Anfangs wird durch die Analyse der technischen Grundlagen und des Stands der Technik die Basis geschaffen. Zunächst werden die Themen Bordnetze, Dosiertechnik, additive Fertigung und die statistische Versuchsplanung näher behandelt. Deren Systematik findet Anwendung in den Versuchsreihen des methodischen Teils. Nachfolgender Schritt behandelt vertiefend den Stand der Erkenntnisse der vorherigen Forschungsarbeiten, da diese als Ausgangsbasis vorliegender Arbeit dienen. Des Weiteren können durch diese Analyse der Handlungsbedarf und die Zielsetzung dieser Arbeit definiert werden. Anschließend wird im Methodenteil das Grundlagenwissen in den Kontext des erarbeiteten Handlungsbedarfes gesetzt. Einleitend wird die Wahl eines additiven Fertigungsverfahrens als Herstellungsprozess für das Werkzeug in Frage gestellt. Darauffolgend werden zwei Versuchsreihen, unterteilt in vier weitere Teilschritte, durchgeführt. Ziel der zweifachen Durchführung ist, Ergebnisse der ersten Versuchsreihe in die Zweite einfließen zu lassen, um darauf aufbauende Forschungsergebnisse zu erhalten. Anschließend werden die Erkenntnisse, Erfahrungswerte und Ergebnisse der beiden Versuchsreihen zusammengefasst und ein Fazit formuliert. Dieses beinhaltet zunächst die Rückführung auf realitätsnahe Schlussfolgerungen, Vorschläge für weitere Forschungsarbeiten sowie einen Zukunftsausblick.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 TECHNISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Die Fertigung und die Anforderungen von Bordnetzen
2.1.1 Bordnetze
2.1.2 Die Montage eines Kabelsatzes
2.1.3 Anforderungen an die Kabelsatzumhüllung
2.2 Dosiertechnik
2.2.1 Definition von Dosiertechnik
2.2.2 Dosieren im Kontext der Kabelsatzumhüllung
2.3 Additive Fertigung
2.3.1 Definition der additiven Fertigung
2.3.2 Prozessabfolge additiver Fertigungsverfahren
2.3.3 Einteilung der additiven Fertigungsverfahren
2.4 Statistische Versuchsplanung
2.4.1 Ausgangssituation und Untersuchungsziel
2.4.2 Festlegung der Parameter und Faktoren
2.4.3 Aufstellung des Versuchsplans
2.4.4 Durchführung der Versuche
2.4.5 Auswertung der Versuchsergebnisse
3 BISHERIGE V ERSUCHSREIHEN
3.1 Versuchsaufbau
3.2 Versuchsablauf
4 HANDLUNGSBEDARF UND ZIELSETZUNG
5 FERTIGUNG DER DÜSE
5.1 Vorteile der additiven Fertigung
5.2 Das angewandte additive Fertigungsverfahren
5.3 Material des Werkzeuges
5.4 Hardware
5.5 Software
5.6 Wirtschaftliche Prüfung des gewählten Verfahrens
6 VORUNTERSUCHUNG
6.1 Ausgangssituation und Untersuchungsziel
6.2 Festlegung der Parameter und Faktoren
6.2.1 Eingangsgrößen
6.2.2 Störgrößen
6.2.3 Steuergrößen
6.2.4 Zielgrößen
6.3 Aufstellung des Versuchsplans
6.4 Durchführung der Versuche
6.5 Auswertung der Versuchsergebnisse
6.6 Fazit der Voruntersuchung
7 HAUPTUNTERSUCHUNG
7.1 Ausgangssituation und Untersuchungsziel
7.2 Festlegung der Parameter
7.2.1 Eingangsgrößen
7.2.2 Störgrößen
7.2.3 Steuergrößen
7.2.4 Zielgrößen
7.3 Aufstellung des Versuchsplans
7.4 Durchführung der Versuche
7.5 Auswertung der Versuchsergebnisse
7.5.1 Auswertung des ersten Versuchssystems (DOWSIL™ 732/ zweiadrig)
7.5.2 Auswertung des zweiten Versuchssystems (Poly Max/ zweiadrig)
7.5.3 Auswertung des dritten Versuchssystems (DOWSIL™ 732 / siebenadrig)
7.5.4 Auswertung des vierten Versuchssystems (Poly Max/ siebenadrig)
7.6 Fazit der Hauptuntersuchung
8 VERBESSERUNGSVORSCHLÄGE UND KRITISCHE D ISKUSSION
9 ZUSAMMENFASSUNG UND A USBLICK
LITERATURVERZEICHNIS
ANHANG A
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Der Automatisierungsgrad der Nationen im weltweiten Vergleich im Jahr 2016 in Anlehnung an [14, 29]
Abbildung 2: Die Vorgehensweise vorliegender Forschungsarbeit
Abbildung 3: Das Bordnetz des aktuellen Audi A8
Abbildung 4: Die Teilprozesse der Kabelbaummontage in Anlehnung an [27, 45]
Abbildung 5: Das Klebeband und das Bandagieren eines Kabelbaums [50, 39]
