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Markus Meier
Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen der Mechatronik und sind für Fortgeschrittene geeignet. Sie konzentrieren sich auf verschiedene Verfahren, Materialien wie Kunststoff und Metall, sowie die Konstruktion und Eigenschaften von Bauteilen. Besonders relevant sind Themen wie Steifigkeit, Verzug und die Vermeidung von Hinterschneidungen. Die Karteikarten richten sich an Ingenieure und Techniker, die ihr Wissen über die optimale Gestaltung und Fertigung von Kunststoff- und Metallteilen vertiefen möchten.
Karten
48
Lernende
1
Sprache
Deutsch
Kategorie
Mechatronik
Stufe
Andere
Erstellt / Aktualisiert
06.11.2013 / 12.11.2013

Lernkarten

Nennen Sie Schritte einer klassischen Produktentwicklung in der richtigen Reihenfolge

  • Idee
  • Planung/Definition
  • Konzeption
  • Entwicklung/Ausarbeitung

 Was passiert in der Konzeptionsphase?

  • Bewertung der Planung, Definition, Idee
  • Zieldefinition
  • Entwicklung Lastenheft

Was passiert in der Entwicklungs/Ausarbeitungsphase?

  • Entwurf/Design
  • Konstruktion
  • Berechnung

Jeweils von der Grob zur Feingestaltung, zur Berechnung, zur Bewertung (iterativ)

  • Erprobung - Abschließende Überprüfung; Dokumentation

Was ist eine Anforderungsliste? Woraus wird sie abgeleitet? 

Lastenheft (Auftraggeber) --- Pflichtenheft (Auftragnehmer) --- Anforderungsliste (Produkt)

Solleigenschaften des Produkts geteilt in Forderungen und Wünsche zur Vermeidung von Fehlentwicklungen

Kurze Beschreibung einer Werkstoffauswahl für einen Kunststoffbauteil ausgehend von der Anforderungsliste bis zum Einsatzmaterial. Wichtige Kriterien, Hilfsmittel? 

  1. Definition der Ausgangssituation: Anforderungsliste mit Forderungen (z.B. Schlagzähigkeit und Temperaturstabilität) und Wünschen (Farbe)
  2. Recherche mittels Datenbank nach passenden Materialien (Campus)
  3. Wirtschaftlichkeitsanalyse – Wanddicke, Fertigungszeit, SG-Bedingungen, Vorbearbeitung des Granulats, Angussabfäle ---- Durch Prototypen, Prüfkörper, Materialtests
  4. Klassifizierung der möglichen Werkstoffe und Einbezug externer Erfahrungen mit den jeweiligen Werkstoffen
  5. Definition material

 Was ist das Ziel einer guten Produktentwicklung und welche Möglichkeiten gibt es diese zu erreichen? Umsetzung der Wünsche?

  • Kurze Produktentwicklungszeit
  • Niedrige Produktentwicklungskosten
  • Produkt- und Prozessqualität erhöhen

Steigerung der Prduktentwicklungsqualität durch:

  • Simultaneuous Engineering
  • Informationsaustausch via Datenbank
  • Frühzeitige Definition der Konstruktionsmerkmale
  • Motivation der Teams

Was ist CAE und woraus setzt es sich zusammen?

  • Konstruktion (CAD)
  • Simulation mechanischer Beanspruchungen (FEM)
  • Strömungssimulation (CFD)
  • Thermische Simulation (FEM, CFD)
  • Qualitätssicherung (CAQ)
  • Fertigungsprozesssimulation (Mold Flow)

Was ist reverse Engineering?

  • Aus einem bestehenden Modell/Bauteil ( z.B. Plastik vom Designer) wird durch Digitalisierung ein CAD-Modell generiert.
  • Das CAD-Modell kann dann zur Weiterentwicklung des Produkts oder zur Konstruktiven Ausgestaltung eines ähnlichen Produkts genutzt werden.

Was ist eine 3D-Digitalisierung und wofür wird sie verwendet?

3D- Vermessung eines Objekts und Generierung digitalen Modells dieses Objekts

Das digitale Modell kann dann weiterverwendet werden:

  • Zur Konstruktion
  • Zur Kopie via NC oder RP
  • Zur QS durch digitale Vermessung

Was ist ein CT-Scan, wie funktioniert er und warum wird er eingesetzt?

Ist ein 3D-Scan mittels Röntgenstrahlen

  • Sichtbarkeit von Innenliegenden Strukturen
    • Zerstörungsfreies vermessen von innenliegenden Bauteilen
  • Verkürzung Produktentwicklungszyklus
    • Schnell
    • Hochgenau
    • Für Bauteile UND Baugruppen

Welche physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen kennen sie und welche sind für die Konstruktion eines tragenden Kunststoffteiles besonders wichtig? Warum?

