Diss YQ Druckversion 12 02 2016 OM - RWTH Publications

ISBN 978-3-944601-08-3 (E-Book)

Entwicklung einer Methodik zur Modularisierung von

Druckgusswerkzeugen

Yann Queudeville

Band 19

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Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung

Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. A. Bührig-Polaczek

„Entwicklung einer Methodik zur Modularisierung von Druckgusswerkzeugen“

VonderFakultätfürGeoressourcenundMaterialtechnik

derRheinisch‐WestfälischenTechnischenHochschuleAachen

zurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderIngenieurwissenschaften

genehmigteDissertationvorgelegtvonDipl.‐Ing.

YannQueudeville

ausLuxemburg

Berichter: Univ.‐Prof.Dr.‐Ing.AndreasBührig‐Polaczek Univ.‐Prof.Dr.‐Ing.JörgFeldhusen

TagdermündlichenPrüfung:10.Juli2015DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlinever‐fügbar.

Publikationsserver

Universitätsbibliothek

RWTH Aachen University

Templergraben 61

52062 Aachen

www.ub.rwth-aachen.de

Titel: Entwicklung einer Methodik zur Modularisierung von Druckgusswerkzeugen

Autor: Yann Queudeville

Reihe: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung, Band 19 (2015) Gießerei-Institut der RWTH Aachen Intzestr. 5 D-52072 AachenTel.: +49 (0)241 8095880Fax.: +49 (0)241 8092276E-Mail: [email protected]://www.gi.rwth-aachen.de

ISBN: 978-3-944601-08-3 (E-Book)

Volltext verfügbar: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-071484

Dieses Werk bzw. Inhalt steht unter einer Creative Commons Namensnennung-Keine Bearbeitung 3.0 Unported Lizenz (Creative Commons — Attribution-NoDerivs 3.0 Un-ported — CC BY-ND 3.0)

http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/

http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/

urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-071484

DanksagungDieArbeit entstandwährendmeinerTätigkeit alswissenschaftlicherMitarbeiterdesGießerei‐InstitutsderRWTHAachenundwurdeimRahmendesExzellenzclus‐ters„IntegrativeProduktionstechnologiefürHochlohnländer“derDeutschenFor‐schungsgesellschaftDFGgefördert.HerrnProf.Dr.‐Ing.Bührig‐PolaczekgiltmeinDankfürdieBetreuungmeinerAr‐beitunddaswährendmeinerZeitalswissenschaftlicherMitarbeiterentgegenge‐brachteVertrauenunddiemirgewährtenFreiheiten.BeiHerrnProf.Dr.‐Ing.JörgFeldhusenbedankeichmichfürdieInteresseanmei‐nerArbeitunddieÜbernahmedesKorreferats.DesWeiterengiltmeinDankallenMitarbeiterndesGießerei‐Instituts,ohnederenUnterstützung die Erstellungmeiner Arbeit nichtmöglich gewesenwäre. Insbe‐sonderemöchteichallmeinenKollegenderDauerformgussgruppedankensowieganzbesondersmeinenlangjährigenBürokollegenTodorIvanovundMatthiasJa‐kob.Außerdem danke ich meinen Freunden Andrea, Anne, David, Frank, Malte, OlafundPaulefürdasKorrekturlesenmeinerArbeit.MeinenEltern,meinerSchwesterundderOlga‐WG,möchteichvonHerzenfürUn‐terstützung,AufmunterungundAblenkungdanken.BeimeinerFreundinElisabethwillichmichfürdiemirentgegengebrachteGeduldinsbesondereindenletztenMonatenderArbeitbedanken.Stuttgart,13.Dezember2015YannQueudeville

Inhaltsverzeichnis

0. Kurzfassung ............................................................................................................... I

0.1. Einleitung und Motivation ................................................................................. I

0.2. Technologische Analyse bisheriger Druckgusswerkzeuge ............................... III

0.2.1. Theoretische Analyse von Druckgusswerkzeugen.................................... III

0.2.2. Schnittstellen zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten ..................... IV

0.2.3. Abhängigkeiten zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten ................. IV

0.2.4. Wirtschaftliche Analyse von Druckgusswerkzeugen ................................. V

0.2.5. Statistische Analyse von Druckgusswerkzeugen ...................................... VI

0.2.6. Anforderungen an modulare Druckgusswerkzeuge ................................ VII

0.3. Technologische und wirtschaftliche Grenzen der Modularisierung .............. VIII

0.3.1. Untersuchungen zur Formfüllung .......................................................... VIII

0.3.2. Untersuchungen zur Temperierung ......................................................... IX

0.3.3. Untersuchungen zur Festigkeit ................................................................ IX

0.3.4. Abschätzung der Kosten modularer Druckgusswerkzeuge ....................... X

0.4. Vorstellung der Methodik ............................................................................... XI

0.4.1. Initiierungsphase ..................................................................................... XII

0.4.2. Analysephase ......................................................................................... XIII

0.4.3. Gestaltungsphase ................................................................................... XIII

0.5. Zusammenfassung und Ausblick ................................................................... XIII

1. Einleitung ................................................................................................................. 1

1.1. Ausgangssituation und Problemstellung .......................................................... 2

1.2. Zielstellung ....................................................................................................... 3

2. Grundlagen und Stand der Technik .......................................................................... 6

2.1. Konstruktionslehre ........................................................................................... 6

2.1.1. Konstruktionsprozesse .............................................................................. 6

2.1.2. Funktionsanalyse ...................................................................................... 8

2.1.3. Gestaltungsgrundregeln ............................................................................ 9

2.1.4. Gestaltungsprinzipien ............................................................................. 12

2.1.5. Modularisierung allgemein ..................................................................... 14

2.1.6. Modularisierung im Werkzeugbau .......................................................... 18

2.2. Methoden im Entwicklungsprozess ................................................................ 20

2.2.1. ABC‐Analyse ............................................................................................ 21

2.2.2. Beschreibung und Darstellung von Abhängigkeiten ............................... 22

2.2.3. Abschätzung von Kosten ......................................................................... 24

2.3. Das Druckgussverfahren ................................................................................. 27

2.3.1. Prinzipieller Aufbau eines Druckgusswerkzeuges ................................... 29

2.3.2. Dimensionierung des Gießsystems ......................................................... 30

2.3.3. Dimensionierung des Temperiersystems ................................................ 42

2.3.4. Definition der Hauptparameter des Druckgussverfahrens ..................... 51

2.3.5. Bisherige Konstruktion und Fertigung von Druckgusswerkzeugen ......... 57

2.3.6. Bisherige Modularisierungsansätze bei Druckgusswerkzeugen .............. 58

3. Ableitung des Forschungsziels................................................................................ 61

3.1. Grundhypothese I ........................................................................................... 62

3.2. Grundhypothese II .......................................................................................... 62

3.3. Grundhypothese III ......................................................................................... 62

4. Analyse bisheriger Druckgusswerkzeuge ............................................................... 63

4.1. Theoretische Analyse von Druckgusswerkzeugen .......................................... 64

4.1.1. Produktarchitektur von Druckgusswerkzeugen ...................................... 64

4.1.2. Schnittstellen zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten .................... 67

4.1.3. Abhängigkeiten zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten ................ 70

4.1.4. Unterteilung der Modulkategorien ......................................................... 74

4.1.5. Werkzeugtypisierung .............................................................................. 75

4.1.6. Analyse des bisherigen DGWKZ‐Designs ................................................. 78

4.2. Wirtschaftliche Analyse von Druckgusswerkzeugen ...................................... 85

4.3. Statistische Analyse von Druckgusswerkzeugen ............................................ 87

4.4. Anforderungen an modulare Druckgusswerkzeuge ....................................... 94

5. Technologische und wirtschaftliche Grenzen der Modularisierung ..................... 100

5.1. Untersuchungen zur Formfüllung ................................................................ 102

5.2. Untersuchungen zur Temperierung ............................................................. 120

5.3. Untersuchungen zur Festigkeit ..................................................................... 128

5.4. Abschätzung der Kosten modularer Druckgusswerkzeuge .......................... 136

6. Vorstellung der Methodik .................................................................................... 144

6.1. Initiierungsphase .......................................................................................... 145

6.2. Analysephase ............................................................................................... 148

6.3. Gestaltungsphase ......................................................................................... 149

6.4. Vorgehen bei der Entwicklung eines neuen DGWKZ .................................... 151

7. Kritische Reflexion ................................................................................................ 153

8. Zusammenfassung und Ausblick .......................................................................... 154

9. Abkürzungsverzeichnis ......................................................................................... 156

10. Literaturverzeichnis .............................................................................................. 157

11. Lebenslauf ............................................................................................................ 163

12. Wissenschaftliche Veröffentlichungen ................................................................. 164

Kurzfassung

I

0. Kurzfassung

0.1. Einleitung und Motivation

DerSchwerpunktdieserArbeitliegtaufdemMassenherstellungsverfahrenDruck‐gießen. Hohe Investitionen in Anlagentechnik, Werkzeugkonstruktion und ‐fertigungmachendieseVerfahrenzurzeitnurfürgrößereStückzahlenwirtschaft‐lich.DurchVereinfachendersowohlzeit‐alsauchkostenintensivenKonstruktionundFertigungvonDruckgusswerkzeugen(DGWKZ)kanneineschnelleUmsetzungvon Produktvarianten ermöglicht werden. Hier stellt die Modularisierung desWerkzeugseinzentralesKonzeptzur IndividualisierungderProduktedar.Platt‐form‐undmodulare Strategien, die in derAutomobilindustrie erfolgreich einge‐setztwerden,könnennichtohnetiefgreifendeÄnderungenaufdieWerkzeugher‐stellungübertragenwerden. InderAutomobilindustrie liegtderSchwerpunktei‐nerModularisierung in der Reduzierung derKosten bei gleichzeitiger Erhöhungder Produktdifferenzierung (1). Hierbei wird eine hohe Diversifizierung augen‐scheinlicherBauteilewieKarosserie und Interieur angestrebt,währendwenigersichtbareBauteile,wiedergesamteAntriebsstrangstandardisiertwerden.ImWerkzeugbausindandereAnforderungenwesentlicher.Produkteigenschaf‐

ten wie hohe Flexibilität, guteWartbarkeit, geringe Rüstzeiten, niedrige KostenundeineschnelleEntwicklungderWerkzeugesindhierdieHaupttreiberfüreineModularisierung.Modularisierung imWerkzeugbaukannambestenals einZiel‐konflikt zwischenKostenreduzierung und Erhöhung der Flexibilität beschriebenwerden.EinmodularerAufbaubeiWerkzeugenkann zuhohenKommunalitätenvon verschiedenen Werkzeugkomponenten führen. Mehrere Studien haben ge‐zeigt, dass eine Erhöhung der Kommunalitäten, wie das Wiederverwenden vonKomponenten,dienichtneuentwickeltwerdenmüssen,zueinerReduzierungdesEntwicklungsaufwandsführenkann.InvestitionenineineverbesserteWerkzeug‐gestaltungkönnendaherzuniedrigerenProduktionskostenführen(1).DieindieserArbeitentwickelteMethodiksolleinsystematischesVorgehenzur

KonzeptionvonmodularaufgebautenWerkzeugenermöglichen,mitdenenindivi‐duellen Kundenwünschen Rechnung getragen werden kann. Mithilfe dieser Me‐thodikwirdderKonstrukteurineinerkonzeptionellgeschlossenenWeisebeiderEntwicklungmodularer Druckgusswerkzeuge unterstützt. Um dieMethodik auf‐zubauenwerden als erstes Gusswerkzeuge hinsichtlich ihrer Funktionsstruktur,Schnittstellen und Abhängigkeiten zwischen ihren Komponenten untersucht. ImAnschlusswirduntersucht,welcheWerkzeugkomponenteneinehohewirtschaftli‐cheRollespielen.IndustrielleDruckgusswerkzeugewerdenstatistischanalysiert.

Kurzfassung

II

GemeinsammitPartnernausder IndustriewerdenAnforderungen fürmodulareDruckgusswerkzeuge erarbeitet. Eswird untersucht, bis zuwelchemGradGieß‐sowie Temperiersysteme standardisiert werden können. Stark belastete Werk‐zeugkomponentenwerden einer Festigkeitsberechnung unterzogen. Eswird einKostenmodell entwickelt, um eine Abschätzung der optimalen Anzahl und Grö‐ßenstufung von Modulen für ein vorhandenes oder gewünschtes Produktpro‐grammzuermitteln.Aus diesen Untersuchungen werden Beschreibungsmodelle entwickelt sowie

Abhängigkeiten undwichtigeBeziehungen qualifiziert undquantifiziert. Aufbau‐endaufdiesenErkenntnissenundMethodenwirdeineMethodikzurModularisie‐rungvonDruckgusswerkzeugenaufgestellt.Basisder folgendenUntersuchungensind die industriell am häufigsten verwendeten Druckgusswerkzeuge mit zweiFormhälften,wieinAbbildung0‐1dargestellt.

Abbildung0‐1:AufbauDruckgusswerkzeug

Kurzfassung

III

0.2. Technologische Analyse bisheriger Druckgusswerkzeuge

0.2.1. Theoretische Analyse von Druckgusswerkzeugen

In einem ersten Schritt wird die Funktionsstruktur von Druckgusswerkzeugenermittelt.HierbeiwerdenalleHaupt‐undNebenfunktioneneinesDruckgusswerk‐zeugs,inklusiveallerStoff‐sowieEnergieflüsse,beschrieben(Abbildung0‐2).Die Funktionsstruktur ist lösungsneutral und somit auf alle gängigen Druck‐

gusswerkzeuge übertragbar. Nach der Funktionsstruktur kann eine Komponen‐tenstruktur für das WKZ aufgebaut werden. Hierbei werden alle KomponenteneinesDGWKZzusammengetragen.DiegeometrischeFormdesGussteilssowiedieGrößedesWerkzeugeshabenkeinenEinfluss aufdieKomponentenstruktur.DieProduktarchitekturvariiertmitderselbenAnzahlanMöglichkeitenwiedieKom‐ponentenstruktur.

Abbildung0‐2:FunktionsstruktureinesDGWKZ

Kurzfassung

IV

0.2.2. Schnittstellen zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten

Nach Analyse von 28 unterschiedlichen Druckgusswerkzeugen werden siebenSchnittstellenidentifiziert:1. Befestigungsschnittstelle: Diese Schnittstelle beschreibt, dass eine Befesti‐

gungzwischenzweiKomponentenrealisiertwird.2. Funktionsschnittstelle:DieseSchnittstellebeschreibteineFührungsaufgabe,

imAllgemeineneinerelativeBewegungzwischenzweiKomponenten.3. Kontur Gussteil: Diese Schnittstelle beschreibt das geometrische Abformen

desGussteils.4. Kontaktfläche:DieseSchnittstellebeschreibt,obundinwievielenRaumrich‐

tungenzweiKomponenteninKontaktstehen.5. Wärmefluss:DieseSchnittstellebeschreibt,obeinWärmeflusszwischenzwei

Komponentenbesteht.6. Kraftfluss:DieseSchnittstellebeschreibteinenKraftfluss,derübereineKon‐

taktflächevonzweiBauteilenübertragenwird.7. Durchgang:DieseSchnittstellebeschreibteinenberührungslosenDurchgang

voneinerKomponentedurchdieandere.Alle beschriebenen Schnittstellen treten meist in Kombination zwischen zwei

Werkzeugkomponentenauf.AnhandderAnzahlderSchnittstellensowiederAn‐zahlanwirkendenKräftensowieKontaktflächenistesmöglich,Rückschlüsseaufden Grad der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Komponentenpaaren zutreffen.

0.2.3. Abhängigkeiten zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten

DieQuantifizierungdervorherbestimmtenAbhängigkeitenrichtetsichnachderMethode des Quality‐Function‐Deployment (QFD). Zur Veranschaulichung vonAbhängigkeitenzwischendenDruckgusswerkzeugkomponentenwirdeineGegen‐überstellungderPassiv‐undAktivsummeneinzelnerKomponentenineinemSys‐temgridgewählt(sieheAbbildung0‐3).NachLindemannexistierenverschiedeneBereicheimSystemgrid,dieeineAussageüberdasModularisierungspotentialderbetrachtetenElementezulassen(2).TrägeElementezeichnensichdurchgeringeAktiv‐undPassivsummenausund

sind demzufolge leichtmodularisierbar. Im Gegensatz dazu haben kritische Ele‐mentehoheAktiv‐undPassivsummen,wodurchsienurschwerzumodularisierensind. EineAuswahl vonWerkzeugkomponentenmit hohemModularisierungspo‐tential(trägeElemente)istsomitmöglich.DadieGrenzenderBereicheinderSys‐temgrid‐Darstellung flexibel sind, kann es grundsätzlich sein, dass auch aktive,

Kurzfassung

V

passive oder kritische Elemente ein gewissesModularisierungspotential aufwei‐sen.

Abbildung0‐3:SystemgrideinesDGWKZ

Des Weiteren werden unterschiedliche Modulkategorien definiert und Werk‐zeugtypen bestimmt. Die Konstruktion von Druckgusswerkzeugen wirdmithilfevonGestaltungsprinzipienerklärtundneuePrinziplösungenentwickelt.

0.2.4. Wirtschaftliche Analyse von Druckgusswerkzeugen

ImFolgendenwerdenaktuelleDruckgusswerkzeugeeinerABC‐Analyseunterzo‐gen. In Abbildung 0‐4 ist zu erkennen, dass die teuersten Komponenten desDruckgusswerkzeugsdiebeidenFormrahmenunddieEinsätzesind.DiesevierKomponentensorgenfür85%derGesamtwerkzeugkosten.Diesliegt

zumeineninderaufwändigenFertigungsowiederMaterialmengeunddemEnt‐wicklungsaufwandbegründet.BedingtdurchihrezentraleRolle,sowohltechnischals auchwirtschaftlich,muss eineModularisierungmit diesenKomponentenbe‐ginnen.

Einsatz

Amboss

Temp.‐ Komp.

Auswerferstifte

Rückstoßbolzen

Auswerferplatten

Auswerferführung

FormrahmenDistanzleistenDistanzbolzen

Aufspannplatte

Formführungen

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Aktiv

summe [/]

Passivsumme [/]

Kurzfassung

VI

Abbildung0‐4:GesamtkosteneinesDGWKZ

0.2.5. Statistische Analyse von Druckgusswerkzeugen

Die statistische Analyse vorhandener Druckgusswerkzeuge zeigt, dass es insbe‐sonderebeidenFormrahmenbereitsdiskreteAusprägungengibt(vgl.Abbildung0‐5).Diesesind unabhängigvomWerkzeugtyp. ImDetailunterscheidensichdieFormrahmen.BeiWerkzeugtypenmitSchiebernmüssenAussparungenundBefes‐tigungsschnittstellen für Schieberführungen eingebrachtwerden. Trotzdem kön‐nen einige Parameter wie Außenmaße und Größenabstufungen über dieWerk‐zeugtypenhinwegfestgelegtwerden.Für einigeParameterwiedieFormrahmenhöhekönnen zusätzlichFestigkeits‐

berechnungendurchgeführtwerden.DiesbirgtdasPotential,dentechnologischenGeltungsbereichzuvergrößern.DieAufmaßezwischendenWerkzeugkomponen‐tensolltensokleinwietechnologischmöglichrealisiertwerden.Diessorgtfürei‐neVerringerungderMaterial‐sowieFertigungskosten.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Form

einsatz (fest)

Form

einsatz (be

w.)

Form

rahm

en (b

ew.)

Form

rahm

en (fest)

Grun

dplatte (AWP)

Gegenp

latte (AWP)

Spannp

latte (bew

.)

Führun

gsbo

lzen (fe

st)

Distanzle

iste (bew

)

Führun

gsbu

chse (b

ew.)

Distanzrolle (b

ew.)

Führun

gsbu

chse (A

WP)

Plattenverbind

ung (AWP)

Ausw

erferfüh

rung

(AWP)

Schraube

(M20x170

) (be

w.)

Abstandshalte

r (AW

P)

Schraube

(M12x90) (b

ew.)

Schraube

(M12x90) (fest)

Schraube

(M10x140

) (AW

P)

Schraube

(M6x16

) (AW

P)

Schraube

(M12x35) (b

ew.)

Schraube

(M12x30) (A

WP.)

Kurzfassung

VII

Abbildung0‐5:PaarweiserVergleichEinsatz–Formrahmeninz‐Richtung

0.2.6. Anforderungen an modulare Druckgusswerkzeuge

InZusammenarbeitmitIndustriepartnernwurdenHauptanforderungenanmodu‐lareDruckgusswerkzeugeerarbeitet:

‐ Schnellere und genauere Angebotserstellung (Berechnung von Kostensze‐narienfürkonventionelleundmodulareWerkzeuge),

‐ ReduzierungderKonstruktionszeitundFehlervermeidunginderKonstruk‐tiondurchEinsatzvonbewährtenModulen,

‐ AnalyseundTypologisierungvonGussteilenundDruckgusswerkzeugen,‐ ErarbeitungvonKonstruktionsrichtlinienfürstandardisierteundmodulare

Werkzeuge,‐ ErarbeitungvonkonstruktivenLösungenfürPrototypenwerkzeuge,‐ Analyse und Optimierung des Rüstablaufs (Erarbeitung rüstgerechter

Werkzeuge),‐ Erarbeitung konstruktiver Lösungen zum Wechseln von Verschleißteilen

aufderMaschine.In diesem Kapitel werden eine Produktarchitektur und die Schnittstellen von

DruckgusswerkzeugennachdemheutigenStandderTechnikbeschrieben.Abhän‐gigkeitenzwischendenWerkzeugkomponentenwerdenbewertetundstrukturiert

100

125

150

175

200

225

250

275

300

50 75 100 125 150 175

Form

rahm

en z [m

m]

Einsatz z [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+60

Kurzfassung

VIII

dargestellt. Mit Kooperationspartnern aus der Industrie wurden AnforderungenaneineModularisierungvonDruckgusswerkzeugengesammeltundbewertet.ImnächstenKapitelwerdendietechnologischenundwirtschaftlichenMöglich‐

keitenundGrenzeneinerModularisierungerschlossenundkonkreteAuslegungs‐regelnfürModuleentwickelt.0.3. Technologische und wirtschaftliche Grenzen der Modularisierung

0.3.1. Untersuchungen zur Formfüllung

DiefürdiesenAbschnittdurchgeführtenUntersuchungenweisendaraufhin,dassdie Möglichkeit einer Standardisierung von Angusssystemen im Druckguss be‐steht.DiePositionundGestaltdesAnschnittswirdsehrstarkvonderGeometriedes Gussteils geprägt (vgl. Abbildung 0‐6). Anhand der Simulationsergebnissewurde festgestellt, dass sich der Gießlauf in Grenzen standardisieren lässt. DerPressrestbzw.derAmboss,sowiedieGießkammersamtKolbenkönnensehrein‐fachstandardisiertwerden.HierreicheninderRegeldreiAusführungenfüreineDruckgussanlageaus.

Abbildung0‐6:VisualisierungderFormfüllungmittelsTracer‐PartikelfürBauteilB3(SimulationNr.50:G3,Va‐30m/s,UMP.‐FP)

Kurzfassung

IX

0.3.2. Untersuchungen zur Temperierung

Um Rüstzeiten zu verkürzen, sollte auf eine gezielte Isolierung zwischen denFormgebendenWerkzeugkomponenten und den übrigenKomponenten geachtetwerden (vgl. Abbildung 0‐7). Die Temperierung kann über einfache Formeln inAbhängigkeit der während eines Zyklus eingebrachten Wärmemenge durch dieSchmelze bestimmt werden. Es sollte für die Temperierungsbohrungen einDurchmesserstandard gewählt werden. Dieser sollte möglichst klein sein, abergleichzeitigsogroß,dassdermaximalePumpendruckimmerhöheralsderimKa‐nalwirkendeGegendruckist.DieLängederTemperierkanälesollaufdieGeomet‐rie des Gussteils angepasst werden. Über das Einstellen der VorlauftemperaturwährenddesProduktionszykluskanndievomTemperiersystemabgeführteWär‐memengeguteingestelltwerden.

Abbildung0‐7:SchnittDGWKZohneundmitIsolierungnachderAufheizphase

0.3.3. Untersuchungen zur Festigkeit

DieFormrahmenhöhesowiedieDickederDistanzbolzensindinersterLinievonder Schließkraft der für dasDruckgusswerkzeug vorgesehenenDruckgussanlageabhängig. Hierzu könnenminimale Anforderungen in Abhängigkeit der Schließ‐kraftdefiniertwerden.SomitkannfürjedeDruckgussanlageeineminimaleForm‐rahmenhöhebestimmtwerden.Abbildung0‐8zeigtunterschiedlicheAuslegungs‐

Kurzfassung

X

ansätze in Abhängigkeit des Längen‐ zuBreitenverhältnis von Formrahmen.DieDurchmesserderDistanzbolzenkönnenüberdiegewünschteAnzahlundderaus‐gewählteDruckgussanlageausgelegtwerden.SoweitesdieGeometriederGusstei‐lezulässt,solltedieAuswahleinereinzelnenAuswerferdickeangestrebtwerden,diezuderFormrahmenhöhedesDruckgusswerkzeugspasst.MüssenausGründender Gussteilgeometrie kleinere Auswerferdurchmesser verwendet werden, sinddiesedurchabgesetzteAuswerferzuersetzen.

Abbildung0‐8:MinimaleFormrahmenhöhefürunterschiedlichel/b‐Verhältnisse

0.3.4. Abschätzung der Kosten modularer Druckgusswerkzeuge

Für die Kostenabschätzung unterschiedlicher Modulvariationen von Druckguss‐werkzeugenwirdeinKostenmodellentwickelt.DieGesamtkostenKGESsetzensichausderSummederMaterialkostenKM,FertigungskostenKFundEntwicklungskos‐tenKEfürjedeKomponenteizusammen.

, , ,

FüralleerwähntenKostenartenwerdenFormelndefiniert,dieeineVorhersagedermöglichenKostenersparnissefürverschiedeneModul‐Kombinationenermög‐lichen(vgl.Abbildung0‐9).DasModellistsehrvomErfahrungswissendesBedie‐

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

minim

ale Formrahm

enhö

he [m

m]

l/b Verhältnis [/]

Dubbel

Nogowizin

Nogowizin mitDistanzbolzen

AD‐Merkblatt B5

Kurzfassung

XI

nersabhängig.AussagekräftigeErgebnissekönnennurmitsinnvollenAnnahmenerzieltwerden.DasModellkannbenutztwerden,umeinegrobeAbschätzungderoptimalenAnzahlundGrößenstufungvonModulenfüreinvorhandenesoderge‐wünschtes Produktprogramm zu ermitteln. Die aus demBerechnungsmodell er‐mitteltenAbmaßekönnenfürdiezuentwickelndenModuleübernommenwerden.ImAnschlusskönnendieModulausprägungenbiszudenKonstruktionselementen,diedirektvomGussteilabhängigsind,auskonstruiertwerden.MussfüreinneuesGussteileinDruckgusswerkzeugkonstruiertwerden,kannaufdiemodulareBau‐gruppezugegriffenwerden.

Abbildung0‐9:KosteneinsparungenfürverschiedeneModulausprägungen

0.4. Vorstellung der Methodik

UmeineganzheitlicheBetrachtung zurModularisierungvonDruckgusswerkzeu‐genzugewährleisten,mussdieMethodikfolgendeFragenbeantworten:

‐ WelcheWerkzeugkomponentenmüssenindividuellbleiben?‐ WelcheWerkzeugkomponenten können standardisiert/modularisiertwer‐

den?‐ WievieleVarianteneinerWerkzeugkomponentesindsinnvoll?Die entwickeltedreistufigeMethodikkanndieseFragenbeantworten (vgl.Ab‐

bildung0‐10).

‐20

‐15

‐10

‐5

0

5

10

15

Einsatz

relativ

e Ko

sten

einsparung

[%]

Formrahmen

Kurzfassung

XII

0.4.1. Initiierungsphase

In der ersten Phase ist das Potential derWerkzeugmodularisierung in einerGe‐genüberstellungvonIst‐ZustandundpotenziellemZustandnacheinerWerkzeug‐modularisierungabzuschätzen.WassinddiefüreineerfolgreicheModularisierungrelevanten Unternehmensrandbedingungen? Welcher vorhandene WerkzeugtypeignetsichambestenfüreineModularisierung?AnwelchenStellenderAuftrags‐abwicklungkönnteZeitundGeldeingespartwerden?AmEndederInitiierungsphaseistklar,welcherWerkzeugtypeinerModularisie‐

rungunterzogenwerdensollundwelcheAnforderungenandiemodularenDruck‐gusswerkzeugegestelltwerden.

Abbildung 0‐10:Übergeordnete Struktur derMethodik zurModularisierung vonDruckgusswerkzeugen

Kurzfassung

XIII

0.4.2. Analysephase

InderAnalysephasewerdenFunktionen,SchnittstellenundAbhängigkeitenzwi‐schen den Komponenten und den entsprechenden Druckgussbauteilen definiertundbewertet.MitdiesenInformationenwirdinderAbhängigkeitsanalysedasSys‐temgrid aufgebaut.Mithilfe dieserGegenüberstellung der Passiv‐ undAktivsum‐menalleruntersuchtenWerkzeugkomponentenlassensichdieKomponentenfest‐legen,dieambestenfüreineModularisierunggeeignetsind.AmEndederAnalysephaseistklar,zuwelchemGradsichdiejeweiligenWerk‐

zeugkomponentenmodularisierenlassen.

0.4.3. Gestaltungsphase

InderModuldefinitionwerdenunterBerücksichtigung technologischerundöko‐nomischer Kriterien Bandbreiten, respektive diskrete Ausprägungen einzelnerParameter,bestimmt.HiermitwirddieAnzahlundGestaltungderdiskretenVari‐antendesneugeschaffenenModulsbestimmt.MitdiesemWissenwerdenBaurei‐henentwickeltundSchnittstellenzwischendenKomponentenkonstruiert.IndemSchrittderModulgestaltungwirdjedesModulbisaufseineindividuellenMerkma‐le auskonstruiert. Die hierbei definierten Schnittstellenwerden an die nächstenKomponentenvererbt.AmEndederGestaltungsphasesinddieWerkzeugkomponentenbisaufdieindi‐

viduellenMerkmaleausgestaltet.0.5. Zusammenfassung und Ausblick

EswirdeinVorgehenzurModularisierungvonDruckgusswerkzeugenaufgezeigt.DieGrundstruktur derMethodik ist prinzipiell für konstruktiveProbleme geeig‐net,beidenendieRandbedingungensowieFunktionendeszuentwickelndenPro‐duktsklardefiniertwerdenkönnen,esabereinehoheZahlvonVariationeninsbe‐sonderegeometrischerNaturgibt.DurcheinstandardisiertesundstrukturiertesVorgehen,sowiedasZurückgrei‐

fen auf bewährte Modullösungen kann der Entwicklungsprozess von neuenDruckgusswerkzeugen verbessert werden. Insbesondere Anguss und Temperie‐rungsindwichtigeindividuelleMerkmale,diebeiderEntwicklungvielZeitinAn‐spruch nehmen und sehr stark von der Geometrie des Gussteils abhängen. EineModularisierungdieserMerkmale istunterdenhier inderArbeitbeschriebenenRandbedingungennichtmöglich.EineautomatisierteAuslegungdieserMerkmalekönntedieQualitätderGussteileunddieEntwicklungszeitderbenötigtenDruck‐gusswerkzeugestarkverkürzen.

Kurzfassung

XIV

Ein Zusammenspiel ausmodularen Grundbausteinen und auf die spezifischenBedürfnisseindividuellerGussteileabgestimmtenAnguss‐undTemperierungssys‐temenstellteinevielversprechendeRichtungfürzukünftigeForschungsbemühun‐genindiesemFelddar.

Einleitung

1

1. Einleitung

InIndustrieländernnimmtderAnteilanProdukten,diespeziellaufdieBedürfnis‐sedesKundenzugeschnittensind,stetigzu.DerTrendderIndividualisierung istauf die gewachsenen Kundenansprüche sowie die zunehmende Sättigung undSegmentierung von Märkten in Industrieländern zurückzuführen ((1),(2)). Fürproduzierende Unternehmen in Hochlohnländern stellt die damit verbundeneKomplexitäteinegroßeHerausforderungimBereichderProduktionssystemeund–technologiendar(1).NachPortergibtes fürUnternehmendreierfolgsversprechendeWettbewerbs‐

strategien:UmfassendeKostenführerschaft,KonzentrationaufSchwerpunkteoderDifferenzierung.EineKostenführerschaftistimAllgemeinennurüberSkaleneffek‐terealisierbar.FürUnternehmeninHochlohnländerndiedemTrendderIndividu‐alisierungRechnungtragenwollen,isteineDifferenzierungodereineKonzentra‐tionaufSchwerpunkte sinnvoll.Hierbei istdieMarktpositionierungeinesUnter‐nehmensstarkvondenunternehmensinternenMöglichkeitenderProduktion,alsoder Produktionstechnik, abhängig. Die Produktionstechnik stellt somit eineSchlüsselfunktionfürdenUnternehmenserfolgdar.(3)Im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ der

RWTHAachenwerdenBeiträgezueinerintegrativenProduktionstechnikerarbei‐tet.HierbeistehtdasAuffindenübergreifenderLösungenfürkomplizierteAufga‐benstellungenmit Hilfe einer integrativen, im allgemeinen Sinn, übergreifendenBetrachtung im Vordergrund. Bezogen auf die Herausforderungen, denen sichproduzierendeUnternehmen, und im SpeziellenUnternehmen ausHochlohnlän‐dern gegenübergestellt sehen, besitzt die integrative Herangehensweise das Po‐tenzial,dieWettbewerbsfähigkeitdieserUnternehmenlangfristigzusteigern.DasGesamtkonzeptdesExzellenzclustersistinAbbildung1‐1verdeutlicht.DieGrafikbeschreibt die beiden wichtigsten Dimensionen des Produktionsprozesses: Pla‐nungs‐ undProduktionswirtschaftlichkeit. DieseDichotomien zwischenderAus‐bringungsmenge (engl. Scale) unddemBetätigungsfeld (engl. Scope) zum einen,sowiederPlanungs‐undWertstromorientierungzumanderen,sollenweitgehendaufgelöstwerden(4).

Einleitung

2

Abbildung1‐1:PolylemmaderProduktionstechnik(5)

1.1. Ausgangssituation und Problemstellung

Die Individualisierung von Produkten führt insbesondere im Bereich der werk‐zeuggebundenen Produktionstechnologien zu hohen Investitionskosten. BedingtdurchdiesehohenKostenverfolgenUnternehmen,diemitwerkzeuggebundenenFertigungsverfahren produzieren, meist die Strategie der Kostenführerschaftdurch Skaleneffekte (engl.: Economies of Scale).Hierbei liegtder Fokus aufPro‐dukten, die aufgrund von Skaleneffekten sehr wirtschaftlich hergestellt werdenkönnen.MitderwiederholtenAusführungeinerAufgabekönnenLerneffekteaus‐genutztwerden,wodurchderLeistungsgradderamProzessbeteiligtenMitarbei‐tergesteigertwerdenkann.DurchetablierteStrukturenimUnternehmenwerdenAbstimmungsprozesse effizienter und Prozesse synchroner. Durch die hohenStückzahlenisteszudemmöglichineinenhohenTechnisierungsgradzuinvestie‐ren. Technisch undwirtschaftlich optimaleHerstellungsverfahren sowieMaschi‐nen‐undAnlagenkonzeptekönnenausgenutztwerden.

Einleitung

3

DieStrategiederDifferenzierung(engl.:EconomiesofScope)kanndieVorteile,dieüberSkaleneffekteentstehennichtausnutzen,dadieStückzahlendifferenzier‐ter Produkte meist wesentlich geringer sind. Die Variantenzahl steigt, was zumAnstieg des Entwicklungsaufwandes und somit zu einer steigenden Komplexitätim Produktionssystem führt. Daraus resultieren höhere Produktionskosten fürdifferenzierteProdukte.EconomiesofScaleundEconomiesofScopestellenzweigegensätzliche Positionen dar, welche auf den ersten Blick nicht vereinbar sindundsomiteinSpannungsfeldbeschreiben.InsbesondereinklassischenMassenfer‐tigungsverfahrenwiedemDruckgießenfehlteszurzeitanLösungenaufsteigendeVariantenzahlen bei gleichzeitig fallenden Stückzahlen zu reagieren. Eine ausdieser Problematik resultierende Anforderung an Produktionssysteme und –technologien der Zukunft ist es daher, eine Synthese aus Massen‐ undIndividualproduktionzuschaffen.1.2. Zielstellung

HerstellungsverfahrendieaufFormwerkzeugeangewiesensindverursachenhoheInvestitionskostenbeiderenAnschaffung.HierdurchistdieStückzahl,mitdereinbestimmtesHerstellungsverfahrenwirtschaftlichproduzierenkann,begrenzt.DerHauptfokusdieserArbeit liegthierbei imAuflösenrespektiveVerringerndesDi‐lemmaszwischenScaleundScope(vgl.Abbildung1‐2).DiebestehendeKluftzwi‐schen individueller Fertigung und Massenproduktion muss überbrückt werden(6).Diesbedeutet,dassdiefürdasjeweiligeHerstellungsverfahrenwirtschaftlicheLosgröße reduziertwerdenmuss.GleichzeitigmüssenUnternehmen inderLageseineinehoheProduktvielfaltzuvertretbarenKostenanzubieten.FüreineindividualisierteProduktionistdieHöhederInvestitionkostenfürein

Werkzeug, bedingt durch die kleineren Stückzahlen, wesentlich entscheidender.DiehohenEntwicklungs‐, Fertigungs‐undMaterialkostenvonWerkzeugenmüs‐sendaherverringertwerdenumeinewirtschaftlicheProduktionkleinerStückzah‐lenzuermöglichen.ZusätzlichzuderVerringerungderKostenmussdieFlexibili‐tätdieserformgebundenenFertigungsverfahrenerhöhtwerden.EineMöglichkeitdieFlexibilitätzuerhöhen istdieKürzungvonEntwicklungs‐undFertigungszei‐ten.BeikleinerenStückzahlenundvariantenreicherenProduktenmussaußerdemdasRüstenderWerkzeugeberücksichtigtwerden.AlsRüstenwirddasUmrüsteneiner Produktionseinheit von einem Produkt auf ein neues Produkt verstanden.DieRüstzeitistsomitdieZeitvonderProduktiondeseinenProduktesbiszurPro‐duktionsbereitschaftdesneuenProduktes.RüstkostenmachenbeikleinerenLos‐größen einen wesentlich größeren Teil der Herstellungskosten aus, als dies bei

Einleitung

4

einerMassenfertigungderFallist,deshalbsollendieseebenfallsaufeinMinimumreduziertwerden.

Abbildung1‐2:DilemmaScalevs.Scope(5)

In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf dem MassenherstellungsverfahrenDruckgießen.DurchVereinfachendersowohlzeit‐alsauchkostenintensivenKon‐struktionundFertigungderWerkzeuge,kanneineschnelleUmsetzungvonPro‐duktvariantenermöglichtwerden.HierstelltdieModularisierungdesWerkzeugesein zentrales Konzept zur Individualisierung der Produkte dar. Plattform‐ undmodulareStrategiendieinderAutomobilindustrieerfolgreicheingesetztwerden,könnennicht ohne tiefgreifendeÄnderungen auf dieWerkzeugherstellung über‐tragenwerden. InderAutomobilindustrie liegtderSchwerpunkteinerModulari‐sierunginderReduzierungderKostenbeigleichzeitigerErhöhungderProduktdif‐ferenzierung(7).MiteinemErhöhendesAnteilsanGleichteilensinken imAllge‐meinendieHerstellkosten.Dieskannallerdingsdazuführen,dassdieEinnahmensinken weil durch die Gleichteilstrategie spezifische Kundenbedürfnisse nichtmehr vollständig erfülltwerden. Aus diesemGrund strebenAutomobilherstellereinehoheDiversifizierungaugenscheinlicherBauteilewieKarosserieund Interi‐euran,währendwenigersichtbareBauteilewiedergesamteAntriebsstrangstan‐dardisiertwerden.

