GPE Vorlesung 10 Herstellgerechtes Konstruieren1 SS07

Grundlagen der ProduktentwicklungHerstellgerechtes Konstruieren I

Urformen und Umformen SS 07 Vorlesung 10 22.06.2007

P f D I Ud Li dProf. Dr.-Ing. Udo LindemannLehrstuhl fr Produktentwicklung

Freitag 12:15 13:45 Uhr MW 2001Freitag 12:15-13:45 Uhr, MW 2001

Sprechstunde Prof. Lindemann Donnerstag, 11:00-12:00 Uhrund nach Vereinbarung bitte anmelden!und nach Vereinbarung bitte anmelden!

GPE_VO_10 SS07 - 1 2007 Prof. Lindemann

Gliederung GPE

01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07


Entwicklungs-bersicht ber den Produktentwicklungsprozess

gaufgabe Marktanforderungen

Produktanforderungen

Energie wandeln

MechanischeEnergie

Elektrische Energie

Generator

Funktionen

Prinziplsungen

Gestaltlsungen

ProduktFertigungs- & montage-technische Lsungen

GPE_VO_10 SS07 - 3

g

2007 Prof. Lindemann

Herstellverfahren

Lernziele

Ziele des herstellgerechten KonstruierensZiele des herstellgerechten Konstruierens

Einflussfaktoren des herstellgerechten Konstruierens

Herstellverfahren

1. Urformen2. Umformen


Herstellverfahren Lernziele

bersicht ber die unterschiedlichen Herstellverfahren

Vor- und Nachteile verschiedener Herstellverfahren

Einflussfaktoren herstellgerechten Konstruierens

Abhngigkeit der Gestaltung von den Herstellverfahren

Gestaltungsregeln des herstellgerechten Konstruierens


Herstellverfahren

Lernziele



Herstellverfahren

1. Urformen2. Umformen


Herstellverfahren Ziele des herstellgerechten Konstruierens

Kosten Aufwand

Kosten

DasmagischeDreieck

Q Termin Dauer Lieferzeit

Qualitt Ergebnis Sachleistung

Zeit Qualittg


Herstellverfahren

Lernziele



Herstellverfahren1. Urformen2. Umformen


Herstellverfahren - Einflussfaktoren

herstellgerecht

teileherstellgerecht montagegerecht... durch geeignete GestaltungGestaltung

von ...

Verbindungs-verfahren

Teile

Geometrie (Form, Abmessungen,

Baustruktur

Teile (-art, -zahl)

B ( t hl)

W k t ff

Abmessungen, Toleranzen)

Oberflche

W k t ff

Baugruppen (-art, -zahl)

Anordnungen (rumlich)

KontaktartWerkstoffe Werkstoff o a a


Herstellverfahren Einflussfaktoren

Produkt Prozess

Stckzahl Vorhandene/verfgbare Baugre Werkstoffart Oberflchenzustand

gRessourcen:

- Maschinenpark (inkl. Werkzeuge und

Genauigkeit Lieferzeit Fremd-/Eigenfertigung

Messzeuge)- Erfahrungs-/

AusbildungszustandRohteile Halbzeuge Rohteile, Halbzeuge

Auslastungsgrad Herstellkosten Automatisierungsgrad Automatisierungsgrad Qualittskontrolle

Herstellverfahren


Erreichbare Werte der Rauhtiefe verschiedener Herstellverfahren

GPE_VO_10 SS07 - 11Quelle: Dubbel 2007 Prof. Lindemann

Stckzahlabhngigkeit der Herstellkosten verschiedener Verfahren

Schmieden

Herstellkosten[/Stck]

(Freihand)

20

Schweien(Freihand)

10

Gieen

Stckzahl n0 800200 400 600

0

Gesenk-schmieden

Stckzahl n

Schweien Gieen Senkformen


Beispiel Gelenkgabel (Konzept)

2FFKonzeptdaten:

FWirkflchen, deren Abmessungen, Wirkkrfte,

FF,

Werkstoffart

2F

Parameter:

Stckzahl: geringOberflchenzustand: geschrupptGenauigkeit: hochgLieferzeit: kurzfristigHerstellverfahren: Zerspanen (Eigenfertigung)Maschinen: Frs- und Bohrmaschine


Beispiel Gelenkgabel konstruktive Lsungen I

Ausgangsmaterial:Guss

A sgangsmaterial

Freiform Gesenk-

Ausgangsmaterial:Massiv gefrst

Freiform-schmieden

Gesenkschmieden

Ausgangsmaterial:Massiv geschmiedetg

Ausgangsmaterial:Blech


Beispiel Gelenkgabel konstruktive Lsungen II

Ausgangsmaterial:Blech, Band

KnppelGesenkschmiedeteil ausgebranntes Teil

A sgangsmaterial

Blech BlechBlech

Ausgangsmaterial:Massiv, Blech

Ausgangsmaterial:Rundmaterial, Blech

U-ProfilZ-Profil L-Profil Blech U-Profil

,

T-Profil

Ausgangsmaterial:Halbzeuge

GPE_VO_10 SS07 - 15

T Profil


Herstellverfahren

Lernziele





Herstellverfahren - berblick

Herstellverfahren

Stoffliche ProduktionUrformen Umformen Trennen Fgen Beschichten

Gieen SchweienBiege-umformenInhalt der Vorlesungen im

WintersemesterZerteilen

Verbund-werkstoffe

Druck-umformen MontierenSpanen

AbAbtragen

GPE_VO_10 SS07 - 17 2007 Prof. Lindemann Quelle: DIN 8580

Beispiel Tischbohrmaschine Gestalten des Gehuses


Beispiel Tischbohrmaschine Anforderungen an das Gehuse

Das Gehuse ist das zentrale Element der Tischbohrmaschine, da ein Groteil der anderen Bauteile daran befestigt wird:

Bohrspindeleinheit (axial verschiebbar) Vorschubeinheit (mit Rckstellfeder) Elektromotor (beweglich zum Spannen der Keilriemen)Elektromotor (beweglich zum Spannen der Keilriemen) Sule Tiefenanschlag

T hild CE b TV K i h Typschild, CE bzw. TV Kennzeichnung Keilriemengehuse

Weitere Anforderungen: ausreichende Steifigkeit Parallelitt Sule Spindel Parallelitt Sule-Spindel kostengnstiges Konstruieren


Beispiel Tischbohrmaschine mgliche Herstellverfahren

Herstellverfahren

Stoffeigen-schaften ndern

Urformen Umformen Trennen Fgen Beschichten

Spanend aus

VollmaterialGieen

Schweien aus

HalbzeugenSchmieden

Vollmaterial Halbzeugen

Sintern Biegen aus Blech


Beispiel Tischbohrmaschine Bewertung mglicher Herstellverfahren

Gieen gnstig bei hohen Stckzahlen (Modellkosten einmalig) groe Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung

Schmieden hohe Investitions-, Werkzeug- und Wartungskosten sehr magenau

groe Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung

Spanend aus

groes Zerspanungsvolumen (bei leichter Bauweise)h h W k hl i ( ti b i h h St k hl )

sehr magenau

aus Vollmaterial

Schweien aus

hoher Werkzeugverschlei (ungnstig bei hohen Stckzahlen)

Aufwand zum Vorbereiten der Halbzeugeaus

Halbzeugen Fixiervorrichtungen notwendig

Zustzlich ist die Auswahl des Herstellverfahrens immer von der Situation des Unternehmens (Maschinenpark etc.) und der aktuellen Produktentwicklung (Stckzahlen, Kosten- oder Termindruck etc.) abhngig.


Beispiel Tischbohrmaschine mgliche Herstellverfahren

Viele Anbauteile fhren zu einer komplizierten Geometrie des Gehuses.

Gieen zeichnet sich deshalb als wirtschaftlichstes Herstellverfahren fr das Gehuse der Tischbohrmaschine ab, da es die grte Formgebungsfreiheit bietet.

Andere Herstellverfahren wie Schweien oder Spanen sind bei Serienfertigung unverhltnismig aufwendiger und teurer.

Hohlrume im Inneren des Gehuses erfordern die Verwendung von Kernenbeim Gieen.


