Masterarbeiten

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Themen

KI – Modellimplementierung zur Prognose von Werkstückoberflächen beim Eckfräsen

Eine immer wichtiger werdende Fertigung ab Losgröße eins stehen im Widerspruch mit langen Einfahrzeiten des Prozesses. Im Zuge der Fertigungsplanung von Hochleistungsbauteilen wäre eine a priori – Vorhersage von sich einstellenden Prozesskräften und Oberflächenrauheiten wünschenswert.

Im Bereich der Zerspanung gibt es mehrere KI-Ansätze, welche für diese Prognose eingesetzt werden (z.b. SVM, CNN etc.). Ein geeignetes Modell soll auf Basis einer Recherche herausgesucht werden und mit Python implementiert werden. 

Umfang der Arbeit:

  • Einarbeitung in KI-Modelle, Fräsprozesstechnik, teilw. Messtechnik
  • Ausarbeitung eines KI-Modells auf Basis bereits vorliegender Daten
  • Kleine Versuchsreihe zur Validierung des Modells

Betreuer: M. Sc. Tim Reber

 

Entwicklung eines additiv-subtraktiv gefertigten Sägebandführungssystems

Häufig ist das Sägen der erste Fertigungsschritt in der Metallverarbeitung. Aufgrund von unzureichender Schnittqualität wird hier jedoch Aufmaß gelassen, welches später mit anderen Verfahren abgetragen werden muss. Dabei hat vor allem das Schwingverhalten und die Stabilität des Sägebandes einen großen Einfluss auf die erreichbare Schnittqualität. Um diese zu beeinflussen soll in dieser Studien- /Masterarbeit ein additiv-subtraktiv gefertigten Sägebandführungssystem entwickelt und getestet werden. Als additives Prozessverfahren zur Herstellung von solchen Systemen ist dabei das Laser-Powder-Bed-Fuision-Verfahren (LPBF) von großem Interesse.

Die Arbeit gliedert sich in folgende Arbeitspunkte*:

  • Literaturrecherche a) Sägebandführungen, b) LPBF-Konstruktionselemente
  • Entwicklung des Sägebandführungssystems
  • Additive Fertigung der Testbauteile (LPBF-Verfahren) mit anschließender spanender Bearbeitung
  • Test des entwickelten Sägebandführungssystems auf einer Sägemaschine

*) Ausführliche Information beim Treffen mit Ansprechpartnern

Beginn der Arbeit: ab sofort

Ansprechpartner: M.Sc. Tobias Tandler, Dr.-Ing. Dina Becker

 

Untersuchung der Interaktion von Prozessparametern von additiv hergestellten Bauteilen auf die fräsende Bearbeitung

Mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden. Funktionsflächen müssen jedoch weitestgehend spanend nachbearbeitet werden. Dabei soll im Rahmen dieser studentischen Arbeit die Interaktion zwischen den Parametern der additiven Fertigung, der geometrischen Auslegung des Werkstücks und der Prozessgrößen bei der Bearbeitung mittels einem Fräswerkzeuges untersucht werden. Um Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität ziehen zu können, werden die Prozessgrößen beim Fräsen überwacht und mit der erzeugten Oberflächenqualität verglichen. Der Umfang dieser Arbeit beruht auf folgende Anforderungen:

  • Bearbeitung von additiv hergestellter Bauteile aus diversen Metallen (Titan, Stahl und Edelstahl)
  • Variation der Bearbeitungsstrategien
  • Fräsprozessüberwachung (Kraft, Beschleunigung und Akustik)

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik
  • Versuchsplanung (DOE) und additive Herstellung von Probekörpern
  • Durchführung von Zerspanversuchen (Fräsen) und Analyse dieser hinsichtlich der Interaktion von AM Parametern auf das Spanverhalten
  • Experimentelle Bestimmung des minimalen Aufmaßes
  • Erarbeitung von geeigneten Antaststrategien
  • Analyse und Bewertung der erarbeiteten Methodik

Beginn der Arbeit: ab sofort
Zeitlicher Arbeitsumfang: 5-6 Monate

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung der prozessbedingten Eigenspannung von additiv hergestellten Bauteilen

Die additive Fertigung ist ein industrieller Megatrend der heutigen Zeit. Sie verändert nicht nur die klassischen Möglichkeiten der Fertigung, sondern auch die Art und Weise, wie Produkte entworfen werden. Daher führt dieses Verfahren aufgrund der großen gestalterischen Freiheit zu tiefgreifenden Veränderungen im Design zukünftiger Bauteile. Jedoch sind auch große prozessbedingte Herausforderungen damit verbunden. Durch den Prozess wird zeitlich und örtlich variabel Wärme in das entstehende Bauteil eingebracht, was durch die Wärmeausdehnung zu Eigenspannungen führt. Um diese Eigenspannung und die damit einhergehenden Verformungen der Bauteile besser vorhersagen zu können ist das Ziel dieser Arbeit diesen Effekt an konstruierten Probekörpern zu untersuchen.

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Recherche zu der Entstehung von Eigenspannungen und derer Berechnung
  • Recherche und Bewertung von gängigen Probenkörpern
  • Katalogisierung der recherchierten Ergebnisse nach ausgewählten Kriterien unter Rücksprache mit dem Betreuer
  • Entwicklung und Herstellung eines selbst konzipierten Probekörpers in Hinblick auf Eigenspannungen und dem daraus entstehenden Verzug bei variierenden Prozessparametern
  • Vermessung der Proben
  • Prozesssimulation und Vergleich mit den Messungen
  • Einfluss der Entfernung von Schichten bzw. Supportstrukturen auf den Verzug
  • Untersuchung des Einflusses einer thermischen Nachbehandlung

Beginn der Arbeit: ab sofort
Gesuchte Studienrichtungen: mabau o. ä.
Zeitlicher Arbeitsumfang: 5-6 Monate

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung des turbulenten Strömungsverhaltens des Kühlschmierstoffes im engen geschlossenen Schnittspalt beim Kaltkreissägen

Beim Kaltkreissägen mit einer inneren Kühlschmiermittelzufuhr (IKZ) wird das flüssige Medium durch das Stammblatt direkt an die Schneide im engen geschlossenen Schnittspalt geführt. Nach dem Austritt des Kühlmittels aus dem Stammblatt tritt der Freistrahl auf das Werkstück bzw. das Werkzeug auf, zerfällt und füllt den Spanraum. Während diesem transienten Vorgang finden Wärmeübergänge zwischen dem Werkstück, dem Werkzeug und dem Kühlmittel statt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die simulationsgestützte Untersuchung (CFD) des turbulenten Strömungsverhaltens des Kühlschmierstoffes hinsichtlich des Wärmeübergangs zwischen der Flüssigkeit und den Festkörpern. Unter Verwendung von OpenFOAM ist eine typische Spangeometrieanordnung (Momentaufnahme) zu untersuchen. Dazu muss zunächst ein Rechennetz erstellt werden, der Fall in OpenFOAM aufgebaut und simuliert und anschließend ausgewertet werden. Um entscheiden zu können, ob Turbulenzeffekte signifikant sind, muss das Strömungsfeld einer laminaren und turbulenten Simulation miteinander verglichen werden. Insbesondere ist herauszuarbeiten, ob sich Turbulenzeffekte in der Wandnähe merklich auf die Wärmeübergänge zwischen dem Kühlmedium und dem Werkstück bzw. Werkzeug auswirken.

