Der Vorsprung von morgen

Mit dem Trend- und Innovationsforum für den Werkzeug- und Formenbau bietet die METAV Düsseldorf 2004 eine Plattform, die Informationen zu relevanten Technologien und deren Verkettung bündelt. Unter der Federführung des aachener werkzeug- und formenbaus zeigen Firmen und Forschungsinstitute aktuelle Lösungen aus den Bereichen "Einsatz neuer Materialien", "Automation und IT", "HSC-Fräsen und Hartbearbeitung", "Laserintegration" sowie "Präzisions- und Mikroformenbau". Neben den ausgestellten Werkzeugen, Bauteilen und Systemkomponenten veranschaulichen tägliche Vorträge die Trends und Innovationen.

Kürzere Produktlebenszyklen und ein ständig wachsender Innovationsdruck kennzeichnen die aktuelle Situation für mittelständische Unternehmen des Werkzeug- und Formenbaus. Zudem führt die zunehmende Globalisierung zu einem verschärften Wettbewerb, dem nur mit geeigneten strategischen Maßnahmen begegnet werden kann. Vor allem die Automobilbranche, aber auch andere Unternehmen hinterfragen zunehmend die Rolle des Betriebsmittelbaus innerhalb der Wertschöpfungskette. Der Betriebsmittelbau wird als kosten- und zeitzehrendes Übel gesehen. Diese Sichtweise hat dazu geführt, dass viele Unternehmen ihre Werkzeugbauaktivitäten zur Kostensenkung in Billiglohnländer verlagert haben oder vom Weltmarkt beziehen. Diese Strategie hat dazu geführt, dass neben dem Verlust des eigenen Herstellungs-Know-how die Beschaffungs- und Koordinationsaufwände gestiegen sind. Darüber hinaus führt die Gestaltung der Schnittstellen zum Betriebsmittelbau sowie dessen Integration in die Planungsprozesse der OEMs häufig dazu, dass der Werkzeugbau als Bindeglied von Produktentwicklung und Produktion zum Ausputzer vorgelagerter Versäumnisse wird.
Einen Ausweg aus der beschriebenen Situation stellt die Positionierung des Werkzeugbaus als problemlösender Komplettdienstleister dar. Die Entwicklungsrichtung und Ausbaumaßnahmen dieser Funktion hängt jedoch maßgeblich von der Ausgangssituation des jeweiligen Betriebsmittelbaus ab. Mit dem Ziel, Wettbewerbsvorteile gegenüber der in- und ausländischen Konkurrenz zu erhalten oder sogar auszubauen, ist es erforderlich, firmenspezifische Ressourcen in Form von Alleinstellungsmerkmalen bzw. Kernkompetenzen gezielt einzusetzen. Erfolgreich agierende Unternehmen weisen zudem eine hohe Innovationsbereitschaft und Prozesskettenkompetenz auf und sind in der Lage, flexibel und schnell auf aktuelle Marktanforderungen zu reagieren, ohne dadurch die Qualität der zu erbringenden Leistungen zu beeinträchtigen. Das Know-how des Werkzeug- und Formenbaus ist ausschlaggebend für eine effiziente Serienproduktion. Beispielsweise ermöglichen die Engineering-Leistungen der Formenbaubetriebe in der Mikrotechnik erst die Realisierung von kostengünstigen Produkten. Grundlage hierfür ist, wie auch in anderen Bereichen, der Einsatz neuer Technologien und kontinuierliche Forschung zur Erweiterung der Prozessgrenzen.

Durchgängige CAx-Kette und automatisierte Fertigungsabläufe
Der effiziente Einsatz einer durchgängigen CAx-Kette im Werkzeug- und Formenbau ist zwischenzeitlich für die Unternehmen zum wesentlichen Wettbewerbsfaktor geworden. Nahezu alle Bauteilkonstruktionen erfolgen mit einem zunehmenden Anteil an Freiformflächen in CAD-Systemen. Ohne eine leistungsfähige CAM-Software mit Kollisionsüberprüfung und NC-Simulation sowie eine abgestimmte Maschinentechnik sind die benötigten Kavitäten der Bauteile heutzutage nicht mehr zu fertigen. Es stellt sich daher nicht mehr die Frage, ob ein Werkzeug- und Formenbau über eine CAx-Kette verfügt, sondern vielmehr wie der Datenaustausch mit den Kunden erfolgt und ob die CAM-Funktionalitäten den technologischen Anforderung der maschinellen Bearbeitung gerecht werden. Die Möglichkeiten der CAM-Systeme werden ständig verbessert und nähern sich in Teilbereichen einander an. Es zeichnet sich ab, dass zukünftig eine Bündelung der Technologie- und Prozesskettenkompetenz in den CAM-Bereichen der Unternehmen weiter an Bedeutung gewinnen wird.

