Ganzheitliche Entwicklung von Serienbauteilen Prof. Dr.-Ing. Norbert Miersch
Gliederung 1. Einleitung und Motivation 2. Gegenwärtige Entwicklungswerkzeuge 3. Ganzheitlicher Optimierungsansatz 4. Repräsentatives Beispiel 5. Zusammenfassung und Ausblick
Kostenverantwortung und Kostenverursachung verschiedener Unternehmensbereiche Bedeutung Wertschöpfender Prozesse Folie-Nr.: 3
Iteratives Vor- und Rückspringen zu Erfüllen und Anpassen der Anforderungen einem oder mehreren Arbeitsschritten 1 2 3 4 5 6 7 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 1 2 3 4 Generelles Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach VDI Richtlinie 2221 Folie-Nr.: 4
Gießereidatenbank - CITIM Niederdruck - Kokillengießen ( Verfahrensprinzip ) Folie-Nr.: 5
Gießereidatenbank - CITIM Niederdruck - Kokillengießen ( Nutzungsbedingungen ) Folie-Nr.: 6
CAD - Datengenerierung Parametrik ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 7
1 Gehäuse, EN-GJL-250 4 2 Spitze, 90MnCrV8 3 Pinole, E295 2 1 3 4 Spindel, E295 5 Deckel, EN-GJL-250 8 8 Handrad, AlMg3 5 CAD - Datengenerierung Funktionsprüfung ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 8
12 1 Stck. Stahlklemmhebel norelem 06430-112 0,25 M12x82 11 1 Stck. Spannstück/unten CuZn39Pb3 0,14 32x35 10 1 Stck. Spannstück/oben CuZn39Pb3 0,13 32x35 9 1 Stck. Zylinderstift ISO 2338-6m8x35-St St 0,01 8 1 Stck. Handrad norelem 06273-0180x16 AlMg3 0,44 DIN 950 7 4 Stck. Zylinderschraube ISO 4762-M6x20-10.9 10.9 0,007 DIN 912 6 1 Stck. Gewindestift ISO 4026-M10x20-A5-21H A5-21H 0,009 DIN 915 5 1 Stck. Deckel EN-GJL-250 0,6 85x30 4 1 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 52x220 1 1 Stck. Gehäuse EN-GJL-250 17,8 Pos. Men. Einh. Benennung Sachnummer/ Norm-Kurzbezeichnung Werkstoff Gewicht Kg/Einh. Bemerkung Stückliste DIN 6771 - B2 ohne Schriftfeld nach DIN EN ISO 7200 Folie-Nr.: 9
CAD - Datengenerierung Baugruppenkonstruktion ( System SolidWorks ) Folie-Nr.: 10
CAD - Datengenerierung Featuretechnik ( Haasis, S.; Mischkolin, F.; Züfle, J. ) Folie-Nr.: 11
CAD - Datengenerierung Methodik ( System Catia V4, V5) Folie-Nr.: 12
FEM Fertigungssimulation ( Temperaturfeld ) Optimierung eines Bauteiles während der Entwicklung Folie-Nr.: 13
FEM Fertigungssimulation ( Gusseigenspannungen ) Optimierung eines Bauteiles während der Entwicklung Folie-Nr.: 14
Rapid - Prototyping Stereolithographie Folie-Nr.: 15
Design Konstruktion Werkstoff Gußteil SHARED ENGINEERING Berechnung Werkstoff Optimierung Betriebsfestigkeit Modellplanung Gießlage Formstoff Werkstoff Abguß QSM Shared Engineering Optimierung der Bauteilentwicklung Folie-Nr.: 16
Serieller Ablauf Paralleler Ablauf Konstruktion Berechnung Modellbau NC - Programmierung Probefertigung ( Guss ) Gussabnahme Probefertigung (Bearbeitung) Endabnahme Nullserie (Guss) Nullserie (Fertigung) Durchlaufzeit in Wochen 4 8 12 16 20 24 28 Simultaneous Engineering Optimierung der Bauteilentwicklung Folie-Nr.: 17
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
Werkstoff Fertigungsverfahren Bauteileigenschaften Betriebsverhalten technologische Realisierbarkeit konstruktive Gestaltung Ganzheitsbetrachtung zwischen Werkstoff, Fertigungsverfahren und konstruktiver Gestalt Folie-Nr.: 19
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
1 2 3 4 5 1 : Nockenwellenlagerdeckel 2 : Nockenwelle 3 : Zylinderkopf 4 : Kipphebelachse 5 : Kipphebel 6 : Ventil Einbausituation der Nockenwellenlagerdeckel 6 Nockenwellenlagerdeckel in ursprünglicher Ausführung Folie-Nr.: 21
