Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Validierung eines Inline-Faltenauswertungsmoduls zur Auswertung der Faltenverteilung an gezogenen Kartonformteilen im Prozess zum Ziel. Ein entsprechend konstruierter Versuchsaufbau ermöglicht die dafür notwendigen Bilddaten innerhalb des Ziehprozesses zu akquirieren und annähernd in Echtzeit auszuwerten. Durch den Ausgleich der graduellen Beleuchtung kann unter Anwendung eines zweidimensionalen Frequenzfilters eine Kontrastoptimierung zwischen Falten und Hintergrund erreicht werden, die die Auswertung der Daten begünstigt. Mittels Kreuzkorrelation mit einem Faltenmodell kann so die Position von Falten in Bildausschnitten lokalisiert werden. Dieser neuartige Ansatz ermittelt Falten nicht nur punktuell, sondern bezieht auch die Umgebung eines Pixels in die Analyse ein. Dadurch wird eine differenzierte Klassifizierung erreicht, die robust gegenüber Bildfehlern und Rauschen ist. Eine Korrekturfunktion berücksichtigt die durch die Abbildung der runden Zarge auf die Fokusebene resultierenden Positionsabweichungen und macht die Falten einer photogrammetrischen Messung zugänglich. So lassen sich mittlere Faltenabstände und deren Standardabweichungen ermitteln, die einem Vergleich mit Referenzmessmethoden standhalten. Mit Hilfe statistischer Tests kann gezeigt werden, dass vor allem aus hohen Faltenhalterkräften, und demzufolge feinverteilten Falten, größere Abweichungen zwischen dem Inline-Faltenauswertungsmodul und der Referenzmessmethode resultieren. Eine Fehlerdiskussion legt verschiedene Gründe für dieses Verhalten dar. Weiterführende Untersuchungen weisen die prinzipielle Eignung des Verfahrens für abweichende Geometrien und Materialien nach, zeigen jedoch auch Grenzen des eingesetzten Systems auf. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Verbesserungsansätze vorgeschlagen, die die Limitierungen der entwickelten Methode reduzieren können. / The present thesis includes the development and validation of a module for inline-examination of wrinkle-distribution on deep-drawn paperboard containers within the deep drawing process. A suitably constructed test-device allows to acquire the necessary images within the process and their approximately real-time evaluation. The usage of a two-dimensional frequency-filter accomplishes a contrast optimization between wrinkles and background by the compensation of a gradual illumination, which supports the evaluation of the wrinkles. Through the cross-correlation with a wrinkle-model, the position of wrinkles in image segments can be determined. This novel approach not only determines the wrinkles in a punctual way, but also it includes the environment of pixels. In this way a differentiating classification is possible, which is sturdy against image errors and noise. A correcting function considers the position errors caused by the mapping of the round frame of the deep-drawn paperboard container to the focal plane and makes the wrinkles available for a photogrammetric measurement. In this way averaged wrinkle-distances and their standard deviation can be determined that withstands the comparison with certain reference measuring methods. By statistical tests can be shown, that especially high blankholder forces and therefor small wrinkles result in higher differences between the inline examination-module and the reference measuring method. An error discussion explains various reasons for this behavior. Further tests prove the general suitability of the method for different geometries and materials, but also show limits of the applied system. Based on the gained knowledge, approaches for optimization are discussed that may improve the developed method.

In der Arbeit wird ein System zur ultraschallunterstützten Bearbeitung dargestellt, mit dem es möglich wird, spanenden und umformenden Metallbearbeitungsprozessen Schwingungen zu überlagern, die in ihrer Amplitude weit über denen vergleichbarer, bisher üblicher Systeme liegen.

