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Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der komplexen Belastungssituation beim Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression von Karton innerhalb geeigneter Ersatzversuche und deren Validierung mit Hilfe eines empirischen Models. Das Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression stellt eine Möglichkeitzur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörpern mit hohem Umformgrad aus naturfaserbasierten, flächigen Halbzeugen mit geringem Vorfertigungsgrad dar.Aufbauend auf der Darstellung und Abgrenzung des Umformverfahrens werden relevante Prozessgrößen und deren Charakterisierung durch geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Wissenschaft recherchiert und bewertet. Zudem werden Möglichkeiten erörtert, die Ergebnisse der Ersatzversuche mit den Daten aus dem Umformverfahren zu vergleichen. Aus den technischen und wissenschaftlichen Defiziten ergibt sich die Zielsetzung und weitere Vorgehensweise dieser Arbeit.Zur Lösung der Problemstellung werden den identifizierten Prozessgrößen geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Technik zugeordnet bzw. neue Ersatzversuche entwickelt und im Rahmen eines modularen Versuchsstandes technisch umgesetzt. Zur Vorbereitung der experimentellen Analyse der ausgewählten Ersatzversuche werden Referenzversuche mit dem Umformverfahren innerhalb festgelegter Parametergrenzen durchgeführt. Bei der anschließenden Durchführung der Ersatzversuche wird vor allem die Verlässlichkeit der Ergebnisse berücksichtigt, indem die Anzahl der Versuche jeder Versuchsreihe an die Ergebnisauswertung angepasst wird.Durch die Modifikation des Umformverfahrens können die Ergebnisse der Ersatzversuche innerhalb eines stufenweise komplexer werdendes, empirischen Modelsmit denen des Referenzversuchs verglichen und bewertet werden. Die Charakterisierung der Prozesskraftkomponenten wird für vier faserbasierte Materialien durchgeführt,die teilweise mit einer polymeren Funktionsschicht ausgestattetsind.Abschließend werden die Ergebnisse dies, The purpose of this thesis is to present a newly developed method to investigate thecomplexload situation during the deep-drawing of paperboard within suitable substitute tests and its validation withinan empirical model.Deep drawing with direct compression represents analternativefor the production of three-dimensional traysfrom natural, fiber-based materials with a low degree of prefabrication.Based on the definition and description of the deep-drawing process within the literature, relevant process forces and associated substitute tests are identifiedand discussed. In addition, approachesare discussed to compare the results of the substitute tests with the data from the deep-drawingprocess. The objective and further procedure of this thesisresults from the technical and scientific deficits.The approach of this thesisis it to present a new, modular testing rig based on the substitute test which were chosen from the literature or were newly developed.In preparation ofthe experimental analysis of the selected substitutetests, reference tests are carried out with the forming process within specified parameter limits. In the subsequent implementation of the substitutetests, the reliability of the results is consideredabove all by adapting the number of tests in each test series parallel to the evaluation of the results. By modifying the forming process, the results of the substitute tests can be compared and evaluated with those of the reference test within an empirical model that becomes progressively more complex. The characterization of the process force components iscarried out for four fiber-based materials, some of which are equipped with a polymer functional layer.Finally, the results of this work are summarized,and the following research approaches are derived from them. more...

This paper presents a new approach for characterizing heat sealing processes in packaging machines, which identifies all appropriate and optimum sealing parameters subject to given quality criteria. The presented approach is distinct from established methods, such as heat seal curves or response surface plots, in three aspects: It provides an easy-to-read chart indicating optimum and appropriate settings of sealing temperature and dwell time, as well as process robustness for each parameter set. The data points of the charts are generated directly from experiments without using any regression model. The design of experiments features a determinate sequence of tests and no iterative loops are necessary. The approach stems from a ‘trade-off’ model of heat sealing and a specific multi-objective optimization method. This trade-off model states that improving seam quality, reducing sealing temperature, reducing dwell time, and increasing process robustness are conflicting objectives. This hypothesis is deduced from a literature review and verified by experiments. The optimization method claims that all optimum sealing parameters are part of the solution of a multi-objective optimization problem, the Pareto-frontier. This hypothesis is elaborated into a design of experiments using the normal-boundary-intersection method, and is verified using a peelable seam and tear seam scenario. more...

