Opel Kongress Produktionsforschung2016 Veröffentlichung · COAXwire – Optik für das...

PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016

Beitrag zur Realisierung eines Hybriden Fertigungskonzepts im Werkzeugbau

PROGEN

PROGEN | Berlin, den 23.06.2016

PROGEN

Beitrag zur Realisierung eines Hybriden Fertigungskonzepts im Werkzeugbau

Forschungsvorhaben PROGENAdam Opel AG

Agenda

1. Verbundprojekt PROGEN1. Konzept – Hybrides Fertigungsverfahren2. Verfahrensauswahl für IR3. Industrielle Anwendungen

2. Werkzeugbau Adam Opel AG

3. Anwendungsfall Primary Tryout1. Aktuelle Vorgehensweise2. Vision & Konzept3. Vorgehensweise

4. Fazit und Ausblick

5. Kontaktinformationen

Kongress Produktionsforschung 2016

PROGEN

PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 3

1. Verbundprojekt PROGENHochproduktive generative Produktherstellung durch laserbasiertes, hybrides Fertigungskonzept

• Partner:

• Fokussierung auf zwei Anwendungen:• generative Herstellung von Triebwerkskomponenten• Einarbeitung von Presswerkzeugen

• Ausgangslage: Engpass „Qualitätsschleife“ bei der Fertigung von Presswerkzeugen

• Ziele:• Erarbeitung eines generativen Hochleistungsverfahrens• Kombination aus generativen und abtragenden Fertigungsprinzipien• Implementierung in einer IR‐Zelle als Fertigungssystem

• Projektdauer: August 2014 bis Juli 2017

PROGEN


1. Verbundprojekt PROGEN1. Konzept – Hybrides Fertigungsverfahren

Material‐abtragen

Additive FertigungAnalyse

Oberflächen‐bearbeitung

Industrie‐roboter

PROGEN


1. Verbundprojekt PROGEN1. Konzept – Hybrides Fertigungsverfahren

Material‐abtragen

Additive FertigungAnalyse


Industrie‐roboter

Loop

PROGEN


1. Verbundprojekt PROGEN2. Verfahrensauswahl für IR

Material‐abtragen

Additive Fertigung

Spanende Verfahren• Fräsen• Bohren• Schleifen

Additive Verfahren• Auftragsschweißen

* Laser – Draht* Laser – Pulver* MIG/ MAG

PROGEN


1. Verbundprojekt PROGEN2. Verfahrensauswahl für IR

AnalyseAnalyseprozess• Optische Messverfahren• Reverse‐Engineering (Prozessvorbereitung)• Qualitätskontrolle


Oberflächentechnik• Maschinelles Oberflächenhämmern• Randschichthärten• Polieren

PROGEN


1. Verbundprojekt PROGEN3. Industrielle Anwendungen

• Luftfahrtindustrie• Zielanwendungen sind Gehäuse und Konsolen• Substitution der Massivzerspanung von Plattenhalb‐

zeugen durch additives Fertigen mittels Fülldrähten• Werkstofflicher Schwerpunkt auf AlMgSc und FeNi36

• Automobilindustrie• Qualitätsschleife (Bauteiländerungen & Tryout)

von Presswerkzeugen

Sensorträger

Beschnittkante Strukturbauteil

PROGEN


2. Werkzeugbau Adam Opel AGAufgabengebiete

Engineering Werkzeuge Engineering Vorrichtungen

Werkzeuganfertigung Vorrichtungsfertigung

Qualitätskonzept

Erstellung der Einzelteileim Werkzeugbau

Erstellung des Zusammen‐baus im Vorrichtungsbau

…vom Prototyp zum fertigen Zusammenbau

PROGEN


2. Werkzeugbau Adam Opel AGKunden

Ellesmere Port

Luton

Zaragoza

GleiwitzEisenachRüsselsheim

Kaiserslautern

Millbrook

Dudenhofen

Nürburgring

Pferdsfeld

Turin

Aspern

Szentgotthárd

Kaiserslautern

EisenachCorsa Rüsselsheim

Insignia, Astra, Getriebe

Tychy

Gleiwitz

Ellesmere Port

Luton

Zaragoza

PROGEN


2. Werkzeugbau Adam Opel AGBauteilspektrum

Komplexität

Qua

litätsanforde

rung

Gering Hoch

Dimen

sional

Dimen

sional &

Obe

rfläche

Premium

Seitenwand Haube

Dach Türen

Klappen

Deckel

Kotflügel Einzelteile & Zusammenbauten

Vorderrahmen

Stirnwand

Unterboden

Verstärkungen

Unter ‐ Zusammen‐bauten

PROGEN


2. Werkzeugbau Adam Opel AGZiele 2022

TOP in Kunden‐zufriedenheit

Reduzierung der Lead Time

TOP BIW‐Qualität

Kosten‐reduktion

Steigerung Mitarbeiter Engagement

Engineering

NEU‐Anfertigung

Einarbeitung(Qualitätsschleifen)

Aktuell VisionMethodenplanung & Werkzeugauslegung

Methodenplanung & Werkzeugauslegung+ Spring Back+ Virtual Spotting+ Virtual Matching+ Robustness

Presswerkzeug‐herstellung

Presswerkzeug‐herstellung

1. Loop

2. Loop

3. Loop

4. Loop

5. Loop

1. Loop

2. Loop

Projektrelevant

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout

• 20 ‐ 25 Wochen Änderungszeit (nach 80%‐Muster bis 2. Tryout im Presswerk)

• Mehrere Qualitätsschleifen sind zwingend notwendig, da nicht alle Informationen sofort vorliegen (Designänderungen, Werkzeugoptimierungen, Messung Einzelteil und Zusammenbauten etc.)