Einleitung

5

ImWerkzeugbausindandereFaktorenwichtigeralseinehoheDiversifizierung.ProdukteigenschaftenwiehoheFlexibilität,guteWartbarkeit,geringeRüstzeiten,niedrige Kosten und eine schnelle Entwicklung der Werkzeuge sind hier dieHaupttreiber für eine Modularisierung. Modularisierung im Werkzeugbau kannambestenalseinZielkonfliktzwischenKostenreduzierungundErhöhungderFle‐xibilitätbeschriebenwerden.EinmodularerAufbaubeiWerkzeugenkannzuho‐henKommunalitätenvonverschiedenenWerkzeugkomponentenführen.MehrereStudienhabengezeigt,dasseineErhöhungderKommunalitätenzueinerReduzie‐rung des Entwicklungsaufwandes, durch dasWiederverwenden von verschiede‐nenKomponenten,dienichtneuentwickeltwerdenmüssen,führenkann.Investi‐tionenineineverbesserteWerkzeuggestaltungkönnendaherzuniedrigerenPro‐duktionskostenführen(7).DiehierentwickelteMethodiksolleinsystematischesVorgehenzurKonzeption

vonmodularaufgebautenWerkzeugen,mitdenenauchindividuellenKundenwün‐schen Rechnung getragen werden können, ermöglichen. Der Konstrukteur sollmithilfe der Methodik in einer konzeptionell geschlossenen Weise bei der Ent‐wicklungmodularerDruckgusswerkzeugeunterstütztwerden.

Grundlagen und Stand der Technik

6

2. Grundlagen und Stand der Technik

UmeineMethodikzurModularisierungvonDruckgusswerkzeugenzuentwickelnmüssenineinemerstenSchrittdieAnforderungenundRahmenbedingungenklarumrissenwerden.ZentralePunktesindhierbeidieAnalysevonProduktvarianten,dieKonstruktionvonDruckgusswerkzeugen,einumfassendesWissenvonbeste‐hendenModularisierungsansätzensowiedieAnalysebisherigerVorgehensweiseninderDruckgussindustrie.IndenfolgendenUnterkapitelnwerdendieGrundlagenundderStandderTechnikderfürdieEntwicklungdieserMethodikwichtigenBe‐reichenähererläutert.2.1. Konstruktionslehre

Die Konstruktionslehre beinhaltet klassischerweise das Übermitteln physikali‐scherWirkprinzipien sowieGestaltungsregelnundgibt einenÜberblicküberdiewesentlichenMaschinenelemente.NebendiesenGrundlagengewinntdasErlernenvonVorgehensweisenbzw.MethodikenbeimKonstruierenzunehmendanBedeu‐tung.DieKonstruktionsmethodiksolleinproblemorientiertesVorgehenermögli‐chenunddenKonstrukteurzuproduktneutralenLösungenanregen.DurchkürzereEntwicklungsphasenundsteigendeAnforderungenanneuePro‐

duktewirddemKonstrukteurnebendemBeherrscheneinesausgeprägtenFach‐wissensaucheinmethodisch‐systematischesArbeitenabverlangt(8).Hierbeient‐stehteinSpannungsfeldausSystematikundHeuristik.EinMensch istbeiauftre‐tenden Problemen dazu geneigt diesemit bereits in der Vergangenheit gelöstenProblemenzuvergleichenundeineähnlicheLösungzuwählen.DiesführtimAll‐gemeinenzuschnellenundbrauchbarenLösungen.Eskannaberauchsein,dasseinKonstrukteur, geprägtdurch seinegesammeltenErfahrungen,blind fürneueLösungenwird. Ein systematisches Vorgehen im Lösungsprozess kann dies ver‐hindern(9).KonstruktionsmethodenkönnenhierbeidenKonstrukteurdurchAn‐leitungenundHilfestellungenunterstützen(9).In den weiteren Unterkapiteln werden einige Bereiche der allgemeinen Kon‐

struktionslehre,diefürdiezuentwickelndeMethodikalswichtigerscheinen,nä‐hererläutert.DienachfolgendenKapitelgebensomitlediglicheinenkleinenAus‐schnittausderKonstruktionslehrewieder.2.1.1. Konstruktionsprozesse

ImLaufederZeithatsicheineVielzahlvonKonstruktionsprozessenetabliert.Dieim deutschsprachigen Raum am weitesten verbreiteten KonstruktionsprozessesinddieMethodikzumEntwickelnundKonstruierentechnischerSystemegemäß


7

VDI‐Richtlinie2221(vgl.Abbildung2‐1),dieProduktentwicklungsmethodiknachPahl/Beitz,sowiederKonstruktionsprozessnachKoller((8),(10)).

Abbildung2‐1:KonstruktionsablaufnachVDI‐Richtlinie2221(10)

Allen gemeinsam ist ein strukturiertes Vorgehen und das kritische Bewertenbzw.HinterfragendeszuvorGestalteten.EsgibtsomiteinenzielgerichtetenPro‐zess von der Aufgabestellung zur Lösung, der aber Iterationsschritte beinhaltet.Vereinfachtausgedrückt lassensichdieseKonstruktionsmethoden invierHaupt‐phasen aufteilen. Dabei geht es in der ersten Phase um die Informationsgewin‐nung,inderzweitenumdasKonzipieren,inderdrittenumdasEntwerfenundinderviertenumdasAusarbeiteneinesProduktes.In jedem Schritt des Konstruktionsprozesses bietet die Konstruktionslehre

Hilfsmittel,RegelnoderMethoden,die einKonstrukteur anwendenkann. IndenfolgendenKapiteln sollen einige für diese Arbeit alswichtig erachtete Elementenäherbeschriebenwerden.


8

2.1.2. Funktionsanalyse

Umbestehende oder neu zu entwickelnde Produkte zu beschreibenhat sich dieFunktionsanalysebewehrt.HierbeiwerdendiezuerfüllendenAufgabendesPro‐duktsalsFunktionenausgedrücktundBeziehungenzwischendenAufgabenfest‐gehalten.Die Funktionsstruktur verknüpft Teilfunktionen zu einer Gesamtfunktion. In

technischenSystemenmitEnergie‐,Stoff‐undSignalumsatzbestehenZusammen‐hänge sowohl zwischendenEingangs‐undAusgangsgrößendesGesamtsystems,denTeilsystemen,alsauchzwischendenTeilsystemenuntereinander(Abbildung2‐2).

Abbildung2‐2:Funktionsstruktur–GesamtstrukturmitaufgegliedertenTeilfunk‐tionen(8)

DieZusammenhänge,welchezwischendemEin‐undAusgangeinesSystemszurErfüllungeinerAufgabebestehen,werdenalsFunktionbezeichnet.EineFunktionwirdalsGesamtfunktionbezeichnet,wennsiesichaufdieGesamtaufgabebezieht.Diesewiederumkann in Teilfunktionen unterteiltwerden, die denTeilaufgabeninnerhalb der Gesamtaufgabe entsprechen. Die Funktionsstruktur ergibt sichzwangsläufig aus derArt undWeise,wie dieTeilfunktionen zurGesamtfunktionverknüpftsind.MitHilfederVariationderZuordnungenlassensichrelativeinfachverschiedeneLösungsansätzefinden.DieVerknüpfungvonTeilfunktionenzurGe‐samtfunktion muss dabei stets sinnvoll und verträglich geschehen. Auch einestrukturelleUnterteilunginHaupt‐undNebenfunktionistzweckmäßig,wobeidieHauptfunktion unmittelbar der Gesamtfunktion dient, die Nebenfunktion jedochnur mittelbar zur Gesamtfunktion beiträgt bzw. unterstützend oder ergänzendwirkt. Die Funktionsstruktur wird zudem von logischen Zusammenhängen be‐stimmtundbeeinflusst(11).


9

2.1.3. Gestaltungsgrundregeln

IstdieAufgabenstellungbeieinemneuzuentwickelndenProduktgeklärtunddieFunktionsstrukturdefiniert,werdenimAnschlussLösungsprinzipiengesucht.Lö‐sungsprinzipienmüssendiewichtigstenEigenschaftenderFunktionsstrukturbe‐inhalten.Wichtige Informationen zumWirkprinzip z.B.Wirkungshöhe, Raumbe‐darf oder Lebensdauer sollten weitestgehend quantitativ oder aber zumindestqualitativ erfasst werden. Bereits in dieser Phase sollten Gestaltungsregeln be‐rücksichtigtwerden.InderKonstruktionslehregibtesGrundregeln,diebeieinerKonstruktion immer beachtetwerden sollten. Diese Regeln sind produktneutralund ihreBefolgungwird stets zu qualitativ hochwertigenProdukten führen.DiedreiwichtigstenGestaltungsgrundregelnsind:

‐ Eindeutig(ErfüllungdertechnischenFunktion)‐ Einfach(WirtschaftlicheRealisierung)‐ Sicher(SicherheitfürMenschundUmgebung)ImFolgendenwerdendieGestaltungsgrundregelnanhandeinigerBeispielenä‐

hererläutert.

Eindeutig

DieGestaltungsgrundregel „Eindeutig“beinhaltet,dasseseineeindeutigeZuord‐nungderTeilfunktionenmitzugehörigenEin‐undAusgangsgrößengebensoll.EssolldurcheineeindeutigeGestaltungdierichtigeBedienungerzwungenwerden,derjapanischeAusdruckhierfüristPokaYoke(deutscheÜbersetzung:unglückli‐cheFehlervermeidung).MitdiesemPrinzipkönnenIrrtümerbeiderMontageaus‐geschlossenwerden.TsouundChenhabengezeigt, dassmit demEinführenvonPokaYokeeinentscheidenderEinflussaufdieWirtschaftlichkeitvonProduktions‐systemen ausgeübtwerden kann.DurchminimaleMehrausgaben in derVorent‐wicklungbedingtdurchdasEinführenvonPokaYokekonnteaneinemFallbeispielgezeigtwerden, dass die Produktionskosten eines Automobilstanzteils erheblichgesenktwerdenkonnten(12).DasGestaltungsprinzipbeinhaltetaberauch,dasseindeutigeTrennstellen zwischennicht verträglichenWerkstoffendefiniertwer‐den.JederBestandteileinesProduktssollte,wennmöglich,einemZweckzuzuord‐nensein.IsteinBestandteileinesProduktskeinemZweckzuzuordnen,solltedie‐serverworfenwerden.MitdieserMethodewirdeineklareAufgabenverteilungimProdukterreicht,waszueinembesserenVerständnisundeinerhöherenQualitätdesProduktesführt.AlsBeispielkanneineeindeutigeLagerungwiedieFest‐undLoslageranordnung

einerWelleherangezogenwerden (vgl.Abbildung2‐3).Hierbeinimmtdas linke


10

LagerAxialkräfteaufunddasrechteLagerkannungehinderteineAxialbewegungz.B.infolgeeinerWärmedehnungausführen.

Abbildung2‐3:Fest‐/LoslagerungeinerWelle(8)

Einfach

DieGestaltungsregel„Einfach“ist imPrinzipselbsterklärendundgehteinhermitdem Gestaltungsprinzip „Eindeutig“. Zur Funktionsrealisierung sollte eine mög‐lichst geringe Anzahl von Vorgängen und Komponenten verwendetwerden. DieFunktionen sollen mit einfachen mathematischen Formeln beschrieben werdenkönnen, außerdem ist eine symmetrische Gestaltung anzustrebenwo immer siesinnvollist.DesWeiterensindfüreinProduktsowenigeFertigungsverfahrenwiemöglichanzustreben. JederFertigungsschrittkannFehler,Maß‐undToleranzab‐weichungenbeinhalten.DurchmehrereFertigungsschrittekönnensichdieseAb‐weichungenaddierenunddazuführen,dassdasEndproduktstarkvonderIdeal‐geometrie abweicht.DieBauteile sollten zudem leicht identifizierbar sein, damitihreFunktionfürdenAnwenderoderMonteurklarist.Diesführtzuintuitivenundschnell durchschaubarenMontagevorgängen.Durch eine klareGestalt kann eineFehlererkennungerleichtertwerden.

Sicher

DieGrundgestaltungsregel„Sicher“betrifftsowohldiezuverlässigeErfüllungeinertechnischenFunktionalsauchdieGefahrenminderungfürdenMenschenunddieUmgebung. Der Konstrukteur bedient sich dabei einer Sicherheitstechnik nachDIN31000,diealsDrei‐Stufen‐Methodeaufgefasstwerdenkann.DieSicherheits‐


11

technik ist in „Unmittelbare“, „Mittelbare“ und „Hinweisende“ Sicherheitstechni‐kenaufgeteilt.Bei der unmittelbaren Sicherheitstechnik wird die Sicherheitsaufgabe von

denanderAufgabeaktivbeteiligtenBauteilenübernommen.HierbeiergebensichdreigrundsätzlicheMöglichkeiten.

‐ Prinzipdes„SicherenBestehens“(Safe‐life‐Verhalten):währenddervorge‐sehenen Einsatzzeit sollen alle möglichen Vorkommnisse ohne VersagenoderStörungüberstandenwerden.(DruckgusswerkzeugewerdenimRegel‐fall so ausgelegt, dass dieHauptkomponenten die keinemoder nur gerin‐gemVerschleißbzw.AbrasionunterliegenfürdiegesamteProduktionszeithalten.)

‐ Prinzipdes„BeschränktenVersagens“(Fail‐safe‐Verhalten):beieinerFunk‐tionsstörung und/oder einem Bruch darf es zu keinen schwerwiegendenFolgenkommen(Beispiel1:BeiVersagenderSchraube fälltdiesenicht indasRohrvgl.Abbildung2‐4). (Beispiel2Druckguss:Kommtes imBetriebzumÜberspritzenderForm,sorgendieSchutztürendafür,dasskeinePer‐sonenverletztwerden.ImRegelfallkannnachEntfernendesüberspritztenMetallsweiterproduziertwerden.)

‐ PrinzipderredundantenAnordnung:beiAusfalleinesSystemskannbeiei‐ner Mehrfachanordnung die volle oder wenigstens eine eingeschränkteFunktionübernommenwerden.

Abbildung2‐4:EingeschränkteFunktionsfähigkeit,beiVersagenderSchraubefälltdiesezumindestnichtinsRohr(8).


12

Zurmittelbaren Sicherheitstechnik gehören Schutzsysteme und Schutzein‐richtungen.DiesesolltenbeiGefährdungselbsttätigeineSchutzreaktionauslösenundgleichzeitigeineMeldungodereinSignalandieUmweltabgeben.SchützendeMaßnahmen können z.B. eine Außerbetriebnahme der Anlage sein (Sicherung)oderdieerneuteEinstellungdesgewünschtenZustandesz.B.Sicherheitsventil.Die hinweisende Sicherheitstechnik soll vor Gefahren warnen und den Ge‐

fährdungsbereichkenntlichmachen.BeiderKonstruktionsollte jedochalserstesimmer versucht werden die unmittelbare Sicherheitstechnik anzuwenden oder,fallsnichtandersmöglich,diemittelbareSicherheitstechnik.2.1.4. Gestaltungsprinzipien

Gestaltungsprinzipien können als Hilfe beim Konstruieren verstanden werden.IhreBedeutungistallerdingsgegenüberdenGrundregelneingeschränkt.NichtalleGestaltungsprinzipienlassensichgleichzeitigineinertechnischenLösungrealisie‐ren, da verschiedene Gestaltungsprinzipien oftmals gegensätzlich sind. WelchePrinzipien imEinzelnenmaßgebend sein sollen,muss aus demWesenskern derAufgabebeziehungsweisedenAnforderungenermitteltwerden.Übergeordnete Prinzipien zur zweckmäßigen Gestaltung sind in der Literatur

mehrfach formuliertworden. ImAnschlusswerdendie fürdasKonstruierenvonDruckgussbauteilenund–werkzeugenwichtigstenPrinzipienkurzerläutert(8).

PrinzipdesKraftflusses

DerBegriffKraftleitungsollimweiterenSinneverstandenwerden,alsodasLeitenvonBiege‐ undDrehmomenten. Kräftewerden durch einzelneBauteile und voneinemBauteilzumanderengeleitet.Einanschauliches,aberphysikalischnichtde‐finierbares,ModellbietetderKraftfluss.DiesermussfolgendeKriterienerfüllen:

‐ DerKraftflussmussgeschlossensein‐ DerKraftflusssolltemöglichstkurzsein(direkteKrafteinleitung)‐ ScharfeUmlenkungendesKraftflussesundÄnderungenderKraftflussdichte

infolge schroffer Querschnittsänderungen sind zu vermeiden (vgl. Abbil‐dung2‐5).

Direkte und kurze Krafteinleitungen belasten das Bauteil weniger. HierdurchkannderWerkstoffaufwandunddieresultierendeVerformungverringertwerden.EinBeispielsindDistanzbolzenanDruckgusswerkzeugen.DiesezusätzlichenStüt‐zelementezwischenFormrahmenundAufspannplattesorgendafür,dassdiewäh‐renddesGussvorgangesaufdenFormrahmenwirkendeSprengkraftaufdirektemWegeindieDruckgussanlagegeleitetwird.


13

Abbildung2‐5:GestaltungundKerbwirkung(13)

PrinzipderabgestimmtenVerformung

DieKomponenteneinesProduktes folgendemPrinzipderabgestimmtenVerfor‐mungwennsiesogestaltetsind,dasssieunterLasteinegleichgerichteteVerfor‐mungbeimöglichstkleinerRelativverformungaufweisen.Dies istbesondersbeitemperiertenWerkzeugenzuberücksichtigen.BeiWerkstoffpaarungenmitunter‐schiedlichenWärmeausdehnungenmuss untersuchtwerden, ob es hierdurch zuFunktionsstörungenimBetriebkommenkann.

PrinzipderAufgabenteilung

EssollteangestrebtwerdenverschiedeneAufgabenklarzutrennen.Diesführtzubesseren bzw. eindeutigeren Berechnungen, welche wiederum zuverlässiger zueineroptimalerenGestaltungführenkönnen.BeieinerFunktionsstörungkanndasProblemdurcheineklareZuordnungderAufgabenschnellerundeinfachergelöstwerden.

PrinzipderSelbsthilfe

UnterdemPrinzipderSelbsthilfeistzuverstehen,dassLösungenangestrebtwer‐den sollen, diemit den vorhandenenGegebenheiten zusammenundnicht gegendiesearbeiten.EingutesBeispielfürdiesesPrinzipsindDichtungen,diebeiErhö‐


14

hungdesBetriebsdrucksihreDichtkraftvergrößernundsomitübereinengroßenDruckbereichleckagefreiarbeitenkönnen(sieheAbbildung2‐6).

Abbildung2‐6:BeiInnendruckselbstverstärkendeDichtung(14)

2.1.5. Modularisierung allgemein

Die Zahl der Veröffentlichungen zum Thema Modularisierung ist in den letztenzehn Jahren stetig gestiegen (15). Trotz zahlreicher Arbeiten die sich mit demThemaModularisierungbefassen,gibteskeineeinheitlicheDefinitionderBegriffeModularisierung,ModularitätoderModul(16).ImweiterenVerlaufderArbeitwirdderBegriffModulfüreineKomponenteei‐

nes Produkts,welchesmindestens eine standardisierte Schnittstelle besitzt, ver‐wendet werden. Dieses Modul kann somit theoretisch durch unterschiedlicheKomponentenmitgleichenSchnittstellenersetztwerden.Modularitätbeschreibtdie Eigenschaft eines Systems aus Modulen aufgebaut zu sein. ModularisierungbezeichnetdenVorgangBauteilebzw.BauelementealsModulzugestalten.WieinAbbildung 2‐7 zu erkennen ist kannModularität auf unterschiedlicheWeise ge‐nutztwerden.AllengemeinsamisteinegewisseAustauschbarkeitvonBestandtei‐len.DasfundamentaleZieldasmiteinerProduktmodularisierungverfolgtwirdistsomitdieStandardisierungbestimmterProduktbestandteile(17).


15

DieskannnurübergemeinsameSchnittstellenrealisiertwerden.NachGöpfert

ist die Schaffung einer Produktarchitektur einwichtigerAspekt der Produktent‐wicklung.DieProduktarchitekturkannalseineKombinationderfunktionalenmitderphysikalischenProduktbeschreibungangesehenwerden(19).Hierbeiwerdendie Funktionen aus der Funktionsstrukturmit denKomponenten des Produktesaus der Produktstruktur verknüpft. Dieser systematische Ansatz zur GestaltungeinesneuenProduktshatsichalswirksamerSchrittinRichtungeinermodularenArchitekturetabliert(8).DerVersucheins‐zu‐einsBeziehungenzwischenFunkti‐onenundKomponentenzuerzeugenkannzuniedrigenAbhängigkeitenzwischenden Komponenten eines Produkts führen (20). Dies ist ein vielversprechenderWegzurBildungvonstandardisiertenSchnittstellenzwischendenKomponenten.IndenletztenJahrzehntenversuchenproduzierendebzw.produktentwickelnde

UnternehmendurchVeränderungdesProduktdesignAbläufewieFertigung,Ver‐packenoderTransportwirtschaftlicherzugestalten.Eine1986zudiesemThemadurchgeführte Studie bei Rolls Royce gibt an, dass das Produktdesign 80% derKostenbestimmt(21).VonGershensonwurdendiezweiMechanismenidentifiziert,diemaßgeblichzur

KostenreduzierungaufgrundvonModularisierungbeitragen(16):‐ Lernkurveneffekt.ModularisierungführtzuwenigerunterschiedlichenPro‐

dukten,daherwirddieProduktionsmengeeinesgegebenenModulsmitdem

Abbildung2‐7:VerschiedeneArtenderModularität(18)


16

Grad anModularisierung steigen.Dadurch steigt die Erfahrung derMitar‐beiter.

‐ AusMassenproduktionresultierenPreisnachlässe.ModularisierungerlaubtesmehrgleicheTeilezuverwendenanstellevielerunterschiedlicher(16).

Allgemein betrachtet ist nach Marshall Modularisierung die richtige Herange‐hensweisefür(22):

‐ EffizienteUmsetzungvonKundenanforderungen‐ RationalisierteEinführungvonneuerTechnologie‐ StrukturierteHerangehensweiseanKomplexität‐ FlexibleProduktion(16).NachHuang undKusiak bringtModularisierung folgendeVorteile für die Pro‐

duktentwicklung(23):‐ Skaleneffekte inderProduktentwicklung:DieProduktionsmenge steigt im

VergleichzudeneingesetztenProduktionsfaktoren.‐ VereinfachungvonKomponenten‐undProduktwechsel:EinzelneTeile las‐

sensichleichterauswechseln.‐ ErhöhteProduktvarianzbeigleichemAufwand.‐ Entkopplung bzw. Trennung von Eigenschaften/Funktionen, die unterei‐

nander verknüpftwaren.Modularisierung verringert das Risiko einer un‐vorteilhaftenEntkopplung(16).

Eine 1995 veröffentlichte Studie über dieModularisierung eines Netzteiles aneinemProduktvonHewlett‐PackardkamzudemErgebnis,dassModularisierunghöheredirekteHerstellungskostenverursacht(21).YuoTern‐TsaiundKuo‐ShongWanghabeneinenZusammenhangzwischender

AnzahlderModule,derKomplexitätderProduktionundderKomplexitätdesZu‐sammenbaus in Abhängigkeit von den Funktionen des Endprodukts dargestellt(24).Wie inAbbildung2‐8erkennbar,sinktmitsteigenderModulzahlNdiePro‐duktionskomplexitätunddamitderHerstellungsaufwandH(H).JegrösserdieAn‐zahlderModuleist,destowenigerFunktionenmussjedeseinzelneModulerfüllen.BeimZusammenbauverhältessichwieerwartetentgegengesetzt,mitsteigenderModulzahlsteigtauchderMontageaufwandH(M).Für jedesProduktgibteseineoptimaleAnzahlanModulenbeidemdieSystemkomplexitätH(S)minimalist.NachMikkolasolltenniealleKomponenteneinesProduktesmodularisiertwer‐

den.IndividuelleKomponentenhelfendabeisichvonderKonkurrenzabzuhebenundsorgensomitfüreinAlleinstellungsmerkmal(25).


17

Abbildung 2‐8:Herstellungs‐ undMontageaufwand in Abhängigkeit von der An‐zahlderModule(modifiziertvon(23))

MehrereStudienhabendieWirkungderModularisierungzuThemenwiePro‐duktleistung, Qualität, Kosten und Zeit untersucht (16). Eine von Eitelwein undWeber durchgeführte Studie zeigt, dassUnternehmen, dieModularisierungskon‐zeptefürihreProdukte,Werkzeuge,Architekturusw.einsetzenerfolgreichersindalsUnternehmen,dieanihremtraditionellen,individuellenDesignfesthalten(26).DiewirtschaftlichenVorteile einerModularisierung können imVorfeld nur sehrschwer bestimmt werden. Es bedarf analytischer Modelle um die zahlreichenAuswirkungenundVorteileeinerModularisierungzuerfassen.Es istschwer,beieinemnoch inderEntwicklungbefindlichenProdukt, zubeurteilen,welcheAus‐wirkungdiemodulareGestaltungaufdieGesamtkostenhabenwird.Generellmussaber immer fürdenbetrachteten technischenBereichuntersuchtwerden, inwie‐weit eineModularisierung auswirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist. Hierfür ist dergesamte Produktentstehungsprozess, einschließlich der strategischen Produkt‐planung,KonstruktionundFertigung,zuprüfen.JedesdieserFelderkannPotenzi‐ale füreineModularisierungbieten.FürdiedetaillierteGestaltungeinzelnerMo‐dule sind die spezifischen Herstellungsverfahren zu berücksichtigen. Zusätzlichmuss trotzderModularisierungdieKunden‐IndividualitätderProduktegewähr‐leistetsein.EbensosolldurchdieVorgabenfürdieProduktmodularisierunggera‐de imBereichderKonstruktionkeineEinschränkungder Innovationsfreudeent‐stehen.AlsoptimalgilthiereineProduktarchitekturdiesointegralwienötigundgleichzeitigsomodularwiemöglichist(17).


18

2.1.6. Modularisierung im Werkzeugbau

Die Modularisierung hat sich in vielen Industriezweigen als gängige Praxis fürwirtschaftliche Produktdiversifizierung etabliert. Im Allgemeinen konzentriertsichdieModularisierungaufkundennaheEndprodukte.DieWerkzeugemitdenendieseProduktegefertigtwerden,werdenbeiderModularisierungmeistnichtmit‐berücksichtigt. ImWerkzeugbauherrschtnoch immereineweitverbreiteteIndi‐vidualfertigung,auchForschungsbemühungengibteszurzeitnochsehrwenige.W. Boos entwickelte eine allgemeineMethodik zur Gestaltung und Bewertung

vonmodularenWerkzeugen(27).IneinemerstenSchrittwurdendabeiAnforde‐rungenanmodulareWerkzeugeermittelt.DieArbeitbeinhalteteineausführlicheAnalyseundBewertungbestehenderMethodenzurModularisierungvonProduk‐ten(vgl.Abbildung2‐9).Eshatsichgezeigt,dassesbisdahinkeineMethodezurModularisierunggabdiealleAnforderungen,dieanmodulareWerkzeugegestelltwerden,erfüllt.

Abbildung2‐9:BewertungderbestehendenAnsätzeundMethodenzurModulari‐sierung(27)

AusAbbildung2‐9istbesondershervorzuheben,dasskeinederetabliertenMo‐dularisierungsansätze die hoheVarianzdesWerkzeugspektrums sowiedie hoheFunktionsintegrationunddieAbhängigkeitenbeiWerkzeugenvollständigberück‐sichtigt.WirtschaftlicheKenngrößenzurBewertungderModulewerdenvondenmeistenMethodenebenfallsnichterfasstodernursehroberflächlichbehandelt.


19

Abbildung 2‐10:Methodik zurGestaltung undBewertung vonmodularenWerk‐zeugen(27)

Die vonW. Boos entwickelte Methodik ist in eine Initiierungsphase und eineAnwendungsphaseunterteilt(vgl.Abbildung2‐10).InderInitiierungsphasewirdderStatusquoeinesUnternehmenserfasst.DaderKonstruktions‐undModulari‐sierungsprozess in den verschiedenenWerkzeugbaubetrieben sehr unterschied‐lichausgeprägt ist,müssen ineinemerstenSchrittder Initiierungsphasedieun‐ternehmensspezifischenRandbedingungenberücksichtigtwerden.Daraufaufbau‐end erfolgt im zweiten Teil eine Typisierung des vorhandenenWerkzeugspekt‐rums,bevorimdrittenSchrittderKonstruktionsprozessanalysiertwird.Mitdie‐sendreiSchrittenwirddieVoraussetzungfürdieanschließendeAnwendungspha‐sederMethodikgeschaffen.DiederAnwendungsphasezugrundeliegendeMetho‐dikbasiertzumeinenaufeinemallgemeinenKonstruktionsprozessfürWerkzeuge(8) und zum anderen auf einer variantenorientierten ProduktgestaltungmittelsderMethode„VariantModeandEffectsAnalysis ‐VMEA“vonCaesar (28). Inei‐nemerstenArbeitsschrittwerdendabeidieAnforderungenandasWerkzeugausdemLastenheftundderArtikelzeichnungdesBauteilsabgeleitet.Ausdiesenkön‐nenimFolgendendienötigenFunktionendesWerkzeugesidentifiziertunddiesendie entsprechendenWerkzeugkomponenten zugeordnetwerden.NachderKom‐ponentenzuordnung folgen zunächst die Gestaltung der Komponenten und dieModulbetrachtung,bevordanndieBewertungderModulevorgenommenunddergeeignete Modulumfang ermittelt werden kann. Bei der abschließenden Modul‐


20

entscheidungkannentwederderiterativeWegzurückzurGestaltungderModuleerfolgen,oderdieModulumfängesindfürdasbetrachteteWerkzeugoptimalundderKonstruktionsprozesskannabgeschlossenwerden.AnhandvonrealenFallbeispielenwurdegezeigt,dassdieModularisierungsme‐

thodiknachBoos fürWerkzeuge sinnvoll inderBranchedesWerkzeugbaus an‐wendbarist.DieMethodikwurdedabeifürStanz‐,Umform‐undSpritzgießwerk‐zeugeeingesetzt.SieunterstütztdenKonstrukteurinderEntwicklungneuermo‐dularerWerkzeugesowiebeiderUmgestaltungbereitsexistierenderWerkzeuge,beispielsweisefürauswechselbaremodulareEinsätze.UmdieAllgemeingültigkeitderMethodikzuwahrenistsieaufeinergenerischen

Ebenebeschrieben.ObwohldieAnforderungenaneineMethodikimWerkzeugbaugleichsind,könnensichkonkretetechnologischeProblemeerheblichunterschei‐den.WennesumeinequantitativeGestaltungvonModulengeht,müssentechno‐logischewie auchwirtschaftliche Belange berücksichtigt werden. Bei konkretenBerechnungenbspw.zuKostenoderFestigkeitenmussdasFertigungsverfahren,indemdiemodularenWerkzeugezumEinsatzkommen, stärkermiteinbezogenwerden. Sowird eineMethodik zurModularisierung von SpritzgusswerkzeugenganzandereHandlungsempfehlungenwieeineMethodikzurModularisierungvonDruckgusswerkzeugen bereitstellen, obwohl der Konstruktions‐ oder Entwick‐lungsvorgangaufdergenerischenEbenegleichseinkann.

2.2. Methoden im Entwicklungsprozess

EinesystematischeundzielgerichteteEntwicklungwirddurchdenEinsatzunter‐schiedlicherMethoden unterstützt. Dies kann nur durch ausgewählteMethodenerfolgen,diezudenRahmenbedingungendesbetrachtetenProzessespassen(9).EineMethodeberuhtaufeinemregelbasiertenundplanmäßigenVorgehennach

dessenVorgabebestimmteTätigkeitenauszuführensind,umeingewissesZielzuerreichen.MethodensindsomitzielorientiertundaufdieLösungeinesProblemsodereinerAufgabenstellungausgerichtet.MethodenbeschreibensowohldieAb‐folge als auch die Art und Weise wie einzelne Tätigkeiten durchzuführen sind.HierbeiwirdnichtnurvorgegebenwaswährenddeneinzelnenSchritten zu tunist, sondern explizit auch wie einzelne Schritte durchzuführen sind. Dies unter‐scheidet eine Methode von einem Vorgehensmodell. Der Unterschied zwischenMethodenundGrundprinzipienliegtdarin,dassGrundprinzipienmeistproblem‐unabhängigsindundMethodenoftspezifischeAnwendungenadressieren.DerBe‐griff Methodik wird oftmals für die Kombination diverser Methoden gebraucht(29).


21

In den folgendenUnterkapitelnwerdenMethoden vorgestellt die imweiterenVerlaufderArbeitAnwendungfinden.

2.2.1. ABC‐Analyse

DieABC‐AnalysewurdevonH.FordDickie,einemManagerbeiGeneralElectric,imJahr1951inseinemArtikel„ABCInventoryAnalysisShootsforDollars,notPen‐nies“erstmalsbeschrieben(30).MitderABC‐Analyse istesmöglichdasWichtigevomUnwichtigenzutrennen.

HierbeiwerdendieWertepaaremeistmiteinemParetodiagrammdargestellt.DasPaetrodiagrammisteinSäulendiagrammbeidemWertederGrößenachgeordnetundmeistvonlinksnachrechtsundvongroßnachkleinsortiert,wiedergegebenwerden(sieheAbbildung2‐11).

Abbildung2‐11:ABC‐Analyse

HierbeibeschreibtdiehorizontaleAchsediezuuntersuchendenObjekteunddievertikaleAchsemeistdenUmsatzanteiloderdieKosten.DieObjektewerdeninA‐,B‐undC‐Klassenaufgeteilt.ObwohleskeinefestenRegelnbeiderAufteilungderKlassengibt,hatsicheineAufteilungnachdemParetoprinzipalssinnvollerwie‐sen. Das Paretoprinzip, benannt nachVilfredo Pareto (1848–1923), besagt, dass


22

80%derErgebnisse in20%derGesamtzeiteinesProjektserreichtwerden.Dieverbleibenden20%derErgebnissebenötigen80%derGesamtzeitundverursa‐chendiemeisteArbeit.Diese80zu20RegelwurdeaufdiedreiKlassenA,BundCübertragen sodassA‐Objekteetwa80%,B‐Objekte15%undC‐Objekte5%desWertanteilsausmachen.Bezogen auf eineKostenanalyse von Produkten die ausmehrerenEinzelteilen

bestehen, beinhaltet die A‐Klasse somit die teuersten Bauteile, die aufsummiertetwa80%derGesamtkostendiesesProduktesausmachen.DiegenaueEinteilungderSchwellenwertedereinzelnenGruppenliegtimErmessendesAnwenders.InAbbildung 2‐11 ist eine ABC‐Analyse für ein Produktmit 22 Einzelteilen darge‐stellt,wobei18%derBauteile(A‐Gruppe)für85%derGesamtkostensorgen.Sind entsprechendeDaten, imAllgemeinen eine Stückliste und eine Einzelteil‐

kostenaufstellung, vorhanden, lässt sich eineABC‐Analysemit geringemZeitauf‐wanderstellen.DurchdieseVeranschaulichungwerdenKostentreiberoderauchEinsparpotenzialesichtbargemacht.EineABC‐AnalysekanneinemKonstrukteurin der Entwicklungsphase sinnvolle Erkenntnisse liefern und seine Prioritätenschärfen(31).

2.2.2. Beschreibung und Darstellung von Abhängigkeiten

Bei derEntwicklungvon komplexenProdukten gibt esmeist zahlreiche Schnitt‐stellen zwischen den Komponenten. Designänderungen an einer Komponentekönnen zu weiteren Änderungen an benachbarten oder sogar weit entferntenKomponenten im System führen. Somit gibt es oftmalsmehrAbhängigkeiten alsdirekteSchnittstellen.DieseWechselwirkungenzwischendenKomponentensindnurschwerinihrerGanzheitzuerfassen.MitHilfederGraphentheoriekanneineMengevonObjektenunddiezwischen

diesenbestehendenVerbindungenbeschriebenwerden.IneinemsolchenGraphenwerdendieObjekteKnotengenannt,dieVerbindungenzwischendenKnotenhei‐ßenKanten(32).DieKantenzwischendenKnotenkönnengewichtetwerden.DiesführtzueinemGraphenGmitKantengewichtenc.HierbeistehtVfürVerticesengl.KnotenundEfürEdgesbzw.Kanten.

, , : , , ∈0, ∈ 0… . .

In Abbildung 2‐12 ist ein gerichteter Graph und die dazugehörige Adjazenz‐matrixdargestellt.DieMatrixstelltwieauchderGraphdieGewichtungderKantenund dessen Richtung dar. Eine hieraus abgeleitete Form dieser gerichteten Gra‐


23

phenistdieEinflussmatrixnachVesteroderauchdieDSM(DesignStructureMat‐rix)nachBrowning.MitdiesenistesmöglichdieRichtungundGrößevonAbhän‐gigkeitenzwischenMerkmalenübersichtlichzusammenzufassen((33),(34)).Da‐zuwerdendenKnotendieMerkmaleunddenKantenihreAbhängigkeitenunter‐einanderzugewiesen.

Abbildung2‐12:GerichteterGraphundAdjazenzmatrix

MitHilfe dieser lassen sichAbhängigkeiten zwischenKomponenten einesPro‐duktesbeschreiben.HierzumussineinemerstenSchrittalleKomponentenidenti‐fiziertundderenBeziehungenuntereinanderanalysiertwerden.BeieinerAnalysederZusammenhängezwischeneinzelnenMerkmalenkanneineBerücksichtigungderRichtungderWechselwirkungeninteressanteAussagenliefern.NebenderIn‐formationüberdieStärkederWechselwirkungenwerdendamitauchInformatio‐nen darüber gewonnen ob eine Größe bestimmend ist (Aktiv) oder beeinflusstwird(Passiv).TrägtmandieserichtungsbezogenenWerteineinerMatrixeinkannmanSpalten‐undZeilensummenbildendieeinemAktivundPassivsummederbe‐trachtetenMerkmale liefern.WechselwirkungenkönnendannanhandeinesGra‐phendarstelltwerden.DiesführtinderRegelzueinerIdentifizierungvonSchlüs‐selfaktorenundeinembesserenVerständnisderZusammenhänge(29).DieseWechselwirkungenkönnenalternativmitHilfeeinesSystemgridsinüber‐

sichtlicherFormdargestelltwerden.HierbeiwirdfürjedeKomponentedieAktiv‐und Passivsumme eingetragen. Das Diagramm kann in vier Bereiche eingeteiltwerden:träge,aktiv,passivundkritisch(20).EineKomponentewirdalsträgebe‐


24

zeichnetwenndiesegleichzeitigeineniedrigeAktiv‐undPassivsummeaufweist.KritischeKomponentenbesitzenhoheAktiv‐undPassivsummen.

Abbildung2‐13:SystemgridnachLindemann(4)

2.2.3. Abschätzung von Kosten

BeimKonstruierenvonProduktenistdiewichtigsteForderungnebendemErfül‐len der technologischen Anforderungen insbesondere die derWirtschaftlichkeit.Diesbedeutet, dassmit einemMinimumanAufwandeinMaximumanErfolg zuerzielenist.WährendderKonstruktionmüssenKostenzieleverfolgtwerden,dennmeistwerden70–80%derKostendieeinProduktspäterverursachtbereitsmitder Konstruktion festgelegt. In Studien, größtenteils aus demAutomobilbereich,wurde festgestellt, dassdieKonstruktionsarbeithingegennur5%der gesamtenProduktionskostenausmacht(21).UmwirtschaftlicheProduktezuerhaltenmüs‐sen die involvierten Konstrukteure ein ausgeprägtes Kostenwissen mitbringen.Besonders inderAnfangsphasederEntwicklungeinesProduktskönnendieKos‐tendurchfertigungsgerechteskonstruierenerheblichgesenktundsomitdieWirt‐schaftlichkeit des zu entwickelnden Produktes erheblich gesteigert werden. Die


25

WirtschaftlichkeitkanninzweiUnterkategorien,diefunktionsmäßigeunddieher‐stellungsmäßige, aufgeteiltwerden. Bei der funktionsmäßigenWirtschaftlichkeitgeht es darum einen hohenWirkungsgrad bei geringemVerlust zu erzielen.Dieherstellungsmäßige Wirtschaftlichkeit beinhaltet minimale Herstellkosten undgeringenWerkstoffaufwand.BeiderHerstellungvonProduktenfallenunterschiedlicheKostenartenan.Diese

setzensichausfixenundvariablenKostenzusammen.FixeKosten:‐ anfallendeKosten,unabhängigvomProdukt‐ ZinsenfürFremdkapital‐ KostenfürVerwaltung,Löhne,GehälterundSteuernVariableKosten:‐ produktionsabhängigeKostenKonstrukteurekönnennurdievariablenKosteneinesProduktskonkretbeein‐

flussen.InsbesonderedurcheinewirtschaftlicheMaterialauswahl,dasVerringernvonFertigungszeitensowieeineandiegeforderteLosgrößeangepassteFertigungundMontage(9).BereitsbeiderErstellungvonLösungsprinzipienkönnenKostengesenktwerden,indemdieBaugrößesokleingewähltwird,wieestechnologischnochvertretbarist.EinenweiterenwichtigenEinflussaufdieHerstellungskostenhatdieAnforderungsliste.IhreAnforderungenundWünschelegenweitgehenddieKostenfüreinProduktfest.EinbewährtesMittelKostenzusenkenistdahereineaktiveZusammenarbeitvonKonstruktion,VertriebundKundeinFormeinerfach‐lichenBeratung.HierbeisollversuchtwerdensichmitdemKundenaufbewährteund vorhandene Standardlösungen, anstatt auf teure kundenspezifische Sonder‐konstruktionenzueinigen.UmverschiedeneDesignentwürfeundFertigungsopti‐onen gegeneinander zu bewerten ist es jedochwesentlich die Kosten bereits ineinerfrühenEntwicklungsphaseabschätzenzukönnen.Beineuzukonstruieren‐den Produkten sollte unbedingt ein Kostenziel vor der Entwicklung festgelegtwerden.Nurdadurchkanngewährleistetwerden,dasseineKostenuntersuchungwährenddesKonstruktionsprozessesstattfindet.Es gibt unterschiedliche Kostenuntersuchungen die bereits während der Ent‐

wicklungsphaseAnwendung finden. Zweiweit verbreitet KostenuntersuchungenwerdenimFolgendenvorgestellt.