Die geometrischen Abmessungen von Lebensmitteln werden auf eine für den Verzehr geeignete Größe reduziert. Für diesen Vorgang wird oft das Zerschneiden der Lebensmittel zur Anwendung gebracht. Neben der manuellen Ausführung des Schneidens durch den Endkonsumenten oder den Betrieb des Lebensmittelhandwerks wird in der industriellen Konsumgüterproduktion das Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten und relativ hoher Ausbringung von Maschinen umgesetzt. Mit den hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten gehen Herausforderungen einher, die vor allem auf das visko-elastische Verhalten der Lebensmittel und das geschwindigkeitsabhängige Verhalten der Wirkpaarung aus Messer und Schneidgut zurückzuführen sind. Auftretende Probleme sind Oberflächenschäden an der Schnittfläche in Form von Ausbrüchen, Deformationen und im Extremfall Denaturierungen. Für die Deformation und die Denaturierung ist das Reibungsverhalten der Wirkpaarung entscheidend, weshalb in dieser Arbeit eine Methode zur besseren Charakterisierung des Reibungsverhaltens beim Schneiden entwickelt und in Experimenten zur Anwendung gebracht wird. Als Basis wird ein Modell zur Abbildung der relevanten Größen entworfen, welches auf Modellen aus dem Schneiden von Lebensmitteln und Metallen aufbaut. Zur Anwendung des Modells wird ein Ablauf zur Auswertung von Schneidkraftverläufen entwickelt. Zur Prüfung der Methode werden Schneidversuche mit verschiedenen Geschwindigkeiten, Messerbeschichtungen und Schneidgütern durchgeführt. Aus Permutationen dieser Versuchsparameter gehen verschiedene Wirkpaarungen hervor, für deren Schneidkraftverläufe die entwickelte Methode zur Anwendung gebracht wird. Im Ergebnis stehen Kennwerte jedes durchgeführten Schnitts, welche das Schneidverhalten charakterisieren, zur Verfügung. In genormten Experimenten werden mechanische Kennwerte der Schneidgüter und Reibungskennwerte der Messeroberflächen bestimmt und mit den Kennwerten der Methode statistisch abgeglichen. Abschließend wird die entwickelte Me, The geometric dimensions of foods need to be reduced to a size suitable for consumption. Cutting of food is often brought to application for this purpose. In addition to the manual execution of cutting by the consumer, cutting is implemented in industrial consumer goods production at high speeds and relatively high output rates of the machines. The high processing speeds are accompanied by challenges, which are mainly due to the visco-elastic behavior of the food and the speed-dependent behavior of the active pairing consisting of knife and material to be cut. Emerging problems are surface damage on the cut surface in the form of chipping, distortion and denaturation. The frictional behavior of the active pairing is decisive for the deformation and denaturation. Therefore a method for better characterization of the frictional behavior during cutting is developed in this work and applied in experiments. A model representing the relevant variables builds the basis, which is derived from models for cutting of foodstuffs and metals. A procedure for evaluating cutting force curves is developed in order to apply the model. Cutting tests with different speeds, knife coatings and cutting materials are carried out to test the newly developed method. The permutations of these test parameters give rise to various active pairings. For cutting force curves of these generated pairings the developed method is applied. In the results characteristic values of each performed cut are presented. They characterize the cutting behavior of the active pairing. Mechanical parameters of the cutting materials and friction parameters of the knife surfaces are determined in accompanying standardized experiments and statistically compared with the parameters of the method. Finally, the developed method and the significance for processing technology are discussed in relation to the standardized parameters. more...