  • Recherche zum Stand der Technik
  • Abstraktion und Eingrenzung des zu betrachtenden Simulationsraums
  • Durchführung von Strömungssimulationen zur Untersuchung der Strömungsverhältnisse im Spanraum

Betreuer: M. Sc. Christian Menze

 

Untersuchung der Interaktion von Prozessparametern von additiv hergestellten Bauteilen auf die fräsende Bearbeitung

Mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden. Funktionsflächen müssen jedoch weitestgehend spanend nachbearbeitet werden. Dabei soll im Rahmen dieser studentischen Arbeit die Interaktion zwischen den Parametern der additiven Fertigung, der geometrischen Auslegung des Werkstücks und der Prozessgrößen bei der Bearbeitung mittels einem Fräswerkzeuges untersucht werden. Um Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität ziehen zu können, werden die Prozessgrößen beim Fräsen überwacht und mit der erzeugten Oberflächenqualität verglichen. Der Umfang dieser Arbeit beruht auf folgenden Anforderungen:

  • Bearbeitung von additiv hergestellter Bauteile aus diversen Metallen (Titan, Stahl und Edelstahl)
  • Variation der Bearbeitungsstrategien
  • Fräsprozessüberwachung (Kraft, Beschleunigung und Akustik)

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik
  • Versuchsplanung (DOE) und additive Herstellung von Probekörpern
  • Durchführung von Zerspanversuchen (Fräsen) und Analyse dieser hinsichtlich der Interaktion von AM Parametern auf das Spanverhalten
  • Experimentelle Bestimmung des minimalen Aufmaßes
  • Erarbeitung von geeigneten Antaststrategien
  • Analyse und Bewertung der erarbeiteten Methodik

Beginn der Arbeit: ab sofort
Zeitlicher Arbeitsumfang: 5-6 Monate

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Implementierung eines autarken Sensorsystems zur Überwachung der additiv - subtraktiven Prozesskette

3D-gedruckte bzw. additiv hergestellte Bauteil benötigen oftmals eine mechanische Nachbearbeitung. Dabei werden individuelle Sensorkonzepte benötigt, um die Prozesszustände entlang der Prozesskette erfassen und dokumentieren zu können. Die Herausforderung besteht seitens der Sensorik, die richtigen Prozessbedingten Konfigurationen zu finden.
Im Umfang dieser studentischen Arbeit soll deshalb ein bereits bestehendes Sensorsystem weiterentwickelt werden, um dieses einerseits während des additiven Prozesses (LPBF) und andererseits in zerspanenden Prozessen (Fräsen und Sägen) einzusetzen.

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik
  • Sensoren im Systemverbund testen
  • Erarbeitung von Rutinen und deren Dokumentation der Datenaufzeichnung, -übertragung und -visualisierung
  • Additive Herstellung von Probekörpern auf unserem 3D Drucker
  • Spanende Bearbeitung (Fräsen und Sägen) und Einsatz des Messsystems im konkreten Anwendungsszenario
  • Detaillierte Auswertung der Daten
  • Analyse und Bewertung der erarbeiteten Messmethodik

Für die Umsetzungskonzepte stehen im Umfang der Forschungsprojekte mehrere Szenarien zur Verfügung.

Beginn der Arbeit: ab sofort
Gesuchte Studienrichtungen: mechatronik, mabau o. ä.
Zeitlicher Arbeitsumfang: 5-6 Monate

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung der Wechselbeziehungen zwischen der additiven Fertigung und der Zerspanung mit bestimmter Schneide


Additive Fertigungsverfahren werden nicht mehr nur für Prototypen eingesetzt, sondern finden auch Eingang in die Produktion von Endprodukten. Mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) können additiv Metallbauteile hergestellt werden, jedoch ist eine Nachbearbeitung bei diesen Bauteilen in der Regel nicht zu vermeiden, um ein optimales Endprodukt zu erhalten. Daher sind Kenntnisse des additiv hergestellten Rohteils und der Bearbeitungsmechanismen erforderlich.

Im Umfang dieser studentischen Arbeit sollen deshalb die Wechselbeziehungen zwischen der additiven Fertigung und zerspanender Bearbeitung untersucht werden. Dazu sollen folgende Fragen beantwortet werden:

  • Welchen Einfluss haben Bauteilgeometrie, Ausrichtung, L-PBF Prozessparameter sowie die Aufbaustrategie auf die Materialeigenschaften?
  • Welchen Einfluss haben die genannten L-PBF Parameter auf die Zerspankräfte, Spanbildung und Oberflächenqualität?

Um diese Fragen zu klären gliedert sich die Arbeit in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik und Recherche zu den Einflussgrößen beim L-PBF Prozess auf das Material
  • Versuchsplanung (DOE) und Herstellung von Probekörpern
  • Auswahl und Aufbau geeigneter Messtechnik zur Überwachung der Zerspanversuche
  • Durchführung der Zerspanversuchen (orthogonaler Schnitt)
  • Auswertung der Messergebnisse und Untersuchung der Spanbildung und Oberflächenqualität

Beginn der Arbeit: ab sofort
Zeitlicher Arbeitsumfang: 5-6 Monate

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Mehrkörpersimulation – Entwicklung eines Schnittkraftmodells

Die Masterarbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Schnittkraftmodells, mit dem sich die wirkenden Zerspanungskräfte beim Sägen mit einer handgeführten Kreissäge rechnerisch ermitteln lassen. Zu der Handkreissäge liegt ein Mehrkörpersimulationsmodell vor, mit dem sich das dynamische Verhalten der Maschine beschrieben ist und in welchem das Schnittkraftmodell implementiert ist. Das erweiterte Schnittkraftmodell soll einen Schnittprozess hinsichtlich der dynamischen Kraftwirkung beschreiben und den Einfluss der zugrundeliegenden Wirkpaarung (Werkzeugschneide, Werkstück) zusammen mit der Schneidengeometrie der verwendeten Sägeblätter berücksichtigen.

Die Arbeit wird in Kooperation mit der Hilti Deutschland AG im Wesentlichen am Standort Kaufering durchgeführt.

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Recherche zum Stand der Erkenntnisse
  • Einarbeitung in das vorliegende Gesamtmodell
  • Erweiterung des Schnittkraftmodells
  • Durchführung von Zerspanversuchen zur Validierung des Schnittkraftmodells
  • Implementierung des erweiterten Schnittkraftmodells in das Mehrkörpermodell
  • Untersuchung von unterschiedlichen Systemparametern auf die Dynamik des Gesamtsystems

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Rocco Eisseler

 

Zerspanungsprozessimulation für additiv hergestellte Leichtbauwerkzeuge

Die additive Fertigung wird immer häufiger dazu benutzt industriell eingesetzte Werkzeuge zu optimieren. Eine mögliche Optimierungsvariante ist die Reduktion der Ratterneigung lang auskragender Werkzeuge. Hierzu soll am Beispiel eines ausgesuchten Referenzwerkzeugs eine Zerspanungssimulation durchgeführt werden.

Bei Simulation von Zerspanprozessen werden zur Beschreibung des Materialverhaltens von metallischen Werkstoffen Materialmodelle benötigt, durch die ein realer Prozess möglichst genau simulativ abgebildet werden soll. Dazu werden eine Vielzahl von Materialmodellen verwendet, die zumeist auf empirischen oder analytischen Ansätzen basieren.

Im Rahmen der studentischen Arbeit soll der Zerspanprozess unter Variation verschiedener Parameter simuliert werden, um Rückschlüsse auf die resultierenden Kräfte und Schwingungen zu erhalten. Zusätzlich sollen verschiedene Materialkombinationen, hinsichtlich der kritischen Zustände, untersucht werden.

Inhalte:

  • Aufbau einer Zerspanungssimulation
  • Parameterstudie
  • Praktische Evaluierung des Modells anhand eines Prototypen

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

FE-Simulation der Lagerung einer Werkzeugspindel unter statischer und dynamischer Last

Seit den 1980er-Jahren können leistungsfähigere Motoren die werkzeugtragenden Spindeln direkt antreiben. Im Spindel-Maschinenbau ermöglicht dies seitdem eine präzisere Bearbeitung, auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten. Die hohen Drehzahlen führen gleichzeitig zu hohen, dynamischen Belastungen der Wellenlager. Des Weiteren müssen die Lager axiale und radiale Kräfte aus dem Zerspanprozess sicher aufnehmen. Diese Anforderungen machen eine detaillierte Auslegung der Spindellagerung (Art, Anzahl und Anordnung der Einzellager, Vorspannung, …) unter Berücksichtigung des Zerspanprozesses inklusive Prozessbelastungen und  Werkzeuge erforderlich.

Aufgrund der geschilderten Problematik ist die Vorhersage der dynamischen Charakteristiken von Spindeln im Betrieb von großem Interesse. Daher gilt es im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept zur FE-Simulation unterschiedlicher Lagerungssituationen auszuarbeiten und an einem konkreten Anwendungsbeispiel zu überprüfen. Dazu sollen im Rahmen dieser Arbeit folgende Punkte untersucht werden:

  • Erstellung eines Zerspanprozessersatzmodells (Abstraktion des Zerspanprozesses, um die auf das Werkzeug wirkenden Belastungen zu berechnen)
  • Werkzeugersatzmodell (Abstraktion der Werkzeugunwucht)
  • Erstellung eines Spindelmodells mit parametrischen Eigenschaften der Lager
  • Validierung des Spindelmodells
  • Diskussion der Erkenntnisse

Betreuer: M. Sc. Christian Menze

 

Konstruktion, Entwicklung, Testen und Simulation mechanischer Strukturen für die Medizintechnik

Im Rahmen studentischer Arbeiten / Masterarbeiten sollen Antriebe bzw. Motoren mit Getrieben bzw. Teile hierzu für spezielle Anwendungen (Medizintechnik) entwickelt, konstruiert und simuliert werden. Die Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit einem mittelständischen Unternehmen im Rahmen eines Forschungsprojektes vergeben. Daher können nähere Einzelheiten erst in einem persönlichen Gespräch erläutert werden.

