07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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Analytical model for the depth progress of percussion drilling with ultrashort laser pulses
(2021) Holder, Daniel; Weber, Rudolf; Graf, Thomas; Onuseit, Volkher; Brinkmeier, David; Förster, Daniel J.; Feuer, Anne
A simplified analytical model is presented that predicts the depth progress during and the final hole depth obtained by laser percussion drilling in metals with ultrashort laser pulses. The model is based on the assumption that drilled microholes exhibit a conical shape and that the absorbed fluence linearly increases with the depth of the hole. The depth progress is calculated recursively based on the depth changes induced by the successive pulses. The experimental validation confirms the model and its assumptions for percussion drilling in stainless steel with picosecond pulses and different pulse energies.
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Augmented reality to visualize a finite element analysis for assessing clamping concepts
(2024) Maier, Walther; Möhring, Hans-Christian; Feng, Qi; Wunderle, Richard
This paper presents the development of an innovative augmented reality application for evaluating clamping concepts through visualizing the finite element analysis. The focus is on transforming the traditional simulation results into immersive, holographic displays, enabling users to experience and assess finite element analysis in three dimensions. The application development process involves data processing by MATLAB, visualization in the software Unity, and displaying holograms through Microsoft’s Hololens2. The most significant advancement introduces a new algorithm for rendering different finite elements in Unity. The application targets not only university engineering students but also vocational students with limited background in finite element analysis and machining, aiming to make the learning process more interactive and engaging. It was tested in a real machining environment, demonstrating its technical feasibility and potential in engineering education.
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The effect of rod orientation on electrical anisotropy in silver nanowire networks for ultra-transparent electrodes
(2016) Ackermann, Thomas; Neuhaus, Raphael; Roth, Siegmar
Two-dimensional networks made of metal nanowires are excellent paradigms for the experimental observation of electrical percolation caused by continuous jackstraw-like physical pathways. Such systems became very interesting as alternative material in transparent electrodes, which are fundamental components in display devices. This work presents the experimental characterization of low-haze and ultra-transparent electrodes based on silver nanowires. The films are created by dip-coating, a feasible and scalable liquid film coating technique. We have found dominant alignment of the silver nanowires in withdrawal direction. The impact of this structural anisotropy on electrical anisotropy becomes more pronounced for low area coverage. The rod alignment does not influence the technical usability of the films as significant electrical anisotropy occurs only at optical transmission higher than 99 %. For films with lower transmission, electrical anisotropy becomes negligible. In addition to the experimental work, we have carried out computational studies in order to explain our findings further and compare them to our experiments and previous literature. This paper presents the first experimental observation of electrical anisotropy in two-dimensional silver nanowire networks close at the percolation threshold.
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Estimation of the depth limit for percussion drilling with picosecond laser pulses
(2018) Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Holder, Daniel; Graf, Thomas
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Feasibility assessment of parallelized helical drilling
(2023) Brinkmeier, David; Onuseit, Volkher; Graf, Thomas
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Influence of fabrication deviations on the polarization-maintaining behavior of inhibited-coupling guiding hollow-core fibers
(2024) Chen, Bowen; Kühlthau, Tim; Röhrer, Christian; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, Marwan
Numerical simulations were conducted to analyze the influence of the design parameters of tubular inhibited-coupling guiding hollow-core photonic crystal fibers (IC-HCPCFs) on the bending-induced phase shift. The possibility to implement polarization-maintaining (PM) tubular IC-HCPCFs using a low-birefringence approach (with a modal birefringence parameter B<7×10-9) is discussed. Two different tubular IC-HCPCF designs with 7 and 8 glass capillaries are proposed for operation at a wavelength of 1030 nm. The numerical simulation predicts low guiding losses and a PM behavior sustaining a degree of linear polarization (DOLP) larger than 90% after 10 m of fiber with a bend radius larger than 0.2 m. This shows great potential for high-power beam delivery in an industrial environment. The influence that fabrication deviations have on the polarization-maintaining behavior was also investigated and indicates tight fabrication tolerances for both proposed fiber designs. Small deviations from the ideal symmetrical structure can lead to an enhancement of undesired modal birefringence. To ensure a DOLP larger than 90% at the exit of a 10 m-long fiber and for a bending radius > 0.2 m precise control of the drawing parameters during the fiber production is required, which is challenging but is considered to be technically feasible.
