OptoRep

Problemstellung
Aufgrund steigender Kundenforderungen, kürzerer Produktlebenszyklen und gestiegener Ansprüche an die Funktionalität von Bauteilen ist insbesondere im Werkzeug- und Formenbau eine erhöhte Flexibilität und Ausnutzung aller Zeit- und Kostenpotenziale erforderlich. Dabei nimmt die Reparatur von Umformwerkzeugen für die Massiv- und Blechumformung eine zentrale Stellung ein, da der Reparaturprozess dieser Werkzeuge mit den heute üblichen Methoden sehr langwierig und mit einem hohen Anteil manueller Tätigkeiten verbunden ist.
Der Produktlebenszyklus kostenintensiver Massiv- und Blechumformwerkzeuge wird vor allem durch Designänderungen des herzustellenden Bauteils und durch den stückzahlabhängigen Werkzeugverschleiß beeinflusst. Um die kurzfristige Werkzeuginstandsetzung bzw. -änderung wirtschaftlich zu gestalten und gleichzeitig die Fertigungsqualität deutlich zu verbessern, musste eine innovative und automatisierte Prozesskette für CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen mit Laserbearbeitungssystemen und die dazu notwendigen Komponenten zur Erfassung der Bauteilgeometrie, der Prozessüberwachung und der Programmierung entwickelt werden.

Projektziele
Für die Lösung der genannten Problemstellung musste eine flexible und im Vergleich mit der konventionellen Bearbeitung deutlich schnellere Prozesskette zur Komplettbearbeitung in einem Fertigungssystem entwickelt werden, mit der folgende Teilaufgaben weitgehend automatisiert ausgeführt werden können:
- Reparatur verschlissener Werkzeuge mittels Laserpulverbeschichten
- Verschleißschutz von Neuwerkzeugen mittels Laserpulverbeschichten
- Werkzeuganpassung bei Produktdesignänderungen mittels Laserpulverbeschichten
- Härten von Bauteiloberflächen mittels Hochleistungsdiodenlaser
- Fräsbearbeitung unterschiedlicher Genauigkeitsstufen zur Vor-, Zwischen- und Fertigbearbeitung von Werkzeugkonturen

Vorgehensweise
Zur Entwicklung der Fertigungsprozesskette und des Anlagenprototyps der Fertigungszelle waren folgende Teilaufgaben zu lösen:
- Erarbeitung des Prozess- und Anlagengrundkonzeptes unter Berücksichtigung der Anwenderforderungen. Neben den projektbeteiligten Anwendern trug dazu der Industriearbeitskreis "Instandsetzung und Designänderung im Werkzeugbau" maßgeblich bei.
- Entwicklung eines optischen Messsensors zur Erfassung der Bauteil-Geometriedaten in allen Bearbeitungsphasen.
- Entwicklung eines robusten kombinierten Laserstrahl-Bearbeitungskopfes für das Pulverauftragsschweißen und Härten sowie einer geeigneten Adaption im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine.
- Entwicklung eines einheitlichen CAM-Systems zur NC-Datengenerierung für alle erforderlichen Fertigungsprozessstufen.
- Integration der zusätzlichen Systemkomponenten in die CNC-Steuerung des Bearbeitungszentrums.
Der Aufbau und die Inbetriebnahme des Anlagenprototyps sowie die Integration der optischen Messtechnik und des Laserbearbeitungskopfes erfolgten bei der beteiligten Forschungseinrichtung.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die zur Instandsetzung und Konturänderung von Umformwerkzeugen entwickelte Prozesskette kann dem vorgefundenen Werkzeugzustand entsprechend flexibel konfiguriert werden. Sie umfasst die Erfassung der Ist-Geometrie, die Festlegung erforderlicher Fräs-Bearbeitungsschritte (Vor-, Zwischen-, Endbearbeitung), die Generierung der optimalen Spurführung für das Laserpulverauftragschweißen, die Laserbearbeitung sowie das Laserhärten der Oberfläche zum Verschleißschutz.