  • Mechanische
  • Thermische
  • Optische
  • Elektrische
  • Tribologische

Für Tragende Teile v.A. Mechanische eigenschaften und ggf. je nach Umgebungsbedingnen Thermische und Chemische

Mechanische Eigenschaften:

  • Härte
  • Dichte
  • Festigkeit
  • Steifigkeit
  • Elastizität
  • Plastizität
  • Risszähigkeit
  • Schlagzähigkeit

Welche Schwierigkeiten entstehen bei der Werkstoffauswahl und welche Hilfsmittel stehen zur Verfügung?

  • Umsetzung der Anforderungen in (quantitative) Kennwerte (Größen)
  • Änderungen des Suchprofils durch neue Entwicklungen, zusätzliche Anforderungen
  • Unterschiedliche Prüfverfahren und Bedingungen bei Kennwertermittlungen (Datenblätter von zwei Herstellern)
  • Fehlen von Produktinformationen (z.B. Kennwerte bei bestimmten Umweltbedingungen)

Hilfsmittel:

  • Datenbanken
  • Datenblätter
  • Konkurrenz
  • Rohstofflieferanten
  • Fachliteratur
  • Laborversuche

 Was ist Campus? 

  • Computer Aided Material Preselection by Uniform Standards
  • Datenbank mit Kunststoff-Rohstoffen verschiedener Hersteller und deren Kenndaten
  • nach einheitlichen Testmethoden (Testkörper, Prüfbedingungen, Datenblätter) erhoben

Was ist ein Cambridge-engineering-selector? Wofür wird er verwendet?

  • Computerprogramm
  • Finden, auswählen, Vergleichen von Materialdaten
  • Graphischer Vergleich von unterschiedlichen Materialgruppen (Metalle, Kunststoffe, Keramiken, Hölzer)
  • Bezüglich unterschiedlichster Kenngrößen

Was sind generative Fertigungsverfahren und wie unterscheiden sie sich grundsätzlich?

Generative Fertigungsverfahren sind alle Fertigungsverfahren und Technologien, welche, basierend auf CAD-Daten, Teile aus formlosem Material formen:

  • RP – Rapid Prototyping
  • RM – Rapid Manufacturing
  • RT – Rapid Tooling

Welche Modellarten kann man grundsätzlich unterscheiden?

  • Anschauungsmodelle (Proportionen, Design)
  • Kommunikationsmodelle (Präsentation, Dokumentation, Marktstudien)
  • Funktionsmodelle (Ergonomie, Festigkeit, Wirkprinzip, Strömungsmechanik)
  • Prozessmodelle (Montage, Betriebsmittel, Urmodell)

Erkläre in Stichworten STL. Welche VT und NT hat dieses Verfahren?

Stereolithographie:

  • Flüssiges Ausgangsmaterial (Harz)
  • Polymerisation durch UV-Laser (Photopolymerisation) an der Harzoberfläche
  • Laser über Computergesteuertes Spiegelgalvanometer geführt
  • Absenken des Bauteils
  • Nachhärten im UV-Schrank

Vorteile:

  • Sehr genaues RP-Verfahren
  • Hohlräume können mit Drainageöffnung en entleert werden

Nachteile:

  • An photosensitives Material gebunden (Festigkeit, Elstizität, Temp)
  • Nachträgliche Aushärtung nötig
  • Stützkonstruktionen nötig

Welches Verfahren würden Sie wählen um einen Prototypen mit annähernden Serieneigenschaften zu erhalten? 

  • FDM – Fused Deposition Modelling
  • Thermoplastisches Baumaterial = ähnlich oder gleich SG-Material

Erkläre in Stichworten SLS. Welche VT und NT hat dieses Verfahren?

SLS – Selective Laser Sintern

  • Pulver nahe an den Schmelzpunkt erhizen
  • Punktweise verschmelzen mit CO2-Laser
  • Laser über PC-gestütztes Spiegelgalvanometer geführt
  • Kunststoffpulver
  • Mehrkomponenten Metall-Polymerpulver – Grünling
  • Mehrkomponenten Glaskugel-Polymer, Karbonfaser-Polymer

Vorteile:

  • Keine Stützkonstruktion nötig
  • Bauteile möglich die nicht anders hergestellt werden können
  • Hohe Stabilitäten durch Gitterkonstruktionen Möglich
  • RM – z.B. Wirbelsäulenimplantate
  • Viele Materialien möglich

Nachteile:

  • Genauigkeit durch Pulverkörnung begrenzt
  • Aufheizen ist zeitintensiv
  • Ankleben benachbarter Teilchen – Pelz
  • Hohlräume sind schwierig zu Reinigen

Erkläre in Stichworten FDM. Welche VT und NT hat dieses Verfahren?