VereinfachteErmittlungvonMaterial‐undHerstellkostennachVDI2225

DieRichtlinie ermöglicht es,mit einfachenÜberschlagsrechnungen, eineKosten‐abschätzungdurchzuführen.JenachBedarfistesmöglichFaktorenwieLohnkos‐ten,Lager‐undLieferkostenoderFertigungskostenmitindieRechnungeinzube‐


26

ziehen,umdarausdieHerstellkostennäherungsweisezubestimmen.SoistesdemKonstrukteur frühzeitig möglich nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu kon‐struierenundseineIdeengegebenenfallszuüberarbeiten.AusdenmaßstäblichenSkizzen eines Entwurfes können für jedes Bauteil die BruttowerkstoffkostenWbermitteltwerden.HierzumüssenvonallenBauteilendasNettomaterialvolumenVnunddasBruttomaterialvolumen(Halbzeugvolumen)Vbabgeschätztwerden.

Abbildung2‐14:GrundbegriffederKostenrechnungVDI2225

InAbbildung2‐14sindalleKostenartendiemitderVDI2225berechnetwerdenkönnen aufgeführt. Über Proportionalitätsfaktoren können einige Kostenanteileschnellerabgeschätztwerden.HierbeimussabereinGenauigkeitsverlustderKos‐tenberechnung in Kauf genommen werden. Mit dieser Richtlinie kann ein Kon‐strukteurabhängigvondenIhmzurVerfügungstehendenDatenundderverfüg‐barenZeiteinedetaillierteoderschnelleKostenabschätzungdurchführen.

Relativkosten

MitdemRelativkostenansatzkönnenLösungenuntereinanderverglichenwerden.HierzukönnenRelativkosten‐Katalogeherangezogenwerden(35).


27

FirmenhabeneigeneDatenüberdieKostenunterschiedlicherNormteile,Mate‐rialienundFertigungsprozessen.UnterschiedlicheLösungenkönnenanhanddie‐ser Parameter gegeneinander verglichen werden. Somit kann der KonstrukteurschnellundzuverlässigdiekostengünstigsteLösungausfindigmachen.Relativkos‐teneignensichjedochnichtfürKalkulationen(31). EineKostenbetrachtungamAnfangvonProduktentwicklungen istmöglich.Bis

zuwelchemDetailierungsgradeineKostenabschätzunggemachtwerdenkann istjedoch stark von der Branche, der zur Verfügung stehenden Informationen, derKomplexitätundderStückzahldesProduktesabhängig.GewisseEinflüsse,dieeinProduktaufdieentstehendenKostenhat,sindnurschwervorherzusagen.RelativeKostenbetrachtungen zwischen konkurrierenden Konstruktionsprinzipien resp.LösungensindfürdieBewertungundAuswahlinjedemFallsinnvoll.

2.3. Das Druckgussverfahren

DerDruckgussprozessisteinhochautomatisiertes,industriellesGießverfahren.EswirdinsbesonderefürdieMassenproduktionvongeometrischkomplexenBautei‐len eingesetzt. Fast 70% der deutschen Druckgussproduktion entfallen auf dieAutomobilindustrie(36).BeimDruckgießenwirddasflüssigeMetallmithilfeeinesKolbensunterhohemDruckundmithoherGeschwindigkeit ineinWerkzeugge‐presst. Die verwendeten Dauerformen bzw.Werkzeugewerden im AllgemeinenvonspezialisiertenmittelständischenUnternehmenentwickeltundgefertigt(37).Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Druckgussmaschinentypen, Kaltkam‐

mer‐undWarmkammermaschinen.InWarmkammerdruckgussmaschinen(WKM)wirddieGießkammeraufSchmelztemperaturvorgeheizt.DieseragtindenTiegelundliegtwährenddesgesamtenGießprozessesinderSchmelze.MaschinendiesesTypseignensichbesondersfürZink‐undMagnesium‐Legierungen.Aluminiumle‐gierungensindmitdiesenMaschinennichtvergießbar,dadieAluminiumschmel‐ze,bedingtdurchdiehohenGießtemperaturenunddiehoheLöslichkeitfürEisen,dasGießkammermetallallmählichauflösenwürde(38).UmAluminiumund anderehochschmelzendeMetalle imDruckgussprozess zu

verarbeiten kommen Kaltkammerdruckgussmaschinen (KKM) zum Einsatz. InKKMs ist die Gießkammer nicht ständig mit der Schmelze in Kontakt. Das ge‐schmolzeneMetallwirdbeidiesemVerfahrenindieGießkammergefüllt.DieBe‐füllung erfolgt heute in der Regelmaschinell, kann aber auchmanuell durchge‐führtwerden.Eine Druckgießmaschine besteht aus Gieß‐ und Formschließeinheit. Zur Gieß‐

einheitgehörenderGießantriebunddieGießgarnitur,bestehendausGießkammerundGießkolben.DiebeidenAufspannplattenmitdemZuhaltemechanismusbilden


28

die Formschließeinheit. Zwischen diesen Platten wird das Druckgusswerkzeugaufgespannt(vgl.Abbildung2‐15).

Abbildung2‐15:GießanordnungKaltkammerdruckgussmaschine

DerGießvorgangbeginntmitdemFüllenderGießkammerdurchdieEinfüllöff‐nungmitflüssigemMetall.ImAnschlusswerdendiedreiPhasendesDruckgießensdurchlaufen:

‐ 1.Phase‐Vorlauf:LangsamesAnfahrendesGießkolbens,damitkeinMetallaus der Füllöffnung der Gießkammer herausgeschleudert wird und keineVorlaufwelleentsteht.

‐ 2.Phase–Formfüllung:DerGießkolbenwirdaufhoheGießgeschwindigkeitbeschleunigtundpresstdasflüssigeMetalldurchdenAnschnittindieForm.

‐ 3.Phase–Nachdruck: IstderFormhohlraumvollständigmitMetallgefüllterfährt der Gießkolben eine schlagartige Abbremsung und derNachdruckwirdaufgebaut.DieserdientderNachverdichtungdesGussstücksundzumAusgleichderVolumenkontraktion(39).

Nach der Erstarrung wird das Druckgusswerkzeug geöffnet und das GussteilwirdmitHilfederautomatischbetätigtenAuswerferstifteausgeworfen.Nacher‐folgreicherEntnahmedesGussteilswerdendieAuswerferindieAusgangsstellungzurückgezogen,dasTrennmittelwirdaufgetragenunddasWerkzeugwieder ge‐schlossen.DerZykluskannwiedervonvornebeginnen.


29

2.3.1. Prinzipieller Aufbau eines Druckgusswerkzeuges

DruckgusswerkzeugebestehenauseinerbeweglichenundeinerfestenFormhälfte(vgl.Abbildung2‐16).DieKomponentendiemitderSchmelze inKontakt treten,z.B. Einsatz und Amboss, werden fest mit dem Formrahmen verschraubt. Füh‐rungssäulen in der festen Formhälfte und Führungsbuchsen in der beweglichenFormhälfte sorgendafür, dassdasWerkzeugbeimSchließen zentriertwird.DerFormrahmenderfestenFormhälftewirdmitderAufspannplatteverschraubt.AufderbeweglichenFormhälftebefindensichDistanzleistenzwischenderAufspann‐platteunddemFormrahmen(vgl.Abbildung2‐17).IndemaufdieseWeisegebil‐detenZwischenraumbefindetsichdasAuswerferpaket,welchesüberAuswerfer‐stangenmitderDruckgießanlageverbundenwird. ImAuswerferpaket sindAus‐werferstifte eingebaut, die bei Betätigung das Gussteil bei geöffneter Form aus‐werfenkönnen.

Abbildung2‐16:AufbauDruckgusswerkzeug

DieersteStrukturinderbeweglichenFormhälftediemitderSchmelzeinKon‐taktkommt,istderAmboss.DieserdientderUmlenkungdesSchmelzstromesausderhorizontalenineinevertikaleRichtung.AufdenAmbossfolgtderEinsatzmit


30

demGießlauf,derdenSchmelzestromaufeinenodermehrereAnschnitteverteilt.Diemit der Schmelze in Kontakt tretenden Komponenten sind in der RegelmitTemperierkanälen ausgestattet. Diesewerden beimAufheizen undwährend desBetriebs mit einem Temperiermedium, im Allgemeinen einem Wärmeträgeröl,durchströmt.

Abbildung2‐17:StrukturdefinitionGusswerkzeug

2.3.2. Dimensionierung des Gießsystems

Vor demAusgestalten einesDruckgusswerkzeugesmuss einGießsystem für dasherzustellendeGussteilentwickeltwerden.DasGießsystemkann in folgendeBe‐standteile aufgeteiltwerden: Pressrest, Gießlauf, Anschnitt, Überlaufbohnen undEntlüftungskanäle(vgl.Abbildung2‐18).DerGießlaufführtdasflüssigeMetallun‐ter weitestgehender Vermeidung vonWärme‐ und Druckverlust zum Anschnitt.DerAnschnittverbindetdenGießlaufmitdemeigentlichenGussteilundsorgtda‐für,dassdieSchmelzeindenFormhohlraumgelangt.DieÜberlaufbohnensorgenfüreinegezielteFüllungdesGussteilsundeinenAbtransportvonVerunreinigun‐gen,imallgemeinenOxidediesichanderSchmelzefrontbefinden(38).DieEntlüf‐tungskanäle führen die im Hohlraum der Kavität befindliche Luft während desGießensmeistvondenÜberlaufbohnenausgehendzudenFormeinsatzkanteno‐derübereinangeschlossenesVakuumsystemab.DerPressrestfungiertalsPuffer


31

undsorgtnachBeendigungderFormfüllungdafür,dassderGießkolbennichtmitdemAmbosskollidiert.

Abbildung2‐18:Gießsystem

VordergeometrischenGestaltungdesGießsystemsmussalserstesdieGießzeitdefiniert werden. Die Gießzeit beinhaltet weder den so genannten Vorlauf desGießkolbensbeimAnfahren,nochdieNachverdichtungnachbeendeterFormfül‐lung.HierzugibtesunterschiedlicheVorgehensweisen.Die„DieCastingResearchFundation(DCRF)“hatzudiesemZweckalsersteseineGesetzmäßigkeitzwischenGießzeitundWanddickedefiniert.BasierendaufdiesenErkenntnissenwurdeeinDruckguss‐Rechenschieberentwickelt.DieErgebnissedieserUntersuchungenzei‐gen eine deutliche Abhängigkeit der Formfüllzeit von der mittleren Gussstück‐wanddicke.BasierendaufdiesenErgebnissenentwickelteJ.CzikeldielineareRe‐gressionsgleichung(40):

0,04 1 0,02Mit : Gießzeit [s]

: MittlereGussstückwanddicke [mm](anwendbarfür:1,5< <6,4)

F.C.BennettentwickelteimJahr1967eineBerechnungderGießzeitaufthermo‐

physikalischenGrundlagen.ZurBerechnungderGießzeitwirdeineFlächeneinheit


32

desDruckgussbauteilsbetrachtet.UnterBerücksichtigungderWanddickewirddieZeit berechnet, inderdasGussstück seine Schmelz‐ undÜberhitzungswärmeandie Formwand abgegeben hat. Auf dieseWeise ist es möglich die während derFormfüllung abgegebeneWärme q der Summe der Schmelz‐ und Überhitzungs‐wärmegleichzusetzenunddarausdieGießzeitzuberechnen(41):

∗∗ ∗

Mit : währendderFormfüllungabgegebeneWärme [cal] : Wärmeleitfähigkeit [cal/(cmsgrad)] : Oberfläche [cm2] : TemperaturanderMittelebene [°C] : TemperaturanderFormwand [°C] : AbstandderMittelebenevonderFormwand, d.h.halbeWanddicke [cm]

Die Temperatur in der Mittelebene ist der Temperatur des eingepressten

Metalls gleichzusetzen und die Temperatur entspricht jener der Formwandunmittelbar vor der Formfüllung (41). Mit dieser Formel können gewöhnlicheGussstückemit befriedigenderQualität hergestelltwerden, soferndie angegebe‐nen Füllzeiten eingehaltenwerden. Um eine ausgezeichnete Gussoberflächenbe‐schaffenheitmitSicherheitzuerreichenwirdempfohlen,dieGießzeitum30%zuverkürzen.PraktischeVersuchebestätigtendieausgezeichneteÜbereinstimmungdiesesZusammenhangs(42).Später, im Jahr1969,wurdenvonH.H.PokornydieermitteltenGießzeitwerte

vonF. C.Bennett noch geringfügig verbessert.Die vonBennett aufgestellteGlei‐chung wurde mit einem wanddickenabhängigen Temperaturanstiegsfaktor er‐gänzt. Dieser Faktor beträgt 1,15 für dünnwandige und 1,25 für dickwandigeGussstücke.FürdünnwandigeGussstückegilt(43):

∗∗ ∗ 1,15 ∗

FürdickwandigeGussstückegilt:

∗∗ ∗ 1,25 ∗

DieGießzeitenvonH.H.PokornysindsomitnochkürzeralsdievonF.C.Bennettvorgeschlagenen.HiermitsolldieEntstehungvonGussfehlern,diedurcherhebli‐


33

cheAbkühlungbzw.vorzeitigeErstarrungderSchmelzewährendderFormfüllungverursachtwerden,vermiedenwerden.InderFachliteraturwurdevonB.NogowizinebenfallseineFormel fürdieBe‐

stimmungderGießzeitvorgeschlagen.DieGießzeitberechnungbasiert,wiebeiF.C.Bennett,aufeinerBilanzderzugeführtenundabgegebenenWärme.HierbeiwirdeinflachesVolumenelementdesGussstücksbetrachtetunddieZeitberechnetbisdieses Volumenelement seine Schmelzwärme an die Formwand abgegeben hat(44).

2 ∗ ∗ ∗ ∗

2 ∗ ∗ ∗ ∗ ∆0,5 ∗ ∆

Mit

5 0,025 ∗ 2 ∗ ∗ ∗ ∗ ,

∗ ∗ Mit :SchmelzwärmederLegierung [kJ/kg] : LiquidustemperaturderLegierung [°C] : AnteilderFestenPhase [/]

∆ : TemperaturintervallzwischenderLiquidustemp.undderTemp.,beidereinAnteil vonfesterPhasegebildetwird [°C]

: FormtemperaturvordemGießen [°C] : DichtedesFormwerkstoffes [kg/m³] : spezifischeWärmekapazitätdesFormwerkstoffes [kJ/kgK] : WärmeleitfähigkeitdesFormwerkstoffes [W/mK]AusderGleichungfolgt,dassdieGießzeitvondermittlerenGussteilwanddicke,

den Eigenschaften des Formwerkstoffes und der Druckgusslegierung, der Strö‐mungsgeschwindigkeit der Legierung im Formhohlraum, dem Anteil der festenPhase in der Schmelzfront sowie der Formtemperatur vor demGießen abhängt.Bei einem Festphasenanteil von über 20% im vorderen Gießsystem stockt dieSchmelzebewegungbeitraditionellenGussverfahren.DabeimDruckgießverfahrenhoheGeschwindigkeitenundDrückevorliegen,kannderAnteilder festenPhaseimSchmelzestromgrößeralsbeiherkömmlichenGussverfahrensein.DieSchmel‐zebewegungimFormhohlraumistbeimDruckgießenbiszueinemFestphasenan‐teilvon70%möglich.Dasentsprichteinemn‐Wertvon0,7unddientalseinAn‐


34

haltspunktzurBestimmungdermaximalenGießzeit.DieStrömungsgeschwindig‐keit von 3m/s im Formhohlraum ist als weiterer Grenzwert angenommen, beidemdieSchmelzeimFormhohlraumnochfließenundOberflächenfehlervermie‐denwerdenkönnen.DiemaximaleGießzeit lässt sich somit inAbhängigkeit vonderFormtemperatur unddermittlerenGussteilwanddickesmberechnen.J.Kopfhat1970,dieAbhängigkeitderGießzeitzudermittlerenGussteilwanddi‐

ckefüreinegroßeAnzahlvonGussstückenuntersuchtundhatfürdenpraktischenBedarfeinenlinearenZusammenhangdefiniert(45):

12,5 ∗ Mit : MittlereGussstückwanddicke [mm]

Abbildung 2‐19 zeigt die Abhängigkeit der Gießzeit von der mittleren Guss‐stückwanddicke für Aluminiumlegierungen. DieWerte der Gießzeit reichen von4ms–13ms füreineWanddickevon1mm,bishinzu75ms–324ms füreineWanddicke von 6mm (46). Es ist zu erkennen, dass die vom AnlagenherstellerBühlervorgeschlagenenGießzeitennaheandenenvonJ.Kopfliegen.AmGiessereiInstitutwird ineinemerstenSchrittdieGießzeitnachJ.Kopfverwendet.Hieraus

Abbildung 2‐19: Gießzeiten für Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von dermittlerenGussstückwanddicke

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6

Gieß

zeit [m

s]

mittlere Gussstückwanddicke [mm]

Vergleich der berechneten Gießzeiten

J.Czikel UntergrenzeJ.Czikel ObergrenzeF.C.Bennett [260°C]H.H.Pokorny [260°C]B.Nogowizin [260°C]J. KopfBühler [250°C]


35

resultiert dann auch die maximale Gießkolbengeschwindigkeit derDruckgussanlage. Während des Produktionsbetriebes kann die Gießzeit dannerhöhtwerdenindemdieKolbengeschwindigkeitgedrosseltwird.NachdemBerechnenderGießzeitmusseineAnnahmeüberdieStrömungsge‐

schwindigkeit im Anschnitt gemacht werden. Die Strömungsgeschwindigkeit istabhängigvonderLage,derGeometriedesGussteilsunddemzuvergießendenMa‐terial. Die Aufprallgeschwindigkeit des flüssigen Metalls an Kernen oder Form‐wänden sollte nicht zu hoch sein. Sind im Bereich des Anschnittes Kerne oderFormwände vorhanden die direkt von der einströmenden Schmelze getroffenwerden, istdieEinströmgeschwindigkeitniedrigerzuwählenumdieErosionamWerkzeug zu verringern (46). Die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit desGussteils übt ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf die Wahl der Strö‐mungsgeschwindigkeit aus. Ist eine sehr gute Oberfläche gewünscht, sollte eineerhöhteAnschnittgeschwindigkeitgewähltwerden.DiegewählteGeschwindigkeitmussjedochimmerimzulässigenBereichfürdaszuvergießendeMaterialliegen.BeiAluminiumlegierungistdieserBereichzwischen25m/sund60m/sangesie‐delt. Es gibt zwei gängige Berechnungsverfahren für die optimale Strömungsge‐schwindigkeit imAnschnitt. Strömungsgeschwindigkeit imAnschnitt nachNogo‐wizinwanog:

,

Mit : KonstantederStrömungsgeschwindigkeit(fürAluminumlegierungenkw=50m/s)

: GewählteDickedesAnschnitts [mm]StrömungsgeschwindigkeitimAnschnittnachPokornywapok:

,

Mit : Strömungskonstante(fürAl‐LegierungenCw=51) : MittlereGussstückwanddicke [mm]DieRichtwertefürminimaleAnschnittdickenimAluminiumdruckgussvariieren

jenachGussteildickevon1,0bis2,5mm(42).MinimaleAnschnittdickedamin:Für1≤sm<3,4:

0,5 0,185 ∗ Mit : MittlereGussstückwanddicke [mm]


36

Für3,4<sm≤6: 3

Mit : MittlereGussstückwanddicke [mm]Nach Berechnung beider Strömungsgeschwindigkeiten soll eine Strömungsge‐

schwindigkeit wa ausgewählt werden. Nachdem Formfüllzeit und Strömungsge‐schwindigkeit imAnschnittdefiniertsind,kannderAnschnittquerschnittberech‐netwerden.DieAuslegung,ArtundGeometriedesAnschnittesistvonvielenFak‐torenabhängig.NichtseltenistdieAuslegungdesAnschnittesdurchdiegeometri‐sche Gestalt des Gussstückes sowie dessen Lage in der Druckgussform vorbe‐stimmt.Abbildung2‐20zeigtzweiinderPraxisweitverbreiteteGießlauf‐undAn‐schnitt‐Gestaltungen.

Abbildung 2‐20: Beispiele der Gießlauf‐Anschnitt‐Gestaltung: a.) Fächer undb.)Tangentialgießlauf(modifiziertvon(47))

BeikompliziertengroßflächigenGussteilen istesmeistnichtmöglichdieFormmitnureinemAnschnittzufüllen.IndiesemFallwerdenMehrfachanschnittezurFormfüllunggewählt.DerAnschnitt ist fast immereinbreitgestreckterSpalt.DiekennzeichnendenGrößenimAnschnittbereichsinddieAnschnittdickeda,dieAn‐schnittbreite ,dieLängederAnschnittzunge ,sowiedieRadien , und desÜbergangsvomGießlauf indenAnschnitt (vgl.Abbildung2‐21 ).Diese sindvondenAnschnittdickenabhängigundkönnenwiefolgtbestimmtwerden(48):

2 4 ∗ 2 4 ∗


37

2 3 ∗ 1,5 ∗ 0,5 ∗

Abbildung2‐21:ZweiGestaltungsvariantenfürAnschnitte(48)

Die Gestaltung eines Gießsystems ist imWesentlichen von der Art derDruck‐gießmaschine, der Geometrie des Gussteils sowie der Anzahl der Kavitäten imDruckgießwerkzeug abhängig. Bei horizontalen Kaltkammermaschinen müssendieFormhohlräumeimBereichoberhalbderGießkammerangeordnetwerden,umeinEinlaufenderSchmelze indenFormhohlraumvorBeginnderFormfüllphasezuverhindern.DieGestaltdesGießlaufsistüberdiePositiondesAnschnittesteil‐weisefestgelegt.DerGießlaufsolldieSchmelzeaufkürzestemWege,ohneUmlen‐kungenzudenAnschnittenführen.BeiderGestaltungdesGießsystemsistbeson‐dersdaraufzuachten,dasseinekontrollierteMetallströmunggewährleistetwird.Das flüssigeMetall sollmiteinemMinimumanTurbulenz,Druck‐undTempera‐turverlust zu den Anschnitten gelangen. Scharfkantige StrömungsumlenkungenführenvornehmlichzurWirbelbildungundeinerAbbremsungderStrömungsge‐schwindigkeit (48).DieAbbremsung imGießlaufverursachtnichtnurWirbelbil‐dung, sondern auch StrömungsablösungenmitwanderdenWirbeln und Lüftein‐schlüssenundsolltendahervermiedenwerden.BeiderAuslegungdesGießlaufssolltenDickeundBreitesogewähltwerden,dasseineübermäßigeAbkühlungderSchmelze und eine unnötige Erhöhung des Strömungswiderstandes vermiedenwerden. Abbildung 2‐22 zeigt zwei weit verbreitete Gießlaufquerschnitte. DieQuerschnittesindgleichgroß,beiunterschiedlicherForm.Durchdieunterschied‐lichenUmfängederbeidenQuerschnitteunterscheidensichdieAbkühlbedingun‐gen. Zweckmäßig sind beide gezeigten Querschnitte, wobei die trapezförmigenaufgrund der einfachen Fertigung bevorzugt werden. Für den trapezförmigen


38

QuerschnittwirdempfohlendieGießlaufbreitebetwa60bis80%größeralsdieGießlauftiefeδzubemessen(43).

Abbildung 2‐22: Querschnittformen für denGießlauf, dargestellt für gleichgroßeQuerschnitte.

InAbbildung2‐20undAbbildung2‐21sindtypischeGießlauf‐undAnschnittge‐staltungenundderenAnordnungsmöglichkeitendargestellt.UmdenQuerschnittdesAnschnittsbestimmenzukönnenmussalserstesdasüberdenAnschnitt zufüllendeVolumenV0berechnetwerden:

ü . Mit : VolumendesGussteils [cm³] ü .: VolumenderÜberläufe [cm³]NunkannderAnschnittquerschnittbestimmtwerden.Hierzugibteszweiunter‐

schiedliche Berechnungsverfahren, über die Dichte der Legierung oder die ge‐wünschtemittlereStrömungsgeschwindigkeitdesMetallsamAnschnitt:

0,18 ∗ ∗ Mit : DichtederDruckgusslegierungbei20°C [g/cm³] : VolumenvorAnschnitt [cm³]

∗

Mit : Gießzeit [ms]: MittlereStrömungsgeschwindigkeitdes

flüssigenMetallsimAnschnitt [m/s] : VolumenvorAnschnitt [cm³]


39

Der gewählteAnschnittquerschnitt Sa sollte sich inderGegendder vorherbe‐rechnetenQuerschnittebefinden.MitderDickedaunddemQuerschnitt Sa kannnundieAnschnittbreitebabestimmtwerden:

Mit : GewählterAnschnittquerschnitt [mm] : GewählteDickedesAnschnitts [mm]SinddieParameterGießzeit,Geschwindigkeit,Querschnitt,BreiteundDickedes

AnschnittsdefiniertkannüberdenhydraulischenDurchmesserdesAnschnittsdieminimale Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Hydraulischer Durch‐messerdesAnschnittsdh:

2 ∗ ∗ Mit : GewählteBreitedesAnschnitts [mm]MinimaleStrömungsgeschwindigkeitimAnschnittwamin:

265 ∗ ,

, ∗,

Mit : HydraulischerDurchmesserdesAnschnitts [mm] : KinematischeViskositätderflüssigenDruck‐ Gusslegierung [m²/s] : OberflächenspannungderflüssigenDruckguss‐

Legierung [N/m] : DichtederflüssigenDruckgusslegierung [kg/m³]Liegt die gewählte Geschwindigkeit wa über der minimalen Geschwindigkeit

waminkannmitdengewähltenParameterndasGießsystemkonstruiertwerden.IstdiesnichtderFallsolltewa>1,5wamingesetztunddierestlichenParameterneuberechnetwerden.UmdenEntlüftungsquerschnittdesGießsystemszubestimmengibtessehrun‐

terschiedlicheAnsätze.EntlüftungsquerschnittdesFormhohlraumsnachBreitin‐gerSe:

∗

Mit : StrömungsgeschwindigkeitimAnschnitt [m/s]


40

: AusflussgeschwindigkeitvonGasenausdemFormhohlraum [m/s]

: Anschnittquerschnitt [mm2]EntlüftungsquerschnittdesFormhohlraumsnachReimerSe:

Mit : Anschnittquerschnitt [mm2]Am Gießerei‐Institut wird im Allgemeinen der Entlüftungsquerschnitt nach

Reimerverwendet.ImAnschlusserfolgtdieBestimmungdesGießlaufquerschnittes.DieFestlegung

des Gießlaufquerschnittes ist für die wirtschaftliche Produktion respektive dieVerminderungdesKreislaufmaterialsvonzentralerBedeutung.DerGießlaufquer‐schnittrichtetsichnachdemerforderlichenAnschnittquerschnittundistnorma‐lerweisegrößeralsdieser.InderFachliteraturgibtesunterschiedlicheMeinungenbezüglichderVergrößerungdesGießlaufquerschnitts.W.Davokhatvorgeschrie‐ben,dassbeiHorizontalkammermaschinenderGießlaufquerschnittdas1,5fachedesAnschnittquerschnittsnichtüberschreitensoll.EineähnlicheMeinungvertrittH.H. Pokorny, von ihmwird ein Querschnittverhältnis von 1:1,25 bis 1:1,6 zwi‐schenAnschnittundGießlaufvorgeschlagen.F.C.BennettempfiehlthingegendenGießlaufquerschnittumdasDreifachezuvergrößern.NachBrunhuberistvonei‐ner zwei‐ bis vierfachen Erhöhung des Anschnittquerschnittes bei der Gießlauf‐querschnittsbestimmungdieRede (42).Obwohl es verschiedeneAnsichten bzgl.des Faktors zwischen Anschnitt‐ und Giesslaufquerschnitt gibt ist allen gemein,dassdieStrömungsquerschnittevomEingusszudenAnschnittenkeinesfallsgrö‐ßerwerden,sondernkonstantbleibenoderabnehmensollten.JüngereVeröffentlichungenausAustralienzeigen,dassdieQualitätvonGusstei‐

len sogar durch einen, im Vergleich zum Anschnittquerschnitt kleineren, Quer‐schnitt des Gießlaufs, sog. ATM (Advanced ThixotropicMetallurgy) Technologie,zunehmen kann. Die ATM Technologie wurde von der australischen staatlichenBehördefürwissenschaftlicheundindustrielleForschungCSIRO(CommonwealthScientific and Industrial Research Organisation) entwickelt und patentiert (49).EinHauptbestandteildieserTechnologie istderMPC(meltpre‐conditioner).DerMPC ist eineEinschnürung imGießlauf (vgl.Abbildung2‐23).NachAussagederAutorenwerdendurchdieseKonstruktionScherkräfteundhoheTurbulenzen inderStrömungerzeugt.UnterdiesenBedingungenwerdendieschon im flüssigen


41

Metall vorhanden Gasporen und erstarrende Körner zerbrochen. Die Strömungder Schmelzewird verbessert unddieEntstehungvonKaltlaufstellendurchdenZusammenstoß der separaten Strömungsfronten um ca. 30% verringert. DieGussstückehabeneinsauberes,feinesundhomogenesGefügemitkleinerenDend‐ritenarmabstände (DAS)alsüblichundaußergewöhnlichniedrigePorosität,waszuhöherenmechanischenEigenschaftenderDruckgussteileführt.DieVorteilederATM Technologie können ohne zusätzliche Ausrüstung der Druckgießmaschinegenutztwerden.ZudiesenVorteilengehören,nebendenbereitsgenannten,u.a.die Verringerung von Ausschussrate, Druckgießzykluszeit und KreislaufmaterialsowiedieWärmebehandelbarkeitderGussstücke((50),(51),(52)).

Abbildung2‐23:SchematischeDarstellungdesMPC(meltpre‐conditioner)Kon‐struktion(24)

WieindiesemKapitelzusehen,gibtesjenachVerfassergroßeAbweichungeninderBerechnungderGießparameter.DadieBerechnungdesAnschnittquerschnittsdirektmitderGießzeitzusammenhängtkanndieserebenfallssehrunterschiedlichausfallen.Auchbei derBestimmungdesGießlaufquerschnitts ergeben sich hier‐durchgroßeAbweichungen.DiebekanntenRichtlinienempfehleneinedeutlicheVergrößerung des Gießlaufquerschnitts im Vergleich zum Anschnittquerschnitt.DagegenzeigenneueVeröffentlichungen,dassbeikleinerdimensioniertemGieß‐laufmitangepassterGeometriesogarbessereErgebnisseerreichenwerdenkön‐nen.DieindiesemKapitelbeschriebenenAuslegungsregelnwerdenbeigeometrisch

komplexen Gussteilen immer durch Formfüll‐ und Erstarrungssimulationen er‐gänzt.HierbeiistinsbesonderedieLagederAnschnitteamGussteilvonentschei‐


42

dender Bedeutung. Die Formfüllung eines komplexen Gussteils kann nur durchErfahrungundentsprechendeSimulationsschleifenoptimiertwerden.2.3.3. Dimensionierung des Temperiersystems

EinTemperiersystemimDruckgussprozesshatimWesentlichenzweiFunktionen,esmuss inderLage seindasWerkzeugvorder eigentlichenProduktion aufBe‐triebstemperaturzubringenundwährenddesProzesseseinegeeigneteBetriebs‐temperatur einstellen und diese auchhalten zu können.Dies bedeutet, dass dasTemperiersystemwährenddesBetriebsabwechselndheiztundkühlt((42),(53)).EinTemperiersystembesteht imAllgemeinen aus einemodermehrerenHeiz‐

Kühl‐Geräten bzw. Temperiergeräten, Verbindungsschläuchen und den Tempe‐rierkanälen imDruckgusswerkzeug(vgl.Abbildung2‐24, (54), (55)).TemperiertwirdmiteinerWärmeträgerflüssigkeit,zumBeispieleinWärmeträgeröl(syntheti‐sche Spezialöle) oderWasser.DieseWärmeträgerflüssigkeitwird imTemperier‐gerätaufdiegewünschteTemperaturgebrachtunddurchdasKanalsystemgeför‐dert.IstdasWärmeträgermediumwärmeralsdiedenKanalumgebendeFormsowird die Form aufgeheizt, im anderen Fall findet eineKühlung statt ((42), (54),(56)).

Abbildung2‐24:SchemabildeinesTemperierkreislaufs

UmüberdieProduktionszeiteinegleichbleibendeQualitätderGussteilezuge‐währleisten,dürfendieProzessbedingungennurinminimalenToleranzbereichenschwanken.Diesgilt insbesondere fürdieTemperaturderKavitätdesWerkzeu‐ges,diebeijedemZyklusdengleichenVerlaufhabensollte(57).InAbbildung2‐25 ist derTemperaturverlauf dermit der Schmelze inKontakt

tretenden Einsatzoberfläche während einiger Druckgusszyklen dargestellt. DieMessungen wurden an einem Testwerkzeug am Gießerei‐Institut der RWTH


43

Aachen durchgeführt. Direkt nach der Formfüllung erreicht die FormoberflächeihremaximaleTemperatur.DurchdasÖffnenderForm,demAuswerfendesBau‐teilsunddemTrennstoffsprühenwirddieFormanschließendgekühlt.Jenachdem,ob die Kühlwirkung durch das Trennstoffsprühen, oder die Erwärmung mittelsEnergieeintragdurchdie Schmelzeüberwiegt, kann im fortschreitendenProzessdie Formoberflächentemperatur sinkenbzw. steigen,was zu einerVerschlechte‐rung derBauteilqualität führen kann.Die Temperierung hat an dieser Stelle dieAufgabe,durchKühlenoderHeizen,diemittlereTemperaturderFormoberflächeüberdieProzesslaufzeitaufeinemkonstantenNiveauzuhalten.

Abbildung 2‐25:Oberflächentemperatur des EinsatzeswährenddesGießprozes‐ses

Die Temperaturreglung desWerkzeuges kann auf drei unterschiedliche Artengeschehen:

1. Vorlauftemperaturregelung:DerTemperaturfühlerbefindet sich imZulaufdesDruckgusswerkzeuges.BeidieserRegelungsindkeineRückschlüsseaufden Leistungsbedarfmöglich. Bei thermisch relativ ausgeglichenenWerk‐zeugen, indenendieWärmehauptsächlichverteiltwerdenmuss, istdieseRegelungzuempfehlen.

2. DirektregelungmittelsThermoelement imWerkzeug:IndiesemFallbefin‐detsichderTemperaturfühlerimBereichderTemperierkanäle.DieseRege‐

150

200

250

300

350

2000 2200 2400 2600 2800 3000

Tempe

ratur [°C]

Zeit [s]


44

lungsart istmitProblemenbehaftet.AufdereinenSeite istes inderRegelnichtmöglicheinefürdasgesamteWerkzeugrepräsentativePositionierungdesThermoelementszufinden,dadieTemperaturverteilunginnerhalbdesWerkzeuges sehr heterogen sein kann. Andererseits kann es, durch eineStörungdesThermoelements,zueinerFalschregelungdurchÄnderungdesWärmeübergangszwischenWerkzeugundFühlerkommen.

3. Rücklauftemperaturregelung:DerTemperaturfühlerbefindetsichimRück‐laufdesDruckgusswerkzeuges.DadurchwirdeineguteAnkopplungderRe‐gelungandieFormtemperaturerreichtundeinmassivesundlanganhalten‐des Ausregeln von Störungen ermöglicht. Insbesonderewerden Tempera‐turspitzen, die an der Konturoberfläche auftreten, ausgeglichen. DieseArtder Regelung empfiehlt sich besonders für Werkzeuge, die einen großenLeistungsbedarfbeiderProduktionhaben.

BeimTemperiersystembestehtdiegrößteHerausforderungineinersinnvollenAuslegung der Temperierkanäle. Um die vom Temperiergerät angebotene Leis‐tung gleichmäßig über die Formkonturoberfläche zu verteilen ist es notwendig,dass Temperiergerät und Temperierkanalsystem aufeinander abgestimmt sind.Wenn die Temperierkanäle falsch ausgelegt sind, kann die an den Heiz‐Kühl‐GeräteneingestellteLeistungnichtvollständiggenutztwerden((53),(58)).Die übertragbare Leistung des Temperiersystem hängt Hauptsächlich von fol‐

gendenEinflussgrößenab(58):‐ Durchschnittliche Temperatur des Wärmeträgermediums im thermischen

GleichgewichtszustandderFormwährendderProduktion‐ Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in den Temperierkanälen der

Form‐ TemperierkanaldurchmesserinderFormNebenderHeizleistungmussauchdiePumpeandenHeiz‐Kühl‐Geräteneinen

den Temperierkanälen angepassten, ausreichenden Arbeitsdruck bereitstellen.DurchdieWandrauheitderKanäle,sowiedurchKrümmungenundQuerschnitts‐änderungenkommtesindenTemperierkanälenzuDruckverlusten(59).Umdengewünschten Volumenstrom des Temperiermediums sicherzustellen sollte diePumpe,unabhängigvomGegendruck,einekonstanteFördermengegewährleisten.Dies wird durch eine Zwangsförderung erreicht, z.B. mit einer Zahnradpumpe.WenndiePumpebei festgelegterMedientemperatur ihremaximaleLeistungab‐ruft,istkeineweitereOptimierungderFormtemperaturmöglich,dadieTemperie‐rung imWesentlichenvonderDurchflussmengeabhängt,diewiederumvomKa‐nalquerschnittabhängigist((58),(59)).


