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Michael_Gerstenmeyer

Dipl.-Ing. Michael Gerstenmeyer

Teamleiter Zerspanung
Bereich: Fertigungs- und Werkstofftechnik
Sprechstunden: nach Vereinbarung
Raum: 601.5, Geb. 10.50
Tel.: +49 721 608-45906
Fax: +49 721 608-45004
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Campus Süd



Dipl.-Ing. Michael Gerstenmeyer

Forschungs- und Aufgabengebiete:

  • Zerspanung zur gezielten Oberflächenverfestigung
  • Zerspanungssimulation
  • Analyse der Entstehung nanokristalliner Randschichten
  • Bewertung der Randschichten hinsichtlich mechanischer Eigenschaften

 

Projekte:

  • DFG: Simulationsgestützte Analyse eines in den Zerspanungsprozess integrierten Oberflächenverfestigungsverfahrens zur gezielten Erzeugung nanokristalliner Randschichten

 

 

Veröffentlichungen

[ 1 ] 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.

[ 2 ] 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.

[ 3 ] Zanger, F. & Gerstenmeyer, M. (2014), „Material Behaviour of Armco-Iron and AISI 4140 at High Speed Deformation during Machining“. WGP Congress 2014, Hrsg. Trans Tech Publications, S. 161-166.
Abstract:
During machining of metals high temperatures and deformations occur at the surface layers leading to changing component states. Depending on the thermal and mechanical set of stress microstructural changes like residual stresses and grain refinement can be found. Grain refinement is influenced by the amount of deformation. In the present investigations high deformations of the surface layers are realized by using the cutting tool in opposed direction resulting in high negative rake angles. This test setup is used to investigate the material behaviour of Armco-Iron and AISI 4140 at different cutting velocities during machining. Furthermore the flow stresses at different strain rates and temperatures were determined by means of high speed tensile tests. The flow behaviour of the investigated materials is used to explain the results of the machining experiments.

[ 4 ] Zanger, F.; Fellmeth, A.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2015), „Influence of Kinematic Hardening during Machining of ARMCO Iron“. Procedia CIRP, Hrsg. Schulze, V., S. 106-111.
Abstract:
The simpler implementation of isotropic hardening begs the question, if modelling kinematic hardening is necessary, especially if the hardening is nonlinear and temperature dependent. This question not only depends on the material, but also on the modelled load case, which varies with different manufacturing processes. To answer this, thermo-mechanically coupled elasto-plastic materials were used in an implicit material model in ABAQUS/Standard for a two-dimensional cutting simulation. The nonlinear hardening in the models varies from isotropic to mixed isotropic-kinematic hardening. The two-dimensional cutting simulation uses a two-dimensional continuous remeshing technique. A slow machining process was simulated leaving out strain rate and temperature dependencies and focussing purely on the kinematics of deformation. The necessity of a kinematically translated yield surface is concluded for iron, by comparing the purely isotropic to the mixed isotropic-kinematic hardening results. A comparison with experimental data illustrates the conformance quality of the different hardening modes.

[ 5 ] Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2016), „Complementary Machining – Machining Strategy for Surface Modification“. Procedia CIRP 45, Hrsg. Elsevier, S. 247-250.
Abstract:
In metal production mechanical surface treatments are used to optimize workpiece characteristics like fatigue strength. Complementary Machining is a new machining strategy which is characterized by the combination of cutting and mechanical surface treatment. After cutting the insert is used reversely acting as a tool for mechanical surface treatment. This paper shows the effect of high plastic deformation rates in the surface layer reducing surface roughness and increasing strain hardening. Furthermore, it is supposed that the process induces grain refinement in the surface layer. The process strategy Complementary Machining is investigated during machining Armco-Iron and AISI 4140.

[ 6 ] Lienert, F.; Gerstenmeyer, M.; Krall, S.; Lechner, C.; Trauth, D.; Bleicher, F. & Schulze, V. (2016), „Experimental Study on Comparing Intensities of Burnishing and Machine Hammer Peening Processes“. Procedia CIRP 45, Hrsg. Elsevier, S. 371-374.
Abstract:
Many components in industrial practice need to be finished by surface modification processes in order to assure service properties like fatigue resistance, tribological properties and corrosion resistance. In order to compare the potential of different machine hammer peening (MHP) processes and burnishing Almen strips were treated with three aims: highest deflection, lowest surface roughness and predefined similar process parameters. This paper presents results of the surface layer states, in particular residual stresses, micro hardness and surface roughness in comparison to the deflection of the Almen strips after processing with the above mentioned aims.

