Ganzheitliche Entwicklung von Serienbauteilen. Prof. Dr.-Ing. Norbert Miersch

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1 Ganzheitliche Entwicklung von Serienbauteilen Prof. Dr.-Ing. Norbert Miersch

2 Gliederung 1. Einleitung und Motivation 2. Gegenwärtige Entwicklungswerkzeuge 3. Ganzheitlicher Optimierungsansatz 4. Repräsentatives Beispiel 5. Zusammenfassung und Ausblick

3 Kostenverantwortung und Kostenverursachung verschiedener Unternehmensbereiche Bedeutung Wertschöpfender Prozesse Folie-Nr.: 3

4 Iteratives Vor- und Rückspringen zu Erfüllen und Anpassen der Anforderungen einem oder mehreren Arbeitsschritten Aufgabe Klären und präzisieren der Aufgabenstellung Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Suche Lösungsprinzipien und deren Strukturen Gliedern in realisierbare Module Gestalten der maßgebenden Module Gestalten des gesamten Produkts Ausarbeiten der Ausführungsund Nutzungsangaben Weitere Realisierung Arbeitsergebnisse Anforderungsliste Funktionsstrukturen Prinzipielle Lösungen Modulare Strukturen Vorentwürfe Gesamtentwurf Produktdokumentation Phasen Generelles Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach VDI Richtlinie 2221 Folie-Nr.: 4

5 Gießereidatenbank - CITIM Niederdruck - Kokillengießen ( Verfahrensprinzip ) Folie-Nr.: 5

6 Gießereidatenbank - CITIM Niederdruck - Kokillengießen ( Nutzungsbedingungen ) Folie-Nr.: 6

7 CAD - Datengenerierung Parametrik ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 7

8 1 Gehäuse, EN-GJL Spitze, 90MnCrV8 3 Pinole, E Spindel, E295 5 Deckel, EN-GJL Handrad, AlMg3 5 CAD - Datengenerierung Funktionsprüfung ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 8

9 12 1 Stck. Stahlklemmhebel norelem ,25 M12x Stck. Spannstück/unten CuZn39Pb3 0,14 32x Stck. Spannstück/oben CuZn39Pb3 0,13 32x Stck. Zylinderstift ISO m8x35-St St 0, Stck. Handrad norelem x16 AlMg3 0,44 DIN Stck. Zylinderschraube ISO 4762-M6x ,007 DIN Stck. Gewindestift ISO 4026-M10x20-A5-21H A5-21H 0,009 DIN Stck. Deckel EN-GJL-250 0,6 85x Stck. Spindel E295 (St 50-2) 3 1 Stck. Pinole E295 (St 50-2) 2 1 Stck. Zentrierspitze GEDEMA Typ 541 DIN 806 WS 90MnCrV8 0,76 DIN 806 0,4 40x190 2,4 52x Stck. Gehäuse EN-GJL ,8 Pos. Men. Einh. Benennung Sachnummer/ Norm-Kurzbezeichnung Werkstoff Gewicht Kg/Einh. Bemerkung Stückliste DIN B2 ohne Schriftfeld nach DIN EN ISO 7200 Folie-Nr.: 9

10 CAD - Datengenerierung Baugruppenkonstruktion ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 10

11 CAD - Datengenerierung Featuretechnik ( Haasis, S.; Mischkolin, F.; Züfle, J. ) Folie-Nr.: 11

12 CAD - Datengenerierung Methodik ( System Catia V4, V5) Folie-Nr.: 12

13 FEM Fertigungssimulation ( Temperaturfeld ) Optimierung eines Bauteiles während der Entwicklung Folie-Nr.: 13

14 FEM Fertigungssimulation ( Gusseigenspannungen ) Optimierung eines Bauteiles während der Entwicklung Folie-Nr.: 14

15 Rapid - Prototyping Stereolithographie Folie-Nr.: 15

16 Design Konstruktion Werkstoff Gußteil SHARED ENGINEERING Berechnung Werkstoff Optimierung Betriebsfestigkeit Modellplanung Gießlage Formstoff Werkstoff Abguß QSM Shared Engineering Optimierung der Bauteilentwicklung Folie-Nr.: 16

17 Serieller Ablauf Paralleler Ablauf Konstruktion Berechnung Modellbau NC - Programmierung Probefertigung ( Guss ) Gussabnahme Probefertigung (Bearbeitung) Endabnahme Nullserie (Guss) Nullserie (Fertigung) Durchlaufzeit in Wochen Simultaneous Engineering Optimierung der Bauteilentwicklung Folie-Nr.: 17

