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Stefan_Klotz

M.Sc. Stefan Klotz

Teamleiter Prozessentwicklung
Bereich: Fertigungs- und Werkstofftechnik
Sprechstunden: nach Vereinbarung
Raum: 104, Geb. 10.92
Tel.: +49 721 608-42448
Fax: +49 721 608-45004
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Campus Süd



M.Sc. Stefan Klotz

Forschungs- und Arbeitsgebiete:

  • Mechanische Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen
  • Verfahrensvergleich bei der Bearbeitung von faserverstärken Kunststoffen


Projekte:

Veröffentlichungen

[ 1 ] Schulze, V.; Klotz, S. & Zanger, F. (2012), „Experimentelle Untersuchung von Bauteilschädigung und Werkzeugverschleiß bei der FVK-Bearbeitung“ in Spanende Fertigung, Hrsg. Biermann, D., Vulkan-Verlag, Essen, S. 330-337. ISBN/ISSN: 978-3-8027-2965-2
Abstract:
In den vergangenen Jahren hat der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) immer weiter an Bedeutung gewonnen. Als einer der Treiber dieser Weiterentwicklung hat die Automobilindustrie in der jüngsten Vergangenheit verstärkt den Leichtbau mit Faserverbundbauteilen fokussiert. Die Gründe hierfür liegen beispielsweise in immer höheren Anforderungen an den Umweltschutz und den erforderlichen Gewichtsreduktionen [1]. Die Faserverbundwerkstoffe sind hier mit ihrer besseren spezifischen Steifigkeit und Festigkeit den Metallen deutlich überlegen. Zudem können durch die gezielte Anpassung von Faserverläufen an die vorliegenden Lastpfade weitere Gewichtsreduktionen erfolgen. Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen werden meist endkonturnah hergestellt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch eine Nachbearbeitung, beispielsweise bei der Herstellung von Bohrungen, für die spätere Montage oder zur Fügestellenvorbereitung, erforderlich. In den Bereichen, in denen die Bauteile nachbearbeitet werden, werden die Faserverläufe jedoch wieder unterbrochen, was zu einer Schwächung der Bauteile führt. Durch ungünstige Bearbeitungskräfte bei der Bearbeitung entstehen zudem Schädigungen an den Randzonen des Bauteils, die dieses weiter schwächen. Das primäre Ziel bei der Nachbearbeitung von FVK-Bauteilen ist es daher, bearbeitungsinduzierte Schädigungen zu vermeiden. Der zunehmende Einsatz von Faserverbundwerkstoffen, auch in Bereichen der Großserienfertigung, erfordert jedoch auch neue Herstelltechnologien, welche die wirtschaftlichen Anforderungen der Serienfertigung berücksichtigen [1]. Neben der Fertigungsqualität gewinnen die Fertigungskosten bei der Bearbeitung von FVK zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit immer mehr an Bedeutung. Daher sind neben geringen Schädigungen möglichst geringe Prozesskosten ebenfalls ein wichtiger Bestandteil für den wirtschaftlichen Serieneinsatz von Faserverbundwerkstoffen.

[ 2 ] Schulze, V.; Zanger, F. & Klotz, S. (2013), „Verschleißbedingte Parameteranpassung bei der Bohrungsherstellung in faserverstärkten Kunststoffen“. Verbundwerkstoffe, Hrsg. Wanner, A. & Weidenmann, K. A., S. 658-664.
Abstract:
Faserverstärkte Kunststoffe besitzen entlang der Faserrichtung hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten. Trotz deren meist endkonturnaher Herstellung müssen teilweise noch Bohrungen in die Bauteile eingebracht werden. Bei der Bohrbearbeitung entstehen Bearbeitungskräfte, die senkrecht zur Verstärkungsrichtung der Fasern wirken. Diese Prozesskräfte verursachen an den Decklagen Schädigungen in Form von Ausfransungen und Delaminationen. In den meisten Fällen werden die Bohrungen mit über die gesamte Werkzeugstandzeit gleichbleibenden Prozessparametern eingebracht. Bestehende Ansätze zur Vermeidung der Bauteilschädigungen zielen lediglich auf eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich des Bohrungsaustritts ab, um dort die kritischen Prozesskräfte zu verringern. Bei der Bohrbearbeitung mit konstanten Parametern verändern sich in Abhängigkeit des Verschleißzustands des Bohrwerkzeugs die Eingriffsverhältnisse der Werkzeugschneide, was in sich verändernden Prozesskraftrichtungen und zunehmenden Werkstückschädigungen resultiert. Eine andere Möglichkeit, die Schädigungen an den Bauteilen zu verringern, besteht daher in der dynamischen Anpassung der Prozessparameter an den aktuellen Verschleißzustand des Werkzeugs. Damit können durch die Einstellung von konstanten Eingriffsverhältnissen zwischen Werkzeugverschleiß und Schnitttiefe über die gesamte Werkzeuglebensdauer die Schädigungen an den Decklagen gezielt verringert werden. Es werden die Ergebnisse einer Versuchsreihe mit unterschiedlichen Eingriffsverhältnissen, einer Referenzuntersuchung sowie deren Auswirkungen auf die entstehenden Bauteilschädigungen vorgestellt.

