Fertigungsgerechte Produktgestaltung

FERTIGUNGSGERECHTE BAUSTRUKTUR

Die Festlegung der Baustruktur eines Produktes definiert bereits zu wesentlichen Teilen, wie viele Komponenten gefertigt werden müssen, welche Verfahren für die Fertigung infrage kommen und ob die Teile zukaufbar bzw. inhouse produzierbar sind. Aus Sicht der Ressourceneffizienz stellt sich hier insbesondere die Frage, ob eine Integral- oder Differenzialbauweise sinnvoll ist [3].

Eine Differenzialbauweise ist vor allem gut mit einer Modularisierungsstrategie kombinierbar. Durch die Definition von Fertigungsbausteinen ergibt sich der Vorteil, dass die interne Variantenvielfalt für die Fertigung gering gehalten wird (z. B. durch Nutzung von gemeinsam verwendeten Bauteilen über verschiedene Produktvarianten bzw. eine Produktfamilie hinweg) [4]. In diesem Fall können z. B. Rüst- und Anfahrverluste in der Produktion durch höhere Losgrößen vermieden werden. Darüber hinaus ergeben sich Skaleneffekte über eine Lernkurve bei der Produktion, die zu geringerem qualitätsbedingtem Ausschuss führen kann. Komplementär zu Vorteilen in der Produktion können modulare Produkte auch positive Effekte in anderen Lebenszyklusphasen nach sich ziehen (z. B. bessere Reparierbarkeit, Wartbarkeit, teilweise kompakteres Transportvolumen).

Eine Integralbauweise bietet ebenfalls viele Vorteile. Wenn verschiedene Komponenten und Funktionen in einem Bauteil vereint werden, sinkt zumeist die Anzahl der Bearbeitungsschritte. So konnte z. B. die Anzahl der Bearbeitungsvorgänge eines Bauteils innerhalb des Airbus-A380-Treibstoffsystems durch Integralbauweise von 31 auf fünf Schritte reduziert werden [5]. Darüber hinaus bietet sich ein hohes Potenzial für Material- und Energieeffizienz, indem Bauteile über Urformen anstelle einer spanenden Bearbeitung hergestellt werden. Aufgrund der komplexeren Geometrien, die mit diesen Verfahren herstellbar sind, bietet sich die Integralbauweise vor allem in Kombination mit einer beanspruchungsgerechten Konstruktion bzw. einer Leichtbaustrategie an.

-> Beispiel

Funktionsintegration von Motorkomponenten durch Optimierung der Baustruktur

Ein Hersteller für Lastkraftfahrzeuge hat ein völlig neues Konzept für die Herstellung von Vierzylinder-Motoren präsentiert. Durch die Optimierung der Konstruktion für die additive Fertigung konnten jeweils 25 % der Teile (ca. 200 von 841 Teilen) in andere Komponenten integriert werden. Neben einer signifikanten Reduktion der Fertigungsschritte ergab sich hierdurch auch eine Gewichtseinsparung im Endprodukt von ca. 25 % (ca. 120 kg von 525 kg) [6].

AUSWAHL UND OPTIMIERUNG DES FERTIGUNGSVERFAHRENS

Für die fertigungsgerechte Auslegung eines Produktes ist es für den Produktentwickler wichtig, möglichst frühzeitig das Verfahren der Herstellung zu kennen, um das Produkt an die Prozesskette anzupassen. Sind mehrere Verfahren möglich, sollte zusammen mit der Produktionsplanung der ressourceneffizienteste Weg der Herstellung gewählt werden (siehe Beispiel). Ansonsten kann der Produktentwickler auch indirekt durch seine Konstruktion Einfluss auf mögliche Verfahren und den Ressourcenverbrauch der Fertigung nehmen. So impliziert z. B. die Vorgabe eines sehr geringen Bohrungsdurchmessers im Mikrometerbereich, dass herkömmliche Bohrmaschinen nicht mehr einsetzbar sind. In diesem Fall müsste eine energieintensive Laserbohrung vorgesehen werden. Ein weiteres Beispiel sind niedrige Toleranzen [7], die zumeist aufwändigere Herstellverfahren mit größerem Verschnitt, mehr Nacharbeit und umfassende Qualitätskontrollen fordern. Durch zu genaue Angaben der Konstruktion steigt außerdem das Risiko qualitätsbedingter Ausschüsse. Im Allgemeinen sollte die Konstruktion also nur die tatsächlichen technisch-funktionalen Bedarfe des Produktes widerspiegeln und ein "Over Engineering" vermieden werden.