Ziele der studentischen Arbeiten / Masterarbeiten ist es, aus bekannten Bauweisen für die spezielle Anwendung ein geeignetes Konzept zu entwickeln bzw. dieses zu optimieren. Im ersten Schritt werden die CAD-Systeme SolidWorks und das FEM System ANSYS eingesetzt. In weiteren Optimierungs-Schritten sollen die Berechnungen mit einem CFD System erweitert werden. Ferner sind Arbeiten zur Versuchsstandentwicklung und Erprobung der Versuchsmuster geplant. Auch Arbeiten zur additiven Fertigung / 3D- Druck werden im Rahmen des Projekts desweiteren vergeben. Bitte erkunden Sie sich in einem persönlichen Gespräch über weitere Möglichkeiten für studentische Arbeiten (Master-/ Bachelor-/ Studienarbeiten).

Konstruktion und Simulation eines Versuchsmusters

  • Literaturrecherche zu den Antriebs-/Motorenprinzipien
  • Optimierung eines parametrischen CAD-Modells / Konstruktion
  • Bestimmung der Randbedingungen bzw. der Eingangsparameter
  • Berechnung des elastomechanischen Strukturverhaltens mit FEM
  • Optimierung der Konstruktion zur Reduzierung des Reibungsverhaltens und der Belastungen
  • Zusammenfassung der Ergebnisse

Interessen und Fähigkeiten:

  • Konstruktion
  • FEM Berechnungen 
  • Software SolidWorks, ANSYS (statisch/dynamische Berechnung)

Nähere Einzelheiten können wir gerne in einem persönlichen Gespräch besprechen. Bei Eignung ist es auch möglich im Anschluss der Abschlussarbeit sich bei der Firma als Mitarbeiter zu bewerben.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier / Dipl.-Ing. Steffen Braun

Simulation des Strömungsverhaltens eines Versuchsmusters

  • Literaturrecherche zu den Antriebs-/Motorenprinzipien
  • Optimierung eines parametrischen CAD-Modells / Konstruktion
  • Bestimmung der Randbedingungen bzw. der Eingangsparameter
  • Berechnung des Strömungsverhaltens mit FEM (ANSYS-Fluent oder –CFX)
  • Optimierung des Strömungsverhaltens und der erreichbaren Leistungsdaten (Drehmoment, Leistung, Drehzahl, Regelbarkeit)
  • Zusammenfassung der Ergebnisse

Interessen und Fähigkeiten:

  • Simulationen und Optimierungen
  • Strömungssimulation
  • Software ANSYS-Fluent oder CFX, SolidWorks

Nähere Einzelheiten können wir gerne in einem persönlichen Gespräch besprechen. Bei Eignung ist es auch möglich im Anschluss der Abschlussarbeit sich bei der Firma als Mitarbeiter zu bewerben.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier / Dipl.-Ing. Steffen Braun

Entwicklung eines Versuchstandes zum Testen von Versuchs- und Funktionsmustern der Antriebe/Motoren

Ziele dieses Themas ist es einen Versuchstand mit entsprechender Sensorik zu entwickeln. Je nach Interesse und Fähigkeiten kann eher eine konstruktive Entwicklung, auch die Auswahl und Inbetriebnahme entsprechender Hard-/ und Software den Schwerpunkt der Arbeit bilden. Die Hardware ist zu konstruieren, aufzubauen und in Betrieb zu nehmen. Für die Messtechnik bzw. Software stehen unterschiedliche Systeme zu Verfügung. In der Regel wird die Software mit NI-LabView erstellt. Für die Bearbeitung dieses Teilbereichs sollte das Interesse bestehen, die für Forschungszwecke sehr wichtige grafisch-interaktive Mess-Software einzusetzen und ggf. zu erlernen. Im Rahmen des Hauptfachpraktikums am IfW wird eine Einführung in LabView angeboten.

Interessen und Fähigkeiten:

  • Forschung und Entwicklung
  • Konstruktion und Inbetriebnahme
  • Hardware, Sensoren und Software für Messaufgaben (NI-LabView)

Nähere Einzelheiten können wir gerne in einem persönlichen Gespräch besprechen. Bei Eignung ist es auch möglich im Anschluss der Abschlussarbeit sich bei der Firma als Mitarbeiter zu bewerben.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier / Dipl.-Ing. Steffen Braun

 

Simulation von Antrieben mit Matlab/Simulink

Mit einer Simulation von Antrieben in Matlab Simulink soll ein Hilfsmittel bzw. ein Beitrag zum besseren Verständnis der Regelung von Vorschubachsen für Studierende geschaffen werden. Die Nutzer erhalten mit der Simulation bzw. einem zu entwickelnden Softwaretool einen Überblick über das Thema „Mechatronik der Werkzeugmaschinen“ am Beispiel der Vorschubachse. Der zu entwickelnde Baustein soll das Interesse an der Mechatronik der Werkzeugmaschine und der physikalischen Modellierung von Regelstrecken mit Matlab/Simulink wecken. Der Simulationsbaustein ist im Rahmen der studentischen Arbeit zu projektieren, zu entwickeln und zu testen. Im Anschluss soll der Baustein im Internet interessierten Usern zum Experimentieren und zur Entwicklung eigener Kompetenzen zur Verfügung gestellt werden.

Folgende spannende Teilaufgaben können im Rahmen von studentischen Arbeiten / Masterarbeiten bearbeitet werden:

  • Recherche bereits bekannter Simulationen und Matlab-Tools
  • Voraussetzungen für die Entwicklung und Darstellung der Ergebnisse
  • Programmierung der Matlab/Simulink Simulation für mindestens zwei Antriebsarten
  • Möglichkeiten der grafischen Darstellung, Interaktion zwischen Usern und der Simulation (Website)
  • Integration der Simulation in einen Webauftritt im Internet
  • Validierung der Simulation bzw. Tests mit Usern zur Optimierung der Ergebnisse

Die Arbeit eignet sich sehr gut für das Homeoffice, da Sie keine Geräte oder Versuchsequipment benötigen. Ein Interesse an der Simulation mit MatLab Simulink, der Programmierung und/oder grafischen Darstellung von Ergebnissen sollte natürlich vorhanden sein.

Studienrichtungen: Maschinenbau (mabau), Mechatronik (mecha), Technolgiemanagement (tema), Informationstechnik (sotech, Infotech u.a.), Technikpädagogik

Nähere Einzelheiten zu dem Thema werden gerne in einem persönlichen Gespräch oder einer Videokonferenz vorgestellt.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier und M. Sc. Max Richter

 

Virtual Reality / Augmented Reality für Werkzeugmaschinen

Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) ermöglichen eine andere Art des Lernens: In ein Ereignis ganz tief eintauchen. Szenarien erleben statt bloß aufnehmen. Im Rahmen dieser Arbeiten, sollen die Möglichkeiten der X-Reality (AR/VR oder Mixed Reality) für Werkzeugmaschinen erforscht und in einem ausgewählten Scenario erprobt werden. Für die Durchführung und Erprobung stehen am IfW verschiedene AR-Brillen (u.a. Microsoft HoloLens 2) sowie ein VR-Equipment am Partnerinstitut zur Verfügung.

Folgende Inhalte sollten erarbeitet werden:

  • Einsatzmöglichkeiten von AR /VR /MR für Lehr-, Montage-, Wartungs- oder Instandsetzungsaufgaben in Werkzeugmaschinen
  • Festlegung eines geeigneten Usecases für die Umsetzung
  • Entwicklung eines Storyboards für die Umsetzung
  • Ausarbeitung, Erprobung und Optimierung der AR /VR /MR Anwendung
  • Validierung der AR Anwendung mit weiteren Usern

Studienrichtung: Maschinenbau (mabau), Mechatronik (mecha), Technolgiemanagement (tema), Technikpädagogik, Informationstechnik (sotech, Infotech u.a.)

