Produktionssysteme

Schneller und dennoch fehlerfreier

Standardisierung und CAD-Automation bieten ein erhebliches Potenzial, Konstruktionsaufgaben nicht nur schneller, sondern vor allem fehlerfreier zu lösen. Zeigen lässt sich das beispielsweise bei der Konstruktion von Kernkästen für die Herstellung von Sandkernen beim Leichtmetallguss. Trennt man hier konsequent Arbeiten an der Kontur vom mechanischen Aufbau des Werkzeugs, lässt sich nach vorhergehender Standardisierung von Bauteilen wie Düsen und Auswerfern der mechanische Aufbau zum überwiegenden Teil automatisch erledigen. Zeit, die der Werkzeugbau einspart, steht damit den Produktentwicklern zur Verfügung. Fehler lassen sich auf diese Weise sehr viel früher und damit effizienter beheben.

Zeit dürfte in allen entwicklungsgetriebenen Unternehmen eines der knappsten Güter sein. Haben die Konstrukteure mehr Zeit, können sie mehrere Varianten untersuchen und Kinderkrankheiten früher – und damit wesentlich kostengünstiger – beheben. Erhebliches Potenzial bietet hier neben der Zusammenarbeit (Collaboration) und dem parallelen Arbeiten (Concurrent Engineering) der Bereich der CAD-Automation, sprich der Standardisierung und auf diese Weise möglichen automatischen Abwicklung von Konstruktionsaufgaben. Ein Beispiel für eine gelungene CAD-Automation findet sich beispielsweise im Automobilbau im Bereich des Gießens von Zylinderköpfen – konkret bei der Auslegung der Kernkästen. In ihnen entstehen die Sandkerne, die beim Gießen dann den Raum für den späteren Kühlkreislauf ‚freihalten‘.

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Speziell diese Kernkästen spielten auch bei dem Automobilhersteller BMW eine Rolle, als der Startschuss für die ‚emissionsfreie Gießerei‘ fiel. Seit 2010 werden im Werk Landshut für die formgebenden Sandkerne anstelle herkömmlicher organischer jetzt umweltschonende anorganische Bindemittel verwendet – die Leichtmetallgießerei konnte damit die Emissionen aus Verbrennungsrückständen um 98 Prozent senken. Gleichzeitig stiegen aber die Anforderungen an die Kernherstellung, insbesondere die Temperaturverteilung bei den beheizten Kernkästen ist dabei von Bedeutung. „Als Nachteil erwies sich zudem die hohe Zahl von fast 490 verschiedenen Kernkästen, abhängig von Produkten und Kernschießmaschinen“, berichtet Dr. Andreas Fent, bei BMW in Landshut damals verantwortlich für Konstruktion und Produktentwicklung im Kokillenguss, heute Leiter Planung Druckguss. „Mit dem Schwenk zur Anorganik haben wir uns deshalb entschlossen, einen einheitlichen Kernkastentyp einzusetzen – im Zweifel bauen wir jetzt die Maschine auf den Werkzeugtyp um und nicht umgekehrt, so können wir auch viel flexibler agieren.“

Die Konstruktion der Kernkästen wurde grundlegend überdacht und dabei zunächst soweit wie möglich vereinfacht. Neben den Werkzeugkonstrukteuren wurden dabei auch die Prozessingenieure und Instandhalter miteinbezogen, um eine für alle Beteiligten möglichst optimale Auslegung sicherzustellen. Der Kernkasten ließ sich auf diese Weise weitgehend standardisieren und Bauteile wie etwa die Einschussdüsen oder der Tragrahmen, die nicht von der Kerngeometrie abhängen und sich nicht verändern, können nun stets wiederverwendet werden.

Standard-Kernkasten in Software abgebildet

Nach der Standardisierung der ‚Hardware‘ lag es nahe, deren Aufbau auch softwareseitig abzubilden, um auf diese Weise möglichst viele Arbeitsschritte der Werkzeugkonstruktion zu automatisieren. Da BMW als M-CAD-Lösung Catia V5 von Dassault Systèmes nutzt, griff man bei diesem Schritt auf das Know-how des Engineering-Dienstleisters SmardCAD zurück. Eine Machbarkeitsstudie zeigte, dass sich die weitgehende Automation der Kernkastenkonstruktion selbst im schlechtesten Fall rechnet. „Noch entscheidender als die Kostenreduktion war dabei für uns wiederum der Zeitfaktor“, betont Fent. „Können wir in der Werkzeugkonstruktion den Zeitbedarf um 14 Tage senken, hat die Produktentwicklung entsprechend mehr Zeit.“ Auf diese Weise lassen sich Fehlerquellen viel frühzeitiger identifizieren und umgehen – was bekanntermaßen bezüglich der Folgekosten sehr viel effizienter ist als nachträgliche Änderungsprozesse.

