Bücher der Reihe FAU Studien aus dem Maschinenbau

Unbemannte Luftfahrzeuge bieten ein hohes Einsatzpotential für die automatisierte Durchführung von Inventur-, Inspektions- und Vermessungsprozessen und können Transportprozesse flexibilisieren. Der übergeordnete Forschungsgegenstand dieser Dissertationsschrift ist daher die Erforschung eines autonomen Flugrobotersystems (AFRS) für den Einsatz im Produktions- und Logistikumfeld. Hierfür wird zunächst eine Gesamtsystemarchitektur für ein AFRS vorgestellt, welche den aus dem industriellen Anwendungsfeld entstehenden Anforderungen gerecht wird und die zur Realisierung eines vollautomatisierten Flugbetriebs notwendigen Systemkomponenten, Fähigkeiten und Schnittstellen bietet. Zusätzlich werden Methoden zur präzisen, aufgabenangepassten Lokalisierung der autonomen Flugroboter (AFR) erforscht und Redundanzanforderungen berücksichtigt.Den zweiten Forschungsgegenstand bildet die Entwicklung eines geeigneten Luftraummanagement- und Routenplanungssystems. Unter Berücksichtigung des dreidimensionalen Arbeitsraums und der vorherrschenden Platzverhältnisse sollen dabei unter vorgegebenen Bedingungen optimale Flugpfade für die AFR bestimmt und gleichzeitig Kollisionen während des fehlerfreien Flugs zuverlässig ausgeschlossen werden.Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit umfasst die Erforschung und Umsetzung einer umfassenden Sicherheitsarchitektur für den Einsatz von AFR unter Berücksichtigung von Redundanz- und Sicherheitsanforderungen. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung einer Methode zur Prädiktion, Erkennung und Maskierung von Systemfehlern. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, während des Flugs Personen im Umfeld der AFR zu erkennen und das Flugverhalten der AFR in geeigneter Weise anzupassen. Abschließend wird ein leistungsfähiges AFRS umgesetzt und dieses anhand von umfassenden Simulationen sowie von Flugversuchen im Laborumfeld und unter realen Anwendungsbedingungen evaluiert. Die Evaluationsergebnisse validieren die theoretischen Forschungsinhalte und demonstrieren die Leistungsfähigkeit des erforschten AFRS.

Das Verstemmverfahren ist durch hohe Prozesskräfte gekennzeichnet, welche den Einsatz des Fügeverfahrens stark eingrenzen. Die Überlagerung mechanischer Füge- und Umformprozesse mit Ultraschall zeigt großes Potential Fügekräfte zu reduzieren und damit Prozessgrenzen zu erweitern. Mangelnde Prozesskenntnisse verhindern jedoch bislang die industrielle Anwendung ultraschallüberlagerter Verfahren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für den ultraschallüberlagerten Verstemmprozess an hochlegiertem Edelstahl erarbeitet und die kraftreduzierenden Wirkmechanismen der Schwingungsüberlagerung identifiziert. Durch die Ultraschallüberlagerung konnte dabei im Experiment die Prozesskraft um bis zu 59 %, bei vergleichbarer Verbindungsfestigkeit gesenkt werden. Die maßgeblichen Mechanismen der Kraftreduzierung konnten auf dynamische Einflüsse über das Superpositionsprinzip sowie tribologische Einflüsse durch eine verringerte Oberflächenreibung zurückgeführt werden. Überdies führt eine leichte Taumelbewegung des Umformstempels, bedingt durch die dynamische Anregung, für eine zusätzliche Reduzierung der Prozesskraft. In Kombination mit der vergleichbaren Verbindungsfestigkeit birgt die reduzierte Verstemmkraft ein beträchtliches Potential zur Erweiterung der Prozessgrenzen des Fügeverfahrens.

