Mit dem Konzeptfahrzeug "Silberhummel" beweisen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU, dass die industrielle Automobilfertigung in Stückzahl eins wirtschaftlich möglich ist.
Foto: Fraunhofer IWU

Umformtechnik

Umformen 4.0 und die Silberhummel

Die Zukunft der Blechbearbeitung ist digital. Umformen 4.0 vermeidet Stillstände und Ausschuss und ermöglicht die Automobilproduktion in Stückzahl eins.

In Sachen Digitalisierung in der Blechbearbeitung entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU das Produktionssystem "Umformen 4.0". Auf der Euroblech 2018 hat das Institut eine Miniatur-Umformpresse und ihren digitalen Zwilling präsentiert und daran gezeigt, wie sich mit der Digitalisierung Produktionsstillstände und Ausschuss im Presswerk vermeiden lassen. Mit einem am Institut gefertigten Konzeptfahrzeug "Silberhummel" demonstrieren die Forscher, dass sich die Automobilproduktion in Stückzahl eins wirtschaftlich realisieren lässt.

Miniaturpresse zeigt die Möglichkeiten von Umformen 4.0

Mit einer funktionsfähigen Miniaturpresse und ihrem digitalen Zwilling sei das vor zwei Jahren rein virtuell präsentiertes Forschungsprojekt "Presswerk 4.0" Realität geworden, betont Professor Matthias Putz, Institutsleiter am Fraunhofer IWU. Der zwei Meter hohe und 1,5 t schwere Pressen-Demonstrator arbeitet mit einer Presskraft von 15o kN und kann Versuchsbauteile tiefziehen, beschneiden und biegen. Das ist nicht neu. "Im Mittelpunkt steht der Mehrwert, der durch die digitale Aufrüstung der Maschine erreicht wird", sagt Putz. Diese umfasst die lückenlose Überwachung von Prozess und Maschine, Werkzeug und verwendetem Material sowie eine abschließende optische Bauteilprüfung. Dies bietet die Möglichkeit, den Produktionsprozess zu stabilisieren, die Verfügbarkeit von Maschinen deutlich zu steigern, ihre Lebensdauer zu erhöhen und auch die Einarbeitungszeiten von Werkzeugen signifikant zu verkürzen.

Intelligente Auswertung von Sensordaten

Mittels Kraft- und Wegsensoren, einem Werkstofftester und einer abschließenden optischen Bauteilprüfung überwacht die Maschine sich selbst und ihre Produkte: Noch bevor das sternförmige Versuchsbauteil tiefgezogen beziehungsweise beschnitten wird, prüft ein Inline-Materialtest das verwendete Halbzeug. Dabei drückt eine massive Metallkugel mit einer definierten Kraft eine Beule in

das Blech. Anhand der Eindringtiefe der Kugel und eventuell entstehenden Rissen kann auf die Qualität des Materials geschlossen werden. Dadurch ist es möglich, werkstoffbedingte Fehler am Bauteil zu identifizieren und entsprechend gegenzusteuern: "Künftig wollen wir die Prozessparameter so beeinflussen, dass sich Gutteile auch aus Material herstellen lassen, das sonst zu Ausschuss geführt hätte", sagt Putz.

Prozess und Maschine werden beim "Umformen 4.0" unter anderem durch Dehnungssensoren überwacht. Angebracht im Pressengestell, im Pressentisch sowie im Werkzeug erfassen sie Kräfte und Verformungsraten. Diese Daten werden jedoch nicht, wie üblich, einzeln ausgewertet. Vielmehr werden sie in das softwarebasierte Analysemodul "Smart Stamp" eingespeist, das einen virtuellen Zwilling der Maschine darstellt. Hier werden die Daten miteinander fusioniert und analysiert.

Arbeitet die Presse im Normbereich? Oder ist der Stößel verkippt – was dazu führen würde, dass das Werkstück nicht optimal umgeformt wird oder das Werkzeug schneller verschleißt? Während einzelne Sensordaten allein vielfach nicht aussagekräftig sind, lassen sich solche Fragen durch die Zusammenfassung der Daten beantworten. Zusätzlich wird der digitale Zwilling genutzt, um die Durchbiegung des Pressentisches zu analysieren. Dazu werden die Messdaten der einzelnen Kraftsensoren in das Modell eingespeist und damit die Durchbiegung der Tischplatte berechnet. Dieses Tool bringe entscheidende Vorteile während des Tryout-Prozesses, indem es die Werkzeugabstimmung deutlich verkürzt, heißt es.