45

DierichtigeAuslegungderTemperierkanäleistgegenüberderWahldesTempe‐riergerätetypsoderdesRegelverhaltensvonweitgrößererBedeutung(53).Einefertigungstechnisch aufwendige und dadurch teure Lösung ist das gleichmäßigeEinbringenvonvielenKanälenmit relativgeringemDurchmesser.Dadurchwirddie Kanaloberfläche, also die Kontaktfläche zwischen Temperiermedium undForm,maximiertundalsFolgedessendieWärmeübertragungverbessert. InderPraxiswerdenhäufigTemperierkanälemitgroßenDurchmessernrealisiert.DiesistimAllgemeinengünstigerinderFertigungundimBetriebrobuster,dadasVer‐stopfungsrisikominimiertwird.Seidelweist jedochdaraufhin,dasseineDurch‐messervergrößerungeineVerschlechterungdesSystemverhaltensmitsichbringt,da hierdurch derWärmeübergang verringertwird (siehe Gleichung zur Berech‐nung des Wärmeträgerkoeffizienten) (58). Der Wärmeaustausch findet durchKonvektionstatt,diedurchdasströmendeWärmeträgermediumindenKühlkanä‐lenentsteht.DerWärmeübergangskoeffizientderWärmeträgerflüssigkeitαWTMiststarkvondenphysikalischenEigenschaftenderWärmeträgerflüssigkeitunddenStrömungsverhältnissen abhängig. Letztere werden durch die Reynoldszahl Recharakterisiert und machen eine Differenzierung des WärmeträgerkoeffizientenfürfolgendeFällenotwendig:Für2300≤Re≥104gilt:

0,012 ∗ ∗ , 280 ∗ ,

FürRe≥104gilt:

0,023 ∗ ∗ , ∗ ,

DabeiergebensichdieReynoldszahlReunddiePrantlzahlPrausdenGleichun‐gen:

∗ ∗ ∗

Mit: wWTM:Strömungsgeschw.desWärmeträgermediums [m/s] vWTM:kinematischeViskositätdesWärmeträgermediums[m²/s]

dTK: DurchmesserdesTemperierkanals [m]cWTM:WärmekapazitätdesWärmeträgermediums [J/kgK]ρWTM:DichtedesWärmeträgermediums [kg/m³]


46

λWTM:WärmeleitfähigkeitdesWärmeträgermediums [W/mK]DieVerwendungvongroßenMengendesWärmeträgermediumsineinemKreis‐

laufistnichtratsam.HierdurchwirddieTrägheitdesSystemserhöhtundführtzuunnötigemVerbrauch an elektrischer Energie bzw.Kühlwasser. Ein kleinesUm‐laufvolumenbietethingegeneffizienteHeiz‐undKühlleistungen,kurzeReaktions‐zeitenbeiSollwertänderungenundeinenenergiesparendenBetrieb(60).DasTemperiersystemsolldieWerkzeugtemperaturwährenddesBetriebskon‐

stanthalten,daherwirddemSystemWärmeentzogensobalddieFormtemperaturüber derTemperatur desWärmeträgermediums liegt.DieWärmemengeQTK diedasTemperiersystemzu‐oderabführtwirdwiefolgtberechnet:

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Mit: αWTM: Wärmeübertragungskoeffizientder

Wärmeträgerflüssigkeit [W/m²s]TWTMm: mittlereTemperaturderWärmeträgerflüssigkeit

imTemperierkanal [°C]TF: Formtemperatur [°C]

dTK: DurchmesserdesTemperierkanals [m] lTK: LängedesTemperierkanals [m] τz: Zykluszeit [s]NebenderWärmemengekannauchderDruckverlust imTemperiersystemab‐

geschätztwerden.BeiderAuslegungdesTemperiersystemsmussdaraufgeachtetwerden,dassdervomTemperiergerätaufgebrachtePumpendrucküberdemGe‐gendruckdesTemperierkanals,respektiveüberdemDruckverlustimTemperier‐systemΔpgesliegt:

∆ ∗ ∗ ∗2

Mit: ξi: WiderstandszahlenimTemperierkanal [/]

ρWTM:DichtedesWärmeträgermediums [kgm³] λTK: RohrreibungszahlimTemperierkanal [/]

dTK: DurchmesserdesTemperierkanals [m] lTK: LängedesTemperierkanals [m]


47

DieGesamtwiderstandszahleinesTemperierkanalsξTKsetztsichausmehrerenWiderstandszahlendereinzelnenTemperierelementezusammen:

∗ ∗

Mit: ξi: WiderstandszahldesTemperierelements [/] Sk: QuerschnittsflächedesTemperierelements [m²] STK: QuerschnittsflächedesTemperierkanals [m²]Rohrreibungszahlλ:

0,557lg 6,5 0,135 ∗

Mit: Rz: Rauheitstiefe [μm] Widerstandszahlfüreinen90°‐Krümmerξ90°:

° 1,3 ∗ 1 4500

WiderstandszahlfüreineQuerschnittserweiterungξe:1

Mit: A1: geringererQuerschnitt [m²] A2: erweiterterQuerschnitt [m²]WiderstandszahlfüreineQuerschnittsverjüngungξv:

0,707 ∗ 1

Mit: d1: größererQuerschnitt [m²] d2: verjüngterQuerschnitt [m²]In Abbildung 2‐26 ist die Gesamtwärmebilanz einer Druckgussform während

des Betriebs schematisch dargestellt. Den Hauptteil der eingebrachten Wärme‐mengeentfälltaufdieWärmemengederSchmelzeQL.ImnormalenBetriebsolltedieabgeführteWärmemengebeiderTemperierungQTKwährendeinesZyklushö‐her seinalsdieEingebrachte.BedingtdurchdasEinschießenderSchmelzewirdauch noch kinetische Energie eingebracht. Diese kinetische Energie wird durch


48

Reibung inWärmeumgewandelt. Die hieraus resultierendeWärmemenge ist je‐doch sehr schwer zu Quantifizieren. Die Druckgussform verliert passiv WärmeüberdieWärmeleitungindieAufspannplattenQPL,freieKonvektionQKon,unddieWärmestrahlung QStr. Aktiv wird dem Werkzeug noch über das Auftragen vonTrennmittel respektive dem FormsprühenWärme entzogenQSpr. Die abgeführteWärmeüberdasdruckluftblasenundderLuftbeigeöffnetenFormhälftenistver‐nachlässigbarkleinundmussbeieinergrobenAuslegungdesTemperiersystemsnichtmitberücksichtigtwerden.

Abbildung2‐26:WärmebilanzeinesDruckgusswerkzeugs

HierauslässtsichfolgendeWärmebilanzableiten:

DurchdieSchmelzeeingebrachteWärmemengeQL:

∗ ∗ ∗ ∗ .


49

Mit: VL: VolumenderDruckgusslegierung,dasindieGießkammereinströmt [cm³]

ρLLd: DichtederLegierungbeiLiquidustemperatur [kg/m³]hL: Schmelz‐oderErstarrungswärme [J/kg]cL: mittlerespezifischeWärmekapazitätder

DruckgusslegierungimhalbflüssigenZustand [J/kgK]TLLd: LiquidustemperaturderDruckgusslegierung [°C]TLSd: SolidustemperaturderDruckgusslegierung [°C]cLm: mittlerespezifischeWärmekapazitätder

DruckgusslegierungbeidermittlerenTemperaturzwischenSolidustemperaturundderEntformungstemperaturdesGussstücks [J/kgK]

TEntf.: EntformungstemperaturdesGussstücks [°C]ÜberKonvektionabgeführteWärmemengeQKon:

∗ ∗ ∗ Mit: αKon: WärmeübergangskoeffizientfürfreieKonvektion [W/m²s] AFa: Druckgussformaußenfläche [m²] τz: Zykluszeit [s] TFa: TemperaturderäußerenFormflächen [°C] TLuft: TemperaturderruhendenLuftimRaum [°C]MitdemWärmeübergangskoeffizientderKonvektionαKon:

0,12 ∗ ∗ ∗ ∗

/

Mit λLuft: WärmeleitfähigkeitderLuft [W/mK] g: Erdbeschleunigung [m/s²] νLuft: kinematischeViskositätderLuft [m²/s] βLuft: VolumenwärmeausdehnungskoeffizientderLuft [1/K]

TFa: TemperaturderäußerenFormflächen [°C] TLuft: TemperaturderruhendenLuftimRaum [°C]ÜberStrahlungabgeführteWärmemengeQStr:


50

∗ ∗ ∗ Mit: αStr: WärmeübergangskoeffizientfürStrahlung [W/m²s] AFa: Druckgussformaußenfläche [m²] τz: Zykluszeit [s] TFa: TemperaturderäußerenFormflächen [°C] TLuft: TemperaturderruhendenLuftimRaum [°C]MitdemWärmeübergangskoeffizientderStrahlungαStr:

∗

∗ 273100

273100

Mit: cStr: Strahlungskonstante [W/(m2K4)] ε: Emissionsgrad [/] TFa: TemperaturderäußerenFormflächen [°C] TLuft: TemperaturderruhendenLuftimRaum [°C]ÜberWärmeleitungandieAufspannplattenabgeführteWärmemengeQPl:

∗ ∗ ∗ .∗ . .

Mit: Aki: Kontaktoberflächederfestenbzw.bew.

Aufspannplatte [m²]TPlDGFi: Temperaturderfestenbzw.beweglichen

AufspannplattederDruckgussform [°C] TPlDGMi: Temperaturderfestenbzw.beweglichen

AufspannplattederDruckgussmaschine [°C]αK: WärmeübergangskoeffizientfürWärmeleitung

andenKontaktflächenderAufspannplatten [W/m²s] τz: Zykluszeit [s]WärmeübergangskoeffizientderWärmeleitungαK:


51

Mit: λLuft: WärmeleitfähigkeitderLuft [W/mK] δK: MittleresSpielzwischendenPlatten [m]DurchdasTrennstoffsprühenabgeführteWärmemengeQSpr:

∗ ∗ Mit: m1: gesamteMassedesTrennstoff‐Wasser‐Gemischs [kg] cTs: spezifischeWärmekapazitätdes

Trennstoff‐Wasser‐Gemischs [J/kgK] hTs: Verdampfungswärmedes

Trennstoff‐Wasser‐Gemischs [J/kg] TTsSied:Siedetemp.desTrennstoff‐Wasser‐Gemischs [°C] TTs: TemperaturdesTrennstoff‐Wasser‐Gemischs

vordemSprühen [°C]DieDimensionierungdesTemperiersystemsdientalsAusgangsbasisfürstabile

Prozessbedingungen.FürAluminium‐undMagnesiumlegierungensindFormtem‐peraturenzwischen200°Cund250°Cerforderlich(48).BeikomplexenGussteilenkanndiegeometrischeGestaltungderTemperierkanäleüberErstarrungssimulati‐onenoptimiertwerden.HierbeimussdasgesamteWerkzeuginklusiveallerTem‐perierkanäleindieSimulationmiteinfließen.

2.3.4. Definition der Hauptparameter des Druckgussverfahrens

NachdemGestaltendesGießsystemskönnendieParameterfürdieDruckgussan‐lagebestimmtwerden.BevordieParameterfürdieinKapitel2.2.beschriebenendreiPhasendesDruckgussprozessesberechnetwerden,solltealserstesderGieß‐kammerfüllgradbestimmtwerden(vgl.Abbildung2‐27).DerGießkammerfüllgradsagtaus,zuwievielProzentdieGießkammervorKolbenbewegungmitSchmelzegefülltist.


52

Abbildung2‐27:GießkammermiteinemFüllgradvon50%

ImIdealfallsolltedieserWertzwischen40und80%betragen.BeizuniedrigemFüllgradkühltdieSchmelzezustarkab.Dieerstarrte,respektiveteigiggeworde‐ne,Randschale kann zuGussfehlern imGussstück führen. Ein zuhoherFüllgradbirgt die Gefahr desÜberschwappens beimÜberfahren derGießkammeröffnung(48).UmdenFüllgradzubestimmenmussalserstesdasgesamteGussvolumenVGbestimmtwerden:

. . ü .Mit : VolumendesPressrests [cm³] .: VolumendesAngusses [cm³] .: VolumendesAnschnitts [cm³] : VolumendesGussteils [cm³] ü .: VolumenderÜberläufe [cm³]

MitdemgesamtenGussvolumenkannnunderGießkammerfüllgradkfgbestimmt

werden:4 ∗∗ ∗

Mit : GesamtesGussvolumen [mm³] : AktiveGießkammerlänge [mm] : DurchmesserderGießkammer [mm]

IstderFüllgradbestimmtkönnendieHauptparameterderdreiGießphasenbe‐

rechnetwerden. InAbbildung2‐28 ist eine typischeGießkurve imDruckguss zu


53

sehen.DieGießkurvebeschreibtdieBewegungdesGießkolbensbzw.dessenGe‐schwindigkeitüberdiedreiPhasendesProzesses.

Abbildung2‐28:VerlaufderGießkolbengeschwindigkeitüberdieKolbenstrecke

ErsteGießphase‐Vorlauf

In der ersten Gießphase wird die in der Gießkammer befindliche Schmelze ausdemStillstandaufeinekritischeGießkolbengeschwindigkeitbeschleunigt.DieGe‐schwindigkeitsolltesogewähltwerden,dasssicheinemöglichsthoheWellevordemKolbenaufbautohnezubrechen.SowirddiebestmöglicheLuftabfuhrausderGießkammererreicht.UmdiekritischeGießkolbengeschwindigkeitzubestimmengibteszweiGleichungen.KritischeGießkolbengeschwindigkeitnachWohlfahrtundWiesnervkritW&W:

& 1 ∗ ∗ ∗ 1∗ 2

Mit : DurchmesserderGießkammer [mm] : Gießkammerfüllgrad [/] : Erdbeschleunigung [m/s²]

00

2390,55

3250,55

3642,49

4602,49

4751,20

4850

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Geschw

indigkeit d

es Gießkolbe

ns [m/s]

Gießkolbenstrecke [mm]

xkritvkrit

x40,5*v

k0

x2vk0

x1vkrit

x3vk0

00

x5vk0


54

KritischeGießkolbengeschwindigkeitnachGrabervkritGraber:

∗ ∗ 1,386 1,915 ∗ 0,616 ∗ Mit : DurchmesserderGießkammer [mm] : Erdbeschleunigung [m/s²]DiekritischeStreckebeschreibtdie StreckediederGießkolben zurücklegtum

die kritische Gießkolbengeschwindigkeit zu erreichen. Die kritische Strecke xkritkannwiefolgtberechnetwerden:

∗ 11

Mit : AktiveGießkammerlänge [mm]SindGeschwindigkeitundStreckebestimmt,kanndiekritischeBeschleunigung

akritberechnetwerden:

2 ∗ Mit : KritischeGießkolbengeschwindigkeit [mm] : KritischeStrecke [mm]BiszurzweitenGießphasederFormfüllungwirddiekritischeGeschwindigkeit

konstantgehaltenbiszurGießkolbenstreckedererstenGießphasex1:

∗ 1

ZweiteGießphase–Formfüllung

DiezweiteGießphasewirdalsFormfüllungoderauchSchussbezeichnet.Alsers‐teswirdhierbeiderUmschaltpunktbestimmt.DerUmschaltpunktbezeichnetdieWegstrecke,abderdieSchmelzemitvollerGeschwindigkeitindenFormhohlraumschießt.Umschaltpunktx2:

4 ∗ . .∗


55

DieGießkolbengeschwindigkeitwirdüberdieKontinuitätsgleichungbestimmt.GießkolbengeschwindigkeitwährendderFormfüllphasevk:

4 ∗∗ ∗

Beim Druckgießenmit flüssigemMetall entsteht ein Abfall der Gießkolbenge‐

schwindigkeitdurchStrömungswiderständeimAnschnittundGießlauf.UmdiesenEffektauszugleichenwirdeinehöhereGießkolbengeschwindigkeitvk0anderDG‐anlagenachfolgenderGleichungeingestellt:

1 2 ∗ ∗ ∗∗

Mit : Gießkolbengeschwindigkeit [m/s] : DichtederDruckgusslegierungbeiLiquidus‐ Temperatur [kg/m³] : DruckimSpeicherderGießeinheit [MPa] : DurchmesserderGießkammer [mm] : StrömungsgeschwindigkeitimAnschnitt [m/s] : GesamtausflusszahldesGießlaufsystemsvon

derGießkammerbiszumFormhohlraum [/] : DurchmesserdesAntriebskolbensder Gießeinheit [mm]

DrittePhase‐Nachdruck

InderdrittenPhasedesDruckgussprozesseswird,nachBeendigungderFormfül‐lung,einNachdrucküberdenKolbenaufdieSchmelzeaufgetragen.DerNachdruckkanndieGussqualitäterhöhenindemGas‐undErstarrungsporositätenminimiertwerden. Der minimale Nachdruck soll mindestens dem für die Erzeugung derStrömungsgeschwindigkeitimAnschnittwährendderFormfüllungerforderlichenGießdruckentsprechen.MinimalerNachdruckpnmin:


56

2 ∗ ∗ 11

Mit : StrömungsgeschwindigkeitimAnschnitt [m/s] : GesamtausflusszahldesGießlaufsystemsvon

derGießkammerbiszumFormhohlraum [/] : Gießkolbengeschwindigkeit [m/s] : EinzustellendeGießkolbengeschw.

beimSchussohneMetall [m/s]

FürdenmaximalenNachdruckgibtesverschiedeneTheorien.WobeieinigeAu‐toren den Nachdruck in Abhängigkeit von der mittleren Bauteildicke auslegen(61). EineweitereMöglichkeit ist denDruck über die Gussteildichte auszulegen(62). Die Firma Bühler schlägt drei Druckbereiche für Aluminium‐, Magnesium‐undKupferlegierungenvor(63):

‐ Bis40MPafürStandarddruckgussteile‐ 40bis60MPafürhöherwertigeDruckgussteile‐ 80bis100MPafürdruckdichteDruckgussteileNachdemBestimmenderOber‐undUntergrenzenfürdenNachdruckkannein

NachdruckpinnerhalbdieserGrenzenausgewähltwerden.ImAnschlusskanndiebenötigteFormzuhaltekraftberechnetwerden.DiesemussfüreinensicherenBe‐triebunterhalbdermaximalenFormzuhaltekraftderzubenutzendenDruckguss‐maschineliegen.BenötigteFormzuhaltekraftFLI:

1,5 ∗ ∗ Mit : GewählterKolbendruck [MPa] : Sprengfläche [cm³]DieFormfüllungunddiedamiteinhergehendeQualitätdesDruckgusserzeugnis‐

ses lassensichdurchParametervariationenanderDruckgussanlagenochweiteroptimieren. Wichtige Stellgrößen sind hierbei die Kolbengeschwindigkeiten dererstenundzweitenPhase,derNachdruckunddieWKZ‐Temperatur. InderPro‐duktion istesoftso,dassübereineVeränderungderKolbengeschwindigkeitdieGießzeitundauchdieGeschwindigkeitamAnschnittstarkverändertwerdenundsomitauchvondenimVorfeldberechnetenParameternabweichenkönnen.Somitbieten die in diesem Kapitel vorgestellten Berechnungsgrundlagen einen ersten


57

Zielbereich. Dieser kann über neue Erkenntnisse, Erfahrungen und verbesserteProzesssteuerungweitereingegrenztundverbessertwerden.2.3.5. Bisherige Konstruktion und Fertigung von Druckgusswerkzeugen

AusdemvorherigenKapitelgehthervor,dassesetablierteBerechnungsverfahrenfürdieGestaltungdesgesamtenGießlaufsgibt.SokannderAnschnittquerschnittüber die mittlere Bauteildicke, das Bauteilvolumen und die im Anschnitt ge‐wünschte Geschwindigkeit ermittelt werden. Die optimale Geschwindigkeit amAnschnittistwiederumvondemvergossenenWerkstoff,derWerkzeugtemperaturundderBauteildickeabhängig(48).HierzugibtesunterschiedlicheBerechnungs‐formelndieteilsaufhydraulischen,strömungstechnischenoderempirischermit‐teltenGesetzmäßigkeitenberuhen.FürdasDruckgusswerkzeugselbstgibtesnursehrwenigGestaltungsregelnund

–formeln.DasWerkzeugwirdsozusagenumdasGussstückherumgestaltet.Hier‐beiwirdalserstesdiePositiondesGussstückssamtGießsystemimWerkzeugbe‐stimmt.DieAbmaße einesEinsatzeswerdendurchdieVerpackungsabmaßedesGussstücks mit Gießsystem definiert (vgl. Abbildung 2‐29). Eine konkrete Kon‐struktionsrichtliniefürDruckgusswerkzeugegibtesnicht.

Abbildung2‐29:Verpackungsabmaß(zweiBeispiele)

Bei der Fertigung und bei der Materialauswahl für die verschiedenen Druck‐gusswerkzeugkomponenten gibt es gewisse Industriestandards. Ausgehend vonHalbzeugen,meistPlattenmaterial,werdensämtlicheDruckgusswerkzeugegefer‐tigt. Werkzeugkomponenten, die nicht im direkten Kontakt mit der flüssigenSchmelzestehen,werdenmeistausWerkzeugstahlgefertigt.Hierbeiwirdhaupt‐sächlichderWerkstoff1.1730imweichgeglühtemLieferzustandbenutzt. Isteineerhöhte Korrosionsbeständigkeit des Werkzeuges erwünscht, wird auch derWerkstoff1.2083mithöheremChromgehaltverwendet.DieseKomponentenwer‐


58

denimAllgemeinenüberBohrenundFräsenohnezusätzlicheNacharbeitherge‐stellt.WerkzeugkomponentendiemitderSchmelze inKontaktkommen,wieEinsatz

oderAmboss,werdenüberwiegendausdemWarmarbeitsstahl1.2343hergestellt.DerWarmarbeitsstahlzeichnetsichdurchhoheZähigkeit,Warmfestigkeitundgu‐teWärmeleitfähigkeitaus.DruckgussbauteileweisenoftkomplizierteFormenauf,somit werden die Einsätze allesamt CNC‐gefräst. Bei komplizierten Geometrien,z.B.mittiefen,füreinenFräsernichtbearbeitbarenTaschen,wirdauchdasSenk‐erodieren verwendet. Um die Festigkeit und Zähigkeit der Druckgusswerkzeug‐komponentenzuerhöhen,werdendieseeinerWärmebehandlungmitHärtenundzweimaligemAnlassenunterzogen.DieformgebendeKonturunddieDichtflächenwerden im Allgemeinen nachpoliert. Klein‐ und Normteile wie Schrauben oderLaufbuchsenwerdenvonNormalienherstellernbezogen.2.3.6. Bisherige Modularisierungsansätze bei Druckgusswerkzeugen

Bedingt durch die eins‐zu‐eins Korrelation zwischenWerkzeug und Druckguss‐bauteil isteineStandardisierungvoneinzelnenWerkzeugkomponentenhinsicht‐licheinesmodularenAufbauszurzeitnichtgegeben. IndeneinzelnenWerkzeug‐bauunternehmengibtes firmeneigeneStandardsfürverschiedeneAusprägungenvoneinfachenWerkzeugkomponenten.UmdenKonstruktionsprozesszuvereinfa‐chenundzubeschleunigen,werdeninvielenFirmenbereitsparametrischeModel‐lederHauptkomponentendesWerkzeugesbenutzt.HierbeirufteineVariationderKomponentenparameter,wie zumBeispiel der Länge, eine automatische Anpas‐sungdesCAD‐Modellshervor.DieOptimierungenimKonstruktionsprozesserfolgenindenFirmenmeistevo‐

lutionär.Sieberuhen inderRegelaufdenErfahrungenderKonstrukteuresowiedenRandbedingungenderFirmen.SomithabensichindeneinzelnenWerkzeug‐baubetrieben unterschiedliche Konstruktionsprozesse etabliert. EinheitlicheBranchenstandardsgibtesjedochkeine.DruckgusswerkzeugherstellerbedienensichamProduktprogrammvonNorma‐

lienherstellern. Führungselemente, Auswerfer sowie teilweise bearbeitete undunbearbeiteteHalbzeugekönnenauchimDruckgusswerkzeugverwendetwerden.Allerdings reichen die Dimensionen für Druckgusswerkzeuge oft nicht aus. Dermodulare Aufbau von Spritzgusswerkzeugen ist bereits weiter fortgeschritten.DiesliegtunteranderemandereinfacherenFormfüllung,denniedrigerenForm‐temperaturenunddemFehlen vonTrennmittel.Hinzu kommt, dass das flüssigeAluminium imVergleich zumKunststoff eine erheblich niedrigereViskosität be‐sitzt, was zu hohen Genauigkeitsanforderungen an den Dichtflächen führt. Die


59

technischenRandbedingungenbeimDruckgusserschweren somit einenmodula‐renAufbaudesWerkzeuges(4).InderIndustriewurdenbereitsmehrereVersucheunternommeneinenmodula‐

renAufbaubeiDruckgusswerkzeugenzuetablieren.FürdieHerstellungvonZy‐linderkurbelgehäusenmitzwei,dreiodervierZylindernwurdebspw.einmodula‐resWerkzeugmitaustauschbarenEinsatzmodulenentwickelt(64).DasmodulareDruckgusswerkzeugwurde somit auf eine vordefinierteVarianz vondrei sich inder Zylinderanzahl unterscheidenden Motoren zugeschnitten (vgl. Abbildung2‐30).DurchdiehoheAbhängigkeitzumGussteilkanndieseArtderModularisie‐rungnurunterEinbeziehungdesspäterenAnwendersfunktionieren.

Abbildung 2‐30: Hummler und Schauffler Dieselmotormit 2, 3 und 4 Zylindern(64)

Ein weiteres Beispiel ist ein Druckgusswerkzeug mit vier Schiebereglern undaustauschbarenSchieberköpfenfürdieHerstellungverschiedenerkleinerBauteileauseinerMagnesiumlegierung(65).DievierSchieberköpfekönnenanneueBau‐teilgeometrienangepasstwerden.DieGussteilgeometriedarfhierbeieinenmaxi‐malen Bauraum nicht überschreiten und die Hinterschneidungen am GussteilmüssensichnachdenÖffnungsrichtungenderSchieberrichten.K.S. Lee versucht den Entwicklungsprozess vonWerkzeugenmit der Entwick‐

lung eines CBR‐System (case‐based reasoning) zu verkürzen und zu verbessern.DasfallbasierteSchließen(engl.case‐basedreasoning)erlaubtdemKonstrukteurähnliche, bereits konstruierteWerkzeuge zu finden unddiese virtuellwiederzu‐verwenden.HierbeikönnenbereitsvorhandeneLösungenschnellanneueAnfor‐derungen angepasstwerden (66). J.C. Lin versucht spezifischeKonstruktionsele‐mente wie z.B. die Temperierkanäle bei der Werkzeugauslegung zu optimieren(67). Andere Forschungsbemühungen zielen aufManagement Strategien imEnt‐


60

wicklungsprozess oder die detaillierte Optimierung von verschiedenen Werk‐zeugbasiertenProblemen,wiedieAusgestaltungdesGießsystems(68).DieaufgezeigtenBeispielestellenlediglicheinigeInsellösungenfüreineerfolg‐

reicheModularisierungdar. IndenmeistenFällengibtesnoch immereineeins‐zu‐einsKorrelationzwischenWerkzeugundDruckgussbauteil.Einedurchgängigeoder firmenübergreifende Standardisierung der einzelnen Komponenten imWerkzeug ist derzeit nicht gegeben, vielmehr sind die Verbesserungen im Kon‐struktionsprozess indenFirmenaufevolutionäremWegeentstanden.Diesesindmeist auf die Erfahrung und den Stil der Konstrukteure sowie der etabliertenRechnerunterstützungindenUnternehmenzurückzuführen.Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es bisher keine einheitliche

ModularisierungvonDruckgusswerkzeugengibt.DerGroßteilderKomponenteneinesDruckgusswerkzeugswirdauftragsspezifischausgelegt.

Ableitung des Forschungsziels

61

3. Ableitung des Forschungsziels

AusdemStandderTechnikwirdersichtlich,dassesindemFeldderModularisie‐rung vonWerkzeugen und insbesondere von Druckgusswerkzeugen noch keineganzheitlichen Forschungsbemühungen gibt. Einige Insellösungen für modulareWerkzeugewurdenimvorherigenKapitelvorgestellt.WieweiteineModularisie‐rung fürDruckgusswerkzeuge technologischundwirtschaftlich sinnvoll ist kannzu diesemZeitpunkt noch nicht beantwortetwerden. Aufgrund der eins zu einsBeziehung zwischen Gussteil und Druckgusswerkzeug (DGWKZ) ist ein Werk‐zeugbauermiteinemProduktportfoliovonvieleneinzelnen,individuellenProduk‐ten konfrontiert. Somit liegt die erste Bestrebung darin, die Agglomeration vonindividuellen Produkten in Produktfamilien zu gruppieren.DruckgusswerkzeugekönnennachihrerFunktionsstrukturunterteiltwerden.SkalierbareProduktfami‐lien oder Produktplattformen in unterschiedlichen Größen sind ein vielverspre‐chenderWeg umKundenbedürfnisse zu befriedigen.NachKota gibt es dreiwe‐sentlicheFaktoren,dienichtwertschöpfendeGestaltungsvariationenfördern(69):

‐ GeometrischeVariationenanBauteilendurchspezifischeEinschränkungendesBauraumes

‐ EinführungvonverschiedenenTechnologieninBauteilen‐ EigenartenvonunterschiedlichenEntwicklungsgruppenWährend die ersten beiden Faktoren nur schwer zu umgehen sind, kann der

dritte Faktor nach Kota sehr einfach reduziert werden. Verschiedene Entwick‐lungsgruppenhabenfüreingleichesProblemunterschiedlicheLösungen,wobeiinallen Lösungen die Funktion erfüllt wird. Diese nicht wertschöpfenden Gestal‐tungsvariationenmüssenunterbundenwerden.Um eine ganzheitliche Betrachtung zur Modularisierung von Druckgusswerk‐

zeugenzugewährleistenmüssennochfolgendeFragenbeantwortetwerden:‐ WelcheWerkzeugkomponentenmüssenindividuellbleiben?‐ WelcheWerkzeugkomponenten können standardisiert/modularisiertwer‐

den?‐ WievieleVarianteneinerWerkzeugkomponentesindsinnvoll?Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Stand der Technik können drei

Grundhypothesendefiniertwerden.

Ableitung des Forschungsziels

62

3.1. Grundhypothese I

UnterBerücksichtigungaktuellvorhandenerWerkzeugelassensichAbhängigkei‐tenzwischenWerkzeugkomponentenbestimmenmitdeneneine spätereModul‐gestaltungneuerWerkzeugeerleichtertwird.EsgibteindefinierbaresSetvonEin‐flussfaktoren die sich auf die Modulgestaltung auswirken. Durch theoretische,wirtschaftliche und statistische Analysen der Werkzeugkomponenten wird esmöglichAbhängigkeitenzwischendiesenqualitativundquantitativzuerfassen.3.2. Grundhypothese II

DurchUntersuchungenimBereichderFormfüllung,Temperierung,Festigkeitsbe‐rechnung sowie Kostenanalyse und ‐vorhersage lassen sich technologische undwirtschaftliche Grenzen für eineModularisierung definieren. Diese Grenzen flie‐ßen in dieModulgestaltungmit ein. Für ein gegebenes Produktprogramm kannsomiteinewirtschaftlicheundtechnologischoptimaleVarianzundGrößeneinstu‐fungvonModulenbestimmtwerden.3.3. Grundhypothese III

EineSynergieausdenerstgenanntenHypothesenwirdesermöglichen technolo‐gischwiewirtschaftlich sinnvollemodulareWerkzeuge zu gestalten. Dies resul‐tiert ineinerGestaltungsmethodik,dieZeitundKosteninderWerkzeugentwick‐lungund‐fertigungspart.

Analyse bisheriger Druckgusswerkzeuge

63

4. Analyse bisheriger Druckgusswerkzeuge

ImFokusdieserMethodikstehteinWerkzeugbauer,dereineneuemodularePro‐duktfamilievonWerkzeugenfürkünftigeAufträgeentwickelnwill.DieWerkzeug‐komponenten solltendabei anden Stellenwo es Sinnmacht, austauschbar sein,diessollzueinemBaukastenfürKonstrukteureführen.EsistunmöglichzuwissenfürwelcheGussteileUnternehmeninderZukunftDruckgusswerkzeugebenötigen.MitBlickaufvergangeneGussteileundWerkzeugekannaberabgeschätztwerden,welcheArtundGrößevonGussteilenbeizukünftigenAufträgenamwahrschein‐lichstenist.DasfrüheEinbeziehenvonZulieferernunddiesimultaneEntwicklunginderWerkzeuggestaltungstellensehreffektiveWegedardieWerkzeugezuop‐timierenunddieQualitätdererErzeugnissezuverbessern(70).DerSchwerpunktdieser Arbeit liegt in der Entwickelung eines modularen Werkzeugbaukastens,wobeiverschiedeneWerkzeugkomponentenaustauschbarundandereindividuellan das Gussteil angepasst werden. Diese Werkzeugkomponenten können somitnoch immerdurchdie simultaneEntwicklungbeeinflusstwerden.NachMikkolaist es nicht ratsam jedeKomponente einesProduktes zu standarisieren (71), daProdukte,die fastausschließlichausStandardkomponentenaufgebaut sind, sehreinfachvonWettbewerbernkopiertwerdenkönnen.Nach Angaben des Bundesverbands der Deutschen Gießerei‐Industriewurden

2011843.000TonnenAluminiumgusshergestellt.Hierbeiwurden53%der Jah‐restonnage mit dem Druckgussverfahren hergestellt (72). Die Bemühungen derAutomobilindustriedieCO2‐EmissionenihrerProduktezusenkenführenzueinemerhöhtenEinsatzhochintegrierterLeichtbauteileimBereichderKarosserie.HierwerdensiealsKnotenpunkteoder tragendeElementemitanderenBauteilenzu‐sammengefügt(73).DiesewerdenfastausschließlichimDruckgussverfahrenher‐gestellt. Hierbei werden meist große, komplexe Druckgusswerkzeuge (DGWKZ)verwendet.Die DGWKZ stellen einen wesentlichen Investitionsfaktor im Entstehungspro‐

zess eines Druckgussteils dar. Hinzu kommt, dass die Qualität des Erzeugnissessowie die Prozesssicherheit in hohem Maße vom DGWKZ abhängig sind. DasWerkzeugstelltsomiteinwichtigesGliedinderProzesskettedar.Druckgusswerk‐zeugewerdenmeistvonspezialisiertenFirmenhergestellt,eshandeltsichhierbeiimRegelfallumeineEinzelanfertigung.DieWerkzeugfertigungzeichnetsichdurcheinen hohen Bearbeitungsaufwand aus, wobei die Werkzeuge hohen Genauig‐keitsanforderungengenügenmüssen.IndenfolgendenKapitelnwerdenaktuelleGusswerkzeugeeinertheoretischen,

wirtschaftlichenundstatistischenAnalyseunterzogen.DieabgeleitetenAnforde‐


64

rungenanmodulareWerkzeugebasierenaufdiesenErgebnissenundausWork‐shopsbzw.BefragungenderIndustrie.

4.1. Theoretische Analyse von Druckgusswerkzeugen

IndenfolgendenUnterkapitelnwerdenaktuelleGusswerkzeugehinsichtlichihrerFunktionsstruktur,SchnittstellenundAbhängigkeitenzwischenihrenKomponen‐tenuntersucht.DarüberhinauswirddasWKZ‐Designgenauergeprüft.

4.1.1. Produktarchitektur von Druckgusswerkzeugen

UmeinbesseresVerständnisderAufgabeneinesDruckgusswerkzeugeszuerlan‐gen, soll eineFunktionsanalysedurchgeführtwerden. InAbbildung4‐1 sind allebetrachtetenKomponenteneinesDGWKZaufgelistet.Hierbeihandelt es sichumein einfaches, wie in Abbildung 2‐16 dargestelltes, Werkzeug. In der folgendenFunktionsstrukturwerdendieFunktioneneinesDGWKZlösungsneutralerläutert.InderBeschreibungdereinzelnenFunktionenwirdallerdingsaufdieaktuellvor‐handeneLösungbzw.Komponenteverwiesen. ImAnschlusswirddieProduktar‐chitekturgebildet,dieeineVerbindungzwischendenFunktionenundKomponen‐teneinesWerkzeugesdarstellt.

Abbildung4‐1:KomponenteneinesDruckgusswerkzeuges

FürdieFunktionsstrukturistdasDGWKZdiebetrachteteSystemgrenze.Eskön‐nenStoffeoderKräftezu‐undabgeführtwerden.DerübergeordneteZweckeinesDGWKZ ist das Abbilden bzw. Gießen eines Bauteils. Um dies zu gewährleisten,


65

mussdasWerkzeug für dasGießen vorbereitetwerden.NachdemGießenmussdas Bauteil aus demDGWKZ entnommenwerden.Diese drei Schritte bilden dieHauptfunktionen des DGWKZ (Schließen, Gießen, Öffnen). In einem Druckguss‐prozesswiederholensichdiesedreiSchrittefürjedenZyklus(vgl.Abbildung4‐2).UmeinqualitativhochwertigesBauteilimDruckgussprozesszugießen,müssen

weitereFunktionenerfülltwerden.DieseweiterenFunktionensindalsUnterfunk‐tionenderdreiHauptfunktionenzuverstehen.UmdasWKZfürdasGießenvorzu‐bereitenwerdendiebeidenWerkzeughälftenüberdieDruckgussanlagegeschlos‐sen.BesitztdasBauteilHinterschnittesomüssenzudemSchieberindieGießposi‐tiongebrachtwerden.DanachmussdieAnlageeineSchließkraft aufbringen,diegroßgenugist,umdieFormtrennungabzudichten.DiesverhindertdasAussprit‐zendesflüssigenMetallsbeiderFormfüllung.WährenddemBetriebsollübereineTemperierung eine gewünschte WKZ‐Temperatur eingestellt werden. Dies ge‐schiehtüberTemperierkanäleimEinsatz,dieüberSchläuchemitTemperiergerä‐tenverbundensind.

Abbildung4‐2:FunktionsstruktureinesDGWKZ

Ist das DGWKZ für das Gießen vorbereitet, kann über die Gießkammer dieSchmelzemitHilfedesGießkolbensindieKavitätgedrücktwerden.BeiErreichendesAnschnittswirddie Schmelze indenFormhohlraumunterhohenGeschwin‐digkeitenundDrückenbefördert.ÜberÜberlaufbohnenundEntlüftungenkönnen


66

OxideundGasewährendderFormfüllungausdemGussteilgelenktwerden.NachderFormfüllungwirdüberdenGießkolbennocheinNachdruckaufdieSchmelzeaufgebracht.Während dem gesamten Gießvorgangwird über die Temperierungdie vonder Schmelze eingebrachteWärme abtransportiert.DasWKZnimmtdiedurch das Gießen auftretenden Druckkräfte auf. Um das Bauteil entformen zukönnenwerdenalserstesdieFormhälftendesDGWKZgeöffnet.BesitztdasBauteilHinterschnitteinderTrennungsebene,müssennochdieentsprechendenSchiebergezogenwerden.ImAnschlusskanndasBauteilausdemDGWKZentferntwerden.NachEntnahmedesBauteilskannderZyklusvonvornebeginnen.InAbbildung4‐3sindalleFunktionenundHauptkomponenteneinesDGWKZin

einerMatrixdargestellt.MitHilfedieserDarstellungkanngekennzeichnetwerden,welcheFunktionenvondenKomponentenübernommenwerden.Esistdargestellt,dasseinigeKomponentenwieEinsatz,FormrahmenoderSchieberanvielenFunk‐tionenbeteiligtsind.DieseKomponentenbesitzeneinehoheFunktionsintegration,was die hoheKomplexität der Komponenten erklärt. DieMatrix‐Darstellung derProduktarchitektur gibt erste Hinweise auf das Modularisierungspotenzial dereinzelnen Komponenten. Je höher die Funktionsintegration ist, desto komplexersinddieKomponentenundfolglichschwierigeristderenModularisierung.

Abbildung4‐3:ProduktarchitektureinesDGWKZ

Die Funktionsstruktur ist Lösungsneutral und somit für alle gängigen Druck‐gusswerkzeuge übertragbar, lediglich die Funktion „Hinterschnitte befreien“ istnurdanngegeben,wenndasBauteilauchHinterschnitteaufweistundsomitdas


67

WKZmiteinodermehrerenSchiebernausgestattetist.DieKomponentenstrukturderWerkzeugeistfastimmergleich,sieändertsichnurwennmehrereGussbau‐teilemiteinemDGWKZproduziertwerdensollenoderdasBauteilHinterschnittebesitzt,sodassdasDGWKZmitSchiebernausgestattetwerdenmuss.HierbeigibtesjedocheinegeringeAnzahlunterschiedlicherWKZ‐TypenfürdiesichdieKom‐ponentenstruktur ändert. Die geometrische Form des Gussteils sowie die Größedes Werkzeuges haben keinen Einfluss auf die Komponentenstruktur. Die Pro‐duktarchitektur variiertmit derselbenAnzahl anMöglichkeitenwie die Kompo‐nentenstruktur. IndennachfolgendenKapitelnsolleineWKZ‐Typisierungvorge‐nommenwerdendie es erlaubt, für einenWKZ‐TypdieselbeProduktarchitekturzuverwenden.BevordiesgeschiehtsollenalserstesdieSchnittstellenundAbhän‐gigkeitenzwischendenWKZ‐Komponentennäheruntersuchtwerden.