FDM – Fused Deposition Molding:

  • Thermoplastisches Material
  • Entlang der Bauteilgeometrie extrudiert
  • 2D-Plotter führt Extrudierdüse
  • Ballistisches Verfahren möglich

Vorteile:

  • Großes Volumen / zeit
  • Seriennahe Werkstoffe
  • Einfach, sauber im Büro verwendbar
  • Kein Materialabfall

Nachteile:

  • Feine Rippen nicht umsetzbar
  • Ansatzpunkte sichtbar

Erkläre in Stichworten PolyJet/Objet. Welche VT und NT hat dieses Verfahren?

  • Polymerdrucktechnologie
  • Ein Druckkopf (65mm), mehrere hundert düsen, 2UV Lampen
  • Baumaterial und Stützmaterial werden schichtweise über die ganze Ebene aufgebracht
  • Aushärtung durch UV-Lampen
  • Auswaschen Stützmaterial

Vorteile

  • Hohe Genauigkeit
  • Stützmaterial wird komplett ausgewaschen
  • Viele Materialien
  • Bürotauglich

Nachteile

  • Nur geringe Schichtdicke möglich

Welche Folgetechniken gibt es bei Rapid Prototyping?

  • Nachbearbeitung – abtragend oder auftragend
  • Beschichten – Versiegeln / Lackieren / Metalle
  • Abformen – Vakuumguss / Gipsguss / Sandguss
  • Abgießen – Feinguss

 Was ist Rapid Tooling? Welche Verfahren gibt es?

  • Formenbau durch generatives Fertigen
  • Herstellung von Werkzeugen durch adaptierte RP-Verfahren

 

  • Metallspritzen – RP-Modell aus Metall (niederschmelzend oder mittels Lichtbogen)
  • Lasersintern – direkt (Einkomponenten Metallpulver), indirekt (Metall-Polymerpulver – Grünteil muss noch gebacken werden) – Super für Formenteile (innenliegende Kühlstruktur)
  • Shape Melting – schichtweises 3D-Auftragschweißen mit Laser
  • Invest Casting – Wachsausschmelzen mit verlorener Form
  • Quick Cast – SL-modell als Hohlkörpermodell mit Wabenstruktur für Feinguss
  • 3D-Printing – Metallpulver mit Inkjet-Verfahren aufgebracht

Gründe für Rapid Manufacturing? Wo wird es vermehrt eingesetzt? Welche Verfahren kommen dort zum Einsatz?

 

Verfahren:

  • RM := direkte Herstellung des Endprodukts
  • Formenbau ist sehr Teuer --- Deshalb für klein- und Kleinstserien
  • Customised Produkte (z.B. Wirbelimplantate)
  • Laser-Sintern

Beschreiben Sie das Feinguss-Verfahren. 

  • SG-Modell aus Wachs
  • Gießkanäle am Wachsmodell angeklebt
  • In Keramik getaucht
  • Ausgebrannt
  • Metall eingegossen
  • Keramik zerstört

Beschreiben Sie den Vakuumguss.

  • Silikonform
  • Zweikomponenten-Kunststoff unter Vakuum vermischt
  • In Silikonwerkzeug gegossen
  • Aushärten im Wärmeschrank
  • Serienidentisch, serienähnliche Kunststoffteile für Muster

 

  • Leichte Entformung von Hinterschneidungen

Was ist das Nylonmould-Verfahren?

  • RP-Urmodell
  • Abformung Silikonform
  • Gussteil aus PA6

 

  • Gute mechanische Eigenschaften
  • Mech. Term. Chem. Eigenschaften ähnlich SG
  • Einsatz in der Medizintechnik
  • Kleine Serien mit sehr geringen Stückkosten und kurzer Produktionsdauer

Unterschied der RT-Folgetechniken Abformen und Abgießen 

Abformen:

  • Vom RP-Modell wird eine Gussform hergestellt
  • Vakuumguss
  • Gipsguss
  • Sandguss

Abgießen:

  • RP-Modell wird als verlorene Form im Gussprozess eingesetzt
  • Nur RP-Material verwendbar, das Ausbrennt / Ausschmilzt
  • Feinguss

Was ist ein isochrones Spannungs-Dehnungsdiagramm? Wie wird es ermittelt und wofür kann es verwendet werden?

  • Spannungs-Dehnungsdiagramm mit unterschiedlichen Zeitangaben
  • Lässt Kriechverhalten und Relaxationsverhalten erkennen
  • Ermöglicht bei bekannter Spannung die Dimensionierung des Teils bezüglich Kriechverhalten

Was versteht man unter Kriechen und kriechgerechter Gestaltung?