Abbildung 6: Die Eignung der Fertigungsschritte zur Automatisierung in Anlehnung an
Abbildung 7: Die Wicklungsarten einer Klebebandumhüllung in Anlehnung an
Abbildung 8: Werkzeuge des Patents EP 0409011A1
Abbildung 9: Das Werkzeug des Drahtummantelungsverfahrens
Abbildung 10: Der Prozessablauf bei additiven Fertigungsverfahren in Anlehnung an [2, 24]
Abbildung 11: Die Einteilung der additiven Fertigung nach ihrer Anwendung in Anlehnung an
Abbildung 12: Die Schritte der statistischen Versuchsplanung in Anlehnung an
Abbildung 13: Ein Blockdiagramm als Hilfe zur Abgrenzung der Parameter in Anlehnung an
Abbildung 14: Die richtigen Abstände der Stufen in der Versuchsplanung in Anlehnung an
Abbildung 15: Interaktionen von Wechselwirkungen in Anlehnung an
Abbildung 16: Übersicht über den Aufbau der Versuchsapparatur in Anlehnung an
Abbildung 17: Die inneren Geometrien der Düse
Abbildung 18: Die äußeren Abmessungen der Düse
Abbildung 19: Die Anforderungen bzw. Gestaltungsrichtlinien der Düse
Abbildung 20: Die Grenzen und Möglichkeiten der Fertigungsverfahren in Anlehnung an
Abbildung 21: Die Umwandlung von Lactid zu Polylactid
Abbildung 22: Der Prusa i3 MK2S Drucker in Anlehnung an [42, 43]
Abbildung 23: Das Blockdiagramm des Versuchssystems der ersten Versuchsreihe
Abbildung 24: Das Ausgangswerkzeug der Versuchsreihe der Voruntersuchung
Abbildung 25: Die Veränderung der inneren Geometrien bedingt durch den Faktor D
Abbildung 26: Messung der Schichtdicken an vier Stellen des Querschnitts
Abbildung 27: Die Hauptwirkungen auf die Zielgröße Schichtdicke
Abbildung 28: Die Haupt- und Wechselwirkungen auf die Gleichmäßigkeit
Abbildung 29: Die Haupt- und Wechselwirkungen auf die Zielgröße Konzentrizität
Abbildung 30: Das Blockdiagramm des Versuchssystems der Hauptuntersuchung
Abbildung 31: Das neue Konzept der dreiteiligen Düse
Abbildung 32: Oberflächenprofile unter dem Lasermikroskop
Abbildung 33: Der Vergleich zwischen zwei Wassertropfen auf der Oberfläche
Abbildung 34: Prinzip einer konischen Pinole in Anlehnung an 39 und das umgesetzte Konzept
Abbildung 35: Das Auswertungsprinzip für siebenadrige Leitungssätze
Abbildung 36: Die Hauptwirkungen des ersten Versuchssystems
Abbildung 37: Austritt von DOWSIL™ 732 aus den Kanälen
Abbildung 38: Die Hauptwirkungen des zweiten Versuchssystems
Abbildung 39: Austritt von UHU Poly Max aus den Ka n äle n
Abbildung 40: Die Hauptwirkungen des dritten Versuchssystems
Abbildung 41: Das Verhalten der Wechselwirkung auf die Zielgröße Schichtdicke
Abbildung 42: Austritt von DOWSIL™ 732 aus den Kanälen
Abbildung 43: Die Hauptwirkungen des vierten Versuchssystems
Abbildung 44: Austritt von UHU Poly Max aus den inneren Kanälen
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Die Anforderungen für alternative Umhüllungsmaterialien in Anlehnung an 40
Tabelle 2: Tabelle eines 22 - vollfaktoriellen Versuchsplans
Tabelle 3: Tabelle eines 22 - vollfaktoriellen Versuchsplans mit Blockbildung und Randomiserung
Tabelle 4: Tabelle eines 22 - Vollfaktorplans mit der Zweifachwechselwirkung AB
Tabelle 5: Die optimalen Faktoren der bisherigen Versuchsreihen 40
Tabelle 6: Die angewandten Einstellungen des Herstellungsprozesses
Tabelle 7: Vergleich der Kosten von interner und externer Fertigung
Tabelle 8: Die vier Steuerfaktoren und deren Stufen der Voruntersuchung
Tabelle 9: Die Bewertungsskala der Zielgröße Gleichmäßigkeit
Tabelle 10: Bewertungsskala des Qualitätsmerkmals Konzentrizität
Tabelle 11: Der randomisierte Versuchsplan der Voruntersuchung
Tabelle 12: Die Messergebnisse der Voruntersuchung
Tabelle 13: Messwerte der Oberflächenbearbeitung
Tabelle 14: Der Versuchsplan der Hauptuntersuchung
Tabelle 15: Die Resultate der Hauptuntersuchung
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
