Von der Idee bis zur Serienfertigung

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1 Von der Idee bis zur Serienfertigung Die Trillerpfeife Ein Ausbildungsprojekt von StR Reinhard Weinhold, Berufskolleg Oberberg, Gummersbach-Dieringhausen

2 D I E T R I L L E R P F E I F E Das Projekt Das Ausbildungsprojekt Die Trillerpfeife entstand durch Zusammenarbeit einer Vielzahl von Betrieben und dem Berufskolleg Gummersbach-Dieringhausen. Von Anfang an hatte die Trillerpfeife für alle Beteiligten, wie Auszubildende im Formenbau, Ausbilder, Lehrer und Wissenschaftler eine große Anziehungskraft. Die Trillerpfeife begeisterte nicht nur die Lehrlinge, sondern verhalf den Beteiligten zu vielen Fachgesprächen und Kontakten. Für die Berufsschule ist die Pfeife ein Lernfeld mit komplexer handlungssystematischer Orientierung. Sie bietet als Lehrobjekt eine primäre Anschauung mit einer umfassenden Dokumentation der gesamten Prozeßkette. Für die Betriebe ist der Bau der Spritzgießform ein praxisnahes Projekt mit vielen Problemstellungen. Begleitende Wissenschaftler stießen beim Anwenden ihrer Software und Verfahren an ihre Grenzen (Wie kann man das Trillern simulieren?). Die Auszubildenden werden in ihrer Fachkompetenz gestärkt und mit dem Denken in Prozeßketten vertraut gemacht. Beim Arbeitsauftrag Herstellung einer Trillerpfeife in Serie hat der Lehrling sofort eine Vielzahl von Gedanken und Vorstellungen. Wie soll der Artikel aussehen? Welcher Kunststoff soll gespritzt werden? Wie soll die Spritzgießform aussehen? Wo soll der Artikel angespritzt werden? Die Idee Wie kann sich ein nicht sichtbarer Verunglückter auf einfache Art und Weise seinen Rettern bemerkbar machen? Aus dieser Situationsbeschreibung entsteht ein Problem. Zur Lösung dieses Problems können verschiedene Kreativitätstechniken (z. B. Brainstorming) eingesetzt werden. Gruppenarbeit ist hierfür sinnvoll, weil der Austausch und die Anregung durch die anderen Gruppenmitglieder Assoziationen auslösen. Der Entwurf Ausgehend von der Idee zur Lösung des Problems (Notlage) - eine Trillerpfeife - werden die Kundenanforderungen und Produkteigenschaften ermittelt. Die Methode des Quality Function Deployment (QFD) ist eine geeignete Arbeitsmethode, um ein Produkt hervorzubringen, das den Bedürfnissen des Marktes entspricht. Dies führt zu einer starken Kundenorientierung und verringert die Gefahr einer Fehlentwicklung. Die Pfeife soll trillern ist eine von vielen Kundenerwartungen. Die Idee eine perspektivische Freihandzeichnung der Trillerpfeife Eine 3D-CAD-Darstellung (Virtual Reality) CADmold Spritzgießsimulation am Bildschirm eines CAD-Systems

