Studienabschlussarbeiten

In dieser Arbeit wird eine nachgelagerte Anlage zur qualitativen Prozessoptimierung von Kunststoff-Spritzgießprozessen mit Vielfach-Kavitäten entworfen. Kunststoffspritzgussanlagen mit Vielfachkavitäten werden häufig vollautomatisiert mit nachgelagerter Peripherie betrieben. Im Sinne der Automatisierung, Autonomie und anschließenden qualitätssichernden Maßnahmen ist es im Interesse eines Herstellers, zu jedem Zeitpunkt des gesamten Fertigungsprozesses eines Produktes, Rückschlüsse auf einzelne Teilprozesse ziehen zu können. Dies erfordert eine gewisse Ordnung und Sortierung der einzelnen Bauteile über mehrere aneinanderreihende Prozessschritte. Um dies zu erreichen, werden sogenannte Separierer eingesetzt, welche Formteile sorten- und nestrein in Beutel verpacken. Waren diese in der Vergangenheit oft manuell betätigt, soll eine Weiterentwicklung in Bezug auf Autonomie und Automatisierung erfolgen. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden eine bestehende, manuelle Vorrichtung zum Separieren und eine vorangegangene Machbarkeitsuntersuchung kritisch analysiert. Der Stand der Technik wird erfasst. Unter Verwendung des an der Technischen Universität gelehrten konstruktiven Entwicklungsprozesses und entsprechendem methodischen Vorgehen wird eine vollautomatisierte Separieranlage konzipieren. Das Produktionsergebnis einer Spritzgussmaschine wird anhand der Abwurfposition separiert. Für schnelles Wechseln der Speicherbereiche sorgt ein getakteter Rundtisch. Ein kartesisches Handling mit Greifer entleert einzelne Speichersegmente in eine Schlauchbeutelmaschine, welche Formteile verpackt für nachgelagerte Anwendungen ausgibt. Speichervolumina, Autonomie und Automatisierung werden erweitert. Ergebnis dieser Arbeit ist ein konkretisiertes Technisches Prinzip, welches mit der CAD-Software Inventor 2020 erstellt wurde.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs rückt in den vergangenen Jahren die batterieelektrischen Fahrzeuge in den Fokus der Entwicklung. Um die Reichweite und die fahrdynamischen Eigenschaften der Fahrzeuge zu verbessern, ist die hohe Fahrzeugmasse aufgrund der Traktionsbatterie und deren Schutzstruktur eine relevante Stellgröße. Aufgrund des noch hohen Optimierungspotentials erfordern die Unterbodenbatteriestrukturen eine schnelle Entwicklung hinsichtlich leichterer Fahrzeuge. Hinsichtlich einer schnelleren Optimierung von Leichtbaukonzepten wird in der vorliegenden Arbeit die Simulationszeit für Unterbodenbatteriestrukturen von Elektrosportwagen für einen Unterbodenlastfall optimiert. Das Ziel dieser Optimierung ist die Rechenzeit der jeweiligen Unterbodenbatteriestrukturen im Lastfall zu senken, um Rechenkapazität zu sparen und Ergebnisse schneller zu generieren und auswerten zu können. Die Deformation der Ausgangsmodelle und die Analyse des Kraftflussverlaufs bilden die Basis für eine iterative Modellreduzierung. Eine definierte Abweichung von den Intrusionswerten der jeweiligen Ausgangsmodelle wird als Randbedingung im Modellreduzierungsprozess verwendet. Aufgrund der Abhängigkeit der Rechenzeit und der Knotenanzahl des Systems, welches die Dimension der Steifigkeitsmatrix bestimmt, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Minimierung der Knotenanzahl. Die Vorgehensweise ist im ersten Schritt der Modellreduzierung das Simulationsmodell von strukturirrelevanten Bauteilen unter Einhaltung der Reduzierungskriterien zu minimieren. Nach Überprüfung der Intrusion und den Reduzierungskriterien wird im Anschluss dieser Prozess iterativ durchgeführt, bis alle für den Lastfall struktur- und steifigkeitsirrelevanten Bauteile aus dem Modell entfernt sind. Der zweite Schritt der Modellreduzierung ist eine neue Vernetzung des reduzierten Modells, womit die Knotenanzahl bei gleicher Abbildungsgenauigkeit weiter reduziert wird. Der Diskretisierungsprozess wird unter den Reduktionskriterien ebenfalls iterativ durchgeführt. Der in dieser Arbeit dargestellte Ansatz zur Optimierung der Simulationszeit dient zur Verbesserung der Laufzeit eines Prozesses, der parametrische Modelle aufbaut, simuliert und auswertet. Eine Modellreduzierung hat hinsichtlich des Designraums, in dem mehrere hundert Varianten betrachtet werden, großen Einfluss auf die benötigte Rechenkapazität.