Deutschland belegt im internationalen Ranking der Roboterdichte, welche weltweit als Vergleichsstandard der Automatisierung gilt, den dritten Rang. Die deutsche Industrie ist somit einer der fortschrittlichsten Fertigungsindustrien der Welt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Der Automatisierungsgrad der Nationen im weltweiten Vergleich im Jahr 2016 in Anlehnung an [14, 29]
Die zahlreichen Vorteile der Automatisierung von Herstellungsprozessen spielen dabei eine zentrale Rolle. Hierzu zählen beispielsweise eine erhöhte Produktivität bei verkürzten Fertigungszeiten oder eine gesteigerte Produktqualität bei zeitgleicher Senkung der Kosten 28. Der hohe Automatisierungsgrad in zahlreichen Industriezweigen spiegelt die Vorteile gegenüber einer manuellen Fertigung wider. Im Hinblick auf die bedeutende Stellung der Automobilbranche in der deutschen Wirtschaft lohnt sich ein Blick auf den Automatisierungsgrad der Herstellung eines deutschen Automobils. Dieser Grad liegt in manchen Produktionsschritten mit bis zu 90% sehr hoch, in anderen allerdings lediglich bei 20% 3. Es zeigt sich also, dass es auch weiterhin Prozesse vorhanden sind, deren Potential zur Automatisierung sich zu prüfen lohnt.
Das Bordnetz, welches das teuerste Zukaufsteil eines Kraftfahrzeugs darstellt, wird gegenwärtig sogar mit einem Automatisierungsgrad von unter 20% gefertigt [5, 27] und verdeutlicht damit dieses Potential. Durch den hohen Komplexitätsgrad und die exorbitante Variantenvielfalt war es den Herstellern bislang kaum möglich, weitgehend auf eine manuelle Fertigung zu verzichten. Bisher ungenutztes Potential auszuschöpfen und ein Konzept für einen höheren Automatisierungsgrad in der Kabelbaumfertigung zu entwickeln, war bereits Ziel bisheriger Forschungsarbeiten am FAPS. Diese legten ihren Fokus auf den Fertigungsschritt der Kabelbaumumhüllung und entwickelten hierfür ein Konzept inklusive eines Versuchsaufbaus. Innerhalb die- ses erarbeiteten Konzepts wurde ein additiv hergestelltes Werkzeug angewandt, welches das Ergebnis der Umhüllung maßgeblich beeinflusst. Die vorliegende Forschungsarbeit stellt dieses erarbeitete Werkzeug ins Zentrum und zielt auf dessen Optimierung mithilfe zweier Versuchsreihen. Somit sollen bessere Umhüllungsergebnisse erreicht und einer Automatisierung der Kabelbaumumhüllung nähergekommen werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Die Vorgehensweise vorliegender Forschungsarbeit
Wie obenliegende Abbildung 2 zeigt, folgt diese Arbeit folgender Struktur. Anfangs wird durch die Analyse der technischen Grundlagen und des Stands der Technik die Basis geschaffen. Zunächst werden die Themen Bordnetze, Dosiertechnik, additive Fertigung und die statistische Versuchsplanung näher behandelt. Deren Systematik findet Anwendung in den Versuchsreihen des methodischen Teils. Nachfolgender Schritt behandelt vertiefend den Stand der Erkenntnisse der vorherigen Forschungsarbeiten, da diese als Ausgangsbasis vorliegender Arbeit dienen. Des Weiteren können durch diese Analyse der Handlungsbedarf und die Zielsetzung dieser Arbeit definiert werden. Anschließend wird im Methodenteil das Grundlagenwissen in den Kontext des erarbeiteten Handlungsbedarfes gesetzt. Einleitend wird die Wahl eines additiven Fertigungsverfahrens als Herstellungsprozess für das Werkzeug in Frage gestellt. Darauffolgend werden zwei Versuchsreihen, unterteilt in vier weitere Teilschritte, durchgeführt. Ziel der zweifachen Durchführung ist, Ergebnisse der ersten
Versuchsreihe in die Zweite einfließen zu lassen, um darauf aufbauende Forschungsergebnisse zu erhalten. Anschließend werden die Erkenntnisse, Erfahrungswerte und Ergebnisse der beiden Versuchsreihen zusammengefasst und ein Fazit formuliert. Dieses beinhaltet zunächst die Rückführung auf realitätsnahe Schlussfolgerungen, Vorschläge für weitere Forschungsarbeiten sowie einen Zukunftsausblick.