[ 3 ] Wagner, H.; Brabandt, D.; Förster, F. & Klotz, S. (2013), „Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen im Resin-Transfer-Molding Verfahren“. wbk Herbsttagung, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Shaker Verlag, S. 53-68.
Abstract:


[ 4 ] Gerstenmeyer, M.; Klotz, S.; Zanger, F. & Schulze, V. (2013), „Untersuchungen zum Einspannen von FVK“, MM Maschinenmarkt Composites World, S. 14-17.
Abstract:
Faserverstärkte Kunststoffe liegen im trend und müssen nach ihrer meist endkonturnahen Fertigung noch spanend bearbeitet werden, um einsatzfähig zu sein. Was beim Einspannen von Composites zu beachten ist, damit sie nicht beschädigt werden, zeigt folgender Artikel.

[ 5 ] Klotz, S.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2014), „Influence of Clamping Systems During Drilling Carbon Fiber Reinforced Plastics “. Procidia CIRP, Hrsg. Axinte, D., S. 208-213.
Abstract:
During postprocessing of carbon fiber reinforced plastics, drilling is one of the mostly used machining processes. With increasing complexity of components the requirements on the clamping systems are rising. This paper shows the investigation of drilling tests fordifferent types of clamping positions which are examined regarding their influence on the resulting workpiece quality. The clamping of the planar specimens was realized by 3 and 4 points and by a ring clamping system with variable distances from the drill axis to the fixed points. During the experiments the process forces were measured and the resulting delamination and fiber pullouts at the workpiece surface were determined. The results demonstrate that the distance from the drill axis to the fixed points has a significant influence on the process forces and the achievable workpiece quality.

[ 6 ] Schulze, V. & Klotz, S. (2014), „Trennen von faserverstärkten Kunststoffen“ in Handbuch Spanen, Hrsg. Heisel, U.; Klocke, F.; Uhlmann, E. & Spur, G., Carl Hanser Verlag, München, S. 1241-1253. ISBN/ISSN: 978-3-446-42826-3
Abstract:
Verbundwerkstoffe aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) werden meist endkonturnah hergestellt. Das bearbeitete Volumen ist daher meist gering im Vergleich zu Metallen. Dennoch ist eine nachfolgende Bearbeitung in Form von Entgraten oder Besäumen der Bauteile sowie die Herstellung von Funktionsflächen in der Regel unumgänglich. Die dabei auftretenden besonderen Herausforderungen bei trennender Bearbeitung lassen sich auf die heterogene Werkstoffzusammensetzung und die stark unterschiedlichen mechanischen sowie thermischen Eigenschaften von Matrix- und Faserwerkstoff zurückführen. Diese Charakteristika, die dem Verbundwerkstoff seine typischen Gebrauchseigenschaften verleihen, verursachen andererseits Probleme bei der Bearbeitung. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der anisotropen Orientierung der Verstärkungsfasern, die auf das spätere Lastkollektiv des Bauteils ausgelegt ist. Belastungen durch Bearbeitungskräfte in Dicken-Richtung führen dazu, dass die Belastung über die Matrix in die Fasern geleitet wird und diese somit quer beansprucht werden, was zum Faser- sowie Grenzflächenversagen in der Nachbarschaft der Lasteinleitungsstelle führt. Das Resultat sind Bauteilschädigungen durch die Bearbeitung in Form von mechanischem oder thermischem Werkstoffversagen. Diese Herausforderungen, die resultierenden Schädigungen und sich daraus ergebende Qualitätskriterien sind bereits in den 1980er und 1990er Jahren ausführlich beschrieben worden (König et al. 1985), stellen aber auch heute noch bei Bearbeitungsaufgaben die relevanten Grundlagen dar.

