Prozesskette zur variantenflexiblen Herstellung hybrider Leichtbaustrukturen durch Einsatz umformender, additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren (HyLight3D)

Die steigende Nachfrage nach individuell gefertigten Produkten führt zu einer wachsenden Varianten-vielfalt und damit einhergehend zu einer Verringerung der zu fertigenden Losgrößen. Insbesondere die Produktion von Multi-Material-Bauteilen stellt die Industrie vor Herausforderungen, aufgrund der belast-baren Verbindung zwischen artfremden Materialien sowie die zugleich kostengünstige und varianten-flexible Fertigung von kleinen Losgrößen. Das Ziel des Verbundprojektes ist daher die Umsetzung und exemplarische Validierung einer industriell skalierbaren, robotergestützten Prozesskette zur Herstel-lung von Metall-Kunststoff-Bauteilen. Für die Erreichung des Ziels wurden innerhalb des Projektes ver-schiedene Roboterendeffektoren und entsprechende Bahnplanungsansätze entwickelt. Darüber hin-aus standen die Prozessentwicklung der roboterbasierten Fertigung und die experimentelle Erprobung der entwickelten Prozesse im Vordergrund. Auf Basis der Endeffektoren für die metallseitige Oberflächenstrukturierung und dem endkonturnahen Kunststoff-3D-Druck konnte gezeigt werden, dass die in Aluminium eingebrachten Oberflächenstruktu-ren eine zuverlässige Verbindung zwischen Metall und Kunststoff ermöglichen. Für den innerhalb der Prozesskette anschließenden Fräsprozess wurde eine adaptive Spanerfassung entwickelt, welche die Späne prozessnah erfasst und einen Spanerfassungsgrad von bis zu 95% erreicht. Der Fräsprozess wird dabei über die Erfassung der Spindelleistung geregelt, sodass verschiedene Materialien mit zuge-hörigen Parametern (Vorschub, Spindeldrehzahl) bearbeitet werden können. Für die exemplarische Validierung der Prozesskette wurde anhand eines Erlanger Trägers (einer weit-verbreiteten Testgeometrie aus dem Bereich der Automobilindustrie) ein Demonstrator gefertigt sowie eine Machbarkeitsstudie an einem Rahmen einer Kniegelenksprothese (Ottobock) begonnen. Hierzu sind Aluminiumgrundkörper erarbeitet worden, auf welchen automatisiert Strukturen zur Verklamme-rung des aufgedruckten Kunststoffs aufgebracht werden konnten. Abschließend wurde das Metall-Kunststoff-Bauteil spanend in seiner Endkontur definiert. Es ist davon auszugehen, dass die industrielle Anwendung der im Forschungsprojekt untersuchten skalierbaren, robotergestützten Prozesskette die Produktion von individuell gefertigten Bauteilen in kleinen und mittleren Stückzahlen nachhaltig verändern wird

Fiber response to pin penetration in dry woven fabric using numerical analysis

A new type of washer with integrated pin structures was developed and presented in a previous study for the use in mechanical joints of fiber-reinforced plastics (FRP) and metal sheets. Thereby, the pin-structured washer significantly increases the load-bearing capacity of mechanically joined FRP-metal combinations. To do so, the FRP hole area is to be relieved by transferring the occurring loads into the laminate via the pin structures. In thermoset FRP, the insertion of the pin-structured washer usually leads to fiber breaks. For fiber-reinforced thermoplastics (FRTP) the chance of fiber failures during the penetration process can be reduced by inserting the pin-structured washer via an ultrasonic-based locally invasive heating system. By doing this, the polymer is locally molten, allowing the fibers to move around the pin structures. However, the ultrasonic-based insertion does not allow visual observation of the fiber movement within the process. With the aim of getting information about the fibers, that are moved, stressed or broken depending on the pin tip geometries, a numerical investigation was carried out. Therefore, a 3 × 3 twill model of a dry woven fabric segment based on a Bézier curve for yarn simplifications was developed. With respect to the molten polymer during the penetration process, the effect of the matrix was neglected. With consideration of necessary simplifications regarding the calculation time, the stress distribution on the dry woven fabric and a regular pattern of the damage situation of the fibers could be investigated. To understand the mechanisms of the fiber behavior within the penetration process, three different pin diameters and pin tip angles were examined and compared in numerical simulations

Finite Element and Finite Volume Modelling of Friction Drilling HSLA Steel under Experimental Comparison

Friction drilling is a widely used process to produce bushings in sheet materials, which are processed further by thread forming to create a connection port. Previous studies focused on the process parameters and did not pay detailed attention to the material flow of the bushing. In order to describe the material behaviour during a friction drilling process realistically, a detailed material characterisation was carried out. Temperature, strain rate, and rolling direction dependent tensile tests were performed. The results were used to parametrise the Johnson–Cook hardening and failure model. With the material data, numerical models of the friction drilling were created using the finite element method in 3D as well as 2D, and the finite volume method in 3D. Furthermore, friction drilling tests were carried out and analysed. The experimental results were compared with the numerical findings to evaluate which modelling method could describe the friction drilling process best. Highest imaging quality to reality was shown by the finite volume method in comparison to the experiments regarding the material flow and the geometry of the bushing