Der Virtuelle Meisterbock: Sparpotenzial für die Automobilproduktion Massenproduktion realitätsnah darstellen - KEM

Der Virtuelle Meisterbock: Sparpotenzial für die Automobilproduktion

Massenproduktion realitätsnah darstellen

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In der Automobilentwicklung ist der physikalische Meisterbock ein etabliertes Prüf- und Kontrollwerkzeug. Das hier vorgestellte Unternehmen aus Fulda hat einen „ Virtuellen Meisterbock“ als synergetische Ergänzung zu einem probaten Tool entwickelt. Der Virtuelle Meisterbock setzt im Entstehungsprozess eines Automobils früher an und betrachtet wesentlich mehr Einflussfaktoren, die von Bauteilen, Prozessen und Produktionsanlagen ausgehen. Durch seinen Einsatz lassen sich Kosten, Aufwand und Zeit – bei OEMs und Zulieferern – einsparen.

Noch immer sind physikalische Füge-, Innen- und Außenmeisterböcke die letzte Kontrollinstanz vor der Serienfertigung. Erst wenige Monate vor dem Start der Serienproduktion (SOP Start of Production) und während der Serienfertigung zur Qualitätskontrolle kommen sie zum Einsatz. Dabei werden Bauteile von Fahrzeugen in ihren jeweiligen Baugruppen auf ihre Passgenauigkeit überprüft. In erster Linie findet hier eine Sichtprüfung hinsichtlich Optik und Haptik des Zusammenspiels der beteiligten Bauteile statt. Betrachtet werden dabei alle möglichen Störfaktoren, wie z. B. Schwund, Aufsprung, Schweißverzug, thermische Belastungen und Materialauswirkungen.