3 E I N A U S B I L D U N G S P R O J E K T Der Designprozeß Bei der Produktgestaltung überträgt man Idee und Vorstellung in ein Bild. Elementare Grundlage für eine Lösungsdiskussion ist eine perspektivische Freihandzeichnung. Einfache Skizzen dienen zur Veranschaulichung verschiedener Designentwürfe. In einem Wechselspiel von der Erzeugung und Prüfung des Lösungsmodells wird der Lösungsvorschlag optimiert. Die leicht verständliche Freihandzeichnung bietet eine gute Kommunikationsgrundlage, um Entscheidungen im Team zu suchen. Zu den gestalterischen Faktoren kommen auch fertigungstechnische Faktoren, wie z. B. die Entformbarkeit. Artikelgestaltung mit CAD Das CAD-System unterstützt den Konstrukteur bei der Umsetzung des Designentwurfes in eine normgerechte technische Artikelzeichnung. Er fertigt anhand der Freihandskizze auf dem CAD-System eine zweidimensionale Zeichnung an. Die Gestalt und die Geometriedaten der Pfeife müssen vor Beginn der Eingabe in das CAD-System vorliegen. Um die Pfeife auch plastisch sehen, drehen und von allen Seiten betrachten zu können, wird ein virtuelles Modell in einem 3D-CAD-System (I-DEAS) erstellt. Die Ausgabe der Geometriedaten im STL- Format ist ein zentraler Punkt in der Kette der Produktentwicklung. Die dreidimensionale Produktbeschreibung kann durch Datenaustausch für Konstruktion, Simulation, Prototypherstellung, CNC- Fertigung, Qualitätssicherung und Werbung weiterverwendet werden. Elementare Grundlage für eine Verzahnung der Prozeßkette bei hoher Konstruktionsqualität ist ein verlustfreier Datentausch. Rheologische Untersuchung zur Auslegung von Formteil und Spritzgießform Wo werden bei der Pfeife Tunnel bzw. Anschnitt und Kühlung positioniert? Wie erfolgt die Balancierung der Verteilergeometrie von Pfeife, Deckel und Kugel? Solche und andere Probleme sind vor der Spritzgießformkonstruktion zu klären. Durch den Einsatz von Simulationsverfahren versucht man Fehler im Formteil, teure Werkzeugänderungen und viele Bemusterungsschritte zu verhindern. Die Pfeife wurde mit Hilfe der Formfüllsimulation optimiert. Die Software der Firma Simcon zeigt für die Werkzeugkonstruktion den optimalen Anspritzpunkt, die richtige Dimensionierung der Verteilergeometrie, eine Optimierung der Kühlung und eine Bestimmung der Verarbeitungsfenster. Das Stereolithographie-Urmodell der Pfeife wird entnommen Die ersten Funktionsmodelle als Vakuumabguß des Urmodells Die geöffnete Spritzgießform in Funktionsstellung (Virtual Reality)

4 D I E T R I L L E R P F E I F E Prototypenbau der Pfeife Um ein greifbares Anschauungs- und Funktionsmodell zu erhalten, fertigte man im Stereolithographie- Verfahren ein Urmodell der Pfeife. Bei der Erstellung einer Stützkonstruktion für die Einzelteile Pfeife, Deckel und Kugel kam der STL-Datensatz zum Einsatz. Anschließend wurden die Bauteile durch das slicen in scheibenförmige Querschnitte zerlegt und mit einem UV-Laser in einem flüssigen Photopolymerbad Schicht für Schicht ausgehärtet. Das erste Urmodell der Pfeife nutzte man dann für das Kunststoff-Vakuumgießen. Nach dem Abgießen mit Kunstharz im Vakuum stand ein erstes brauchbares Funktionsmodell zur Verfügung. Die Funktionsprüfung zeigte: Die Pfeife kann trillern. Konstruktion der Spritzgießform Hat der Konstrukteur das 3D-Modell der Trillerpfeife vorliegen, wird er es in die richtige Werkzeuglage bringen und in diesem ersten Konstruktionsschritt die Entformungsstrategie festlegen. Da die Pfeife automatisch und ohne Nacharbeit entformt werden soll, ist auf die Festlegung der Trennebene besonders zu achten. Die Festlegung der Schieberkontur und der Scheibengröße ist der nächste wichtige Schritt in der Formkonstruktion. Im Aufriß erfolgt dann die Festlegung der Kavitätenlage, der Anspritzlage und die Lage der Schieber. Diese Festlegungen im Aufriß bedingen dann die Dimensionierung der Einsätze und der Formplatten. Der Formkonstrukteur muß anschließend das Temperiersystem und die Entformbarkeit durch Schieber festlegen. Mit Hilfe der Normaliensoftware von HASCO wird im CAD-System dann systematisch ein passender Formaufbau ausgewählt und zusammengestellt. Die nächsten Arbeitsschritte sind die Gestaltung des Auswerfersystems, des Einspritzsystems und der Werkstoffauswahl. Die Normaliensoftware ist dabei ein wichtiges Hilfsmittel; verschiedene Lösungsvarianten lassen sich damit leicht durchführen. Diese Hilfsmittel können aber nicht die kreativen Tätigkeiten und Erfahrungen des Konstrukteurs ersetzen. Nach der 2D-CAD-Formkonstruktion erfolgt eine Uberprüfung auf alle möglichen Fehler mit einer FMEA. Mit Hilfe von Virtual Reality wurde eine 3D-Studie der gesamten Spritzgießform und seiner Umgebung (Artikel) erstellt. Diese Studie bietet realistische kinematische Analysen bei der Simulation von mechanischen Bewegungsabläufen und Kollisionsprüfungen. Qualitätssicherung bei der Herstellung der Spritzgießform Die Einzelteile der Spritzgießform, Normalien mit und ohne Bearbeitung Das Team begutachtet die Trillerpfeife und die abgemusterte Form