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Validierung eines Inline-Faltenauswertungsmoduls zur Auswertung der Faltenverteilung an gezogenen Kartonformteilen im Prozess zum Ziel. Ein entsprechend konstruierter Versuchsaufbau ermöglicht die dafür notwendigen Bilddaten innerhalb des Ziehprozesses zu akquirieren und annähernd in Echtzeit auszuwerten. Durch den Ausgleich der graduellen Beleuchtung kann unter Anwendung eines zweidimensionalen Frequenzfilters eine Kontrastoptimierung zwischen Falten und Hintergrund erreicht werden, die die Auswertung der Daten begünstigt. Mittels Kreuzkorrelation mit einem Faltenmodell kann so die Position von Falten in Bildausschnitten lokalisiert werden. Dieser neuartige Ansatz ermittelt Falten nicht nur punktuell, sondern bezieht auch die Umgebung eines Pixels in die Analyse ein. Dadurch wird eine differenzierte Klassifizierung erreicht, die robust gegenüber Bildfehlern und Rauschen ist. Eine Korrekturfunktion berücksichtigt die durch die Abbildung der runden Zarge auf die Fokusebene resultierenden Positionsabweichungen und macht die Falten einer photogrammetrischen Messung zugänglich. So lassen sich mittlere Faltenabstände und deren Standardabweichungen ermitteln, die einem Vergleich mit Referenzmessmethoden standhalten. Mit Hilfe statistischer Tests kann gezeigt werden, dass vor allem aus hohen Faltenhalterkräften, und demzufolge feinverteilten Falten, größere Abweichungen zwischen dem Inline-Faltenauswertungsmodul und der Referenzmessmethode resultieren. Eine Fehlerdiskussion legt verschiedene Gründe für dieses Verhalten dar. Weiterführende Untersuchungen weisen die prinzipielle Eignung des Verfahrens für abweichende Geometrien und Materialien nach, zeigen jedoch auch Grenzen des eingesetzten Systems auf. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Verbesserungsansätze vorgeschlagen, die die Limitierungen der entwickelten Methode reduzieren können. / The present thesis includes the development and validation of a module for inline-examination of wrinkle-distribution on deep-drawn paperboard containers within the deep drawing process. A suitably constructed test-device allows to acquire the necessary images within the process and their approximately real-time evaluation. The usage of a two-dimensional frequency-filter accomplishes a contrast optimization between wrinkles and background by the compensation of a gradual illumination, which supports the evaluation of the wrinkles. Through the cross-correlation with a wrinkle-model, the position of wrinkles in image segments can be determined. This novel approach not only determines the wrinkles in a punctual way, but also it includes the environment of pixels. In this way a differentiating classification is possible, which is sturdy against image errors and noise. A correcting function considers the position errors caused by the mapping of the round frame of the deep-drawn paperboard container to the focal plane and makes the wrinkles available for a photogrammetric measurement. In this way averaged wrinkle-distances and their standard deviation can be determined that withstands the comparison with certain reference measuring methods. By statistical tests can be shown, that especially high blankholder forces and therefor small wrinkles result in higher differences between the inline examination-module and the reference measuring method. An error discussion explains various reasons for this behavior. Further tests prove the general suitability of the method for different geometries and materials, but also show limits of the applied system. Based on the gained knowledge, approaches for optimization are discussed that may improve the developed method.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zum ultraschallunterstützten Ziehen von Karton. Beim Ziehen wird ein Kartonzuschnitt mit einem Stempel durch eine Matrize gezogen und so ein einseitig offener Hohlkörper hergestellt, ähnlich wie beim Tiefziehen von Metall. Die Ziehwerkzeuge sind üblicherweise beheizt, um die Umformeigenschaften des Kartons durch Wärmeeintrag zu verbessern. In dieser Arbeit werden die Werkzeuge jedoch als Ultraschallsonotroden ausgeführt, da beim Metalltiefziehen durch Ultraschallwerkzeuge Verbesserungen der Prozessführung und des Tiefziehteils erreicht wurden. Die Erkenntnisse aus dem Metallbereich können jedoch nicht ohne weitere Forschung übernommen werden. Vor der Entwicklung der Ultraschallwerkzeuge werden in dieser Arbeit daher zunächst Lücken im Stand der Wissenschaft und Technik geschlossen bezüglich der Wirkungen von Ultraschallschwingungen auf Karton. Hierzu wird der Druck im Spalt zwischen den Ziehwerkzeugen ermittelt. Anhand der Druckmessung wird ein Beitrag geleistet zur Ermittlung der Erwärmung von Karton in Kontakt mit Ultraschallsonotroden, der Glättung der Oberfläche von Ziehteilen durch Ultraschall und der Beeinflussung der Stabilität von Ziehteilen durch Ultraschall. Mithilfe dieser Forschungsergebnisse werden die Werkzeugsonotroden ausgelegt und ein Versuchsträger entwickelt, mit dem die Erforschung des Prozesses in einem breiten Parameterraum möglich ist. Die Ergebnisse beim Ziehen mit beiden Werkzeugvarianten werden anhand von Kenngrößen der hergestellten Ziehteile verglichen. Dabei handelt es sich um die maximal erreichbare Ziehteilhöhe, die erreichbare Stabilität gegen axiale Stauchbelastung, die erreichbare Oberflächenrauheit und die erreichbare minimale Formabweichung. Für die Bestimmung der Formabweichung wird auf ein bekanntes Verfahren zurückgegriffen und für die übrigen Kenngrößen werden in dieser Arbeit neue Messverfahren entwickelt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Ultraschallunterstützung qualitativ hochwertige Formteile herstellbar sind, wobei besonders die erreichbare Oberflächenglätte hervorzuheben ist. / The subject of this work is the development of a process for ultrasonic assisted deep-drawing of cardboard. In deep-drawing, a cardboard blank is drawn through a die with a punch, thus producing a hollow body open on one side, similar to the deep-drawing of metal. The drawing dies are usually heated to improve the forming properties of the cardboard by heat input. In this work, however, the dies are ultrasonic sonotrodes because improvements in process control and drawn part have been achieved in metal deep-drawing using ultrasonic tools. Nevertheless, the knowledge gained in the metal field cannot be adopted without further research. Therefore, prior to the development of ultrasonic tools, this work first closes gaps in the state of science and technology regarding the effects of ultrasonic vibrations on cardboard. For this purpose, the pressure in the gap between the drawing dies is determined. Based on the pressure measurement, statements can be made on the heating of cardboard in contact with ultrasonic sonotrodes, the smoothing of the surface of drawn parts by ultrasound and the influence of ultrasound on the stability of drawn parts. Based on these research results, the tool sonotrodes are designed and a teststand is developed, which allows the process to be explored in a wide parameter space. The results of drawing with both toolvariants are compared on the basis of parameters of the produced drawn parts. These are the maximum achievable drawn part height, the achievable stability against axial compression, the achievable surface roughness and the achievable minimum form deviation. For the determination of the form deviation, a known method is used, and for the other parameters, new measurement methods are developed in this work. In summary, it can be stated that ultrasonic vibrations can be used to produce high-quality molded parts, with particular emphasis on the achievable surface smoothness.

