Entwicklungsprozess zur Kosten- und Gewichtseinsparung bei Werkzeug- und Verarbeitungsmaschinen

Kurzfassung

Werkzeug- und Verarbeitungsmaschinen stellen einen bedeutenden Anteil der Exportgüter der Bundesrepublik Deutschland dar. Durch einen hohen Konkurrenzdruck unterliegen diese hohen Kosten- und Produktivitätsanforderungen. Hierfür ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen maßgeblich, die signifikant mit der Masse der bewegten Teile zusammenhängt. Weiterhin ist durch die Reduzierung von bewegten Massen ein verringerter Energiebedarf im Maschinenbetrieb möglich. Hierzu tragen leichtbaugerechte Konstruktionen bei. Für eine signifikante Masseneinsparung ist insbesondere das große Potenzial der frühen Entwicklungsphasen PLANEN und KONZIPIEREN entscheidend, da hier das Gewicht und die Herstellkosten direkt oder indirekt zu einem hohen Anteil festgelegt werden. Durch einen verringerten Werkstoffeinsatz bzw. eine VERSCHLANKUNG der Maschinen ist weiter eine Reduzierung der Herstellkosten günstigstenfalls möglich. Um diese ambitionierten Ziele zu erreichen, ist ein neuartiger, ganzheitlicher und integrierter Ansatz notwendig, der in allen Phasen des Produktentwicklungsprozesses geeignete Methoden, Werkzeuge und maschinenbauliches Fachwissen nutzt. Für die Umsetzung wurden die Kompetenzen von drei Forschungsinstituten vereint und in einen mehrstufigen Leichtbau-Ansatz überführt. Durch die daraus erarbeitete forschungsinstitutsübergreifende systematischen Vorgehensweise werden Leichtbaupo-tenziale und Kosteneinsparungsmöglichkeiten der betrachteten Maschinen identifiziert sowie Leicht-baukonzepte abgeleitet. In einem ersten Schritt werden speziell für die Konzeptphase entwickelte neue Methoden, wie die Funktionsmassenanalyse und die sogenannten Leichtbau-Denkwerkzeuge, angewandt. Diese identifizieren das Leichtbaupotenzial und nützen es gezielt aus. Durch eine Funktionsbedarfsanalyse werden die benötigten Funktionen der für einen definierten Zielmarkt zu entwickelnden Leichtbaumaschine identifiziert. Diese Analyse grenzt in einem zweiten Schritt die hinsichtlich des Leichtbaus zu optimie-renden Bauteile ein und liefert Erkenntnisse über die Potenziale der Funktionsintegration und -substitution. In einem auf diesen Ergebnissen aufbauenden dritten Schritt erfolgen die Topologieopti-mierung und die Kraftflussanalyse der identifizierten Maschinenbaugruppen. Basierend auf den vor-hergehenden Schritten werden Leichtbaukonzepte der strukturell relevanten Baugruppen erstellt und die vielversprechendsten ausgewählt. Diese werden strukturmechanisch untersucht (FE-Berechnung) und es werden weitere Möglichkeiten zur Optimierung dieser Baugruppen aufgezeigt. Das Ergebnis sind leichtbau- und kostenoptimierte Strukturen, die zudem eine höhere Steifigkeit als die entspre-chenden Baugruppen der Referenzmaschine aufweisen. Das Potenzial und die Leistungsfähigkeit des neuartigen, integrierten und entwicklungsphasenüber-greifenden Methodeneinsatzes konnte am Beispiel zweier Maschinen nachgewiesen werden. Dies führte dabei zu einer Gewichts- und Kostenreduzierung. Es konnte die Masse einer bewegten Ma-schinenbaugruppe um nahezu 40% gesenkt werden. Die Verringerung der bewegten Masse führt darüber hinaus dazu, dass kleinere Antriebselemente verwendet werden können und dadurch Ener-gieeinsparungen für den Nutzer erwartet werden. Bezüglich der Kosten finden derzeit weitere Unter-suchungen bei den Maschinenherstellern statt, weshalb derzeit noch keine exakten Werte angegeben werden können. Es wird jedoch mit einer Kosteneinsparung gerechnet. Der Nutzen eines solchen Ansatzes führt somit zu positiven Effekten beim Maschinenhersteller und Endanwender. Der von den Forschungsinstituten gemeinsam entwickelte Leichtbau-Ansatz und die Expertise stehen für zukünftige vergleichbare Anwendungen zur Verfügung. An dem Projekt beteiligte Forschungsinstitute waren das Institut für Konstruktionstechnik und Techni-sches Design (IKTD) der Universität Stuttgart (erster Schritt), das Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) der Fraunhofer Gesellschaft (zweiter Schritt) und das Institut für Fahrzeugkon-zepte (FK) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (dritter Schritt).