18 Produktlebenszyklus als Ganzes Sequentielle Arbeitsweise Spezialisierung Know How Verlust Kommunikation Bewährte Werkstoffe, Verfahren Vielfalt an Softwarelösungen Durchgängigkeit Defizite bisher angewandter Methoden und Verfahren Folie-Nr.: 18

19 Werkstoff Fertigungsverfahren Bauteileigenschaften Betriebsverhalten technologische Realisierbarkeit konstruktive Gestaltung Ganzheitsbetrachtung zwischen Werkstoff, Fertigungsverfahren und konstruktiver Gestalt Folie-Nr.: 19

20 Aufgabenstellung 1 Analyse der Aufgabenstellung 3 Phase der Werkstoff-Verfahrens-Gestaltungs- Varianten 1 Anforderungsprofil ( AP ) Phase der Werkstoff-Vorauswahl 4 AP erfüllt? ja Phase der Bauteil-Varianten nein 2 AP erfüllt? Phase der Werkstoff-Verfahrens- Varianten AP erfüllt? 1 ja ja nein nein 5 AP erfüllt? Phase der serienidentischen-prototypen ja AP erfüllt? ja nein nein serienvorbereitetes Bauteil Ablauf der Bauteilentwicklung mit ihren fünf Phasen Folie-Nr.: 20

21 : Nockenwellenlagerdeckel 2 : Nockenwelle 3 : Zylinderkopf 4 : Kipphebelachse 5 : Kipphebel 6 : Ventil Einbausituation der Nockenwellenlagerdeckel 6 Nockenwellenlagerdeckel in ursprünglicher Ausführung Folie-Nr.: 21

22 Anforderungsliste Serienbauteil 1. Geometrie F F - Abmessungen außen wie Stahlkonstruktion - Bohrungspositionen analog Stahlkonstruktion 2. Stoffe F F F W - Werkstoff mit geringerer Dichte als Stahl - R m = 400 N / mm²; R p0,2 = 300 N / mm² bei 20 C - R m = 300 N / mm² bei 150 C ( hohe Warmfestigkeit ) - Gratfrei 3. Kräfte F - Verformungen, f max = 0,4 mm 4. Fertigung F F F - Maßgenauigkeit und Oberflächengüte - Bohrungen, Lagerungen - Fertigung wie Stahlkonstruktion - Stückzahl Mio. Stck. / a Aufgabe : Auswahl eines Werkstoffes mit geringer Dichte, als Beitrag zur Kraftstoffeinsparung! Folie-Nr.: 22

23 Legierungen Stahl Mg Al Ti Dichte ( g / cm³ ) 7,85 1,8 2,7 4,5 R m ( N / mm² ) R e bzw. R p 0, Mg Al Ti Dichte ++ + O erzielbare Festigkeiten O + ++ technologische Beherrschbarkeit ( bezahlbar ) Legende : ++ sehr gut + gut O mittel - schlecht -- sehr schlecht Beschaffbarkeit Bewertung der vorausgewählten Werkstoffe Folie-Nr.: 23

24 Werkstoffbezeichnung Verfahren Zugfestigkeit R m [ N/mm² ] min. max. Dehngrenze R p0,2 [ N/mm² ] min. max. Dichte r [ g/cm³ ] GK MgAl9Zn1 wa Kokillengießen ,83 GK MgZn5Th2Zr1 Kokillengießen ,87 GK MgZn5Zr1 Kokillengießen ,81 GD MgAl9Zn1 Druckgießen ,83 AM 60 Druckgießen ,80 AS 41 Druckgießen ,77 MgAl8Zn (F31) Strangpressen MgAl8Zn (F31) Gesenkschmieden MgMn2 (F22) Strangpressen Angaben bei Raumtemperatur Zr = Zirkonium Th = Thorium Zn = Zink Eigenschaften der betrachteten Magnesium-Verfahrens-Kombination nach Behm Folie-Nr.: 24

25 Werkstoffbezeichnung Verfahren Zugfestigkeit R m [ N/mm² ] min. max. Dehngrenze R p0,2 [ N/mm² ] min. max. Dichte r [ g/cm³ ] GK-AlCu4Ti wa Kokillengießen GK-AlCu4TiMg ka Kokillengießen GF-AlCu4TiMg ka Feingießen GF-AlCu4Ag1MgT6 Feingießen GD-AlSi12CuMgNi wa Squeeze casting ,68 G-AlCu4Ag wa Sandgießen AN 40 (AlCuMgNi) Strangpressen ~2,70 AlCu4SiMg T6 Gesenkschmieden AlZn5.5MgCu T7 Gesenkschmieden AlZn5.5MgCu T6 Gesenkschmieden Angaben bei Raumtemperatur Eigenschaften der betrachteten Aluminium Verfahrens - Kombination nach Behm Folie-Nr.: 25

