Der Werkzeugbau im Wandel - cimatron.com · entwicklung. Ziel: Herstellung der Serien-tauglichkeit...

© WZL/Fraunhofer IPT

Der Werkzeugbau im Wandel Industrielle Prozessketten für höchste Kundenzufriedenheit

Kristian Arntz Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, WBA Aachener Werkzeugbau Akademie GmbH

Cimatron Anwendertreffen24. Januar 2013, Fulda

1

2 2

1SX B523 Huron

CNC Bettfräs-maschine UBF 2500/10 Kekelsen

Huron MU4 Huron MU4 Traub

Index GU 1000

Flachschleif-maschine

Index GFG 250 II

Index GFG 450 I

Index GFG 450 II

PFH12-1400

Heller

CNC Bettfräsmaschine PFU 3 Heller

BöhringerVDF 250/315

KH 35 CN Ravensburger

Reparatur

DigmaHSC 800 Mikron

HSN 700

DigmaHSC 850

Index GFG 250 I

Kopf-dreh-maschine

VDF V 630

VDF V 630

VDF V 630Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.

1

1

2 2

1SX B523 Huron



Index GU 1000


Index GFG 250 II

Index GFG 450 I

Index GFG 450 II

PFH12-1400

Heller




Reparatur

DigmaHSC 800 Mikron

HSN 700

DigmaHSC 850

Index GFG 250 I

Kopf-dreh-maschine

VDF V 630

VDF V 630

VDF V 630Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.

1

Seite 1© WZL/Fraunhofer IPT

Das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Werkzeugmaschinenlabor WZL

Institut der RWTH Aachen

1906 gegründet

580 Mitarbeiter

16 000 m² Bürofläche und Labore

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Institut der Fraunhofer-Gesellschaft

1980 gegründet

365 Mitarbeiter

3000 m² Bürofläche und Labore

Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2000

Partner-Institut in Boston/ USA:Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation CMI


Der Werkzeugbau ist das Herz der Produktion Wertschöpfung mittels Produktionsoptimierung durch das Werkzeug

Heute

Kundenproduktivität

»TCO« (Total Cost of Ownership)

Produktivität der Produktion liegt hier im Fokus

Gestern

Werkzeugbereitstellung

Bereitstellung von Betriebsmitteln

Fokus ist die technische Umsetzung der spezifizierten Anforderungen

Morgen

Kundeneffizienz

»TEC« (Total Efficiency Control)

Integrativer Werkzeugbau mit einem Fokus auf Ressourcen- und Kostenoptimierung

Ein Beitrag zur Steigerung der Kundeneffizienz basiert auf dem ganzheitlichen Verständnis der Produktionsprozesse beim Kunden!

Tool useDesign Manufacture Recycling

Tool Manufacture

Assembly

Design

Usage

Recycling

Product

Dimensioning


Und die Realität? Im Werkzeugbau bündeln sich die Herausforderungen!

Herausforderung Demographischer Wandel

Quelle Bild: BMW

Herausforderung Technologietrends

Herausforderung Wirtschaftsdynamik

Herausforderung Diversifizierung

& kürzere Produktlebenszyklen

Werkzeug-bau


Steigende Variantenanzahl durch Derivatisierung führt zu erhöhten Anforderungen an Reifegrad sowie KostenstrukturDerivatisierung

Quelle: AWK 2011

1.150.000

Varianten-

anzahl

42

21

7

Fahrzeuge

gesamt

Modellvarianten – Audi (1994)

Modellvarianten – Audi (2015)

445.000

´15´97 ´00 ´03 ´06 ´09 ´12´94

Ø-Betriebsmittel-

kosten/ Modell


Die globalen Trends der Produktion müssen vom Werkzeugbau verstanden und adaptiert werden

Globale Trends der Produktion

Kunde

MaterialProdukte

NiedrigereKosten/ Teil

Die Werkzeugbaubetriebe sind ein wichtiger Partner internationaler Produktionsunternehmen

Zuver-lässige

Werkzeugee

NiedrigereWZ-Kosten

Höhere Material- effizienz

Werkzeuge

Höhere Werkzeug-komplexität

Lokale Produktion

Lokale Werkzeugbaubetriebe

Beeindruckende und individualisierte Produkte

Höhere Materialkosten

Kürzere Amortisations-dauer

Sinkende Margen

Zuverlässigkeit in Produkt und Prozess

Hohe Kunden- anforderungen

Kürzere Produkt- lebenszyklen Globalisierte Märkte Termintreue Höhere Rohstoffpreise


Der Werkzeugbau als Einzelkämpfer ist kein Zukunftsmodell4

Herausforderung Prozesskettengestaltung im Werkzeugbau3

Gestaltungsrahmen für die Industrialisierung in der Unikatfertigung2

Motivation: Der Werkzeugbau als Produktivitäts-

und Effizienzlieferant1

Agenda


Die gestiegenen Kundenanforderungen sowie der globale Wettbewerbsdruck erfordern ein Umdenken in der Branche!

