Forschung und Entwicklung im Labor für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

Eine Firma aus dem Münsterland befasst sich schon seit längerer Zeit mit dem Thema, den direkten Fingerkontakt bei der Bedienung eines Touchscreens oder Tastaturen an öffentlich zugänglichen Automaten zu unterbinden. Hierzu bestand die Idee, einen Automaten zu entwickeln, der eine Art Schutzhülle für die Bedienfinger zur Verfügung stellen kann, die sich auf den Finger eines Menschen legen kann, um dann den öffentlich zugänglichen Touchscreen bedienen zu können.

Im Rahmen der Kooperation sind einige Analysen durchgeführt worden, die sich auf die Aufstellung einer Anforderungsliste zur möglichen Realisierung eines Ausgabeautomaten beziehen. Zudem wurden unterschiedliche Materialien untersucht, die möglicherweise eingesetzt werden können. Des Weiteren wurden

Möglichkeiten untersucht, wie der Bedienfinger mit einem solchen Material umhüllt werden kann. Zudem wurde untersucht, wie ein solches Material nach der Nutzung entsorgt werden kann. Abschließend ist ein solcher Automat im Rahmen einer Konzeptarbeit entwickelt worden. Alle Funktionen der Bereitstellung, Applikation sowie der Entsorgung des Fingertipp müssen dann automatisiert in einem Apparat vollzogen werden können. Dieser Automat wurde so konzipiert, dass er mit großer Zuverlässigkeit, einfacher Handhabbarkeit sowie hoher Akzeptanz der Nutzerpersonen den hygienischen Schutz gewährleisten kann. 

Ziel der Analyse war es, einen Überblick über die möglichen Materialien, Applikation und Entsorgung von Fingertipps zur hygienischen Nutzung von öffentlich zugänglichen Touchscreens und Tastaturen an Fahrkartenautomaten zu generieren. Weiteres Ziel war es, die Ergebnisse der Analyse in ein automatisierbares Gesamtsystem zusammenzufahren, um ein kompaktes und autonomes System entwickeln zu können. 

Das Projekt konnte erfolgreich Anfang 2023 beendet worden. Die Kooperationsfirma treibt aktuell das Projekt weiter und wird einen solchen Automaten zur Serienreife bringen.

Die Kooperation zwischen der FH Münster und der Firma Enapter AG umfasst insgesamt einige Arbeitspakete. In Zusammenarbeit mit dem Labor für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik werden zwei wesentliche Inhalte weiterentwickelt. Zum einen ist es die Handhabung von Bauteile und Komponenten der gepackten Zelleinheit zur Erzeugung des Wasserstoffs. Zum anderen ist es die Endmontage des gesamten Elektrolyseurs.

Handhabung einer Membran zur automatisierten Montagelinie

Ein Teilbereich der Fertigung für AEM-Elektrolyseure besteht in der automatisierten Montage des Stacks, der gepackten Zelleinheit. Wesentlicher Bestandteil dieser Stacks sind Membrane. Die einzelne Membran dient zum Transport des Wasserstoffs und ist damit essenziell für die Funktion. Die Aufgabe besteht in der Handhabung dieser Membranen bis zum einbaufertigen Zustand. Dabei gelten die besonderen Eigenschaften der Membran zu berücksichtigen und ein Konzept zur automatisierten Fertigung und Montage zu konzipieren und als Prototyp zu realisieren.

Entwicklung zur flexiblen Endmontagestation

Ein weiterer Teilbereich des Projektes beschäftigt sich mit der automatisierten Endmontage des Elektrolyseurs. Die Planung der Endmontage beginnt mit dem Projektstart und muss daher flexibel gestalten werden, um auf Konstruktionsänderungen reagieren zu können. Bei der Konzipierung der Endmontage muss daher viel Erfahrung und Expertise eingebracht werden. Hierzu wird eine erste prototypische Montagestation aufgebaut, damit hier digital und automatisiert unterstützt die Elektrolyseure komplett zusammengebaut werden können. Wesentlicher Fokus liegt auch auf der flexiblen Montage der Komponenten, da wir besonders zu Beginn des Projektes einige Änderungen am Design der Montageeinheiten zu erwarten sind.