4.1.2. Schnittstellen zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten

NebenderFunktionserfüllung istdiephysischeGrenzflächezwischenzweiKom‐ponenten, auch Schnittstelle genannt, von elementarerBedeutung. SchnittstellenbeschreibenwiezweiObjekteanihrenGrenzflächenmiteinanderkommunizieren.FüreinDruckgusswerkzeugkommennurmechanischeundthermischeParameterzur Schnittstellenbeschreibung in Frage. Um Schnittstellen übermehrere unter‐schiedlicheDGWKZzudefinierenbedarfeseinereinfachen,allgemeingültigenBe‐schreibungvonSchnittstellen.FüreineAnalysediverserDGWKZwirdeinequali‐tativeabergleichzeitigpräziseBeschreibungdervorhandenenSchnittstellenerar‐beitet.Nach einer Analyse von 28 unterschiedlichen Druckgusswerkzeugen wurden

siebenSchnittstellenidentifiziert:1. Befestigungsschnittstelle:DieseSchnittstellebedeutet,dasseineBefestigung

zwischen zwei Komponenten, im Allgemeinen durch mehrere Schraubver‐bindungen,realisiertwird.FastalleDruckgusswerkzeugkomponentenhabeneinesolcheSchnittstellemitihrenNachbarkomponenten.

2. Funktionsschnittstellen: Diese Schnittstelle beschreibt eine Führungsaufga‐be,imAllgemeineneinerelativeBewegungzwischenzweiKomponenten.DasFührenderAuswerferstiftedurchdieimEinsatzbefindlichenAuswerferboh‐rungenkannalsFunktionsschnittstellebeschriebenwerden.

3. Kontur Gussteil: Diese Schnittstelle beschreibt das geometrische AbformendesGussteils.AlleKomponentendesWerkzeugesdiemitderSchmelzeimdi‐rektenKontaktstehenundsomitdieFormdesGussteilsbeeinflussenbesit‐zendieseSchnittstelle.


68

4. Kontaktfläche:DieseSchnittstellebeschreibtobundinwievielenRaumrich‐tungenzweiKomponenteninKontaktstehen,sostecktderEinsatzimForm‐rahmenundstehtmitdiesemüberfünfSeitenimKontakt.

5. Wärmefluss:DieseSchnittstellebeschreibtobeinWärmeflusszwischenzweiKomponentenbesteht,dieseristzumBeispielzwischenGussteilundEinsatzvorhanden.

6. Kraftfluss:DieseSchnittstellebeschreibt einenKraftflussderüberdieKon‐taktflächenvonzweiBauteilenübertragenwird.Soüberträgtbspw.derEin‐satz die Schließkraft über den Formrahmen an die Aufspannplatten derDruckgussanlage.

7. Durchgang:DieseSchnittstellebeschreibteinenberührungslosenDurchgangvoneinerKomponentedurcheineandere.DerAuswerferstiftetwahateineDurchgangsbohrungimFormrahmen.

Die beschriebenen Schnittstellen treten meist in Kombination zwischen zweiWerkzeugkomponentenauf.Abbildung4‐4zeigteineSchnittdarstellungdurcheinDruckgusswerkzeug. IndieserDarstellungsinddieSchnittstellendesAuswerfer‐stiftes(grün)mitdenanderenWerkzeugkomponentenklarzuerkennen.

Abbildung4‐4:SchnittdurchbeweglicheWerkzeugseite


69

Der Auswerferstift bildet mit seiner Stirnfläche einen kleinen Teil der Guss‐stückgeometrieab.BeimEingießenundErstarrenderSchmelzeentstehtandieserStirnflächeeinWärmeflusszwischenGussteilundAuswerferstift.DerAuswerfer‐stiftistimAmbossgeführtundhatsomiteineFunktionsschnittstelleundaucheineKontaktschnittstellemitdemAmboss.DerAuswerferstiftmussdurchdenForm‐rahmenindenAmbossgestecktwerden.SomitgibteseineDurchgangsschnittstel‐lezwischendemAuswerferstiftunddemFormrahmen.Über die ProduktarchitekturunddieBeschreibungder Schnittstellen kann für

einuntersuchtesDGWKZeinevollständigeSchnittstellenmatixaufgebautwerden,dabei hilft die Produktarchitektur die definierten Schnittstellen den Komponen‐tenpaarenzuzuordnen. InAbbildung4‐5 isteinesolcheSchnittstellenanalyse füreinDGWKZgezeigt.

Abbildung4‐5:SchnittstellenmatrixfüreinDGWKZ

FürdenKraftflusswurdenfünfHauptkräfte,diewährendeinesProduktionszyk‐lussesimDruckgusswerkzeugwirken,identifiziert:


70

‐ Zuhaltekraft:DieZuhaltekraftwirdvonderDruckgussanlagezwischendenzweiAufspannplatten aufgebrachtund sorgtdafür, dassdiebeidenWerk‐zeughälftenwährenddemGießengeschlossenbleiben.

‐ Gießdruck:DerGießdruckentstehtdurchdenGießkolbenderdieSchmelzein das Werkzeug befördert und im Anschluss einen Nachdruck auf dieSchmelzeaufbringt.

‐ Öffnungskraft: Die Öffnungskraft entsteht durch das Ankleben oder Auf‐schrumpfendesGussteilsaufdiekonturgebendenKomponentendesWerk‐zeuges,beimÖffnenderbeidenWerkzeughälften.

‐ Auswerferkraft:DieAuswerferkraftentstehtbeimAuswerfenderGussbau‐teile.DieAuswerferkraftsetztsichausderReibungandiversenFührungs‐elementenunddemAnklebenundAufschrumpfendesGussbauteilsandieKavitätderbeweglichenWerkzeugseitezusammen.

‐ Rückstellkraft: Die Rückstellkraft bezeichnet die Kraft die gebrauchtwirdum das Werkzeug wieder in die Anfangslage zurück zu versetzen. DieseKraft setzt sich aus Reibungskräften verschiedener Führungselemente zu‐sammen.

AnhandderAnzahlderSchnittstellenundderAnzahlanwirkendenKräftenso‐wieKontaktflächenistesmöglichRückschlüsseaufdenGradderAbhängigkeitenzwischendeneinzelnenKomponentenpaarenzuziehen.Es ist jedochnichtmög‐lich dieAbhängigkeitenübersichtlich darzustellen.UmAbhängigkeiten zwischendenKomponentenqualitativaberauchquantitativzuerfassenundsinnvolldarzu‐stellen,müssenGrößeundRichtungderAbhängigkeitenzwischendenKomponen‐tenbestimmtwerden.

4.1.3. Abhängigkeiten zwischen Druckgusswerkzeugkomponenten

AusdenunterschiedlichenSchnittstellenderWerkzeugkomponentenuntereinan‐der können Abhängigkeiten abgeleitet werden.Wechselwirkungen bei Verände‐rungeneinerKomponente,imAllgemeinengeometrischerNatur,müssenebenfallserfasstwerden.DiemeistenAbhängigkeitenzwischendenBauteilensindengmitdenphysischenSchnittstellenunterdenKomponentenpaarenverflochten.EsgibtjedocheinigegeometrischeAbhängigkeitenunterdenKomponenten,dienichtimdirektenKontaktstehen.Diesemüssen identifiziert, aufgenommenundbewertetwerden.DieAbhängigkeitenzwischendenKomponentensollteninihrerRichtungundGrößebeschriebenwerden.UmdieAbhängigkeitenzwischendenBauteilenzuverdeutlichenwirdeinGraph

verwendet.WieinKapitel2.2.2.beschriebenkanneingerichteterGraphmitKan‐tengewichtenverwendetwerden.DieVerbindungen(Kanten)zwischendenKno‐


71

tenkönnengewichtetwerden.HierbeisinddieKantenalsAbhängigkeitenunddieKnotenalsWerkzeugkomponentenzuverstehen.Dies führtzueinemGraphenGmitKantengewichtenc.HierbeistehtVfürVerticesengl.KnotenundEfürEdgesbzw.Kanten.

, , : , , ∈0, ∈ 0,1,3,9

DieGewichtungrichtetsichnachderMethodedesQuality‐Function‐Deployment

(QFD).HierbeikannderGradderAbhängigkeitenzwischeneinzelnenWerkzeug‐komponentenbestimmtwerden(74).DieBewertungwurdewiefolgtvorgenom‐men:1–geringeAbhängigkeit3–mittlereAbhängigkeit9–hoheAbhängigkeitEswurdebewussteineprogressiveAbstufungderBewertungvorgenommenum

die Komponentenmit starkenAbhängigkeiten in der späteren graphischenDar‐stellungbesserherauszustellen. JedeWerkzeugkomponentenihatAbhängigkei‐tenaijdiesichineinenaktivenundpassivenWertaufteilen.FürjedeKomponenteniwerdendieaktivenundpassivenWerteaufsummiert.

: Werdendiese indersogenanntenAbhängigkeitsmatrixaufgetragen,vergleich‐

barmitderEinflussmatrixnachVester (33), istesmöglich,dieSummeallerAb‐hängigkeiten, die die Gestaltung einerWerkzeugkomponente beeinflussen (Pas‐sivsumme)unddieeineKomponenteaufalleweiterenKomponentenausübt(Ak‐tivsumme)zuermitteln(vgl.Abbildung4‐6).DerFormrahmenzumBeispielweisteinesehrniedrigeAktivsummeundeinersehrhohePassivsummeauf.Dasheißt,dass die Gestalt des Formrahmens kaum Einfluss auf die Gestaltung andererWerkzeugkomponentenhat,imGegensatzdazuabervonvielenWerkzeugkompo‐nentenzumTeilsehrstarkbeeinflusstwird.InderMatrixkönnendieKomponen‐ten so verschoben werden, dass Gruppen mit starken internen Abhängigkeitenund schwachen externenAbhängigkeiten ergeben. So könnenModulbaugruppengebildetwerdendiedurchschwacheAbhängigkeitenuntereinander sehreinfach


72

austauchbar sind. In Abbildung 4‐6 sind zwei mögliche Baugruppenmoduleschwarzumrandet.

Abbildung4‐6:AbhängigkeitsmatrixeinesDGWKZ

Zur Veranschaulichung der Passiv‐ und Aktivsummen einzelner Komponentenbietet sich zum Beispiel eine Gegenüberstellung in einem Systemgrid an (sieheKapitel2.2.2).NachLindemannbestehenimZusammenhangderModularisierungverschiedene Bereiche im Systemgrid, die eine Aussage über das Modularisie‐rungspotentialderbetrachtetenElementezulassen(29).TrägeElementezeichnensichdurchgeringeAktiv‐undPassivsummenausundsinddemzufolgeleichtmo‐dularisierbar. ImGegensatzdazuhabenkritischeElementehoheAktiv‐undPas‐sivsummen,wodurchdiesenurschwerzumodularisierensind.EineAuswahlvonWerkzeugkomponenten mit hohem Modularisierungspotential (träge Elemente)istsomitmöglich.DadieGrenzenderBereiche inderSystemgrid‐Darstellungal‐

Abguss

Einsatz

Ambo

ss

Tempe

rierungs

Komp.

Ausw

erferstifte

Rückstoß

bolzen

Ausw

erferplatten

Ausw

erferfüh

rung

Form

rahm

en

Distanzleisten

Distanzbolzen

Aufspann

platte

Form

führun

gen

Passivsumme

Abguss 0

Einsatz 9 3 3 3 18

Amboss 3 3 3 3 12

Temperierungs Komp. 0

Auswerferstifte 3 3 3 9

Rückstoßbolzen 3 1 4

Auswerferplatten 9 9 9 1 3 31

Auswerferführung 1 1

Formrahmen 9 9 1 3 1 3 3 1 9 39

Distanzleisten 1 1 3 1 1 7

Distanzbolzen 1 1 1 1 4

Aufspannplatte 1 1 1 3

Formführungen 1 1

Aktivsumme 15 18 15 7 21 10 2 12 6 6 6 2 9


73

lerdings flexibel sind, kann es grundsätzlich sein, dass auch aktive, passive oderkritischeElementeeingewissesModularisierungspotentialaufweisen.

Abbildung4‐7:SystemgrideinesDGWKZ

Umdieszuidentifizierenistesnotwendig,dieAbhängigkeiteneinzelnerMerk‐malederbetrachtetenWerkzeugkomponentenzuuntersuchen.UnterliegeneinigeMerkmaleeinerWerkzeugkomponentenurwenigenAbhängigkeiten,könnendie‐se unter Umständen ebenso standardisiert werden, während andere Merkmaleindividuellbleiben.IndiesemBeispielistzuerkennen,dassderEinsatzeinekriti‐scheKomponentedarstellt.DieKomponentehatgleichzeitigeinehoheAktiv‐undPassivsumme. Diese hohenWechselwirkungenmachen es schwierig diese Kom‐ponentezumodularisieren.DerFormrahmenweist einehohePassivsummeaus,das heißt, dass dieseKomponente von vielen anderenKomponenten beeinflusstwird.Auswerferstiftesindbereitsstandardisiert,dies istauchanhandderhohenAktivsumme,beigleichzeitigsehrniedrigerPassivsumme,zuerklären.Nach Lindemann sollten die Komponenten mit hoher Aktivsumme als erstes

festgelegtbzw.entwickeltwerden(29).UnterBerücksichtigungderHierarchieimKonstruktionsprozesskönnendieSchnittstellenvonaktivenKomponentenandiepassivenKomponentenübertragenwerden.

Einsatz

Amboss

Temp.‐ Komp.

Auswerferstifte

Rückstoßbolzen

Auswerferplatten

Auswerferführung

FormrahmenDistanzleistenDistanzbolzen

Aufspannplatte

Formführungen

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Aktiv

summe [/]

Passivsumme [/]


74

4.1.4. Unterteilung der Modulkategorien

DasSystemgridveranschaulichtdieAbhängigkeitenunddieKomplexität aller ineinemDruckgusswerkzeugenthaltenenKomponenten.HierübersollnundasMo‐dularisierungspotenzial jeder Komponente bestimmt werden. Abhängig von derAktiv‐undPassivsummekönnendenKomponentenunterschiedlicheModularisie‐rungskategorienzugeordnetwerden.AufderlinkenSeitederAbbildung4‐8isteinDGWKZnachheutigemStandderTechnikzusehen,hierbeisindfastalleKompo‐nentenindividuellfürdaszufertigendeGussteilausgelegtworden.DasWerkzeugbesitzt einige Norm‐ und Kaufteile. Bezüglich des ModularisierungspotenzialswurdenindieserArbeitdreiKategorienvonModulendefiniert.

Abbildung4‐8:GegenwartundZukunftvonDruckgusswerkzeugen(verändertvonQuelle(6))

‐ Standardteilebzw.Normteile:voneineramtlichenNormdefinierteKompo‐nentendiebereitsjetztschonalsNormalienangebotenwerden.

‐ Standardmodule:firmeninterndefinierteStandardteilemitstandardisiertenSchnittstellen. Sie können ohne Nacharbeit imWerkzeug verwendet wer‐den.

‐ Module mit individuellen Merkmalen: Bauteile mit insgesamt niedrigemModularisierungspotenzial aber hohemPotenzial bei bestimmtenParame‐tern.


75

InderZukunftsolldasDGWKZzumGroßteilausfirmeninternenundindividuel‐lenModulenbestehen.Komponentenmit sehrgeringemModularisierungspoten‐zial bleiben als individuelle Einzelteile bestehen,wobei jedoch versuchtwerdensoll im Rahmen der Modularisierungsbemühungen diese individuellen Bauteile,soweitesdasbetrachteteProduktprogrammzulässt,abzuschaffen.BevoreinDruckgusswerkzeugherstellermitderModularisierungseinerzukünf‐

tigenWerkzeugebeginnt,mussersicheinumfassendesBildüberdieVarianten‐vielfaltseinerProduktemachen.HierbeisindnichtalleimUnternehmenvorkom‐mendenWerkzeugvariantenfüreineModularisierunggeeignet.

4.1.5. Werkzeugtypisierung

Aufgrund der großen Unterschiede bezüglich der Komplexität von Druckguss‐werkzeugenistesnurschwermöglichdiegesamteWerkzeugpaletteeinesWerk‐zeugbauersmiteinanderzuvergleichen.UmdieVergleichbarkeitvonWerkzeugenzusteigernistessinnvoll,einenSchlüsselzuentwickeln,welcherinderLageist,jedesWerkzeug eindeutig einemTyp zuzuordnen.Hierbei ist zuerst zu untersu‐chen,obsichWerkzeugevomStandardaufbauunterscheiden.Als Standardaufbau ist ein zweiPlattenwerkzeug zu verstehen (vgl.Abbildung

2‐16), bestehend aus einer festen und einer beweglichen Formhälfte. Das Stan‐dardwerkzeug darf Schieber bzw. Kernzüge besitzen die entweder mechanisch,hydraulisch oder elektrisch bewegtwerden können. Bei Abweichungen von denobengenanntenMerkmalensinddieDruckgusswerkzeugealsSonderkonstruktio‐nenzubezeichnen.BeispieleeinersolchenSonderkonstruktionsinddreifachPlat‐tenwerkzeuge oderWerkzeugemit Kernzugumlenkung. Diese SonderwerkzeugeeignensichdurchihrgeringesAuftretennichtzurModularisierungundwerdenindieser Arbeit nicht beachtet. Anhand einer Datenbasis des FirmenkonsortiumswurdenWerkzeugenachfolgendenParameternaufgeteilt:‐ AnzahlderGussteileproWerkzeug‐ AnzahlderSchieberproGussteil‐ WinkelsummederSchieberproGussteil

AnzahlderGussteileproWerkzeug

DieAnzahlderGussteileproWerkzeugisteinerstesIndizfürdieKomplexitätei‐nesWerkzeugs.DieersteZahldesSchlüsselsstelltdieGesamtanzahldergefertig‐tenGussteilejeZyklusdar.AusdenuntersuchtenDatengehthervor,dassDruck‐gusswerkzeuge in den Ausführungen 1‐fach, 2‐fach, 4‐fach, 8‐fach oder 16‐fach


76

vorhanden sind. Bei abweichenden Werkzeugausführungen kann der Schlüsselproblemlosergänztwerden.

AnzahlderSchieberproGussteil

DieAnzahlderSchieberproGussteilhateinenerheblichenEinflussaufdengesam‐ten Aufbau. Schieber haben hohe Abhängigkeiten zu anderenWerkzeugkompo‐nenten und führen zu aufwendigen Bearbeitungsschritten bei Formrahmen undEinsätzen.Daher istdieAufnahmederAnzahlderSchiebereinwichtigesKriteri‐umfüreinensinnvollenWerkzeug‐Schlüssel.InderbisherigenAnalysegabesne‐benderlogischenZuteilung0,1,2,3,4auchnochdieSonderfällevon0,5und1,5.BeidiesenWertenliegteinSchieberträgervor,dessenSchiebervorsätze(Schiebe‐raufsätze)inzweiunterschiedlicheGussteilemünden.

WinkelsummederSchieberproGussteil

DieWinkelsummederSchieberproGussteilbeschreibtdieSummederInnenwin‐kelzwischendenÖffnungsrichtungenderSchieber.DieserWertstellteinKriteri‐um fürdieMaximalanzahlderGussteile imWerkzeugdar. JegrößerdieWinkel‐summederSchieberproGussteil,destogeringerdieAnzahlanmaximalunterzu‐bringendenGussteilen imWerkzeug.SokanneinGussteilmitvierSchiebern,dieeine Winkelsumme von 270° ergeben, maximal ein 1‐fach Werkzeug sein, einGussteil mit zwei Schiebern, die eineWinkelsumme von 90° ergeben, hingegenmaximalein4‐fachWerkzeugsein.EineAusnahmestelltdieexakteWinkelsummevon180°beizweiSchieberndar,dasichdieSchiebernichtinihrerBewegunghin‐dern.Hierkönnte theoretischeinebeliebig großeAnzahl anGussteilennebenei‐nander angeordnet werden. Aus den untersuchten Daten geht hervor, dass einGroßteilderWinkelsummenproGussteileinVielfachesvon90°darstellt.UmdieÄhnlichkeit der Werkzeuge zu gewährleisten, wurden die Winkelsummen in 6Klassenunterteilt:Klasse0: keinSchiebervorhandenKlasse1: 0°≤X<45°Klasse2: 45°≤X<135°Klasse3: 135°≤X<225°Klasse4: 225°≤X<315°Klasse5: 315°≤X≤360°InTabelle4‐1sindalleAusprägungenfürdieSchlüsselkombinationderunter‐

suchtenWerkzeugedargestellt.Die drei beschriebenenAusprägungen führen zu


77

einemwiefolgtaussehendenSchlüssel:DerSchlüssel2‐2‐3bedeutetzweiBautei‐le,zweiSchieberundeineWinkelsummezwischen135°und225°.Tabelle4‐1:TabellarischeDarstellungderSchlüsselkombinationen

AnzahlderGussteileproDGWKZ 1 2 4 8 16 / /

AnzahlderSchieberproGussteil 0 0,5 1 1,5 2 3 4

WinkelsummederSchieberproGussteil 0 1 2 3 4 5 /

InTabelle4‐2istdieZuordnungdesSchlüsselszuden24untersuchtenWerk‐

zeugendargestellt.AusderAuswertungderWerkzeugdatengehthervor,dasseseinehoheAnzahlanWerkzeugenmitdenSchlüsseln4‐0‐0und2‐3‐3gibt.Tabelle4‐2:SummierteDarstellungderaufgenommenenWerkzeuge

Schlüssel Anzahl

1‐4‐4 32‐0‐0 12‐1‐1 22‐2‐2 22‐3‐3 64‐0‐0 44‐1‐1 14‐1,5‐2 24‐2‐3 18‐0,5‐1 116‐0,25‐0 1Summe 24

Fazit

Eine hohe Anzahl an vergleichbarenWerkzeugen, beziehungsweiseWerkzeugenmitdemselbenSchlüssel,erleichterteinespätereModularisierung.JemehrWerk‐zeugeesvoneinerArtgibt,destowirtschaftlicherkanneineModularisierungsein.DurchdasSchaffenneuermodularerBaugruppenkönnenZeitundKostendurch


78

dasWiederverwendenderModule,entwederalsCAD‐BausteinoderrealesBauteilbzw.Baugruppegespartwerden.

4.1.6. Analyse des bisherigen DGWKZ‐Designs

InKapitel 2.1wurden allgemeineKonstruktionsprinzipien vorgestellt. InKapitel2.3.wurdenderGrundaufbauvonWerkzeugenunddasVorgehendesKonstruk‐teursbeimEntwickelneinesDGWKZnäherbetrachtet.ImfolgendenKapitelwerdenWerkzeugenachdemStandderTechniknachden

in Kapitel 2.1. vorgestellten Gestaltungsrichtlinien untersucht. Es wurden CAD‐Datenvon28WerkzeugenvonIndustriepartnernuntersuchtundinanonymisier‐terFormausgewertet. Inden folgendenAbbildungenwerdennurdieCAD‐Datender am Gießerei‐Institut entwickelten Druckgusswerkzeuge gezeigt. In Hinblickauf die Gestaltungsrichtlinien werden unterschiedliche Werkzeugdesigns unter‐suchtundVerbesserungsvorschlägeerläutert.

PrinzipderKraftleitung

DieKraftleitung ineinemProduktsolltekurzunddirektseinundkeinescharfenUmlenkungenhaben.Druckgusswerkzeugesindmeistsehrmassivaufgebaut.DasAusgangsmaterialistinallerRegelplattenförmigundeswerdenlediglichTaschen,Funktionsflächen und andere Schnittstellen nachbearbeitet. Die Hauptkräfte dieaufdasDGWKZwirkensinddieFormzuhaltekraftundderNachdruck.DiesesindinsbesonderebeikomplexenGussteilen,diehoheGenauigkeitsanforderungenha‐ben und dahermit Nachdrücken von über 600bar gefertigt werden, sehr hoch.GroßflächigeGussteile sorgen für einegroßeSprengflächeunderforderndarausresultierendeinehoheZuhaltekraft(vgl.Kapitel2.3.).In Abbildung 4‐9 ist ein Schnitt durch die bewegliche Hälfte eines Standard‐

DGWKZmitDoppelkavitätzusehen.DieroteingefärbtenFlächenübertragendieFormzuhaltekraftüberdieDistanzleistenzurAufspannplatteindieAufspannplat‐tederDG‐Anlage.NachderFormfüllungwirdderNachdruckaufdieSchmelzeauf‐gebracht.DieserwirktzwischendenbeidenWerkzeughälftenundsomitgegendieFormzuhaltekraft. InAbbildung4‐9wirktderNachdruck indenhell grauenFlä‐chenderKavität.Esistgutzuerkennen,dassbeideKräftenichtdirektübertragenwerdenundüberdenFormrahmenunddieDistanzleistenbishinzurAufspann‐platte scharf umgelenktwerden.Hierbeiwird auch der Formrahmenbei hohemNachdruck in der Mitte erheblich durchgebogen. Dieses Durchbiegen kann zuMaßabweichungenamGussteilundzuFlitterbildungandenTrennflächenführen.


79

Abbildung4‐9:DGWKZSchnittohneDistanzbolzen

EineMöglichkeitdieKraftleitungzuverbessernistz.B.dieDistanzleistenweiternach innenzuverschiebenoderbreiterauszulegen.Dies istoftnichtmöglich,dadas Auswerferpaket einen gewissen Bauraumbenötigt. Eine einfache Lösung istdas gezielte platzieren von Distanzbolzen. Diese Bolzen können, soweit keineAuswerfer im Weg sind, unterhalb der Kavität platziert werden und damit dieFormzuhaltekraftunddenNachdruckaufkürzestemWegevomEinsatzindieDG‐Anlageleiten.InAbbildung4‐10isteinSchnittdurchdiebeweglicheHälfteeinesDGWKZmitDistanzbolzenzusehen.DieKraftleitungfürdieFormzuhaltekraftunddenNachdruckwurdeverbessert,einDurchbiegendesFormrahmenswirddurchdiedirekteKraftleitungminimiert.


80

Abbildung4‐10:DGWKZSchnittmitDistanzbolzen

PrinzipderabgestimmtenVerformung

DruckgusswerkzeugewerdeninderRegelgezielttemperiert.ZumeinensolleineBetriebstemperaturwährenddesProduktionszykluseingestelltwerden, zuman‐derenmussbeijedemZykluseinTeildervomGussteilindasWerkzeugabgeleite‐tenWärmemenge über dieTemperierung aus demWerkzeug befördertwerden.Hierzusind imNormalfallnurdiemitderSchmelze imKontaktstehendenKom‐ponenten eines Druckgusswerkzeugesmit Temperierkanälen ausgestattet. DieseKomponenten heizen sich durch die Temperierung und dem Kontakt mit derSchmelzebeziehungsweisedemGussteilstärkerauf.Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus der Werkzeugkomponenten

müssen die Verformungen zwischen denKomponenten aufeinander abgestimmtwerden.HierbeimüssendieSpaltmaßeundsomitauchdieToleranzenzwischenden in Kontakt stehendenKomponenten ausdehnungsgerecht ausgelegtwerden.InAbbildung4‐11sinddietemperiertenKomponentenderbeweglichenSeiteei‐nesDruckgusswerkzeuges rot eingefärbt. Es ist ein Spalt zwischenFormrahmenundden temperiertenKomponentenzuerkennen.DerSpalt zwischendenKom‐ponenten wird auf den gewünschten Temperaturunterschied im Betrieb abge‐stimmt.WährendderProduktiondarfdannkeinSpaltzwischenden formgeben‐denKomponentenentstehen.DurcheinezentraleFixierungamFormrahmen,z.B.


81

inFormvonPassstiftenanderUnterseitederEinsätze,kanneineAusdehnungindefinierterRichtungerzieltwerden.

Abbildung4‐11:AbgestimmteVerformungDGWKZ

DieinAbbildung4‐11zusehendenrotenBereichederEinsätzestehenimVer‐gleich zum Formrahmen wenigsten 0,3mm vor. Dies stellt sicher, dass beimSchließen des Werkzeuges eine Dichtfläche zwischen beweglicher und festerFormhälfteandenStirnflächenderEinsätzeentsteht.DiebeidenFormrahmenhälf‐ten berühren sich auch bei geschlossener Form und aufgebrachter Zuhaltekraftnicht. Diese Lösung könnte als Prinzip der abgestimmten Verformung und alsPrinzipderAufgabenteilunginterpretiertwerden.


82

PrinzipderAufgabenteilung

IndenmeistenKomponenteneinesDruckgusswerkzeugesistdieAufgabenteilungklar gegeben. Hierbei sindMerkmale, Flächen oder Bereiche einer Komponenteeindeutig einer Aufgabe zugeordnet. Bei Komponenten mit hoher Funktionsin‐tegration,wiedemEinsatz, istdieseklareTrennungnichtfürjedeAufgabegege‐ben(vgl.Abbildung4‐3).InAbbildung4‐12istderroteingefärbteBereichdesEin‐satzesfürdasAbdichtenderbeidenFormhälftenbeimSchließendesDGWKZver‐antwortlich.DergelbeBereichsorgtfürdieZuführungderSchmelzezurGussteil‐kavität. Die Bauteilgeometrie wird im grauen Bereich abgebildet und die OxideundGasewerdenüberdengrünenBereichabgeleitet.FürdieseAufgabengibteseineklareTrennung.

Abbildung4‐12:AufgabenteilungEinsatz

DasAbleitenderWärmeistnichtklardefiniert.HierbeiwirdwährenddesPro‐zesseseingroßerAnteilderWärmeüberdieTemperierkanäleimEinsatzabgelei‐tet,einandererTeilüberdieKontaktflächen,insbesonderezwischenEinsatzundFormrahmen. Im Gegensatz zur Wärmemenge die über die Temperierung ent‐nommen wird ist jene an den Kontaktflächen übertragene nicht ohne weitereswährenddesProzessesmanipulierbar.EineMöglichkeitdieTemperaturregelungzu verbessern ist dieKontaktflächen zwischenEinsatz undFormrahmen zu ver‐ringern und isolierende Komponenten einzusetzen. In Abbildung 4‐13 ist einemöglicheLösungdargestellt. ZwischenEinsatzundFormrahmen ist eine Isolier‐platteverbaut.DiesesorgtfüreinensehrniedrigenWärmeübergangzwischenden


83

KontaktflächenzuEinsatzundFormrahmen.DurchAbsätzeindenseitlichenFlä‐chenderEinsätzekanndieKontaktflächezwischendenbeidenEinsätzenunddemFormrahmenstarkreduziertwerden.DieseLösungverbessert einegezielteTemperaturreglungüberdieTemperier‐

kanäle. Der schlechte Wärmefluss über die Kontaktflächen wird durch längereTemperiekanäle in den Einsätzen kompensiert. Die Aufheitzzeit und somit auchdieRüstzeitkannverkürztwerden indemderEinsatzschnelleraufBetriebstem‐peraturkommt,daderWärmeflusszumFormrahmenbehindertwirdundsomiteinegeringereMasseaufTemperaturgebrachtwerdenmuss.DurchdielängerenTemperierkanälekannzusätzlichZykluszeitundEnergieeingespartwerden.DasTemperiersystem ist dynamischer und kann schneller die vom Gussteil einge‐brachteWärmeableiten,beigleichzeitigniedrigererTemperaturdesTemperier‐mediums.

Abbildung4‐13:SchnittDGWKZIsolierplatte

PrinzipderSelbsthilfe

AlsVerbindungelementezwischendenDGWKZ‐Komponentenwerdenausschließ‐lichSchraubenverwendet.UmdieSchraubennichtunnötiggroßzudimensionie‐renwerdendieVerbindungen so gestaltet, dassdiesenicht gegendie amWerk‐zeug wirkenden Hauptkräfte arbeiten. So werden Schrauben mit zunehmendenNachdruck bzw. Formzuhaltekraft im Betrieb entlastet (vgl. Abbildung 4‐14).Hierbei wird das Prinzip der Selbsthilfe angewandt. Die SchraubenverbindungversagtauchbeierhöhtenFormzuhaltekräftenoderNachdrückennicht.Diesgilt


84

auch für die Verschraubungen zwischen Distanzleisten und Formrahmen, sowieDistanzbolzenundFormrahmenoderAufspannplatte.DieSchraubenderEinsätzewerdennurbeimAuswerfeninZugrichtungbelastet.DiehierbeiwirkendenAus‐werferkräfte, verursacht durch das Kleben und Aufschrumpfen des Gussteils anderKavität, sind inderRegelumeinvielfacheskleineralsz.B.dieFormzuhalte‐kraft.WieinAbbildung4‐14zuerkennenwerdenimAllgemeinenZylinderschrauben

mitInnensechskantbevorzugt.DiesesindidealfürhochbeanspruchteVerbindun‐genbeigeringemPlatzbedarfundkönnenversenkteingebautwerden.

Abbildung4‐14:SchnittDGWKZSchraubenbefestigung

Eine weitere selbstschützende Eigenschaft des Druckgusswerkzeuges wirddurchdieWerkstoffauswahlderKomponentenrealisiert.DieeingesetztenStähleweisen sehr hohe duktile Eigenschaften auf und versagen bei Überlastung nichtschlagartig.BleibendeVerformungenamDGWKZwirkensichnegativaufdieQua‐litätdesGussteilsaus.MaßabweichungenamGussteilwerdenwährendderPro‐duktion schnell erkannt. Somit kann die Produktion gestopptwerden bevor einDGWKZkomplettversagt.


85

4.2. Wirtschaftliche Analyse von Druckgusswerkzeugen

AusdenvorherigenKapitelngehendieHauptkomponenteneinesDruckgusswerk‐zeugesmitihrenzahlreichenSchnittstellenundzuerfüllendenFunktionenhervor.IndiesemKapitelsollnununtersuchtwerden,welcheKostendeneinzelnenWerk‐zeugkomponentenzugrundeliegen.InKapitel2.2.3.wurdenunterschiedlicheKos‐tenarten die in einem produzierenden Betrieb vorkommen erläutert. In der fol‐gendenwirtschaftlichenAnalysewerdendreiKostenartennäheruntersucht:Fer‐tigungskosten,MaterialkostenundEntwicklungskosten.AuseinerBefragungunterneunDGWKZ‐Herstellerngehthervor,dassdieFerti‐

gungskostenmit imSchnitt65%dengrößtenAnteilandenGesamtkosteneinesDGWKZ ausmachen. DieMaterialkosten liegen im Schnitt bei 21% und die Ent‐wicklungskostenbei 14% (vgl.Abbildung4‐15). ImVergleichmit demAutomo‐bilbereich fällt auf, dass die Entwicklungskosten bei Druckgusswerkzeugen imVergleichzudengesamtenProduktionskostenerheblichhöhersind. ImAutomo‐bilbereichstellendieEntwicklungskostennur5%dergesamtenProduktionskos‐tendar(21).DiesistaufdieTatsachezurückzuführen,dassessichbeidenWerk‐zeugenumEinzelanfertigungenhandelt.JekleinerundkomplexerdasWerkzeug,destohöherderprozentualeAnteilandenEntwicklungskosten.DieMaterialkos‐tenfallenbeigroßenWerkzeugenstärker insGewicht.BeidenuntersuchtenFir‐men sinddie Fertigungskosten, unabhängig vonderKomplexität undGrößedesWerkzeuges,immerderHauptanteildergesamtenProduktionskosten.

Abbildung4‐15:AufteilungderKosteneinesDruckgusswerkzeuges

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

Fertigungskosten

Materialkosten

Entwicklungskosten


86

Um die WKZ‐Komponenten welche die höchsten Kosten verursachen zu be‐stimmen,solldieinKapitel2.2.3.vorgestellteABC‐Analysedurchgeführtwerden.DieinAbbildung4‐15aufgeführtenDatenbasierenaufeinemamGießerei‐InstitutentwickeltenundexterngefertigtenDGWKZ.DieDatenzurEntwicklungszeitdereinzelnen Komponenten wurden vom Konstrukteur abgeschätzt. Diese wurdennormiert und mit einem Anteil von 14% der Gesamtkosten auf die einzelnenKomponentenübertragen.DieMaterialkosten füralleKomponentenwurdenvonHalbzeuglieferanten angefragt. Die Fertigungskostenwurden vomKaufpreis, ab‐züglichderMaterialkosten,aufdieeinzelnenKomponentenaufgeteilt.DieZuord‐nung der Fertigungskosten auf die einzelnenKomponentenwurdemitHilfe desbeauftragtenWerkzeugbauersvorgenommen.

Abbildung4‐16:GesamtkosteneinesDGWKZ

Fazit

InAbbildung4‐16istsehrgutzuerkennen,dassdieteuerstenKomponentendesDGWKZdiebeidenFormrahmenunddieEinsätze sind.DiesevierKomponentensorgenfür85%derGesamtwerkzeugkosten.Diesliegtzumeineninderaufwän‐

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Form

einsatz (fest)

Form

einsatz (be

w.)

Form

rahm

en (b

ew.)

Form

rahm

en (fest)

Grun

dplatte (AWP)

Gegenp

latte (AWP)

Spannp

latte (bew

.)

Führun

gsbo

lzen (fe

st)

Distanzle

iste (bew

)

Führun

gsbu

chse (b

ew.)

Distanzrolle (b

ew.)

Führun

gsbu

chse (A

WP)

Plattenverbind

ung (AWP)

Ausw

erferfüh

rung

(AWP)

Schraube

(M20x170

) (be

w.)

Abstandshalte

r (AW

P)

Schraube

(M12x90) (b

ew.)

Schraube

(M12x90) (fest)

Schraube

(M10x140

) (AW

P)

Schraube

(M6x16

) (AW

P)

Schraube

(M12x35) (b

ew.)

Schraube

(M12x30) (A

WP.)


87

digenFertigung,sowie inderMaterialmengeunddemEntwicklungsaufwandbe‐gründet.DieEinsätzesindaushochwertigemWarmarbeitsstahlgefertigt(vgl.Ka‐pitel 2.3.) undwerden imAllgemeinen einerWärmebehandlungunterzogen.DieFormrahmen sind die größtenWerkzeugkomponenten undweisen in der Regel,bedingtdurchdasEinbringenderTaschenfürdieEinsätze,dasgrößteZerspanvo‐lumenauf.AusdertechnologischenAnalysederDruckgusswerkzeugegehthervor,dassdieseKomponentenvieleFunktionenerfüllenmüssen(vgl.Kapitel4.3.).Be‐dingtdurchihrezentraleRolle,sowohltechnischalsauchwirtschaftlich,mussei‐neModularisierungmitdiesenKomponentenbeginnen.4.3. Statistische Analyse von Druckgusswerkzeugen

Für die statistische Auswertung wurden anhand von 28 CAD‐Datensätzen vonDruckgusswerkzeugen zahlreiche Parameter aufgenommen. Hierbei wurden 4Werkzeuge,dienicht indasTypologisierungsschemapassten,welches inKapitel4.1.vorgestelltwurde,fürdieweiterenUntersuchungenaußenvorgelassen.In Abbildung 4‐17 wurde das Gießlauf‐ zu Anschnitt‐Verhältnis der 24 DG‐

Werkzeugeuntersucht.Diesesvariiertzwischen1,14und2,86.Eskannkeineein‐deutigeAussageüberdasVerhältnis inAbhängigkeitderGussteilanzahlgemachtwerden. Vielmehr erhöht sich das Verhältnis mit der Komplexität des GussteilsunddesGießsystems,soistdasVerhältnisbeiWKZ13soklein,weilsichdasGieß‐systembereitsimAmbossaufteilt.


88

Abbildung4‐17:Gießlauf‐zuAnschnitt‐Verhältnisvon24DGWKZ

ImWKZ17teiltsichdasGießsystemerstnachderUmlenkungimAmbossauf.BeideLäufewerdendannnachkurzerStreckewiederaufgeteilt,umdievierGuss‐teilemitSchmelzezuversorgen.BeijederAufteilungdesGießlaufsverkleinertsichdieQuerschnittsflächedesAngusses.SomiterhöhtsichdasGesamtverhältnisvonGießlauf zuAnschnitt, je öfter der Gießlauf aufgeteiltwird. Die Gießlauf‐ zuAn‐schnitt‐VerhältnissederuntersuchtenDGWKZdeckensichmitdeninKapitel2.3.vorgestelltenUntersuchungsergebnissen.In derAbhängigkeitsanalyse ausKapitel 4.1. und derABC‐Analyse ausKapitel

4.2.habensichdieKomponentenEinsatzundFormrahmenbesondershervorge‐hoben. Aufgrund der hohen Abhängigkeiten und Kosten sollen sie näher unter‐suchtwerden.InderKonstruktionshierarchiegehteinWerkzeugbauervomGuss‐teilüberdenEinsatzzumFormrahmenüber.ImFolgendensollendieZusammen‐hängedieserKomponentenstatistischuntersuchtwerden,hierzuwerdendieAb‐maßeinx‐,y‐undz‐RichtungderKomponentenpaareverglichen(vgl.Abbildung4‐18). ImFolgendenwirddasMaßinx‐RichtungalsBreite,y‐RichtungalsLängeundz‐RichtungalsHöhebezeichnet.