Produktqualität im Blick

Zusätzlich zu den Sensordaten fließen Informationen aus der Bauteilprüfung am Auslaufband der Presse in die Auswertung ein. Dort wird die Geometrie der frisch gefertigten Versuchsbauteile mit dem System Xeidana optisch untersucht. Bei Xeidana handelt es sich um eine innovative Software zur Erkennung von Defekten auf Bauteiloberflächen während oder nach der Produktion. Leitgedanke des Systems ist es, in Echtzeit jedes einzelne produzierte Bauteil auf Fehler zu überprüfen und damit eine 100-prozentige Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Durch seine modulare Bauweise lässt sich das Prüfsystem optimal in die verschiedensten Produktionsanlagen integrieren. So kann es schnell und unkompliziert in bestehende Handling-Systeme integriert oder direkt über das Auslaufband bestehender Pressenstraßen montiert werden. Im Messeexponats "Umformen 4.0" überprüft Xeidana die Bauteilqualität und ermöglicht Rückschlüsse auf den Zustand des gesamten Produktionssystems.

Als Schnittstelle zum Mitarbeiter kommen unterschiedliche Visualisierungslösungen zum Einsatz. Intuitiv kann dies beispielsweise unter Nutzung von AR/VR-Technologien erfolgen. So können alle wichtigen Informationen zur aktuellen Performance des Pressendemonstrators auf einem frei vor der Presse positionierbaren Tablet angezeigt werden – reale und virtuelle Welt verschmelzen.

Automobilproduktion in Stückzahl eins

"Hand in Hand mit der Digitalisierung geht der Trend zur immer stärkeren Individualisierung industriell hergestellter Produkte", sagt Sören Scheffler, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU. "Dieser Trend geht so weit, dass Kunden auch im Automobilbau Unikate nachfragen. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn Ersatzteile für die Karosserie von Oldtimern gesucht werden." Eine industrielle Produktion von Karosseriekomponenten oder sogar kompletten Fahrzeugen in Stückzahl eins scheint auf den ersten Blick allerdings unmöglich, vor allem aus wirtschaftlichen Gründen. So kostet ein einzelnes Umformwerkzeug für nur ein Außenhautbauteil bereits hunderttausende Euro. "Eine auf herkömmliche Weise in Stückzahl eins produzierte Karosserie ist damit unbezahlbar", überschlägt Scheffler. "Wir haben allerdings einen Verfahrensmix entwickelt, mit dem die Automobilproduktion in Stückzahl eins jetzt wirtschaftlich möglich ist."

Wie ihr Ansatz praktisch funktioniert, zeigen die Fraunhofer-Forscher anhand des Exponats "Silberhummel", das technologisch verschieden geformte Bauteile an einem Objekt vereint. Die "Silberhummel" ist ein stromlinienförmiges Konzeptfahrzeug, das auf Plänen eines nie gefertigten Rennwagens des Automobilherstellers Horch basiert. Das Fraunhofer IWU rekonstruierte das Fahrzeug und fertigte die Außenteile des Modells. Die Karosserie besteht dabei aus Benchmark-Teilen, die mit verschiedenen am Institut entwickelten Umform-, Füge- und generativen Fertigungstechnologien für kleine Stückzahlen hergestellt wurden.

Inkrementelle Blechumformung

"Die komplexen Außenhaut-Bauteile haben wir mit einem Verfahren gefertigt, das sich schon ab Stückzahl eins rechnet: der inkrementellen Blechumformung", erläutert Sören Scheffler. Im Vergleich zu konventionellen Ziehverfahren kann dabei auf aufwendige Werkzeuge verzichtet werden. "Dadurch", so Scheffler, "reduzieren sich die Werkzeugkosten und die Zeit bis zum ersten Fertigteil."