Die Arbeiten eignen sich sehr gut für das Homeoffice, da für einen überwiegenden Teil der Durchführung keine Geräte oder Equipment benötigt werden. Nähere Einzelheiten zu den Themen werden gerne in einem persönlichen Gespräch oder einer Videokonferenz vorgestellt.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier

 

Entwicklung von Gestellen bzw. Strukturen von Werkzeugmaschinen

Im Rahmen eines Grundlagenprojekts sind neue Strukturen für Gestelle von Werkzeugmaschinen auszulegen und zu entwickeln. Anhand einer Analyse sind hierzu geeignete Gestell Komponenten auszuwählen, konstruktiv zu gestalten und mit FEM zu berechnen. Als Anwendungsszenario dient die „Studentenmaschine“, eine kleine Werkzeugmaschine für Experimente von der sowohl die CAD-Daten als auch die reelle Maschine am Institut vorhanden sind. Aber auch andere Maschinenkonfigurationen bzw. Maschinentypen sind denkbar. Je nach Interesse oder Fähigkeiten können die Themenschwerpunkte bzw. Vertiefungen eher theoretisch (FEM/analytisch) oder konstruktiv (mit geringem Berechnungsanteil) gewählt werden. Da die Arbeiten für ein bereits bewilligtes laufendes Projekt durchgeführt werden, ist eine zügige Bearbeitung gewünscht und wird auch nachhaltig unterstützt.

Die Arbeiten eignen sich sehr gut für das Homeoffice, da die Student:Innen keine Geräte oder Versuchsequipment benötigen. Ein leistungsfähiger PC oder Laptop mit entsprechender Software, die von der Universität zur Verfügung gestellt wird, reicht aus.

Studienrichtung: Maschinenbau (mabau), Mechatronik (mecha), Technolgiemanagement (tema), Technikpädagogik, Informationstechnik (sotech, Infotech u.a.)

Nähere Einzelheiten zu den Themen werden gerne in einem persönlichen Gespräch oder einer Videokonferenz vorgestellt.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier

 

Werkzeug 4.0 / Industrie 4.0

Für einen Industriepartner wurde ein „fühlendes“ Werkzeug entwickelt. Der Prototyp des Werkzeugs ist bereits aufgebaut. Mit dem Prototyp sind Experimente durchzuführen, um das Werkzeug zu testen, weiter zu entwickeln und „intelligent“ zu machen.

Aktuell sind zu diesem Projekt zwei spannende Themen zu vergeben:

  • Entwicklung einer autarken Energieversorgung durch Energy Harvesting bzw. die Übergabe von Energie und Informationen mit der am IfW entwickelten Werkzeug-Schnittstelle (HSK-I)
  • Entwicklung einer Auswerte- und Anzeige-App für mobile Endgeräte (iOS oder Android)Interessen und Fähigkeiten:
  • Wer an einem brandaktuellen Thema mitarbeiten und Teil der 4. Industriellen Revolution werden möchte, ist mit diesen Aufgabenstellungen am Puls der Zeit. Experimentierfreudige Student(inn)en können mit diesem Projekt spannende Arbeiten durchführen.
  • Weitere Themen gerne auf Anfrage oder in einem persönlichen Gespräch.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther MaierM. Sc. Kim Werkle

 

Entwicklung eines adaptierbaren Spannmittelbaukastens mit cyber-physischen Modulen

Die Werkstückspanntechnik ist eine Kernkomponente in Werkzeugmaschinen, da Werkstück-Spannsysteme im Kraftfluss der Bearbeitung liegen und maßgeblich an der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen beteiligt sind. Allerdings zählen sie nicht zu den eigentlichen Komponenten der Werkzeugmaschinen. Das führt oftmals zu einer separaten Auslegung und einer komplexen werkstückspezifischen Konstruktion der Spannvorrichtung. In dieser Arbeit werden Spannmittel für unterschiedliche Spannaufgaben systematisiert und bewertet. Die Möglichkeiten zur Integration der Sensorik in Spannmittel werden durch experimentelle Versuche und rechnerische Methoden untersucht. Ein adaptierbarer intelligenter Spannmittelbaukasten mit cyber-physischen Modulen für eine ausgewählte Spannsituation ist zu entwickeln, um bei geometrieähnlichen Werkstücken ihre Austauschbarkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Die Arbeit gliedert sich in folgende mögliche Teilaufgaben:

  • Literaturrecherche zur Spann- und Vorrichtungstechnik
  • Spannmittel und Spannsituationen systematisieren, eine geeignete Spannmethode auswählen
  • Untersuchung der Integration der Sensoren
  • in einem Prototyp sind Spannmittel experimentell zu vermessen und zu untersuchen
  • nummerische Simulationen

Nähere Details zu diesem Thema werden in einem persönlichen Gespräch vorgestellt.

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier / M. Sc. Qi Feng

 

Parameterstudie über den Einfluss verschiedener Druckparameter im FDM 3D-Druck

Die Bauteilqualität der additiven Fertigung ist von unterschiedlichsten Faktoren abhängig. Um einen erfolgreichen Druck zu erhalten sind sowohl Bauteilausrichtung, Stützstrukturen, die Bauteilgeometrie aber auch der Druckprozess mit unzähligen Parametern zu beachten.

Im Rahmen dieser studentischen Arbeit soll ein Leitfaden für verschiedenste Druckanwendungen erstellt werden. Hierzu sind Parameterstudien mit unterschiedlichsten Bauteilen und Prozesseinstellungen durchzuführen.

Inhalte:

  • Entwicklung einer geeigneten Versuchsplanung
  • Untersuchung des Druckprozesses
  • Erstellung eines Leitfadens für den 3D-FDM-Druck

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Konstruktion und Aufbau einer Filament-Recycling und Mischanlage für Kunststofffilamente

Die additive Fertigung ist ein industrieller Megatrend der heutigen Zeit. Sie verändert nicht nur die klassischen Möglichkeiten der Fertigung, sondern auch die Art und Weise, wie Produkte entworfen werden. Daher führt dieses Verfahren aufgrund der großen gestalterischen Freiheit zu tiefgreifenden Veränderungen im Design zukünftiger Bauteile.

Diese gestalterische Freiheit führt auf der anderen Seite aber auch zu einer größeren Menge an Stützstrukturen, Prototypen oder Fehldrucken. Um diesen Abfall zu verringern ist es das Ziel dieser Arbeit, das Material wieder dem Herstellungsprozess in Form von recyceltem Filament zuzuführen.

Inhalte:

  • Konstruktion der Anlage bestehend aus Schredder, Mischer, Extruder, Kühlung und Wickelvorrichtung
  • Inbetriebnahme der Anlage
  • Bestimmung der Prozessparameter
  • Analyse des recycelten Filaments

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Entwicklung und Konstruktion eines 3D-Druckers für Hochleistungspolymere

Die additive Fertigung wird längst nicht mehr nur für die Herstellung von Prototypen oder Demonstratoren verwendet. Sie eignet sich unter anderem für die Produktion komplexer Geometrien individualisierter Produkte. In den letzten Jahren haben die Materialvielfalt und die verschiedenen Verfahrensprinzipien stark zugenommen, dabei werden auch immer häufiger Hochleistungspolymere eingesetzt, wie beispielsweise PEEK. Letztere stellen auf Grund ihres Materialverhaltens häufig noch eine Herausforderung für die additive Fertigung dar, sind jedoch zugleich eine wichtige Materialgruppen in der Medizintechnik und neuerdings auch im Maschinenbau. Um komplexe Geometrien additiv herstellen zu können soll deshalb die Hardware eines FDM-Druckers entwickelt und erprobt werden.

In der studentischen Arbeit sollen mögliche Lösungskonzepte für die Konstruktion erarbeitet und praktisch evaluiert werden. Hierzu zählt der Aufbau eines FDM-Druckers, die Ansteuerung und Entwicklung neuer Hot-Ends, sowie die Erprobung von Druckparametern und die Dokumentation des Systems.

Inhalte:

  • Konzipierung möglicher Lösungsansätze
  • Erstellung eines FDM 3D-Druckers
  • Praktische Evaluierung des gewählten Prozessaufbaus

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Modellierung des thermischen Verhaltens von Material-Hybrid Werkzeugen

Im Rahmen eines Forschungsprojektes soll das thermische Verhalten eines neu entwickelten Material-Hybrid-Werkzeuges untersucht werden. Verzug oder Eigenspannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten, das Erreichen der Aufweichungstemperatur von Faserverbundwerkstoffen sind bei Material-Hybriden Bauteilen von besonderer Bedeutung.

Im Rahmen der studentischen Arbeit soll das transiente Temperaturverhalten des Werkzeuges analysiert und modelliert werden. Hierzu sind mittels Ansys Workbench entsprechende Modelle zu entwickeln und an einem prototypischen Aufbau zu validieren.