2 Technische Grundlagen
In diesem Kapitel wird die wissenschaftliche und technische Grundlage für dievorlie- gende Arbeit geschaffen. Insbesondere wird der aktuelle Stand der Technik im Kontext der Thematik dieser Bachelorarbeit vorgestellt. Das Kapitel wird untergliedert in vier Bestandteile, die in Kombination miteinander ein Grundverständnis über die verwendeten Begrifflichkeiten und angewandten Methodenschaffen wird.
2.1 Die Fertigung und die Anforderungen von Bordnetzen
Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über das in einem Kraftfahrzeug verbauten Bordnetz gegeben. Es wird auf die aktuelle Fertigung einesTeilbereichs des Bordnetzes eingegangen und dessen Automatisierungsgrad untersucht. Schließlich werden die technischen Anforderungen an dieses System kurz erläutert.
2.1.1 Bordnetze
Die Bezeichnung des Bordnetzes eines Automobils als „automobiles Nervensystem“ 30 verschaffteinen Eindruck der großen Bedeutung und die gleichzeitigeKomplexität dieses Systems. Soistdas Bordnetz für das Fahrzeug imVergleichmit demNerven- system eines Lebewesens gleichzusetzen 5. Wie ein Nervensystem übernimmt das Bordnetz simultan viele verschiedene Funktionen. Aufgrund von neuen technologischen Möglichkeiten stieg dessen Komplexität und Ausmaß über die Jahre hinweg immer mehr anund steigt auch weiterhin. DerAufgabenbereicheines Bordnetzeser- streckt sich über die grundlegende Funktion der zielgerichteten Fortbewegung, der Realisierung von Komfortfunktionen für die Insassen bis hin zu Entertainment- und Assistenzanwendungen 30. Hierfür übernimmt das Bordnetz sowohl die Stromversorgung als auch den Informationsfluss der verbauten Elemente und Steuergeräte 31 . Zusammengefasst istesfür das Management vonSignalenund Energienverantwortlich.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Das Bordnetz des aktuellen Audi A8 [48]
Die fortwährende Entwicklung des Bordnetzes lässt sich einerseits sehr gut an der Zunahme der Bordnetzspannung von zunächst 6V auf 12V und nun, im Kontext der Elektroautomobilität, auf 48V feststellen. Andererseits steigt in Folge dessen schlichtweg auch der physische Umfang des Bordnetzes von anfänglichen 40 Leitungen und 60 Kontakte auf bis zu 1000 -4000 Leitungen, einer Länge von bis zu 6000 Meter und einem Gewicht von bis zu 60 kg 30. Somit ist das Bordnetz nun auf Platz 1 der teuersten und schwersten Zukaufteile der Automobilindustrie5.Zusätzlich ist das Bordnetz in der Automobilbranche kein gleichbleibendes System, sondern variiert aufgrund des hohen Individualisierungsgrad stark. So entstehen mehrere Milliarden Varianten des Kabelsatzes nach den jeweiligen Kundenspezifikationen. Ein Kabelsatz, synonym Kabelbaum, besteht aus einem Verbund aus Kabeln. Ein Kabel wiederum ist ein Verbund aus Adern, welche Energie undSignale transportieren. So entsteht aus mehreren Kabelbäumen in Kombination mit weiterer Elektronik ein Bordnetz, welches in ein technisches System integriert wird[12, 45].
Exakt definiert versteht man unter einem Bordnetz „einen Sammelbegriff für alle zur Verbindung und Versorgung der elektrischen Bauteile eines Fahrzeuges erforderlichen Komponenten, einschließlich der zu ihrer Integration (Befestigung, Einbau) ins Fahrzeug nötigen nichtelektrischen Bauteile“ 45. Das Bordnetz setzt sich, begonnen bei kleinen Bauteilen wie Clips oder Kontakten, über Bauteile wie Sensoren und Schutzelementen bis hin zu autarken Leitungsätzen (Tür, Motor etc.) zusammen45.
