Simulation senkt reelle Produktionskosten

von Tim Bartl Der Globale Wettbewerb fordert auch von Unternehmen des Werkzeug- und Formenbau immer kürzere Produktionszyklen. Vor allem in der Entwicklung und im Vertrieb soll Zeit gespart werden. Gleichzeitg soll im Rahmen der Mass Customization sowohl den Vorzügen der Massenproduktion als auch dem Wunsch der Kunden nach möglichst breit angelegter Individualisierung entsprochen werden. Eng gesteckte Lieferzeiten verbunden mit einer hohen Termintreue komplettieren die Wettbewerbskonditionen für die einzelnen Unternehmen. Das iwb zeigt, welche Rolle dabei heute die Digitale Fabrik und das Rapid Manufacturing spielen.

Der Aspekt der Schnelligkeit kann aus drei verschiedenen Perspektiven betrachtet werden: Die Erste betrifft die schnelle Umsetzung einer Produktidee zum fertigen Produkt. Eine effiziente und effektive Gestaltung der Aufbau- und Ablauforganisation, wie sie die Digitale Fabrik ermöglicht, ist eine notwendige Voraussetzung, um unmittelbar auf Kundenanforderungen reagieren zu können. Des Weiteren besteht die Forderung, eine schnelle Adaption von Produktionssystemen und Technologien zu ermöglichen. Die dritte Perspektive betrifft schließlich die gesamte Kette der Auftragsabwicklung. Hauptaugenmerk sind hier die in allen Bereichen angestrebten möglichst kurzen Durchlaufzeiten. In der Produktion beispielsweise können mittels Rapid-Prototyping-Technologien bei geringen Stückzahlen zeitnah komplexe Produkte hergestellt werden. Sowohl Rapid Manufacturing als auch die Digitale Fabrik können dazu beitragen, Produktentstehungszeiten signifikant zu senken und so die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens im internationalen Wettbewerb zu sichern. Die Bezeichnung Rapid-Technologie wird üblicher Weise als Sammelbegriff für Verfahren verwendet, die Bauteile schichtweise erzeugen und sich hierbei durch eine hohe Geschwindigkeit im Hinblick auf die schnelle Umsetzung eines virtuellen Modells in ein reales Bauteil, auszeichnen. Rapid Prototyping ist die Bezeichnung für eine schnelle und generative Herstellung von Muster- und Prototypenbauteilen. Beim Rapid Tooling entstehen Werkzeuge und Formen für urformende und umformende Verfahren. Können die erzeugten Bauteile direkt als marktfähige Produkte eingesetzt werden, spricht man von Rapid Manufacturing. Das zu Grunde liegende Prinzip der schichtweisen Herstellung von Bauteilen unterscheidet sich elementar von dem der konventionellen, spanabhebenden Verfahren. Basierend auf einem SD-CAD-Modell wird standardisiert ein STL-Geometriemodell (Standard Triangulation Language) erzeugt, das von einer anlagenbasierten Slice-Software in einzelne Schichten zerlegt und schrittweise in einer entsprechenden Anlage mittels der verschiedenen Verfahrensprinzipien generiert wird. Im Procedere wird repetetiv eine Schicht aufgetragen und verfestigt. Im Anschluss wird die Bauplattform abgesenkt, wodurch ein erneuter Schichtauftrag möglich wird. Die Entwicklung der Rapid-Technologien begann vor zirka 25 Jahren mit den ersten Stereolithographieanlagen, deren Verfahrensprinzip auf Entwicklungsschritte Ende der 70er Jahre zurückgeht und somit das älteste Prinzip der generativen Fertigung darstellt. In der Folge wurden vor allem zu Beginn der 90er Jahre weitere Prinzipien zur schichtweisen Herstellung von Bauteilen, wie Schicht-Laminat-Verfahren, Extrusionsverfahren, Selektives Lasersintern und 3D-Printing in kommerziellen Anlagen umgesetzt, Mit der Nutzung des Elektronenstrahls zum schichtweisen Aufschmelzen eines Metallpulvers (Elektronenstrahlsintern) wurde diese Bandbreite in der jüngeren Vergangenheit um ein zusätzliches Verfahren erweitert. Heute gängige Verfahren zum Schichtweisen Herstellen von Bauteilen ist die Stereolithographie (SL), also das schichtweise Aushärten von flüssigen Photopolymeren mit Hilfe von UV-Licht. Als Energiequelle dienen in der Regel UV-Laser. Weiter das Selektives Lasersintern (SLS), ein lokales Aufschmelzen von pulverförmigem Ausgangsmaterial durch einen CO²- oder Faserlaser. Als dritte Variante beschreibt das Elektronenstrahl-Sintern (EBS) ein lokales Aufschmelzen von ebenfalls pulverförmigem