Leicht recyclingfähige, energie- und lebensdaueroptimierte Werkstoffe, die zur Vermeidung gesundheitlicher oder ökologischer Belastungen sowie zur Minimierung des Verbrauchs fossiler Primär-energie beitragen, stellen tragende Säulen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft dar. Vor allem im weltweit wachsenden Verkehrssektor sind innovative Lösungskonzepte dringend erforderlich, um den enormen Verbrauch von Material- und Energieressourcen zu reduzieren.

Übergeordnetes Gesamtziel des Projektes ist die Bereitstellung von Aluminium Matrix Composites (AMC)-Bremssystemen, die gravierende Verbesserungen in den Bereichen Umwelt-, Gesundheits- und Klimaschutz durch signifikante Reduktion von CO₂- und Feinstaubemissionen sowie durch Ressourcenschonung ermöglichen. AMC-Bremssysteme stellen eine vielversprechende, weltweit benötigte Zukunfts-technologie dar, die für den Produktionsstandort Deutschland erschlossen werden und neue Arbeitsplätze schaffen soll.

Im Rahmen dieses Projektes wird im Labor für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik ein Prüf- und Versuchsstand aufgebaut, auf dem unterschiedliche Werkstoff- und Schmierfilmkombinationen untersucht werden. Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern innerhalb der FH Münster sowie aus der Industrie (DTS GmbH - Diamond Tooling Systems, BREMSKERL-REIBBELAGWERKE und Mercedes-Benz AG) den Verschleiß an solchen Bremssystemen zu minimieren.

Im Rahmen einer Kooperation mit einem Automobilhersteller haben wir die Außenhaut / Karosserie eines mehrerer Automobile eingescannt, um die erzeugten Daten mit den Design-Daten vergleichen zu können. Dies ist ein allgemein gängiges Verfahren, das auch auf andere Bauteile und Komponenten angewendet werden kann. Besonders im Ersatzteilgeschäft vor allem im Oldtimer-Bereich ist dies ein beliebtes Werkzeug, um verloren gegangene Daten für eine Computer-unterstützte Weiterverarbeitung nutzen zu können.

Eine mittelständische Firma aus dem Münsterland hat einen CoBot UR10e mit einer Reichweite von 1300mm. Eine Aufgabe bestand darin, diesen UR10e in die Produktion einzugliedern, um damit Schweißarbeiten zu automatisieren. In einer ersten Analyse, die von der FH Münster durchgeführt wurde, sind bereits Baugruppen ausgewählt worden, die für die automatisierten Schweißarbeiten geeignet sind. Im Rahmen der Analyse wurden zudem verschiedene Vorrichtungen entwickelt, die für einen Einsatz des CoBots einsetzbar sind. Bei der Auswahl der Baugruppen und der Gestaltung der Vorrichtungen wurde das Hauptaugenmerk auf die Erreichbarkeit der verschiedenen Schweißnähte gelegt.

Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, der mittelständischen Firma bei der Umsetzung dieses Projektes entscheidend zu unterstützen. Die Schweißvorrichtungen wurden so weiterentwickelt, dass ein automatisierter Schweißprozess mit dem CoBot realisiert werden konnte. Darüber hinaus ist der automatisierte Ablauf dieser Schweißprozesse an unterschiedlichen Bauteilen neu programmiert worden. Hierzu wurde im ersten Schritt eine Neudefinition der Schweißreihenfolge der vorhandenen Schweißnähte notwendig. Dabei sind sowohl die Anforderungen in Bezug auf die Lage und Anzahl der Schweißnähte als auch die jeweiligen Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Form- und Lagetoleranzen beachtet worden. Im Zuge dessen sind auch die Schweißparameter (Vorschub, Gasmenge, Werkstoff, etc.) betrachtet und angepasst worden.

Für das mittelständische Unternehmen aus dem Münsterland ergeben sich durch den mittlerweile im Fertigungsprozess integrierten Schweiß-CoBot eine Vielzahl von Vorteilen. Vorrangig haben sich die Schweißzeiten um 50 % verringert. Dies bedeutet gleichzeitig ein Vorteil in den Fertigungskosten. Darüber hinaus werden höhere Schweißnahtgüten erzielt, was die Bauteilqualitäten wesentlich verbessert. Auch die Nacharbeiten an den Schweißbaugruppen haben sich erheblich reduziert. Fehlende Facharbeiter können so zumindest um einen gewissen Anteil kompensiert werden. Somit ergibt sich durch dieses innovative Projekt ein Wettbewerbsvorteil für die Firma.

