Maschinenbau (MB)
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The thermal conditions like the temperature distribution and the heat fluxes during metal cutting have a major influence on the machinability, the tool lifetime, the metallurgical structure and thus the functionality of the work piece. This in particular applies for manufacturing processes like milling, drilling and turning for high-value turbomachinery components like impellers, combustion engines and compressors of the aerospace and automotive industry as well as energy generation, which play a major role in modern societies. However, numerous analytical and experimental efforts have been conducted in order to understand the thermal conditions in metal cutting, yet many questions still prevail. Most models are based on a stationary point of view and do not include time dependent effects like in intensity and distribution varying heat sources, varying engagement conditions and progressive tool wear. In order to cover such transient physics an analytical approach based on Green’s functions for the solution of the partial differential equations of unsteady heat conduction in solids is used to model entire transient temperature fields. The validation of the model is carried out in orthogonal cutting experiments not only punctually but also for entire temperature fields. For these experiments an integrated measurement of prevailing cutting force and temperature fields in the tool and the chip by means of high-speed thermography were applied. The thermal images were analyzed with regard to thermodynamic energy balancing in order to derive the heat partition between tool, chips and workpiece. The thus calculated heat flow into the tool was subsequently used in order to analytically model the transient volumetric temperature fields in the tool. The described methodology enables the modeling of the transient thermal state in the cutting zone and particular in the tool, which is directly linked to phenomena like tool wear and workpiece surface modifications.
Energie aus erneuerbaren Ressourcen ist nicht immer beliebig verfügbar. Je nach Jahreszeit und Witterung variiert beispielsweise die durch Solarparks oder Windkraftanlagen zur Verfügung gestellte Leistung. Durch den kontinuierlichen Ausbau der erneuerbaren Energien wird sich die Volatilität im Energiesystem in Zukunft immer stärker ausprägen. Die Industrie auf die sich ändernden Versorgungsstrukturen vorzubereiten und anzupassen ist eine große Herausforderung der nächsten Jahrzehnte. Unternehmen müssen zukünftig ihre Prozesse und Betriebsorganisation so gestalten können, dass sich der Energieverbrauch zumindest in Teilen flexibel an das volatile Energieangebot anpassen kann. Neben der Entwicklung von Technologien, Konzepten und Maßnahmen zur energetischen Flexibilisierung von industriellen Prozessen liegt ein zweiter Schwerpunkt zukünftiger Arbeiten auf der Entwicklung einer durchgängigen IT-Infrastruktur, mit der Unternehmen und Energieanbieter in Zukunft Informationen von der Produktionsmaschine bis zu den Energiemärkten bereitstellen und austauschen können. Dies führt zu einem Paradigmenwechsel im Betrieb industrieller Prozesse – weg vom kontinuierlichen und rein nachfragegetriebenen Energieverbrauch hin zum anpassbaren, energieflexiblen Betrieb industrieller Anlagen.