Additive Fertigungsverfahren nehmen zunehmend eine bedeutendere Rolle in der industriellen Anwendung ein und bieten im Kontext der Digitalisierung und Flexibilisierung enorme Potenziale für zukünftige Produktionsumgebungen. Gleichzeitig ist die Aufnahme von Sensordaten bei der Umsetzung datengetriebener Prozesse eine grundlegende Voraussetzung, wobei Kraft eine essenzielle Messgröße ist. Eine Herausforderung für Hersteller von Kraftsensoren ist gegenwärtig die fertigungstechnische Realisierung strukturintegrierter Sensoren mit komplexen Verformungskörpergeometrien. Das pulverbettbasierte Laser-strahlschmelzen (LPBF) stellt aufgrund seines schichtweisen Aufbauprinzips einen vielversprechenden Ansatz für die Herstellung strukturintegrierter Kraftsensoren dar.
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, die grundlegende Eignung des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens für die Integration von Kraftsensorik in metallische Bauteile zu untersuchen. Hierbei steht die Erarbeitung eines reproduzierbaren Prozesses zur schädigungsfreien Integration der Komponenten im Fokus. Als Sensorelemente werden hierzu Dehnungsmessstreifen verwendet, die auf einem konventionell hergestellten Messelementträger appliziert und anschließend in den additiv gefertigten Grundkörper integriert werden.
Durch die Integration von Kraftsensorik mittels Additiver Fertigung ergeben sich für Sensorhersteller neuartige Möglichkeiten, beispielsweise hinsichtlich komplexer Verformungskörpergeometrien, die über den aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik hinausgehen.
Aktualisiert: 2022-12-08
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Als ein neuer Ansatz zur Sensorintegration in Produkte wurde ein technologisch etablierter Crashsensor für Automobile in eine Faserverbundstruktur integriert. Der Sensor wird konventionell an die metallische Fahrzeugstruktur angeschraubt. Die Qualität der sensorintegrierten Struktur erfüllt die Anforderungen an den gängigen Einbau des Sensors beim Fahrzeug. Die Sensierung der integrierten Struktur ist unter den geforderten Betriebsbedingungen grundlegend fehlerfrei. Sie zeigt auch das crashtypische Funktionsverhalten bei einer Kollision. Als zusätzlicher Mehrwert wurde eine Methode entwickelt, die den Sensor durch seine Integration zur Zustandsdetektion der umgebenden Struktur einsetzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des Sensors zum Prozess-Monitoring während der Herstellung der integrierten Struktur. Damit erfüllt der Sensor neue zusätzliche Funktionen. Der Integrationsansatz zeigt somit, dass das Sensierspektrum etablierter Sensoren durch die Produktintegration erweitert werden kann. Der Ansatz ist auf unterschiedliche Produkte im Kontext von IoT, Industrie 4.0, Smart Home oder Alltagsmanagement übertragbar.
Aktualisiert: 2022-04-29
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Der Einsatz von Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) erlangt eine immer wichtigere Rolle bei Produktinnovationen und Wettbewerbsfähigkeit. Obwohl CFK-Bauteile eine hohe Festigkeit aufweisen und bei der Konstruktion mit Sicherheitsaufschlägen versehen werden, können unerkannte Schäden im Inneren des CFK-Bauteils zu einem Bauteilversagen führen. Aktuelle Verfahren zur Schadenserkennung in Form von zerstörungsfreien Prüfverfahren oder zur Schadensvermeidung durch einen präventiven Austausch sind mit einem hohen wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Ein alternativer Ansatz ist die kontinuierliche Bauteilüberwachung durch Structural Health Monitoring (SHM), wobei die Zustandsgrößen im Inneren des CFK-Bauteils von Sensoren erfasst werden. In dieser Arbeit konnte die Sensorpositionierung von applizierten und integrierten Sensoren beim SHM von CFK-Bauteilen am Beispiel von Dehnungsmessstreifen hinsichtlich deren Auswirkungen auf das Bauteil- und Messwertverhalten bewertet werden.