Bereits heute gibt es Bestrebungen, die Bearbeitungsmaschinen im Werkzeug- und Formenbau möglichst in drei Schichten einzusetzen. Dies wird nur durch entsprechende Automatisierung der Anlagen mit Palettier- und Handlingsystemen ermöglicht. Bei einem flexiblen und bedarfsgerechten Einsatz der Technologien Fräsen und Erodieren bietet sich der Aufbau einer integrierten Fertigungszelle an. Diese kann jedoch nur dann effizient genutzt werden, wenn alle Schnittstellen in der Prozesskette vom CAM-System bis hin zur CNC-Steuerung aufeinander abgestimmt werden. Wesentlicher Bestandteil dieser modularen Zellenstruktur ist ein Zentralrechner, der auf alle Maschinensteuerungen zugreifen kann, und dem jederzeit der aktuelle Maschinenstatus gemeldet wird. Gerade die Schnittstellen zu den Maschinensteuerungen weisen derzeit noch nicht die erforderlichen Möglichkeiten auf. Es gibt zwar in Teilbereichen vergleichbare Lösungen für einzelne Technologien, die prozess- und maschinenübergreifende Umsetzung einer derartigen Fertigungszelle hat sich jedoch noch nicht durchgesetzt. Die Zielsetzung für automatisierte Prozesse ist eine Jahresmaschinenlaufzeit von 5000 h/Jahr für die Kerntechnologien Fräsen und Erodieren.

Komplettbearbeitung und automatisierte Werkzeugreparatur mit Lasertechnik
Das Hochgeschwindigkeitsfräsen hat sich, nicht nur in Europa, bei den zukunftsorientierten Unternehmen etabliert. Um weiterhin die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern und sich einen technologischen Vorsprung zu erarbeiten, sind Leistungssteigerungen in der gesamten Prozesskette erforderlich. Die Ansätze des Mehrachsen- (3+2 und 5-Achs) sowie des Hartfräsens eröffnen hier Potenziale auf der Basis neuer Maschinenkonzepte. Dies ist insbesondere von Bedeutung, weil die Entwicklung in der Werkstofftechnologie immer höhere Anforderungen an die Bearbeitungsprozesse und die Maschinen stellt. Das Werkstoffspektrum reicht hierbei von neuartigen  Werkzeugstählen über Keramik bis hin zu hochfestem Aluminium.
Hinsichtlich der Durchlaufzeiten wird die Verbreitung von Maschinen mit Linearmotoren zunehmen. Durch die Reduzierung von Prozessschritten und die Minimierung von Liegezeiten wird die wirtschaftliche Bedeutung einer Komplettbearbeitung auf nur einer Maschine zunehmen. Die kontinuierliche und prozessübergreifende Ausbildung und Qualifikation von Mitarbeitern in der Fertigung wird zur Grundlage für die Umsetzung der erweiterten technologischen Möglichkeiten werden.
Der derzeitige Reparaturprozess von Werkzeugen für die Massiv- und Blechumformung weist aufgrund der hohen manuellen Tätigkeiten u.a. erhöhte Zeit- und Kostenanteile auf. Als Lösung für dieses Problem wurde am Fraunhofer IPT eine Prozesskette einer automatisierten Reparaturzelle für den Werkzeug- und Formenbau "OptoRep" entwickelt, welche durch die Integration von Lasertechnik eine Bearbeitung aller auftretenden Nachbesserungsfälle (Reparatur und Designänderungen) ermöglicht. Es handelt sich bei der Reparaturzelle um ein Gesamtlösungskonzept mit folgenden Anwendungsfällen:
³ Optische Geometrieerfassung,
³ Reparatur verschlissener Werkzeuge mittels Laserpulverbeschichten,
 ³ Verschleißschutz von Neuwerkzeugen mittels Laserpulverbeschichten,
 ³ Werkzeuganpassung bei Design-änderungen mittels Laserpulverbeschichten,
³ Härten von Bauteiloberflächen mittels HDL zur Verschleißminimierung,
³ Hochleistungsfräsbearbeitung.