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 - 1.25 Mio. Stck. / a Aufgabe : Auswahl eines Werkstoffes mit geringer Dichte, als Beitrag zur Kraftstoffeinsparung! Folie-Nr.: 22
Legierungen Stahl Mg Al Ti Dichte ( g / cm³ ) 7,85 1,8 2,7 4,5 R m ( N / mm² ) 300 1200 200 310 300 470-1300 R e bzw. R p 0,2 185 1050 140 215 220 400-700 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
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 240 300 150 190 1,83 GK MgZn5Th2Zr1 Kokillengießen 250 150 1,87 GK MgZn5Zr1 Kokillengießen 235 147 1,81 GD MgAl9Zn1 Druckgießen 200 250 150 170 1,83 AM 60 Druckgießen 225 240 130 1,80 AS 41 Druckgießen 215 240 140 1,77 MgAl8Zn (F31) Strangpressen 310 215 MgAl8Zn (F31) Gesenkschmieden 310 215 MgMn2 (F22) Strangpressen 220 165 Angaben bei Raumtemperatur Zr = Zirkonium Th = Thorium Zn = Zink Eigenschaften der betrachteten Magnesium-Verfahrens-Kombination nach Behm Folie-Nr.: 24
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 330 400 220 270 GK-AlCu4TiMg ka Kokillengießen 320 420 220 300 GF-AlCu4TiMg ka Feingießen 300 400 220 280 GF-AlCu4Ag1MgT6 Feingießen 415 345 GD-AlSi12CuMgNi wa Squeeze casting 410 372 2,68 G-AlCu4Ag wa Sandgießen 410 345 AN 40 (AlCuMgNi) Strangpressen 430 375 ~2,70 AlCu4SiMg T6 Gesenkschmieden 430 370 AlZn5.5MgCu T7 Gesenkschmieden 410 350 AlZn5.5MgCu T6 Gesenkschmieden 470 400 Angaben bei Raumtemperatur Eigenschaften der betrachteten Aluminium Verfahrens - Kombination nach Behm Folie-Nr.: 25
Variante Kriterium Fertigung SP1 SP2 SP3 Fertigungsgerechte Gestaltung 3 3 1 Nachbearbeitungsaufwand 3 3 1 Werkzeugverschleiß 2 2 2 Funktion Funktionselemente 2 2 2 Schraubenauflagen 2 2 3 Beanspruchung Momente / Kräfte 2 2 2 Gestaltfestigkeit 2 2 3 Geometrie Masse 1 2 3 Bewertung 17 18 17 Bewertung Gestaltungsvarianten / Strangpressen AlCuMgNi ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) Folie-Nr.: 26
Variante Kriterium Fertigung Fertigungsgerechte Gestaltung 3 2 1 Nachbearbeitungsaufwand 2 2 2 Werkzeugverschleiß 3 2 1 Funktion Funktionselemente 2 2 2 Schraubenauflagen 2 3 3 Beanspruchung Momente / Kräfte 2 2 2 Gestaltfestigkeit 2 3 3 Geometrie Masse 1 3 2 Bewertung 17 19 16 Bewertung Gestaltungsvarianten / Gesenkschmieden AlZn5.5MgCu T6 ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) GS1 GS2 GS3 Folie-Nr :27
Variante Kriterium Fertigung SC-1 SC-2 SC-3 Materialanhäufungen 2 2 1 Hinterschneidungen 3 3 1 Gießbarkeit der Rippen 2 3 3 Nachbearbeitungsaufwand 1 3 2 Funktion Funktionselemente 2 3 3 Schraubenauflagen 2 3 3 Beanspruchung Momente / Kräfte 2 3 3 Gestaltfestigkeit 1 3 3 Geometrie Masse 3 2 1 Bewertung 18 25 20 Bewertung Gestaltungsvarianten / Squeeze casting GD-AlSi12CuMgNi wa ( 3 = gut; 2 = mittel; 1 = schlecht ) Folie-Nr :28
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
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
1 3 Design - Prototyp HSC ( HPC ) - Fräsen Formeinsatz 2 4 Kipphebelachslager Nockenwellenlager Gießwerkzeug optimieren Erzeugung serienidentischer Prototypen Ablauf Gießversuch und Auswertung Folie-Nr.: 31
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
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
Motivation - Entwicklungstendenzen Stand der Technik - Auswertung Optimierungsansatz - progressive Methodik Ganzheit - Werkstoff, Fertigungsverfahren, Gestalt Serienidentischer Prototyp - erläuterndes Beispiel Zusammenfassung Folie-Nr.: 34