preferable due to its narrow process window. A new process strategy at room temperature is discussed, with micrographs showing improved inter-layer bonding at 410°C nozzle temperature and 0.1 mm layer thickness. Minimizing the layer thickness from 0.15 mm to 0.1 mm improves tensile strength by 16%.
The fourth industrial revolution introduces disruptive technologies to production environments. One of these technologies are multi-agent systems (MASs), where agents virtualize machines. However, the agent's actual performances in production environments can hardly be estimated as most research has been focusing on isolated projects and specific scenarios. We address this gap by implementing a highly connected and configurable reference model with quantifiable key performance indicators (KPIs) for production scheduling and routing in single-piece workflows. Furthermore, we propose an algorithm to optimize the search of extrema in highly connected distributed systems. The benefits, limits, and drawbacks of MASs and their performances are evaluated extensively by event-based simulations against the introduced model, which acts as a benchmark. Even though the performance of the proposed MAS is, on average, slightly lower than the reference system, the increased flexibility allows it to find new solutions and deliver improved factory-planning outcomes. Our MAS shows an emerging behavior by using flexible production techniques to correct errors and compensate for bottlenecks. This increased flexibility offers substantial improvement potential. The general model in this paper allows the transfer of the results to estimate real systems or other models.
We prove characterizations of the existence of perfect ƒ-matchings in uniform mengerian and perfect hypergraphs. Moreover, we investigate the ƒ-factor problem in balanced hypergraphs. For uniform balanced hypergraphs we prove two existence theorems with purely combinatorial arguments, whereas for non-uniform balanced hypergraphs we show that the ƒ-factor problem is NP-hard.
Particle-Image-Velocimetry (PIV) in rotierenden Maschinen / Dues, M. ; Kallweit, S. ; Siekmann, H.
(1994)
Low-end-Embedded-Plattformen stellen eine hohe Anforderung an die Entscheidungsfähigkeit des Entwicklers: Zum nächstgrößeren Prozessor greifen und ein Betriebssystem benutzen oder doch besser auf das Betriebssystem verzichten? Die Frage lässt sich einfach beantworten: Einen Nanokernel verwenden und das Embedded-System mit einem minimalen Footprint realisieren. Adam Dunkels Protothreads sind eine ausgesprochen effiziente Art, Mikrocontroller gut strukturiert zu programmieren und gleichzeitig auf Overhead zu verzichten. So können auch mit kleinen 8-bit-Prozessoren anspruchsvolle Aufgaben in einem Thread-Modell bearbeitet werden. Man muss also nicht immer das Rad neu erfinden oder gleich auf Linux-basierte Systeme zurückgreifen.
Generally, the quality of a weld joint is directly influenced by the welding input parameter settings. Selection of proper process parameters is important to obtain the desired weld bead profile and quality. In this research work, numerical and graphical optimization techniques of the CO2 laser beam welding of dual phase (DP600)/transformation induced plasticity (TRIP700) steel sheets were carried out using response surface methodology (RSM) based on Box–Behnken design. The procedure was established to improve the weld quality, increase the productivity and minimize the total operation cost by considering the welding parameters range of laser power (2–2.2 kW), welding speed (40–50 mm/s) and focus position (−1 to 0 mm). It was found that, RSM can be considered as a powerful tool in experimental welding optimization, even when the experimenter does not have a model for the process. Strong, efficient and low cost weld joints could be achieved using the optimum welding conditions.
This paper aims to evaluate the formability of tailor welded blanks of dual phase (DP600)/transformation induced plasticity (TRIP700) steel sheets. In this work, bead on plate butt joints of 2·5 mm DP600 and 1·2 mm TRIP700 steel sheets were performed using CO2 laser beam welding. Microhardness measurements and transverse tensile testing were carried out to characterise the welds. The formability of base metals and welds were investigated by standard Erichsen test. In a perpendicular tensile test to the weld line, all specimens were fractured at the TRIP base metal, and the strengths were somewhat higher than those of base metal. There was a significant reduction in formability caused by welding of the DP600/TRIP700 steel sheets, and the formability increased with increasing welding speed.
Numerical and experimental investigation of tensile behavior of laser beam welded TRIP700 steel
(2011)
Neue Perspektiven für die Bahn in der Produktions- und Distributionslogistik durch Prozessautomation
(2020)
Modellfabrik im Zeichen der Automatisierungstechnik / Gall, Jan ; Enning, Manfred ; Abel, Dirk
(2008)
Der Konstruktionsbereich ist zu einem neuen Schwerpunkt der allgemeinen Rationalisierungsbemühungen geworden. Zunehmend führt man organisatorische Hilfsmittel, technische Hilfsmittel (EDVA) und neue Konstruktionsmethoden in der Konstruktion ein. Der vorliegende Beitrag analysiert zunächst die Ursachen dieser Entwicklung und zeigt im weiteren einige heute bereits eingesetzte Hilfsmittel an Hand von Beispielen auf und diskutiert die Anwendungsmöglichkeiten.
Der Konstruktionsbereich ist zu einem neuen Schwerpunkt der allgemeinen Rationalisierungsbemühungen geworden. Zunehmend führt man organisatorische Hilfsmittel, technische Hilfsmittel (EDVA) und neue Konstruktionsmethoden in der Konstruktion ein. Der vorliegende Beitrag analysiert zunächst die Ursachen dieser Entwicklung und zeigt im weiteren einige heute bereits eingesetzte Hilfsmittel an Hand von Beispielen auf und diskutiert die Anwendungsmöglichkeiten.
In den letzten Jahrzehnten hat das Elektronenstrahlschweißen, das bereits im größeren Maßstab verwendet wird, seine Fähigkeit als qualitatives Werkzeug für die Verbindung verschiedener Materialen nachgewiesen. Das Non Vacuum Electron Beam Welding (NV-EBW) hat zahlreiche Vorteile im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen im Vakuum, da man unter normalem Atmosphärendruck arbeiten kann. Im Hinblick auf die reproduzierbare Qualität, insbesondere im Bereich der Massen-Fertigung, ist die Kontrolle der Strahlparameter sowie deren Einfluss auf das Schweißergebnis von großer Bedeutung. Durch eine genaue Kenntnis der Strahlkenngrößen wie des Strahldurchmessers und der Leistungsdichteverteilung kann eine Aussage über die sich ausbildende Schweißnaht sowie die Schweißbaddynamik getroffen werden. Messungen der Strahlkenngrößen im Prozess erlauben insbesondere die Untersuchung von Humping-Effekten. In diesem Beitrag wird der Prozess der Elektronenstrahlvermessung unter atmosphärischen Bedingungen beschrieben. Es wird zudem die Abhängigkeit der Elektronenstrahlcharakteristika von den verschiedenen Prozessparametern dargestellt.