[ 7 ] Schulze, V.; Bollig, P.; Gerstenmeyer, M.; Segebade, E. & Zanger, F. (2016), „Surface Engineering - Optimierte Oberflächen durch Zerspanungsprozesse“, mav Innovationsforum 2016, S. 6-8.
Abstract:
Bei der spanenden Bauteilherstellung ändern sich die Zustände der bearbeiteten Oberflächen durch hohe mechanische und thermische Belastungen maßgeblich. Diese Änderungen wirken sich neben topologischen Zuständen wie Rauheiten auf mechanische Zustände wie Eigenspannungen oder Verfestigungen und auf metallographisch erfassbare Zustände wie Phasenumwandlungen oder Änderung der Mikrostruktur aus. Mit Hilfe neuer Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Prozessen und Bauteilen werden am wbk Institut für Produktionstechnik in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien-Werkstoffkunde (IAM-WK) mittels Surface Engineering die Eigenschaften von Bauteilen definiert eingestellt. Hierbei stehen besonders Charakteristika der Bauteilrandzonen, wie Eigenspannungs- und Verfestigungszustände, im Vordergrund, die durch den Fertigungsprozess bestimmt werden und einen großen Einfluss auf die Eigenschaften bei schwingender oder tribologischer Beanspruchung besitzen. Die definierte Erzeugung von Bauteilrandzonen, aber auch die schädigungsarme Bearbeitung, spielt dabei eine große Rolle. Am wbk werden zerspanungsbedingte Bauteilzustände und –eigenschaften in verschiedenen Forschungsprojekten zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen mittels Prozesssimulationen analysiert, um damit zu einer numerisch unterstützten Optimierung des Zerspanungsprozesses zu gelangen.

[ 8 ] Gerstenmeyer, M.; Segebade, E.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Simulation der mechanischen Oberflächenbehandlung mit Simufact Forming“. 18. Roundtable Simulating Manufacturing, Hrsg. Dr. Hendrik Schafstall und Michael Wohlmuth, S. 180-189.
Abstract:
Zur spanenden Herstellung metallischer Bauteile sind mehrere Prozessschritte erforderlich. Diese sind bspw. ausgehend vom Halbzeug über Schrupp-Schlicht-Strategien bis hin zum Surface- Finishing. Bei der Schrupp-Schlicht-Strategie folgt einer Zerspanung mit vergleichsweise hohen Schnitttiefen eine Endbearbeitung mit weitaus geringerer Schnitttiefe und angepassten Prozessparametern. Eine Möglichkeit zum Surface-Finishing ist die sog. Komplementärzerspanung. Dabei erfolgt nachfolgend zur Zerspanung eine mechanische Oberflächenflächenbehandlung mit dem eigentlichen Schneidwerkzeug. Charakteristisch ist, dass die Bearbeitungsrichtungen von Zerspanung und Oberflächenbehandlung entgegengesetzt erfolgen. Jeder dieser Prozessschritte beeinflusst die Bauteilzustände in der Randschicht. Die simulative Betrachtung von vorhergehenden Prozessen und der damit einhergehenden Änderung der Randschichtzustände ist für das Prozessverständnis ein elementarer Bestandteil, um optimale Bearbeitungsergebnisse und damit Bauteileigenschaften zu erhalten. Neben der reinen Beschreibung der Fertigungsprozesse muss für eine ganzheitliche Prozessbeschreibung auch das elasto-plastische Materialverhalten mittels geeigneter Materialmodelle beschrieben werden. In dieser Arbeit werden aufbauend auf 2D- und 3D-Spanbildungssimulationen in Simufact Forming eine Mehrfachzerspanung (Schrupp-Schlicht- Strategie) sowie die Komplementärzerspanung vorgestellt. Neben der Betrachtung der Schneidkantenmikrogeometrie stehen auch die resultierenden Randschichtzustände im Mittelpunkt der Untersuchungen.

[ 9 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Zerspanungssimulation mit Simufact Forming“. 18. Roundtable Simulating Manufacturing, Hrsg. Dr. Hendrik Schafstall und Michael Wohlmuth, S. 116-127.
Abstract:
Spanbildungsvorgänge an metallischen Bauteilen, wie beispielsweise der Drehprozess, sind gekennzeichnet durch ein thermo-mechanisches Lastkollektiv, welches während des Prozesses auf die der Schneidkante sowie auf das Bauteil und den Span einwirkt. Der Einfluss hoher Temperaturen, Dehnraten und Dehnungen müssen für Werkstoffe charakterisiert werden, um in der Simulation ein realistisches Materialverhalten abzubilden. Dabei stellen auch unsichere Kenntnisse über die Reibungsverhältnisse im realen Prozess eine Herausforderung für die Modellierung dar. Hinzu kommt die Notwendigkeit einer stabilen und effizienten Neuvernetzungs- oder Trennungsroutine zur Realisierung der Spanbildung. Für die Simulation spanabhebender Fertigungsprozesse haben sich aufgrund dieser Umstände in den letzten Jahren geeignete Softwarepaketen international etabliert. Die Eignung der Software Simufact Forming wurde im Rahmen aktueller Arbeiten sowohl für 2D- als auch für 3D-Spanbildungssimulationen demonstriert und anhand von experimentell ermittelten Kräften validiert. Dabei fand auch die Schneidkantenmikrogeometrie Beachtung. Die Mikrogeometrie nimmt nachweislich Einfluss auf die Prozesskräfte sowie die zerspanungsbedingten Randzonenzustände, wie die Gefügestruktur und Eigenspannungsverteilung.