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

2,80

3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Gieß

lauf‐zu An

schn

ittverhältnis [/]

WKZ ‐ 1 Bauteil

WKZ ‐ 2 Bauteile

WKZ ‐ 4 Bauteile

WKZ ‐ 8 Bauteile

WKZ ‐ 16 Bauteile


89

Abbildung4‐18:x‐,y‐undz‐RichtungderDGWKZ‐Komponenten

In Abbildung 4‐19 ist der Vergleich zwischen Einsatzbreite und Abgussbreitedargestellt.DaessichbeidenAbgüssenumindividuelleGussteilehandelt,sinddieVerpackungsmaßeallerAbgüsseunterschiedlich.AusGründenderÜbersichtlich‐keitwurdennurdiebeidenhäufigstenWKZ‐TypenausKapitel4.1.hervorgehoben(vgl.Tabelle4‐2). Es ist zu beobachten, dass es für die Einsatzbreite scheinbarkeineStandardsgibt,dakeinediskretenAbstufungenauszumachensind.EinZu‐sammenhang zwischen der Abgussbreite und der Einsatzbreite ist hingegen er‐kennbar. Die Differenz zwischen Einsatzbreite und Abgussbreite schwankt zwi‐schen 33 und 200mm.DerMittelwert derDifferenz zwischenAbguss‐ und Ein‐satzbreite beträgt 79mm.Die in Abbildung 4‐19 dargestellte Formel könnte alsAuslegungsregelfüreineUntergrenzegenutztwerden.UnterschiedezwischendenWKZ‐Typensindnichtersichtlich.


90

Abbildung4‐19:PaarweiserVergleichAbguss–Einsatzinx‐Richtung

InAbbildung4‐20derVergleichzwischenEinsatzlängeundAbgusslängedarge‐stellt.Hierbei istwieder zu erkennen, dass keine diskretenAbstufungen bei derEinsatzlängevorhandensind.DerZusammenhangzwischenderAbgusslängeundderEinsatzlängeistvergleichbarmitdenBreitenverhältnissen.FürdieEinsatzlän‐gekönntedaherdieselbeFormelwiefürdieminimaleEinsatzbreitebenutztwer‐den.SomitwürdedieEinsatzlängewenigsten40mmgrösserseinalsdieAbguss‐länge.DerMittelwertderDifferenzbeträgt99mm.InAbbildung4‐21istzuerkennen,dasssichbeiderEinsatzhöheeinigeAbmaße

wiederholen. Es scheint, als gäbe es diskreteAusprägungen für die Einsatzhöhe.Auch hier kann ein Zusammenhang zwischen der Abguss‐ und Einsatzhöhe er‐kannt werden. Die minimale Einsatzhöhe sollte demzufolge ein Aufmaß von50mm in Bezug auf die Abgusshöhe betragen. DerMittelwert derDifferenz be‐trägt57mm.

150

200

250

300

350

400

450

500

100 150 200 250 300 350 400 450

Einsatz x [m

m]

Abguss x [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+40


91

Abbildung4‐20:PaarweiserVergleichAbguss–Einsatziny‐Richtung

Abbildung4‐21:PaarweiserVergleichAbguss–Einsatzinz‐Richtung

Abbildung 4‐22 zeigt, dass bei der Formrahmenbreite insbesondere bei denkleineren Größen bereits auf Standards zurückgegriffenwird. Die Formrahmen‐

150

200

250

300

350

400

450

500

100 150 200 250 300 350 400 450

Einsatz y [m

m]

Abguss y [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+40

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100 120

Einsatz z [mm]

Abguss z [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+40


92

breite696mmkommtsiebenmalvor,obwohlsichdiedazugehörigeEinsatzbreitezwischen400und520mmbewegt.Esistzuerkennen,dassauchfürunterschied‐licheWKZ‐Typendie gleichenAußenmaßebenutztwerden.Dieminimale Form‐rahmenbreite könnte als Gestaltungsregel immer ein Aufmaß von 150mm derEinsatzbreite betragen. Der Mittelwert der Differenz in x‐Richtung beträgt218mm.

Abbildung4‐22:PaarweiserVergleichEinsatz–Formrahmeninx‐Richtung

InAbbildung4‐23istzusehen,dassauchinderFormrahmenlängeaufgewisseGrößenstandards zurückgegriffen wird. Auch hier werden für unterschiedlicheWKZ‐Typendie gleichenAußenmaßebenutzt.BeiderFormrahmenlängekönntedaherebenfallseinAufmaßvon150mmfürdieminimaleFormrahmenlängever‐wendetwerden.DerMittelwertderDifferenziny‐Richtungbeträgt226mm.AusAbbildung4‐24wirdersichtlich,dassEinsätzemit80und90mmHöhe,sowieei‐nigeFormrahmenmit136und156mmHöheöftersvorkommen.HiersindwiederWKZ‐Typübergreifende Standardmaße zu erkennen.Die amhäufigsten verwen‐deteEinsatzhöheist80mm.AuchhierlässtsicheinminimalesAufmaßzwischenEinsatz‐ und Formrahmenhöhe von 60mmdefinieren. DerMittelwert derDiffe‐renzinz‐Richtungbeträgt86mm.

500

600

700

800

900

1000

1100

300 400 500 600 700 800 900

Form

rahm

en x [m

m]

Einsatz x [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+150


93

Abbildung4‐23:PaarweiserVergleichEinsatz–Formrahmeniny‐Richtung

Abbildung4‐24:PaarweiserVergleichEinsatz–Formrahmeninz‐Richtung

400

450

500

550

600

650

700

750

800

200 250 300 350 400 450 500

Form

rahm

en x [m

m]

Einsatz y [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+150

100

125

150

175

200

225

250

275

300

50 75 100 125 150 175

Form

rahm

en z [m

m]

Einsatz z [mm]

WKZ‐Typ 2‐3‐3

WKZ‐Typ 4‐0‐0

WKZ‐Typ div.

y=x+60


94

Fazit

DiestatistischeAnalysevorhandenerDGWKZzeigt,dassesinsbesonderebeidenFormrahmen bereits diskrete Ausprägungen gibt. Diese sind unabhängig vomWerkzeugtyp. Neben teils gleichen Außenabmessungen unterscheiden sich dieFormrahmen jedoch in einigen Details. Bei WKZ‐Typen mit Schiebern müssenAussparungenundBefestigungsschnittstellen für Schieberführungeneingebrachtwerden.TrotzdemkönnendiverseParameter,wieAußenmaßeundGrößenabstu‐fungen,überdieWKZ‐Typenhinwegfestgelegtwerden.FüreinigeParameterwieFormrahmenhöhesolltennochFestigkeitsberechnun‐

gen durchgeführt werden. Dies birgt Potential den technologischen Geltungsbe‐reich zu vergrößern. Die Aufmaße zwischen den WKZ‐Komponenten sollten sokleinwietechnologischmöglichrealisiertwerden,wasfüreineVerringerungderMaterial‐sowieFertigungskostensorgt.

4.4. Anforderungen an modulare Druckgusswerkzeuge

InWorkshopsmitKooperationspartnernausderIndustriewurdenHauptanforde‐rungen an modulare Druckgusswerkzeuge erarbeitet. Die KooperationspartnerdeckendiegesamteWertschöpfungskettefürDruckgusserzeugnisse,vomNorma‐lienhersteller fürWerkzeugkomponentenüberdenWerkzeugbauer,dieGießereibishinzumGussteilabnehmer,ab.MitvierIndustriepartnernwurdendieAnforde‐rungen an modulare Druckgusswerkzeuge anschließend konkretisiert. HierbeibringtjederPartnereineunterschiedlicheSichtweiseaufdieHauptanforderungenundderenPrioritätenein.

Normalienhersteller

DerFokusderZusammenarbeitliegtgleichberechtigtaufderStandardisierungderFormelementeundderEntwicklungeinesmodularenDruckgießwerkzeuges.DieStandardisierungderFormelementebeinhaltetdieAnalysevonSpritzgieß‐

und Druckgießwerkzeugen, sowie die Auslegung von Normalien für Druckgieß‐werkzeuge. Die Analyse konzentriert sich auf Anforderungen an den Prozess(Temperaturen, Drücke, Geschwindigkeiten, Zeiten), technologisch konstruktiveAnforderungen (Festigkeiten,Materialauswahl, Oberflächenbehandlung, Toleran‐zen)unddieAnforderungenandieGießmaterialparameter(Wärmeleitfähigkeit,‐übergänge, Klebneigung, Reibungskoeffizient). Die Auslegung der Normalien be‐rücksichtigtdieProzessphasenAngießen,AuswerfenundEntformen.DesWeite‐renbeinhaltetdieAuslegungdieÜberarbeitungvonFührungs‐undTemperiersys‐temen.


95

DieEntwicklungeinesmodularenDruckgießwerkzeugessollzueinemPrototy‐penwerkzeug,einemstandardisiertenStammwerkzeugfürdenDruckguss,führen.AußerdemsollenKonzeptefürdenSchnellwechselvonverschleißendenStandar‐telementenundEinsätzenausgearbeitetwerden.

WerkzeugbauerundAnlagenhersteller

Ziel der Zusammenarbeit ist die Reduzierung derDurchlaufzeit, eine allgemeineReduktionderKosten,einemöglichsthoheFlexibilität,eineStandardisierungvonFormbauteilen,dieAusarbeitungvonWechselsystemenbzw.Kassetten‐Lösungenund die Entwicklung stückzahlenabhängiger Stammformen. Den verschiedenenPunktenkommtdabeieineunterschiedlicheGewichtungzu.EinehohePrioritätliegtaufderReduzierungderKostenundderDurchlaufzeit.

DieDurchlaufzeitbeziehtsichaufdenkomplettenProzessdesWerkzeugbausunddieKonstruktiondesWerkzeuges.DerKonstruktionsprozessisteheraufwändigergeworden,dieFertigungalsEndprozessdafürschneller.ZielsetzungenmitmittlererPrioritätsinddiePunktehoheFlexibilität,Reduzie‐

rung/StandardisierungvonFormbauteilenunddieAusarbeitungvonWechselsys‐temen.BeimKriteriumderFlexibilitätistzubeachten,dassderKundemöglichstkleine

MaschinenbeihöchstmöglicherProduktivitätfordert.DieFirmabesitztzudemeinsehr breites Kundenspektrum von kleinen bis sehr großen Stückzahlen, dieseBandbreitedarfdurcheineStammformnichtverringertwerden.DieStandardisierungvonFormbauteilenbeziehtsichaufkomplexeFormenaus

sehr vielen Teilen (z.B. Schieber) und deren Vereinfachung oder gegebenenfallssogarAuslagerung.BeiWechselsystemenbefindensichbeweglicheAuswerferein‐sätze in der Stammform. Nachteil bereits realisierter Lösungen ist der höhereGießmaterialeinsatzdurchlangeAngusskanäleundeindadurchbedingtes,größe‐resAngussvolumen.Die Ausarbeitung stückzahlenabhängiger Varianten und Stammformen hat die

geringsteWichtigkeit.ZubeachtenistindieserKategorie,dassnichtjederKundeeineFormbenötigt.15‐20%desPreiseswerdenvonderStammformverursacht.MöglicheVerkäufevonEinsätzenanKundendiedanneinegleicheStammformbe‐sitzen müssen und eine eventuelle Vermietung von Stammformen durch denWerkzeugbauersindinBetrachtzuziehen.

Druckgiesser‐1

DerFokusderZusammenarbeitliegtaufderVerbesserungdesKonstruktionspro‐zesses,derAusarbeitungeinesmodularenWerkzeugesundderVerbesserungder


96

Arbeitsvorbereitung.DieeinzelnenKategorienbesitzendiegleicheWertigkeit,al‐lerdingssinddieUnterpunkteunterschiedlichgewichtet.Das Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung eines Prototypenwerkzeuges

(KategoriemodularesWerkzeug).DasWerkzeug soll für PrototypenbauteilemitLosgrößenvon10.000StückgeeignetseinundeinenextremschnellenEinsatzer‐möglichen(<5Werktage).DieOptimierungderAbläufeundWerkzeugvorbereitung(KategorieArbeitsvor‐

bereitung)besitztdienächstgeringereGewichtung.DieKategorieKonstruktionsprozessmitdenUnterpunktenAngebotserstellung

(Typologisierung von Druckgussteilen, welche die Komplexität berücksichtigt),effektiverKonstruktionsprozess(ReduktionPersonalstundeninSitzungen,Redu‐zierung Konstruktionszeit und Fehlervermeidung im Konstruktionsprozess) undSimulation(ReduzierungunnötigerSimulationsdurchläufeimVorabstadium),bil‐dendieletztePrioritätsstufe.

Druckgiesser‐2

DerFokusderZusammenarbeitliegtaufderVerbesserungderRüsteigenschaften,der Modularisierung des Werkzeuges und der Formauslegung. Zu beachten isthierbei,dassdenRüsteigenschafteneineübergeordneteRollezukommt.Die Verbesserung der Rüsteigenschaften beschäftigt sich mit den Parametern

Rüstablauf,Wertströme, Schnellwechselsysteme, Schnellspannsysteme und rüst‐gerechteWerkzeuge.DieeinzelnenUnterpunktediesesArbeitsbereiches stehengleichberechtigtne‐

beneinander. Der Bereich Rüstablauf adressiert den Arbeitsablauf hinsichtlichZeit‐ und Aufgabeneinteilung (Arbeitsabschnitte und ‐ort). Innerhalb des Wert‐strombereicheswerdenRüstkostenund ‐häufigkeiten inBezugaufZeitverhaltenundderentsprechendeZusammenhangzugroßenLosgrößenbestimmt.Der Arbeitsbereich Schnellwechselsysteme untersucht die Wechseleigenschaf‐

ten von Schiebern, Einsätzen und der gesamten Form. Die Analyse vonSchnellspannsystemensollzueinerVerkürzungderRüstzeit,idealerweiseaufun‐ter eine Stunde, führen. Der Parameter rüstgerechte Werkzeuge beinhaltet dieStandardisierung der Formen, um eine optimierte Abstimmung zwischen FormundDruckgussmaschinezuerreichen.Die Modularisierung des Werkzeugs beinhaltet die Unterpunkte Optimales

Handling,Nomenklatur,WerkzeugaufbauundneueWerkzeugwerkstoffe.DasAu‐genmerkliegtdabeihauptsächlichaufdemPunktOptimalesHandling.


97

EineoptimaleArbeitmitdemWerkzeugwirddadurcherreicht,dassesbeson‐ders montagefreundlich ist und eine Reparatur auf der Druckgussmaschine zu‐lässt.DerArbeitsbereichNomenklaturbestimmteineeinheitlicheBenennungfürden

Werkzeugdatenaufbau. Innerhalb des Werkzeugaufbaus werden Möglichkeitenerarbeitet,dieeinzelnenModuleschnellaustauschenzukönnenunddieKühlun‐genmitdenEinsätzenzuverbinden.Mit demWärmeabfuhr‐ undVerschleißverhalten neuerWerkstoffe beschäftigt

sichderletzteArbeitsbereichderWerkzeugmodularisierung.InnerhalbderForm‐auslegung gibt es einePriorisierungder einzelnenUnterpunkte.An erster StellestehtderAufbaueinesPrototyps.DanachfolgengleichberechtigtdieAspekteAus‐arbeitung von Konstruktionsrichtlinien (für Gussteil inkl. Gestaltung der An‐schnittsystemeundForm).DienächsttiefereArbeitsebenebildendiePunkteMa‐terialauswahl und intelligente Werkzeuge (Prozessbeeinflussung, Senso‐rik/Messtechnik undKühlung).Die geringsteWertigkeit habendieArbeitsberei‐cheToleranzen(bezüglichLebensdauer)undFormgröße(DatenmodellundersteKalkulation).Kein Fokus liegt auf den Punkten Werkzeugstandzeit (Temperaturhaushalt,

Stückzahl,VerschleißvorhersagenaufgrundderStrömungundSinnhaftigkeitderModularisierung für das entsprechende Werkzeug), Reduzierung des Formver‐schleißesundAnalysederFormlebenszeit.

Gesamtüberblick

Nach den Einzelbefragungen wurden alle Projektpartner im Rahmen eines ge‐meinsamenWorkshopsabschließendbefragt.AufbauendaufdenEinzelbefragun‐genwurde ein Fragebogen erstellt, um diewichtigsten Ziele zu bestimmen undnach ihrerWichtigkeit zu bewerten. Die Bewertungwurdewie folgt vorgenom‐men:1–geringeWichtigkeit3–mittlereWichtigkeit9–hoheWichtigkeit

Hierbei haben alle sechs Firmen an der Befragung teilgenommen. In Abbildung4‐25 sind die wichtigsten Ziele aus Sicht des Firmenkonsortiums zusammenge‐fasst.DabeiwurdendiePunkteausdenEinzelbefragungen für jedesvorherdefi‐nierteZielzusammenaddiert.


98

Abbildung4‐25:GesamtüberblickderZieledesFirmenkonsortiums

AlswichtigsterPunkthatsichdieEntwicklungeinerMethodikfürdieStandardi‐sierungundModularisierungvonDruckgießwerkzeugenherausgestellt.Dabeisol‐lenfolgendeUnterpunkteberücksichtigtwerden:

‐ Schnellere und genauere Angebotserstellung (Berechnung von Kostensze‐

narienfürkonventionelleundmodulareWerkzeuge),‐ ReduzierungderKonstruktionszeitundFehlervermeidunginderKonstruk‐

tiondurchEinsatzvonbewährtenModulen,‐ AnalyseundTypologisierungvonGussteilenundDruckgusswerkzeugen,‐ ErarbeitungvonKonstruktionsrichtlinienfürstandardisierteundmodulare

Werkzeuge,‐ ErarbeitungvonkonstruktivenLösungenfürPrototypenwerkzeuge,‐ Analyse und Optimierung des Rüstablaufes (Erarbeitung rüstgerechter

Werkzeuge),‐ Erarbeitung konstruktiver Lösungen zum Wechseln von Verschleißteilen

aufderMaschine.

Fazit

In diesem Kapitel wurden eine Produktarchitektur und die Schnittstellen vonDruckgusswerkzeugennachdemheutigenStandderTechnikbeschrieben.Abhän‐gigkeitenzwischendenWerkzeugkomponentenwurdenbewertetundstrukturiert

22

4042

3634 34

20

25

30

35

40

45Ko

sten

kalkulation von

Druckgießw

erkzeu

gen

Optim

ierung

des

Konstruktio

nsprozesse

s

Mod

ularisierun

g von

Druckgiesswerkzeu

gen

Prototypen

werkzeu

g

Rüsten

Wkz‐In

standh

altung


99

dargestellt.UnterschiedlicheModulkategorienwurdendefiniertundWerkzeugty‐penbestimmt.DieKonstruktion vonDruckgusswerkzeugenwurdemitHilfe vonGestaltungsprinzipienerklärtundneuePrinziplösungenentwickelt.MitHilfevonIndustriepartnern wurden Anforderungen an die Modularisierung von Druck‐gusswerkzeugengesammeltundbewertet.ImfolgendenKapitelwerdendietechnologischenundwirtschaftlichenGrenzen

einer Modularisierung erschlossen und konkrete Auslegungsregeln für Moduleentwickeltwerden.

Technologische und wirtschaftliche Grenzen der Modularisierung

100

5. Technologische und wirtschaftliche Grenzen der Modularisie‐rung

Aus den vorherigen Analysen in Kapitel 4 geht hervor, dass einige Druckguss‐werkzeugkomponenten, insbesondereFormrahmenundEinsätze,komplexerNa‐tur sind. Diese besitzen hohe Abhängigkeiten untereinander und zählen zu denentwicklungs‐ sowie fertigungsintensivsten und damit teuersten Komponenten.EineModularisierungdieserKomponentenbietetsichunterökonomischenAspek‐tensomitimbesonderenMaßean.DerEinsatzwurdeinKapitel4.1.,durchseinestarkenAbhängigkeitenzuande‐

renWKZ‐Komponenten,alskritischeKomponente identifiziert.Hier istzuunter‐suchen,biszuwelchemGradderEinsatzeinerModularisierungunterzogenwer‐denkann.HierzumussderEinsatzinseineeinzelnenMerkmalebzw.Konstrukti‐onselemente(KE)untergliedertwerden(vgl.Abbildung5‐1).‐ KE01‐Außenmaße‐ KE02‐Radien‐ KE03‐Absatz‐ KE04‐Fase‐ KE05‐Befestigung‐ KE06‐Kavität(Gussteilgeometrieinkl.Gießsystem)‐ KE07‐PositionAuswerfer‐ KE08‐Temperierung

DasKonstruktionselementKE01beschreibtdieAußenabmessungendesEinsat‐

zes, diese sind inhärent von den Abmessungen des Gießsystems abhängig. AustechnologischerSichtsolltederEinsatzsogroßsein,dassdieserdauerfestist.Un‐terwirtschaftlichenAspektengiltesallerdingsdenEinsatzmöglichstkleinauszu‐legen.UmdiesegegenläufigenAnforderungen ineinekongruenteFormzuüber‐führen,werdenimfolgendenUnterkapitelgeeigneteAuslegungsregelnerarbeitet.Die Konstruktionselemente KE02 bis KE05 sind ohne größeren Aufwand zu

standardisieren. Die hier festgelegten Parameter werden auf die angrenzendenKomponenten, in diesem Fall Amboss und Formrahmen, übertragen. Hierbei isteine klare Hierarchie im Konstruktionsprozess zu definieren. Abhängig von denspäterenModulausprägungen,istfürdieunterschiedlichenKonstruktionselemen‐te noch zu unterscheiden, ob undwie dieGrößenabstufungenderParameter zuwählensind.


101

DasKonstruktionselementKE06unterliegtstarkenRestriktionenunterdemAs‐pekt der Modularisierbarkeit, da das individuelle Gussteil abgebildet werdenmuss,somitkannzumeistnurdasGießsystemaufseinModularisierungspotentialhin überprüft werden. Hierzu werden in den folgenden Unterkapiteln Analysendurchgeführt.DasKonstruktionselementKE07istsehrstarkvomGussteilabhängig.DieGeo‐

metrie des Gussteils schreibt die Position der Auswerfer vor. Eine Standardisie‐rungisthierbeinichtohneModifikationenanderGussteilgestaltdurchführbar.

Abbildung5‐1:KonstruktionselementeEinsatz


102

Das Konstruktionselement KE08 ist vom Gussteil, der Position der AuswerferundvomGießsystemabhängig. Inden folgendenUnterkapitelnwirduntersucht,inwieweiteineStandardisierungderTemperierungimEinsatzsinnvollist.Die KonstruktionselementeKE06 undKE08 haben einen direkten Einfluss auf

dieQualitätdesGussteils.BeimAbschätzendesModularisierungspotentialsdieserKonstruktionselemente ist darauf zu achten, dass eineModularisierung nicht zuQualitätseinbußenführt.5.1. Untersuchungen zur Formfüllung

DasGießsystem(vgl.Abbildung2‐18)wirdinderRegeldurchdenAmbossundeinodermehrere Einsätze in der beweglichen und festen Formhälfte abgebildet. InKapitel2.3.2.wurdeerläutert,wieeinGießsystemnachheutigemStandderTech‐nikausgelegtwerdenkann.DieAnschnittdicke istvonderkritischenWanddickeamGussteilabhängigundderAnschnittquerschnittvomBauteilvolumeninklusivederÜberläufesamtEntlüftungssystem.AusdenGleichungengehtklarhervor,dasseineAnschnittgeometrieimmeraufdaszufertigendeGussteilabgestimmtwerdenmuss.DieMissachtungderinKapitel2.3.2.erläutertenRegelnführtzwangsläufigzuschlechtenGussteilen.DieAuslegungdesGießlaufserlaubteinegrößereAusle‐gungsfreiheit.DerGießlauf ist somit nichtmehr so stark vonderGeometrie desGussteils abhängig. Im folgendenKapitelwird versucht Standards zu definieren,dieinwiederverwendbareModuleübertragenwerdenkönnen.

SimulationunterschiedlicherGießlaufquerschnittemitHinblickaufderenModulari‐sierungspotenzial

Um dieModularisierbarkeit von Gießsystemen zu untersuchen, wurde ein Prin‐zipbauteilmitunterschiedlichenWandstärkenentwickelt,andemFormfüllsimula‐tionen durchgeführtwerden.Die inAbbildung 5‐2dargestellte BauteilgeometriewurdemitdreiunterschiedlichenWanddickennachTabelle5‐1konstruiert.


103

Abbildung5‐2:PrinzipbauteilfürdieFormfüllsimulation

Tabelle5‐1:WandstärkenundVolumenderdreiPrinzipbauteile Bauteil‐B2 Bauteil‐B3 Bauteil‐B4

KleinsteWanddicke[mm] 2 3 4GrößteWanddicke[mm] 3 4 5MittlereWanddicke[mm] 2,2 3,2 4,2Volumen[cm³] 129,4 196,6 257,7DieGießzeitwurdenachBennettbestimmt(vgl.Abbildung2‐19).DieGießzeiten

nachBennettverändernsichstärkermitderWanddickedesGussteilsalsz.B.dieGießzeitennachKopf,somitkanneingrößererParameterbereichbeidenSimula‐tionenabgedecktwerden.DieberechnetenAnschnittsquerschnitteunddiefürdieSimulationverwendetenDatenfürdiedreiunterschiedlichenBauteilesindinTa‐belle5‐2dargestellt.Für die Simulationsberechnungen wurden die Parameter der am Gießerei‐

Institut befindlichen Kaltkammerdruckgießmaschine Bühler H‐630SC in dieSimualtionssoftware MAGMAsoft® übertragen. Der Gießkammerdurchmesserwurde auf 60mm festgelegt. Als FormwerkstoffwurdehochfesterWarmarbeits‐stahl (1.2343) gewählt. FormtemperaturundGießtemperaturder Schmelze sindauf 200°C bzw. 670°C eingestellt. Als Legierung wurde AlSi9Cu3 gewählt. Der


104

Nachdruckwurdein10msaufbiszu600bargesteigertundübereineZeitspannevon10sgehalten.DieseRandbedingungensindfüralleSimulationsberechnungenkonstant.Tabelle5‐2:BerechnungderAnschnittquerschnitte

Bauteil‐B2 Bauteil‐B3 Bauteil‐B4

GussstückvolumenV0[cm³](einschließlichÜberläufe) 143,3 210,6 271,7

Formfüllzeitτ,[ms] 27 60 112EinströmmengeQ,[cm3/s] 5309 3510 2425StrömungsgeschwindigkeitimAnschnitt ,[m/s] 30 30 30

AnschnittquerschnittSa,[cm2] 1,77 1,17 0,81Um über die Simulationen die Möglichkeit der Gießlaufstandardisierung mit

dem Schwerpunkt der Formfüllung anhand der drei Prinzipbauteile zu untersu‐chen,diesichgrundsätzlichnurinihrerWandstärkeunterscheiden,könnendiesemitdrei, in ihremQuerschnittunterschiedlichen,Gießläufenkombiniertwerden.Hierzu wurden drei Gießsysteme ausgelegt. Für die Dimensionierung des Gieß‐laufquerschnitteswurdederAnschnittquerschnittdesmittlerenBauteilsB3nachdrei verschiedenen Faktoren vergrößert, die in den üblichen Grenzen für dasDruckgießverfahrenliegen(vgl.Tabelle5‐4).EswurdeeinvollfaktoriellerVersuchsplandefiniert,beidemallemöglichenFak‐

torkombinationen untersucht werden. Um die nicht linearen Zusammenhängezwischen der Gussteilqualität und den untersuchten Faktoren erkennen zu kön‐nen,werdendieseindreiStufenvariiert.BeieinemvollfaktoriellenVersuchsplanergibtsichdieAnzahlderDurchläufedurchdieAnzahlderStufenmitderAnzahlanFaktorenalsExponent.FürjedesPrinzipbauteilergebensichdaraus27Faktor‐kombinationen.SomitwerdenfürdiedreiBauteileunterschiedlicherDickeinsge‐samt81Simulationsberechnungendurchgeführt.


105

Tabelle5‐3:Anschnitt‐undGießlaufquerschnitte Bauteil‐B2 Bauteil‐B3 Bauteil‐B4

AnschnittquerschnittSa,[cm2] 1,77 1,17 0,81Gießlaufquerschnitt1[cm²] 1,40Verhältnis1Gießlauf‐/Anschnittquerschnitt 0,79 1,20 1,73

Gießlaufquerschnitt2[cm²] 2,35Verhältnis2Gießlauf‐/Anschnittquerschnitt 1,32 2,00 2,89

Gießlaufquerschnitt3[cm²] 3,51Verhältnis3Gießlauf‐/Anschnittquerschnitt 1,98 3,00 4,33

Neben den Gießlaufgeometrien werden die Strömungsgeschwindigkeiten und

derUmschaltpunktnachTabelle5‐4variiert.FürdenUmschaltpunktwerdenfol‐gendeVariantenangenommen:

‐ Umschaltpunkt bei vollständig gefüllter Gießkammer (75). (GKV‐GießKammerVoll),

‐ UmschaltpunktwenndieSchmelzedenAnschnitterreichthat(42).(FP‐FullPosition),

‐ Umschaltpunktwenn10%desFormhohlraumesmitSchmelzegefülltsind(10%Sp.‐10%spätererUmschaltpunkt).

Tabelle5‐4:beiderSimulationzuvariierendeParameter

1 2 3

Bauteil B2 B3 B4Gießlauf G1 G2 G3Strömungsgeschw. ,[m/s] 20 30 40Umschaltpunkt GKV FP 10%Sp.


106

Umdie Simulationsberechnungen auszuwerten, sind inMAGMAsoft® verschie‐deneFüllergebnissefürdieBewertungderGussbauteilevorhanden.DiefolgendenErgebnissewerdennäherbetrachtet.

‐ FillingTimeundTracer‐ Temperature‐ AirContact‐ AirEntrapmentundAirPressure

AuswertungFillingTimeundTracer

AuswertungderFormfüllungwurdeanhandderschrittweisenDarstellungenderFillingTimeundderTracerdurchgeführt.DasFillingTimeErgebniszeigtdieFüll‐zeitinSekundenan.HierbeiistderzeitlicheVerlaufderFormfüllungzuerkennen.DieAuswertungderFüllungdesFormhohlraumshatgezeigt,dassdieLängedesAnschnittesbzw.dieAnpassungdesAnschnittesaufdiezugießendeKontur,einensehrstarkenEinflussaufdieFormfüllungbesitzt.SomitbildetsichbeispielsweisebeidenBauteilenB3undB4eineLufttaschelinksnebendemAnschnitt,erkennbaran der deutlich verzögerten Füllung imVergleich zu den umliegendenRegionen(vgl.Abbildung5‐3).

Abbildung5‐3:FillingTime‐ErgebnisfürdasBauteilB3(SimulationNr.41:G2,Va‐30m/s;UmP.‐FP)


107

EineStrömungsgeschwindigkeitvon40m/sunddasum10%spätereUmschal‐tenindiezweitePhasekönnendieVerweilzeitunddieGrößederLufttaschever‐ringern(vgl.Abbildung5‐4).DieEntstehungvonVerwirbelungenwährendderFormfüllungwirktsichnega‐

tivaufdieQualitätderGussteileaus.InMAGMAsoft®könnenVerwirbelungenmitTracer‐Partikelnvisualisiertwerden(vgl.Abbildung5‐5).DieTracerpartikelwer‐den innerhalb des Schmelzestromes mitbewegt und können so die Füllung desGussteilssichtbarmachen.ImAllgemeinenneigtdieStrömungbeiRichtungsände‐rungenzumVerwirbeln.SomitsindstarkeVerwirbelungenandenUmlenkungendes Gussteils und bei Aufeinandertreffen von Schmelzefronten zu erwarten. Umdie Schmelze zu beruhigen und den negativen Einfluss von Verwirbelungen zuverringern, sowiedasEntweichenvonGasenundOxiden zuverbessern, sindangeeignetenStellenÜberlaufbohnenpositioniert(vgl.Abbildung5‐5).

Abbildung 5‐4:FillingTime‐Ergebnis desBauteils B3 (SimulationNr. 39: G2, Va‐40m/s;UmP.‐10%Sp)


108

Abbildung5‐5:VisualisierungderFormfüllungmittelsTracer‐PartikelfürBauteilB3(SimulationNr.50:G3,Va‐30m/s,UMP.‐FP)

AuswertungderTemperaturergebnisse

Die Temperaturergebnisse könnenwährend und nach Beendigung der Formfül‐lung dargestellt werden. Um die 81 Simulationen untereinander zu vergleichen,wurdendieminimaleTemperatur unddermaximaleTemperaturunterschied imGussteilnachBeendigungderFormfüllungalsrepräsentativeGrößenausgewählt.EinemöglichsthoheTemperaturbei gleichzeitigminimalerTemperaturabwei‐

chungimGussteil istanzustreben.InAbbildung5‐6istdieminimaleTemperaturimBauteilB3nachvollendeterFormfüllungdargestellt.Es ist zuerkennen,dassdieParameteränderungenanderMaschine, insbesonderedieÄnderungderFüll‐geschwindigkeit,einenhöherenEinflussaufdieTemperaturhabenalsdieunter‐schiedlichenGießläufe.DieinAbbildung5‐6dargestellteroteLiniebeschreibtdieLiquidustemperaturderSchmelzederLegierungAlSi9Cu3.DieverwendeteLegie‐rungbesitzteinbreitesErstarrungsintervallvon490bis578°C,somitsindkeineKaltlaufstellenbeieinemgeringfügigenUnterschreitenderLiquidustemperaturzuerwarten.


109

Abbildung5‐6:MinimaleTemperaturderSchmelzefürBauteilB3

Abbildung5‐7:TemperaturunterschiedimBauteilB3

InAbbildung5‐7istdermaximaleTemperaturunterschiedimBauteilB3darge‐stellt. Dieser ändert sich ebenfalls stark mit der Strömungsgeschwindigkeit amAnschnitt und dem Umschaltpunkt. Hierbei haben die schnelle Strömungsge‐schwindigkeit und derUmschaltpunkt bei voller Gießkammer die besten Ergeb‐

550560570580590600610620630640

Va‐40m/s;UmP.GKV

Va‐40m/s;UmP.FP

Va‐40m/s;UmP.10%Sp

Va‐30m/s;UmP.GKV

Va‐30m/s;UmP.FP


Va‐20m/s;UmP.GKV

Va‐20m/s;UmP.FP


Tempe

ratur [

°C]

Gießbedingungen

Minimale Temperatur im Bauteil B3 nach der Formfüllung

G 1

G 2

G 3

0102030405060708090

100

Va‐40m/s;UmP.GKV

Va‐40m/s;UmP.FP


Va‐30m/s;UmP.GKV

Va‐30m/s;UmP.FP


Va‐20m/s;UmP.GKV

Va‐20m/s;UmP.FP


Tempe

ratur [

°C]

Gießbedingungen

Temperaturunterschied im Bauteil B3 nach der Formfüllung

G 1

G 2

G 3


110

nisseerzielt.DerEinflussderunterschiedlichenGießläufeaufdenTemperaturun‐terschiedistvergleichsweisegering.

AuswertungderAirContact‐Ergebnisse

Das Ergebnis Air Contact zeigt an, wie lange die Schmelze mit Luft in Kontaktstand.BeiElementenmithohenWertenistdieGefahramgrößten,dasssicheineOxidhautbildenkann.DieBestenAirContact‐ErgebnissewurdenbeihohenStrömungsgeschwindigkei‐

tenimAnschnittundfrühenUmschaltpunktenerreicht,dadieGießzeitenbeidie‐senParameternkürzersind.BeikürzererKontaktzeitderSchmelzemitderUm‐gebungsluft könnenweniger Oxideinschlüsse gebildet werden. Es wurde festge‐stellt,dass fürdieBauteileB3undB4dieStrömungsgeschwindigkeitdenbedeu‐tendsten Einfluss auf das Air Contact‐Ergebnis hat. Für das Bauteil B2 übt derGießlauf G3 den stärkstenEinfluss auf das Ergebnis aus und sorgt für schlechteErgebnisse(vgl.Abbildung5‐10).EineindeutigerZusammenhangzwischenGieß‐laufquerschnitt undOxidationder Schmelze lässt sichnicht feststellen. InAbbil‐dung 5‐8 ist das beste Air Contact‐Ergebnis dargestellt, in Abbildung 5‐9 dasschlechteste.

Abbildung5‐8:BestesAirContact‐ErgebnisdesBauteilsB2(SimulationNr.10:G2,Va‐40m/s,UMP.‐GKV)


111

Abbildung5‐9:SchlechtestesAirContact‐ErgebnisdesBauteilsB2(SimulationNr.27:G3,Va‐20m/s,UMP.–10%Sp.)

Abbildung5‐10:OxidationderSchmelzefürBauteilB2

0

5

10

15

20

25

Va‐40m/s;UmP.GKV

Va‐40m/s;UmP.FP


Va‐30m/s;UmP.GKV

Va‐30m/s;UmP.FP


Va‐20m/s;UmP.GKV

Va‐20m/s;UmP.FP


Kontaktzeit d

er Schmelze m

it de

r Luft [ms]

Gießbedingungen

AirContact‐Ergebnisse für Bauteil B2

G 1

G 2

G 3


112

AuswertungderAirEntrapment‐undAirPressure‐Ergebnisse

Das Ergebnis Air Entrapment zeigt den Anteil an eingeschlossener Luft in derSchmelze. Zur quantitativen Bewertung dieser Ergebnisse ist außerdem zu be‐rücksichtigen,ob indiesemBereicheinhoheroderniedrigerLuftdruckherrscht.DeshalbwirddasAirEntrapment‐ErgebnisparallelzudemAirPressure‐Ergebnisuntersucht.DasAirPressure‐Ergebnis zeigt diemaximalenLuftdrücke, diewäh‐renddergesamtenFormfüllunggeherrschthaben,an.Bei den Simulationsergebnissen erscheinen die Lufteinschlüsse nicht immer nurandenStellenmithohenLuftdruckwerten.BeiderSimulationNr.76sinderhebli‐cheLufteinschlüsseanderlinkeSeitedesGussstückesdargestellt(vgl.Abbildung5‐11, Abbildung 5‐12). Eine so starke Beeinträchtigung der Gussqualität durchLufteinschlüsse ist inderRealitätabernichtzuerwartenundmussgeprüftwer‐den. Für die Air Pressure–Ergebnisse wurden Zonen mit einem Luftdruck über2500mbaralsHochdruckbereicheangenommen.AusdendargestelltenErgebnis‐senwirdersichtlich,dassdurcheinen späterenUmschaltpunkt (10%Sp.)dieAirPressure‐Ergebnisse imAllgemeinen verbessertwerden. Die höhere Strömungs‐geschwindigkeit von 40m/swirkt sich normalerweise negativ auf das Ergebnisaus, kannaber inKombinationmit demUmschaltpunkt10%Sp. guteErgebnisseliefern(vgl.Abbildung5‐13).

Abbildung5‐11:SchlechtesAirEntrapment‐ErgebnisdesBauteilsB4(SimulationNr.76:G3,Va‐30m/s,UmP.‐GKV)


113

Abbildung5‐12:AirPressure‐ErgebnisdesBauteilB4(SimulationNr.76:G3,Va‐30m/s,UmP.‐GKV)

Abbildung5‐13:AirPressure‐ErgebnissedesBauteilsB2

BeidemBauteilB2sinddieLuftdruckwertekleineralsbeidenBauteilenB3undB4. Diese Tatsache kann auf die niedrigere Menge einströmender Schmelze zu‐rückgeführtwerden.FürdasBauteilB2beeinflusstderGießlaufG1beidenStrö‐

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Va‐40m/s;UmP.GKV

Va‐40m/s;UmP.FP


Va‐30m/s;UmP.GKV

Va‐30m/s;UmP.FP


Va‐20m/s;UmP.GKV

Va‐20m/s;UmP.FP


Luftdruck [m

bar]

Gießbedingungen

Maximaler Luftdruck im Formhohlraum für Bauteil B2

G 1

G 2

G 3


114

mungsgeschwindigkeitenvon40m/sund30m/sunddenUmschaltpunktenGKVundFPdasEndergebnissehrstark, imVergleichmitanderenGießläufen, jedochnegativ. Bei den zwei anderen Bauteilen, B3 und B4,wurde das Ergebnis durchdenEinsatzvonGießlaufG1beieinigenVariationenebenfallsbeeinträchtigt.An‐handderBetrachtungderFormfüllunglässtsichdieEntstehungderHochdruckbe‐reicheerklären.DurchdieÄnderungenvonGießparameternwirddasFließverhal‐tenderSchmelzewährendderFormfüllungverändert,sodasseinevorzeitigeFül‐lung der Überläufe stattfindet. Sind die Überläufe komplett vor dem Formhohl‐raumgefüllt,kanndieLuftnichtmehrausderFormentweichenundwirdinderSchmelze eingeschlossen. Hierdurch könnenBereichemit hohem Luftdruck ent‐stehen. An diesen Stellen sindmit hoherWahrscheinlichkeit Lüfteinschlüsse imspäterenGussteilzuerwarten.