Projektarbeit von Johannes Schaten

Werkzeugmaschinen gehören zu den bedeutendsten Produktionsmitteln der Industrie, vor allem in der Metallverarbeitung. Dabei nimmt die Industrienation Deutschland eine führende Rolle in der Produktion von Werkzeugmaschinen ein. Aus dem Grund ist es auch heute noch wichtig, dass Maschinenbaustudenten die Anwendungsbereiche und Möglichkeiten solcher Maschinen kennen. Deshalb werden den Studierenden der FH Münster, in Fächern wie Fertigungsverfahren und Werkzeugmaschinen, die Fertigungsprozesse, wie auch die messtechnische Untersuchung und die Konstruktion von Werkzeugmaschinen vermittelt. Dabei bekommen die Studenten im Labor für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik die Möglichkeit, praktisch an unterschiedlichen spanenden Werkzeugmaschinen zu arbeiten. Sie lernen, wie die Zerspanungsprozesse ablaufen und wie die Maschineneigenschaften einer Werkzeugmaschine messtechnisch ermittelt werden. Das geschieht zum einen an einem Drehfräszentrum der Firma DMG MORI und einem Bearbeitungszentrum der Firma AXA. Diese beiden Maschinen sollen durch eine weitere Fräsmaschine mit einem anderen Bauraum ergänzt werden.
Für die entsprechende Fräse ist im Rahmen einer studentischen Arbeit ein Vorentwurf erstellt worden. Diese Arbeit baut auf dem Vorentwurf, aus der vorangegangenen studentischen Arbeit, auf. Die Fräse wird dabei so entworfen, dass einzelne Bestandteile von den Studenten ausgetauscht werden können. Damit bekommen die Studenten die Möglichkeit, die Eigenschaften einer Maschine selbstständig zu ändern. Die Konstruktion wird so umgesetzt, dass die Studenten die maximal mögliche Sicht auf alle Komponenten bekommen, um so ein bestmögliches Verständnis über die Funktionsweise einer Fräse zu erlangen.
Inzwischen ist diese Fräse aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Weitere Entwicklungsschritte werden noch erfolgen, um die Horizontalfräse für ergänzende Praktika innerhalb der Lehre für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen eingesetzt zu werden.

Projektarbeit von Raoul Höller:

Im Zuge der Alterung der Gesellschaft ist im Rahmen dieses Projektes eine Sitzhilfe entwickelt und gebaut worden, die es ermöglicht, den Vorgang des Hinsetzens und wieder Aufstehens aktiv zu begleiten und zu unterstützen. Die grundsätzliche Überlegung ist, eine Sitzfläche zu bieten, welche den natürlichen Bewegungen des Anwenders folgt und diesen hierbei krafttechnisch unterstützt, ist hierbei Ausgangpunkt für diese Entwicklung gewesen.
Folgende Hauptaspekte sind hierbei beachtet worden: Die eindeutige und nachvollziehbare Führung der Bewegung, um der Person Sicherheit und Schutz vor dem Hinfallen zu bieten. Das gleichzeitige "Hinsetzen & Heranschieben" und. "Aufstehen & Wegschieben" der Sitzmöglichkeit zur Vereinfachung des Prozesses. Die Schaffung von variablen und frei wählbaren Rastpositionen im Sitzvorgang, sowohl zur Schaffung von Möglichkeiten zum Innehalten und Ausruhen als auch zur individuellen Höheneinstellung, entsprechend dem Verwendungszweck sowie die gezielte und effektive Kraftunterstützung zur Erleichterung des Aufstehens und zur Erhöhung der Mobilität und Barrierefreiheit.

Als Ergebnis der Projektarbeit ist ein Sitzmöbel entstanden, welches von einer initialen Höhe der Sitzfläche von 650 mm, zum Hinsetzen die Absenkung dieser auf eine Sitzhöhe von 500 mm zulässt. Gleichzeitig soll in der Absenkbewegung ein "Heranrücken" erfolgen. Die Bewegung selbst wird hierbei durch ein Gelenk realisiert werden und einer für den Nutzer eine möglichst angenehmen, nachvollziehbaren und natürlichen Bewegungsbahn folgen. Zudem soll die Bewegung gezielt abgebremst, angehalten und dauerhaft arretiert werden können.
Grundsätzlich lässt die hohe Einstellbarkeit der Sitzhöhe einen modularen Einsatz des Möbelstückes zu. So kann dieses beispielsweise als regulärer Sitzstuhl vor Tischplatten, als Sitzhocker vor Stehtischen oder aber als Steh- und Lehnhilfe vor Bars genutzt werden.