Herstellverfahren

Lernziele





Herstellverfahren Urformen

Herstellverfahren



GieenMetall

Kunststoff

Verbund-werkstoffe

Kunststoff


Herstellverfahren Urformen

Urformen(Gieen, Sintern, Kunststoffspritzgieen, Erzeugung von Verbundwerkstoffen, ...)

Urformen ist Fertigen eines festen Krpers aus formlosen Stoff durch Schaffen des Zusammenhalts. (DIN 8580)


Herstellverfahren Gieen (Metall)

Herstellverfahren



GieenMetall

Kunststoff

Verbund-werkstoffe

Kunststoff


Gieen Erstellungsprozess von Gussbauteilen

Arbeitsvorbereitung

ModellbauKernmacherei

Formerei

Gi i S h l b t i bGieerei Schmelzbetrieb

AuspackenAuspacken

GussputzereiGussputzerei

Qualittssicherung

GPE_VO_10 SS07 - 27

g

Quelle: Prm et al. Grund- und Fachkenntnisse Gieereitechnischer Berufe 2007 Prof. Lindemann

Gieen Verfahren zur Formherstellung

verlorene Formen Dauerformen

Druckgieen

Dauermodelle verlorene Modelle keine Modelle

Sandguss (Hand oder Feingieen Druckgieen Kokillengieen Schleudergieen

Sandguss (Hand- oder Maschinenformen)

Genauguss (M k f

Feingieen (Wachsausschmelz-verfahren)V llf i Stranggieen(Maskenformen,

Keramikformen) Vollformgieen

(Styropormodell)

Ei h ft M d llEigenschaften von Modellen: meistens aus Holz oder Kunststoff gefertigt um Schwindma grer als Fertigteil Bearbeitungszugaben oft geteilt Kernmarken


Gieen Formherstellung mit Kern

Obere ModellhlfteUntere Modellhlfte

verdichteterSand

Obere Modellhlfteeinformen

Untere Modellhlfteeinformen

KernmarkeKernmarke(ermglicht exakte Lagerung des Kernes in der Form)

untere Modellhlfte

)

Speiser und Einguss einformen

Modell entnehmen


Gieen Gievorgang

Kern AbgieenKerneinlegen

Abgieen,erstarren lassen

Sandform zerstren

Gussteil fertig zum Putzen und zur Nachbearbeitung


Beispiel Zylinderkurbelgehuse

GPE_VO_10 SS07 - 31Mit freundlicher Genehmigung der MAN B&W Diesel AG 2007 Prof. Lindemann

Gieen Gestaltungsregeln aus dem Fertigungsprozess

U f ht B t il t lt b d t tUrformgerechte Bauteilgestaltung bedeutet:

erstarrungsgerecht erstarrungsgerecht formgerecht bearbeitungsgerechtg g beanspruchungsgerecht putz- und prfgerecht


Umsetzung der Gestaltungsregeln Erstarrungsgerecht

extreme Material-Strkenunterschiede (Wanddicken),

Materialanhufung

8Materialanhufung

scharfe Kanten statt Radienwaagrechte Flche

fhrt zu Lunkern und Gasblasen8 8

GPE_VO_10 SS07 - 33

scharfe Kanten statt Radienfhrt zu Lunkern und Gasblasen 8 2007 Prof. Lindemann

Umsetzung der Gestaltungsregeln Formgerecht

Aushebeschrgen sogut wie nicht vorhanden

Hinterschneidungen machenKern notwendig8 8gut wie nicht vorhanden Kern notwendig

9 Teilfuge(Form geteilt)9

"Nasen" knnenausgehoben werden einfache Formen

(Linien, Kreisbgen)

9 9


Umsetzung der Gestaltungsregeln Bearbeitungsgerecht

nur notwendige Flchenwerden bearbeitet

fluchtende Bohrungen( i B b it h itt9 9

werden bearbeitet(nur ein Bearbeitungsschrittohne Umspannen)

durchgehendekeine schrgliegenden9 9durchgehende Bohrung (nur einBearbeitungsschritt)

keine schrgliegendenBearbeitungsflchen

eine Bearbeitungsflche

99


Herstellverfahren Gieen (Kunststoff)