Inhalte:

  • Konzipierung möglicher Lösungsansätze
  • Modellierung und Simulation des thermischen Verhaltens
  • Praktische Validierung an einem Prototyp

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Entwicklung eines Prüfstandes zur Erprobung von autarken Sensor- und Aktor-Konzepten

Für ein Forschungsprojekte im Bereich der sensorintegrierten Werkzeugspannung sollen mehrere Sensor- und Aktor-Konzepte zur Prozessüberwachung und -regelung entwickelt und untersucht werden. Dabei soll ein einstellbarer Systemdruck überwacht und bei Bedarf nachgeregelt werden. Dazu soll zunächst ein entsprechendes Sensorik-Konzept entwickelt, ausgelegt und anschließend getestet werden. Hierfür ist die dazu notwendige Datenerfassung bzw. Datenübertragung mittels Mikrocontroller zu erarbeiten und zu testen. Des Weiteren soll in der studentischen Arbeit ein erstes Aktor-Konzept zur Regelung des Systemdrucks konzipiert und anschließenden in Versuchen untersucht werden. Ausgangspunkt sind dabei folgende grundlegende Anforderungen:

  • Möglichst geringe Baugröße (Sensorik, Aktorik etc.)
  • Autarker Betrieb (Batteriebetrieb)
  • Datenübertragung (WiFi/Funk/Bluetooth)
  • Einfache Auswertung der generierten Sensordaten
  • Kostengünstige Sensorik- und Aktorik-Komponenten
  • Kontinuierliche Spannüberwachung und -regelung

Die Arbeit beginnt mit der Recherche und anschließenden Konzeptionierung des Systems sowie Auswahl der entsprechenden Komponenten. Im Anschluss sind verschiedene Sensoren und Aktoren im Systemverbund zu testen und mit Referenzmesssystemen zu vergleichen.

Beginn der Arbeit: ab sofort möglich
Gesuchte Studienrichtungen: mechatronik, mabau o. ä.
Notwendige Vorkenntnisse: Programmierkenntnisse von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang: Bearbeitungsfrist 5 - 6 Monate

Betreuer: Dipl.-Ing. Walther Maier / Jonas Duntschew, M. Sc.

 

Energy Harvesting – Innovative Energiegewinnung für Spannsysteme

Sensorische Systeme in Werkzeugmaschinen erfordern Energie zur Stromversorgung. Diese Energie kann über Leitungen von einem Netzteil im Schaltschrank oder von Akkumulatoren bzw. Batterien dezentral vor Ort geliefert werden. Dies ist aber nicht immer sinnvoll, da insbesondere die Nutzungsdauer beschränkt ist oder Energieübertragung in bewegten Maschinenelementen zu weiteren Schwierigkeiten führen kann.

In Werkzeugmaschinen hat man jedoch immer Antriebe mit Leistungsüberschuss. Auch Wärme entsteht im Zerspanprozess so viel, dass sie schnell abgeführt werden muss. So kann man beispielsweise über Dynamos oder andere Ansätze leicht Energie gewinnen bzw. „ernten“. In der Technik ist daher der Begriff Energy Harvesting entstanden, der diesen Vorgang trefflich beschreibt.

Anhand von allgemeinen Recherchen möglicher Energiequellen insbesondere in Werkzeugmaschinen mit Bestimmung der technischen Parameter Leistung, Spannung, Strom und Energiespeicher/-pufferung sind die Formen der Energiegewinnung zu ermitteln und zu beurteilen. Mit einem ausgewählten Beispiel (näheres im pers. Gespräch) ist dann eine praktische Anwendung zu entwickeln, zu konstruieren und umzusetzen.

Die Bearbeitung setzt sich aus folgenden Teilaufgaben zusammen:

  • Stand der Technik, incl. Recherche bereits umgesetzter Energy Harvester in Werkzeugmaschinen
  • Ermittlung von Ein- und Ausgangsparameter für den Anwendungsfall
  • Aufnahme und Beschreibung der weiteren Randbedingungen für die Entwicklung (Anforderungsliste)
  • Konzepte zur Lösungsfindung, Bewertung der Konzepte
  • Ausarbeitung und Umsetzung des ausgewählten Konzepts
  • Tests und Validierung der Entwicklung.

Die Arbeit ist sowohl für Mechatroniker als auch für Maschinenbauer und ähnliches mit dem Schwerpunkt Konstruktion geeignet.
Nähere Einzelheiten gerne bei den Betreuern: Dipl.-Ing. Walther MaierM. Sc. Patrick Georgi

Programmierung einer Steuersoftware zur Scanning-Laservibrometrie

Die Laser-Scanning-Vibrometrie ist ein schnelles, bildgebendes Verfahren zur berührungslosen Messung von Schwingungen. Um ein am IfW vorhandenes Scanning-System flexibel bei verschiedenen Applikationen einsetzen zu können, soll für die Scanning-Einheit ein universelles Ansteuerprogramm entwickelt werden. Kenntnisse in der Programmiersprache C/C++/Visual C++ und in Matlab sind Vorraussetzung für das Vorhaben.

Auch als Studienarbeit möglich.

Betreuer: Dipl.-Ing. Steffen Braun

Untersuchungen hinsichtlich der Minimalmengenschmierung (MMS) bei der zerspanenden Bearbeitung inhomogener Werkstoffe

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Wirkzusammenhänge zwischen der MMS und dem Werkzeugverhalten sowie der Bauteilqualität untersucht werden. Hierzu soll ein geeigneter Versuchsstand konzipiert und aufgebaut werden. Mit einem entsprechenden Versuchsplan werden dann die Messergebnisse für eine Korrelationsanalyse generiert und anschließend ausgewertet.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst die folgenden Aufgabengebiete:

  • Literaturrecherche zum Stand der Technik
  • Konzeption und Aufbau eines Versuchsstandes für MMS-Untersuchungen
  • Ausarbeitung eines Versuchsplanes
  • Untersuchungen zur Korrelation zwischen MMS-Parametern und Werkzeugverschleiß sowie Bearbeitungsqualität
  • Auswertung der Ergebnisse
  • Dokumentation der Ergebnisse

Beginn der Arbeit: ab sofort möglich
Notwendige Vorkenntnisse: keine
Zeitlicher Arbeitsumfang: 900h / 6 Monate

Ansprechpartner/-in: Dipl.-Ing. Matthias Schneider

 

Entwicklung von Kommunikationsstrukturen im SmartLab zur Implementierung des digitalen Zwillings für ein intelligentes Werkzeugverwaltungssystem

Der Trend zur digitalen Transformation erfordert die Etablierung von Kommunikations-strukturen, um den Datenaustausch in der Fertigungsindustrie, aber auch in der Forschung und Lehre, auszubauen. Als Fortsetzung von bereits am IfW bestehenden Studien soll das digitale Ökosystem im Versuchsfeld für Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung erweitert und verbessert werden.

Im Rahmen dieser studentischen Arbeit soll das Konzept des digitalen Zwillings kombiniert werden mit den Datensätzen, die aus dem SmartLab des Instituts gewonnen werden, ebenso wie mit modernen Analysemethoden, um eine effiziente und umfassende Werkzeugverwaltung zu ermöglichen. Grundlage dafür bilden die IoT-Plattformen „Machineboard“ und „twinio“ des Unternehmens tapio GmbH. Das am Institut zur Verfügung stehende Material soll ebenfalls in den Entwicklungsprozess mit einfließen. Dazu zählen ein tragbares Barcode-Lesegerät und eine Augmented-Reality-Plattform.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst die folgenden Aufgabengebiete:

  • Literaturrecherche zum Stand der Technik
  • Implementierung eines digitalen Zwillings
  • Validierung der entwickelten Lösung
  • Integration der Erkenntnisse in das bestehende Netzwerk
  • Auswertung der Ergebnisse und Bewertung der Lösungen
  • Dokumentation der Ergebnisse

Beginn der Arbeit: ab sofort möglich
Notwendige Vorkenntnisse: Programmierkenntnisse und Erfahrungen im Bereich Computer-Netzwerke von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang: 900h / 6 Monate

Ansprechpartner/-in: Dipl.-Ing. Matthias Schneider

 

Auslegung und Optimierung einer Vorrichtung zur Minimalmengenschmierung (MMS) für zerspanende Bearbeitungsoperationen

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein MMS-Sprühkopfsystem zur Integration in bestehende Maschinen und Anlagen ausgelegt und optimiert werden. Dies beinhaltet zunächst die Charakterisierung und Untersuchung verschiedener MMS-Parameter und eine anschließende Prozessauslegung am Beispiel unterschiedlicher Zerspanoperationen. Abschließend soll eine Bewertung der Lösung bzw. Lösungskonzepte erfolgen.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst die folgenden Aufgabengebiete:

  • Literaturrecherche zum Stand der Technik
  • Konzeption und Aufbau eines flexiblen Versuchsstandes für MMS-Sprühkopfsysteme
  • Charakterisierung der MMS-Parameter (Sprühdruck, Sprühkegel, Schmierstoffsorte usw.) durch experimentelle Untersuchungen
  • Erarbeitung von prozessangepassten MMS-Parameterfenstern und Einbaumöglichkeiten
  • Auswertung der Ergebnisse und Bewertung der Lösungen
  • Dokumentation der Ergebnisse

Beginn der Arbeit: WS 2022 oder ab sofort möglich
Notwendige Vorkenntnisse: keine
Zeitlicher Arbeitsumfang: 900h / 6 Monate 

Ansprechpartner/-in: Dipl.-Ing. Matthias Schneider

 

Modellierung des Einflusses von dynamischen Werkzeugeffekten im Holzzerspanprozess

Als Teil eines laufenden Forschungsprojektes bietet sich die Möglichkeit der Programmierung eines Dynamikmodells auf Basis von praktischen Versuchen. Das Thema bietet somit sowohl Versuchsdurchführungen an der Maschine, Messtechnikanwendung und Programmierung.