Ausgangsmaterial mittels eines Elektronenstrahls. Neben den strahlbasierten Technologien existieren noch drei weitere Verfahrensgruppen, die jeweils auf einem spezifischen Prinzip beruhen. Bei den Schicht(Laminat)-Verfahren werden Folien oder Platten schichtweise aufeinander geklebt und anschließend ausgeschnitten, wobei meist ein CO²-Laser zum Einsatz kommt. Den höchsten industriellen Verbreitungsgrad haben derzeit Anlagen, die nach dem Extrusionsverfahren arbeiten. Hierbei wird ein drahtförmiges Ausgangsmaterial in einer oder mehreren Düsen aufgeschmolzen und so auf die Bauplattform aufgetragen. Die Auftragsdüsen können ähnlich wie bei einem Drucker (Plotter-mechanismus) über die Bauebene geführt werden. Dieses Prinzip lässt sich in sehr kompakten und vergleichsweise kostengünstigen Anlagen umsetzen und findet daher bei der Erzeugung von Modellen und Prototypen (RP) im Entwicklungsprozess Anwendung. Auch das Verfahrensprinzip des 3D-Druckens basiert auf der Verwendung eines Plottermechanismus zur Erzeugung einer Lateralbewegung in der Bauebene, wobei hier an der Stelle einer Schmelzdüse ein Druckkopf zur Einbringung eines Binders in ein Pulverbett zum Einsatz kommt. Der Binder erzeugt eine lokale Verfestigung des Pulvers, das neben Gips und Formsand auch aus Metall oder Kunststoff bestehen kann. Der Begriff ‚Digitale Fabrik’ existiert seit Ende der 1990er Jahre. In einem VDI-Fachausschuss wurde eine integrierende Definition entwickelt. Die daraus entstandene VDI-Richtline 4499 definiert die Digitale Fabrik als „... Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen – unter anderem der Simulation und 3D-Visualisierung, die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt.“ Seit Beginn der elektronischen Datenverarbeitung führt das Bestreben von Industrieunternehmen nach Produktivitätssteigerungen und einer Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit zu einem stetig wachsenden Einsatz der Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Laufe der Zeit entstanden daher zahlreiche Rechnerwerkzeuge zur funktionalen Unterstützung des Produktentstehungsprozesses. Die Datenhaltung war zunächst systembezogen und dadurch intransparent. Mit dem Computer Integrated Manufacturing (CIM) wurde ein erster Ansatz zur Integration der unterschiedlichen Computersysteme entwickelt, der allerdings scheiterte. Das Product Lifecycle Management (PLM) ist eine aktuelle Epoche in der Evolution der Digitalen Fabrik, die ähnlich zum CIM-Gedanken, eine Weiterentwicklung des Einsatzes der Rechnerhilfsmittel darstellt. Das PLM verfolgt hierbei das Ziel, alle Informationen, welche das Produkt betreffen, zu vereinheitlichen. Die Digitale Fabrik wird in erster Linie mit den eingesetzten Softwaresystemen assoziiert. Auch wenn der aktuelle Stand der Technik in den beiden Disziplinen Rapid Manufacturing und Digitale Fabrik die Produktentstehungszeiten bereits merklich gesenkt hat, besteht ein ungebrochen hoher Handlungsbedarf zur Weiterentwicklung und Optimierung dieser Technologien. Das Umfeld der Digitalen Fabrik ist geprägt durch einen hohen Innovationsgrad und schnelle Veränderungen. Ein weiterer erkennbarer Trend ist die virtuelle Inbetriebnahme, die dazu beiträgt, Steuerungen für Anlagen noch während der Konstruktions- und Bauphase virtuell zu testen und zu optimieren und so bislang nachgeschaltete Entwicklungsprozesse zu parallelisieren. Die aktuellen Trends des Rapid Manu-facturing liegen vor allem in einer simulationsbasierten Optimierung und einer modellbasierten Parameterermittlung. Hierdurch wird eine noch stärkere und kundenindividuellere Produktpalette ermöglicht, die eine Erweiterung der Werkstoffe mit einschließt. Auch im Bereich der Bauteilequalität können durch numerische Berechnungsverfahren, beispielsweise der Finte-Elemente-Methode (FEM), Prozessdefizite wie Verzug oder Beschädigungen vermindert werden. Rapid Technologien ermöglichen ferner die wirtschaftliche Produzierung von individualisierten Produkten bis hin zur Stückzahl eins, wie sie beispielsweise in der Implantatherstellung in medizinischen Bereichen benötigt werden.

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