Kostenreduzierung bei der Werkzeuganpassung

Anwendungsbeispiel: Rapid Manufacturing
Werkzeugbau: Durch Digitalisierung enorme Zeit- und
Kosteneinsparung bei Änderungen von Serienwerkzeugen
Messsysteme: ATOS, TRITOP
Keywords: optimiertes Fräsen, hybrides Modellieren
Häufig sind Modifikationen an den Werkzeugen beim Einfahren oder in der
ersten Produktionsphase von Karosserieteilen notwendig. Somit entspricht die
reale Werkzeugform nicht mehr der ursprünglichen und grundlegenden Konstruktion. Um die Werkzeuge effizient reparieren oder reproduzieren zu können,
ist die beste Lösung, die Oberflächen des bereits erprobten und eingefahrenen
Werkzeugs zu digitalisieren und als CAD-Datensatz aufzubereiten.
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Rapid Manufacturing / Werkzeugbau
Durch Digitalisierung enorme Zeit- und Kosteneinsparung bei Änderungen von Serienwerkzeugen
Messsysteme: ATOS, TRITOP
Keywords: optimiertes Fräsen, hybrides Modellieren
Die Grundsätze, mit denen der Firmengründer H. Wilhelm Meckenstock seine
kleine Bandwirkerei 1895 etablierte, haben die gleichnamige GmbH zu einem
anerkannten Systementwickler und Zulieferer für die internationale Automobilindustrie gemacht. Spezialitäten des in Mettmann bei Düsseldorf ansässigen
Hauptwerkes sind die Herstellung von Wärmeabschirmblechen und die Fertigung von Pressteilen aus Stahl und Aluminium. Hierzu zählt auch die Entwicklung und Fertigung von Schweiß- und Montagegruppen für die Großserienproduktion der aufgeführten Blechteile.
So wird ein Großteil der vorderen Blechkarosserie sowohl für den Porsche
Cayenne als auch für das Modell Tuareg von VW bei Meckenstock gefertigt. Für
die Herstellung der zwanzig Bleche sind in Mettmann hundert Werkzeuge im
Einsatz. Der Zusammenbau zu Baugruppen wird in der vollautomatischen
Schweiß- und Montagestraße durchgeführt.
Manuelle Änderungen im Werkzeug Try-Out
Aus Kosten- und Kapazitätsgründen wurde die Mehrzahl der Werkzeuge nicht im
hauseigenen Werkzeugbau, sondern von externen Zulieferern im CAD konstruiert
und auf dieser Grundlage gefertigt. Beim Einfahren der Werkzeuge sind technologiebedingte Modifikationen nötig. Das heißt, Wirkflächen werden manuell
geändert, so dass die Umformprozesse am Blech optimal ablaufen und die gewünschte Form erzeugt wird. Die manuell durchgeführten Änderungen wurden
weder dokumentiert noch in die CAD-Daten übernommen.
Somit entspricht die reale Werkzeugform nicht mehr der ursprünglichen und
grundlegenden Konstruktion.
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Abb. 1: Die H. Wilhelm Meckenstock GmbH, Spezialist für Pressteile, Schweiß- und
Montagegruppen für die Fahrzeugindustrie.
Abb. 2: Für das Kalibrierwerkzeug des Dachrahmens existieren keine aktuellen
CAD-Daten. Trotzdem sollen über CAD/CAM an einigen Stellen Änderungen ins Werkzeug
eingefräst werden (siehe Markierungen am fertigen Blechteil, Detailansicht, rechtes Bild).