Engineering NEU –Anfertigung Qualitätsschleifen Einarbeitung

im Presswerk SOP

20-25 Wochen

QS1

100%100%

QS2 QS3 QSx…..

80%80%

Ziel: Effektive Qualitätsschleife in kürzester Zeit

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout1. Aktuelle Vorgehensweise

Charakteristik:

• Viele separate Aufspannungen

• Hoher Rüstaufwand

• Viele Transportwege

• Geringer Gesamtnutzungsgrad der CNC‐Maschine

• Handarbeit

Potential für Prozessintegration und Industrierobotereinsatz.

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout2. Vision & Konzept

Ziele:

• Prozessintegration in eine Anlage• Eine Aufspannung• Einmaliges Rüsten• Transport zu nur einer Anlage

Einsparpotential:• Zeit: ca. 40%• Kosten: ca. 20%• Fläche: ca. 70%• Komplexität:

VerbundforschungsprojektPROGEN

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Überblick

AP A• Entwicklung, Herstellung, experimentelle Erprobung und Qualifizierung der Werkstoffe

AP B• Erarbeitung des Laser‐Bearbeitungsmoduls für den generativen Auftrag drahtförmiger Materialien

AP C• Systemtechnik für die Integration aller Teilprozesse einschließlich der Komplettbearbeitung der generativ hergestellten Werkstücke

AP D• Intelligente Verknüpfung von Roboterkinematik, Messdaten, Laser‐ und Fräsbahnen

AP E• Prozessgrundlagen des generativen Laser‐Draht‐Auftragschweißens zum Herstellen defektfreier Metallstrukturen aus den definierten Ziellegierungen

AP F• Prozessuntersuchungen zur spanenden Nachbearbeitung der generativ hergestellten Werkstücke

AP G• Darstellung praxisrelevanter Mustergeometrien zum Evaluieren der neuen fertigungstechnischen Möglichkeiten

AP H• Fertigung von Demonstratorbauteilen zur industriellen Überprüfung bei den Anwendern des Konsortiums

KalenderjahrProjektjahr

2014 2015 2016 20171 2 3

PROGEN


Entwicklung von Fülldraht zum Laser‐Draht‐Auftragschweißen

Ziele:• Drahtdurchmesser < 2,0mm• Hohe Füllgrade, um hohen Legierungsanteil zu erhalten• Optimierung des Auftragschmelzverhaltens• 100% Ausnutzung des ZusatzwerkstoffesVorteile:

• Kombination Laserauftragschweißen – Fülldraht Steigerung der Baurate bis zu 500% ggü. Pulververfahren

auf 100 cm³/h bis 1.000 cm³/h• Variable Materialzusammensetzung des Fülldrahts aufgrund des Füllpulvers große Legierungsauswahl

• Effiziente und ressourcenschonende Materialausnutzung mittels Draht als Zusatzwerkstoff

3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fülldrahtherstellung

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Hochleistungsdiodenlaser

Leistung und Effizienz• Optische Leistung = >3700W• Kopfeffizienz@3700W = 37,7%• Kopfeffizienz Max = 42,8%

Strahlcharakteristik• Faserkerndurchmesser = 400µm• Numerische Apertur = 0,12• Wellenlänge = 930‐1070nm

Projektziel:Entwicklung eines 20mmxmrad Lasers mit einer Leistung von 4kW und 40% elektrisch‐optischer Effizienz

25%

30%

35%

40%

45%

50%

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Laserkop

f Effizienz

Leistung [W]

PROGEN Prototyp

LDF 3000‐20 beiProjektstart

Projektstatus:Der Laser wurde im April 2016 an den Projektpartner Fraunhofer IWS Dresden geliefert.

PROGEN


COAXwire – Optik für das Laser‐Draht‐Auftragschweißen

• Konstante Laserleistung bis zu 4kW

• 1 Zoll‐Optiksystem für Diodenlaser neuester Generation

• Integrierte zentrische Drahtzuführung• Komplette Richtungsfreiheit während des Prozess

durch 3‐Strahl‐Anordnung des Lasers

• Draht als Zusatzwerkstoff• Keine Beeinträchtigung durch Erdanziehungskraft,

Schweißungen >90° möglich• Flexible Schweißungen von Wannen‐ bis

Querposition möglich

• Kompakt, modular aufgebautes System• Geringstmögliche Störkontur für eine hohe

Zugänglichkeit

3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise – Laser-Draht-Auftragschweißen

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fräsen

Roboterbasierter Fräsprozess von hochfesten Materialen

Problem: unzureichende Ungenauigkeit von Industrierobotern

• Entwicklung von optimalen Frässtrategien und ‐parametern• Konturfolgend vs. Zick Zack vs. Zick• Kugelfräser vs. Schaftfräser

• Entwicklung einer Kompensationsstrategie hinsichtlich der Roboternachgiebigkeit• Volumetrische Kompensation mit integrierter Roboterbahnplanung• Echtzeit‐Kompensation mittels Laser‐Tracker

• Entwicklung eines mathematischen Robotermodells• Betrachtung von Frequenz, Gelenkspiel, Nachgiebigkeit, Pose etc.

unter verschiedenen Umweltbedingungen (Temperatur,Prozesskraft etc.)