  • Kriechen = plastische Verformung von belasteten (Kunststoff-)teilen abhängig von der Zeit (oder der Temperatur)

Kriechgerechte Gestaltung

  • Formschluss besser als Kraftschluss
  • Formschluss zusätzlich zu Kraftschluss (Abstützung)
  • Kompensation des Kraftverlustes durch andere Materialien z.B. Stahlfederring

Welche Möglichkeiten gibt es, das Kriechen eines Kunststoffbauteiles zu minimieren?

  • Materialauswahl (amorphe KS kriechen weniger)
  • Faserverstärkung reduziert Kriechneigung
  • Metalleinlagen reduzieren Zeitabhängigkeit

Wie unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen voneinander und was muss bei der Konstruktion von Kunststoffteilen bezügl. Temperaturänderung berücksichtigt werden?

  • KS haben höhere Wärmeausdehnung als Metalle
  • Geringere Wärmeleitfähigkeit (und folglich höhere Wärmekapazität) als Metalle
  • Allgemein haben Kunststoffe viel niedrigere Einsatztemperaturen als Metalle

Verhinderung von Spannungen durch Spiel für Wärmeausdehnung durch:

  • Langloch
  • Federnde Elemente
  • Kompensation durch gleiche/gleichartige Werkstoffe
  • Kunststoff-Metall-Verbundkonstruktionen

Warum kommt es bei Spritzgussteilen zu fertigungsbedingten Eigenspannungen und wie kann man sie konstruktiv beeinflussen?

Aufgrund von zeitlich / örtlich unterschiedlicher:

  • Abkühlung (durch gleichmäßige Wandstärken)
  • Kristallinität (gleichmäßige Abkühlung ermöglichen s.o.)
  • Orientierung (Angusse gleichmäßig verteilen / mehrere Angusse verwenden)
  • Nachschwindung (Wanddicke dünn halten, kurze Fließwege – Positionierung d. Angusse)

Oder durch Überladen der Form

Wie lässt sich die Steifigkeit eines Bauteils beeinflussen?

  • Querschnittgeometrie
    • Zug/Druck – Vergrößerung der Fläche
    • Schub – kompakte QS
    • Biegung – Entfernung zur neutralen Achse; gekrümmte Flächen, Profile, Rippen, Sicken
    • Torsion - rippen
  • Werkstoffsteifigkeit durch Faserverstärkung
  • Inhomogene Werkstoffverteilung im Querschnitt durch Sandwich-Bauweise
  • Mehrachsiger Spannungszustand

 Was versteht man unter beanspruchungsgerechter Konstruktion? Ziele?

  • Optimale Steifigkeit
  • Maximale Belastbarkeit
  • Minimale Kriechneigung
  • Minimale Wärmeentwicklung

Warum gibt es keine positiven und negativen Eigenschaften von Kunststoffen? 

  • Duroplaste (Kunstharze)
  • Elastomere (Kautschuk, EPDM)
  • Amorphe Thermoplaste (PS, PC, PVC)
  • Teilkristalline Thermoplaste (PE,PP,POM,PA)

Nenne fertigungstechnische Gesichtspunkte bei der kunststoffgerechten Formteilauslegung

  • Unterscheidbarkeit einzelner Komponenten (Bauteile)
  • Definierte Lage des Formteils zwischen den Operationen
  • Greifen des Formteils mit Handhabungsgerät
  • Fixieren des BT bei Bearbeitungsvorgängen (z.B. Fügen, Bedrucken)
  • Volumenarmes Lagern

Nenne sie mir die wichtigsten Gestaltungsregeln für die Auslegung von Kunststoffbauteilen

  • Gleiche Wanddicken, so dünn wie möglich
  • Keine Massenanhäufungen
  • Ausreichend Radien
  • Steifigkeit durch Rippen
  • Keine ebenen Flächen
  • Ausreichende Entformungsschrägen
  • Verfahrensgerechtes Formteildesign

Wann entstehen Lunker und Einfallstellen? Wie kann man sie vermeiden?

  • Bei unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten
    • Bei Wanddicken > 4mm
    • Bei Massenanhäufungen
    • Ecken ohne Radien – Winkelverzug
  • Ausreichend dünne wandstärken oder durch Prozesseinstellungen à temperiertes Werkzeug
  • Aussparungen bei potenziellen Massenanhäufungen
  • Ecken und Kanten mit Radien versehen

Warum kommt es zu Eckenverzug? Was kann man konstruktiv dagegen tun?

  • Zweiseitiger Werkzeugkontakt an den ecken
  • Daher schnellere Abkühlung im Außenbereich der Ecke als im Innenbereich
  • Radien Anbringen
  • Wand dicker ausgestalten als die Ecke

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