Zusätzliche konstruktive Änderungen im Serienanlauf
Häufig sind auch noch kleine Modifikationen an den Werkzeugen in der ersten
Produktionsphase von Karosserieteilen notwendig. So zeigte sich, dass beim
Zusammenschweißen des Dachquerträgers mit dem -rahmen an den Anschlussstellen hohe Spannungen auftraten, die in den Schweißanlagen zu Problemen
führten. Um diese Spannungen zu vermeiden, muss der Dachrahmen in definierten Bereichen stärker gebogen werden, was durch die Anpassung des entsprechenden Kalibrierwerkzeuges möglich ist. Roland Decuzzi, Leiter des Werkzeugbaus, schildert die durchzuführende Aufgabe: „Diese und noch weitere notwendige Modifikationen wurden gemeinsam von unserer Qualitätssicherung
und mir festgelegt. Der Dachrahmen muss an seinem vorderen Anschlussbereich
zwischen 0,2 mm und 0,7 mm tiefer gezogen werden. Ziel ist es, diese Änderungen am Werkzeug in kürzester Zeit mit geringst möglichem Produktionsausfall
umzusetzen.“
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Enorme Erleichterung durch aktuelle CAD-Daten bei Änderungen
und Reproduktion
Die Einarbeitung von Änderungen in ein Werkzeug kann nur durch eine Fräsbearbeitung effizient durchgeführt werden. Für die Berechnung der dafür notwendigen
NC-Programme setzt der Werkzeugbau der Firma Meckenstock bereits seit über
neun Jahren erfolgreich das CAD/CAM-System von Tebis ein. Andreas Kups,
CAD/CAM-Verantwortlicher im Werkzeugbau, kennt die Problematik dieser
Aufgabe: „Die NC-Programme für die notwendigen Änderungen werden auf Basis
der CAD-Flächen des Werkzeuges berechnet. Durch die bereits erfolgten manuellen
Anpassungen im Try-Out entspricht das CAD-Modell aber nicht mehr dem realen
Werkzeug. Solange der aktuelle Zustand des Werkzeuges nicht als CAD-Datensatz
vorliegt, können notwendige Änderungen nur sehr mühselig und zeitaufwändig in
das Werkzeug eingebracht werden. Der sonst so komfortable Weg über CAD und
CAM ist dann verbaut“.
Darüber hinaus droht noch eine zweite, weitaus kritischere Situation: „Entsteht in
der Produktion der Blechteile ein Werkzeugbruch, muss die entsprechende Komponente schnellstmöglich repariert oder ersetzt werden. Da die vorhandenen CADDaten jedoch nicht dem aktuellen Werkzeug entsprechen, muss die gesamte
manuelle Anpassung aus dem Werkzeug Try-Out noch einmal durchgeführt werden.
Bei fremdgefertigten Werkzeugen sind diese Nacharbeiten zudem oft nicht dokumentiert. Dadurch verschärft sich die Problematik, wenn das Werkzeug unter
Zeitdruck neu erstellt werden muss. Im Extremfall kann dies zu einem Produktionsausfall führen, der mit enormen Kosten verbunden ist.“
Digitalisierung von Werkzeugoberflächen durch Tebicon
Die technologisch beste Lösung ist es, die Oberflächen des bereits erprobten und
eingefahrenen Werkzeugs zu digitalisieren und als CAD-Datensatz aufzubereiten.
Damit kann das Werkzeug auf stimmiger Grundlage modifiziert und - im Ernstfall effizient repariert oder reproduziert werden. Auch die Firma Meckenstock entschied
sich, diese Vorgehensweise im aktuellen Fall einzusetzen. Wirtschaftlich betrachtet
erscheint wegen der nicht ausreichenden Auslastung eine Investition in ein hochwertiges Digitalisiersystem bis heute jedoch noch nicht sinnvoll.
Auf der Suche nach einem Dienstleistungsunternehmen, welches die Digitalisierung
von Werkzeugen durchführt, landete Herr Kups schnell bei der Tebicon Tebis
Consulting GmbH. Diese war ihm bereits durch qualifizierte Tebis CAD/CAMTrainings- und Consulting-Leistungen bekannt.
Als Dienstleistungstochter der Tebis AG bietet die Tebicon unter anderem an,
beliebig komplexe Werkzeuge direkt beim Kunden zu digitalisieren, die gemessenen Daten mit den CAD-Daten zu vergleichen und die erfassten Abweichungen in
den CAD-Datensatz zu integrieren. Auf dem so aktualisierten CAD-Modell kann nun
die NC-Fertigung erfolgen. Es kann aber auch als Grundlage für weitere konstruktive Anpassungs- und Änderungsarbeiten eingesetzt werden, so dass Änderungen in
bestehende oder in neue Werkzeuge eingearbeitet werden können.