Die physikalischen Meisterböcke werden auf Basis originaler CAD-Daten aus der Konstruktion eines Modells erstellt. Sie sind naturgemäß starre Konstrukte und prüfen nur einzelne Bauteile, die nur eine einzige Toleranzkombination darstellen, in ihrem direkten Umfeld. Diese Prüfung ist nicht repräsentativ für alle möglichen Toleranzkombinationen, die in der Praxis vorkommen können.
Meisterbock sorgt für Qualität
Auf einen Außenmeisterbock werden die zu prüfenden Teile, z. B. Seitenteile, Türen, Kotflügel,und Anbauteile, in einer Ideallage montiert, die aber in der Produktion aufgrund von Lageabweichungen – bedingt durch Vorrichtungstoleranzen, Zusammenbautoleranzen, Schweißverzug etc. – nie erreicht wird. Es wird von perfekten Vorrichtungen, Bauteilen und Prozessen in der Produktion ausgegangen.
Mit einem physikalischen Meisterbock kann somit nur die Formabweichung der Bauteile gegeneinander kontrolliert werden. Im Idealfall passt alles. Doch können auch Spaltmaße und Flächenversatz ein unharmonisches Bild und im ärgsten Fall ein nicht korrigierbares Gefüge ergeben – obwohl Zulieferer mit ihren Komponenten die geforderten Qualitätsstandards eingehalten haben und Produkte mit den vorgegebenen Maßen produziert wurden. Diese Qualitätsanforderungen werden für alle Fahrzeugteile von den Produktentwicklern detailgenau definiert. Dazu gehören neben den optimalen Teileabmessungen auch Toleranzbereiche. Schon aus wirtschaftlicher Sicht sollten Toleranzfenster so groß wie möglich definiert werden, um möglichst preiswert Bauteile produzieren zu können. Es gilt hier das Maximalprinzip: Mit dem geringsten Aufwand, die geforderte Qualität zu produzieren.
Die Prüfung auf dem physikalischen Meisterbock führt jedoch oft zu Zwangsmaßnahmen, um die Qualitätsziele zu erreichen. Besteht z. B. die Bauteilgruppe die Begutachtung auf dem physikalischen Meisterbock nicht, obwohl die Bauteile vorab bei der Erstbemusterung für gut befunden wurden, kommt schnell die Frage auf, welcher Zulieferer sein Bauteil modifizieren muss.
Modifaktion heißt für den Teilehersteller in der Konsequenz für das betroffene Bauteil kostenaufwändige Werkzeugänderungen durchzuführen. Für viele Bauteile, die in mehreren Operationen hergestellt werden müssen, steigen die Kosten für die Werkzeugänderungen explo- sionsartig an. Neben den Kosten kommt zudem auch der Zeitaspekt zum Wirken. Das Projekt-Timing ist in der Regel als „Best-Case Szenario“ ausgelegt und sieht Werkzeugänderungen in dieser Phase prinzipiell nicht mehr vor. Faktisch kommt es jedoch in dieser späten Phase noch zu Änderungsumfängen, die mit enormen zeitlichen und finanziellen Aufwändungen durchgeführt werden müssen, um den SOP und Qualitätsansprüche einzuhalten.
3D-Toleranz- simulationsmodell
Viel früher als der physikalische Meisterbock – nämlich bereits im frühen Produktentstehungsprozess – setzt der Virtuelle Meisterbock der Edag als Prüf- und Kontrollinstrument ein. Gestartet wird mit dem Virtuellen Meisterbock, wenn die originären CAD-Daten aus der Konstruktion zur Verfügung stehen. Die Konstruktionsdaten werden zum Aufbau eines dreidimensionalen Toleranzsimulationsmodells verwendet. Zeitgleich mit der Arbeit der Entwickler erfolgt die Datenauswertung hinsichtlich geforderter Produkt-, Funktions- und Qualitätseigenschaften des Gesamtproduktes „Fahrzeug“ unter gleichzeitiger Einbeziehung einzusetzender Produktionsverfahren und Produktionswerkzeuge bei OEMs und Zulieferern. Betrachtet wird beim virtuellen Meisterbock das Gesamtfahrzeug und nicht wie beim physikalischen Meisterbock nur bestimmte Baugruppen wie Rohbau, Exterieur, Interieur etc. Beim Virtuellen Meisterbock finden in der computergestützten Simulation neben Produkttoleranzen auch die Toleranzen von Prozessen und Produktionsanlagen wie auch Zusammenbaufolgen mit ihren jeweiligen Toleranz-Verteilungsfunktionen Berücksichtigung. Allein bei einem Kotflügel kann es zwischen 40 und 50 verschiedene Toleranzbereiche geben. Je Baugruppe werden vom Virtuellen Meisterbock alle denkbaren Kombinationen von Toleranzen zwischen den jeweiligen Extremsituationen simuliert. Damit wird die zukünftige Massenproduktion mit all ihren Abweichungen realitätsnah dargestellt.