Im Umfang der Arbeit soll so ein Modell (vzw. in MATLAB) zur Berechnung der am Werkzeugverbund bestehenden Unwuchten/Exzentrietäten erstellt werden. Zu implementieren sind die dynamischen Einflüsse der entstehenden Schwingungsanregungen auf Grund der Prozessparameter bei der Zerspanung (Fräsen und Hobeln von Holzwerkstoffen).

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst die folgenden Aufgabengebiete:

  • Versuchsaufbau und Durchführung der Holz-Zerspanversuche inkl. Messtechnikimplementierung
  • Datenaufbereitung der Zerspanversuche
  • Programmierung eines Dynamikmodells (vzw. In MATLAB)

Beginn der Arbeit: schnellstmöglich
Notwendige Vorkenntnisse: Programmierkenntnisse von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang: 6 Monate

Ansprechpartner/-in: M. Sc. Jonas Duntschew

Konzeption und Inbetriebnahme eines Versuchsstandes zur Analyse zerspanungstechnischer Vorgänge in der Faserverbund- und Holzwerkstoffbearbeitung

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoff-, Werkzeug- und Prozessparametern bei der Zerspanung von Holz- und Verbundwerkstoffen (z.B. CFK, GFK, MDF, OSB) untersucht werden.

Hierzu soll ein geeigneter Versuchsstand konzipiert, aufgebaut und mit geeigneter Messtechnik (z.B. Kraftmessung) ausgerüstet werden. Mit einem entsprechenden Versuchsplan werden dann die Messergebnisse für eine Korrelationsanalyse generiert und anschließend ausgewertet.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst die folgenden Aufgabengebiete:

  • Literaturrecherche zum Stand der Technik
  • Konzeption und Aufbau eines Versuchsstandes
  • Ausarbeitung eines Versuchsplanes
  • Untersuchungen zur Korrelation zwischen Werkstoff-, Werkzeug- und  Prozessparametern
  • Auswertung der Ergebnisse
  • Dokumentation der Ergebnisse

Beginn der Arbeit: ab sofort möglich
Notwendige Vorkenntnisse: keine
Zeitlicher Arbeitsumfang: 900h / 6 Monate

Ansprechpartner/-in: Dipl.-Ing. Kamil Güzel, M. Sc. Christoph Zizelmann

Inbetriebnahme eines Schleifmaschinenprototyps durch Implementierung von Messsystemen

Für die Automatisierung unserer neuartigen Schleifmaschine ist die Analyse der innovativen Kinematik durchzuführen. Dafür soll ein digitales Modell der Kinematik erstellt werden (z.B. in MATLAB oder Python), sodass die geometrisch bestimmte Schleifoperationen in Maschinenkoordinaten übersetzt werden. Hier bietet sich die einzigartige Möglichkeit, bei der Finalisierung eines Prototyps mitzuwirken.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst insgesamt die folgende Aufgabengebiete:

  • Analyse der Kinematik
  • Ausarbeitung des Modells
    • Allgemeine Analyse der Anforderungen an den Schleifprozess des Prototypens (Wirkzusammenhänge/Randbedingungen)
    • Festlegen der Kalibrierparameter
  • Kalibrierung an der Maschine
  • Erarbeitung der Transformation von Schleif- in Maschinenkoordinaten
  • Validierung an der Maschine

Beginn der Arbeit:                     ab sofort

Gesuchte Studienrichtungen:    mechatronik, mabau, kyb o. ä.
Notwendige Vorkenntnisse:       Programmierkenntnisse (MATLAB und/oder Python) von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang:          900 h / 6 Monate

Ansprechpartner/-in: M.Sc. Jonas Duntschew oder M.Sc. Elena Leißler

 

Neuartiger Ansatz zur Kalibrierung einer Roboterkinematik durch Parameteroptimierung

Seit Jahrzehnten beschäftigt sich die Forschung mit der Suche nach Strategien zur Erhöhung der Absolutgenauigkeit von Robotern. Bei Systemen mit einer großen Anzahl seriell verketteter Achsen pflanzen sich Fertigungs-, Montage- und Nulllagenfehler von Achse zu Achse fort. Das führt dazu, dass schon kleine Lage- und Winkelfehler einzelner Achsen schwerwiegende Fehler in der Werkzeugpose zur Folge haben können. Die stark nichtlinearen kinematischen Zusammenhänge, die sich für derartige Systeme ergeben, erschweren zudem das Zurückschließen von Fehlern in der Position und Orientierung des Endeffektors auf einzelne Lage- und Winkelfehler in den Achsen. Die Folge sind ernüchternde Lageabweichungen des Tool-Center-Points (TCP) um oftmals mehrere Millimeter, die Anwendern keine andere Wahl lassen, als mit Teach-in Methoden zu arbeiten. Diese Verfahren jedoch kosten Arbeitszeit und verzögern die Inbetriebnahme von Anlagen.

Im Rahmen dieser Arbeit soll in Kooperation mit der ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH ein neuartiger Ansatz für die Kalibrierung von Robotern erarbeitet werden. Die Simulationsplattform ISG-virtuos soll für die Simulation eines Roboters inklusive sämtlicher denkbarer Lage- und Winkelfehler zum Einsatz kommen. Ein geeigneter digitaler Zwilling wurde bereits entwickelt und steht Ihnen zur Verfügung.

Das Herz der Arbeit besteht in der Formulierung und Lösung eines Optimierungsproblems. Das Ziel ist dabei das Zurückführen von Fehlern des TCP auf einzelne Fehler in den verschiedenen Achsen. Die Kenntnis dieser Fehler ermöglicht das Erstellen eines deutlich exakteren Robotermodells und damit eine stark verbesserte Absolutgenauigkeit.

Art der Arbeit: Studienarbeit / Masterarbeit
Nützliche Vorkenntnisse: Technische Mechanik, Numerische Optimierung

Ansprechpartner: M. Sc. Max Richter

 

Charakterisierung des Schleifprozesses durch Implementierung von Messsystemen

In Kooperation mit einem Industriepartner soll der Nutenschleifprozess hinsichtlich des Einsatzes von Prozessüberwachungstechniken untersucht werden. Ziel ist es den Schleifprozess zu begleiten und messdatenabhängige Zustandsbeschreibungen auszuarbeiten. Dabei sind sowohl maschineninterne als auch externe Messdaten zu untersuchen.

Der Inhalt der studentischen Arbeit umfasst insgesamt die folgende Aufgabengebiete:

  • Allgemeine Analyse der Anforderungen an einen Schleifprozess (Wirkzusammenhänge/Randbedingungen)
  • Festlegen des Prüfszenarios / Auswahl der Messtechnik
  • Durchführung der Versuchsreihen
  • Datenauswertung / Test verschiedener Filtermöglichkeiten
  • Identifikation möglicher Prozesszustandsbeschreibungen
  • Aufbau einer datenbasierten Zustandsbeschreibung

Beginn der Arbeit:  ab sofort
Gesuchte Studienrichtungen:  mechatronik, mabau o. ä.
Notwendige Vorkenntnisse: Programmierkenntnisse von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang:  900 h / 6 Monate

Betreuer: M. Sc. Jonas Duntschew

 

Aufbau eines Messaufbaus für die zerstörungsfreie Härteprüfung ferromagnetischer Werkstoffe

Um die Härteeigenschaften von Bauteilen in der Fertigung zu beurteilen, wird im Umfang des Forschungsbereiches Prozessüberwachung und –regelung ein neues Messsystem aufgebaut.