-> Beispiel

Berücksichtigung des Fertigungsverfahrens bei der Konstruktion von Titangroßbauteilen für die Luftfahrt

Zur Realisierung von Leichtbauprojekten in der Flugzeugindustrie werden Bauteile aus einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellt. Die Teile können entweder aus dem Vollen gefräst oder gegossen werden. Daher sollte schon in der Konstruktion entschieden werden, welche Art der Herstellung aus Sicht der Ressourceneffizienz sinnvoller ist. In diesem Fall führt eine Fräsbearbeitung zu einem Materialverlust von ca. 90 % in Form von Spänen. Des Weiteren ist der Fräsprozess sehr energieintensiv, da Titan über schlechte Wärmeleiteigenschaften verfügt und somit große Mengen Kühlschmierstoff verwendet werden müssen.

Verglichen mit dem spanenden Verfahren kann der Materialverbrauch pro Bauteil durch Gießen von 10 kg auf 2 kg Titan gesenkt werden. Der Energieaufwand bei der Rohstoffherstellung wird von 1.090 kWh auf 266 kWh verringert. Übertragen auf den CO2-Ausstoß kann dieser von 650 kg/Fertigteil auf 127 kg reduziert werden [8]. Aus diesem Grund sollte bereits in der Konstruktion auf eine gussgerechte Konstruktion der Bauteile geachtet werden.

DIGITAL INTEGRIERTE PRODUKTENTWICKLUNG UND PRODUKTION

Digitale Engineering-Prozesse an der Schnittstelle zwischen Produktentwicklung und Produktion können bei der Erschließung neuer Ressourceneffizienzpotenziale unterstützen. Dies ist zum einen durch die Vermeidung von physischen Prototypen und Testständen möglich. Darüber hinaus ergeben sich Optionen, Konstruktionsentwürfe anhand von Simulationen des Ressourcenverbrauchs einzelner Fertigungsvorgänge zu optimieren.

Innerhalb der Produktentstehung werden in vielen Unternehmen noch immer umfangreiche Versuche mit physischen Prototypen durchgeführt. Zweck dieser Versuche ist einerseits die Absicherung von Funktionen des Produktes sowie die Vorbereitung einer Serienfertigung. Da die speziell für Tests gebauten Prototypen zumeist im Anschluss verschrottet werden, ergeben sich hier ebenfalls Potenziale für Ressourceneffizienz. Im Zuge der Digitalisierung der Engineering-Prozesse können diese Potenziale auch immer besser genutzt werden. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die Gestalt und das Verhalten von Produkt (virtueller Prototyp) und Produktionsanlage (digitale Fabrik) durch Modelle prospektiv abbildbar sind.

Als virtueller Prototyp wird eine Kombination von statischen (z. B. CAD) und dynamischen (z. B. FEM, MKS) Modellen eines Produktes bezeichnet [9]. Durch die modellhafte Abbildung können die Gestalt und das Verhalten des Produktes bereits frühzeitig simuliert und gegenüber allen prognostizierten Beanspruchungen und gewollten Funktionsmustern abgesichert werden. Hierdurch ist es möglich, die Anzahl physischer Prototypen zu verringern und somit auch Ressourcen einzusparen.