5 E I N A U S B I L D U N G S P R O J E K T Arbeitsplanung und Herstellung der Spritzgießform Die Trillerpfeife soll vermarktet werden. Somit muß die Form allen Qualitätsansprüchen bei geringen Kosten entsprechen. Um diesen Ansprüchen zu genügen, wurden Normalien für die Bauteile ausgewählt und nach kurzer Zeit bereitgestellt. Der Umgang mit Normalienkatalogen, Stücklisten und CAD- Systemen ist ein wichtiges Ausbildungsziel im Formenbau. Nach einer sorgfältigen Arbeitsplanung erfolgt die Fertigung der Einzelteile. Alle typischen Fertigungsverfahren wie CNC-Fräsen, CNC-Drehen, Erodieren, Koordinatenschleifen, Abtuschieren usw. kommen zum Einsatz. Anpaßarbeiten an der Form zwingen oft auch zu Abweichungen von der Konstruktionszeichnung. Serienfertigung und Kundenpräsentation Eine Optimierung des Spritzgießprozesses für den eingesetzten Kunststoff senkt die Produktionskosten und sichert eine gleichbleibende Qualität. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Unternehmen konnte die Trillerpfeife auf der Metav 98 und der K 98 den Besuchern präsentiert werden. Das Ausstellen der eigenen Produkte durch die Lehrlinge dient neben der Vermarktung vor allem der Identifikation mit dem Beruf. Idee Entwurf Artikelgestaltung mit CAD Rheologische Untersuchung (Fallsimulation) Prototypherstellung mit Rapid- Prototyping 2D-Konstruktion mit HASCO- Normaliensoftware Planung und Herstellung der Spritzgießform durch Auszubildende Serienfertigung; Messepräsentation Design 2D-CAD- System mit AutoCAD Urmodellherstellung mit Stereolithographie Prozeßkette der Trillerpfeife Rheologische Formteilauslegung 3D-CAD- System (I-DEAS) Vakuumabguß 3D- Konstruktion der Spritzgießform Wärmebehandlung Arbeitsplanung; Produktion QFD Qualitätssicherung Brainstorming STL- Format Rheologische Werkzeugauslegung Funktionstest Virtual Reality Verschleißschutz Abmustern

6 D I E T R I L L E R P F E I F E Die Spritzgießform

7 E I N A U S B I L D U N G S P R O J E K T

8 HASCO-Normalien Hasenclever GmbH + Co KG D Lüdenscheid Tel. ( ) Fax ( ) No by HASCO D Lüdenscheid Printed in Germany Änderungen vorbehalten Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier

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