Laser powder bed fusion of metals by a laser beam (PBF-LB/M), due to its industrial applicability, represents a promising additive manufacturing technology for future production. The layerwise and selective melting of a powder layer enables an increased freedom in design. However, local process deviations can impede the mechanical properties. Therefore, applicable sensors are necessary for their detection and further industrial adoption of the process.This thesis reports on identified correlations of properties of spatter particles to the microscopic process behavior and process zone formation and their applicability within the industrial process environment. For this first, a dedicated particle tracking velocimetry method is developed to spatially and temporally resolve the trajectories of the individual particles. Statistical spatter measurements are correlated to process observations revealing their connection to evaporation-driven mechanisms of the process. The applicability for the quantification of process-relevant measures of the microscopic process zone as well as the robustness of the identified correlations against changing process environments are investigated. Based on this, the transferability of the results from the lab environment into an industrially applicable sensing approach is demonstrated, enabled by a dedicated data processing approach for the derivation of spatter properties in real-time.Aufgrund seiner industriellen Anwendbarkeit stellt das Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett ein vielversprechendes Fertigungsverfahren für die Produktion der Zukunft dar. Das selektive und schichtweise Aufschmelzen einer Pulverschicht eröffnet im Vergleich zu konventionellen Verfahren eine größere Gestaltungsfreiheit. Lokale Prozessabweichungen können jedoch die Bauteileigenschaften beeinflussen und daher sind entsprechende Sensoren zur Erfassung dieser für einen breiteren industriellen Einsatz notwendig.In dieser Arbeit werden Korrelationen zwischen den Eigenschaften von Spritzerpartikeln zur mikroskopischen Ausformung der Prozesszone untersucht. Hierfür wird zunächst eine Methode zur Partikelverfolgung entwickelt, welche es erlaubt die Trajektorien der einzelnen Partikel zeitlich und räumlich aufzulösen. Die statistischen Eigenschaften der Partikel werden mit Prozessuntersuchungen abgeglichen, wodurch ihre Korrelation zu verdampfungsgetriebenen Mechanismen innerhalb der Prozesszone ersichtlich wird. Anschließend wird die Anwendbarkeit der Korrelationen zur Quantifizierung mikroskopischer Prozesszonenmerkmale untersucht, sowie der Einfluss sich ändernder Prozessbedingungen auf die identifizierten Beziehungen. Durch eine prototypische Umsetzung mittels Parallelisierung der Datenverarbeitung und der Spezifizierung auf Basis der Messergebnisse wird abschließend die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf einen industriell einsetzbaren Sensoransatz demonstriert.

In this thesis the simple, contact-free speckle-analysis is investigated for its application in photoacoustic detection. First, a simulation model is created which theoretically confirms the detectability of photoacoustic surface deformations by speckle-analysis. Subsequently, the feasibility of contact-free detection is demonstrated by experiments on phantoms and ex-vivo tissue using a high-speed camera system. For these measurements multiple speckles are analyzed and within these experiments the endoscopic applicability of the technique by using an imaging fiber bundle is demonstrated. In order to speed up the acquisition of speckles, the high-speed camera system is replaced by a diode-based sensor of lower resolution. With this faster system the feasibility of contact-free photoacoustic detection and its automation by single speckle-analysis is experimentally demonstrated. Both used analysis techniques are compared based on their characteristics such as sensitivity, measuring range, linearity and measuring depth. Furthermore, investigationson ex-vivo tissue are used to show that the speckle wavelength is a crucial parameter for the quality of a speckle pattern and speckle-analysis. Finally, the possibility of photoacoustic imaging for speckle-analysis is demonstrated by testing a reconstruction approach by simulations and by a first experiment.In dieser Arbeit wird die kontaktfreie Speckleanalyse, für ihre Anwendung zur photoakustischen Detektion untersucht. Zuerst wird ein Simulationsmodell erstellt, das die Erfassbarkeit von photoakustischen Oberflächendeformationen durch die Speckleanalyse theoretisch bestätigt. Im Anschluss wird die Machbarkeit der kontaktfreien Detektion anhand von Experimenten an Phantomen und ex-vivo Gewebe mit einem Kamerasystem demonstriert. Für diese Messungen werden mehrere Speckles analysiert und im Rahmen dieser Experimente wird die endoskopische Anwendbarkeit der Technik anhand eines Faserbündels gezeigt. Um die Aufnahme der Speckles zu beschleunigen, wird das Kamerasystem durch einen diodenbasierten Sensor niedrigerer Auflösung ersetzt. Mit diesem schnelleren System wird die Machbarkeit der kontaktfreien photoakustischen Detektion und deren Automatisierbarkeit durch die Einzelspeckleanalyse experimentell nachgewiesen. Beide verwendeten Analysetechniken werden auf Basis ihrer Eigenschaften wie Empfindlichkeit, Messbereich, Linearität und Messtiefe verglichen. Weiterhin wird anhand von Untersuchungen an ex-vivo-Gewebe gezeigt, dass die Wellenlänge ein entscheidender Parameter für die Qualität eines Specklemusters und der Speckleanalyse ist. Schließlich wird die Möglichkeit der photoakustischen Bildgebung für die Speckleanalyse demonstriert, indem ein Rekonstruktionsansatz anhand von Simulationen und durch ein erstes Experiment getestet wird.