[ 7 ] Klotz, S.; Zanger, F. & Schulze, V. (2014), „Influence of clamping systems during milling of carbon fiber reinforced composites“. New Production Technologies in Aerospace Industry, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, S. 248-256.
Abstract:
Carbon fiber reinforced composites (CFRP) are mostly manufactured near net shape. Nevertheless, a final milling step at the edges of the cured components is still necessary. Damages which occur during milling or drilling of CFRP lower the durability of the components and increase the production costs. Requirements concerning the clamping system for milling or drilling CFRP are rising simultaneously with increasing complexity of the components. This stresses the need for complex clamping systems like linear clamping jaws around the whole workpiece. However such types of clamping systems induce poor accessibility to the component being worked on and hence longer machining time. As a result to the need for complex clamping systems, the production costs are increased. Therefore, several benefits can be achieved by increasing the distances between the clamping points of the clamping system to reduce machining time and production costs. This paper discusses investigations of milling tests with variable clamping conditions of the workpieces. In the experiments a linear milling operation the edge of the workpiece is examined. The clamping of the planar specimens was realized with a clamping system which enables the adjustment of different distances between the clamping points of the specimen. The process forces and the resulting damage at the workpiece surfaces were measured during the experiments. These results are compared with a linear clamping system to examine the influence of rising clamping distances. The results demonstrate that the distance of the clamping points while milling the edge of the workpiece has a significant influence on the process forces.

[ 8 ] Klotz, S.; Zanger, F. & Schulze, V. (2014), „Influence of Clamping Systems during Milling of Carbon Fiber Reinforced Composites “, Procedia CIRP, S. 38-43. http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2014.07.142
Abstract:
Carbon fiber reinforced composites (CFRP) are mostly manufactured near net shape. Nevertheless, a final milling step at the edges of the cured components is still necessary. Damages which occur during milling or drilling of CFRP lower the durability of the components and increase the production costs. Requirements concerning the clamping system for milling or drilling CFRP are rising simultaneously with increasing complexity of the components. This stresses the need for complex clamping systems like linear clamping jaws around the whole workpiece. However such types of clamping systems induce poor accessibility to the component being worked on and hence longer machining time. As a result to the need for complex clamping systems, the production costs are increased. Therefore, several benefits can be achieved by increasing the distances between the clamping points of the clamping system to reduce machining time and production costs. This paper discusses investigations of milling tests with variable clamping conditions of the workpieces. In the experiments a linear milling operation the edge of the workpiece is examined. The clamping of the planar specimens was realized with a clamping system which enables the adjustment of different distances between the clamping points of the specimen. The process forces and the resulting damage at the workpiece surfaces were measured during the experiments. These results are compared with a linear clamping system to examine the influence of rising clamping distances. The results demonstrate that the distance of the clamping points while milling the edge of the workpiece has a significant influence on the process forces.

[ 9 ] Sellmeier, V. & Klotz, S. (2016), „Effizientes Gewinde-Wirbeln durch synchrones Drehen“. PIA - Prozesskette im Automobilbau, Hrsg. Berend Denkena, S. 63-71.
Abstract:
PIA - Prozesskette im Automobilbau, Tagung am PZH in Hannover vom 30. – 31.05.2016, Vorstellung des Themas "Effizientes Gewinde-Wirbeln durch synchrones Drehen".

[ 10 ] Helfrich, A.; Klotz, S. & Schulze, V. (2016), „Fräsen von faserverstärkten Kunststoffen“, MAV, S. 86-88.
Abstract:
Kunststoffe sind als Werkstoff für viele Industriezweige von entscheidender Bedeutung. Durch den Einsatz von Faserverstärkungen und neuen Matrices nehmen die Verwendungsmöglichkeiten weiterhin zu. Im Rahmen eines DFG-geförderten Forschungsprojektes wird deshalb eine neuartige Kombination von verschiedenen faserverstärkten Kunststoffen untersucht.

[ 11 ] Klotz, S.; Zanger, F.; Sellmeier, V. & Schulze, V. (2017), „Signifikant Leistungsfähiger - synchroner Drehwirbel-Prozess“, WB Werkstatt + Betrieb, Nr. 12, S. 62-65.
Abstract:
Ein Gemeinschaftsprojekt des wbk Karlsruhe mit den Firmen Index, Paul Horn und Smith & Nephew belegt: Das parallele Wirbeln und Drehen von Gewinden eröffnet Zerspanern ein großes Potenzial hinsichtlich Fertigungszeit und Oberflächengüte der Gewindegeometrien