2.1.2 Die Montage eines Kabelsatzes
Aufgrund des gesetzten Schwerpunktes der vorliegenden Arbeit wird in diesem Kapitel ausschließlich die aktuelle Montageder Kabelsätze und deren Automatisierungsgrad und -potenzial dargestellt. DieFertigungeines Kabelsatzsetztsich ausvielenunter- schiedlichen Teilprozessen zusammen, wie in Abbildung 4 zu sehen. In den folgenden Aufführungen liegt der Fokus insbesondere auf dem fünften manuellen Teilprozess „Kabelbaum Montage“.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Die Teilprozesse der Kabelbaummontage in Anlehnung an [27, 45]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Die Teilprozesse der Kabelbaummontage in Anlehnung an [27, 45]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Das Klebeband und das Bandagieren eines Kabelbaums [50, 39]
Im vorgeschalteten Prozessschritt wird die jeweils individuelleStrukturdes Kabelsatz auf ein Montagebrettmithilfe von Gabeln abgebildet, welcheauf dem rechten Bildvon Abbildung 5 zu erkennen ist. In diese Struktur werden die einzelnen Leitungen eingerastet. Nun folgt der Arbeitsschrittder Kabelbaummontage:demBandagieren.Hier- bei werden die Kabel manuell mit einem speziellen Klebeband, bestehend aus einer Textilbasis mit Adhäsionsschicht, links in Großaufnahme zu erkennen,umhüllt. Diese Umhüllung dientdabei sowohl derBündelung der einzelnen, losen Kabelals auch dem Erfüllenverschiedener Schutzaufgaben. Die Anforderungen an die Umhüllung werden im nachfolgenden Kapitel erörtert. DerUmhüllungsprozess erfolgtaktuell ausschließlich manuell, weshalbdieserFertigungsschritt besonders zeit-und personalintensivist. Die Geschwindigkeit des Prozesses wird durch die Art der auszuführenden Arbeitund der Taktzeit festgelegt. Je nach Forderung müssen mehrere Montagelinien mit mehreren Personen eingeplant werden [45, 55]. Aufgrund dieser monetären und zeitlichen Belastung befindet sich die Fertigung unddamit der Großteil der Arbeitnehmer dieser Branche in Niedrig-Lohn-Ländern. Beispielsweise beschäftigtdas Unternehmen Leoni, ein Produzent von Bordnetzen, über 70% aller Mitarbeiter außerhalb von Deutschland. Doch vor allem der Prozess des Umhüllens und damit auch die Montage der Anbauteile und das Verlegen der Kabelsätze eignet sich für die Automatisierung. Noch dazu ist deren Anteil mit 63% der Größte der Kabelbaumfertigung und birgt damit großes Rationalisierungspotential 27. Die Eignung zur Automatisierung und der gegenwärtige Automatisierungsgrad der Bordnetzherstellung ist in Abbildung 6 dargestellt.
Vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Automatisierungskonzept des Umhüllens. Doch es ist zu erwähnen, dass die Konsequenz einer Änderung eines Arbeitsschrittes auch die anderen Prozesse beeinflusst. Es existieren schon einige Ansätze zur Automatisierung,doch keines konntesich bisherindustriell durchsetzen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Die Eignung der Fertigungsschritte zur Automatisierung in Anlehnung an [27]
Doch aufgrund der vielfältigen Änderungen, die derzeit die Automobilbranche betreffen, gewinnt die Notwendigkeit einer automatischen Fertigung immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise fordert der Trend der Miniaturisierung eine automatische Fertigung, da besonders kleine Bauteile und Querschnitte für Menschen immer schwerer zu habenhaben sind 7. Daher wird das durchaus vielversprechende Verfahren des definierten Umspritzens der Kabelsätze mithilfe eines Werkzeugs, dem sog. Dispensen, näher untersucht.
2.1.3 Anforderungen an die Kabelsatzumhüllung
Eine zentrale Herausforderung einer automatisierten Fertigung ist die Einhaltung der hohen Anforderungen an die Umhüllung. Im Kontext der derzeitigen Fertigung erfüllt diese Anforderungen das Klebeband erfolgreich. Zum einen wird durch die grundlegende Beschaffenheit des Bandes der Kabelbaum vor externen mechanischen, chemischen, thermischen und biologischen Einflüssen geschützt. Zum anderenwird durch die Art der Wicklung, die in Abbildung 7 zu sehen ist, die Schutzfähigkeit beeinflusst.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Die Wicklungsarten einer Klebebandumhüllung in Anlehnung an [46]
Falls in einem Abschnitt des Kabelbaums die verlegten Leitungen nur zusammengehalten werden sollen, ist eine Wicklung als Spirale oder auf Stoß ausreichend. Falls höherwertige Anforderungen erfüllt werden müssen, kann diese einer Überlappung des Klebebands erfüllt werden 45. Die geforderten Eigenschaften an eine Umhüllung werden maßgeblich von den OEMs in der Lieferantenvereinbarung LV 312-1 vorgegeben 4. Aufgrund der starken Fokussierung an der aktuellen Umhüllung konnten vorherige studentische Arbeiten diese Norm bereits auf alternative Umhüllungsmaterialien abstrahieren. Tabelle 1 zeigt die Anwendungseigenschaften an Kabelsätze 40.