Abschlussarbeit von Kushtrim Ibrahimi 

Im Rahmen dieses Projektes sind verschiedene Aspekte der AM und des Reverse Engineerings aufgezeigt worden. So waren die konkreten Aufgaben, die Erarbeitung der Potenziale von AM, die Generierung von CAD-Daten mittels 3D-Scanner, die Bearbeitung der Daten hin zu einem AM-Bauteil und die visuelle Darstellung anhand der Prozesskette. Es wurden die Potenziale der AM-Fertigung und des Reverse Engineering Prozesses dargestellt. Ein weiterer wichtiger Punkt sind die STL-Daten und die Flächenrückführung aus diesen Daten. Hier wurde gezeigt, wie die STL-Daten gewonnen werden, wie sie aufgebaut sind, welche Vor- und Nachteile diese haben und welche STL-Fehler auftreten können. Bei der Flächenrückführung sind drei mögliche Vorgehensweisen aufgezeigt und erläutert worden. Es wurde eine mögliche Prozesskette für das Reverse Engineering in der AM-Fertigung aufgezeigt, beschrieben und erläutert und für weitere Einsatzgebiete weiterentwickelt.

Abschlussarbeit von Christoph Schwenne 

Aufgabe der neu entwickelten Anwendung soll sein, vordefinierte Objekte auf einer kleinen kontrastreichen Fläche zu erkennen und zu lokalisieren ohne ein Referenzobjekt zu nutzen. Anschließend soll das erkannte und lokalisierte Objekt gegriffen werden können, um es zu einer anderen Position zu transportieren. Die Fläche soll im Gegensatz zum bereits erworbenen System nicht von einer vordefinierten z-Ebene abhängig sein. Wichtig ist zudem der Ansatz, das vorhandene System erweitern zu wollen und dies nicht in seinen Funktionsmöglichkeiten durch die neue Anwendung einzuschränken. Eine Vergleichbarkeit für die Objekterkennung und Objektlokalisierung stellt die bereits vorhandene Softwarelösung von Robotiq dar.

Projektarbeit von Florian Wilker und Dominik Boberg

Die Anwendungen von naturfaserverstärkten Kunststoffen reduzieren sich hauptsächlich auf die Automobilbranche. Um diesen Trend entgegenzuwirken und weitere mögliche Verwendungszwecke zu erschließen, wird die Herstellung eines Alltagsgegenstands aus naturfaserverstärktem Kunststoff (NVK) untersucht. Dabei wird darauf geachtet, dass der ausgewählte Alltagsgegenstand zuvor hauptsächlich aus Kunststoff hergestellt wird. Dadurch soll neben der Bewertung der Umsetzbarkeit ebenfalls die Integration von natürlichen statt künstlichen Materialien vorangetrieben werden.

Bei dem gewählten Alltagsgegenstand handelt es sich um eine Tablethülle. Die Digitalisierung führt dazu, dass in den Vorlesungen der Unis vermehrt Tablets zum Schreiben verwendet werden, sodass der gewählte Gegenstand unter anderem für Studenten stetig an Relevanz zunimmt. Gegen Kratzer und Schäden durch versehentliches Fallenlassen hilft eine stabile Hülle, die hauptsächlich aus Kunststoff gefertigt wird. Hier besteht die Chance, den Einsatz von natürlichen Werkstoffen, wie es bei naturfaserverstärkten Kunststoffen der Fall wäre, zu etablieren.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung einer Hülle für ein Tablet, welches vollständig aus NVK gefertigt wird. Dafür wird zuerst eine Recherche zum Thema Verfahren zur Herstellung von NVK-Produkten durchgeführt. Ein Verfahren kommt dann in diesem Projekt zum Tragen. Eine Anforderungsliste dient als Leitfaden, um den bestehenden Produkteigenschaften gerecht zu werden und eine Bewertung vorzunehmen. Zuletzt werden aus den gewonnenen Erkenntnissen Chancen und Problematiken für NVK-Produkte erläutert