Mit der beispielhaften Instandsetzun
g eines Massivumformwerkzeuges aus der Gesenkschmiedeproduktion des beteiligten Industriepartners CDP Bharat Forge GmbH auf dem Prototypen des Bearbeitungszentrums konnte die Praxistauglichkeit des Anlagenkonzeptes und die Realisierbarkeit der Bearbeitungsaufgabe in nur einer Fertigungsanlage und nur einer Aufspannung nachgewiesen werden. Die Fertigungsdurchlaufzeit konnte dabei von zwei Wochen auf vier Tage verringert werden. Bei der CDP Bharat Forge GmbH wird die OPTOREP-Technologie zur Instandsetzung aller Gesenkwerkzeuge im Abmessungsbereich bis LxBxH 1,5 x 1,0 x 0,7 m zur Anwendung kommen.

Der beteiligte Werkzeugmaschinenhersteller Deckel Maho Geretsried GmbH wird das Anlagenkonzept als anwenderspezifische Komplettlösung vermarkten und erwartet bis 2008 den Absatz von ca. 10 Anlagen. Der modulare Aufbau der dazu zusätzlich in die Werkzeugmaschine zu integrierbaren Komponenten ermöglicht darüber hinaus auch die insbesondere für KMU attraktive kostengünstige Nachrüstung geeigneter Fertigungszellen im Anwenderbestand. Die beteiligten Komponentenhersteller Steinbichler Optotechnik GmbH und DILAS Diodenlaser GmbH vermarkten dazu die erarbeiteten Lösungen im Rahmen ihrer technisch verbesserten Geräteprogramme. Das Softwarehaus Open Mind Technologies AG verwertet die erstellte Prozesssteuerungssoftware für kundenspezifische CAM-Programmierungen entsprechender Bearbeitungsaufgaben und ist somit in der Lage, das Marktsegment Laserauftragschweißen / Instandsetzung zu bedienen.

Das hohe Anwendungs- und Verbreitungspotenzial der verfügbaren Automatisierungslösung für den Werkzeug- und Formenbau im Bereich der Umformtechnik erstreckt sich branchenübergreifend auf den Maschinen- und Anlagenbau, den Fahrzeugbau, die Luft- und Raumfahrtindustrie und den Apparate- und Haushaltsgerätebau. Auch Anwendungen auf Dauerurformwerkzeuge und zur Instandsetzung von Funktionsflächen an Bauteilen sind zu erwarten und werden von Fraunhofer IPT weiterführend entwickelt.

Automatisierte Reparatur-Fertigungszelle für den Werkzeugbau basierend auf optischer In-Prozess-Messtechnik und laserintegrierter Bearbeitung

Autor: Kordt, M.; Glasmacher, L.; Bichmann, S.; Emonts, M.

Verlag: Eigenverlag Fraunhofer IPT, Aachen

Erscheinungsjahr: 2006

Beschreibung: In dem Projekt wurde eine industriell anwendbare automatisierte Prozesskette für die Instandsetzung verschleißgeschädigter metallischer Umformwerkzeuge sowie für die geometrische Anpassung der Werkzeugkonturen an ein verändertes oder zwischenzeitlich weiterentwickeltes Produktdesign entwickelt. Schwerpunkt des Projekts war der Aufbau einer Reparatur-Fertigungszelle für den Werkzeugbau, welche eine automatisierte Reparatur mittels konturnahem Pulverlaserauftragschweißen, beginnend bei der Ermittlung der verschlissenen Werkzeugbereiche über eine optische Messtechnik bis zum reparierten, wieder einsatzfähigen Werkzeug ermöglicht. Alle zur Werkzeug- und Formenbearbeitung erforderlichen Fertigungsschritte können dabei in nur einer Aufspannung und ¿ im Gegensatz zur manuellen Fertigung ¿ schneller, kostengünstiger und in besserer Qualität erfolgen. Als Funktionsmuster einer Fertigungsanlage wurde ein 5-Achs-Fräsbearbeitungszentrum mit allen für die Laserbearbeitung notwendigen Aggregaten anlagen- und steuerungstechnisch ergänzt. Die Komplettbearbeitung der instand zusetzenden Umformwerkzeuge erfolgte beispielhaft an einem hoch beanspruchten Gesenkschmiedewerkzeug.