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Inversely 3D-printed β-TCP scaffolds for bone replacement
(2019) Seidenstücker, Michael; Lange, Svenja; Esslinger, Steffen; Latorre, Sergio H.; Krastev, Rumen; Gadow, Rainer; Mayr, Hermann O.; Bernstein, Anke
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Local vaporization at the cut front at high laser cutting speeds
(2020) Bocksrocker, Oliver; Berger, Peter; Kessler, Steffen; Hesse, Tim; Rominger, Volker; Graf, Thomas
High-speed videos of the cut front and spectrometric measurements were applied to detect local vaporization on the cut front at high cutting speeds to show that with increasing feed rate, temporally short and intense flashes are generated by vaporization phenomena on the upper part of the cut front. The latter are accompanied by the emergence of an interrupted striation pattern on the surface of the cutting edge. The findings support the assumption that local vaporization at the cut front might be the cause for reduced quality of the cutting process at elevated cutting speeds. The observation of vaporization serves as a diagnostic method to anticipate a fail cut and the interrupted striation pattern.
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Methode zur Planung modularer, produktflexibler Montagekonfigurationen in der variantenreichen Serienmontage : am Beispiel der Automobilindustrie
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Küber, Christian; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Automobilindustrie sieht sich mit der Herausforderung eines wachsenden Produktportfolios und neuer Fahrzeugtechnologien konfrontiert. Dadurch ist zukünftig die Nachfrageentwicklung kaum noch prognostizierbar und folglich auch nicht das fahrzeugspezifische Nachfragevolumen. Besondere Bedeutung ergibt sich daraus für das Gewerk der Montage, in dem ein Großteil der Fahrzeugvarianz entsteht. Indem mehr als ein Fahrzeug variantenmix-unabhängig auf einer gemeinsamen Linie montierbar ist, kann die Kapazität der Montagelinie für unterschiedliche Fahrzeuge bedarfsorientiert genutzt werden. Nachweislich existieren Freiheitsgrade in der Anordnung von Montagemodulen, die Arbeitsvorgänge zum Verbau einer Baugruppe bzw. eines Bauteils beinhalten. In der heutigen Montageplanung werden diese jedoch nicht methodisch genutzt. Darin besteht die Forschungslücke. Die entwickelte Planungsmethode nutzt die Freiheitgrade zwischen zuvor definierten, fahrzeug- und linienübergreifenden Montagemodulen für die Konfiguration fahrzeugflexibler Endmontagelinien.
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Ein Modell der Prozess- und Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit metallischen Werkstoffen
(2024) Müller, Sarah; Westkämper, Engelbert (Prof. a.D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Unternehmen der industriellen Produktion befinden sich in einem turbulenten Umfeld, in dem interne und externe Wandlungstreiber eine ständige Adaption fordern. Neue Technologien wie die additive Fertigung liefern wichtige Impulse für ein Unternehmen und bedingen gleichzeitig große Hürden bei der Integration in bestehende Fertigungsstrukturen. Trotz intensiver Forschungsbemühungen liegen additive Technologien mit metallischen Werkstoffen hinter ihren Erwartungen an Qualität und Reproduzierbarkeit zurück. Die grundsätzlich abweichenden peripheren Prozesse und die kurze Dauer der Existenz stellen zusätzliche Herausforderungen an die weitere Entwicklung. Vor diesem Hintergrund liegt die Zielsetzung dieser Arbeit in der Entwicklung eines rekursiven Modells zur Bestimmung der Prozess- und Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung mit metallischen Werkstoffen. Durch die Anpassung an das laser- und pulverbettbasierte selektive Schmelzen wird die Tiefe des Prozessverständnisses erweitert. Die systematische Vorgehensweise sieht eine Modularisierung entlang der Prozessketten vor, ausgehend vom Produktlebenszyklus bis zum Prozessursprung, um eine Untersuchung der Einflussfaktoren auf vielen Ebenen zu ermöglichen. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse entlang der Prozessketten zurück projiziert, um sicherzustellen, dass die Auswirkungen der neuen Erkenntnisse nachvollzogen werden können. Zur Validierung wurde die Modularisierung für das selektive Schmelzen bis zum Prozessursprung durchgeführt, Untersuchungen mittels molekulardynamischer Simulation ausgeführt und die Ergebnisse rekursiv auf übergeordnete Prozessebenen übertragen.