Tabelle 1: Die Anforderungen für alternative Umhüllungsmaterialien in Anlehnung an 40
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die in der Tabelle aufgeführten Eigenschaften variieren in ihrem Anforderungsgrad, da je nach Einsatzbereich im Kraftfahrzeug unterschiedliche Einflüsse auf die Umhüllung einwirken. Innerhalb dieser Arbeit wird zunächst beispielhaft der autarke Türkabelbaum als Untersuchungsgegenstand gewählt. Dieser wird gewählt, da er nicht den höchsten Anforderungen, wie beispielsweise dem thermischen Alterungstest oder der Flammbeständigkeit, unterliegt 4. Ob die genutzten Umhüllungsmaterialien diesen Anforderungen entsprechen, ist Gegenstand einer anderen studentischen Arbeit.
2.2 Dosiertechnik
In diesem Kapitel soll, aufgrund des breiten Anwendungsfeldes der Dosiertechnik, ausschließlich die Thematik des Dosierens von Fluiden behandelt werden. Anschließend wird die Dosiertechnik in den Kontext vorliegender Arbeit gesetzt. Zusätzlich werden zwei Verfahren vorgestellt, welche die Basis des bereits entwickelten Konzeptes bilden.
2.2.1 Definition von Dosiertechnik
Dosieren ist das „Fördern, Messen und Stellen bzw. Regeln oder Steuern von Dosierströmen bzw. -mengen.“ 52 , unabhängig von der Kontinuität der Förderung. Das Fördern wird hierbei maschinell übernommen. Dabei beeinflussen sowohl die Betriebsparameter Temperatur und Druck als auch die unterschiedlichen Eigenschaften der Dosiergüter, wie beispielsweise Korrosion, Viskosität, Toxizität und Abrasion diesen Prozess. Zur Förderung von Fluiden entwickelten sich aufgrund eben erwähnter Aspekte und verschiedener Dosierzwecke unterschiedlichste Konzepte. Ein bekanntes System ist die Verdrängerdosierpumpe, auch Dispenser genannt [46, 52, 53]. Die Pumpe erzeugt mithilfeeinesVerdrängungskörperseineauf das zu fördernde Medium wirkende Energie in einem in sich geschlossenen System. Durch Trennelemente zwischen Saug-oder Druckleitung und dem Dosiergut wird ein Rückfluss dessen verhindert. Das System hat die Aufgabe zum richtigen Zeitpunkt das Medium in der richtigen Menge zu fördern. Hierbei kann der Dosierstrom entweder mithilfe einer definierten Stellkennlinie oder einer Durchflussmessung exakt gefördert werden [37, 53]. Verdrängerpumpen sind meist bei der volumenabgrenzenden Flüssigkeitsdosierung im Einsatz und arbeiten besonders wirtschaftlich 51.
Da eine Aufzählung aller unterschiedlicher Ausführungen nicht zielführend im Sinne dieser Arbeit ist, werden im nächsten Kapitel zwei Konzeptezur automatisierten Umhüllung im Kontext der Dosiertechnik vorgestellt.
2.2.2 Dosieren im Kontext der Kabelsatzumhüllung
Im Patent EP 0409011A1 wurde ein „Verfahren zum Ummanteln eines Kabelstrangbündels 38“ angemeldet. Hierbei handelt es sich um eine Invention, welche es ermöglicht, ein Drahtseil oder ein Bündel von Kabeln mit einer Schicht bestehend aus Thermoplast zu umhüllen. Da der Prozess in zwei Verfahrensschritte unterteilt wird, sindfolglich zwei Werkzeuge, die in Abbildung 8 zu sehen sind,notwendig.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Werkzeuge des Patents EP 0409011A1 38
Da beim Bündeln von Kabeln zwangsläufig Hohlräume zwischen Kabeln entstehen, werden im oben gezeigten Ansatzdiese zunächst gefüllt. Werkzeug (a) ist hierfür verantwortlich. Die kugelförmige Gestaltung des Stauraums im Inneren des Werkzeugs lässteinen erhöhten Staudruck entstehen, sodass das Einfließen des aufgeschmolzenen Thermoplastes in die Zwischenräume des Büdels begünstigt wird. Werkzeug (b) übernimmt letztendlich die Aufgabe denKabelstrangzu Umhüllen.
Das Patent schlägt vor, mithilfe von Extrudern diesen Prozess zu realisieren 38. Bei der Analyse der Herstellung der Kabel eröffnet sich die Möglichkeit, dieses Prinzip in den Kontext der Kabelsatzumhüllung zu setzen.