Projektarbeit von Verena Schnur, Raoul Höller und Max Katzer

Oftmals werden Menschen mit Behinderung mit Ausgrenzung und einer geringen Akzeptanzbereitschaft seitens der Gesellschaft konfrontiert. Neben diesen zwischenmenschlichen Problematiken gibt es auch häufig Hindernisse im Alltag. Sei es das selbstständige Ein- oder Aussteigen in Busse oder Straßenbahnen, der Bahnhofzugang, wenn es keinen Aufzug gibt oder dieser außer Betrieb ist, das Einkaufen oder auch das Öffnen von nicht-automatischen Türen. Es gibt eine Vielzahl an Problematiken, die ein großes Verbesserungspotential aufweisen. In diesem Projekt wurde sich aber konkret mit der Thematik befasst, inwiefern Rollstuhlfahrer bei dem Transport von alltäglichen Gegenständen unterstützt werden können. Um den Transport zu ermöglichen, wurde die Konstruktion und Auslegung eines Rollstuhlanhängers thematisiert und umgesetzt. Die Faltbarkeit des Anhängers ermöglicht eine bessere Handhabung und weist Vorteile bei dem Verstauen auf. Aufgrund einer nutzergerechten Kupplungsmöglichkeit obliegt es dem Rollstuhlfahrer selbst, wann der Anhänger genutzt werden soll. Mittels dieser Transportmöglichkeit kann der Rollstuhlfahrer vollkommen selbstständig den Alltag bewerkstelligen.

Projektarbeit von Tim Teichert 

In diesem Projekt wird der Konstruktions- und Bauprozesses eines mobilen und kühlenden Party-Getränketowers beschrieben. Dieser soll vor allem auf Feiern im privaten Rahmen zum Einsatz kommen und für Verwunderung sowie Spaß bei den Gästen sorgen.

Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin einen möglichst günstigen, aber robusten Getränkekühler zu bauen. Dabei steht ein gewisser konstruktiver Aufwand im Fokus, um eine gute Haltbarkeit zu garantieren. Dazu soll es möglichst einfach beschädigte Bauteile auszutauschen und Modifikationen vornehmen zu können. Die Budgetgrenze für die Realisierung des mobilen und kühlenden Turms liegt bei 100€ an Zukaufteilen.

Im Verlauf des Projektes wird beschrieben, wie die Idee für den Turm entstanden ist. Im darauffolgenden Kapitel werden die Grundgedanken der Konstruktion erläutert. In diesem Zusammenhang wird außerdem näher auf die Umsetzung der Kühlung im Turm eingegangen. Kapitel 4 werden dann auf den Bau der Komponenten und die Umsetzung des Antriebs sowie der dazugehörigen Steuerung eingegangen. Abschließend wird ein Fazit formuliert, welches einen Rückblick auf das Projekt gibt und mögliche Verbesserungen aufzeigt.

Projektarbeit von Robert Wagner 

Die zum Einsatz in der Lehre am Markt angebotenen Fräsmaschinen lassen sich im wesentlichen in zwei Gruppen unterteilen, zum einen in manuelle bzw. teilautomatisierte Maschinen zum Einsatz in Ausbildungswerkstätten, zum anderen in hoch automatisierte Maschinen zur Aus- bzw. Fortbildung von CNC-Technikern. Unter letztgenannte fallen z.B. der CNC-Profitrainer von Heller oder die Concept Mill-Serie von Emco.

Nachteilig ist hierbei, dass die Maschinen zur CNC-Ausbildung oft nur über einen relativ kleinen Bearbeitungsraum verfügen und die anderen Maschinen auf robusten, aber auch Modellen mit in die Jahre gekommener Technik basieren. Da beide dieser Produktklassen in der einen oder anderen Weise die an die neue Maschine gestellten Forderungen nicht erfüllen, soll in der vorliegenden Arbeit das Konzept und der Grobentwurf einer solchen Maschine erarbeitet werden.

Ziel ist es, am Ende der Arbeit einen Überblick über die Hauptabmessungen und Dimensionierung der wesentlichen Komponenten wie Gestell, Führungen, Vorschub- und Hauptantriebe der Maschine, als auch über die voraussichtlichen Gestehungskosten zu erhalten.