Hohe Varianz durch Unikatfertigung

Funktionale Organisationsstrukturen

Lange Durchlaufzeiten, geringe Termintreue

„Der Werkzeugbau ist eine Edelmanufaktur, die mit jedem Werkzeug ein neues Kunstwerk an

handwerklicher Begabung erstellt“

Traditionelles Verständnis

Charakteristische Merkmale

Quelle: awf 2008, Bilder: Adval Tech (2008), Audi (2008)

Erforderliches Verständnis

„Die Industrialisierung der Traditionsbranche Werkzeugbau

ist nicht mehr aufzuhalten“

Standardisierung von Werkzeugen

Lean Production Prinzipien

Kurze Durchlaufzeiten mit hoher Termintreue

Charakteristische Merkmale


Die Basis für eine Industrialisierung der Fertigung bildet das Gestaltungsmodell für den industriellen Werkzeugbau

Prozessstandar- disierung

FließfertigungTaktung

Produktstandar-disierung

Wertschöpfungs- system für den

industriellen Werkzeugbau

Kooperation

Fokussierung

Mitarbeiter + Veränderung

Administration

Quelle: Klotzbach 2007, Aachen


Der Vertrieb im Werkzeugbau muss primär durch Impulse zur Verbesserung der Produkterzeugung bestehen

Nur durch eine integrative Funktion des Werkzeugbaus kann das Nutzenpotential neuer Technologien ausgeschöpft werden und der deutsche Werkzeugbau im globalen Wettbewerb bestehen

Produktion

Werkzeugbau

Produkt- entwicklung

Ziel: Herstellung der Serien-

tauglichkeit von neuen Technologien

Ideen und Dienstleistungsangebot zu:

Optimierung von Produktionsprozessen

Anforderungsgerechte Bauteilgestaltung

Identifizierung von Realisierungsoptionen

Einführung neuer Technologien

am Beispiel Elektromobilität Kundenwünsche,

Markttrends

✔

Quelle Bild: BMW

✔


Wo liegt die optimale Wertschöpfungstiefe im eigenen Unternehmen?

Eine langfristige erfolgreiche Wertschöpfungstiefe verbindet eine Konzentration auf die eigenen Kernkompetenzen mit einer Zusammenarbeit mit externen Fertigungspartnern

Quelle: Studie „Operative Exzellenz im Werkzeug- und Formenbau“ 2010

EIP

Top 10 68,5 %

2009 76,4 %

2008 76,6 %

2007 79,3 %

2006 79,5 %

2005 81,6 %

Verhältnis Eigenleistung zu Umsatz

?

Wertschöpfungstiefe Gegenüberstellung Werkzeugbau und Industrie

Werkzeug-

& Formenbau

Industrie

100 % 100 % Inhouse Outsourcing


Das Zukunftsmotto für den Werkzeugbau muss lauten: Unikat für den Kunden –

Standard für den Werkzeugbau

Quelle: Rathgeber; Bildquelle: Hasco

Die Standardisierung der Werkzeuge basiert auf einer detaillierten Analyse der Werkzeugstruktur und schafft die Grundlage für eine Verbesserung der internen Prozessabläufe und deren Produktivität







Agenda


Kennzeichnend für die Werkzeugbaufertigung sind meist komplexe und sich kreuzende Materialflüsse

Index GFG 250 II

VDF V 630


Böhringer VDF 250/315


Index GFG 450 II

Index GFG 450 I

Index GFG 250 I

VDF V 630

VDF V 630

Kopfdreh-maschine

Reparatur

Inde

x G

U 1

000

Traub

Digma HSC 800

Mikron HSN 700

Digma HSC 850

Huron MU4

Huron MU4


SX B523 Huron

PFH 12-1400 Heller

CNC Bettfräs-maschine PFU 3 Heller

Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.


Eine Analyse der Prozessketten im Werkzeugbau hilft Ineffizienzen aufzudecken und Standardflüsse zu schaffen

Reduktion der Prozessvielzahl und Konzentration auf Kernkompetenzen

Definition von Hauptfertigungsflüssen zur Prozessstandardisierung

Auswertung der bestehenden Fertigungsfolgenvarianz

56

130187

311354

502

FPK 6FPK 2 FPK 4FPK 3FPK 1 FPK 5

S E F B

S F E B

S E F B

FPK 1

FPK 4

Fluss-

linie 1

... ...