Situation ist, dass batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge (BEV) gegenüber fossilen Antriebstechnologien zunehmend an Marktanteilen gewinnen. Während der Anwendungsfall der urbanen Mobilität, mit den Anforderungen kurze Fahrdistanzen und lokale Emissionsfreiheit, ideal durch BEV erfüllt werden, gelten für die Langstreckenmobilität abweichende Anforderungen, wie lange Fahrdistanzen sowie möglichst ausbleibende energiebedingte Fahrstopps. Fragestellung dieser Arbeit ist daher, welche Antriebstechnologien in welchem Maße die Anforderungen der individuellen Langstreckenmobilität erfüllen.Um dieser Frage nachzugehen, wird in dieser Arbeit eine Vergleichsmethodik für Antriebskonzepte für die individuelle Langstreckenmobilität unter Berücksichtigung von Infrastrukturaufwendungen beschrieben, die verlässliche und objektive Bewertungsergebnisse ermöglicht. Die Vergleichsmethodik ist dreistufig aufgebaut und leitet aus strukturierten Rahmenbedingungen technologische, ökologische und ökonomische Kennzahlenausprägungen ab. Im Rahmen der Problemstrukturierung erfolgt die Antriebstechnologiemodellierung sowie die Anwendung eines Dimensionierungs- und Umlagemechanismus, um erforderliche Infrastrukturaufwendungen auf die Fahrzeugflotte zu verteilen. In der anschließenden Folgenabschätzen werden durch ein Rechensystem aus quantitativen Rahmenbedingungen multidimensionale Kennzahlen berechnet, welche schließlich in der Bewertungsphase zu einem ganzheitlichen Kennzahlensystem assembliert werden.Die beschriebene Vergleichsmethodik wurde darüber hinaus im Rahmen einer Webapplikation automatisiert. Die E|KPI-Webapplikation ermöglicht die interaktive Anwendung der Vergleichsmethodik zur Bewertung der Antriebstechnologien des Lösungsraums.

Die robotergestützte Automatisierung manueller Tätigkeiten in der Montage bedingt die Imitation menschlicher Fähigkeiten durch das technische System. Die drei Fähigkeiten taktile Montage, definierte Handhabung unsortieren Materials sowie die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter werden als zentrale Befähiger einer weitergehenden Automatisierung identifiziert. Obwohl für diese Fähigkeiten bereits technologische Äquivalente in der Automatisierungstechnik existieren, ist ein industrieller Einsatz noch nicht verbreitet. Das Ziel, die industrielle Einsetzbarkeit zu erhöhen, wird in dieser Abhandlung durch die Definition und Umsetzung real anwendbarer Planungs- und Simulationsmethoden verfolgt. Es wird gezeigt, dass angepasste Methoden eine effiziente Umsetzung und verlässliche Vorhersage des späteren Verhaltens solcher Systeme zulassen. Die Methoden werden an realen Szenarien aus der Elektronikproduktion evaluiert.

Rotationsschneiden ist eine eher gering verbreite Technologie und hat sich vornehmlich in der Verpackungs- und Hygieneindustrie als Verfahren für die Verarbeitung zahlreicher weicher und nichtmetallischer Materialien etabliert. Anwendung in der Metallverarbeitung hat das Verfahren in Kombination mit Profilierprozessen erlangt und sich auch in dieser Branche für einfache Profilanwendungen durchgesetzt. Damit überzeugt das Rotationsschneiden als kontinuierliches Verfahren mit seinen Potenzialen in der Massenverarbeitung von dünnen Materialen, so auch hypothetisch von metallischen Funktionsfolien, die in mechatronischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Wichtige Vertreter dieser Kategorie sind Elektroband für weichmagnetische Kerne, Kupferfolien für Schaltungsträger, legierte Kupferbänder für Stanzgitter und Lotband für Lotstanz- und Formteile.Im Rahmen dieser Dissertation werden die Einsatzpotenziale der Rotationsschneidtechnologie für die Verarbeitung dieser metallischen Funktionsfolien tiefergehend analysiert und Lösungswege aufgezeigt. Zunächst werden die technologischen Prozessmerkmale zum Aufbau der Prozessstruktur, zur Kinematik des Prozesses sowie zur Statik und Dynamik beim Rotationsschneiden erfasst und auf die Gegebenheiten beim Rotationsschneiden von dünnen Metallfolien hin ausgerichtet.Anschließend werden das rotative Messerschneiden, das rotative Stempel-Matrize-Schneiden und das rotative Elastomer-Schneiden als geeignete Verfahrensalternativen für die Verarbeitung von dünnen Metallfolien für mechatronische Anwendungen identifiziert, auf die hohen Anforderungen mechatronischer Anwendungen hin angepasst und eingehend auf ihre Eignung für die Verarbeitung von ausgesuchten Vertretern für Funktionsfolien untersucht. Abschließend werden die drei rotativen Schneidverfahren bezüglich verschiedener Kriterien kategorisiert, um eine Auswahlhilfe für den spezifischen Anwendungsfall anzubieten.Zuletzt geben zwei exemplarische Anwendungen einen Ausblick auf die gewaltigen technischen und prozessualen Potenziale in der industriellen Verarbeitung von metallischen Funktionsfolien für mechatronische Produkte. Die erste betrachtete Anwendung ist die effiziente rotative Verarbeitung von Elektroband zu magnetischen Kernen. Die zweite Anwendung befasst sich mit der rotativen Verarbeitung von Schaltungsträgern für LED-Leuchtmittel.

Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die Eindämmung des Klimawandels. Ein Ansatz, der vor allem in der Kraftfahrzeugindustrie in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ist der ganzheitliche Leichtbau, wodurch vor allem konventionelle Fertigungstechnologien im Bereich der Umformtechnik zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Durch Anwendung der innovativen Prozessklasse der Blechmassivumformung können Funktionsbauteile mit einem hohen Grad der Funktionsintegration prozesssicher, sowie energie- und kostenoptimiert hergestellt werden. Dabei konnte vor allem durch den Einsatz von prozessangepassten Halbzeugen eine gesteigerte Materialeffizienz nachgewiesen werden. Vor allem inkrementelle Umformverfahren weisen dafür ein hohes Potential auf. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, ein ganzheitliches Prozessverständnis zur Herstellung von Tailored Blanks durch einen neuartigen flexiblen Walzprozess aufzubauen. Zur Ableitung physikalischer Zusammenhänge wird eine grundlegende experimentelle Prozess- und Einflussanalyse durchgeführt und darauf aufbauend eine ganzheitliche Methodik zur Herstellung einer rotationssymmetrischen Materialvorverteilung abgeleitet. Unter Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse wird anschließend die Übertragbarkeit der Methodik auf höherfeste Werkstoffklassen und variierende Halbzeugdicken sowie die Einsatzfähigkeit der Halbzeuge in einem nachgelagerten Tiefzieh-Stauchprozess bewertet.

Amorphe Kohlenstoffschichten vereinen eine niedrige Reibung im trockenen Kontakt gegen Stahl mit einem hohen Verschleißschutz. Ihr Eigenschaftsprofil ist eng mit dem chemisch-strukturellen Aufbau verknüpft und lässt sich durch die Prozessbedingungen während der Schichtabscheidung beeinflussen. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur gezielten Modifikation tribologischer Zustände mittels amorpher Kohlenstoffschichten im Hinblick auf ihre Anwendung als Werkzeugbeschichtung in Prozessen der Blechmassivumformung. Hierbei sollen die Schichten eine lokale Anpassung der Reibungsbedingungen ermöglichen, um den Materialfluss während der Umformung zu steuern. Auf diese Weise können die Bauteilqualität gesteigert und Prozesskräfte reduziert werden. Darüber hinaus werden Ansätze zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit durch multilagige Schichtarchitekturen sowie zur Integration einer sensorischen Funktion zur Verschleißdetektion verfolgt.Die Untersuchungen zeigen, dass die charakteristischen tribologischen Verhalten amorpher Kohlenstoffschichten durch Maskierungstechniken lokal zur Wirkung gebracht werden können, die Beanspruchbarkeit der lokal beschichteten Oberflächen jedoch teilweise begrenzt ist. Eine hohe Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit wird durch mehr- und multilagige Schichtarchitekturen aus wasserstoffhaltigen und wolfram- bzw. siliziumoxiddotierten amorphen Kohlenstoffschichten erzielt. Durch die Überwachung des elektrischen Widerstands eines sensorischen kohlenstoffbasierten Mehrlagenschichtsystems wird Schichtverschleiß detektierbar. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, zukünftig eine verlängerte und individuell ermittelbare Standzeit beschichteter Werkzeuge für die Blechmassivumformung zu ermöglichen.