Mit dieser Arbeit sollen weitere Grundlagen für die Entwicklung eines neuen Lagerkonzeptes zur Lagerung großer Rotoren in Windkraftanlagen gelegt werden. Bestehende Konzepte zur Nutzung hydrodynamischer Gleitlager sehen typischerweise die Verwendung einer segmentierten Bauweise vor. Jedes Segment, auch als Kippsegment oder Gleitlager-Pad bezeichnet, besteht aus einem Stahlstützkörper, der mit einer hochbelastbaren Gleitschicht aus dem Kunststoff PEEK versehen ist. In der Arbeit werden zwei wesentliche Aspekte näher betrachtet. Zunächst ist die Langzeitbeständigkeit der Verbindung von Stahl und Kunststoff von größtem Interesse. Im Rahmen von Vorarbeiten wurde eine neuartige formschlüssige Verbindung entwickelt, patentiert und erste Validierungsschritte begonnen. Darauf aufbauend ist es Ziel der Arbeit, weitere und umfangreichere mechanisch-dynamische Prüfungen durchzuführen und die grundlegende Eignung für die Anwendung nachzuweisen oder zu widerlegen. Als Prüfmethoden kommen hier verschiedene Haftfestigkeits-Tests mit und ohne Vorbeanspruchung zum Einsatz. Der zweite wichtige Aspekt betrifft die Auswahl des PEEK-Compounds. Es existieren eine Reihe marktverfügbarer Typen, die sich in der Zusammensetzung stark unterscheiden. Daher werden im Rahmen der Arbeit erste Untersuchungen zum tribologischen Verhalten drei verschiedener Materialien durchgeführt und die Unterschiede unter Ölschmierung bewertet. Dabei wird ein Stift-Scheibe-Tribometer unter geringer Gleitgeschwindigkeit eingesetzt.

Die SCHOTT Technical Glass Solutions GmbH fertigt an ihrem Standort Jena Coververglasungen für Smartphones. Das Streben Produkte aller höchster Qualität anzubieten, führt zu einer stetigen Weiterentwicklung der chemischen Zusammensetzung und der Nachbearbeitungsverfahren der Gläser. Im Ergebnis werden die Coververglasungen immer widerstandsfähiger gegen Stürze. Der Fortschritt in der Haltbarkeit der Gläser führt gleichzeitig zu steigenden Anforderungen an deren Prüfung. Die bisher am Standort verwendete Set-Drop(Falltest)-Prüfvorrichtung stößt an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit, sodass der Bedarf nach einem neuen Teststand entsteht. Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Konzeption und Konstruktion einer neuen Prüfvorrichtung für Displaygläser. Ausgehend von den bisher im betreuenden Unternehmen durchgeführten Prüfungen wurden Anforderungen an den Prüfprozess und an den Prüfaufbau erarbeitet. Während der systematischen Entwicklung werden zunächst die relevanten Funktionen definiert, für welche anschließend Lösungsprinzipe erarbeitet wurden. Auf dieser Grundlage wurden systematisch drei neue Konzepte, die den definierten Anforderungen genügen, erstellt. Um eine Entscheidung für ein Vorzugskonzept herbeizuführen, wurden Bewertungskriterien auf Grundlage der Anforderungen erarbeitet. Zur Unterstützung der Entscheidungsfindung wurden Messungen mit Hilfe eines eigens angefertigten Demonstrators durchgeführt. Nach der Bewertung der konzeptionellen Lösungen wurde ein Pendelschlagwerk mechanisch ausgelegt und konstruktiv umgesetzt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse erfolgte die Fertigung und Inbetriebnahme der neuen Prüfvorrichtung. Abschließend wurden erste Versuche mit dem erstellten Prototyp durchgeführt und es erfolgte eine Bewertung auf Grundlage der zu Beginn definierten Anforderungen.

Mobile Roboter werden bereits in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Auch im häuslichen Umfeld finden sie zunehmend Anwendung. Hier ergeben sich jedoch gänzlich andere Anforderungen bezüglich der Gesamtabmessungen, Masse und Manövrierbarkeit, was die Entwicklung neuartiger Roboterplattformen nötig macht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem methodischen Entwurf und der Konstruktion eines mobilen Assistenzroboters für den häuslichen Einsatz. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung, Auswahl und Dimensionierung des Fahrgestells, der Radführung und des Rahmens zur Aufnahme der Hardwarekomponenten, mit dem Ziel der Gewichts- und Kostenminimierung. Einleitend werden im Stand der Forschung und Technik die Einsatzgebiete und Antriebskonzepte mobiler Roboter vorgestellt. Es folgt die Aufarbeitung der Anforderungen im häuslichen Umfeld. Für die einzelnen Systemkomponenten wird eine Reihe von Prinzipen erarbeitet, verglichen und ausgewählt. Insbesondere dreirädrige und sechsrädrige Antriebskonzepte werden anhand von Auslegungsrechnungen hinsichtlich ihrer Gesamtabmessungen, Kippstabilität und Manövrierbarkeit gegenübergestellt. Auf Basis der ausgewählten Prinzipe erfolgt der Gestaltentwurf des Roboters. Funktionsentscheidende Baugruppen werden mithilfe von Dimensionierungsrechnungen unter Anwendung einer Topologieoptimierung in ihrem Gewicht reduziert. Die erarbeiteten Baugruppen werden den gestellten Anforderungen gerecht und bilden eine ausgereifte Grundlage für eine Reihe verschiedener Roboterplattformen.