In einer ersten Stufe werden die berechneten Daten visualisiert. Schon hier sind die kumulierten Auswirkungen der verschiedenen Abweichungen in ihrer Gesamtheit und auch im gegenseitigen Zusammenspiel anschaulich gemacht. Schnell lassen sich erste Rückschlüsse auf Schwachstellen ermitteln. Im nächsten Schritt erfolgt die Analyse, um mit den ermittelten Werten wieder in die Entwicklungsarbeit einzusteigen. Gleichzeitig lassen sich die einzelnen Bauteile mit ihren Toleranzen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Gesamttoleranzkonzept berechnen. Es ist objektiv und neutral bewertbar, an welchem Bauteil am effektivsten Änderungen erfolgen müssen, um das Gesamttoleranzkonzept absichern zu können.
Absicherung: Virtueller Meisterbock
Der Virtuelle Meisterbock liefert mit seinen Auswertungen eine statistische Absicherung von Qualitäts- und Funktionsanforderungen, da nicht nur exemplarisch einzelne Bauteile berücksichtigt werden. Die Simulation „spielt“ mehrere tausend Bauteilkombinationen durch, wie sie während des gesamten Zeitraums der Serienfertigung mit allen beteiligten Produkten, Prozessen und Anlagen auftreten können.
Auswirkungen früh erkennen
Die Ergebnisse helfen den Entwicklungsteams in einem sehr frühen Stadium, für alle Bauteile und Baugruppen Optimierungspotenzial zu entdecken und konstruktiv umzusetzen. Durch die Betrachtung des Fahrzeugs als Ganzes werden auch Auswirkungen von Bauteilen einbezogen, die sich nicht in unmittelbarer Nähe einer potenziellen Schwachstelle befinden. Die Frage, wo Veränderungen die meisten Auswirkungen haben, ist mit Hilfe des Virtuellen Meisterbocks einfach(er) zu beantworten.
Bereits in der Vorentwicklungsphase können so systematisch die Produktionsvoraussetzungen analysiert werden, um Fehlerstellen aufzufinden und die potenziellen Verursacher von Produk-tionsproblemen zu identifizieren. Der Einsatz des Virtuellen Meisterbocks ermöglicht eine vorläufige Bewertung der Prozessfähigkeit. Gezielt lassen sich Problemstellen angehen und ihre Auswirkungen vermindern.
Wie heute in den Projekt-Timings üblich, werden die CAD-Daten schon vor der Prototypenfreigabe den Zulieferern für die Planung ihrer Produktionsanlagen und Serienwerkzeuge zur Verfügung gestellt. Diese Daten sind jedoch zu diesem Zeitpunkt bereits optimiert. Risiken von Nachbesserungen und Änderungen, z. B. beim Bau von Werkzeugen, minimieren sich. In der Folge werden mit dem Virtuellen Meisterbock als Kontroll- und Steuerungswerkzeug die weiteren Prozesse der Vorserie, der Produktionsplanung und des Serienanlaufs kontinuierlich begleitet. Hieraus resultieren Kosteneinsparungen aufgrund des Wegfalls von Änderungen in diesen Prozessen, aber auch aufgrund möglicher Vergrößerungen von Fertigungstoleranzen, die sich aus der Bewertung der Bauteilauswirkungen ergeben.
Verzahnung von Produkt/ Produktion
Wenige Monate vor dem SOP kommt wieder der physikalische Meisterbock als Prüf- und Kontrollinstanz zum Einsatz – an der realen Baugruppe. Hier kann jedoch der Prüfumfang zum Teil reduziert werden, da auch bereits geprüfte Teile und Techniken zum Einsatz gekommen sind oder gegenüber bereits geprüften Bauteilen und -gruppen vorheriger Versionen keine Veränderungen stattgefunden haben. Nacharbeiten und Korrekturen, Aufwände und Zeiten sind auf ein Minimum reduziert.
Über die Prozessstufen Entwicklung, Werkzeugherstellung, Teilefertigung, Anlagenfertigung und Produktion hinweg summieren sich die Einsparpotenziale durch den Virtuellen Meisterbock. Bei einer Kostenbetrachtung am Beispiel einer Derivatentwicklung eines Fahrzeugs steht den Investitionen für einen Virtuellen Meisterbock ein zehnfach höheres Einsparpotenzial gegenüber. Bei dieser Betrachtung wurde der bisherige, volle Einsatzumfang des physikalischen Meisterbocks angesetzt. Wird beim gleichen Beispiel dagegen der Einsatzumfang des physikalischen Meisterbocks reduziert – wegen der Verwendung bereits geprüfter Bauteile und der „Vorprüfung“ durch den Virtuellen Meisterbock, sinken die Kosten entsprechend und das Einsparpotenzial steigt. In jedem Fall beläuft sich das Einsparpotenzial durch den Virtuellen Meisterbock auf mehrere Millionen Euro.
Mit dem virtuellen Meisterbock hat der weltweit tätige Entwicklungspartner Edag ein probates Instrument entwickelt, um die Verzahnung von Produkt und Produktion in der Entwicklung zu realisieren und wertvolle Einsparpotenziale zu erschließen.
Virtueller Meisterbock KEM 506
Leistungsportfolio Edag KEM 507

Integrierte Simulation zur Produktoptimierung
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