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Integration von Umformen, Trennen und Fügen
für die flexible Fertigung leichter Tragwerkstrukturen

Einleitung

Das gemeinsame Forschungsziel des SFB/TR 10 war es, die wissenschaftlichen Grundlagen und Methoden zur Gestaltung von integrierten Prozessketten und deren Technologien zur automatisierten, produktflexiblen Kleinserienfertigung von leichten Tragwerkstrukturen zu erarbeiten. Die Forderung nach Flexibilität in der Fertigung, die den Schwerpunkt der Phase III bildet, bezog sich dabei auf

• die Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Stückzahlen,
• die Anwendbarkeit bei hoher Variantenvielfalt
• sowie die kurzfristige Herstellbarkeit.

Die betrachtete Bandbreite an Stückzahlen orientierte sich dabei an Losgrößen einer Produktvariante von 1 bis 100 leichten Tragwerkstrukturen. Die gefertigten leichten Tragwerkstrukturen unterschieden sich in Form, Größe und Anwendung und besaßen an den jeweiligen Einsatzfall angepasste Eigenschaften.

Daher bezog sich die Forderung nach der Flexibilität der Prozesskette, die aus den Fertigungshauptgruppen „Umformen“, „Trennen“ und „Fügen“ besteht, auf mehrere signifikante Eigenschaften. Einerseits müssen die technologischen Einzelprozesse den Anwender in die Lage versetzen, seine Produkte und Baugruppen kurzfristig in unterschiedlichen Varianten zu fertigen. Während in der klassischen Massenfertigung kurze Taktzeiten angestrebt werden, sind die Zielgrößen bei flexiblen Prozessketten geringe Zeiten für die Prozessvorbereitung, Fertigungsplanung und Prozessrüstung. Andererseits muss die Verknüpfung der Einzelprozesse derart vorgenommen werden, dass die erhöhte Komplexität durch eine durchgängige Automatisierung prozesssicher erreicht werden kann. Dieser Komplexität nahm sich der SFB/TR 10 nicht nur durch die Verwendung unterschiedlicher Profilgeometrien und Werkstoffe, sondern auch in Form von in Längsrichtung veränderlichen Profilquerschnitten, in Form der Integration von Funktionselementen, die in den Profilen beispielsweise Informationen oder Energie tragen oder leiten können, und in Form der Herstellung ganzer Tragwerkstrukturen einschließlich deren Schalenelementen an.

Forschungsbedarf bestand demnach nicht nur in der Flexibilisierung der Einzelprozesse, sondern auch darin, die hohe Komplexität der Prozesskette zu beherrschen. Bei kleinen Stückzahlen und großer Variantenvielfalt sind Verfahren mit werkzeuggebundener Gestalterzeugung meist unwirtschaftlich. Neben den reinen Kosten für individuelle Werkzeuge sind auch die damit verbundenen Vorlaufzeiten für die Werkzeugfertigung sowie die Rüstzeiten für den Werkzeugwechsel kritisch. In diesem Kontext wurden die Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung weiterentwickelt und qualifiziert, sodass diese der gesteigerten fertigungstechnischen Komplexität prozesssicher begegneten.

Darüber hinaus musste die Prozesssicherheit der gesamten Prozesskette gesteigert werden. Um kürzeste Fertigungsvorbereitungszeiten zu realisieren, mussten alle Umform-, Trenn- und Fügeprozesse jeweils für sich und in der Verkettung dahingehend qualifiziert werden, ohne Vorlaufzeiten eng tolerierte Bauteile und Strukturen produzieren zu können. Dies war nur möglich, indem die Fertigungsprozesse im Hinblick auf Werkzeugauswahl und -fertigung, Prozessparameter sowie Bearbeitungsstrategien weitgehend beherrscht wurden. Unabdingbare Voraussetzung hierfür war der verstärkte und vor allem auch prozessübergreifende Einsatz von Simulationstechniken. Sowohl durch ein umfassendes Prozessverständnis als auch durch die konkrete Prognose des Fertigungsergebnisses konnten so die Vorlaufzeiten so gering wie möglich gehalten und Ausschuss weitgehend vermieden werden.

Um die Zahl der prozess- und bauteilbezogenen Schnittstellen zwischen den Fertigungsschritten zu reduzieren, musste die Fertigungstiefe durch gesteigerte technologische Integration verringert werden. Dies wurde erreicht, indem mehrere einfache Verfahren durch wenige, dafür komplexere Verfahren ersetzt wurden . Gleichzeitig mussten die Simulationswerkzeuge zur Abbildung der Fertigungsschritte verknüpft werden, um durch die virtuelle Integration, z. B. über Modellschnittstellen, die Vorhersagequalität zu steigern und kürzere Berechnungszeiten zu ermöglichen.