Σ

= 529 FPK


GU

100

0

Huron MU4

Huron MU4


Die Standardisierung der Prozessabläufe bildet die Basis für eine effiziente Werkzeugerstellung in Hochlohnstaaten

Die Standardisierung der Prozessabläufe bildet die Basis für eine effiziente Werkzeugerstellung in Hochlohnstaaten, die Königsdisziplin bildet eine Taktung der Fertigungsabläufe

1

2 2

1SX B523 Huron



Index GU 1000


Index GFG 250 II

Index GFG 450 I

Index GFG 450 II

PFH12-1400

Heller




Reparatur

DigmaHSC 800 Mikron

HSN 700

DigmaHSC 850

Index GFG 250 I

Kopf-dreh-maschine

VDF V 630

VDF V 630

VDF V 630Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.

1

1

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1SX B523 Huron



Index GU 1000


Index GFG 250 II

Index GFG 450 I

Index GFG 450 II

PFH12-1400

Heller




Reparatur

DigmaHSC 800 Mikron

HSN 700

DigmaHSC 850

Index GFG 250 I

Kopf-dreh-maschine

VDF V 630

VDF V 630

VDF V 630Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.

1

Konventionelle Werkstättenfertigung im Werkzeugbau

Erhöhung der Effizienz durch eine synchronisierte Fertigung

Index GFG 250 II

VDF V 630




Index GFG 450 II

Index GFG 450 I

Index GFG 250 I

VDF V 630

VDF V 630

Kopfdreh-maschine

Reparatur

Inde

x G

U 1

000

Traub

DigmaHSC 800

Mikron HSN 700

DigmaHSC 850

Huron MU4

Huron MU4


SX B523 Huron

PFH 12-1400 Heller

CNC Bettfräs-maschine PFU 3 Heller

Ra-Bo-Ma

Kal.-Pr.


Technologische MaßnahmenErweiterung technologischer Grenzen

– Hartbearbeitung (spanend)– HSC-Bearbeitung

„Intelligenter“ Technologieeinsatz– Fokus Prozessorientierung/ Durchlaufzeit– Einsatz neuartiger Technologien

Organisatorische MaßnahmenFremdvergabe von Fertigungs-prozessen und Bauteilen

Standardisierung der Werkzeugkomponenten

Standardisierung von Arbeitsplänen und Reduktion von Freiheitsgraden

Reduktion der Prozessvielzahl und Konzentration auf Kernkompetenzen als Grundlage effizienten Prozessmanagements

SägenSäge X

DrehenDrehm. X

FräsenFräsm. X

ErodierenEDM X

HärtenOfen X

SchleifenSchleifm. X

SägenSäge A

FräsenFräsm. A

HSC-FräsenFräsm. X

ErodierenEDM X Schleifen

SägenSäge X

FräsenFräsm. X

ErodierenEDM X

HärtenOfen X Schleifen

SägenSäge X

DrehenDrehm. X WEDM Härten

Ofen X Polieren

DrehenDrehm. X

FräsenFräsm. X

ErodierenEDM X Härten

1

2

3

4

5

n SägenSäge X

DrehenDrehm. X

FräsenFräsm. X

ErodierenEDM X

HärtenOfen X Hartfräsen

……


Beispiel: Erweiterung technologischer Grenzen Schruppfräsbearbeitung: Bearbeitungsbeispiel Tiefziehwerkzeug

Material

Pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl S6-5-3PM

Härte 65 HRCAnforderungen

Oberflächenrauheit Ra 0,3 µm

Minimaler Innenradius 1 mmProzess

Kompletthartbearbeitung

Simultan fünfachsige Schrupp- und Schlichtbearbeitung

Vollhartmetall- und CBN- Werkzeuge

Vollhydrostatische Fünfachs- Fräsmaschine

Bearbeitungszeit: Schruppen 6h, Schlichten 5h

Komplettbearbeitung durch Fräsen ermöglicht standardisierte Rohlinge und verkürzte Prozessketten


Beispiel: Erweiterung technologischer Grenzen Schruppfräsbearbeitung: Strategie im Detail

Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Schneidenlänge im Umfangsschnitt

»Morphing«-Strategie zur gleichmäßigen Verteilung der Bahnen zwischen runder Startlochbohrung und viereckiger Tasche

Gleichzeitig simultane Anpassung des Neigungswinkels zwischen 0° (Startlochbohrung) und ca. 5° (Tascheninnenseite)

Optimale Belastung des Fräswerkzeugs

Keine Stufenbildung nach dem Schruppen

Nahezu vollständige Substitution des Vorschlichtens


„Intelligenter“

Technologieeinsatz Der Laser als flexibles Produktionsmittel

Prozesstechnologische Vorteile

Geringer Energieeintrag ins Bauteil– Geringer Verzug

Flexible lokale Oberflächenbehandlung von Bauteilen

Gute Automatisierung und Integration in Anlagensysteme

Bearbeitung filigraner Geometrien

Lokale Verbesserung der Werkstoff-eigenschaften und Oberflächen-beschaffenheit bei komplexenGeometrien in der Einzel- oder