Ein ähnliches, weitaus verbreiteteres Konzept ist das Drahtummantelungsverfahren. Bei der Herstellung von elektrischen Kabeln muss nach der Verlitzung der Drähte eine Isolierschicht aufgebracht werden. Diese wird, ähnlich dem vorher erwähnten Patent, mittels Extrusion aufgebracht. Der Prozess beginnt mit einem Kunststoffgranulat, welches die vorbereitenden Schritte Erwärmung, Verdichtung, Mischung, Plastifizierung und der anschließenden Homogenisierung durchläuft. Der nun flüssige Kunststoff wird mittels einer Förderschnecke zum Spritzkopf gefördert. Dieser ist maßgeblich dafür verantwortlich eine nahtlose Schicht rund um das Kabelbündel aufzutragen. Hierbei ist das Werkzeug stationär befestigt und der Seilverbund wird durch dieses geführt. Abbildung 9 zeigt das Werkzeug im Querschnitt und die Bewegungsrichtung des Drahtes.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Das Werkzeug des Drahtummantelungsverfahrens [57]
Da Kabelverbunde in unterschiedlichen Querschnittsdurchmesser gefertigt werden, müssen auch für diese Ausführungen Werkzeuge mit dem passenden Durchmesser hergestellt werden. Darüber hinaus existieren erweiterte Versionen, wie beispielsweise einer doppelten oder dreifachen Spritzkopfausführung. Besonders kritisch bei diesem Verfahren ist, dass keinesfalls abweichende Isolationsschichtdicken produziert werden dürfen. Zur Erfüllung dieser Anforderung muss je nach Größe des Querschnitts in Kombination mit dem gewählten Kunststoffgranulat die passende Durchlaufgeschwindigkeit des Drahtes gewählt werden. Als Richtlinie ist bekannt, dass mit steigendem Durchmesser die Fertigungsgeschwindigkeit zwangläufig abgesenkt werden muss 34.
Beide vorgestellten Verfahren lassen sich also als eine Form der Kunststoffextrusion definieren, da unter Extrusion das „kontinuierliche Fördern von formbaren Massen verstanden 11“ wird. Somit handelt es sich nach DIN 8580 um ein urformendes Fertigungsverfahren 18.
In Kapitel 3, der Analyse der bisherigen Versuchsreihen, wird das Verfahren und dort verwendete Werkzeug für die vorliegender Arbeit vorgestellt. Der Versuchsaufbau und das verwendete Werkzeug orientieren sich an dem eben erwähnten Funktionsweisen und Arbeitsprinzipien.
2.3 Additive Fertigung
Im Folgenden werden der Begriff und die Systematik der additiven Fertigungsverfahren definiert, der Prozessablauf im Allgemeinen erläutert und im Anschluss eine Einteilung der unterschiedlichen additiven Verfahren vorgenommen.
2.3.1 Definition der additiven Fertigung
In der Regel werden Fertigungsverfahren nach der DIN-Norm 8580 als „alle Verfahren zur Herstellung von geometrisch bestimmten festen Körpern“ 18 definiert. Die Norm gliedert die Verfahren detailliert in sechs Hauptgruppen mit zusätzlichen Untergruppen sehr exakt auf. Trotzdem ist dieser weit verbreitete Ansatz nicht umfangreich genug, um die Verfahren der additiven Fertigung gänzlich zu erfassen 26. Die aktuelle Norm ISO EN /ASTM 52900:2017 eignet sich deshalb für die zur Einordnung weitaus mehr, da diese eine Einteilung der Fertigungsverfahren basierend auf der Formgebung eines Werkstückes vornimmt. Folgende drei Prinzipien sind die Grundlage dieses Erklärungsansatzes:
- Subtraktive Formgebung: Durch Entfernen von Material wird die gewollte Form erzeugt.
- Formative Formgebung: Ein vorhandenes Volumen wird umgeformt.
- Additive Formgebung: Durch sukzessive Zugabe von Material wird die gewollte Form erreicht 1.
Letzteres Grundprinzip steht auch im Einklang mit der VDI-Richtlinie 3405, in der das additive Fertigungsverfahren als „Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird 2“ definiert sind. Schicht für Schicht wird aufeinander aufgebaut, um die gewünschte Geometrie herzustellen. Dieser Prozess wird daher als Schichtbauverfahren bezeichnet. Additive Fertigungsverfahren sind folglich Verfahren, die basierend auf der vorherigen digitalen Konstruktion und damit auf einem 3D-CAD-Datensatz dreidimensionale Objekte durch ein automatisiertes Schichtbauverfahren herstellen können 26. Dieses Verfahrensprinzip ermöglicht es, verschiedenste Formen mithilfe von CAD-Modellen virtuell zu dimensionieren und anschließend physisch herzustellen.