Fertigungsbedingte Abweichungen sind unvermeidbar und definieren maßgeblich die Qualität eines Produkts. Das Robust Design sowie das Toleranzmanagement streben daher eine weitgehende Reduzierung der Auswirkungen von Abweichungen bzw. deren Kontrolle an. Wie umfassende Rückrufaktionen zeigen, stellt dies jedoch eine zunehmende Herausforderung dar. Experten empfehlen daher neben einer virtuellen Absicherung vor allem eine frühzeitige Berücksichtigung von Abweichungen im Produktentwicklungsprozess. Aufgrund mangelnden Wissens erfolgt dies jedoch meist erst in späten Entwicklungsphasen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Vorgehensweise entwickelt, die die Produktentwicklung zur frühzeitigen Abweichungsberücksichtigung befähigt. Dieses frühzeitige konstruktionsbegleitende Toleranzmanagement ist eng mit dem Produktentwicklungsprozess verknüpft und vereint Aspekte von Qualitätsmanagement, Robust Design und Toleranzmanagement. Es sieht unter anderem die automatische Ableitung von Zielgrößen des Toleranzmanagements aus Produktanforderungen, eine strukturierte Robustheitsbewertung sowie rechnergestützte Robustheitssynthese von Konzepten und eine automatisierte Toleranzvergabe sowie -analyse von ersten CAD-Entwürfen vor. Neben einer Sensibilisierung von Produktentwickelnden schafft dies die Grundlage für eine frühzeitige Einbindung sowie die Automatisierung der Abweichungsberücksichtigung und trägt so zu kürzeren Entwicklungszeiten sowie einer verbesserten Produktqualität bei.

Digitale Menschmodelle eröffnen die Möglichkeit einer virtuellen und prädiktiven Analyse physischer Mensch-Produkt Interaktionen am digitalen Produktmodell. Dadurch können menschzentrierte Produktanforderungen ¿ wie Ergonomie oder Gebrauchstauglichkeit ¿ im Sinne eines virtuellen Nutzertests, zeit- und kosteneffizient sowie frühzeitig und proaktiv im Produktentwicklungsprozess berücksichtigt werden. Eine Voraussetzung zur vielseitigen Anwendbarkeit eines solchen virtuellen Nutzertests ist eine Methodik zur möglichst universellen, zugänglichen und vertrauenswürdigen Modellierung und Vorhersage des zu analysierenden menschlichen Interaktionsverhaltens. Nach aktuellem Stand der Wissenschaft besteht im Kontext der Produktentwicklung ein Bedarf hinsichtlich einer solchen Methodik.Diese Dissertationsschrift trägt dazu bei, die beschriebene Forschungslücke zu schließen. Hierzu wird eine systematische Literaturrecherche beschrieben, welche den Stand der Technik wiedergibt und Handlungsempfehlungen zur Schließung der beschriebenen Lücke ableitet. Darauf aufbauend wird eine Methode zur Interaktionsmodellierung vorgestellt. Diese wurde mithilfe einer Taxonomie elementarer Affordanzen erforscht und als CAD-integrierte Modellierungsumgebung implementiert. Ferner wird eine Methode zur Vorhersage und Analyse von Körperhaltungen unter Zuhilfenahme muskuloskelettaler Menschmodelle präsentiert. Zusammen bilden diese Methoden ein prädiktives Interaktionsmodell, welches in zwei Evaluationsstudien hinsichtlich dessen Funktionalität und Anwendbarkeit überprüft wurde.

Die Blechmassivumformung als Anwendung von Massivumformverfahren auf Blech vereint die Vorteile der Blech- und Massivumformung. Aus flächigen Halbzeugen werden dünnwandige und folglich leichte Bauteile mit integrierten Funktionselementen, wie Verzahnungen oder Zapfen, durch einen dreidimensionalen Stofffluss ausgeformt. Hierdurch werden dem Ziel des Leichtbaus entsprochen und Systeme mit nachhaltigem Einsatzverhalten realisiert.Um die Effizienz der Blechmassivumformung weiter zu steigern, wird im Rahmen der Arbeit das Fertigen von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial erforscht. Durch die Umformung vom Band wird die Ausbringungsmenge im Vergleich zu einer Fertigung aus vorbeschnittenen Ronden gesteigert. Zielsetzung der Arbeit ist es, ein grundlegendes Prozessverständnis für die Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial zu erarbeiten. Hierbei werden die bandspezifischen Herausforderungen und deren Ursachen bezüglich des Werkstoffflusses und den Werkzeugbeanspruchungen identifiziert. Aufbauend hierauf werden zur Erweiterung der Prozessgrenzen werkstück-, prozess- sowie werkzeugseitige Maßnahmen zur Stoffflusssteuerung bei der Umformung von Bandmaterial erforscht. Bei verschleißkritischen Maßnahmen wird deren Einsatzverhalten in Standmengenversuchen analysiert und die Eignung der Maßnahmen für die Fertigung einer hohen Stückzahl an Bauteilen nachgewiesen. Aus den Ergebnissen der Arbeit werden abschließend anwendungsbezogene Hinweise für die Blechmassivumformung von Funktionsbauteilen aus Bandmaterial abgeleitet.