26 Variante Kriterium Fertigung SP1 SP2 SP3 Fertigungsgerechte Gestaltung Nachbearbeitungsaufwand Werkzeugverschleiß Funktion Funktionselemente Schraubenauflagen Beanspruchung Momente / Kräfte Gestaltfestigkeit Geometrie Masse Bewertung Bewertung Gestaltungsvarianten / Strangpressen AlCuMgNi ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) Folie-Nr.: 26

27 Variante Kriterium Fertigung Fertigungsgerechte Gestaltung Nachbearbeitungsaufwand Werkzeugverschleiß Funktion Funktionselemente Schraubenauflagen Beanspruchung Momente / Kräfte Gestaltfestigkeit Geometrie Masse Bewertung Bewertung Gestaltungsvarianten / Gesenkschmieden AlZn5.5MgCu T6 ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) GS1 GS2 GS3 Folie-Nr :27

28 Variante Kriterium Fertigung SC-1 SC-2 SC-3 Materialanhäufungen Hinterschneidungen Gießbarkeit der Rippen Nachbearbeitungsaufwand Funktion Funktionselemente Schraubenauflagen Beanspruchung Momente / Kräfte Gestaltfestigkeit Geometrie Masse Bewertung Bewertung Gestaltungsvarianten / Squeeze casting GD-AlSi12CuMgNi wa ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) Folie-Nr :28

29 Werkstoff AlCuMgNi AlZn5.5MgCu T6 GD-AlSi2CuMgNi wa Verfahren Strangpressen Gesenkschmieden Squeeze casting Gestalt Festigkeitseigenschaften erreichbar erreichbar erreichbar Gestaltfestigkeit gewährleistet gewährleistet gewährleistet unbearbeitete Oberfläche R z = 9 µm R z = 63 µm R z = 10 µm Aushebeschrägen keine ca. 2 ca. 1-1,5 Radien keine R I >3mm; R a >1mm R > 1 mm Formelemente vorgefertigt Lager, Kontur Lager, teilweise große Bohrung, Rippen, Ausnehmung Bewertung der ausgewählten Werkstoff Verfahrens - Gestaltungsvarianten Lager, große Bohrung, Rippe, Schraubenkopfauflage Bearbeitungsaufwand hoch mittel gering Masse ca. 160 g ca. 155 g ca. 150 g Kosten o. Bearbeitung ca. 1,50 / Stück ca. 2 / Stück ca. 1,25 / Stück Bewertung mittlere Kosten hohe Kosten geringe Kosten Kennwerte i. O. Kennwerte i. O. Kennwerte i. O. Folie-Nr.: 29

30 1 2 Vergleichsspannungen - [ Pa ] Verformungen - [ m ] Problemzonen : 1 Bohrung Kipphebelachse ( ca. 150 N / mm² ) 2 Auflagefläche Bereich Nockenwelle ( ca. 180 N / mm² ) Ergebnisse der FEM - Festigkeitanalyse ( Bauteil Variante ) Folie-Nr.: 30

31 1 3 Design - Prototyp HSC ( HPC ) - Fräsen Formeinsatz 2 4 Kipphebelachslager Nockenwellenlager Gießwerkzeug optimieren Erzeugung serienidentischer Prototypen Ablauf Gießversuch und Auswertung Folie-Nr.: 31

32 5 Optimierung durch Gießsimulation Prototyp nach Optimierung 6 7 a) Serienidentischer Prototyp Werkstoffprüfung a) - Zugfestigkeit b) - Dauerfestigkeit - Prüfstand b) Erzeugung serienidentischer Prototypen Ablauf Folie-Nr.: 32

33 Übertragbarkeit der Ergebnisse Übertragbarkeit der Festigkeitseigenschaften Einengung des technologischen Prozessfensters Ganzheitliche Herangehensweise Optimierung der Entwicklungszeit durch : zweckmäßige Verknüpfung der Entwicklungswerkzeuge Vorteile der Methodik für Serienfertigung Folie-Nr :33

34 Motivation - Entwicklungstendenzen Stand der Technik - Auswertung Optimierungsansatz - progressive Methodik Ganzheit - Werkstoff, Fertigungsverfahren, Gestalt Serienidentischer Prototyp - erläuterndes Beispiel Zusammenfassung Folie-Nr.: 34