Aktualisiert: 2020-12-14
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Die spanende Bearbeitung steht seit jeher unter dem Druck Kosten und Bearbeitungszeit zu senken bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität. Ein klassischer Ansatz zur Unterstützung der Zielerreichung in diesem Dreieck ist die Prozessüberwachung mittels zusätzlicher Sensorik. Zudem wird im Kontext der digitalen Transformation die Nutzung dieser Überwachungsdaten auch in höheren Ebenen der Automatisierungspyramide immer weiter vorangetrieben. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung eines neuen Überwachungssystems ist es hierbei, den geeigneten Mittelweg zwischen (Signal-)Qualität, (System-)Kosten, Integrationsgrad und Konnektivität zu finden.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Fragestellung, wie ohne den Nachteil von Störkonturen in Kauf zu nehmen und die Randbedingungen der digitalen Transformation zu berücksichtigen eine wirkstellennahe Sensorpositionierung im Bearbeitungsprozess möglich ist. Zu diesem Zweck wird ein Werkzeugspannfutter so modifiziert, dass Sensorik zur Messgrößenerfassung, Elektronik zur Auswertung und eine funkbasierte Kommunikation unter Berücksichtigung der genannten Anforderungen und Randbedingungen integriert werden können. Eines der gewählten Anwendungsszenarien ist die Schwingungsüberwachung im Fräsprozess, hierzu wird neben der technischen Entwicklung die theoretische Grundlage erarbeitet, wie Beschleunigungssignale eines rotierenden Sensorsystems richtig zu interpretieren sind.
Bearbeitungsversuche haben die Funktionalität des Systems und die Verifizierung der Anforderungen bestätigt. In spezifischen Versuchen konnten zudem die theoretischen Grundlagen validiert werden. Das sensorische Spannfutter liefert Mehrwerte sowohl für den Dauerbetrieb als auch den kurzzeitigen Einsatz
Aktualisiert: 2021-03-18
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Sensorintegrierte Bauteile erfassen Kräfte und Drehmomente, die in einer Maschine oder generell in einem lasttragenden System wirken. Dadurch können Anlagen sicherer betrieben, Wartungsbedarfe besser geplant und die dahinterliegenden Prozesse besser verstanden und kontrolliert werden. Die bisher aus der Messtechnik bekannten Sensorkonzepte weisen aufgrund der vornehmlich von außen aufgebrachten Sensoren prinzipbedingt eine nur geringe Robustheit auf.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Umformprozess ausgelegt, der eine effiziente Herstellung von robusten, sensorintegrierten Rohrstrukturen erlaubt. Zur Prozessauslegung des vorgestellten Rundknetprozesses wird zu Beginn ein numerisches FE-Modell vorgestellt. Die erzeugten Strukturen zeichnen sich durch eine glatte Außenkontur und konstante Wandstärke aus, sodass die Bauteilfestigkeit der Strukturen nicht vermindert wird. Im Inneren der sensorischen und weiterverarbeitbaren Rohrhalbzeuge befinden sich in-situ vorgespannte Kraft- und Drehmomentsensoren, sowie eine drahtlose Messelektronik. Die Erfassung der wirkenden Belastungen noch während der Herstellung ermöglicht zusätzlich, Maßnahmen zur Sicherstellung der sensorischen Bauteileigenschaften umzusetzen.
Dazu zählt die geregelte Einstellung des Messbereichs durch einen prädiktiven Regler, die Prozessüberwachung durch den Sensor selbst, sowie die Kalibrierung des Bauteils während seines Herstellungsprozesses. Durch diese Maßnahmen können nachgelagerte Prozessschritte, wie z. B. das Kalibrieren auf einer externen Kalibrieranlage, eingespart werden.
Die im Rahmen der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern somit einen Beitrag für die Auslegung von Prozessketten sensorintegrierter Strukturen unter dem neuen Aspekt der Sicherstellung der sensorischen Bauteileigenschaften.