AuswertungdergesamtenGussteilqualität

BeiderAuswertungdergesamtenQualitätdesGussstückeswurdenPunkteinje‐der Ergebniskategorie vergeben. Alle Auswertungen wurden gegeneinander be‐wertetundjeweilswiefolgteingeteilt.

‐ GuteErgebnisse‐3Punkte,‐ MittlereErgebnisse‐2Punkte,‐ SchlechteErgebnisse‐1Punkt.DieverschiedenenErgebnissehabeneinenunterschiedlichgroßenEinflussauf

dieGussqualität.DieGewichtungderEinzelergebnisseberuhtaufErfahrungenamGießerei‐Institut.DieGewichtungwurdewiefolgtvorgenommen:

‐ 0,1beidemTemperaurgradienten‐ 0,2beiAirContact‐ 0,25beiAirPressure‐ 0,45beiAirEntrapment/AirPressure.

Der höchste Gewichtungskoeffizientwurde für die Air Entrapment‐Ergebnisse

gewählt, da durch die Entstehung von Lufteinschlüssen die Gussteilqualität amstärkstenbeeinträchtigtwird. InAbbildung5‐14,Abbildung5‐15undAbbildung5‐16sinddieErgebnisseder81Formfüllsimulationen fürdiedreiunterschiedli‐chenBauteilemitdendreiunterschiedlichenGießläufendargestellt.Dieschlech‐testenErgebnissebeiBauteilB2wurdenmiteinerAnschnittgeschwindigkeitvon20m/sunddemUmschaltpunktGKVerzielt(vgl.Abbildung5‐14Nr.7,16und25).DasbesteErgebnislieferteVersuchNr.11miteinerAnschnittgeschwindigkeitvon40m/sunddemUmschaltpunktbeiFP.


115

Abbildung5‐14:GesamtübersichtderGussqualitätfürBauteilB2


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Gesamtqualität des Gusstückes für Bauteil B2Temperaturgradient AirContact AirPressure AirEntrapment

Gießlauf G1 Gießlauf G2 Gießlauf G3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

Gesamtqualität des Gusstückes für Bauteil B3

Temperaturgradient AirContact AirPressure AirEntrapment



116


InTabelle5‐5sinddieMaximafüralleBauteilzuGießlaufKombinationenzu‐sammengefasst.BeiGießlaufG2liegtderWertderGesamtqualitätfüralleBauteileüber2,5.DerGießlaufG2kanndaherfürdieHerstellungallerdreiGussteilever‐wendet werden. Die Fläche des Gießlaufquerschnittes G2 beträgt 2,34cm2. DasGießlauf‐/AnschnittquerschnittVerhältnisvariiert ineinemBereichvon1,32bis2,89 für die untersuchten Bauteile. Anhand der Ergebnisse kann angenommenwerden, dass Gussteile bei diesen Gießlauf‐ /Anschnittquerschnitt Verhältnissenmit ausreichenderQualität produziertwerden können. Diese Ergebnisse deckensichzumTeilmitdeninKapitel4.7.untersuchtenDGWKZ,hierwurdenGießlauf‐/Anschnittquerschnitt Verhältnisse zwischen1,14und2,86 ermittelt (vgl. Abbil‐dung4‐17).Tabelle5‐5:MaximaderGesamtqualitätdesGussstückes

Bauteil‐B2 Bauteil‐B3 Bauteil‐B4

GießlaufG1 2,25 2,25 2,5GießlaufG2 2,65 2,8 2,5GießlaufG3 2,25 2,4 2,2DerAnschnittquerschnittwird,wieinKapitel2.3.2.beschrieben,überdasVolu‐

mendesBauteilsinklusiveÜberlaufbohnenundEntlüftungsowiedurchdieGuss‐teildicke bestimmt. Das Gesamtvolumen des Abgusses VG ist insbesondere beikleinenBauteilenerheblichgrösseralsdasVolumenabAnschnittVO.Beidenam

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81

Gesamtqualität des Gusstückes für Bauteil B4

Temperaturgradient AirContact AirPressure AirEntrapment



117

Gießerei‐InstitutvorhandenenWerkzeugenunddenvondenIndustriekooperatio‐nenuntersuchtenWerkzeugen liegtderFaktorzwischenVOundVGzwischen0,2und0,8.WobeidasVerhältnisbeikleinenGussteilenzu0,2,beigroßenhingegenzu0,8tendiert.

Abbildung 5‐17: Anschnittquerschnitt für unterschiedliche Gussteildicken undGussvolumina

InAbbildung5‐17istderAnschnittquerschnittinAbhängigkeitvonBauteildickeund gesamtem Gussvolumen aufgetragen. Hierbei variiert der Anschnittquer‐schnittzwischen37und2103mm².BasierendaufdenvorherigenSimualtionser‐gebnissen ist ein Gießlauf‐ /Anschnitt‐Querschnittsverhältnis zwischen 1,4 und2,8zulässig.IndiesemFall istderFaktorzwischengrößtemundkleinstemGieß‐lauf‐/Anschnitt‐Querschnittsverhältnis2.InderPraxissindeinkleinesGussstückmit6mmWandstärkeundeinGroßesmitnur2mmWandstärkeeherunüblich.Lässt man diese beiden Extremfälle außer Acht, ist es möglich, mit fünf unter‐schiedlichen Gießlaufquerschnitten das gesamte in Abbildung 5‐17 dargestellteSpektrum abzubilden. Somit können für ein Gussvolumen zwischen 500 und3500cm³fünfStandardgießläufedefiniertwerden.AlsGeometriefürdenGießlaufwird eine Trapezgeometrie mit 15° Ausformschräge verwendet (vgl. Kapitel2.3.2.).DasBreitezuTiefenverhältnissolltezwischen1,0und1,8liegen(42).DieGießlauquerschnittesindinTabelle5‐6zusammengefasst.

6

5

432

0

500

1000

1500

2000

2500

500 1000 1500 2000 25003000

3500

Anschn

ittqu

erschn

itt [m

m²]


118

Tabelle5‐6:StandardsfürGießlaufquerschnitteGießlaufquerschnittinmm² 125 250 500 1000 2000

Gießlaufbreitebinmm 12 18 25 36 50Gießlauftiefeδinmm 10 14 20 28 40Der letzteTeil desGießlaufs, der imPressrestmündet,wird zumTeil indirekt

durchdieKolben/Gießkammerdurchmesserstandardisiert.DerAußendurchmes‐serdesGießkolbensistindenmeistenDruckgießereienbereitsstandardisiert.AmGießerei‐Institut werden zurzeit nur Kolben mit 60, 80 und 100mm Außen‐durchmesser verwendet. Der Innendurchmesser der Gießkammern entsprichtdemAußendurchmesserdesGießkolbensan.DieminimaleGießkammerlänge istdurchdieDickederfestenAufspannplatteunddiemaximaleLängedurchdenma‐ximalenHubderDG‐Anlagebegrenzt. InAbbildung5‐18istzuerkennen,dassesohneweiteresmöglichist,mitnurdreiGießkammernmitunterschiedlichenLän‐genundDurchmessern,übereineVariationdesFüllgradeszwischen40und80%einGussvolumenzwischen540und3600cm³abzudecken.EsistzwarmöglichdieGießkammermit kleinerenFüllgraden zubetreiben, dies sollte aber imHinblickaufdieanzustrebendeGussqualitätvermiedenwerden(vgl.Kapitel2.3.4.).

Abbildung 5‐18: Gießvolumen bei unterschiedlichen Gießkammerlängen undDurchmessern

0

1000

2000

3000

4000

D 60/ L 480 D 80 / L 520 D 100 / L 580

Gieß

volumen

[cm³]

Füllgrad 40‐80%


119

In Kombinationmit den drei unterschiedlichen Kolbendurchmessern und denfünfGießlaufquerschnittenkönnendie festeundbeweglicheSeitedesAmbossesals Standardmodul ausgelegt werden. Insgesamt sind neun Kombinationen vonGießlaufquerschnittzuKolbendurchmessersinnvoll(vgl.Tabelle5‐7).Tabelle5‐7:MöglicheAmbossausführungen

Gießlaufquerschnittinmm² 125 250 500 1000 2000

GießkammerD60/L480 X X X GießkammerD80/L520 X X X GießkammerD100/L580 X X XBei der Modulgestaltung können Befestigungsschnittstellen sowie Kontaktflä‐

chenmitdemFormrahmenundAußenabmessungenderAmbossefürdiebewegli‐cheundfesteSeiteüberdieverschiedenenVariantenkonstantgehaltenwerden.InAbbildung5‐19sinddiezweiExtremvariantendesAmbossdargestellt,sowohlfür60mm Kolbendurchmesser mit kleinstem Gießlaufquerschnitt, als auch für den100mm Kolben mit dem größten Gießlaufquerschnitt. Die Außenabmessungenund die Befestigungselemente können über die unterschiedlichen Gießlaufquer‐schnitteundKolbendurchmesserhinwegbestehenbleiben.SomitändernsichdieSchnittstellen zwischen Formrahmen und Amboss nicht. Auch die Position desAuswerfersimAmbossmodullässtsichproblemlosstandardisieren.

Abbildung5‐19:StandardisierteAmbossmodulefürdiebeweglicheFormhälfte


120

Fazit

DiedurchgeführtenUntersuchungenweisendarauf hin, dass dieMöglichkeit füreine Standardisierung von Angusssystemen im Druckguss besteht. Die Positionund Gestalt des Anschnittswird sehr stark von der Geometrie des Gussteils ge‐prägtundkannsomitnichtstandardisiertwerden.AnhandderSimulationsergeb‐nissewurde festgestellt, dass sichderGießlauf inGrenzen standardisieren lässt.DerPressrestbzw.derAmbosssowiedieGießkammersamtKolbenkönnensehreinfach standardisiert werden, hier reichen in der Regel drei Ausführungen füreineDG‐Anlageaus.5.2. Untersuchungen zur Temperierung

InKapitel2.3.3.wurdevorgestelltwieeinTemperiersystemfüreinDGWKZausge‐legtwird.DasTemperiersystemhatzweiwesentlicheAufgaben,dasEinstellenderBetriebstemperaturunddasHaltendieserwährenddergesamtenProduktion.DieRüstzeitdesWerkzeugeskanndurcheinschnelleresAufheizenderFormverrin‐gert werden. Ein schnelles Aufheizen kann z.B. durch leistungsstärkere Tempe‐riergeräte erreicht werden oder über die Gestaltung des Druckgusswerkzeuges.Durch gezielte Isolation der mit der Schmelze in Kontakt stehenden WKZ‐KomponentenüberIsolationsplattenoderLuftspalteundeineErhöhungderTem‐perierlängeimWerkzeuglässtsichdieAufheizzeitgezieltverringern.DurchdieseModifikationenerhöhtsichzudemdieDynamikdesSystems.InAbbildung2‐24isteinTemperierkreislaufschematischdargestellt.Nebender

Auswahl eines geeigneten Temperiergeräts und den Einstellungen wie Medien‐temperaturoderDurchflussistinsbesonderedieGestaltungdeswerkzeuginternenTemperierkreislaufs von besonderer Bedeutung. Temperierkanäle in einemDruckgusswerkzeugbestehenmeistaussichüberschneidendenBohrungen.Hier‐bei können je nach Anzahl vorhandener Temperiergeräte und Komplexität desGussteilsmehrereKreisläufeunabhängigparalleloder inReiheangeordnetwer‐den. ImFolgenden sollen anhandder inKapitel 2.3.3. vorgestellten Formeln diewichtigstenStellgrößenunddasStandardisierungspotenzialderTemperierungimDGWKZevaluiertwerden.Alle inKapitel2.3.3.beschriebenenFormelnwurden ineinemExcelDokument

zusammengefasst.NachfolgendsollaneinemfürdiezweitePhasedesExzellenz‐clusters entwickelten Werkzeuges analysiert werden inwieweit sich RüstzeitenverringernlassenundsichfürdieTemperierungStandardsergebenkönnen(vgl.Abbildung5‐20).


121

Abbildung5‐20:ExzellenzclusterDGWKZ

Aufheizzeit–Rüstzeit

DieAufheizzeit istvondergewünschtenEinsatztemperaturabhängig.Nogowizinbeschreibt eine Gleichung mit der die Heizleistung des Temperiersystems be‐stimmtwerden kann (48). Ist diese über die verwendeten Temperiergeräte be‐kannt, kann die Gleichung nach der Aufheizzeit τhN umgestellt werden.WerdenmehrereHeizkühlgeräte bzw. Temperierungskreisläufe verwendet,muss dieGe‐samtheizleistungaufaddiertwerden.

m

Mit: τhN: AufheizzeitüberdieHeizleistung [s] Nh: Heizleistung [W] cf: spez.WärmekapazitätdesFormwerkstoffs [J/(kgK)] mf: MasseDGWKZ [kg] tf: AufheiztemperaturdesDGWKZ [°C]

tluft: LufttemperaturderUmgebung [°C]ηh: Wirkungsgrad [/]

Es ist nicht erforderlich, dass das gesamteWerkzeug eine Betriebstemperatur

aufweist.LediglichallemitderSchmelzeinKontaktstehendenWerkzeugkompo‐nenten sollten eine hohe Anfangstemperatur aufweisen. Um die Realität besser


122

abzubilden,solldasWerkzeuginzweiTemperaturbereicheaufgeteiltwerden.AlleEinsätze sollten auf eine gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden, alleanderenWKZ‐Komponenten,insbesondereFormrahmen,sindmiteinerniedrige‐renTemperaturzuberechnen.DieGleichungkannsomitwiefolgterweitertwer‐den.

m m

Mit: mE: MasseallerEinsätze [kg]

mK: MasseallerübrigenDGWKZ‐Komponenten [kg] tE: AufheiztemperaturderEinsätze [°C]

tK: AufheiztemperaturderDGWKZ‐Komp. [°C]NebenderAbschätzungderAufheizzeitüberdieHeizleistungderGerätekann

diese auchüberdenVolumenstromqPderPumpe imTemperiergerätberechnetwerden. Hierbeiwird dieWärmemenge, die in dasWKZ eingebrachtwird, überdenVolumenstromderTemperiergeräteunddieDifferenzausEin‐undAustritts‐temperaturderTemperierkanäleamWKZabgeschätzt.DieseWärmemengewirddann mit der Wärmekapazität, Masse und Temperatur der Form gleichgestellt(48).HierbeikönnenebenfallszweiunterschiedlicheTemperaturniveausbeidenEinsätzenundrestlichenWerkzeugkomponentenberücksichtigtwerden.

m m

Mit: c: spez.WärmekapazitätdesTemp.‐Mediums [J/(kgK)] ρ: DichtedesTemp.‐Mediums [kg/m³] qP: VolumenstromallerTemp.‐Kreisläufe [l/min]

tein: Einstrittstemp.desTemp.‐Mediums [°C]taus: Austrittstemp.desTemp.‐Mediums [°C]

FürdasExzellenzclusterwerkzeugwurdendieAufheizzeitenüberdieobenvor‐

gestelltenGleichungenberechnet.InTabelle5‐8sindallefürdieBerechnungbe‐nötigten Angaben zusammengefasst. Aus Untersuchungen an einem Versuchs‐werkzeugisteineTemperaturdifferenzvonEingangs‐zuAusgangstemperaturbeidenTemperierkanälenvon15°CwährendderAufheizphasealsrealistischanzu‐nehmen. Es ist zu erkennen, dass die über den Volumenstrom der Pumpen be‐rechneteAufheizzeitmit τhV = 34minumetwa50%größer ist als die über die


123

Heizleistung der Temperiergeräte berechnete (τhN =22min). Die theoretischeHeizleistungkannsomitnichtkomplettandasDGWKZabgegebenwerden.Erstabeiner Temperaturdifferenz von 23°C zwischen Ein‐ und Ausgang wäre die Auf‐heizzeitgleich.EinesohoheTemperaturdifferenzkonnte inVersuchennichtbe‐stätigtwerden.Tabelle5‐8:DatenzurBerechnungderAufheizzeiten

mE[kg]

mF[kg]

tE[°C]

tF[°C]

tLuft[°C]

cf[J/kgK]

c[J/kgK]

Nh[kW]

η[/]

ρ[kg/m³]

qp[l/min]

tein‐taus

201 808 180 100 20 460 2179 48 0,7 904 64 15ZusätzlichzudenBerechnungenwurdedasWKZmitMAGMAsoft®simuliert.Die

geometrischen sowie physikalischen Angaben der Temperierung wurden inMAGMAsoft® übernommen. In der Simulationssoftware ist es nichtmöglich denTemperaturverlustsowiedieStrömungindenTemperierkanälendarzustellen.DieTemperierkanälehabenalleeineeinheitlicheTemperaturvon200°C.DieAngabenzumVolumenstrom sowieDurchmesser undLängederTemperierkanäle fließenjedochindieBerechnungdesWärmeübergangesein.DieserbleibtfürdieBerech‐nungkonstant.

Abbildung5‐21:SchnittDGWKZnachAufheizphase


124

InAbbildung5‐21sindzweiSchnittedurchdiebeweglicheSeitedesWKZundseineTemperaturverteilungnachBeendigungderAufheizzeitvordemEingießendargestellt.AufderrechtenSeitewurdeeineWärmeisolationsplattezwischendenEinsätzenunddemFormrahmeneingebracht.DieWärmeisolierplattebestehtausmodifizierten, duroplastischenHarzen, diemit Glasfasergeweben verstärkt sind.DiePlattenverfügenübereineWärmeleitzahlvon0,3W/mK.Diese istdamitumdenFaktor100kleineralsdieWärmeleitzahlderimWerkzeugverwendetenStäh‐le.Esistzuerkennen,dassdieSpalteunddieIsolationsplattendafürsorgen,dassderGroßteildervondenTemperierkanäleneingebrachtenWärmeindenwichti‐gen,formgebendenBereichenverbleibt.DieIsolationbewirktaucheinschnelleresAufheizenundeinhöheresTemperaturniveauindenEinsätzen.InAbbildung5‐22sindeinigeausgewählteTemperaturverläufewährendderAufheizzeitdargestellt.Hierbeiistzuerkennen,dassbeieinerTemperiermediumstemperaturvon200°CdasmitdenIsolierplattenbestückteDGWKZbereitsnach20mineineEinsatztem‐peraturvon180°CinderMitteerreicht.BeidemDGWKZnachStandderTechnikist erst ab 40min eine Einsatztemperatur von 180°C erreicht. Die Formrahmenderbeweglichenund festenSeitebleibendurchdie Isolierplattenauf einemwe‐sentlichgeringerenTemperaturniveaualsdiesohneIsolierungderFallwäre.

Abbildung5‐22:AufheizzeiteneinesDGWKZmitundohneIsolierung

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 600 1200 1800 2400 3000 3600

Iso EinsatzRechts MitteIso EinsatzRechts UntenIso FormrahmenFest MitteIso FormrahmenBew MitteEinsatz RechtsMitteEinsatz RechtsUntenFormrahmenFest MitteFormrahmenBew Mitte

Zeit [s]

Tempe

ratur [°C]


125

DieUntersuchungenzeigen,dassdurchGestaltungsänderungenamDGWKZdieAufheizzeiten und somit auch die gesamten Rüstzeiten stark verringert werdenkönnen. Um schnelle Aufheizzeiten zu realisieren, sollte die gesamteMasse desDGWKZ so gering wie möglich sein. Eine Aufteilung bzw. Trennung von unter‐schiedlichenWKZ‐BereichendurcheineIsolierungkannameffektivstenzueinerVerringerungvonAufheizzeitenführen.Hierbeiistdaraufzuachten,dassalleWKZKomponentendiemitderSchmelzeinKontaktkommenvorundwährenddesBe‐triebsaufeingewünschtesTemperaturniveaueingestelltwerdenkönnen.

SensitivitätsanalyseTemperierung

NebendemAufheizenistdasEinhaltenderBetriebstemperaturwährendderPro‐duktiondiewichtigsteAufgabedesTemperiersystems.Umdieszuerreichen,musseinWärmegleichgewicht sichergestellt werden. Hierzu muss die von der Legie‐rungeingebrachteWärmedurchdieandieUmgebungundinsbesonderedurchdieTemperierkanäleabgeführteWärmemengefürjedenZyklusgleichsein.

Mit: : durchdasGussteilzugeführteWärmemenge [J] : überdasTemp.‐SystemabgeführteWärmemenge [J]

QKon: überfreieKonvektionabgeführteWärmemenge [J]QStr: überWärmestrahlungabgeführteWärmemenge [J]QPL: WärmeleitungindieAufspannplatten [J]QSpr: überFormsprühenabgeführteWärmemenge [J]

In Abbildung 5‐23 ist dieWärmebilanz für das bereits im vorherigen Kapitel

vorgestellteDGWKZzusehen.Esistklarzuerkennen,dassderüberwiegendeTeilderabgehendenWärmemengedurchdieTemperierungabgeführtwird.DasSprü‐henkannderFormnichtvielEnergieentziehenundsollteauchnichthierfürver‐wendet werden. Das kurzzeitige Aufsprühen resultiert in Spannungen die sichüber die Zeit alsWarmrisse an derOberfläche derEinsätze bemerkbarmachen.ZudemwirddieKerntemperaturderEinsätzenichtbeeinflusst,sogaranderOber‐fläche ändert sichdieTemperatur nur für kurzeZeit (vgl. Abbildung2‐25 ).DieüberdieKonvektionundStrahlungabgeführtenWärmemengenwerdendurchdieTemperaturunddieGrößederOberflächeandenAußenflächendesDGWKZbe‐einflusst. Die Wärmeleitung wird über die Kontaktflächen des DGWKZ mit denAufspannplatten der DG‐Anlage und der Temperaturdifferenz zwischen diesen


126

beeinflusst.DasEinstelleneinesgutenWärmegleichgewichteszwischendenzuge‐führtenundabgeführtenWärmemengeneinesDGWKZkannsinnvollerweisenurüberdieTemperierkanalauslegunggeschehen.

Abbildung5‐23:GesamteabgeführteWärmemengeeinesDGWKZ

Die vom Temperiersystem abgeführte Wärmemenge kann über die untenste‐hende, inKapitel2.3.3.ausführlicherbeschriebene,Gleichungberechnetwerden.AusgehendvoneinerkonstantenZykluszeitundeinergewünschtenBetriebstem‐peratur des DGWKZ kann dieWärmemenge durch das Variieren des Bohrungs‐durchmessers,derKühlkanallängeundderVorlauftemperaturdesWärmeträger‐mediumsbeeinflusstwerden.

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Abbildung5‐24 zeigt die prozentuale Veränderung des Wärmeflusses des Exzellenz-

clusterwerkzeuges bei Veränderung der Parameter dTK, lTK und TWTMm um ±10%. Bei einer Verringerung des Durchmessers steigt der Wärmestrom an.Dieshängtdamitzu‐sammen,dassderkleinereDurchmesserbeikonstantemVolumenstromzueinerhöheren Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einem höheren Wärmeüber‐gangskoeffizienten führt.DieserEffektüberwiegtdieAuswirkungenderdadurchverkleinertenOberflächedieamWärmeaustauschteilnimmt. Das Verkleinern des

41,315%

30,564%60,85

8%51,897%

573,8076%

QKon

QStr

QPl

QSpr

QTK

Gesamte abgeführte Wärmemenge in kJ


127

Durchmessers ist in der Realität aber nur in gewissen Grenzen möglich, da sich der Ge-gendruck im Temperierkanal schnell erhöht und das Temperiergerät den gewünschten Volumenstrom nicht mehr aufrechterhalten kann. Die Länge der Temperierung geht nicht in den Wärmeübergangskoeffizient mit ein. Somit ist die Veränderung des Wär-meflusses direkt proportional zu der Längenveränderung des Temperierkanals. Den größten Einfluss auf den Wärmefluss hat die Temperiermedientemperatur. Eine 10 % Verringerung kann zu einer Verdoppelung der Wärmeabfuhr führen. In Simulationen wurde festgestellt, dass sich bei einer Änderung der Vorlauftemperatur um 10 °C die Temperatur TF um 1 °C verändert. Diese beschreibt die Linie TWTMmax. Es kann aber durchaus vorkommen, dass in der Realität die Temperatur TF stärker von der Vorlauf-temperatur beeinflusst wird. Hierfür wurde eine maximale Veränderung von 5°C bei einer Veränderung der Vorlauftemperatur von 10°C angenommen. Dies beschreibt die Linie TWTMmin. BeiVerwendungeinesTemperiergerätesmitkonstantemVolumen‐strom und eines gleichbleibenden Wärmeträgermediums, kann die abgeführteWärmemengewährenddesBetriebsnurdurchdasVerändernderVorlauftempe‐ratureingestelltwerden.

Abbildung5‐24:EinflussunterschiedlicherParameteraufdenWärmefluss

In der Simulation ist der Einfluss der Vorlauftemperatur ebenfalls gut zu erkennen. In Abbildung5‐25 sind die Temperaturverläufe an der Oberfläche eines Einsatzes für drei Produktionszyklen dargestellt. Das Diagramm zeigt den Temperaturverlauf in den Pro-

‐100%

‐80%

‐60%

‐40%

‐20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

‐10% ‐5% 0% 5% 10%

Wärmem

emnge QTK

Änderung der Parameter in %

dTK

lTK

TWTMmax

TWTMmin


128

duktionszyklen 8, 9 und 10. Hierbei sollte sich bereits ein Gleichgewicht eingestellt haben. Es ist zu erkennen, dass sich das Werkzeug bei einer Vorlauftemperatur des Temperiermediums von 200 °C noch immer über die Zyklen aufheizt. Es stellt sich erst ab einer Temperatur von 180 °C ein annähernd stabiler Zustand ein.

Abbildung5‐25:TemperaturverlaufüberdreiZyklen

Fazit

UmRüstzeitenzuverkürzensollteaufeinegezielteIsolationzwischendenform‐gebenden und den übrigen Komponenten geachtet werden. Die TemperierungkannübereinfacheFormelninAbhängigkeitder,währendeinesZyklus,durchdieSchmelzeeingebrachtenWärmemengebestimmtwerden.FürdieTemperierungs‐bohrungen sollte einDurchmesser‐Standard gewähltwerden.Dieser solltemög‐lichstkleinsein,abergleichzeitignichtdenmaximalvonderPumpeaufbringbarenGegendruckübersteigen.DieLängederTemperierkanälesollteaufdieGeometriedesGussteilsangepasstwerden.ÜberdasEinstellenderVorlauftemperaturwäh‐renddesProduktionszykluskanndie vomTemperiersystemabgeführteWärme‐mengenochsehrguteingestelltwerden.5.3. Untersuchungen zur Festigkeit

Druckgusswerkzeuge unterliegen im Betrieb einer periodischen, sich wiederho‐lenden Belastung. Die Werkzeugkomponenten unterliegen in der Regel einer

160

200

240

280

320

360

400

150 170 190 210 230 250

Tempe

ratur [°C]

Zeit [s]

RechterEinsatz(Mitte) ‐ 200Grad




129

Schwellbeanspruchung.HierbeierfolgtdieBelastungvonNullzueinemMaximumund wieder zurück. Diese wiederkehrenden Lastzyklen können zu einer zuneh‐menden Werkstoffschädigung und schließlich zu Rissen und Brüchen bei denhochbelastetenWerkzeugkomponentenführen.DieWerkzeugedürfen sichnur imelastischenBereich verformen.Bei unsach‐

gemäßerAuslegungkanneszuVerformungenundsomitauchMaßabweichungenamGussteilmitÜberspritzungenundFlitterbildungkommen.DieSteifigkeiteinesWerkzeuges bestimmt die Qualität des Gussteils entscheidend mit. Druckguss‐werkzeugekönnenmittelsFEM‐SimulationenodermiteinfachenVergleichsrech‐nungenausgelegtwerden.EsistnichtnötigalleWerkzeugkomponentenübereineFestigkeitsberechnungauszulegen.DiewichtigstenKomponentenbeideneneineÜberprüfungstattfindensolltesind:

‐ FormrahmenaufFestigkeitundBiegung‐ DistanzelementeaufDruckfestigkeit‐ AuswerferstifteaufFestigkeitundKnicken

Formrahmen

Der Formrahmen leitet die Schließkraft von den Einsätzen über die Distanzele‐menteindieAufspannplattederDG‐Anlage(vgl.Abbildung4‐10).HierbeisolltendiefürdenDauerbetriebzulässigenSpannungennichtüberschrittenwerden.All‐gemein wird die zulässige Spannung bei einer Schwellbelastung nach folgenderGleichungberechnet

√2 ∗

Mit : zulässigeSpannung [MPa] : Biegewechselfestigkeit [MPa] : SicherheitskoeffizientgegenDauerbruch [/]K0mussOberflächengüte,TemperaturundSpannungskonzentrationberücksich‐

tigen.MeistgibtesfürdieBiegewechselfestigkeitkeinedirektenWerte,diesekön‐nennachfolgenderGleichungausderZugfestigkeitabgeleitetwerden.Für300≤Rm<1200MPa:

0,5 ∗ Für1200≤Rm≤1800MPa:


130

400 0,17 ∗ Mit : Zugfestigkeit [MPa]DerSicherheitswertsetztsichausfolgendenFaktorenzusammen:

∗ ∗ ∗

Mit : ZuverlässigkeitdesBauteilwerkstoffs [/] : Oberflächenfaktor [/] : Größenfaktor [/] : SicherheitskoeffizientgegenDauerbruch [/]UmdieminimaleDickedesFormrahmenszubestimmengibtesunterschiedli‐

che Vorgehensweisen. Nachfolgendwerden drei unterschiedliche Varianten vor‐gestellt:

‐ PlattentheorienachDubbel‐ PlattentheorienachNogowizin‐ AD‐MerkblattB5

DiePlattentheoriewirdimAllgemeinenfürdünnePlattenverwendetwobeidie

HöhehderPlatteum1bis2GrößenordnungenunterderBreiteundLängederPlatteliegt.HierzugibtesverschiedeneBeiwertefürgelenkiggelagerteundrings‐um eingespannte Platten (76). In diesem Fall kann der Formrahmen als eineringsum eingespannte Platte beschrieben werden. Um die minimale Höhe derFormrahmenzubestimmenwurdedieGleichungnachhumgestellt.

b ∗

Mit b: BreitederPlatte [mm] ∗: Koeffizient(sieheTabelle5‐8) [/] : SchließkraftderDG‐Anlage [N]

A: FlächeanderQangreift [mm2]DiePlattentheorienachNogowizinunterscheidetsichindenverwendetenKoef‐

fizienten undwurde für das Berechnen von dickeren Platten bzw. Formrahmenmodifiziert(48).DieGleichungwurdeebenfallsnachhminumgestellt.


131

b

Mit : Koeffizient(sieheTabelle5‐9) [/]Zusätzlich kann auch diemaximale Durchbiegung für die Zwischenplattewmax

bestimmtwerden:

∗ ∗∗ ∗

Mit : BreitederPlatte [mm] : SeitenlängederPlatte [mm] : Koeffizient(sieheTabelle5‐9) [/] : Plattendicke [mm]EineweitereArtdieminimaleHöheeinesFormrahmens zuberechnen istden

FormrahmenalsrechteckigePlatteaneinemDruckbehälternachADMerkblattB5zubetrachten.DieSchließkraftkannüberdiewirkendeFlächeauchalseinInnen‐druckineinemDruckbehälter interpretiertwerden(77).DieminimaleDickederPlatte bzw. dieminimaleHöhe des Formrahmens kann über folgendeGleichungbestimmtwerden:

C b 10

Mit S: zusätzlicherSicherheitswert [/] C: KoeffizientnachAD‐MerkblattB5 [/] : Koeffizient(sieheTabelle5‐9) [/]C1undc2sindBeiwertefürDickenunterschreitungundAlterungbeiDruckbehäl‐

ternundkönnenindiesemFallvernachlässigtwerden.DerBerechnungsbeiwertCkannnachTafel1desAD‐MerkblattesB5mit0,35angenommenwerden(77).Die‐ser Wert ist für eine ebene Platte an einer Flanschverbindung gedacht. DieFlanschverbindung ist in diesem Fall die Verschraubung des Formrahmens mitdenDistanzleisten.Tabelle5‐9:KoeffizienteninAbhängigkeitvonl/b


132

Verhältnisl/b cw cm c* CE

1,0 0,0138 0,1386 0,75 1.101,2 0,0190 0,1623 0,81 1.161,4 0,0226 0,1827 0,87 1.221,6 0,0251 0,1980 0,99 1.281,8 0,0268 0,2090 0,99 1.342,0 0,0277 0,2160 0,99 1.40

InAbbildung5‐26sinddieminimalenFormrahmenhöhenfürdiedreivorgestell‐

tenBerechnungsverfahrenüberunterschiedlicheLängenzuBreitenVerhältnissedes Formrahmens dargestellt. Als maximale Schließkraft wurde die maximaleSchließkraft der am Gießerei‐Institut befindlichen DG‐Anlage mit 7250kN ver‐wendet.Esistzuerkennen,dassdievonNogowizinaufdenDruckgussabgestimm‐ten Koeffizienten eine geringereminimale Formrahmenhöhe vorhersagen. NachdemBerechnungsansatznachAD‐MerkblattB5ergibtsicheinewesentlichgerin‐gereminimaleFormrahmenhöhe.

Abbildung5‐26:MinimaleFormrahmenhöhefürunterschiedlichel/b‐Verhältnisse

AusdenstatistischenUntersuchungenausKapitel4.8. liegendieFormrahmen‐höhenzwischen56mmund121mm,womitdasgesamteSpektrumderdreiAn‐

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

minim

ale Formrahm

enhö

he [m

m]

l/b Verhältnis [/]

Dubbel

Nogowizin

Nogowizin mitDistanzbolzen

AD‐Merkblatt B5


133

sätze abgedecktwird.DieseDGWKZhaben allerdings alleDistanzbolzen, diedieSchließkraftzusätzlichübertragenundeinDurchbiegeninderMittedesRahmensverhindern.UnterderAnnahme,dassmittigpositionierteDistanzbolzen1/3dermaximalen Schließkraft abstützen, kann die minimale Formrahmenhöhe weiterverringertwerden(vgl.Abbildung5‐26).Im Vergleichmit den statistischenWerten ist es empfehlenswert, die Berech‐

nungsformel nach Nogowizin zu verwendenmit dem Zusatz, dass beim EinsatzvonDistanzbolzendieSchließkraftnurzu2/3aufdieBiegungdesFormrahmenswirkt.DerEffekt der unterschiedlichenLängen zuBreitenVerhältnissen ist ver‐nachlässigbar. Im Zuge einer Standardisierung kann dieminimale Formrahmen‐höhefürdasl/b‐Verhältnisvon1berechnetwerdenundfüralleanderenVerhält‐nisseübernommenwerden.

Distanzleistenund‐bolzen

DieDistanzleistenund–bolzen leitendie amWerkzeugangreifendeSchließkraftund den auf die Schmelze wirkenden Nachdruck über den Formrahmen an dieAufspannplatte der DG‐Anlage weiter. Diese WKZ‐Komponenten werden aufDruckbelastet.HierbeikanndiezulässigeSpannungnachfolgenderGleichungab‐geschätztwerden.

,

Mit : zulässigeSpannung [MPa] , : zulässigeDehngrenze [MPa] S: Sicherheitskoeffizient [/]Die Distanzleisten gehen über die gesamte Länge des Formrahmens. Bedingt

durch die Befestigungs‐ und Führungsschnittstellen weisen diese bereits eineMindestdicke auf und sind nach Festigkeitsgesichtspunkten unkritisch. Distanz‐bolzenkönnenalszusätzlicheKraftstützendienenundsindamBesteninderNäheder Bereiche anzubringen, an denen während des Gießprozess die maximaleDruckkraft wirkt (vgl. Abbildung 4‐10). Da in diesen Bereichen im Allgemeinennicht viel Platz ist, soll versuchtwerden diese so dünnwiemöglich auszulegen.DurchdasDurchbiegendesFormrahmensistdieKraftaufteilungaufdieverschie‐denenDistanzelementenichttrivial.Eskannangenommenwerden,dassmaximaleinDrittelderZuhaltekraftQalsDruckkraftaufdieDistanzbolzenwirkt.


134

Q3

Mit : AnzahlDistanzbolzen [/] : QuerschnittsflächeDistanzrolle [mm²]Die Gleichung kann nach dem minimalen Durchmesser für die Distanzbolzen

ddminumgestelltwerden.4Q

3

Mit : min.DurchmesserDistanzbolzen [mm]InTabelle5‐10 sinddieminimalenDurchmesser fürDistanzbolzen inAbhän‐

gigkeitihrerAnzahlimDGWKZaufgetragen.HierbeiwurdeneineSchließkraftvon7250kNundeinezulässigeSpannungvon240N/mm²angenommen.Tabelle5‐10:min.DurchmesserfürDistanzbolzenAnzahl 1 2 3 4 5 6

ddmin[mm] 113 80 65 57 51 46Das in Abbildung 4‐20 für die zweite Phase des Exzellenzclusters entwickelte

DGWKZhatzweiDistanzbolzen,somitmüssendieseeinenminimalenDurchmes‐servon80mmaufweisen.

Auswerfer

Auswerfer sind normierte Zukaufteile die in unterschiedlichen Ausführungen,Längen und Durchmessern erhältlich sind. In der Regel werden die Längen derAuswerferandasGussteilangepasst.DieHauptkräftedieimBetriebaufdieAus‐werferwirkensindimAllgemeinenDruckkräftebeimAuswerfendesGussteils.Hierzu sollen die Auswerfer auf Festigkeit und Knicken untersucht werden.

Beim Knicken handelt es sich um ein Stabilitätsproblem schlanker Baukörper.WährendeingedrungenerStabbeimittigemDruckbiszurDruckfestigkeitdesMa‐terials beansprucht werden kann, weicht der schlanke Stab seitlich aus, wirddurchdieDruckkraftgebogenundversagtunterwesentlichgeringererLastvor‐wiegendaufBiegung:BeiStäben istdieBruchlast,diesogenannteKnicklast,ab‐hängigvonderLängedesStabes,seinerLagerungundseinerBiegesteifigkeit.DieKnicklastFkkannüberfolgendeGleichungbestimmtwerden:


135

Mit Elastizitätsmodul [N/mm²] : Flächenträgheitsmoment [mm4]

Knicklänge(vgl.Abbildung5‐27) [mm]

Die4Eulerfällebeschreiben4LagermöglichkeitenfüreinenStabmitdenjewei‐ligenKnicklängens(vgl.Abbildung5‐27).BeieinemDGWKZbeschreibtder4.Eu‐lerfalldieLagerderAuswerferstifteambesten.DurchdievordereFührungimEin‐satzunddiehintereFixierungderAuswerferstifteinderAuswerferplattekannbeiderBerechnungderKnicklastder4.Eulerfallangenommenwerden.

Abbildung5‐27:VierKnickfällenachEuler

Beck et al. haben in unterschiedlichen Versuchsreihen Auswerferkräfte beikomplexenGussteilenausgewertet.DermaximaleWertwar9kN(78).DieinAb‐bildung 5‐28 berechneten Spannungen und Auswerferlängen wurden mit einermaximalenAuswerferkraftvon10kNberechnet.Auswerferwerden inderRegelaus hochfesten Warmarbeitstählen gefertigt. Ab einem Durchmesser von 6mmsinddiemaximalenSpannungenimAuswerferunkritisch.AbeinemDurchmesser


136

von8mmistdiemaximaleAuswerferlängefürStandard‐DGWKZausreichend.Umein Knicken bei kleineren Durchmessern zu vermeiden können abgesetzte Aus‐werfergewähltwerden.DieseweisennurvorneanderStirnflächeeinenkleinenDurchmesserauf.