Berührungsloses Digitalisieren mit dem ATOS-TRITOP System von
GOM
Nach der Fertigung eines Blechteilevorrats für zwei Wochen wird das Kalibrierwerkzeug bei Meckenstock aus der Produktion entnommen. Um die Ausfallkosten gering
zu halten, muss es von nun an schnell gehen. Für die Überführung des Werkzeugs in
die virtuelle CAD-Welt verwendeten die Tebicon-Spezialisten das optische Messsystem ATOS von GOM. Damit werden Freiformflächen schnell und berührungslos
digitalisiert. Wegen seiner hohen Flexibilität können auch von komplexen Werkzeuggeometrien genaue und detailgetreue Datensätze erstellt werden.
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Zur Vermessung wird zunächst das Werkzeug mit einem abwischbaren Pulver
eingesprüht. Diese Maßnahme garantiert optimale Bedingungen für die optische
Vermessung, da Reflektionen und übermäßige Kontrastunterschiede vermieden
werden. Dann werden selbstklebende oder magnetische kreisförmige Klebemarken
als Referenzpunkte auf das Werkzeug aufgebracht und mit der TRITOP Spiegelreflexkamera aus verschiedenen Richtungen fotografiert. Im Rechner werden die
Bilder automatisch ausgewertet, mit Methoden der Photogrammetrie die genauen
Positionen der Referenzmarken bestimmt und das übergeordnete Koordinatensystem des Bauteils definiert. Anschließend wird das Werkzeug mit dem flexibel
positionierbaren ATOS-Streifenprojektionssensor Feld für Feld abgenommen. Durch
die Kombination aus Photogrammetrie und Streifenprojektionstechnik wird beim
Vermessen des ca. 1,50 m langen Werkzeugs eine absolute Genauigkeit von unter
einem Zehntel-Millimeter erreicht. Nach nur zwei Stunden Digitalisierzeit stehen
die Daten im STL-Format zur Verfügung und können vom Tebicon-Consultant in
das Tebis CAD/CAM-System eingelesen werden.
Abb. 3: Das Werkzeug wird vom
Tebicon-Consultant innerhalb von zwei
Stunden vollständig digitalisiert und steht
anschließend als STL-File zur Verfügung.
Aufbereitung der erfassten Oberflächendaten in Tebis
Die digitalisierten Daten des Werkzeugs erscheinen nach dem Einlesen in Tebis als
Dreiecksnetze. Das CAD/CAM-System behandelt diesen geometrischen Element-Typ
gleichberechtigt wie Flächen, welche konstruktiv über Kurven und Schnitte erzeugt
wurden. Mit Hilfe des Tebis CAD-Moduls zur Verarbeitung von Scandaten entfernt
der Tebicon-Mitarbeiter überflüssige Bereiche aus dem Netz. Wo möglich, wird die
Anzahl der Netzdreiecke reduziert, ohne dabei einen Qualitätsverlust hinnehmen
zu müssen. Zusätzlich erfolgt eine Glättung und Straffung des Netzes.
Einarbeitung der geänderten Bereiche in das ursprüngliche
CAD-Flächenmodell
Im nächsten Schritt müssen die im Zuge des Werkzeug-Try-Outs durchgeführten
manuellen Modifikationen gefunden werden. Dazu werden das ursprüngliche
Flächenmodell und das aus den digitalisierten Oberflächen gewonnene Netz in
eine Tebis CAD-Datei eingelesen und miteinander verglichen. Die räumlichen
Differenzen zwischen den Referenzdaten und den Messdaten stellt Tebis
übersichtlich anhand einer Farbcodierung dar. „Einzelne Ziehradien hatten sich
sogar um 4 mm gegenüber der ursprünglichen Werkzeugkonstruktion vergrößert“,
stellte Herr Kups sofort fest.
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Abb. 4: Durch einen Soll/Ist-Vergleich
zwischen dem CAD-Modell und dem realen
Bauteil werden die manuell durchgeführten Änderungen erfasst.
Abb. 5: Bereiche, in denen das vermessene
Werkzeug von der ursprünglichen Konstruktion abweicht, werden herausgelöst und in
das CAD-Modell eingesetzt. Der aktuelle
Datensatz, der aus einer Kombination von
Netzen und Flächen besteht, entspricht
somit exakt dem realen Werkzeug.
