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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
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 4
1. Verbundprojekt PROGEN1. Konzept – Hybrides Fertigungsverfahren
Material‐abtragen
Additive FertigungAnalyse
Oberflächen‐bearbeitung
Industrie‐roboter
PROGEN
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 5
1. Verbundprojekt PROGEN1. Konzept – Hybrides Fertigungsverfahren
Material‐abtragen
Additive FertigungAnalyse
Oberflächen‐bearbeitung
Industrie‐roboter
Loop
PROGEN
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 6
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
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1. Verbundprojekt PROGEN2. Verfahrensauswahl für IR
AnalyseAnalyseprozess• Optische Messverfahren• Reverse‐Engineering (Prozessvorbereitung)• Qualitätskontrolle
Oberflächen‐bearbeitung
Oberflächentechnik• Maschinelles Oberflächenhämmern• Randschichthärten• Polieren
PROGEN
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 19
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
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 20
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
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 21
Durchführung von Fräsversuchen
Versuchsparameter (ausgewählt):
• Material: EN‐JS 2070
• Werkzeug: Kugelfräser
• Werkzeugdurchmesser: 12mm
• Drehzahl: 10.000 1/min
3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fräsen
PROGEN
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 22
Genauigkeitsanalyse Fräsversuche – Diagonale auf der Freiformfläche
3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fräsen
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
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Eliminierung von Bereichen mit zu hoher Geometrieabweichung
Ziel: ‐ einfache, robuste Methode‐ geringer Kostenaufwand‐ Taktzeitunabhängig‐ Sicherstellen Geometriegenauigkeit
Iterationsschleife Fräsen‐Scannen:
3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fräsen
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
PROGEN | Kongress Produktionsforschung 2016 | Berlin, den 23.06.2016 | 24
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
3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Fräsen
PROGEN
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3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Scannen
Optische Erfassung des Bauteils
Ergebnis des Scans: Punktewolke
Aufbereitete Daten:Dreiecksnetz
CAD/CAM
PROGEN
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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
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3. Anwendungsfall Primary Tryout3. Vorgehensweise - Anlagentechnik
PROGEN
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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.
www.progen‐projekt.de