Herstellverfahren



GieenMetall

Kunststoff

Verbund-werkstoffe

Kunststoff


Gieen Eigenschaften von Kunststoffen

anisotrope Materialeigenschaften hohe Abhngigkeit von Umgebungsbedingungen

Temperatur Luftfeuchtigkeit UV-Licht UV-Licht ...

zeitabhngiges Verhalten gezielte Beeinflussung der Eigenschaften mglich hhere Elastizitt und geringere Dichte als Stahl


Gieen Spritzgussverfahren

Einspritzen

NachdrckenNachdrcken

Auswerfen erneutes Plastifizieren der MasseAuswerfen, erneutes Plastifizieren der Masse


Gieen Gestaltungsregeln fr Kunststoffspritzgussteile

Gestaltungsregeln fr Guss im Besonderheiten der Allgemeinen Kunststoffverarbeitung

mglichst keine sehr unterschiedlichen Wanddicken

Materialeigenschaften abhngig von der FlierichtungWanddicken

keine schroffen Querschnittbergnge Vermeidung von Materialanhufungen Vermeidung scharfer bergnge

Flierichtung Bindenhte verstrken gezielte Beeinflussung der Formfllung

mit Fliebremsen bzw. -hilfenVermeidung scharfer bergnge (Ecken, Kanten)

mglichst ungehinderte Schwindung mglichst einfache Form- und Kernarbeit

auf Verzug achten berstrmkanle vorsehen

Sicherstellung der Zugnglichkeit aller Gussstckbereiche zum Putzen und Prfen

geringe und einfache Bearbeitung geringe und einfache Bearbeitung


Beispiel Kfz-Auenspiegel


Beispiel Kfz-Auenspiegel

Integration eines Leitergitters in ein Kunststoff-Spritzgussteil(Leadframe-Technologie)(Leadframe Technologie)

Integration der SteuerungselektronikSteuerungselektronik in ein ASIC Anbindung des Spiegels

an das KFZ-Bussystem


Herstellverfahren Verbundwerkstoffe

Herstellverfahren



Gieen

Verbund-werkstoffe


Faserverbundwerkstoffe berblick

Verbundwerkstoffe sind ein Gemenge aus zwei oder mehreren Werkstoffen:

Verbundwerkstoff

Tragende Komponente:Faser

Festigende Komponente:Matrix

Beispiel:

Tragende Komponente:Glas-/Kohlefaser

Festigende Komponente:Kunststoff

Faserverstrkter Kunststoff

GPE_VO_10 SS07 - 43

Kunststoff


Faserverbundwerkstoffe Aufbau

prinzipieller Gewebeaufbau:

Halbzeuge (Gewebeformen):


Faserverbundwerkstoffe Faser- und Matrixsysteme

Faserwerkstoffe: organische Fasern (z. B. Jute, Sisal) natrlich anorganische Fasern (Asbest) synthetisch hergestellte organische Fasern (z. B. Polyester- und Propylenfasern)synthetisch hergestellte organische Fasern (z. B. Polyester und Propylenfasern) synthetisch hergestellte anorganische Fasern (Glas-, Aramid- und Kohlefasern)

M t i k t ffMatrixwerkstoffe: Polymermatrizen (Duroplaste, Thermoplaste, Elastomere) Metallmatrizen Glasmatrizen Keramikmatrizen Kohlenstoffmatrizen Kohlenstoffmatrizen


Faserverbundwerkstoffe Eigenschaften von Faserverstrkten Kunststoffen

Steifigkeit: E-Modul

Festigkeit:Zugfestigkeit

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Gewichtsbezogene Steifigkeit Gewicht/Volumen

GewichtsbezogeneFestigkeit

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GPE_VO_10 SS07 - 46(nach DLR Stuttgart) 2007 Prof. Lindemann

Faserverbundwerkstoffe Vor- und Nachteile

Vorteile Nachteile

geringe Dichte sehr hohe gewichtsbezogene Steifigkeit sehr hohe gewichtsbezogene Festigkeit

