Vakuumanlage (Bild: Thilo Schmülgen / FH Köln)
Holztrockner 1 (Bild: Thilo Schmülgen / FH Köln)
Dosierprozess zur Herstellung der additiven Struktur (Bild: IPK / FH Köln)

Labor für Produktentwicklung

Die Laboreinrichtungen befinden sich in den Räumen ZW 5-08 (Tel.: -4049) und HN 1-26

Das „Labor für Produktentwicklung“ ist  2011 aus dem „Labor für methodisches Konstruieren / Produktentwicklung“ hervorgegangen und von Prof. Dr.-Ing. Jörg Luderich neu ausgerichtet worden. Studenten der Fakultät soll durch eine stärkere Einbindung in neue Projekte eine praxisnahe, auch handwerklich experimentelle, Ausbildung ermöglicht werden. Die Schwerpunkte der Projekte, welche im Umfeld des Labors bearbeitet werden, liegen gleichermaßen in Forschung und Entwicklung. Ein Interesse liegt in der Entwicklung möglichst marktnaher Produkte, u.a. in der Geräteentwicklung für die optische Industrie. Der zweite Interessensbereich lässt sich der Forschung zuordnen. Hierbei werden u.a. vom Bund geförderte Projekte realisiert. Die Forschungsschwerpunkte sind in der Optik, Dosiertechnik, Messtechnik, Steuerungsentwicklung und Bildverarbeitung angesiedelt.

Für die Umsetzung der facettenreichen Entwicklungs- und Forschungsvorhaben stehen im Labor für Produktentwicklung eine Reihe von Ressourcen zur Verfügung. Hierzu zählen z.B. diverse berührungslose sowie berührende Messsysteme und frei konfigurierbare NC-gesteuerte Maschinen. Komplettiert wird das Leistungsspektrum durch Systeme zur Hochgeschwindigkeitsanalyse sowie zur Steuerungsentwicklung und industriellen Bildverarbeitung.

Die laufenden Projekte werden stets durch Studenten bearbeitet und weiterentwickelt. Das Laborpersonal ist ständig bemüht neue und industrienahe Projekte zu akquirieren, um den Studenten auch weiterhin die Möglichkeit zu bieten die erlernte Theorie in einem praxisnahen Umfeld anzuwenden.Der Laborbetrieb gliedert sich in verschiedene Themenbereiche:

Einrichtungen:

Hochgeschwindigkeitskamera
Vakuumgießanlage
Konfokal-Chromatischer-Sensor Tarsius
Spektrometer mit Breitband-Lichtquelle
Flow-Box
Jet-Dosiersystem
Industriekameras zur industriellen Bildverarbeitung

Diverse Steuerungen
• National Instruments CompactRio mit diversen Modulen
• Wago
• Arduino
• RaspberryPI
• Moeller
• Eaton
• …

Vakuumgießen

VakuumanlageVakuum-Gießanlage mk-technolgy (Bild: Thilo Schmülgen / FH Köln)

Seit dem WS 2013/14 steht dem Laborbetrieb eine Vakuum-Gießanlage der Fa. mk-technology zur Verfügung. Zum Tempern und zur Aufbewahrung der angebrochenen Gebinde stehen zudem 2 spezielle Wärmeschränke bereit.

Das Vakuumgießen eignet sich gut als Folgeverfahren nach dem Rapid-Prototyping, um einen Prototypen kostengünstig zu vervielfältigen. Dabei ist es eines der am weitesten verbreiteten und schnellsten Fertigungsverfahren für kleine Serienfertigungen von 5 – 100 Stück. Die Grundlage für ein gutes Gussergebnis liefert dabei ein perfekter Prototyp, bei dem besonders die Oberfläche eine hohe Güte haben sollte, da jeder Kratzer und sogar Fingerabdrücke auf die Gussform übertragen werden.

Silikon entgasenSilikon in der Vakuumkammer beim Entgasen (Bild: IPK / FH Köln)

Um die Vervielfältigung durchführen zu können, wird zunächst eine Silikonform hergestellt, die das Urmodell einschließt. Das Silikon muss dazu zuerst entgast werden. Dies geschieht bei einem starken Unterdruck in der Kammer (s. Foto) der Anlage. Etwa 24 Stunden nach dem Guss ist das Silikon ausgehärtet und das Urmodell kann entformt werden.

Um nun das eigentliche Modell zu gießen, wird die mit Steigern und Entlüftungskanälen aufbereitete Silikonform auf 70° C erhitzt und die verschiedenen Komponenten des Gießharzes abgewogen und ebenfalls entgast. Unter Vakuum werden die Komponenten (i.d.R. 2) gemischt, nochmals entgast und dann innerhalb der wenige Minuten dauernden Topfzeit vergossen. Nach dem Tempern der Silikonform mit dem eingefüllten Harz (ca. 1 Stunde bis 1 Tag, je nach Material) kann das duplizierte Teil entformt und weiter bearbeitet werden.

