Fachartikel

Innovative und prozessorientierte Werkzeugentwicklung
VON ANDREAS ZACH, MANNHEIM

Während Produktentwicklungszyklen immer kürzer werden, wachsen gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Umwelt- und Klimaschutz sowie Ressourcenschonung und Energieeffizienz. Für metallische Werkstücke ist das Gießen besonders wirtschaftlich, wenn sich mit dem gewählten Gießverfahren bessere Gesamteigenschaften erzielen lassen als mit konkurrierenden Formgebungsverfahren. Die spanende Fertigung wird in vielen Fällen nur dort für die Endbearbeitung von Gussteilen eingesetzt, wo es für Montagezwecke notwendig ist. Hierdurch bleiben viele Bauteilbereiche unbearbeitet, was die gestellten Toleranzanforderungen an den Rohguss erhöht und zu komplexeren Prozessen führt. Weiterhin ergeben sich neue Herausforderungen durch immer kurzzyklischere Konstruktionsänderungen, globale Lieferketten, zunehmende Komplexität im Bauteildesign und stetig steigende Qualitätsanforderungen.

Intelligente Enticklungskonzepte für Formwerkzeuge steigern nachhaltig die Effizienz in der Gussproduktion FOTO: DAIMLER TRUCK AG

Produktqualität und Wirtschaftlichkeit eines Fertigungsprozesses lassen sich am besten bereits im frühen Stadium der Produktentstehung beeinflussen und somit weit vor dem Prozess der Auftragsabwicklung. Zudem sind Kundenwünsche und -anforderungen in diesem Stadium leicht zu erfassen und in die Planung einzubeziehen. Eine Verringerung des Qualitäts- und Produkthaftungsrisikos ist daher ausschließlich durch Produkte und Prozesse mit hoher technischer Zuverlässigkeit erreichbar. Um diesen diversen Marktforderungen, welche auch an Gussprodukte gestellt werden, gerecht zu werden, sowie hohe Folgekosten durch Produkt- und Prozessoptimierungen in der laufenden Serie möglichst zu vermeiden, kommt dem Produktentwicklungsprozess ein hoher Stellenwert zu. Hierbei leistet die Simulation des gesamten Herstellungsprozesses einen wichtigen Beitrag. Sie erlaubt es, bereits in einem sehr frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Einfluss auf die Konstruktion zu nehmen, Gewichtsreduktionsmaßnahmen umzusetzen, ein gießgerechtes Design darzustellen und somit die Grundlage für einen robusten Fertigungsprozess zu legen. Unter Aspekten der Produktivität liefert die digitale Prozesssimulation ebenfalls einen hohen Nutzen, da sich mit dieser Technologie neben einer optimalen Belegung von Modellen und Kernformwerkzeugen, bereits im Produktentwicklungsprozess Taktzeitreduzierungen umsetzen lassen. Während moderne Simulationstechnologien im Bereich der Bauteilentwicklung mittlerweile in vielen Gießereien zum Standardprozess gehören, besteht bei der Entwicklung von neuen Kernwerkzeugkonzepten oftmals noch Potenzial hinsichtlich einer durchgängigen Verwendung.

Produktionsanlagen sind meist einmalige Investition und flexibel für verschiedene Produkte einsetzbar, während Gießwerkzeuge wiederkehrende Investitionen darstellen und das Werkzeugkonzept sehr stark an das Produktdesign gekoppelt ist. Zusätzlich zu den Investitionen zur Beschaffung von Werkzeugeinrichtungen fallen im laufenden Betrieb erhebliche Kosten für die Instandsetzung, Wartung und Neubeschaffung an, da gut gewartete und qualitativ hochwertige Gießwerkzeuge einen nicht zu unterschätzenden Beitrag zur Gesamtqualität des späteren Gusserzeugnisses leisten. Neben diesen qualitativen Aspekten ist weiterhin die Produktionsverfügbarkeit von Form- und Kernformwerkzeugen ein essenzieller Faktor zur störungsfreien Erfüllung des Produktionsprogramms.

Werden aufgrund von Qualitäts- und Effizienzgründen grundlegende konzeptionelle Änderungen an Werkzeugeinrichtungen erforderlich, können diese in vielen Fällen nachträglich nur sehr aufwendig und kostenintensiv eingebracht werden. Handelt es sich um wesentliche Eingriffe in das Werkzeugkonzept, kann dies eine Anpassung von Formschemen erfordern. Bei hoch automatisierten Prozessen bedeutet das, neben einer Neuvalidierung des Gussbauteiles, auch eine kostenintensive Anpassung von Maschinen und Fertigungseinrichtungen. Aufgrund dieses Sachverhaltes sind an den Werkzeugeinrichtungen zumeist nur einfache Optimierungsmaßnahmen möglich, die keinen maßgeblichen Eingriff in den Prozess bedeuten. Ein Ansatz zur Lösung dieser Problematik stellt ein Werkzeugentwicklungsprozess unter Berücksichtigung von Erkenntnissen aus den Entwicklungs- und Vorserienprozessen dar. Der Produktentwicklungsprozess, welcher das eigentliche Entwickeln und Konstruieren des Produktes umfasst, ist dabei in den Produktentstehungsprozess eingebettet. Da bereits in einer sehr frühen Phase des Entwicklungs- und Entstehungsprozesses von Gussprodukten mit der Konstruktion von Form- und Kernformwerkzeugen begonnen wird, sind an deren Entwicklungsprozess analoge Anforderungen zu stellen, wie sie auch bei der Produktentwicklung bestehen. Lindemann gibt eine Beschreibung und Auswahl von Methoden in der Produktentwicklung und macht Vorschläge zu den Auswahlkriterien der einzelnen Methoden, die sich ebenfalls im Prozess der Form- und Kernformwerkzeugentwicklung gewinnbringend nutzen lassen. Besonders zur Gewährleistung der Sorgfaltspflicht in der Produktentstehung stellt die Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) eine wirkungsvolle Systematik dar, potenzielle Fehler zu identifizieren und hinsichtlich ihres Risikos zu bewerten.

Dr.-Ing. Andreas Zach, Pattern Shop Foundry, Daimler Truck AG, Mannheim


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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 12/2020 Seiten 48-55
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