PROGEN


Durchführung von Fräsversuchen

Versuchsparameter (ausgewählt):

• Material: EN‐JS 2070

• Werkzeug: Kugelfräser

• Werkzeugdurchmesser: 12mm

• Drehzahl: 10.000 1/min


PROGEN


Genauigkeitsanalyse Fräsversuche – Diagonale auf der Freiformfläche


0,22 5,8

12,02 18 24

,430

,71 36,4

42,5

48,32

54,49 60

,666

,873

,4879

,9386

,14 92,4

98,8

104,6 11

111

6,812

2,412

8,2 134

140,0

714

5,71

151,6

415

816

3,216

9,417

4,59

180,6

186,2

192,2

198,2

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

3-Achs5-Achs

Strecke in mm

Höh

e in

mm

3-Achs [mm] 5-Achs [mm]Mittelwert 0,008014 0,035142Summe mittl. Abweichung (Betrag) 0,021411 0,057791Varianz (quadratische Abweichung) 0,000758 0,005821

PROGEN


Eliminierung von Bereichen mit zu hoher Geometrieabweichung

Ziel: ‐ einfache, robuste Methode‐ geringer Kostenaufwand‐ Taktzeitunabhängig‐ Sicherstellen Geometriegenauigkeit

Iterationsschleife Fräsen‐Scannen:


0,22 5,8

12,02 18 24

,430

,71 36,4

42,5

48,32

54,49 60

,666

,873

,4879

,9386

,14 92,4

98,8

104,6 11

111

6,812

2,412

8,2 134

140,0

714

5,71

151,6

415

816

3,216

9,417

4,59

180,6

186,2

192,2

198,2

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

3-Achs5-Achs

Strecke in mm

Höh

e in

mm

Fräsen Scannen SOLL/IST –Analyse

Geometrie‐abweichung?

Ja

NeinStopStart

PROGEN


20%

20%

60%

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

100%

(1) (2) (3)

Anteil de

r Strategien

Strategien

Strategien zur Steigerung der Genauigkeit der Fräsergebnisse

• (1) Optimierung der Frässtrategie und ‐parameter

• (2) Schnittstellenoptimierungen (CNC‐CAM)

• (3) Iterationsschleifen Fräsen‐Scannen


PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Scannen

Optische Erfassung des Bauteils

Ergebnis des Scans: Punktewolke

Aufbereitete Daten:Dreiecksnetz

CAD/CAM

PROGEN


Komplexität

3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Versuchsbauteile

Iterative Komplexitätssteigerung der Versuchsbauteile

1. Rundproben und Quader

2. Mustergeometrie 3. Endanwendung – Opel Astra(Haut Klappe Rückwand oben)

H=40mm; ∅ 70

HxBxT=20x80x40 mm³

HxBxT=80x200x200 mm³

HxBxT=440x1.380x390 mm³

3D‐Oberfläche(Freiform‐ & Strukturfläche

Fräsen & Scannen Volumenaufbau Fräsen & Scannen

Zieldemonstrator(Außenhaut & Strukturteil)

Abbildung der gesamten Prozesskette

PROGEN


3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Anlagentechnik

PROGEN


4. Fazit und Ausblick

• Prozesse „Additiven Fertigung“,„Oberflächenbearbeitung“ und „Analyse“mit IR umgesetzt

• Umsetzung „Fräsprozess“ nur mit Einschränkungen hinsichtlich derGenauigkeit

• Derzeitige Entwicklung der Kombination aller Prozesse als Hybridprozess in einer Roboterzelle

• Weiterer Forschungsbedarf:• Roboterbasierte Fräsbearbeitung • Optimierung der Nachgiebigkeitskompensation des Roboters• Versteifung der Roboterkinematik

• Ergebnisse in Demonstratorzelle im Q3 2017

PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016

Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

PROGENVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dipl.‐Ing. Lutz RengerAdam Opel AGBahnhofsplatz 165423 Rüsselsheim

Phone +49 6142 7 76957E‐Mail [email protected]

Clemens Kuhn M.Sc.Adam Opel AGBahnhofsplatz 165423 Rüsselsheim

Phone +49 6142 7 71367E‐Mail [email protected]

Parts of this presentation were funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the Framework Concept “Research for Tomorrow’s Production” and managed by the Project Management Agency Karlsruhe (PTKA). The authors are responsible for the contents of this publication.

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