2.3.2 Prozessabfolge additiver Fertigungsverfahren
Abbildung 10 stelltden allgemeinenHerstellungsprozess additiverFertigungsverfah- rendar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Der Prozessablauf bei additiven Fertigungsverfahren in Anlehnung an [2, 24]
Der Prozess startet mit einem digitalen Modell des gewünschten Objektes. Dieses wird entweder mithilfe eines CAD-Programms virtuell konstruiert oder es wird durch die 3D- Digitalisierung eines physischen Objektes ein digitales Duplikat erstellt . Entspricht das Modell den gesetzten Anforderungen, endet der erste Schritt des Pre-Prozesses. Nun muss das Objekt inder Standard-Tesselationssprache, dem STL-Format, gespeichert werden. Bei diesem Vorgang wird aus dem CAD-Modell ein Facettenmodell generiert, wofür das Objekt in unzählige, kleine und planare Facetten zerlegt wird. Jede Facette besteht aus einem Normalenvektor und drei Vertices. Durch den Verbund der Ecken der Facetten entsteht ein Netz aus Dreiecken, welches die Oberfläche des Objekts abbildet. Je höher die Auflösung gewählt wird, desto realistischer und feiner kann das Objekt reproduziert werden. Der letzte Vorgang innerhalb des Pre-Prozesses umfasst die Transferierung des Objekts im STL-Format in eine Schichtgeometrie. Dies bedeutet, dass das Facettenmodell in jeweils aufeinander aufbauende Schichten, ohne Abhängigkeit von der Z-Achse, zerschnitten wird. So entsteht eine 2,5 - dimensionale Geometrie, welche nach und nach ein additives Fertigungsverfahren aufbauen kann. Dies wird im In-Prozess, der physischen Herstellung des Objektes durch ein beliebiges Verfahren der additiven Fertigung, umgesetzt. Nach der Entnahme des Bauteils aus der Baukammer beginnt der Post-Prozess, in welchem alle nacharbeitenden Arbeitsschritte durchgeführt werden. So müssen beispielsweise durch Schleifen oder Polieren Stützstrukturen entferntoder Oberflächen nachbehandelt werden 26 24.
2.3.3 Einteilung der additiven Fertigungsverfahren
Aufgrund des weiten Spektrums der Technologien additiver Fertigungsverfahren werden diese weiter unterteilt und unterschieden. Hierfür eignet sich eine Unterteilung der Technologie basierend auf ihrer Anwendungsebene. Wie in Abbildung 11 zu sehen ist, lässt sich generell zwischen den beiden Anwendungsebenen Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing unterscheiden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Die Einteilung der additiven Fertigung nach ihrer Anwendung in Anlehnung an 26
Rapid Prototyping bezeichnet die Herstellung von Objekten, die keinen Produktcharakter besitzen und sich im Prototypenstadium befinden. Es können schnell repräsentative Modelle hergestellt werden, welche bei der weiteren Entwicklung unterstützen sollen. Entweder dienen diese lediglich der Visualisierung des Produktes (Solid Imaging Concept Modelling) oder sie weisen bereits einzelne Funktionen auf (Functional Protoyping).
Die andere Anwendungsebene, das sogenannte Rapid Manufacturing, kennzeichnet die Produktfertigung mitdenEigenschaften von Serienprodukten. Da der Begriff nicht zwischen der Herstellung von Bauteilen und Werkzeugen unterscheidet, muss an dieser Stelle eine weitere Untergliederung erfolgen. Werden Produkte für den Markt und damit für Kunden produziert, ist von Direct Manufacturing die Rede. Werden einsatzfähige Werkzeuge, Werkzeugeinsätze, Lehren oder Formen hergestellt, wird dies als Direct Tooling bezeichnet. Bei Letzterem werden Werkzeuge hergestellt, die in ihrer Beschaffenheit direkt in ihrer jeweiligenAnwendung eingesetzt werden können. Diese Definition muss jedochvom Prototype Tooling abgrenzt werden. Hiervon ist die Rede, sobald Werkzeuge aus Prototypmaterialien bestehen und somit zunächst nicht für ihr jeweiliges Einsatzgebiet genutzt werden können. Werkzeuge des Prototype Toolings werden zunächst erprobt und optimiert, damit anschließend eine finale Version aus dem gewünschten Material hergestellt werden kann. Daher eignet sich insbesondere diese Anwendungsebene für den Übergang zwischen Prototypwerkzeugen und seriell eingesetzten Werkzeugen. Beide Arten der Werkzeugherstellung können zu dem Begriff Rapid Tooling zusammengefasst werden 26.
Nach der Einteilung der Anwendungsebene, gilt es nun, das richtige Verfahren auszuwählen. Aufgrund der Vielzahl an diversen additiven Verfahren, Materialien und weiteren groben sowie feinen Unterschieden, ist eine Auflistung aller Verfahren im Rahmen dieser Arbeit zu umfangreich. Additive Fertigungsverfahren lassen sich jedoch generell durch die folgenden Aspekte voneinander abgrenzen, welche bei der Auswahl eine zentrale Rolle spielen:
- Materialart und - form sowie dessen Verbrauch
- Kosten der Produktion
- Prozessgeschwindigkeit
- Fertigungsgenauigkeit 20
In Kapitel 4 erfolgt ein Überblick über das angewandte Verfahren zur Herstellung der Dosierdüse sowie ein Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien.
[...]
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen.