Universität Stuttgart
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Item Open Access Synchronisierung von digitalen Modellen mit realen Fertigungszellen auf Basis einer Ankerpunktmethode am Beispiel der Automobilindustrie(2017) Ashtari Talkhestani, Behrang; Schlögl, Wolfgang; Weyrich, MichaelDie zunehmende Produktvielfalt und die Verkürzung der Produktlebenszyklen erfordern eine schnelle und kostengünstige Rekonfiguration bestehender Produktionssysteme [1]. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist ein aktuelles digitales Modell der bestehenden Fertigungszelle, im Folgenden Digitaler Zwilling genannt, eine geeignete Lösung. Der Digitale Zwilling führt zu einer Kostenreduktion durch Verkürzung der Umrüstzeiten durch virtuelle Planung und Simulation basierend auf dem aktuellen Zustand der realen Produktionsanlage als auch durch eine frühzeitige Erkennung von Konstruktions- oder Prozessablauffehlern in der Produktionsanlage. Voraussetzung für die Verwendbarkeit des Digitalen Zwillings vom Produktionssystem ist allerdings, dass ein aktuelles (virtuelles) Anlagenmodell von den mechatronischen Bestandteilen der realen Anlage während der verschiedenen Phasen ihres Lebenszyklus existiert. In diesem Beitrag wird die domänenübergreifende, mechatronische Datenstruktur der virtuellen Fertigungszellen in der Automobilindustrie diskutiert. Es wird eine systematische Ankerpunktmethode vorgestellt, mithilfe derer die Abweichungen zwischen den virtuellen Modellen und der Realität detektiert und ermittelt werden können. Basierend darauf wird eine sogenannte regelbasierte Konsistenzprüfung zur durchgängigen, domänenübergreifenden Synchronisierung der aktuellen mechatronischen Ressourcenkomponenten der Produktionssysteme mit deren virtuellem Anlagemodell vorgestellt.Item Open Access Simulation model for digital twins of pneumatic vacuum ejectors(2022) Stegmaier, Valentin; Schaaf, Walter; Jazdi, Nasser; Weyrich, MichaelIncreasing productivity, as well as flexibility, is required for the industrial production sector. To meet these challenges, concepts in the field of “Industry 4.0” are arising, such as the concept of Digital Twins. Vacuum handling systems are a widespread technology for material handling in industry and face the same challenges and opportunities. In this field, a key issue is the lack of Digital Twins containing behavior models for vacuum handling systems and their components in different applications and use cases. A novel concept for modeling and simulating the fluidic behavior of pneumatic vacuum ejectors as key components of vacuum handling systems is proposed. In order to increase the simulation accuracy, the concept can access instance‐specific data of the used asset instead of object‐specific data. The model and the data are part of the Digital Twins of pneumatic vacuum ejectors, which shall be able to be combined with other components to represent a Digital Twin of entire vacuum handling systems. The proposed model is validated in an experimental test setup and in an industrial application delivering sufficiently accurate results.Item Open Access 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, ThomasThe 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.Item Open Access Methode zur modellierungsbasierten, präventiven Qualitätssicherung im Material Extrusion Verfahren(2020) Bähr, Friedrich; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Additive Fertigungstechnologien etablieren sich zunehmend für industrielle Anwendungen. Unbeherrschte Prozesse sowie mangelhafte Bauteilqualität bremsen jedoch die Verbreitung in der Serienanwendung. Die Fertigung von Qualität und Maßnahmen zu deren Absicherung im Sinne der Reproduzierbarkeit gestalten sich als besonders wichtig und herausfordernd. Mit Blick auf Losgröße eins reichen dem Prozess nachgelagerte Kontrollmaßnahmen nicht mehr aus. Die Forderung nach beherrschten und fähigen Prozessen bedarf einem hohen Maß an Prozessverständnis. In der Forschungsarbeit wird eine Methode zur präventiven Qualitätsabsicherung für das Fused Deposition Modeling (FDM), auch Material Extrusion (MEX), Verfahren vorgestellt. Sie basiert auf der Modellierung des Prozesses entlang einer systematischen Vorgehensweise in sieben Schritten. Ziel ist die Prognose von Abweichungen und resultierenden Fehlern und deren prophylaktische Abschaltung. Zunächst werden die auf den Prozess wirkenden Einflussfaktoren, deren Interferenzen und Zusammenhänge mit Bauteileigenschaften untersucht. Es folgt eine detaillierte Betrachtung der Wirkmechanismen und physikalischen Phänomene im Fused Deposition Modeling. Die Methode wird an einem eigens entwickelten, verfahrensspezifischen Prüfkörper und einer zweistufigen Finite-Elemente-Simulation evaluiert und validiert. Für die numerische Analyse wird zunächst der thermische Gradient des Prüfkörpers während der Abkühlung ermittelt. Darauf aufbauend folgt eine mechanisch-statische Analyse zur Bestimmung von prozess- und materialbedingter Schwindung, Eigenspannungen und resultierender Verformung. Die Simulation wird durch den Vergleich von Messwerten mit einem physischen Bauteil validiert. Es wird ein Werkzeug zur Vorhersage von Bauteileigenschaften vorgestellt, das sowohl praktisch applikabel ist, als auch Anwendung für weitere Schichtbauverfahren finden kann.Item Open Access 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, AnkeItem Open Access Data-driven prediction and uncertainty quantification of process parameters for directed energy deposition(2023) Hermann, Florian; Michalowski, Andreas; Brünnette, Tim; Reimann, Peter; Vogt, Sabrina; Graf, ThomasLaser-based directed energy deposition using metal powder (DED-LB/M) offers great potential for a flexible production mainly defined by software. To exploit this potential, knowledge of the process parameters required to achieve a specific track geometry is essential. Existing analytical, numerical, and machine-learning approaches, however, are not yet able to predict the process parameters in a satisfactory way. A trial-&-error approach is therefore usually applied to find the best process parameters. This paper presents a novel user-centric decision-making workflow, in which several combinations of process parameters that are most likely to yield the desired track geometry are proposed to the user. For this purpose, a Gaussian Process Regression (GPR) model, which has the advantage of including uncertainty quantification (UQ), was trained with experimental data to predict the geometry of single DED tracks based on the process parameters. The inherent UQ of the GPR together with the expert knowledge of the user can subsequently be leveraged for the inverse question of finding the best sets of process parameters by minimizing the expected squared deviation between target and actual track geometry. The GPR was trained and validated with a total of 379 cross sections of single tracks and the benefit of the workflow is demonstrated by two exemplary use cases.Item Open Access 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.Item Open Access Fatigue improvement of AlSi10Mg fabricated by laser-based powder bed fusion through heat treatment(2021) Sajadi, Felix; Tiemann, Jan-Marc; Bandari, Nooshin; Cheloee Darabi, Ali; Mola, Javad; Schmauder, SiegfriedThis study aimed to identify an optimal heat-treatment parameter set for an additively manufactured AlSi10Mg alloy in terms of increasing the hardness and eliminating the anisotropic microstructural characteristics of the alloy in as-built condition. Furthermore, the influence of these optimized parameters on the fatigue properties of the alloy was investigated. In this respect, microstructural characteristics of an AlSi10Mg alloy manufactured by laser-based powder bed fusion in non-heat-treated and heat-treated conditions were investigated. Their static and dynamic mechanical properties were evaluated, and fatigue behavior was explained by a detailed examination of fracture surfaces. The majority of the microstructure in the non-heat-treated condition was composed of columnar grains oriented parallel to the build direction. Further analysis revealed a high fraction of pro-eutectic α-Al. Through heat treatment, the alloy was successfully brought to its peak-hardened condition, while eliminating the anisotropic microstructural features. Yield strength and ductility increased simultaneously after heat treatment, which is due to the relief of residual stresses, preservation of refined grains, and introduction of precipitation strengthening. The fatigue strength, calculated at 107 cycles, improved as well after heat treatment, and finally, detailed fractography revealed that a more ductile fracture mechanism occurred in the heat-treated condition compared to the non-heat-treated condition.