Im Umfang dieser Arbeit soll zunächst ein bereits konstruierter Messaufbau zusammengebaut, das Messsystem implementiert und in Betrieb genommen werden.  Anschließend sollen erste Messreihen und Auswertungen durchgeführt werden, sowie die Nutzenszenarien eines solchen Prüfstandes geprüft werden.

Auch als Studienarbeit möglich.

Betreuer: M. Sc. Jonas Duntschew

 

Grundlagenuntersuchung zur Werkzeugentwicklung bei handgeführten Sägewerkzeugen

In einem Gemeinschaftsprojekt zwischen der Forschungsgruppe Prozessüberwachung und -regelung des Instituts für Werkzeugmaschinen und der Hilti Entwicklungsgesellschaft mbH, sollen die Grundlagen für die nächste Generation von Sägeblättern für das Säbelsägen untersucht werden.

Zu Beginn der Arbeit soll eine Recherche zum aktuellen Stand von Sägeblättern und Zahngeometrien sowie weiterer Merkmale für das Sägen von metallischen Werkstoffen durchgeführt werden. Anschließend soll anhand einer Ist-Analyse die aktuelle Generation von Sägeblättern untersucht werden. Hierzu soll die Zahngeometrie der aktuellen Werkzeuge mittels Einzahn-Zerspanprozessen untersucht und die auf die Standzeit Einfluss habenden Parameter (z. B. Verschleiß, Spanbildung) analysiert werden.

Im Anschluss an die Ist-Analyse soll der Zerspanprozess anhand eines Simulationsmodelles nachgebildet und anhand der Versuchsergebnisse verifiziert werden. Eine Einarbeitung in das einzusetzende Simulationsprogramm Abaqus kann während der studentischen Arbeit erfolgen. Ziel der Arbeit ist die Ableitung einer optimalen Zahngeometrie anhand der Simulation, welche die bestmögliche Kombination aus hoher Standzeit und hoher Performance bei möglichst niedriger Zerspankraft bietet.

Beginn der Arbeit: ab sofort möglich
Gesuchte Studienrichtungen: mabau o. ä.
Notwendige Vorkenntnisse: Simulationserfahrung von Vorteil
Zeitlicher Arbeitsumfang: 900 h, Bearbeitungsfrist 6 Monate

Betreuer: M. Sc. Patrick Georgi

 

Zerspanungssimulation zur Untersuchung von fertigungsbedingten Rauigkeiten an Werkstückoberflächen

Für ein Forschungsprojekt, der Forschungsgruppe Prozessüberwachung und -regelung, sollen anhand einer Zerspanungssimulation verschiedene Prozessparameter (Drehzahl, Vorschub, Schnitttiefe und Schnittbreite) und deren Einfluss auf die Werkstückoberfläche untersucht werden. Ziel der Arbeit ist die Erstellung eines Zerspanungssimulationsmodells für einen spezifischen Fräsprozess sowie der Abgleich der Ergebnisse mir realen Versuchsergebnissen.

Zunächst soll eine Recherche der aktuellen Literatur (Paper, Bücher, Dissertationen etc.) zum Thema Zerspanungssimulation durchgeführt werden. Des Weiteren soll eine Recherche zu den theoretischen Grundlagen der Zerspanung mittels Kugelkopffräser und dessen Besonderheiten durchgeführt werden. Hierbei sollen die mathematischen Beziehungen des Kugelkopffräsens erarbeitet werden. 

Im nächsten Schritt erfolgt eine Einarbeitungsphase in die zur Zielerreichung nötigen Simulationssysteme (Abaqus). Anschließend erfolgt die Modellbildung und die Simulation. Hierzu soll eine Versuchsmatrix erstellt werden, mit einer Variation von Drehzahl, Vorschub, Schnitttiefe und Schnittbreite und Anstellwinkel des Werkzeuges.

Zum Ende der wissenschaftlichen Arbeit sollen die Ergebnisse der Zerspanungssimulation bewertet und mit realen Oberflächenrauheitskennwerten abgeglichen und das Zerspanungssimulationsmodells ggf. angepasst werden.

Ansprechpartner: M. Sc. Patrick Georgi

Aufbau einer Datenbank und Analyse von materialspezifischen Prozessparametern beim Metall 3D Druck

Beim Metall 3D Druck werden feine Schichten Metallpulver durch einen Laser aufgeschmolzen. Durch die Wiederholung dieses Prozesses über mehrere Schichten können komplexe Bauteile erzeugt werden. Hierzu sind die Prozessparameter (z.B. Laserleistung und Geschwindigkeit) von entscheidender Bedeutung. Von diversen Herstellern von AM Anlagen, sowie in der Literatur können hierzu eine Vielzahl an unterschiedlichen Parametersätzen gefunden werden. In dieser Arbeit sollen nun diese Parametersätze gesammelt, geordnet und logisch verknüpft werden. Neben der Analyse der gesammelten Daten sollen diese auch durch experimentelle Versuche an einer unserer AM Anlage verifiziert werden. 
Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik 
  • Recherche und Auswahl einer geeigneten Datenbank
  • Strukturierung und Aufbau der Datenbank
  • Recherche zu entsprechenden Datensätzen und Befüllung der Datenbank
  • Versuchsplanung (DOE) und additive Herstellung von Probekörpern
  • Korrelation der Parametersätze und vergleich mit den durchgeführten Versuchen
  • Dokumentation der Datenbankstruktur 

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung der Herstellbarkeit von porösen Strukturen im Metall 3D Druck (Fokus: Zerspanung)

Beim Metall 3D Druck werden feine Schichten Metallpulver durch einen Laser entlang von einzelnen Bahnen aufgeschmolzen. Durch die Wiederholung dieses Prozesses über mehrere Schichten können komplexe Bauteile erzeugt werden. Durch die Anpassung der Bahnen können auch gezielt poröse Strukturen hergestellt werden. In dieser Arbeit sollen daher unterschiedliche Herstellungsstrategien von porösen Strukturen im additiven Prozess Laser Powder Bed Fusion (LPBF) untersucht werden.
Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik 
  • Recherche zu den Herstellungsstrategien von porösen Strukturen
  • Auswahl und Katalogisierung der verschiedenen Strategien
  • Herstellung von Probekörpern
  • Untersuchung der Probekörper hinsichtlich des internen Aufbaus
  • Untersuchung des Verhaltens der Supportstrukturen beim der Nachbearbeitung
  • Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Entwicklung von maßgeschneiderten Supportstrukturen für die zerspanende Nachbearbeitung (Fokus: Zerspanung, Konstruktion)

Mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden. Jedoch müssen Überhängende Flächen mit s.g. Supportstrukturen versehen werden. Diese sind müssen weitestgehend spanend entfernt werden, sind jedoch nicht dafür ausgelegt. Daher soll im Rahmen dieser studentischen Arbeit die Interaktion zwischen den Supportstrukturen aus der additiven Fertigung und der Prozessgrößen bei der Bearbeitung mittels einem Fräswerkzeuges untersucht werden. Um Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität ziehen zu können, werden die Prozessgrößen beim Fräsen überwacht und mit der erzeugten Oberflächenqualität verglichen. 
Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik 
  • Versuchsplanung (DOE) und additive Herstellung von Probekörpern
  • Durchführung von Zerspanversuchen (Fräsen) und Analyse dieser hinsichtlich der Interaktion von Supportstrukturen auf das Spanverhalten
  • Entwicklung von angepassten Supportstrukturen
  • Analyse und Bewertung, sowie Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Entwicklung eines Recoaters für einen Metall 3D Drucker

Die additive Fertigung ist ein industrieller Megatrend der heutigen Zeit. Sie verändert nicht nur die klassischen Möglichkeiten der Fertigung, sondern auch die Art und Weise, wie Produkte entworfen werden. Da diese Technologie noch vergleichsweise neu ist, besitzen die eingesetzten Anlagen einige Verbesserungspotentiale. In dieser Arbeit soll das sogenannte „Recoating System“ näher betrachtet werden. Hierbei handelt es sich um eine Art Rakel, der das Metall Pulver für jede Schicht aufbringt. Kleine Störungen des Prozesses führen dazu, dass das Pulver nicht gleichmäßig aufgetragen ist und somit zu einem Prozessabbruch.
Die Verbesserung dieses Systems ist daher das Ziel dieser Arbeit und sie gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Recherche und Bewertung zu eingesetzten Recoater Systemen
  • Identifikation von Verbesserungspotentialen
  • Katalogisierung der recherchierten Ergebnisse nach ausgewählten Kriterien und Erzeugung eines Lastenheftes
  • Konstruktion eines neuen Recoater Systems
  • Herstellung, Einbau und Test des Systems
  • Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung der Interaktion von Prozessparametern von additiv hergestellten Bauteilen auf die fräsende Bearbeitung

Mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden. Funktionsflächen müssen jedoch weitestgehend spanend nachbearbeitet werden. Dabei soll im Rahmen dieser studentischen Arbeit die Interaktion zwischen den Parametern der additiven Fertigung, der geometrischen Auslegung des Werkstücks und der Prozessgrößen bei der Bearbeitung mittels eines Fräswerkzeugs untersucht werden. Um Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität ziehen zu können, werden die Prozessgrößen beim Fräsen überwacht und mit der erzeugten Oberflächenqualität verglichen.
Der Umfang dieser Arbeit beruht auf folgende Anforderungen:

  • Bearbeitung von additiv hergestellter Bauteile aus Stahl
  • Variation der Bearbeitungsstrategien
  • Fräsprozessüberwachung (Kraft, Beschleunigung und Akustik)

Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik
  • Versuchsplanung (DOE) und additive Herstellung von Probekörpern
  • Durchführung von Zerspanversuchen (Fräsen) und Analyse dieser hinsichtlich der Interaktion von AM Parametern auf das Spanverhalten
  • Experimentelle Bestimmung des minimalen Aufmaßes
  • Erarbeitung von geeigneten Antaststrategien
  • Analyse und Bewertung der erarbeiteten Methodik

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Untersuchung der Randzonen bei additiv hergestellten Bauteilen

Metallische additiv hergestellte Bauteile weisen besondere Eigenschaften hinsichtlich der Herstellungsbedingungen auf. Bei LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) werden Metallbauteile schichtweise hergestellt, indem ein Laser punktuell Metallpulver aufschmilzt. Die Randzoneneigenschaften eines Bauteils, wie beispielweise Oberflächenrauheiten, Härte und Eigenspannungen, werden dadurch stark beeinflusst. Im Umfang dieser studentischen Arbeit sollen deshalb die Einflüsse der AM Parameter auf die entstehenden Bauteileigenschaften nahe der Oberfläche untersucht werden.
Die Arbeit gliedert sich daher in folgende Arbeitsschritte:

  • Einarbeitung in die Thematik und Recherche zu den Einflussgrößen beim L-PBF Prozess
  • Literaturrecherche zu den charakterisierenden Größen der Randzoneneigenschaften und deren Untersuchen
  • Prozessauslegung zur gezielten Manipulation von Materialeigenschaften im AM Prozess
  • Herstellung und Untersuchung von Probekörpern
  • Auswertung und Dokumentation

Betreuer: M. Sc. Clemens Maucher

 

Entwicklung eines additiv-subtraktiv gefertigten Sägebandführungssystems

Häufig ist das Sägen der erste Fertigungsschritt in der Metallverarbeitung. Aufgrund von unzureichender Schnittqualität wird hier jedoch Aufmaß gelassen, welches später mit anderen Verfahren abgetragen werden muss. Dabei hat vor allem das Schwingverhalten und die Stabilität des Sägebandes einen großen Einfluss auf die erreichbare Schnittqualität. Um diese zu beeinflussen soll in dieser Studien- /Masterarbeit ein additiv-subtraktiv gefertigten Sägebandführungssystem entwickelt und getestet werden. Als additives Prozessverfahren zur Herstellung von solchen Systemen ist dabei das Laser-Powder-Bed-Fuision-Verfahren (LPBF) von großem Interesse.

Die Arbeit gliedert sich in folgende Arbeitspunkte*:

  • Literaturrecherche a) Sägebandführungen, b) LPBF-Konstruktionselemente
  • Entwicklung des Sägebandführungssystems
  • Additive Fertigung der Testbauteile (LPBF-Verfahren) mit anschließender spanender Bearbeitung
  • Test des entwickelten Sägebandführungssystems auf einer Sägemaschine

*) Ausführliche Information beim Treffen mit Ansprechpartnern

Beginn der Arbeit: ab sofort

Ansprechpartner: M.Sc. Tobias Tandler, Dr.-Ing. Dina Becker

 

Parameterstudie über den Einfluss verschiedener Druckparameter im FDM 3D-Druck

Die Bauteilqualität der additiven Fertigung ist von unterschiedlichsten Faktoren abhängig. Um einen erfolgreichen Druck zu erhalten sind sowohl Bauteilausrichtung, Stützstrukturen, die Bauteilgeometrie aber auch der Druckprozess mit unzähligen Parametern zu beachten.

Im Rahmen dieser studentischen Arbeit soll ein Leitfaden für verschiedenste Druckanwendungen erstellt werden. Hierzu sind Parameterstudien mit unterschiedlichsten Bauteilen und Prozesseinstellungen durchzuführen.

Inhalte:

  • Entwicklung einer geeigneten Versuchsplanung
  • Untersuchung des Druckprozesses
  • Erstellung eines Leitfadens für den 3D-FDM-Druck

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Konstruktion und Aufbau einer Filament-Recycling und Mischanlage für Kunststofffilamente

Die additive Fertigung ist ein industrieller Megatrend der heutigen Zeit. Sie verändert nicht nur die klassischen Möglichkeiten der Fertigung, sondern auch die Art und Weise, wie Produkte entworfen werden. Daher führt dieses Verfahren aufgrund der großen gestalterischen Freiheit zu tiefgreifenden Veränderungen im Design zukünftiger Bauteile.

Diese gestalterische Freiheit führt auf der anderen Seite aber auch zu einer größeren Menge an Stützstrukturen, Prototypen oder Fehldrucken. Um diesen Abfall zu verringern ist es das Ziel dieser Arbeit, das Material wieder dem Herstellungsprozess in Form von recyceltem Filament zuzuführen.

Inhalte:

  • Konstruktion der Anlage bestehend aus Schredder, Mischer, Extruder, Kühlung und Wickelvorrichtung
  • Inbetriebnahme der Anlage
  • Bestimmung der Prozessparameter
  • Analyse des recycelten Filaments

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

 

Entwicklung und Konstruktion eines 3D-Druckers für Hochleistungspolymere

Die additive Fertigung wird längst nicht mehr nur für die Herstellung von Prototypen oder Demonstratoren verwendet. Sie eignet sich unter anderem für die Produktion komplexer Geometrien individualisierter Produkte. In den letzten Jahren haben die Materialvielfalt und die verschiedenen Verfahrensprinzipien stark zugenommen, dabei werden auch immer häufiger Hochleistungspolymere eingesetzt, wie beispielsweise PEEK. Letztere stellen auf Grund ihres Materialverhaltens häufig noch eine Herausforderung für die additive Fertigung dar, sind jedoch zugleich eine wichtige Materialgruppen in der Medizintechnik und neuerdings auch im Maschinenbau. Um komplexe Geometrien additiv herstellen zu können soll deshalb die Hardware eines FDM-Druckers entwickelt und erprobt werden.

In der studentischen Arbeit sollen mögliche Lösungskonzepte für die Konstruktion erarbeitet und praktisch evaluiert werden. Hierzu zählt der Aufbau eines FDM-Druckers, die Ansteuerung und Entwicklung neuer Hot-Ends, sowie die Erprobung von Druckparametern und die Dokumentation des Systems.

Inhalte:

  • Konzipierung möglicher Lösungsansätze
  • Erstellung eines FDM 3D-Druckers
  • Praktische Evaluierung des gewählten Prozessaufbaus

Betreuer: M. Sc. Kim Werkle

Themenliste (im Aufbau)

# Titel Beschreibung
1 Entwicklung eines Mehrgrößenreglers für den Tiefbohrprozess Masterarbeit | Zerspanungstechnologie | Wegert, R.
2 3D-Simulation des Bohrprozesses in Abaqus mit dem CEL-Ansatz Masterarbeit | Zerspanungstechnologie | Wegert, R.
3 Entwicklung einer Multisensoreinheit zur Prozessdatenerfassung Masterarbeit | Zerspanungstechnologie, Digitalisierung | Reeber, T.; Gutsche, D.
4 Simulation von Bandführungssystemen von Bandsägen Masterarbeit | Zerspanungstechnologie | Tandler, T.
5 Ermittlung und Analyse von optimalen Zerspanparametern beim Sägen von Kunststoffrohren Bachelor-, Studienarbeit oder Masterarbeit | Zerspanungstechnologie | Tandler, T.
6 Entwicklung, Fertigung und Programmierung eines Hilfstools für Schwingungsmessungen Masterarbeit, Bachelor- oder Studienarbeit | Zerspanungstechnologie | Tandler, T.
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