[ 10 ] 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.

[ 11 ] Imbrogno, S.; Segebade, E.; Fellmeth, A.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F.; Schulze, V. & Umbrello, D. (2017), „Microstructural and hardness changes in aluminum alloy Al-7075: Correlating machining and equal channel angular pressing“. AIP Converence Proceedings 1896, Hrsg. American Institute of Physics, S. 1-6.
Abstract:
Recently, the study and understanding of surface integrity of various materials after machining is becoming one of the interpretative keys to quantify a product´s quality and life cycle performance. The possibility to provide fundamental details about the mechanical response and the behavior of the affected material layers caused by thermo-mechanical loads resulting from machining operations can help the designer to produce parts with superior quality. The aim of this work is to study the experimental outcomes obtained from orthogonal cutting tests and a Severe Plastic Deformation (SPD) process known as Equal Channel Angular Pressing (ECAP) in order to find possible links regarding induced microstructural and hardness changes between machined surface layer and SPD-bulk material for Al7075. This scientific Investigation aims to establish the basis for an innovative method to study and quantify metallurgical phenomena that occur beneath the machined surface of bulk material.

[ 12 ] Gerstenmeyer, M.; Ort, B.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Influence of the cutting edge microgeometry on the surface integrity during mechanical surface modification by Complementary Machining“. Procedia CIRP, Hrsg. Elsevier, S. 55-60.
Abstract:
In metal production, mechanical surface modifications are used to optimize workpiece characteristics to improve properties such as fatigue strength. Machining and mechanical surface modification can be integrated in the process strategy Complementary Machining. After machining the cutting tool is used reversely acting as a tool for mechanical surface modification. This paper shows the influence of the cutting edge microgeometry on process forces and temperatures as well as process induced grain refinement in the surface layer during the mechanical surface modification of Armco-Iron and AISI 4140. The mechanical surface modification is simulated in a 3D-FEM-simulation with ABAQUS/Standard.

[ 13 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Volker, S. (2017), „Cutting Simulations Using a Commercially Available 2D/3D FEM Software for Forming“. Procedia CIRP, Hrsg. Elsevier, S. 73-78.
Abstract:
Chip formation simulations require either sophisticated material based element removal or deactivation routines, or a powerful remeshing procedure. Therefore the accuracy of all chip formation simulations significantly depends on the FEM-software as well as the material data. Over the course of the past years, a few select commercial programs became the pre-eminent choice for chip formation simulations. In this work, the software simufact.forming, which is not one of those few programs widely in use, has been employed for 2D and 3D chip formation simulations. Orthogonal cutting experiments with AISI4140 were conducted and subsequently modeled, including the cutting edge radius. The results were analyzed with regard to how well chip formation and the resulting process forces in 2D and 3D can be depicted.

[ 14 ] Zanger, F.; Gerstenmeyer, M. & Weule, H. (2017), „Identification of an optimal cutting edge microgeometry for Complementary Machining“, CIRP Annals - Manufacturing Technology, S. 81-84.
Abstract:
The process strategy Complementary Machining combines machining and surface modification, resulting in optimal workpiece properties like fatigue strength. Right after machining the cutting tool is used reversely acting as a tool for a mechanical surface modification. The challenge of designing a cutting edge microgeometry that withstands the load spectrum and induces optimal surface layer states during Complementary Machining is solvable by modeling the resulting surface layer using FEM-simulation. Using the simulation-based analyses a deep process understanding is accomplished enabling further optimization of surface integrity (e.g. grain refinement) which is proven by measurements.

[ 15 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Simulative Betrachtung von Prozessketten in der Fertigung“, massivUmformung, S. 56-59.
Abstract:
Im Produktentstehungsprozess kommen simulationsgestützte Analysen zur Auslegung von Bauteilen und Produktionsanlagen, Werkzeugen und Prozessen zum Einsatz. Auch wenn die heute möglichen Simulationstechniken mittlerweile die Betrachtung der gesamten Prozesskette für alle Produktionsschritte ermöglichen, wird dies in der Industrie nur äußerst selten angewendet. Im Folgenden wird das Potenzial der Prozesskettenmodellierung exemplarisch vorgestellt.