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Process limits for percussion drilling of stainless steel with ultrashort laser pulses at high average powers
(2022) Brinkmeier, David; Holder, Daniel; Loescher, André; Röcker, Christoph; Förster, Daniel J.; Onuseit, Volkher; Weber, Rudolf; Abdou Ahmed, Marwan; Graf, Thomas
The availability of commercial ultrafast lasers reaching into the kW power level offers promising potential for high-volume manufacturing applications. Exploiting the available average power is challenging due to process limits imposed by particle shielding, ambient atmosphere breakdown, and heat accumulation effects. We experimentally confirm the validity of a simple thermal model, which can be used for the estimation of a critical heat accumulation threshold for percussion drilling of AISI 304 steel. The limits are summarized in a processing map, which provides selection criteria for process parameters and suitable lasers. The results emphasize the need for process parallelization.
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Process window for highly efficient laser-based powder bed fusion of AlSi10Mg with reduced pore formation
(2021) Leis, Artur; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
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Ressourceneffiziente Erzeugung ultra-transparenter Elektroden durch perkolierende Nanostrukturen
(2016) Ackermann, Thomas; Westkämper, Engelbert (Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult.)
Transparente leitfähige Schichten (transparente Elektroden) sind elementare Bauteile in Touch-Modulen, Displays und Solarzellen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung transparenter Elektroden auf Basis alternativer Materialien, um die Defizite - insbesondere die Brüchigkeit und die relativ hohen Herstellungskosten - des konventionellen Materials Indiumzinnoxid zu umgehen. Zweidimensionale Netzwerke aus stäbchenförmigen elektrischen Leitern werden ausgehend von einer Dispersion durch Nassfilmbeschichtung hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als transparente Elektroden untersucht. Dabei handelt es sich Netzwerke aus Silbernanodrähten und um Hybrid-Schichten aus Silbernanodrähten und Kohlenstoffnanoröhren (Co-Perkolation). Neben der Ableitung und Umsetzung Produkt- und Prozess-orientierter Ziele liefert die Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der zweidimensionalen elektrischen Perkolation in Netzwerken aus stäbchenförmigen elektrischen Leitern, insbesondere nahe an der Perkolationsschwelle, bei der die Netzwerke eine sehr hohe Transparenz aufweisen, weshalb derartige Schichten als ultra-transparent bezeichnet werden. Diese Arbeit entstand an der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering (GSaME) der Universität Stuttgart in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart.
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Simulation des elektromagnetischen Geräusches einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine unter Berücksichtigung der Rotordynamik und mechanischer Fügestellen
(2021) Clappier, Marcel; Parspour, Nejila (Prof. Dr.-Ing.)
Im Zuge der Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben gewinnt die akustische Auslegung von elektrischen Maschinen zunehmend an Bedeutung und stellt eine wichtige Anforderung bei der Produktentwicklung dar. Durch das Downsizing von Verbrennungsmotoren bzw. durch eine vollständige Elektrifizierung verändert sich das akustische Verhalten im Fahrzeuginnenraum, sodass sich tonale elektromagnetische Geräusche störend auswirken können. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung und Validierung des elektromagnetischen Geräusches einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine. Die Zielstellung dieser Dissertation besteht darin, das elektromagnetische Geräusch unter Berücksichtigung der 3D Rotordynamik und mechanischer Fügestellen mit Hilfe von Finite-Elemente- und Randelemente-Modellen effizient zu berechnen. Der entwickelte Berechnungsansatz leistet einen Beitrag zur Berücksichtigung und akustischen Bewertung von rotordynamisch induzierten elektromagnetischen Seitenbändern, der statistischen Berechnung von Systemeigenfrequenzen sowie zur Prognose des Dämpfungsverhaltens von elektrischen Maschinen. Die Verifizierung des entwickelten Verfahrens erfolgt anhand von unterschiedlichen Messungen und Messdaten.
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Tuning the hardness of produced parts by adjusting the cooling rate during laser-based powder bed fusion of AlSi10Mg by adapting the process parameters
(2022) Leis, Artur; Traunecker, David; Weber, Rudolf; Graf, Thomas
The mechanical properties of parts produced by laser-based powder bed fusion (LPBF) are mainly determined by the grain structure in the material, which is governed by the cooling rate during solidification. This cooling rate strongly depends on the scan velocity and the absorbed laser power. Experiments with varying process parameters were performed to develop and validate an analytical model that predicts the hardness of printed AlSi10Mg parts. It was found that it is possible to tune the hardness of additively manufactured parts of AlSi10Mg in a range between 60 ± 9 HV0.5 and 100 ± 10 HV0.5 by adjusting the cooling rate during solidification with adapted process parameters.