Aktualisiert: 2020-11-05
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Durch Kenntnis der Prozesskräfte können Anwendungen zur Prozessregelung und Fehlerkompensation in Zerspanprozessen entwickelt werden. In dieser Arbeit wurde ein sensorischer Spindelschlitten für eine Fräsmaschine zur maschinen-integrierten Kraftmessung entwickelt und erforscht. Die Kraftmessung wurde durch die Integration von Dehnungsmessstreifen in die Schlittenstruktur realisiert. Hierfür wurden Methoden zur Sensorintegration und zur Sensitivitätssteigerung erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Dehnungsmessstreifen eine genaue Kraftmessung ohne Beeinträchtigung der Struktursteifigkeit prinzipiell möglich ist. Anschließend wurde das Einsatzpotenzial des realisierten Kraftmesssystems anhand einer Online Detektion und Kompensation der kraftbedingten Werkzeugabdrängung in der Fräsbearbeitung erforscht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die entwickelten Kompensationsansätze eine signifikante Verbesserung der Fertigungsqualität möglich ist.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Durch Kenntnis der Prozesskräfte können Anwendungen zur Prozessregelung und Fehlerkompensation in Zerspanprozessen entwickelt werden. In dieser Arbeit wurde ein sensorischer Spindelschlitten für eine Fräsmaschine zur maschinen-integrierten Kraftmessung entwickelt und erforscht. Die Kraftmessung wurde durch die Integration von Dehnungsmessstreifen in die Schlittenstruktur realisiert. Hierfür wurden Methoden zur Sensorintegration und zur Sensitivitätssteigerung erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Dehnungsmessstreifen eine genaue Kraftmessung ohne Beeinträchtigung der Struktursteifigkeit prinzipiell möglich ist. Anschließend wurde das Einsatzpotenzial des realisierten Kraftmesssystems anhand einer Online Detektion und Kompensation der kraftbedingten Werkzeugabdrängung in der Fräsbearbeitung erforscht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die entwickelten Kompensationsansätze eine signifikante Verbesserung der Fertigungsqualität möglich ist.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Der Betrieb von Hobel- und Kehlmaschinen in der Holzindustrie ist durch ein manuelles Wechseln der Werkzeuge sowie der darin eingesetzten Werkzeugschneiden geprägt. Dies stellt insbesondere bei der typisch hohen Werkzeugmasse und der vergleichsweise hohen Drehzahl ein Risiko für die Maschine und den Bediener dar. Diese Arbeit beschreibt dazu die Integration von Sensoren in den rotierenden Teil der Werkzeugspindel zur Erfassung unwucht- und prozessbedingter Belastungen. Dazu wird die gesamte Messkette, also von der Energieversorgung über die Sensorik bis hin zur Messwertanalyse, sowie die mechanischen Eigenschaften der Spindelwelle betrachtet.
Aktualisiert: 2019-03-15
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Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden zur Entwicklung und Herstellung axialsymmetrischer Tragstrukturen mit umformtechnisch gefügten Kraftsensoren aufgestellt und validiert. Durch eine übertragbare Vorgehensweise entstehen standardisierbare Tragstrukturen, welche neben ihrer bestimmungsgemäßen Aufgabe, Lasten ohne mechanische Beeinträchtigung zu tragen, die Traglasten sicher detektieren.
Derartige sensorische Tragstrukturen zeichnen sich durch die strukturkonforme Integration von Sensoren aus. Bei der Herstellung wird ein Sensorkörper oder monolithisches Funktionsmaterial parallel zu einer rotationssymmetrischen Tragstruktur konzentrisch im Kraftfluss eingebracht. Durch die gemeinsame Gestaltung von Sensorkomponente, Tragstruktur und dem Fügeprozess entsteht eine Synthese sensorischer und mechanischer Eigenschaften. Somit eröffnen sensorische Tragstrukturen die Möglichkeit, Standardkomponenten von Maschinen, Anlagen und Bauwerken wirtschaftlich um eine Zustandsüberwachung zu ergänzen. Weiterhin ermöglicht der robuste Aufbau mit der empfindlichen Sensorik im Inneren der Tragstruktur den Einsatz dieser neuartigen Sensorik auch in einer rauen Umgebung.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Die weltweite Wachstumsdynamik und der damit verbundene stetig steigende Energiebedarf führen zu stark steigenden Energiepreisen. Hieraus resultiert eine immer größere Bedeutung für eine effiziente Lagerstättenausnutzung zur Gewinnung von Energierohstoffen und zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Prozesskette der Energiegewinnung. Einen Beitrag hierzu sollen die Fortführung der Automatisierung des Schaufelradbaggers im Braunkohlentagebau sowie die Qualitätssteigerung der gesamten fördertechnischen Prozesskette liefern. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Integration eines Sensorsystems in den Schaufelradbagger vorgestellt, womit die Basis für die Überführung der manuellen Material- und Trennflächenerkennung in ein automatisches Verfahren durch Sensoren gebildet wird. Als Ergebnis der Arbeit konnten erstmals Georadar- und Geoelektrik-Sensorsysteme in eine Schaufel am Schaufelradbagger implementiert und entsprechende Messungen während des Förderbetriebs durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass die im Braunkohlentagebau vorkommenden Materialarten klassifiziert und die Trennflächen in bestimmten Bereichsgrenzen detektiert werden können.
Aktualisiert: 2019-10-17
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