Mithilfe des LDS®-Verfahrens kann die Integration elektrischer Systeme in multifunktionale Produkte realisiert werden. In vielen Bereichen, auch in Hochfrequenz (HF)-Anwendungen, bietet das LDS®-Verfahren hohes Nutzenpotenzial hinsichtlich Funktionalität und Integrationsdichte, wodurch ein kompaktes Kommunikationssystem mit genauen Abmessungen sowie mit reduzierter Anzahl an Verbindungsstellen geschaffen werden kann. Hierfür müssen die mittels LDS®-Verfahren hergestellten Bauteile zahlreiche Anforderungen bezüglich ihrer HF-Eigenschaften erfüllen. Passive Intermodulation (PIM) als eine der Leistungsanforderungen ist zu einem wachsenden Anliegen hinsichtlich des Designs und der Fertigung von HF-Bauteilen geworden. Die Evaluierung von PIM an den mittels LDS®-Verfahren hergestellten Mikrostreifenleitungen steht in dieser Arbeit im Fokus.Eine im Rahmen dieser Dissertation durchgeführte Untersuchung kommt zu dem Ergebnis, dass sowohl der PIM-Pegel als auch die Qualitätsmerkmale von den Laserprozessparametern abhängig sind. Durch die Einstellung der Laserprozessparameter kann der PIM-Pegel beeinflusst werden. Aus den präsentierten Forschungsergebnissen ergibt sich, dass das LDS®-Verfahren für HF-Anwendungen unter Berücksichtigung von PIM einsetzbar ist.

Ziel der Arbeit war die Realisierung des Trockentiefziehens, da Schmierstoffe und Reinigungsmittel oft umweltschädliche Substanzen enthalten und eine längere Prozesskette zum Beölen sowie zum Reinigen der umgeformten Bauteile nötig ist. Motiviert durch die ökologischen und ökonomischen Potentiale wurde in Umformversuchen die Konsequenzen des Schmierstoffverzichts für einen verzinkten Tiefziehstahl sowie zwei Aluminiumlegierungen analysiert. Erhöhte Reibung und Adhäsionsneigung führte besonders beim direkten Kontakt der Aluminiumlegierungen mit dem Werkzeug zu Verschleiß und Schäden auf der Blechoberfläche. Zur Reibungsreduktion wurden die Werkzeuge unterschiedlich bearbeitet und mit verschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten versehen. In Streifenzieh- und Trockentiefziehversuchen wurde gezeigt, dass eine niedrige Werkzeugrauheit unabhängig vom Blechwerkstoff zu vorteilhaftem tribologischen Verhalten führt. Eine Wolframdotierung der Schichten wirkt hingegen negativ auf das Verschleißverhalten. Der Einfluss lasergenerierter Mikrostrukturen hängt von deren Tiefe und Flächendeckungsgrad ab. Es wurden tribologische Wirkzusammenhänge unter trockenen Kontaktbedingungen abgeleitet und gezeigt, dass Trockentiefziehen abhängig von Kontaktpartnern und Oberflächenmodifikationen realisierbar ist.

Im Rahmen der Ressourcenschonung und der Einsparung von CO2 Emissionen nimmt der Leichtbau im Mobilitätssektor eine tragende Rolle ein. Um dem zu begegnen, werden Strategien wie der Stoff- oder Formleichtbau eingesetzt. Zur versagensfreien Produktion von Karosseriebauteilen beim Tiefziehen werden zur Materialflusssteuerung unter anderem Ziehsicken, wulstartige Vertiefungen im Flanschbereich, eingesetzt. Dabei mangelt es an einer ganzheitlichen Beurteilung der Auswirkung einer Ziehsicke auf das mechanische und tribologische System. Das übergreifende Ziel der Arbeit war deshalb die Erarbeitung eines ganzheitlichen Prozessverständnisses und die Beurteilung und Erhöhung der Prognosegüte bei Tiefziehprozessen mit Ziehsickendurchlauf durch systematisch abgeleitete Maßnahmen anhand dreier Werkstoffklassen. Dies fand zweistufig anhand des Modellversuchs Streifenzug mit Ziehsicke und einem Tiefziehversuch mit Ziehsicken statt. Schwerpunkte bildeten die Qualifizierung geeigneter Messmethoden, wie der optischen in-situ Dehnungsmessung um die Prozessanalyse mehrschichtig durchzuführen und Zusammenhänge abzuleiten. Weiterhin wurden die simulative Vorhersage anhand experimenteller Messungen bewertet und durch die Übertragung der Erkenntnisse punktuell dir Prognosegüte verbessert. Im Rahmen einer Validierung an Tiefziehbauteilen konnten die Erkenntnisse übertragen werden und zusätzlich für lineare und konvexe Ziehsickenverläufe differenziert werden. Den Abschluss bilden eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf weitere relevante Themen.

Eine wesentliche Herausforderung bei der Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen im Montagespritzguss ist die eingeschränkte Mediendichtheit aufgrund der chemischen Inkompatibilität der beiden Werkstoffe. Der Einsatz strukturierter, metallischer Einleger hat in diesem Zusammenhang ein großes Potential die Dichtheit zu steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher die umformtechnische Strukturierung metallischer Einleger im Folgeverbundwerkzeug als hoch effizientes Fertigungsverfahren untersucht. Ziel dieser Arbeit ist ein Verständnis für die Herstellbarkeit strukturierter Einleger aufzubauen und die Prozessgrenzen abzuleiten im Hinblick auf die funktionsgerechte Auslegung. Anhand der Untersuchungen zum Verrunden der Schnittkanten mittels Prägen wurde die Querschnittsfläche des Einlegers als wichtigste Einflussgröße auf die Formfüllung und somit auf die Abbildungsgenauigkeit identifiziert. Bei den Untersuchungen zum Einprägen von Quernuten in die Einlegeroberfläche konnte durch die Gliederung des Werkstoffflusses in axiale und laterale Richtung, ein ganzheitliches Verständnis hinsichtlich der Ausformung der Nuten sowie der Längung und Breitung der Einleger geschaffen werden. Gerade die Breitung wird in diesem Zusammenhang durch die vorherrschenden Fließbehinderungen stark beeinflusst. Abschließend wurden die Untersuchungsergebnisse der umformtechnischen Strukturierung anhand der resultierenden Dichtheit umspritzter Einleger eingeordnet und eine Erhöhung der Dichtwirkung aufgezeigt. Dadurch wird ein Beitrag zur Entwicklung und Fertigung widerstandfähiger elektronischer Systeme geleistet.

Ein effizienter Ressourceneinsatz hat vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und steigendem Bedarf nach Konsumgütern in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies erfordert nachhaltigere und flexiblere industrielle Produktionsprozesse. Eine Strategie, um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist der Einsatz neuartiger Fertigungsprozesse wie der additiven Fertigung. Die additive Fertigung bietet ein enormes Potential zur Flexibilisierung und Individualisierung von Produkten mit gesteigertem Mehrwert. Diese ist nach heutigem Stand allerdings mit langen Fertigungszeiten und geringerer Produktivität bei hohen Stückzahlen im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie dem Umformen verbunden. Die Kombination der additiven Fertigung mit der Umformung zur Herstellung hybrider Bauteile bietet die Möglichkeit, die spezifischen Vorteile beider Technologien auszuschöpfen. Das im Rahmen der Arbeit verfolgte Ziel ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Umformbarkeit hybrider Bauteile zu erhalten. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die systematische Analyse von Einflussgrößen bei der Herstellung additiv gefertigter Strukturen auf einem Blechgrundkörper durch pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF-LB/M). Die hybriden Bauteile werden anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Gefüge charakterisiert. Die Umformbarkeit wird mittels freiem Biegen bewertet. Dadurch ist es möglich, die Formgebung anhand von Geometrie, Formänderungsverteilung, Materialfluss und Spannungszustand zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf ein Demonstratorbauteil übertragen und die Identifikation von Potentialen für eine industrielle Anwendung vorgenommen.

