Flexible Umformmaschinen
Die hohe Produktivität in der Umformtechnik fordert hohe Investitionen sowie lange Entwicklungs- und Rüstzeiten. Dies führt in der Regel zu einer langfristigen Festlegung auf ein bestimmtes Produktspektrum.
Der Markt für Blecherzeugnisse ist durch eine stark zunehmende Variantenvielfalt wie auch durch immer kürzer werdende Produktlebenszyklen charakterisiert. Zudem stellen stark schwankende Absatzzahlen sowie eine oft große Marktmacht der Kunden die Unternehmen der Blechumformung vor die Herausforderung, sich immer besser an schwankende Einflussfaktoren anzupassen. Neben Schwankungen auf der Nachfrageseite spielen auch prozessbeeinflussende Parameter, wie beispielsweise unterschiedliche Qualitäten der Halbzeuge, eine bedeutende Rolle. Vor dem Hintergrund eines zunehmenden Konkurrenzdrucks aus dem asiatischen Raum sowie stagnierender Märkte im europäischen Raum kann Flexibilität daher eine Schlüsselfähigkeit darstellen, um sich von der Konkurrenz abzusetzen und auch in Zukunft wirtschaftlich erfolgreich zu produzieren.
Flexibilität und Anpassungsfähigkeit
In verschiedenen Bereichen der Produktionstechnik, insbesondere auf den Gebieten der Montage, der Logistik und Zerspannung finden die Themen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit sowohl in der Forschung als auch der industriellen Umsetzung bereits breiten Anklang. Spezialisierte Produktionssysteme (SPS) kommen bei hohen Stückzahlen mit geringer Variantenvielfalt zum Einsatz, während sich bei großer Variantenvielfalt Flexible Produktionssysteme (FPS) anbieten. Für den Bereich zwischen diesen beiden Extremen werden vermehrt rekonfigurierbare Produktionssysteme (RPS) entwickelt. Diese zeichnen durch die Möglichkeit zur Systemmodifikation aus, die eine höhere Variantenvielfalt bei nur geringen Produktivitätseinbußen ermöglicht.
In der Umformtechnik hingegen wurde dieser Thematik bisher wenig Beachtung geschenkt, da sie häufig mit Produktivitätseinbußen in Verbindung gebracht wird. In der Regel handelt es sich bei umformenden Anlagen um spezialisierte Produktionssysteme. Darüber hinaus existieren vereinzelt flexible Produktionssyteme, wie beispielsweise der Aminoformer, der eine Kombination aus inkrementeller Umformung und Streckziehen ermöglicht.[1]
Vor dem Hintergrund dieser Marktentwicklung zeigt sich jedoch, dass in der Umformtechnik Systeme benötigt werden, die in den Bereich der rekonfigurierbaren Produktionssysteme fallen. So wird es möglich, Produkte mit geringeren Nachfragemengen zu reduzierten Stückkosten herzustellen und so in volatilen Märkten erfolgreich zu bleiben.
Charakterisierung umformender Maschinen
Um die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit umformender Maschinen und Prozesse zu beurteilen, kann eine Charakterisierung hinsichtlich der eingesetzten Freiheitsgrade zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgen. Mit steigender Anzahl der Freiheitsgrade erhöht sich die Möglichkeit zur Variantenbildung von Produkten, die Produktivität nimmt jedoch im gleichen Maße ab. Ein Tiefziehprozess ermöglicht auf der einen Seite eine hohe Ausbringung an Produkten, auf der anderen Seite sind geometrische Veränderungen am Produkt jedoch aufgrund der Komplexität der Werkzeuge nur mit großem Aufwand realisierbar. Ein Single Point Incremental Forming Verfahren (SPIF) hingegen ermöglicht nahezu beliebige Formgebung und damit Produktvarianten, weist aber aufgrund der langen Prozesszeiten nur geringe Produktivität auf.
Freiheitsgrade bei Bedarf abschalten - 3D-Servo-Presse
Ein System, welches möglichst viele Freiheitsgrade zur Verfügung stellt, die sich bei Bedarf gezielt abschalten lassen, erlaubt es, ein breites Spektrum von Varianten zu wirtschaftlichen Bedingungen herzustellen. Dadurch ist neben einer hohen Produktivität auch eine erhöhte Anzahl von Produktvarianten möglich, ohne dass dabei erhöhte Kosten entstehen. Die genannten Möglichkeiten der gezielten Freiheitsgradabschaltung wird die neuartige 3D-Servo-Presse, die am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt entwickelt wird, bieten. Durch eine revolutionäre Hebelkinematik kann der Stößel dieser Maschine neben einer konventionellen vertikalen Hubbewegung auch um zwei Achsen verkippen.
Eine Überlagerung dieser beiden Kippachsen ermöglicht komplexe dreidimensionale Bewegungen, wie beispielsweise das Taumeln. Durch den Einsatz von Servomotoren als Antrieb, einer eigenständig entwickelten Steuerung und der Möglichkeit der Freiheitsgradtransformation und -überlagerung ergibt sich ein weites Spektrum umformtechnischer Prozesse für diese Maschine.
Das folgende Beispiel macht deutlich, wie zwei Varianten eines Produktes mit unterschiedlichen Nachfragewerten wirtschaftlich hergestellt werden können. Der konventionelle Napf kann mit einem hochproduktiven Tiefziehprozess ausgeformt werden. Eine Variante des Napfes rechts mit der zusätzlichen Vertiefung lässt sich mittels einer Transformation von beiden rotatorischen Kipp-Achsen und der vertikalen Verfahrachse herstellen.
Auf diese Weise erfolgt eine Erweiterung des wirtschaftlich herstellbaren Variantenspektrums von einem hoch spezialisierten Produktionssystem in die Bereiche rekonfigurierbarer und flexibler Systeme. Dies bildet einen Lösungsansatz, um die Herausforderungen der Zukunft in der Umformtechnik zu meistern.
Peter Groche, Jörg Avemann, Sebastian O. Schmitt
Taleb Araghi, B.; Manco, G.L.; Bambach, M.; Hirt G. (2009): Investigation into a new hybrid forming process: Incremental sheet forming combined with stretch forming, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 58/1Hinweis:
Flexibilität in der Umformtechnik war das Thema des Umformtechnischen Kolloquiums Darmstadt (UKD) am 6. und 7. März 2012 im Lufthansa Tagungszentrum Seeheim sein. Tagungsband dazu ist erhältlich
D-64287 Darmstadt
Tel.: +49 6151 16-3056
www.ptu.tu-darmstadt.de