Die digitale Fabrik definiert sich durch das Zusammenwirken von Methoden, Modellen und Werkzeugen, die den Produktionsplaner bei Vorbereitungen der Inbetriebnahme, des Anlaufes und der Serienfertigung unterstützen. Hierbei stehen die Verkürzung und Absicherung des Anlaufs sowie die Optimierung der Serienproduktion im Vordergrund. Zu diesem Zweck erfolgt eine digitale Abbildung von statischen (z. B. Bauteilgeometrie) und dynamischen (z. B. Materialfluss) Modellen von Anlagen und Produktionsabläufen [10]. Neben Modellen der Fertigungsstationen können an dieser Stelle ebenfalls Modelle des Produktes integriert werden. Hierdurch bietet die digitale Fabrik eine wichtige Schnittstellenfunktion zwischen Produktentwicklung und Produktionsplanung. Aus Sicht der Ressourceneffizienz können durch Methoden der digitalen Fabrik daher neben fabrikplanerischen Maßnahmen, wie z. B. der Organisation effizienter Materialflüsse, auch Rückschlüsse auf das Produktdesign gezogen werden. So ist z. B. eine Simulation von Bearbeitungsvorgängen möglich, um den Verschnitt zu bestimmen. Ist dieser zu hoch, können Anpassungen der Produktgeometrie sinnvoll sein, z. B. die Vermeidung schwieriger Radien [11].

Wenn das digitale Fabrikmodell soweit mit dem real existierenden Maschinenpark verknüpft ist, dass es ein realitätsgetreues Abbild der Maschinen und Anlagen liefert, kann von einem digitalen Fabrikzwilling gesprochen werden. Ziel sind die Simulation, Steuerung und Verbesserung der physischen Assets aus der virtuellen Welt. Charakteristisch hierbei ist die Kopplung eines statischen Fabrikmodells mit Echtzeitdaten, welche die reale Produktion widerspiegeln. Hierbei können Auftrags- und Betriebsdaten sowie Energie- und Materialverbrauchsdaten im Vordergrund stehen. Außerdem sind im Zwilling die jeweiligen Fähigkeiten und Konfigurationsmöglichkeiten der Maschinen hinterlegt, so dass sich diese automatisch und selbstständig an neue Situationen in der Produktion anpassen können (z. B. neue Aufträge, Störungen etc.).

-> Beispiel

Demozelle Smarte Fabrik 4.0

Am Fraunhofer IPK wird im Kontext von Industrie 4.0 an Lösungen geforscht, um individuelle Produkte in kleinen Stückzahlen zu fertigen, ohne dabei den Produktionsablauf im Vorfeld fest planen zu müssen. Hierfür erfolgt der Aufbau einer durchgängigen digitalen Prozesskette vom Produktmodell zum Produktionsprozess. Diese ist insbesondere wichtig, um die Herstellbarkeit des Produktes automatisiert zu evaluieren, den Prozess ggf. anzupassen und darüber hinaus den Ressourcenverbrauch der Herstellung vorab zu prüfen. In der "Smart Factory 4.0" wird diese Vorgehensweise anhand eines vereinfachten Produktionsprozesses (Herstellung eines Kaffeeuntersetzers) bereits aufgezeigt. Wesentlicher Bestandteil der Smart Factory ist ein digitaler Zwilling des Produktionsprozesses, der Daten zum Prozess in Echtzeit generiert und darüber hinaus auch Simulationen erlaubt. Im Kontext der Entwicklung ressourceneffizienter Produkte wäre zukünftig beispielsweise folgendes Szenario denkbar: Die Entwicklung konstruiert auf Basis eines Kundenauftrages ein Bauteil und möchte sich über den Ressourcenaufwand zur Fertigung informieren. Hierfür kann der Produktionsplaner direkt auf Basis des digitalen Zwillings und entsprechender Simulationsmodelle eine Abschätzung für den Energie- und Materialbedarf der Herstellung geben. Auf dieser Basis kann ein Angebot zur Herstellung des Bauteils für den Kunden genau definiert bzw. das Produktdesign entsprechend abgeändert werden, um Ressourcenaufwände zu verringern [12].

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