Kleinstserienfertigung desWerkzeugbaus

Laserst rahl

Grundwerkstof f

Wärmeeinf lusszone

LegierterBereich

PulverInertgas Pulver

Inertgas

Koaxiale Pulverdüse

Laseropt ik Laserschutzglas

Laserst rahl

Grundwerkstof f

Wärmeeinf lusszone

LegierterBereich

PulverInertgas Pulver

Inertgas

Koaxiale Pulverdüse

Laseropt ik Laserschutzglas

Opt ik

Wire

Schutzgas

Wärmeeinf lusszone

Cross-jet

SchweißzoneSchmelzbad

Schutzgas

Prozesspart ikel

Schutzglas

LuftstromNozzle

Grundwerkstof f

Laserstrahl

Schweißnaht

Draht fördereinehit

Opt ik

Wire

Schutzgas

Wärmeeinf lusszone

Cross-jet

SchweißzoneSchmelzbad

Schutzgas

Prozesspart ikel

Schutzglas

LuftstromNozzle

Grundwerkstof f

Laserstrahl

Schweißnaht

Draht fördereinehit

Laserlegieren Laserauftragschweißen

Grundwerkstoff Grundwerkstoff

Laserlegierte Zone Beschichtung


Verschleißschutz und Reparatur »Komplexe Geometrien«: Anlagentechnik und CAM-System

Integration sämtlicher Komponenten in eine fünfachsige, präzise Werkzeug- maschine

Robuste, umhauste Anlage mit Absaugung

Nutzung sämtlicher Steuerungs- funktionalitäten und Einbindung der Laserfunktionen im Interpolationstakt

Vollständig CAM-integrierte Bahnplanung und Prozessparametrierung

Simulation, Analyse und Optimierung von Bearbeitungsweg und Materialauftrag

Modulaufbau garantiert Übertragbarkeit auf branchenübliche CAM-Systeme

Simulation der Maschinenkinematik

zur Kollisionsüberwachung von Bauteil und Maschine







Agenda


p p j Technologieorientierte CAM-Module, Beispiel Laserauftragschweißen

»Werkzeug«

Werkstück

Rohmaterial

Werkzeugbahn

Seite 26© Werkzeugbau Akademie

Demonstrationswerkzeugbau

Die Aachener Werkzeugbau Akademie bietet Forschung, Beratung und Weiterbildung mit einem einzigartigen Demonstrationswerkzeugbau

WeiterbildungIndustrieberatungForschung

Forschung zu Basiskompe- tenzen und Zukunftsfeldern der Branche Werkzeugbau

Systematische und abge- stimmte Vorhaben nach einer Forschungsroadmap

Modulares Weiterbildungs- angebot für Nicht-Akade- miker und Akademiker

Hochkarätige Referenten aus Industrie und Wissenschaft

Bilaterale Projekte zu technologischen und organisatorischen Themen

Gemeinsame Konzept- erstellung und Umsetzung von Projekten

Aachener Werkzeugbau Akademie

Abbildung der gesamten Prozesskette zur Werkzeugfertigung

Seite 27© Werkzeugbau Akademie

Die Partner der Aachener Werkzeugbau AkademiePremium Partner

Business Partner

Partner

Kooperations-partner


Excellence in Production 2013 –

Werkzeugbau des Jahres

Zum 10. Mal findet der Wettbewerb Excellence in Production „Werkzeugbau des Jahres“

statt

Nehmen auch Sie teil und überprüfen Ihre Wettbewerbsfähigkeit

Der Wettbewerb ist kostenlos

– Jeder Teilnehmer erhält ein individuelles Feedback über Stärken und Verbesserungspotenziale im Vergleich zum Teilnehmerfeld

Einsendeschluss für den Fragebogen ist der 5. April 2013

Veranstalter des EiP 2013 Partner des EiP 2013

Weitere Informationen und unverbindliche Registrierung unter www.excellence-in-production.de

© WZL/Fraunhofer IPT

Der Werkzeugbau im Wandel Industrielle Prozessketten für höchste Kundenzufriedenheit

Kristian Arntz Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachener Werkzeugbau-Akademie GmbH

Cimatron Anwendertreffen24. Januar 2013, Fulda

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Ihr Kontakt zum Fraunhofer IPT

Dipl.-Ing. Kristian Arntz

Abteilungsleiter LasermaterialbearbeitungLeiter Geschäftsfeld WerkzeugbauFraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTSteinbachstraße 1752074 Aachen

Tel.: + 49 241 8904 121Fax: + 49 241 8904 6121 Mail: [email protected]

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