This paper describes some results of a research study on conjecturing and proving in a dynamic geometry environment (DGE), and it focuses on particular cognitive processes that seem to be induced by certain uses of tools available in Cabri (a particular DGE). Building on the work of Arzarello and Olivero (Arzarello et al., 1998, 2002; Olivero, 2002), we have conceived a model describing some cognitive processes that may occur during the production of conjectures and proofs in a DGE and that seem to be related to the use of specific dragging schemes, in particular to the use of the scheme we refer to as maintaining dragging. This paper contains a description of aspects of the theoretical model we have elaborated for describing such cognitive processes, with specific attention towards the role of the dragging schemes, and an example of how the model can be used to analyze students’ explorations.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

In der Arbeit wird ein System zur ultraschallunterstützten Bearbeitung dargestellt, mit dem es möglich wird, spanenden und umformenden Metallbearbeitungsprozessen Schwingungen zu überlagern, die in ihrer Amplitude weit über denen vergleichbarer, bisher üblicher Systeme liegen.:Bibliografische Beschreibung 2 Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 6 Vorwort 10 1 Einleitung 11 1.1 Hybridtechnologien 13 1.2 Motivation und Herausforderung 15 2 Stand der Technik 17 2.1 Erzeugung des Hochleistungsultraschalls 17 2.1.1 Magnetostriktiver Effekt 17 2.1.2 Piezoelektrischer Effekt 19 2.1.3 Resonatoren 19 2.1.4 Hochleistungsgeneratoren 21 2.1.5 Ultraschalltransformation 21 2.1.5.1 Amplitudentransformation 22 2.1.5.2 Richtungstransformation 24 2.2 Anwendung von Hochleistungsultraschalltechnik in Hybridverfahren 28 2.2.1 Ultraschallunterstütztes Schleifen 29 2.2.2 Ultraschallunterstütztes Bohren 32 2.2.3 Ultraschallunterstütztes Fräsen 35 2.2.4 Ultraschallunterstütztes Schneiden 37 2.2.5 Ultraschallunterstütztes Drehen 41 2.2.6 Ultraschallunterstütztes Niet-Clinchen 45 2.2.7 Ultraschallunterstütztes Drahtziehen 46 2.2.8 Ultraschallunterstützte hybride Verfahren - Zusammenfassung 50 2.3 Massenanregung durch hochfrequente Schwingungen 54 2.4 Verbindungstechnologien 56 3 Ziel der Arbeit 58 4 Methodik zur Entwicklung von Massenerregersystemen 60 4.1 Auswahl der Schwingungsart zur Schwingungsübertragung 60 4.2 Lösungsansätze 60 4.3 Simulation 63 4.4 Festlegung der Ultraschallparameter 63 4.5 Schwingungsüberlagerte Prozesskräfte 66 4.6 Einfluss der anzuregenden Masse auf die Beschleunigungskraft 68 4.7 Einfluss der anzuregenden Masse auf die Frequenz 69 4.8 Betrachtung der konstruktiven Freiräume 76 4.9 Schwingungsausbreitungsrichtungen 78 4.9.1 Symmetrisch 79 4.9.2 Asymmetrisch 80 4.10 Kraftübertragung und Schwingungsentkopplung 81 5 Konstruktive Gestaltung der Massenerregersysteme 86 5.1 Konstruktive Randbedingungen 86 5.2 Konstruktion zum ultraschallunterstützten Drehen 87 5.2.1 Auslegung zur Wendeschneidplattenanregung mit hohen Amplituden 87 5.2.2 Konstruktion zur gewindebasierten mechanischen Verspannung von Wendeschneidplatten 90 5.2.3 Berechnungen und Simulation des gewindebasierten Spannsystems für Wendeschneidplatten 90 5.2.4 Konstruktion und Simulation zur pneumatischen Verspannung von Wendeschneidplatten 94 5.2.5 Integration in eine Drehmaschine und konstruktive Grenzen 99 5.3 Konstruktion zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 103 5.3.1 Bestimmung der Auslegung zur Ziehsteinanregung 103 5.3.2 Konstruktion zur gewindebasierten mechanischen Verspannung des Ziehsteines 104 5.3.3 Berechnungen und Simulation des gewindebasierten Spannsystems zur Ziehsteinanregung 106 