Aufbauend auf dieser Analyse können nun die gefundenen Bereiche aus dem
STL-Netz herausgelöst und in das Flächenmodell eingesetzt werden. Tebis erlaubt
mit seinen Konstruktionsfunktionen das beliebige Kombinieren von Flächen mit
STL-Netzen. Als Ergebnis stimmt das physikalisch existierende Werkzeug nun exakt
mit der CAD-Welt überein.
Änderungskonstruktionen am aktuellen CAD-Datensatz
Nächste und vorrangige Aufgabe ist es nun, die NC-Programme für das Einfräsen
der festgelegten Änderungen zu erstellen. Liegen die Änderungen in hybriden
Bereichen, werden zur einfacheren Handhabung an diesen Stellen die Netzdaten
durch exakte Polynomflächen ersetzen. Der Tebicon-Mitarbeiter verwendet hierfür
die Tebis CAD-Funktionen zur Draht- und Flächenkonstruktion sowie die neue
Software zur schnellen Flächenrückführung (Rapid Surface Creation). In kürzester
Zeit werden so in den betroffenen Bereichen die Netzdaten durch Flächenpatches
ersetzt.
Gemäß den Vorgaben von Herrn Decuzzi können schließlich die nötigen
Modifikationen in nur wenigen Minuten in das Werkzeug einkonstruiert werden,
während das Werkzeug auf der Fräsmaschine aufgespannt wird.
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Abb. 6: Mit Hilfe der neuen Tebis-Software
zur schnellen Flächenrückführung (RSC)
werden in den Änderungsbereichen die
Netze durch Flächen ersetzt.
Abb. 7: Gemäß den Vorgaben werden
schließlich die Änderungen am aktuellen
CAD-Datensatz einkonstruiert.
NC-Programmierung mit Tebis
Um das virtuelle CAD-Resultat schnell und exakt im Werkzeug zu realisieren,
benutzt Herr Kups das Tebis CAM-Modul zum Erzeugen von 3- plus 2-achsigen
NC-Programmen. Dieses arbeitet auf Netzdaten genauso wie auf gemischten
Datenstrukturen aus Flächen und Netzen. Schnell werden Schrupp- und Schlichtprogramme berechnet und an die Maschine übertragen. Dort kann die Bearbeitung am bereits aufgespannten Werkzeug sofort beginnen. Die Programme
werden innerhalb von 30 Minuten komplett abgearbeitet. Für weitere Änderungen, die noch nötig sind und wie beschrieben eingebracht werden, liegt das
Werkzeug insgesamt noch zwei Tage auf der Maschine. Anschließend wird ein Tag
für manuelle Try-Out- und Messarbeiten benötigt, bevor das komplette Kalibrierwerkzeug der Produktion zur Verfügung gestellt wird.
Abb. 8: Auf den gemischten Daten von
Flächen und Netzen werden die für das
Einfräsen der Änderungen benötigten
NC-Programme berechnet.
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Abb. 9: Schruppbearbeitung im
Änderungsbereich. Nach 30 Minuten ist die
Änderung ins Werkzeug eingearbeitet.
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Herr Decuzzi stellt zufrieden fest: „Bereits nach vier Tagen kann das geänderte
Werkzeug der Produktion wieder übergeben werden. Mit unserer bisherigen
Vorgehensweise hätten wir mindestens doppelt so viel Zeit benötigt.“
Herr Kups ergänzt abschließend: „Neben der enormen Zeitersparnis haben wir das
Vermuten aus dem Prozess eliminiert und können Änderungen sicher und
fehlerfrei durchführen. Wir werden in Zukunft bei ähnlicher Aufgabenstellung
immer diese innovative Prozesskette gemeinsam mit der Tebicon einsetzen.“
Abb. 10: A. Kups (rechts): “Durch
die Digitalisierung des Werkzeugs
werden die Änderungen exakt und
fehlerfrei eingefräst.“
Wir bedanken uns bei Tebicon und Meckenstock für den interessanten Bericht und
für ihr Vertrauen in unsere Messtechnik.
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