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zum ultraschallunterstützten Ziehen von Karton. Beim Ziehen wird ein Kartonzuschnitt mit einem Stempel durch eine Matrize gezogen und so ein einseitig offener Hohlkörper hergestellt, ähnlich wie beim Tiefziehen von Metall. Die Ziehwerkzeuge sind üblicherweise beheizt, um die Umformeigenschaften des Kartons durch Wärmeeintrag zu verbessern. In dieser Arbeit werden die Werkzeuge jedoch als Ultraschallsonotroden ausgeführt, da beim Metalltiefziehen durch Ultraschallwerkzeuge Verbesserungen der Prozessführung und des Tiefziehteils erreicht wurden. Die Erkenntnisse aus dem Metallbereich können jedoch nicht ohne weitere Forschung übernommen werden. Vor der Entwicklung der Ultraschallwerkzeuge werden in dieser Arbeit daher zunächst Lücken im Stand der Wissenschaft und Technik geschlossen bezüglich der Wirkungen von Ultraschallschwingungen auf Karton. Hierzu wird der Druck im Spalt zwischen den Ziehwerkzeugen ermittelt. Anhand der Druckmessung wird ein Beitrag geleistet zur Ermittlung der Erwärmung von Karton in Kontakt mit Ultraschallsonotroden, der Glättung der Oberfläche von Ziehteilen durch Ultraschall und der Beeinflussung der Stabilität von Ziehteilen durch Ultraschall. Mithilfe dieser Forschungsergebnisse werden die Werkzeugsonotroden ausgelegt und ein Versuchsträger entwickelt, mit dem die Erforschung des Prozesses in einem breiten Parameterraum möglich ist. Die Ergebnisse beim Ziehen mit beiden Werkzeugvarianten werden anhand von Kenngrößen der hergestellten Ziehteile verglichen. Dabei handelt es sich um die maximal erreichbare Ziehteilhöhe, die erreichbare Stabilität gegen axiale Stauchbelastung, die erreichbare Oberflächenrauheit und die erreichbare minimale Formabweichung. Für die Bestimmung der Formabweichung wird auf ein bekanntes Verfahren zurückgegriffen und für die übrigen Kenngrößen werden in dieser Arbeit neue Messverfahren entwickelt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Ultraschal, The subject of this work is the development of a process for ultrasonic assisted deep-drawing of cardboard. In deep-drawing, a cardboard blank is drawn through a die with a punch, thus producing a hollow body open on one side, similar to the deep-drawing of metal. The drawing dies are usually heated to improve the forming properties of the cardboard by heat input. In this work, however, the dies are ultrasonic sonotrodes because improvements in process control and drawn part have been achieved in metal deep-drawing using ultrasonic tools. Nevertheless, the knowledge gained in the metal field cannot be adopted without further research. Therefore, prior to the development of ultrasonic tools, this work first closes gaps in the state of science and technology regarding the effects of ultrasonic vibrations on cardboard. For this purpose, the pressure in the gap between the drawing dies is determined. Based on the pressure measurement, statements can be made on the heating of cardboard in contact with ultrasonic sonotrodes, the smoothing of the surface of drawn parts by ultrasound and the influence of ultrasound on the stability of drawn parts. Based on these research results, the tool sonotrodes are designed and a teststand is developed, which allows the process to be explored in a wide parameter space. The results of drawing with both toolvariants are compared on the basis of parameters of the produced drawn parts. These are the maximum achievable drawn part height, the achievable stability against axial compression, the achievable surface roughness and the achievable minimum form deviation. For the determination of the form deviation, a known method is used, and for the other parameters, new measurement methods are developed in this work. In summary, it can be stated that ultrasonic vibrations can be used to produce high-quality molded parts, with particular emphasis on the achievable surface smoothness. more...