SmardCAD rollte die Konstruktionsmethodik neu auf und trennte zunächst die von der Geometrie des Kerns abhängigen Arbeiten strikt von denen am Kernkasten selber. Für die verschiedenen Aufgaben wurden dann entsprechende Templates entwickelt. So kann der Konstrukteur nun im Rahmen der Formarbeiten die Zylinderkopfform zunächst sauber positionieren und die Kernform skalieren, so dass Effekte aufgrund von Schrumpfungs- oder Dehnungsprozessen ausgeglichen werden. Im Anschluss daran wird dann das Werkzeugkonzept (Casting) entwickelt. „Das erfolgt nun nicht mehr auf dem Papier, sondern direkt über das entsprechende Template im CAD-System“, erläutert SmardCAD-Geschäftsführer Rainer Hochgeladen. Hier werden etwa die Positionen der Einschussdüsen vorgegeben (aber eben nur die Positionen sowie Durchmesser und Düsenniveau), die Kühlung konzipiert sowie Entlüftungen und Auswerfer angeordnet. „An dieser Stelle bringen die Werkzeugkonstrukteure und Prozessingenieure im Team ihr Know-how ein, denn sie wissen am besten, wie sich die Kerne herstellen oder wie sich gegebenenfalls mehrere Bauteile im Kernkasten sinnvoll anordnen lassen.“ Ein angenehmer Nebeneffekt ist, dass Konstrukteure und Technologen mit dem standardisierten System nicht nur komfortabler zusammenarbeiten können, sondern gleichzeitig sofort erkennen, was sich im Werkzeug abbilden lässt und was nicht – erneut lassen sich möglicherweise auftretende Probleme früher und damit effizienter lösen.

Werkzeugkonzept lässt sich automatisiert weiterbearbeiten

Einer der Vorteile der geschilderten Vorgehensweise sei nun, dass sich das bereits im CAD vorliegende Werkzeugkonzept ohne zusätzliche Datenübernahme weiterbearbeiten lasse, so Hochgeladen weiter. „Das betrifft vor allem den mechanischen Aufbau des Kernkastens – jetzt unter Einschluss der hohen Anzahl an Einzelteilen, die bislang noch keine Rolle spielten.“ Wurden im Konzept Position und Lage eines Schieberkörpers definiert, erfolgt nun der Übergang zum kompletten Schiebermechanismus inklusive Hydraulikzylinder und Führungen. Gleiches gilt für Düsen und andere Bauteile, die nun entsprechend ausdetailliert werden. „Bis auf kleinere Eingriffe kann das alles aufgrund der Standardisierung der Bauteile automatisiert erfolgen, was die Produktivität um bis zu 80 Prozent steigert“, betont der SmardCAD-Chef. Da der Automatismus zudem auf Basis der hinterlegten Regeln arbeitet, ist das Ergebnis entsprechend standardkonform – die Kreativität wird auf die Phase der Konzepterstellung gelenkt.

„Heute ist die mechanische Konstruktion eines Kernkastens im günstigen Fall binnen einer Woche erledigt – gegenüber früher sparen wir so meist mehr als die genannten 14 Tage ein“, ergänzt Dr. Andreas Fent. Entscheidend sei zudem, dass nun deutlich weniger Nacharbeiten anfielen, da über die Standardisierung viele Probleme von vornherein ausgeschlossen würden. „Das erforderte zwar im Rahmen der Vorarbeiten einen höheren Aufwand, doch davon profitieren wir nun Tag für Tag“, ergänzt Alois Wölfel, der methodenverantwortliche Konstrukteur.


Rückblickend ist für den Erfolg des Projektes vor allem die Einbeziehung aller Abteilungen verantwortlich. „Das sind beim Kernkasten eben nicht nur die Kernschießtechnologen sondern auch die Instandhalter, die das später warten müssen“, so Fent weiter. „Erst wenn alle einbezogen sind, zieht man gemeinsam an einem Strang!“ Zudem habe man auch die Erfahrungen der Konstrukteure grundsätzlich hinterfragt und deswegen beispielsweise die Elektroheizung generell durch eine Medienheizung ersetzt. „Solche Modifikationen muss man im Rahmen des ganzen Prozesses zulassen.“ -sg-

Michael Corban, Nufringen

SmardCAD Deutschland GmbH, Neu-Ulm, Tel. 0731/15902-0, http://www.smardcad.com

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