Konstruktion und Verarbeitung erfordern viel spezielles Fachwissen und Erfahrungsehr hohe gewichtsbezogene Festigkeit

gute Formbarkeit Bauteilintegration mglich belastungsgerechte Konstruktion leicht

g aufwendige Verarbeitung, Reparatur sehr hohe Werkstoffkosten bedingte Recyclingfhigkeitg g

umzusetzen hohe Flexibilitt in der

Werkstoffzusammensetzungi W d h

nicht berall sinnvoll einsetzbar aufwendige Vorkehrungen gegen

statische Aufladung (Bonding)zum Teil hohes elektrisches Potential geringe Wrmeausdehnung

Korrosionsbestndigkeit stufenweises Versagen aufgrund des

schichtweisen Aufbaus

zum Teil hohes elektrisches Potential (Korrosion von z. B. Aluminium im Kontakt mit Kohlefaser)

schichtweisen Aufbaus hohe Schwingfestigkeit gnstiges Schlagverhalten


Faserverbundwerkstoffe Gestaltungsregeln

Richtungsabhngige Eigenschaften: Fasern in Richtung der angreifenden Lasten orientierenangreifenden Lasten orientieren

mglichst symmetrischer Lagenaufbau vielfltige Gestaltungsmglichkeiten durch Variation von:

Faser- und Matrixwerkstoff Faser/Matrix Verhltnis FaserrichtungFaserrichtung Lagenanzahl Erhhung der Steifigkeit durch Einbringung von sehr leichten

Fllmaterialien (Schaum Honeycomb etc ) zwischen LaminateFllmaterialien (Schaum, Honeycomb etc.) zwischen Laminate groflchige Krafteinleitungen Werkstoffendzustand wird erst im Bauteil erreicht


Beispiel Lufer


Herstellverfahren

Lernziele





Umformen

U f i t F ti d h bild ( l ti h )Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches) ndern der Form eines festen Krpers in Beherrschung

i G t i seiner Geometrie.


Herstellverfahren Biegeumformen

Herstellverfahren



Biege-umformen

Druck-umformen


Biegeumformen Mglichkeiten der Blechumformung

Stechen (Durchreien)

Abkanten

Abschneiden und Biegen

Rollen

B d l

Ausschneiden und Biegen

Sicken

Brdeln

Ausschneiden und Planieren


Biegeumformen Gestaltungsregeln fr Blechteile

Ausschneiden

gerade Schnitte

Biegeumformen

Schnittkante nicht in

Versteifen

groe Planflchen durch (Werkzeug)

wenn Kreisbogen, dann nicht zu klein

i S h i

Biegezone (Rissgefahr) keine wechselnden

BiegerichtungenBi di d Bl hdi k

Sicken vermeiden Sicken runden Sicken nicht kreuzen

wenig Schnitte wenig Abfall

(Verschachtelung)

Biegeradius der Blechdicke anpassen

Sicken ber ganze Biegezone fhren

Sickenanordnung ohne tausgeprgte

Richtungsabhngigkeit


Herstellverfahren Druckumformen

Herstellverfahren



Biege-umformen

Druck-umformen


Beispiel Schmiedeteile

Freiformgeschmiedet Gesenkgeschmiedet

GPE_VO_10 SS07 - 56Bildquelle: Stahlhammer Bommern 2007 Prof. Lindemann

Druckumformen Gestaltungsregeln fr Schmiedeteile

Allgemein

einfache Gestalt

Freiformen

Auflageflche ntig

Gesenkformen

ebene Gesenkteilung schroffe bergnge

vermeiden (Rissgefahr) Innenrume kaum mglich

geneigte Flchen vermeiden

Kreisbogen u. . id

Materialflussgerecht gestalten

Radien gro genug whlen Faserverlauf in Bezug auf

Festigkeit nutzen Anpassung des Rohteils

an die Fertigungsform

vermeiden gedrungene Rippen Aushebeschrgen Versatz bercksichtigen

an die Fertigungsform abhngig von der Stckzahl

dnne Bden vermeiden Bearbeitungsflchen klein

halten


Gliederung GPE

01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bausteilfestigung 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.07 11 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.06.07


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