Stark formbare Wabenkerne als Kernschicht geformter Sandwichbauteile finden in vorteilhafter Ausführung bisher lediglich Verwendung in kostenintensiven Anwendungen mit hoher Leistungsklasse. Für eine weite Verbreitung der kombinierten Leichtbauweise fehlen bisher kostengünstige Wabenkerne, die die Formung schadlos überstehen und so ihre Verbundeigenschaften auch im geformten Bauteil aufweisen. Die vorliegende Arbeit befasst sich zunächst mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines formbaren Papierwabenkerns mit vorgegebener Zellstruktur. Nach dem Funktionsnachweis erfolgt ein Anforderungsabgleich, welcher zeigt, dass eine kostengünstige Herstellung nicht realisierbar ist. Nach Diskussion folgt der Entschluss, den größtmöglichen iterativen Schritt beim Konstruktiven Entwicklungsprozess zu gehen und das gesamte Verfahren als nicht anforderungsgerecht einzustufen. Zugleich wird die vorgegebene Zellstruktur hinterfragt. Darauf basierend erfolgt eine umfangreiche Recherche zu Wabenkernherstellungsverfahren und formbaren Wabenkernen. Aus Letzterem werden sieben Gestaltungselemente abgeleitet, die zur Formbarkeit führen. Mit dieser Kenntnis wird der Entwicklungsprozess erneut durchlaufen. Die Zellstruktur ist dabei nicht definiert, sondern lediglich die zu erzielenden Eigenschaften, wodurch eine möglichst geeignete Produkt-Verfahrenskombination ermittelt werden soll. U. a. resultiert ein Flexibilisierungsverfahren, bei dem gängige Hexagonalwabenkerne aus Papier in einem zusätzlichen Schritt umgeformt werden und so die geforderte Formbarkeit erlangen. Nach der Entwicklung und dem Funktionsnachweis mit einer Prototypenmaschine erfolgt die Weiterentwicklung des Verfahrens. Mit einer Laborversuchsmaschine werden wesentliche Steuergrößen ermittelt, das Wirkprinzip diskutiert, ein erstes Verarbeitungsspektrum erprobt sowie ein Verfahren zur optischen Erfassung von Wabenkernzellstrukturen entwickelt. Letzteres dient der Charakterisierung von Wabenkernen und, spezie more...

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Synthese und Umsetzung optimaler Bewegungen in Verarbeitungsmaschinen. Bewegungen werden zur Steuerung von Arbeitsorganen eingesetzt und müssen im Rahmen einer Maschinenentwicklung synthetisiert werden. Sowohl die Qualität der Bewegung als auch deren Umsetzung hat wesentlichen Einfluss auf den Erfolg des Verarbeitungsprozesses sowie auf die tatsächliche Maschinenausbringung. Besondere Beachtung wird bei der Methodenentwicklung auf den Aspekt der einstellbaren Drehzahl einer Verarbeitungsmaschine gelegt. Aufbauend auf einer Darstellung sowie Abgrenzung des wissenschaftlichen Fachgebietes werden die spezifischen Anforderungen an Bewegungen in modernen Verarbeitungsmaschinen diskutiert. In diesem Zusammenhang werden die in Wissenschaft und Technik bekannten Methoden und Vorgehensweisen demonstriert, ihre Vor- und Nachteile diskutiert sowie deren Anwendungsgrenzen ermittelt. Diese Grenzen betreffen im Wesentlichen die bisher vernachlässigte Drehzahlabhängigkeit optimaler Bewegungen, welche den effektiven Drehzahlbereich limitiert und mithin auch die Maschinenausbringung. Hieraus ergibt sich die technisch-wissenschaftliche Problemstellung, zu deren Lösung diese Arbeit beitragen soll. Zur Lösung der Problemstellung werden Beispiele von Verarbeitungsaufgaben diskutiert, bei denen drehzahlabhängiges Verhalten festzustellen ist und welches Einfluss auf die Ausbringung der Verarbeitungsmaschine hat. Aus dieser Analyse resultiert die Auswahl der Verarbeitungsaufgabe Fluidtransport als repräsentatives Beispiel, das auf Grund seiner Eigenschaften zur Demonstration aller Überlegungen und Methoden geeignet ist. Grundlage für die Bewegungsoptimierung, die die Lösung der Bewegungsaufgabe für verschiedene eingestellte Drehzahlen liefert, ist ein valides Prozessmodell, das zur Beantwortung prozessspezifischer Fragestellungen befähigt. Auf Grundlage von in Experimenten gewonnenen Informationen werden Prozessmodelle unter Ber, Subject of this thesis is the development of methods