Additive Fertigungsverfahren erlauben große Designfreiheiten, die durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ausgeschöpft werden können. An AM-Leichtbauteile werden besonders hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt. Hierfür eignen sich besonders Faser-Kunststoff-Verbunde. Mit dem Fused Layer Modelling-(FLM-)Verfahren lässt sich die ausgeprägte Anisotropie der Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zu anderen AM-Verfahren sehr zielgerichtet einsetzen.In dieser Dissertation wird daher ein strukturierter DfAM-Ansatz zur Auslegung kurzfaserverstärkter FLM-Leichtbauteile vorgestellt. Dieser berücksichtigt die orthotropen Materialeigenschaften zunächst durch eine Baurichtungsoptimierung, die den Kraftfluss im Bauteil möglichst planar in der Druckplattformebene führt. Anschließend folgt eine Topologieoptimierung mit orthotropem Materialmodell, die sowohl Außengestalt als auch Infill simultan optimiert. Eine Extrusionspfadgenerierung überführt Ergebnisse dann in druckbare Bauteile. Eine strukturmechanische FLM-Simulation erlaubt den Vergleich verschiedener FLM-Bauteile mit verschiedenen Infill-Mustern.Zur Demonstration wird ein Tragwerksknoten unter zwei Lastfällen mit dem neuen Ansatz optimiert. Die entstehende Geometrie; dieselbe Geometrie, jedoch mit anderen Infill-Mustern; und eine konventionell ausgelegte Variante werden mittels FLM-Simulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Steifigkeitsgewinn des neuen Ansatzes gegenüber konventionellen Alternativen, der Produktentwickelnde zudem strukturiert durch den DfAM-Prozess mit seinen herausfordernden Designfreiheiten führt

Worldwide, carcinomas are the second leading cause of death after cardiovascular diseases. Of these, more than 25 % are caused by cancer in the gastrointestinal tract. However, screening still misses about 20 % of carcinomas. An optimal solution would be a red flag technology to locate the suspicious area. Despite the use of many optical technologies and advancements in traditional endoscopic technologies, most methods have failed to significantly improve the detectability of carcinomas in the GI. Therefore, it has been suggested in the literature to use spectroscopic quantitative measurements, which is achieved by hyperspectral imaging. However, in this work, a multispectral endoscope system for in vivo use is used for human (stomach) and mouse (colon) studies. In the human study, the tumours could only be found to a limited extent with the standard methods (MCC = 0.32; ACC2=0.68). Nevertheless, this is a significant improvement compared to previous results. The introduction of spectral spatial variation as a spatial-spectral feature improves the results significantly again. Compared to the human study, the results from the mouse model show better classification results: ACC2 = 0.73 and MCC = 0.47.Thus, for the development of an endoscopic red flag technique, a point technique for correct pre-labelling of the data is needed. Moreover, the results of this MSI in vivo study with spatial features are similar to the recent HSI ex vivo studies. Therefore, it is likely that MSI will remain part of future research.

Montagesysteme sind integraler Bestandteil des verarbeitenden Gewerbes, vor allem im deutschen Fahrzeug- und Maschinenbau. Im Fokus dieser Arbeit stehen komplexe Montageprozessketten (MPK) in der Großserienfertigung, die in jedem Prozessschritt mit mehreren Parametern in engen Prozessfenstern definiert sind und dort robust liegen. Dennoch treten Serienfehler auf, die nur sehr schwer zu entdecken sind. Einerseits liegen alle Parameter entlang der MPK innerhalb der Grenzen und weisen einen guten bis sehr guten Cp-Wert auf. Andererseits existieren Ereignisse in MPK, die zu Ausschuss führen, obwohl jeder Einzelprozess und deren Kennwerte hervorragend innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der prozessschritt-übergreifenden, datengetriebenen Auswertung von MPK. Im Rahmen von E|ASY-Class und E|ASY-Pat ist die Entdeckung von Wissen in Prozesskurven adressiert und die Prozessvisualisierung E|ASY-Heat erlaubt eine laufende Änderungsanalyse des Prozessverhaltens. Für die Analyse von MPK visualisiert E|ASY-Inter komplexe Wechselwirkungen zwischen Montageprozessen und den geprüft defekten Erzeugnissen in der Funktionserfüllung, um Fehlerursachen zu identifizieren. Spontane Änderungen mit schadhafter Auswirkung auf die Funktionserfüllung des montierten Erzeugnisses erkennt E|ASY-Event anhand der Signalausbreitung entlang komplexer Montagesysteme. Für die Detailanalyse unterstützt E|ASY-Curves mittels 3D-Darstellung die visuelle Auswertung von Prozesskurven.