5.3.4 Integration in den Ziehprozess und konstruktive Grenzen 113 6 Experimentelle Untersuchungen 115 6.1 Untersuchungen zum ultraschallunterstützten Drehen 115 6.1.1 Aufbau zur Verspannung von Wendeschneidplatten 116 6.1.2 Prozessparameter beim ultraschallunterstützten Drehen 118 6.1.3 Ergebnisse zum ultraschallunterstützten Drehen 119 6.1.3.1 Schnittkraft - Schnittleistung 120 6.1.3.2 Werkzeugverschleiß 130 6.1.3.3 Oberflächeneffekte beim ultraschallunterstützten Drehen 133 6.1.3.4 Zusammenhang Ultraschallparameter – Prozessparameter beim Drehen 135 6.2 Untersuchungen zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 138 6.2.1 Aufbau zur Verspannung von Ziehsteinen 138 6.2.2 Prozessparameter beim ultraschallunterstützten Drahtziehen 141 6.2.3 Ergebnisse zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 142 6.2.3.1 Zugkraft 142 6.2.3.2 Durchmesserreduktionsverhältnis 144 6.2.3.3 Schmierstoffsubstitution plus Reinigungseffekt 145 6.2.3.4 Oberflächeneffekte beim ultraschallunterstützten Drahtziehen 149 6.2.3.5 Werkzeugverschleiß 152 6.2.3.6 Zusammenhang Ultraschallparameter – Prozessparameter beim Drahtziehen 152 7 Zusammenfassung und Ausblick 156 7.1 Vergleich der Ultraschallparameter bei der Anregung von Massen 156 7.2 Vergleichende Betrachtung zum ultraschallunterstützen Drehen und Drahtziehen 157 7.3 Erkenntnisse und Ausblick 158 8 Literaturverzeichnis 160 9 Abbildungsverzeichnis 168 10 Anhang - Konstruktionszeichnungen 178 Lebenslauf 184

This paper describes some results of a research study on conjecturing and proving in a dynamic geometry environment (DGE), and it focuses on particular cognitive processes that seem to be induced by certain uses of tools available in Cabri (a particular DGE). Building on the work of Arzarello and Olivero (Arzarello et al., 1998, 2002; Olivero, 2002), we have conceived a model describing some cognitive processes that may occur during the production of conjectures and proofs in a DGE and that seem to be related to the use of specific dragging schemes, in particular to the use of the scheme we refer to as maintaining dragging. This paper contains a description of aspects of the theoretical model we have elaborated for describing such cognitive processes, with specific attention towards the role of the dragging schemes, and an example of how the model can be used to analyze students’ explorations.

Die Produktion verschiedener Arten von Gütern ist im globalen Kontext gesellschaftlicher Entwicklung fortwährend an die Verfügbarkeit von Ressourcen gebunden und durch diese zunehmend begrenzt. In den bis heute entstandenen Wertschöpfungsketten basiert die verlustarme und effiziente Verteilung von Produkten, Zwischenprodukten, Halbzeugen sowie auch Rohstoffen auf den spezifisch auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellten Funktionen ihrer Verpackungen. Als Bindeglied in nahezu allen Teilen der Produktion werden die Verpackung und ihre Herstellung innerhalb des mit Abstand größten Teils ihrer Anwendung, den Konsumgüterverpackungen als Beispiel für die Diskussion von Einsatzpotentialen naturfaserbasierter Materialien verwendet. Die Habilitationsschrift stellt die Ausgangssituation in der weltweiten Konsumgüterproduktion und Ressourcenverfügbarkeit dar und ordnet die Position naturfaserbasierter Packmittel in diese ein. Es werden Technologien zur Formgebung naturfaserbasierter Materialien zu Packmitteln zusammenfassend dargestellt. Die Ziehtechnik wird im Speziellen in Form eines Leitfadens in ihren Wirkmechanismen und Prozessvarianten sowie in Bezug auf ihre technische Umsetzung dargestellt. Es werden Beispiele konkreter Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.