Abbildung5‐28:Auswerferdurchmesseraufmax.Längeundmax.Spannung

Fazit

DieFormrahmenhöhesowiedieDickederDistanzbolzensindinersterLinievonder Schließkraft der für das DGWKZ vorgesehenen DG‐Anlage abhängig. Hierzukönnen Minimal‐Anforderungen in Abhängigkeit der Schließkraft definiert wer‐den. Somit kann für jede DG‐Anlage eine minimale Formrahmenhöhe bestimmtwerden.DieDurchmesserderDistanzbolzenkönnenüberdiegewünschteAnzahlunddievorgesehenenDG‐Anlageausgelegtwerden.SoweitesdieGeometriederGussteilezulässtsollteangestrebtwerden,eineAuswerferdickeauszuwählen,diefürdieFormrahmenhöhedesDGWKZpasst.MüssenausGründenderGussteilge‐ometriekleinereAuswerferdurchmesserverwendetwerden,sinddiesedurchab‐gesetzteAuswerferzuersetzen.5.4. Abschätzung der Kosten modularer Druckgusswerkzeuge

EineModularisierungvonDruckgusswerkzeugenistnursinnvollwennfüreinzu‐künftigesProduktprogrammdie akkumuliertenKosten geringer sind als bei den

50

100

150

200

250

300

350

400

450

100

200

300

400

500

600

700

800

900

4 5 6 7 8 9 10

max. A

uswerferlä

nge [m

m]

max. Spann

ung [N/m

m²]

Durchmesser Auswerferstift [mm]

max. Spannung

max. Auswerferlänge


137

individuellenLösungen.SomüssenfürdiezuentwickelndenModulefürdiegege‐benenUmständewirtschaftlicheBaureihenentwickeltwerden.DieVorteileeinermodularenBaureihewärenindiesemFall:

‐ KonstruktiveArbeitwirdfürvieleAnwendungsfällenureinmalgeleistet‐ FertigungvonbestimmtenLosgrößenwiederholtsichundwirddadurch

wirtschaftlicher‐ gleichbleibendehoheQualität‐ MöglichkeitbestehendeModulewiederzuverwenden

DiewirtschaftlichenVorteileeinermodularenBaureihekönnenabererstabei‐nergewissenAnzahlanWerkzeugenrealisiertwerden.DieEntwicklungmodula‐rerBaugruppen,dieStandardisierungunddasSchnittstellendesignistgegenüberderEinzelfertigungkomplexerundbenötigteinehöhereEntwicklungszeit.Indenvorherigen Kapitelnwurden einige technologische Grenzen für unterschiedlicheWerkzeugkomponenten festgelegt. Nun soll dieWirtschaftlichkeit unterschiedli‐cher Modulaufteilungen und Ausprägungen untersucht werden. Hierzu wurdendreiKostenarten‐Materialkosten,FertigungskostenundEntwicklungskosten‐diemaßgeblichdurcheineModularisierungbetroffensindbetrachtet. Indiesemver‐einfachtenRechenmodellwerdenweitereKostenartenwieFixkostenoderLager‐kostennichtberücksichtigt.EshandeltsichsomitumeinenrelativenVergleichderKostenverschiedenerModulvariationenmitdemaktuellenStandder Individual‐fertigung.FüralleerwähntenKostenartensindFormelndefiniertworden,dieeineVorher‐

sage der möglichen Kostenersparnisse für verschiedene Modul‐Kombinationenermöglichen.DieGesamtkostenKGES setzensichausderSummederMaterialkos‐tenKM,FertigungskostenKFundEntwicklungskostenKEfürjedeKomponenteizu‐sammen.

, , ,

DieMaterialkostenKM stehen indirektemVerhältnis zumbenötigtenVolumen

vM,iunddemPreisproKubikdezimeterkM,vol,ioderzudenKosteneinesverwendba‐renHalbzeuges. DerWiederverwendungsgradφi definiert,wie oft ein Standard‐Modultatsachlichwiederverwendetwerdenkann.


138

, ∙ , ∙ , ,

Mit N: AnzahlderModulem [/] nm: AnzahlderKomponentenproModulm [/]

i: AnzahlderKomponenten [/]φi: Wiederverwendungsgrad [/]vM,i: VolumeneinerKomponente [dm³]kM,vol,i:PreisproVolumen [€/dm³]

InAbbildung5‐29sinddievolumenbezogenenMaterialkostenfürdenWarmar‐beitsstahl1.2343vondreiunterschiedlichenNormalienherstellerndargestellt.DieNormalienherstellerunterscheidensichnurgeringfügigimPreis.DieMaterialkos‐ten können als direkt proportionale Funktion zumMaterialvolumen angenähertwerden.HierbeikanneinkonstanterPreisproKubikdezimeterabgeschätztwer‐den.

Abbildung5‐29:VolumenbezogeneMaterialkostenfürdenWerkstoff1.2343

DieFertigungskostenKF hängenvomFertigungsprozessab. IndiesemBerech‐nungsmodellwirdnurdiefräsendeBearbeitungbetrachtet.BeimFräsensinddie

0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40 50 60

Materialkosten [€

]

Volumen [dm³]

Normalienhersteller 1




139

Produktionskosten eine direkte Funktion des Zerspanvolumens vF,i und der Be‐triebskosten kF,i einer Produktionslinie. Mit Hilfe des veränderlichenWirkungs‐gradesRikannaufEntwicklungeninderFertigung,durchdieStandardisierungdermodularenKomponenten,reagiertwerden.

,1 ∙ , ∙ ,

Mit Ri: Wirkungsgrad [/] vF,i: Zerspanvolumen [dm³]

kF,i: Betriebskosten [€/dm³]DieEntwicklungskostenKEhängenvonderEntwicklungszeitunddenKostenkE

fürPersonal,SoftwareundHardwareab.FürjedeuntersuchteKomponentewur‐dendreiverschiedeneEntwicklungszeitengeschätzt:

‐ Für die Entwicklung einer individuellen Komponente:tE,ind(FürN=i→tE=tE,ind)

‐ FürdieEntwicklungeinererstenmodularenKomponentetE‐ FürdasModifiziereneinerbereitsBestehendenmodularenKomponente

tE,mWegenderkomplizierterenSchnittstellenunddeskomplexerenBaugruppende‐

signsistdieEntwicklungsdauerfüreinemodulareKomponentelängeralsfüreineindividuelle.KönnenallerdingsCAD‐Daten fürdieseKomponentevirtuellvonei‐nem ähnlichen Werkzeug entsprechend abgewandelt, übernommen werden, soverringertsichdieEntwicklungszeitund liegtunterder füreineneuentworfeneindividuelleKomponente(tE,m<tE,ind<tE).

, ∙ ∙ 1 ∙ , ∙

Mit tE: Entwicklungszeit(erstemod.Komp.) [h] tE,ind: Entwicklungszeit(ind.Komp.) [h]

tE,m: Entwicklungszeit(mod.Komp.) [h]kE: Entwicklungskosten [€/h]


140

Berechnungsmodell

DievierobenbeschriebenenGleichungensindGrundlagefürdasaufExcelbasie‐rendeBerechnungsmodell.HierbeikönnenfüreinProduktprogrammvon50Guss‐teilen die Kosten, für individuelle DGWKZ und unterschiedlichen Modulausprä‐gungen,untereinanderverglichenwerden.DieAnzahlanuntersuchtenGussteilenlässtsichbeliebigverringernodervergrößern.InAbbildung5‐30sindprinzipien‐haftmöglicheModulunterteilungendargestellt.DiePunktestellendie individuel‐lenAbmaßeeinerWKZ‐KomponenteindendreiRaumrichtungendar.DieKästenbeschreiben die unterschiedlichen Modulausprägungen. So wird in dem linkenoberen Bereich der Abbildung nur eineModulausprägung genutzt um sämtlicheindividuellenAusprägungenzuersetzen.IndemunterenrechtenBereichderAb‐bildungenwerden die individuellenAusprägungenmit achtModulausprägungenersetzt.DieGesamtanzahldermöglichenModulausprägungensolltedieAnzahlderindividuellenLösungennichtübersteigen.

Abbildung5‐30:BeispielfürverschiedeneModulunterteilungen

AusderStatistischenAnalyseundderFestigkeitsberechnungderunterschiedli‐chenWKZ‐KomponentenkönnenbeispielsweisedieMinimalwertefürdieäußerenAbmessungen als technologischeUntergrenze in das Berechnungsmodell einflie‐


141

ßen (vgl. Kapitel 4.). In diesem Beispielwurden nur die Gussteile, Einsätze undFormrahmenberücksichtigt.DieshatzumeinendenGrund,dassdiesdieteuers‐ten Komponenten im DGWKZ darstellen und eine für dieseWKZ‐KomponentenentwickelteBaureiheaufdieanderenKomponentenübertragenwerdenkann.DieErgebnissezeigen,dassabhängigvondenAnnahmenfürEntwicklungsdau‐

er, Kosten der Produktionslinie und des Wiederverwendbarkeitsgrads, gewissemodulareOptionenpreiswertersindalseineindividuelleLösung.Abbildung5‐31zeigtverschiedeneModul‐Kombinationen fürFormrahmenundEinsätze.Es sinddie relativen Kosteneinsparungen für 50 Werkzeuge dargestellt. Auf der linkenSeitestehendieGesamtkostenfürdieVariantemiteinemModulfürRahmenundEinsatz.Die rechte Seite zeigt diehöchsteAufteilungsstufemit 48Modulausprä‐gungenfürEinsatzundFormrahmen.DerRaumzwischendiesenbeidenExtremenzeigt verschiedenemodulare Konfigurationen. Mit der Modulkonfiguration nachTabelle5‐11isteineEinsparungvon13%imVergleichzurindividuellenLösungmöglich(vgl.Abbildung5‐31).

Abbildung5‐31:KosteneinsparungenfürverschiedeneModulausprägungen

‐20

‐15

‐10

‐5

0

5

10

15

Einsatz

relativ

e Ko

sten

einsparung

[%]

Formrahmen


142

Tabelle5‐11:ModulausprägungenmitderhöchstenKosteneinsparungEinsatz Formrahmen

x[mm] 277 374 470 x[mm] 475 620y[mm] 305 460 / y[mm] 455 610z[mm] 84 118 150 z[mm] 160 210UntenstehendsindallefürdieinAbbildung5‐31dargestellteBerechnungeinge‐

flossenenParameternmitdenverwendetenWertendargestellt.AbmessungenderGussteile:

‐ x‐Richtung 137bis430 [mm]‐ y‐Richtung 100bis430 [mm]‐ z‐Richtung 8bis110 [mm]‐ mittlereBauteildicke 2bis6 [mm]

AufmaßefürdenEinsatz:‐ x‐Richtung 40 [mm]‐ y‐Richtung 40 [mm]‐ z‐Richtung 40 [mm]

AufmaßefürdenFormrahmen:‐ x‐Richtung 150 [mm]‐ y‐Richtung 150 [mm]‐ z‐Richtung 150 [mm]

Materialkostenprodm³für:‐ Einsatz(Werkstoff1.2343) 48,53[€/dm³]‐ Formrahmen(Werkstoff1.173) 33,83[€/dm³]

Fertigungskostenprodm³für:‐ Einsatz 4000 [€/dm³]‐ Rahmen 400 [€/dm³]

WirkungsgradderFertigungfür:‐ Einsatz 1,1 [/]‐ Rahmen 1,1 [/]

EntwicklungskostenproStundefür:‐ IndividuelleEinsätze 200 [€/h]‐ IndividuelleRahmen 200 [€/h]

Entwicklungsstundenfür:‐ IndividuelleEinsätze 8 [h]‐ IndividuelleRahmen 4 [h]‐ ErstenmodularenEinsatz 16 [h]


143

‐ JedenweiterenmodularenEinsatz 4 [h]‐ ErstenmodularenRahmen 8 [h]‐ JedenweiterenmodularenRahmen 2 [h]‐ WiederverwendungsgradFormrahmen 2 [/]

DieFertigungskostenfürdieEinsätzesinderheblichhöherangesetztalsdiefür

denFormrahmen.DiesistbedingtdurchdasHärtenundPolierensowiedieerhöh‐tenGenauigkeitsanforderungen.DerWirkungsgradderFertigungbeieinererfolg‐reichenModularisierungwurdemit1,1angesetzt.Diesbedeutet,dassimZugederModularisierungdurchdieFertigung10%Kosteneingespartwerdenkönnen.BeidenEntwicklungszeitenwurdeangenommen,dassdasEntwickelneinermodula‐ren Lösung doppelt so viel Zeit in Anspruch nimmt. Kann bei einem späterenDGWKZ diese Komponente virtuell wiederverwendet werden halbiert sich dieEntwicklungszeitimVergleichzurindividuellenLösung.

Fazit

AusdenBerechnungenistersichtlich,dassdiezweiExtrempunktebeiderModu‐laufteilung,alsobeiausreichenderStreuungderBauteile,niedengünstigstenFallbeschreiben.DasModelliststarkvomErfahrungswissendesBedienersabhängig.AussagekräftigeErgebnissekönnennurmitsinnvollenAnnahmenerzieltwerden.DasModellkannbenutztwerden,umeinegrobeAbschätzungderoptimalenAn‐zahlundGrößenstufungvonModulenfüreinvorhandenesodergewünschtesPro‐duktprogrammzuermitteln.DieausdemBerechnungsmodellermitteltenAbmaßekönnen für die zu entwickelnden Module übernommen werden. Im Anschlusskönnen die Modulausprägungen bis zu den Konstruktionselementen die direktvomGussteilabhängigsindauskonstruiertwerden.MussfüreinneuesGussteileinDGWKZkonstruiertwerdenkannaufdiemodu‐

lareBaugruppezugegriffenwerden.

Vorstellung der Methodik

144

6. Vorstellung der Methodik

UmeineganzheitlicheBetrachtung zurModularisierungvonDruckgusswerkzeu‐genzugewährleistenmussdieMethodik folgende inKapitel3entwickeltenFra‐genbeantworten:

‐ WelcheWerkzeugkomponentenmüssenindividuellbleiben?‐ WelcheWerkzeugkomponenten können standardisiert/modularisiertwer‐

den?‐ WievieleVarianteneinerWerkzeugkomponentesindsinnvoll?In Kapitel 4 wurden Gusswerkzeuge hinsichtlich ihrer Funktionsstruktur,

SchnittstellenundAbhängigkeitenzwischenihrenKomponentenuntersucht.Wei‐terhinwurdendieunterschiedlichenWKZ‐Komponentenauf ihreWirtschaftlich‐keitüberprüft.IndustrielleDGWKZwurdenstatistischanalysiert.GemeinsammitVertretern ausder IndustriewurdenAnforderungen fürmodulareDGWKZerar‐beitet.InKapitel5wurdeuntersuchtzuwelchemGradGieß‐sowieTemperiersys‐tem standardisiert werden können. Stark belastete WKZ‐Komponenten wurdeneiner Festigkeitsberechnung unterzogen. Es wurde ein Kostenmodell entwickeltumeinegrobeAbschätzungderoptimalenAnzahlundGrößenstufungvonModu‐lenfüreinvorhandenesodergewünschtesProduktprogrammzuermitteln.AusdenvorherigenKapiteln4und5wurdenBeschreibungsmodelleentwickelt,

sowie Abhängigkeiten und wichtige Beziehungen qualifiziert und quantifiziert.AufbauendaufdiesenErkenntnissenundMethodenwurdeeineMethodikzurMo‐dularisierungvonDruckgusswerkzeugenaufgestellt(vgl.Abbildung6‐1).


145

Abbildung 6‐1: Übergeordnete Struktur der Methodik zur Modularisierung vonDruckgusswerkzeugen(4)

AngelehntandieMethodikzurModularisierungvonWerkzeugenvonBosswur‐de eineVorgehensweise entsprechendAbbildung 6‐1 für dieseArbeit erarbeitet(27). DieMethodik beschreibt dreiHauptphasen, Initiierungs‐, Analyse‐ undGe‐staltungsphase.HierbeigehtderFokusvonUnternehmens‐aufWerkzeug‐biszurKomponentensichtüber.ImdenfolgendenUnterkapitelnwirdjedePhasederMe‐thodikmitihrenEinzelschrittennähererläutert.6.1. Initiierungsphase

IndererstenPhasederMethodikmusssichdasUnternehmenfragenwasmitei‐nerModularisierungerreichtwerdensoll.Abbildung6‐2zeigtdasFlussdiagrammderInitiierungsphase.


146

Abbildung6‐2:FlussdiagrammderInitiierungsphase

Unternehmensrandbedingungen

IndemerstenSchrittsollsichdasUnternehmenverschiedeneFragenstellenundfür sich beantworten. Wie sind Wettbewerber, Lieferanten, neue Anbieter, Ab‐nehmerundAnbietervonErsatzproduktenimVergleichpositioniert?Stellenmo‐dulareWerkzeugeeinesignifikanteErfolgspositionfürdasUnternehmendar?WaskannmitmodularenWerkzeugenverbessertwerden?Hierbeiistinsbesonderewichtigzuwissen,obdasGussteilimZugederModula‐

risierung verändertwerdendarf oder nicht. Bei einem internenWerkzeugbauerwäre es durchaus denkbar, dass das Gussteil bei einer Entwicklung modularerWerkzeugemitbeeinflusstwerdendarf.IndiesemSchrittsolltezudemderEinflussaufdieZulieferererfasstwerden.In‐

wieweitkönnenZukaufteilenacheigenenWünschenmodifiziertwerdenumbei‐


147

spielsweise besser in das neu zu entwickelnde modulare Produktprogramm zupassen.

Werkzeugtypisierung

IndiesemSchrittsollenanhandderinderVergangenheitentwickeltenWerkzeu‐ge,WKZ‐Typenbestimmtwerden.Hierbei sinddiewichtigstenMerkmalsausprä‐gungen zu definieren. In Kapitel 4.1. wurde erläutert wie Typisierungskriterienentwickelt und daraus ein Typenschlüssel für die vorhandenen WKZ generiertwerdenkann.Eine Kostenanalyse der unterschiedlichen WKZ‐Typen soll Auskunft darüber

geben welcher WKZ‐Typ den höchsten Umsatzanteil für das Unternehmen dar‐stellt.EineModularisierungsolltemitdiesemWKZ‐Typbeginnen.FürdenausgewähltenWKZ‐TypsolleineABC‐AnalysederWKZ‐Komponenten

wieinKapitel4.2.vorgestelltdurchgeführtwerden.DieKostenanalysegibteinenÜberblicküberdieVerteilungderGesamtwerkzeugkostenaufdieeinzelnenKom‐ponenten.

Auftragsabwicklung

IndiesemSchrittsolleineAufschlüsselungderProzesseundTätigkeitenderAuf‐tragsabwicklungimWerkzeugbaudurchgeführtwerden.DurchVisualisierungdesgesamtenProzesseskanneineZuordnungvonAuswirkungenmöglicherModulari‐sierungsansätze auf die Phasen der Auftragsabwicklung dargestellt werden. DerAuftragsabwicklungsprozess sollte sämtliche Schritte von Auftragseingang, überdenEntwicklungsprozessbishinzurFertigungundAuslieferungdesWKZberück‐sichtigen.Hierbei geht es in erster Linie darumdasPotential derWerkzeugmodularisie‐

rung ineinerGegenüberstellungvon Ist‐ZustandundpotenziellemZustandnacheinerWerkzeugmodularisierungabzuschätzen.AnwelchenStellensindZeit‐undGeldeinsparungenmöglich?Hierzu istessinnvoll ineinemWorkshopmitExper‐tendiesePotenzialezuerfassenundmitKennzahlenzuhinterlegen.Sokannz.B.angenommenwerden, dass durch eineModularisierung Zeit in der EntwicklungeingespartwerdenkannunddurcheinhohesMaßanStandardsderWirkungsgradderFertigungebenfallssteigt.ImAllgemeinensolltenKosten‐oderZeiteinsparun‐geninProzentangegebenwerden.AmEndederInitiierungsphaseistklarwelcherWKZ‐TypeinerModularisierung

unterzogenwerdensollundwelcheAnforderungenandiemodularenDGWKZge‐stelltwerden.


148

6.2. Analysephase

InderAnalysephasewirdder inderInitiierungsphaseausgesuchteWKZ‐Typnä‐herbetrachtet(vgl.Abbildung6‐3).

Abbildung6‐3:FlussdiagrammderAnalysephase

AnforderungenundFunktionsableitung

Anhand der in der Initiierungsphase definierten Anforderungen und des ausge‐wähltenDGWKZ‐TypswirdalserstesdieFunktionsstrukturaufgebaut.DieFunk‐tionsableitung einesDruckgusswerkzeuges ist bedingt durchden lösungsneutra‐lenAufbauunddie gleichbleibendenAnforderungen andie, imBetrieb zu erfül‐lenden,Funktionen.DiesesindfürjedesWerkzeugdesausgewähltenTypsgleich.Wie inKapitel4.1gezeigtwerdenalleHaupt‐,NebenfunktionensowieStoff‐undEnergieflüssedargestellt.

Komponentenzuordnung

In diesem Schritt wird die Produktstruktur des DGWKZ‐Typs bestimmt. Hierzuwerden,wie inKapitel 4.1. beschrieben, die in der Initiierungsphase definiertenWKZ‐KomponentendenFunktionenzugeordnet(vgl.Abbildung4‐3).


149

Schnittstellenanalyse

Mit Hilfe der Funktionsanalyse und der Produktarchitektur können nun dieSchnittstellen zwischen den Komponenten mit ausreichender Genauigkeit be‐schreiben werden. Wie die unterschiedlichen Schnittstellen und die wirkendenKräfteimDGWKZermitteltwerden,wurdeinKapitel4.1.ausführlichbeschrieben.Die Schnittstellenanalyse kann in Form einer Matrix übersichtlich dargestellt

werden(vgl.Abbildung4‐5).AnhandderAnzahlderSchnittstellensowiederAn‐zahlanwirkendenKräftensowieKontaktflächen istesmöglichRückschlüsseaufden Grad der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Komponentenpaaren zutreffen.

Abhängigkeitsanalyse

Mittels der in Kapitel 4.1. vorgestellten Graphentheorie können AbhängigkeitenzwischendenWKZ‐Komponenten in ihrerRichtungundGrößebeschriebenwer‐den. JedeKomponentewirdüber seineAktiv‐ undPassivsummebeschrieben. Inder Abhängigkeitsmatrix können bereits unterschiedliche Baugruppen gebildetwerden. IndemversuchtwirddieKomponentenmit starkenAbhängigkeitenun‐tereinanderineinerBaugruppezubündeln(vgl.Abbildung4‐6).Mit einem Systemgrid können die Aktiv‐ und Passivsumme der untersuchten

WKZ‐KomponentenineinemDiagrammübersichtlichdargestelltwerden(vgl.Ab‐bildung4‐7).DarauffolgendkönnendieKomponentenModulkategorienzugeord‐netwerden.MitHilfe des Systemgrids und der ABC‐Analyse aus der vorherigenInitiierungsphasekönnendiefürdieModularisierungelementarenKomponentenbestimmt werden. Diese wirtschaftlich und technologisch gesehen wichtigenKomponentenwerdeninderfolgendenPhasezurDefinitionderModulaufteilungundzurSchnittstellengestaltunggenutzt.AmEndederAnalysephase istklarzuwelchemGradsichdie jeweiligenWKZ‐

Komponentenmodularisierenlassen.6.3. Gestaltungsphase

IndieserPhasewirddasWerkzeugaufKomponentenebenebetrachtet(vgl.Abbil‐dung6‐4).


150

Abbildung6‐4:FlussdiagrammderGestaltungsphase

Moduldefinition

IndemerstenSchrittderGestaltungsphasesollendieGrößenabstufungenunddieAnzahlderbenötigtenModuleabgeschätztwerden.HierzukanndasinKapitel5.4.vorgestellteKostenmodellherangezogenwerden.DieAnnahmenzudengeometri‐schenAbhängigkeitenzwischendenWKZ‐KomponentenimModellkönnendurchstatistischeUntersuchungen,wie inKapitel4.3.unddurchFestigkeitsberechnun‐genwieinKapitel5.3.vorgestellt,konkretisiertwerden.IndieKostenabschätzungkönnenebenfallsdie,inderInitiierungsphaseermittelten,Kennzahlenz.B.zuKos‐teneinsparungeninderEntwicklungoderFertigungmiteinfließen.MitHilfedesKostenmodellskönnendieModulausprägungenmitderhöchsten

Kosteneinsparungausgewähltwerden.


151

Modulgestaltung

DerSchrittderModulgestaltungwird für jedezumodularisierendeKomponentemindestenseinmaldurchgeführt.DurchdieModuldefinitionsinddieäußerenAb‐maßederwichtigstenWKZ‐Komponentendefiniert.DurchdasSystemgridundderABC‐AnalyseistdieKonstruktionshierarchiederKomponentenvorgeben.Dieteu‐renundkritischenKomponentenmithoherAktivsummewerdenalserstesausge‐staltet(vgl.Kapitel4.1.).Die aus der Schnittstellenanalyse beschriebenen Schnittstellenwerden nun in

ihrenAusprägungenfestgelegt.FüreineKomponente,diezueinemModulmitin‐dividuellenMerkmalenumgestaltetwird,werdennurdieSchnittstellenzuande‐ren Komponenten und ein paar seiner Parameter standardisiert (vg. Abbildung5‐1).EinfirmeninternesStandardmodulwirdinallenwesentlichenEigenschaftenstandardisiert.BeimweiterenAusgestaltenderWKZ‐Komponentensollendie inKapitel4.1.6.

beschriebenenGestaltungsgrundregelnund‐prinzipienangewendetwerden.

Modulentscheidung

ImnächstenSchritt,derModulentscheidung,werdendiezuvorentwickeltenMo‐duleaufihreEignungimGesamtsystemuntersucht.InersterLiniewirdüberprüft,ob das entwickelte Modul in den bereits definierten Baukasten passt. Es sollteebenfallsüberprüftwerdenoballevorherdefiniertenAnforderungenausderIniti‐ierungsphaseerfülltwerden.FälltdiePrüfungpositivaus,kanndieModulgestal‐tungmitdernächstenKomponenteinderHierarchiedesKonstruktionsprozessesfortgeführtwerden.VorherdefinierteSchnittstellenwerdenandienächstenKom‐ponentenvererbt.AmEndederGestaltungsphasesinddieWKZ‐Komponentenbisaufdieindividu‐

ellenMerkmaleausgestaltet.

6.4. Vorgehen bei der Entwicklung eines neuen DGWKZ

Mit derMethodikwurde für ein ausgewähltes ProduktprogrammeinmodularerBaukastenfürDGWKZentwickelt.DiesesindnurbiszudenindividuellenMerkma‐len ausgestaltet. AlleMerkmale, die in direkter Abhängigkeit zum Gussteil samtGießsystemstehen,sindnochnichtfestgelegt.Ist für ein neues Gussteil ein DGWKZ auszulegen kann der Konstrukteur wie

folgt vorgehen. Abhängig von den geometrischen Parametern: Verpackungsmaß,AnzahlderBauteileimWerkzeugundGesamtvolumenkanneinpassendesmodu‐laresWKZausgewähltwerden.SokannfürgeometrischunterschiedlicheGussteile


152

in gewissenMaßen derselbe DGWKZ‐Aufbau verwendetwerden (vgl. Abbildung6‐5).

Abbildung6‐5:UnterschiedlicheGussteileundmodulareDGWKZ‐Komponenten

Nach der Auswahl des geeigneten WKZ‐Aufbaus müssen die individuellenMerkmalebestimmtwerden.DiesesindimAllgemeinenwie inderMittederAb‐bildung6‐5dargestellt,dasGießsystem,dieTemperierungunddieAuswerferposi‐tionen. Das Gießsystem und die Temperierung können nach den in Kapitel 2.3.vorgestelltenVorgehendefiniertwerden.DieAuswerferpositionrichtetsichstarknachderGeometriedesGussteils.HierbeisollteaufeinegleichmäßigeVerteilunggeachtetwerdenund,dass lokaldickereStellenamGussteilzumAuswerfenver‐wendetwerden.SindauchdieindividuellenMerkmaledesDGWKZvollständigdefiniertkanndie

Fertigungsvorbereitungbeginnen.

Kritische Reflexion

153

7. Kritische Reflexion

DievorgestellteMethodikwurdefürdasDruckgussverfahrenentwickelt.EswurdeeinVorgehenerarbeitetdasversuchtdiebesonderenRandbedingungendieseVer‐fahrens Rechnung zu tragen. Eswäre prinzipiellmöglich die Grundstruktur derMethodikauf andereMassenherstellungsverfahrenzuübertragen. IneinemTeil‐projekt des Exzellenzclusterswurde die Analysephase bei Profilextrusionswerk‐zeugenfürKunststoffeerfolgreichangewendet.Die Anforderung an dieMethodik, die Individualität desGussteils nicht einzu‐

schränken aber gleichzeitig Standards bei den WKZ‐Komponenten zu schaffen,führtdazu,dassvielegussteilabhängigeKonstruktionselementenoch immervonHandausgelegtundüberSimulationsschleifenoptimiertwerdenmüssen.Diehierentwickelten standarisierten Verfahren helfen die Entwicklung zu verbessern.Diese individuellen Merkmale sind aber nach wie vor kritisch für die Entwick‐lungszeitundsomitauchfürdiespäterenKostendesDGWKZ.Die Kostenabschätzung der unterschiedlichen Modulausprägungen beruht auf

Schätzungen.ImRahmendieserArbeitkonntekeinKooperationspartnergefundenwerden der bereit war sein gesamtes Produktspektrum zu modularisieren. Derwirtschaftliche Nutzen der Modularisierung steht und fällt mit der Anzahl anWerkzeugen und dem Wiederverwendungsgrad der WKZ‐Komponenten. In derrealen Wiederverwendung von DGWKZ‐Komponenten verbirgt sich das größteKosteneinsparpotential.DieMethodikwurdeandemamGießerei‐InstitutentwickeltenExzellenzcluster‐

DGWKZangewendet (vgl.Abbildung5‐20).DerSchrittderModuldefinitionsamtderKostenabschätzungkonntefürdiesesWKZnichtvervollständigtwerdendaamGießereiInstitutkeinnennenswertesProduktprogrammbestehtmitdemdiemög‐lichenModulausprägungenbestimmtwerdenkönnten.Mit dem Exzellenzcluster‐DGWKZ ist es möglich unterschiedliche Einsatzgeo‐

metrienzuuntersuchen.DerAustauschistvergleichsweiseeinfachundinnerhalbkürzesterZeitdurchführbar.DieAufheizzeitkonntesignifikantverkürztwerden.

Zusammenfassung und Ausblick

154

8. Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde ein Vorgehen zur Modularisierung von Druckgusswerkzeugen aufge‐zeigt.IndertheoretischenAnalysewerdendieFunktionsstrukturdesWerkzeugesbestimmtunddenFunktionenentsprechendeWerkzeugkomponentenzugeordnet.DurcheineIdentifizierungundBewertungderAbhängigkeitenzwischendenein‐zelnenKomponentenkönnenleichtzustandardisierendeKomponentenbestimmtwerden.EinwichtigerSchrittbestehtdarin,dieentsprechendenMerkmale,dieineiner Abhängigkeitsbeziehung stehen genau zu bestimmen. Sind diese bekannt,könnenderenAbhängigkeitennäheruntersuchtwerden.Diesgeschieht inersterLiniedurchempirischeAuslegungsregeln,diederWerkzeugkonstrukteuranwen‐det.DasonichtalleAbhängigkeitenausreichendbeschriebenwerdenkönnen,wer‐

denweiterhinWerkzeugdatenvonDruckgusswerkzeugeninBezugaufstatistischfassbareAbhängigkeitenunddieStreuungeneinzelnerMerkmaleuntersucht.Da‐nebenwerdenBerechnungen,SimulationenundGießexperimentezurgenauerenBestimmung dieser Abhängigkeiten durchgeführt. Die gewonnenen Kenntnissewerden später dazu genutzt, definierte Bandbreiten für die einzelnenMerkmal‐ausprägungenvorzunehmen.Nebenrein technologischenAspektenwerdenauchwirtschaftlicheGesichtspunktefüreinesinnvolleEinteilungderGrößenabstufun‐genderModuleberücksichtigt.DieGrundfunktionenundAbhängigkeitendeszuentwickelndenProduktskön‐

nenklarumrissenwerden.DieseverändernsichindemuntersuchtenProduktbe‐reich nicht. Somit lassen sich für Komponenten des Produktes allgemeingültigeAbhängigkeitenbestimmen.DieGrundstrukturderMethodikistprinzipiellfürkonstruktiveProblemegeeig‐

net,beidenenmandieRandbedingungensowieFunktionendeszuentwickelndenProduktsklardefinierenkann,esabereinehoheZahlvonVariationeninsbesonde‐regeometrischerNaturgibt.DurcheinstandardisiertesundstrukturiertesVorgehen,sowiedasZurückgrei‐

fen auf bewährte Modullösungen kann der Entwicklungsprozess von neuenDruckgusswerkzeugen verbessert werden. Insbesondere Anguss und Temperie‐rungsindwichtigeindividuelleMerkmalediebeiderEntwicklungvielZeitinAn‐spruch nehmen und sehr stark von der Geometrie des Gussteils abhängen. EineModularisierungdieserMerkmale istunterdenhier inderArbeitbeschriebenenRandbedingungennichtmöglich.EineautomatisierteAuslegungdieserMerkmaleübergezielteSimulationsschleifenkönntedieQualitätderGussteileunddieEnt‐wicklungszeitderbenötigtenDruckgusswerkzeugestarkverkürzen.

Zusammenfassung und Ausblick

155

Ein Zusammenspiel ausmodularen Grundbausteinen und auf die spezifischenBedürfnisse individueller Gussteile abgestimmte Anguss und Temperierungssys‐temestellteinevielversprechendeRichtung fürzukünftigeForschungsbemühun‐genindiesemFelddar.

Abkürzungsverzeichnis

156

9. Abkürzungsverzeichnis ATM........................................................................................AdvancedThixotropicMetallurgyCAD............................................................................................................ComputerAidedDesignCAE.................................................................................................ComputerAidedEngineeringDG.........................................................................................................................................DruckgussDGWKZ............................................................................................................DruckgusswerkzeugDIN.............................................................................................DeutschesInstitutfürNormungEDV.........................................................................................ElektronischeDatenverarbeitungFEM.........................................................................................................FiniteElementeMethodeKKM........................................................................................KaltkammerdruckgussmaschineMPC..................................................................................................................meltpre‐conditionerQFD...............................................................................................Quality‐Function‐DeploymentVDG...................................................................................................VereinDeutscherIngenieureVDI....................................................................................................VereinDeutscherIngenieureVMEA....................................................................................VariantModeandEffectsAnalysisWKM....................................................................................WarmkammerdruckgussmaschineWKZ.......................................................................................................................................Werkzeug

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Lebenslauf

163

11. Lebenslauf

PersönlicheDaten Name: QueudevilleVorname: YannGeburtsdatum: 13.02.1982Geburtsort: LuxemburgFamilienstand: LedigNationalität: LuxemburgischBeruflicherWerdegang 05/2008–04/2014 WissenschaftlicherMitarbeiteramGießerei‐Institut

derRWTHAachenHochschulausbildung 10/2004‐03/2008 HauptstudiumdesMaschinenbausanderRWTH

Aachen,Vertiefungsrichtung:KonstruktionundEnt‐wicklung

10/2001–10/2004 GrundstudiumdesMaschinenbausanderRWTHAachen

Schulausbildung 06/2001 Examendefind’étudessecondaires(Abschlussäqui‐

valentzuAbitur,LeistungskurseMathematikundPhysik)

1994‐2001 LycéeTechniqueEsch/Alzette(Luxemburg)1989‐1994 EcoleprimaireA.WingertSchifflange

(Luxemburg)1987‐1989 DeutscheSchuleSingapur(Singapur)

Wissenschaftliche Veröffentlichungen

164

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[7] Queudeville,Y.Kapitel1.3.4.KonstruierenmitGusswerkstoffen.InA.Büh‐rig‐Polaczek,W.MichaeliundG.Spur(Hrsg.),HandbuchUrformen,(S.102bis111).CarlHanserVerlagGmbH,ISBN978‐3‐446‐42035‐9(2013)

[8] Queudeville,Y.;Vroomen,U.;Bührig‐Polaczek,A.Modularizationmeth‐odologyforhighpressurediecastingdies,TheInternationalJournalofAd‐vanced Manufacturing Technology, doi: 10.1007/s00170‐013‐5582‐9(2014)

[9] Siegbert,R.;Yesildag,N.;Frings,M.;Schmidt,F.;Elgeti,S.;Sauerland,H.;Behr,M.;Windeck,C.;Hopmann,C.;Queudeville,Y.;Vroomen,U.;Bührig‐Polaczek,A.Individualizedproductionindie‐basedmanufacturingprocessesusingnumericaloptimization. International JournalofAdvanced

Wissenschaftliche Veröffentlichungen

165

Design and Manufacturing Technology [10.1007/s00170‐015‐7003‐8](2015)

Abstract_de

DerExzellenzcluster„IntegrativeProduktionstechnikfürHochlohnländer“anderRWTHAachengefördertundfinanziertvonderDeutschenForschungsgesellschaft(DFG)verfolgtdaslangfristigeZiel,dieWettbewerbsfähigkeitdeutscherProdukti‐onstechnik zu steigern.Hierbei stehtdieEntwickelungübergreifenderLösungenfür komplizierteAufgabenstellungenmitHilfe einer integrativenBetrachtung imVordergrund.EineHauptanforderunganProduktionsprozessederZukunftist,eineSyntheseausMassen‐undIndividualproduktionzuschaffen.DiedieserArbeitzugrundeliegen‐deMotivationliegtinderVerringerungvonProduktionskostenbeieinergleichzei‐tigenVergrößerungdesProduktspektrums.ImBereichDruckgussbestehtimAll‐gemeinen eine eins‐zu‐eins Korrelation zwischenWerkzeug und Druckgusspro‐dukt. Die zeit‐ und kostenintensive Konstruktion und Fertigung der Druckguss‐werkzeuge soll vereinfachtwerden, wodurch eine schnelle Umsetzung von Pro‐duktvariantenermöglichtwird.Um dieses zu erreichen, wurde eine dreistufige Methodik entwickelt wobei derBetrachtungshorizontvonderFirmensichtüberdasWerkzeugbishinzurKompo‐nentenebeneschrittweiseeingegrenztwird.IneinerAnalysephasewerdenFunk‐tionen, Schnittstellen und Abhängigkeiten zwischen den Komponenten und denentsprechendenDruckgussbauteilendefiniertundbewertet.MitdiesenInformati‐onenwerdendieWerkzeugkomponenten,diesichambestenfüreineModularisie‐rungeignen, festgelegt.Um imweiterenVerlaufBandbreitenrespektivediskreteAusprägungen einzelner Parameter zu bestimmen, werden technologische undökonomischeKriterienmit einbezogen.Hiermit kann die Anzahl undGestaltungderdiskretenVariantendesneugeschaffenenModulsbestimmtwerden.Mitdie‐semWissenkönnenBaureihenentwickeltundSchnittstellenzwischendenKom‐ponentenkonstruiertwerden.DieMethodikermöglichteinsystematischesVorgehenzurKonzeptionvonmodu‐lar aufgebauten Werkzeugen mit denen auch individuellen KundenwünschenRechnunggetragenwerdenkann.

Abstract_en

The Cluster of Excellence "Integrative Production Technology for High‐WageCountries"attheRWTHAachenUniversity,promotedandfinancedbytheGermanResearchFoundation(DFG)ispursuingthelong‐termgoalofincreasingthecom‐petitiveness of German production technology. Focus is on the development ofcross‐solutionsforcomplicatedtaskswithanintegrativeapproach.Amajorgoalforproductionprocessesofthefutureistocreateasynthesisofmassandindividualproduction.Themotivationbehindthisworkliesinthereductionofproductioncostswitha simultaneous increaseof thecurrentproduct range.Forhighpressurediecastingingeneral,thereisaone‐to‐onecorrelationbetweenthedieandcasting.Thetime‐consumingandcostlydesignandmanufacturingofdiecastingdieswillbesimplified,enablingrapidimplementationofproductvariants.Toachievethis,themethodologyiscomposedofasequenceofthreephases.Dur‐ing these phases, the focus is narrowed down from company perspective to dieperspective,andfinally,todiecomponentperspective.Byconsecutivelyproceed‐ing throughthephases,one identifies thestageof theproductionprocesswheremodularisationismostbeneficial,andcategorisesdiecomponentswithrespecttotheirmodularisationpotential.Thefinalphasedetermineshowachosencompo‐nentisturnedintoamodule.Thisincludesdetermininghowmanydifferentvaria‐tionsofeachmodulepropertyareneededtobeabletocoverthedesiredproductportfoliobysimultaneouslyloweringtheoverallcosts.Themethodologyprovidesasystematicapproachfordesigningmodulardieswithwhichevenindividualcustomerrequirementscanbemet.

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