Holztrockner

Klimagesteuerte Trocknung von Scheitholz

Systembeschreibung:

Holztrockner 2Holztrockner - Materialkörbe (Bild: Thilo Schmülgen / FH Köln)

Der intelligente Holztrockner ist ein System, welches die Trocknung von Scheitholz unter Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht. Eine intelligente Steuerung sorgt für Be- und Entlüftung der Trocknungskammer unter Berücksichtigung der aktuellen Außen-

Holztrockner TemperaturHolztrockner Temperatur (Bild: IPK / FH Köln)
Holztrockner LuftfeuchtigkeitHolztrockner Luftfeuchtigkeit (Bild: IPK / FH Köln)

und Innentemperatur sowie der aktuellen Luftfeuchte außen und im Innenraum. Die Trocknungsdauer kann hierdurch energiesparend signifikant verkürzt werden, wobei das System ganzjährig eingesetzt werden kann. Die nachfolgend dargestellten Abbildungen zeigen eine Beispielmessung der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur über den Tagesverlauf innerhalb und außerhalb des intelligenten Holztrockners.

Die Bilder zeigen den typischen  Tagesverlauf von Luftfeuchtigkeit und -temperatur im Holztrocker im Vergleich zur Umgebungsluft.

Der erste Prototyp wurde nach Fertigstellung bereits zum dritten Mal durch eine studentische Gruppe optimiert und weiterentwickelt.

Aktuell befindet sich der Holztrockner auf dem Dach der TH und wird dort ersten Dauertests unterzogen.

Untersuchung des Abrissverhaltens bei der Jet-Dosierung

Tropfen - UserinterfaceJet-Dosierung - Userinterface (Bild: IPK / FH Köln)

Für die Untersuchung des Abrissverhaltens der Tropfen wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, welcher die Betrachtung der erzeugten Tropfen im Durchlicht ermöglicht. Hierbei wurde die Tropfenerzeugung über das Kamerasystem als Master getriggert. Die Steuerung des Messaufbaus erfolgt über eine eigens entwickelte Steuerungssoftware auf Basis von LabView (National Instruments). Ziel des Versuchsaufbaus ist die Analyse der Tropfengeometrie und –größe und deren Vergleich mit Sollwerten. Über eine automatische Rückführung  und Anpassung der Steuerungsparameter des Dosiersystems (automatische Kalibrierung), soll erreicht werden, dass der Tropfen möglichst genau den Sollvorgaben in Geometrie und Größe entspricht.

Über die Software wird nach der Aufzeichnung des Bildes die Tropfengröße in Pixeln ermittelt. Die Einzelbilder zu jeder Messung werden lokal gespeichert. Zusätzlich wird eine Excel Tabelle ausgegeben, welche die Dosierparameter dr Steuereinheit des Jet-Dosierers sowie die Steuerungsparameter zur Aufnahme des Bildes inkl. Dateipfad der passenden Bildaufnahme beinhaltet.

Tropfen AufbauJet-Dosierung - Aufbau (Bild: IPK / FH Köln)

Tarsius

Hochgenaue Strukturvermessung mittels Konfokal-Sensor

Systembeschreibung:

Das Messsystem „Tarsius“  wurde im Rahmen einer Bachelorthesis erstmalig projektiert und seitdem von weiteren Studenten optimiert und weiter entwickelt. Das System bietet die Möglichkeit berührungslos Strukturen in einem Messbereich von 10 mm mit einer Auflösung von 60 Nanometer zu vermessen. Das System kann eine Matrix (x-y-z-Koordinaten) von 100x100x10 mm in einer Einzelmessung vermessen. Hierzu wird ein konfokal-Sensor in Kombination mit einer hochgenauen x-y-z –Einheit (Auflösung je Achse 0,5 µm) genutzt.
Aktuell wird das System eingesetzt, um Strukturen zu vermessen, welche mittels eines Strangdosiersystems erzeugt werden. Hierdurch lassen sich Rückschlüsse auf das Pulsationsverhalten sowie die Wiederholgenauigkeiten ziehen.

Tarsius - MesssystemTarsius - Messsystem (Bild: IPK / FH Köln)

Messprinzip & Steuerung:

Die Steuerung des Gesamtsystems erfolgt über eine eigens entwickelte Steuerungssoftware unter Verwendung der Entwicklungsumgebung LabView aus dem Hause National Instruments. Über das User-Interface lassen sich relative und absolute Messstrecken definieren, sowie die Messrate, Verfahrgeschwindigkeit und Messart (Abstands- oder Mehrschichtmessung) einstellen.

Tarsius - User-InterfaceTarsius - User-Interface (Bild: IPK / FH Köln)

Ausgegeben werden die gemessenen Abstandswerte passend zur jeweiligen Positionen des Achsverbandes (x-y-z) in Form einer Tabelle. Graphisch werden die Abstandswerte in Abhängigkeit der Zeit sowie die ausgeführte Bewegung (x-y-Koordinaten) bereits im User-Interface dargestellt.

Beispielmessung:

Das nachfolgende Beispiel zeigt die Vermessung eines Fertigungsmusters mit unterschiedlichen Rautiefen.

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