Erzeugt wird dessen Form durch mehrere aufeinanderfolgende Bewegungen. Im Detail werden diese Bewegungen von einem Umformdorn ausgeführt, der sich entlang einer CNC-Bahn bewegt. Einfache Geometrien wie Pyramidenstümpfe lassen sich auf diese Weise komplett ohne Gegenwerkzeuge herstellen, für komplexere Bauteilformen werden einfache Gegenwerkzeuge verwendet. Bei der Silberhummel bestehen diese nicht wie üblich aus massivem Metall, sondern aus kostengünstigem und einfach zu bearbeitenden Leimholz. Angeliefert als Quader von den Dimensionen eines Esstisches, fräst ein Bearbeitungszentrum in einer Versuchshalle des Fraunhofer IWU aus ihnen die Form der geschwungenen Kotflügel, der Motorabdeckung oder der Seitenteile. Im Vergleich zu konventionellen Werkzeugen benötigt dieser Prozess nur ein Drittel der Zeit. Nach der Endbearbeitung montieren Techniker das Werkzeug in ein speziell angepasstes Portalbearbeitungszentrum. Anschließend wird über dem Werkzeug das passende Blech in einen Rahmen gespannt. Nun kommt der halbkugelförmige Drückdorn zum Einsatz, der anstelle des ursprünglich vorgesehenen Bohr- oder Fräskopfes des Großbearbeitungszentrums sitzt. Bahn für Bahn fährt er über das Blech, bis das Halbzeug seine endgültige Form angenommen hat.

Stanzen, biegen, fügen

Die so entstandenen Außenhaut-Komponenten bringen die Wissenschaftler anschließend auf eine Tragkonstruktion aus Blechspanten auf. Durch diese kann einerseits auf Karosserie-Innenteile verzichten werden, andererseits wird Platz gewonnen, um den geplanten Elektroantrieb auf Brennstoffzellenbasis unterzubringen. "Die Herstellung der Spanten beruht auf einem weiteren hochflexiblen Verfahren, mit dem sich Blechteile in kleinen Serien wirtschaftlich fertigen lassen", erklärt Sören Scheffler. "Wir nennen es Stanzen-Biegen-Fügen, kurz 'StaBiFü'." Es ist darauf ausgelegt, für Stückzahlen von wenigen tausend Blechteilen pro Jahr wirtschaftlich zu sein. Mehrstufige Umformwerkzeuge werden dabei auf eine einzelne Umformstufe reduziert, die restliche Bearbeitung besteht aus einfachen Beschnitt- und Abkant-Verfahren.

Nach der Fertigung der einzelnen Komponenten werden diese zu einer ganzen Karosserie verbunden. Statt die Einzelteile konventionell aufwändig robotergesteuert und unter einer Schutzgasatmosphäre zu verschweißen, nutzen die Wissenschaftler ein hochflexibles Verfahren: Die Komponenten der "Silberhummel" verbinden sie per Laserhandschweißen. Dieses geschieht vorrichtungsfrei und manuell durch scannerbasierte Laserhandgeräte. "Durch den Mix an neuartigen, schnellen und flexiblen Herstellungsprozessen, vergingen von der Idee bis zur fertigen Karosserie der 'Silberhummel' nur wenige Monate", sagt Sören Scheffler. "Auch mit Blick auf die Ressource, kann die Automobilproduktion in Stückzahl eins also effizient sein."

Foto: Stampack

Software

Werkzeugbau: Simulation ersetzt die Probierpresse

Konstruktionsbüros, die Folgeverbundwerkzeuge auslegen und konstruieren, können mit einer Simulationssoftware die Probierpresse ersetzen.

Foto: Fronius

Schweißen

Zuverlässige Schweißgeräte für robuste Harvester

Seine Harvester für die Holzernte schweißt die finnische Ponsse mit Technik von Fronius, darunter auch die aktuelle Schweißstromquellengeneration TPS/i.

Wasserstrahlschneiden

Was kann der Wasserstrahl?

Die Euroblech hat gezeigt: beim Wasserstrahlschneiden geht der Trend zu automatisierten und ressourcenschonenden Systemen.

Foto: Red Bud

Umformtechnik

Streckrichten als Alternative zum Walzrichten

Eben und spannungsfrei: Streckrichten eliminiert Eigenspannungen und Unebenheiten allein durch die Zugbelastung eines Bandabschnitts über die Streckgrenze hinaus.