Höchste Präzisionsanforderungen für Formen in der Mikrotechnik
Kleinstbauteile oder Kleinststrukturen aus Kunststoff werden bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt. Die Präzisionsabformung stellt spezifische Anforderungen an die Prozessführung sowie die benötigten Präzisionsformen. Die realisierbaren Genauigkeiten der abgeformten Bauteile werden bestimmt durch die Präzision der Abformwerkzeuge und deren Werkzeugtechnik. Zur Erzeugung kleinster Wandstärken im Submillimeterbereich und Radien im Mikrometerbereich ist höchste Präzision in allen Werkzeugkomponenten gefordert, damit ein Versatz in der Formtrennung und somit die Gratbildung am Endprodukt sowie eine unvollständige Formfüllung vermieden werden. Durch alle notwendigen Handhabungsvorgänge und sich anschließende Prozessschritte wird es bei kleineren Strukturen zunehmend schwieriger, Toleranzen einzuhalten und kleinste Konturelemente prozesssicher zu erzeugen. Dies stellt außerordentlich hohe Anforderungen an alle Elemente der Prozesskette, beginnend bei der CAD-Aufbereitung und der Auslegung des Elektrodenuntermaßes sowie in der Abstimmung der Prozesstechnologie Fräsen/Erodieren.
Die hohen Anforderungen im Präzisionsspritzguss können nur eingehalten werden, wenn in allen Bereichen ein großes Erfahrungswissen über die möglichen Fehlerquellen und das Optimierungspotenzial vorhanden ist. Dieses Wissen um die Problematiken in der Mikrotechnik stellt einen hohen Wettbewerbsfaktor dar und bietet die Möglichkeit einer engen und langfristigen Zusammenarbeit des Formenbaus mit Produktentwicklern und Kunststoffverarbeitern. Die Neuentwicklungen in den Mikrotechnologien erfordern von der Industrie eine Fokussierung auf Spezialprodukte mit hohen Anforderungen hinsichtlich Strukturgüte, Fülleigenschaften und Entformung. Es bietet sich ein hohes Potenzial für Betriebe, die sich mit Kompetenz und Kommunikationsfähigkeit als integrativer Bestandteil der Engineeringkette etablieren.

Fazit
Die Bandbreite der dargestellten Technologien und Methoden deutet bereits auf die vielfältigen Möglichkeiten und neuen Herausforderungen bei der Gestaltung einer durchgängigen Prozesskette im Werkzeug- und Formenbau hin. Wesentliche Voraussetzung für deren effizienten Einsatz ist jedoch eine entsprechende Qualifizierung des Fachpersonals im Umgang mit den zugehörigen Systemen. Weiterhin sind für die Umsetzung der Technologien und der daran gekoppelten EDV-Strukturen zum Teil erhebliche Investitionen zu tätigen. Hier ist der Abgleich mit den strategischen Zielen des Unternehmens im Hinblick auf das Leistungsangebot vorzunehmen. Die hieraus resultierenden Systemgrenzen eines Werkzeug- und Formenbauers sind daher mit Bedacht, aber auch mit der notwendigen Entschlossenheit zu ziehen. Letztlich müssen die Kernkompetenzen innerhalb der Grenzen dem Kunden klar und deutlich als Leistungsmerkmal präsentiert werden, um gegenüber der Konkurrenz einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen.
Gehen die Kundenbedürfnisse über die eigenen Systemgrenzen hinaus, lässt sich die Rolle des Systemanbieters nur über temporäre Allianzen, Netzwerke oder Kooperationen mit anderen Unternehmen erzielen. Hierbei muss den Partnern die eigene, individuelle Systemkompetenz als Vorteil für eine Partnerschaft dargestellt werden.
Die Schaffung von Alleinstellungsmerkmalen auf Basis optimal eingesetzter Ressourcen bildet eine wesentliche Voraussetzung für das Überleben im globalen Wettbewerb.

www.ipt.fraunhofer.de