[ 12 ] Schulze, V.; Zanger, F.; Bollig, P.; Segebade, E.; Gerstenmeyer, M. & Klotz, S. (2017), „Randschichtzustände nach Fertigungsprozessen – Erzeugung und Bewertung“ in Moderne Zerspanungstechnologie - Neue Entwicklungen und trends aus der Forschung und Praxis, Hrsg. Azarhoushang, B. & Wolf, T., Hochschule Furtwangen, Villingen-Schwenningen, S. 1-7.
Abstract:
Die spanende Bearbeitung von metallischen Werkstoffen besitzt in der produzierenden Industrie einen hohen Stellenwert. Dabei beeinflusst der spanende Endbearbeitungsprozess mit mechanischer und thermischer Wechselwirkung zwischen Werkstückstoff und Werkzeug die finalen Bauteilzustände. Dabei spielen neben Oberflächenrauheit oder geometrischen Toleranzen auch die Eigenspannungen und Verfestigungen eine wichtige Rolle. Mit Surface Engineering wird die gezielte Prozesssteuerung zur Beeinflussung des Bauteilverhaltens bezüglich der Schwingfestigkeit, der tribologischen Eigenschaften sowie der entstehenden Phasenumwandlungen oder der Mikrostruktur bezeichnet. Unter diesem Gesichtspunkt werden am wbk Institut für Produktionstechnik in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) neue Fertigungsprozesse entwickelt sowie bestehende Prozesse optimiert. Hierbei werden in Forschungsprojekten experimentelle und simulationsgestützte Methoden angewandt, um das Prozessverständnis zu erhöhen und die geforderten Eigenschaften zu erzielen. Ausgewählte Themen sind die Untersuchung von Werkzeugverschleiß und Randschichtzuständen bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien, die Phasenumwandlung bei der Trockenbearbeitung und der Minimalmengenschmierung (MMS), die Erzeugung von nanokristallinen Randschichten in Abhängigkeit der Schneidkantenmikrogeometrie und auch die am Institut entwickelte Prozessstrategie Komplementärzerspanung.

[ 13 ] Schulz, V.; Klotz, S. & Rees, E. (2017), „Bessere Schneidkanten durch optische 3D-Messtechnik“ in Moderne Zerspanungstechnologie - Neue Entwicklungen und Trends aus der Forschung und Praxis, Hrsg. Azarhoushang, B. & Wolf, T., Hochschule Furtwangen, Villingen-Schwenningen, S. 1-6.
Abstract:
Die spanende Bearbeitung besitzt in der produzierenden Industrie einen hohen Stellenwert. Hierzu werden in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück die finalen Geometrie- und Bauteileigenschaften erzeugt. Um diese möglichst prozesssicher einstellen zu können, ist die genaue Betrachtung der Werkzeugschneide von großer Bedeutung. Diese steht bei der Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide im direkten Kontakt zum Werkstück und erzeugt den Materialabtrag. Aufgrund von thermischer und mechanischer Beanspruchung entsteht an der Werkzeugschneide Verschleiß, der die Geometrie an der Kontaktstelle verändert und somit auch den Zerspanungsvorgang beeinflusst. Dieser Verschleiß verursacht geometrische Abweichungen von der im Neuzustand definierten Werkzeugschneide. Daher ist über die Werkzeugstandzeit die Geometrie der Schneide nicht mehr zu jedem Zeitpunkt bekannt, was zu geometrischen Änderungen an der erzeugten Bauteiloberfläche führt. Zudem können durch Werkzeugverschleiß auch thermische Effekte am Werkstück entstehen, die beispielsweise die Entstehung von Neuhärtezonen oder ungünstigen Zugeigenspannungen begünstigen. Daher ist eine Aufnahme und Analyse der Schneidengeometrie zur Erfassung der werkstoffbedingten Verschleißeigenschaften unerlässlich. Die optische Vermessung mittels konfokaler Mikroskopie, wie sie beispielsweise von Geräten der Firma Nanofocus eingesetzt wird, ermöglicht eine detaillierte Erfassung der Schneidengeometrie, die dann in folgenden Schritten zur Auswertung des Verschleißes genutzt werden kann.

[ 14 ] Klotz, S.; Klose, J.; Sellmeier, V. & Schulze, V. (2017), „Variantenanalyse zur Effizienzsteigerung beim Wirbeln mit synchronem Drehen“. PIA - Prozessketten im Automobilbau, Hrsg. Denkena, B., S. 121-129.
Abstract:
PIA - Prozesskette im Automobilbau, Tagung bei DMG Mori in Bielefeld vom 03. – 04.07.2017, Vorstellung des Themas "Variantenanalyse zur Effizienzsteigerung beim Wirbeln mit synchronem Drehen".