for the synthesis and implementation of optimal motions in processing machines. Motions are used to control working tools and have to be synthesized during a machine development. The quality of the motion as well as its implementation has a significant influence on the success of the process as well as on a machines effective output range. Special attention is paid to the aspect of the adjustable operating speed of the processing machine during the development of methods. The specific requirements for motions in modern processing machines are discussed based on a description and delimitation of the scientific field. In this context the methods and procedures known in science and technology are demonstrated, their advantages and disadvantages are discussed and their application limits are determined. These limits mainly concern the so far neglected speed dependency of optimal motions, which limits the effective speed range and consequently also the machine output. This results in the technical-scientific problem definition, to whose solution this thesis shall contribute. For this purpose, examples of processing tasks are discussed, where speed-dependent behavior can be determined and which influence the output of the processing machine. This analysis results in the selection of the processing task fluid transport as a representative example, which is suitable for demonstrating all considerations and methods due to its properties. The basis for the motion optimization, which allows the solution of the motion task for different set speeds, is a valid process model that is capable of answering process-specific questions. On the basis of information obtained in experiments, process models are derived taking into account the variable speed as well as format size. The corresponding model limits are determined. With the help of these models, optimal motions are determined using the optimal control method, whereby their ro more...

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Metadatensystematik zur Ausarbeitung der wesentlichen Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten von Verarbeitungsmaschinen und -anlagen. Sie dient als Grundlage, um Erkenntnisse aus verschiedenartigen Prozess- und Betriebsanalysen zu ziehen und somit das Wissen über die vorherrschenden Verarbeitungsvorgänge zu vergrößern. Die Metadaten werden als Einflussgrößen, die im Rahmen einer Betriebsanalyse ergänzend erfasst und verarbeitet werden können, definiert. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines ganzheitlichen Modellansatzes zur Erarbeitung der Einflussarten auf das Verhalten eines Maschinensystems. Dieses Modell bildet die Grundlage für die Metadatensystematik. Für die Erstellung der Systematik findet eine Klassifikation und eine Kategorisierung der Metadaten statt. Anschließend wird eine Metadatenerfassungsprioritätszahl eingeführt, welche eine Abschätzung der Erfassungsrelevanz der einzelnen Metadaten ermöglicht. Des Weiteren werden Empfehlungen zur Verarbeitung der Daten gegeben und ein Arbeitsablaufplan zur systematischen Vorbereitung einer Metadatenerfassung vorgestellt. Die Metadatensystematik soll dabei helfen, die Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten systematisch zu erfassen, Daten verschiedener Prozessanalysen zu vergleichen und das Verständnis sowie die Interpretation der Kennzahlen eines Maschinensystems zu fördern.:Kurzfassung I Abstract I Symbolverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis VII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielsetzung und Lösungsansatz 2 1.3 Aufbau der Arbeit 2 2 Stand der Wissenschaft und Technik 5 2.1 Einführung der Wissenshierarchieebenen 5 2.1.1 Differenzierung zwischen Zeichen, Daten, Informationen und Wissen 5 2.1.2 Differenzierung zwischen Basiszahlen und Kennzahlen 5 2.1.3 Allgemeine Definition von Metadaten 6 2.2 Grundlagen der Betriebsanalyse 6 2.2.1 Definition des Betriebsverhaltens von Verarbeitungsanlagen 6 2.2.2 Zwecke und Ziele einer Betriebsanalyse 7 2.2.3 Arten von Betr more...