Automatisiertes Kopiertreiben - Analyse und Katalogisierung von Bauteilen und Fertigungsstrategien
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Math. Daniel Opritescu, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München - Prof. Dr. Peter Gritzmann, Dipl.-Math. Felix Schmiedl Lehrstuhl für Angewandte Geometrie und Diskrete Mathematik der Technischen Universität München
98 Seiten - 59,00 EUR (sw, 42 teils farbige Abb., 5 Tab.)
ISBN 978-3-86776-408-7
Zusammenfassung
Der Markt für Blechformteile fordert immer mehr Individualität und kundenspezifische Produkte. Für Unternehmen bedeutet dies kürzere Produktlebenszyklen und einen steigenden Bedarf an Prototypen- und Kleinserienteilen. Gerade im Bereich der Kleinserienfertigung kämpfen Unternehmen mit hohem manuellen Aufwand, schlechter Reproduzierbarkeit und hohen Investitionskosten. Die Verfahren der inkrementellen Blechumformung, speziell das Kraftformer-Verfahren, erlauben die Fertigung individueller Blechbauteile mit einfachen und kostengünstigen Universalwerkzeugen.
Dies eröffnet im Bereich der Blechverarbeitung neue Möglichkeiten. Mit dem Kraftformer-Verfahren lässt sich nahezu jede gewünschte Bauteilform inkrementell herstellen. Die manuelle Bauteilführung ist jedoch das größte Problem des Kraftformer-Verfahrens, da die Bauteilqualität sehr stark vom Geschick und der Erfahrung des Werkers abhängt. Eine reproduzierbare Fertigung qualitativ gleichwertiger Bauteile ist kaum bzw. nur mit enormem Aufwand möglich. Ohne Automatisierung ist ein wirtschaftlicher Einsatz des Verfahrens aus Kosten- und Qualitätssicht nur für spezielle Anwendungen sinnvoll.
Aufbauend auf das Verfahren Kopiertreiben ist die weitere Erhöhung des Automatisierungsgrades gelungen. Dies führt zu einer Reduzierung der Lohnstückkosten und zur Qualifizierung des Verfahrens für industrielle Fertigungsanwendungen im Kleinserienbereich. Eine Vorgehensweise unter Verwendung bekannter Fertigungsstrategien zur Fertigung neuer Bauteile wird entwickelt. Durch die Analyse manueller Fertigungsstrategien wird methodisch aufgezeigt, wie Blechbauteile systematisch in einem Bauteilkatalog abgelegt werden können. Zudem werden Methoden erarbeitet, die es ermöglichen Elemente der Bauteildatenbank in vielfältigen Geometrievariationen herzustellen.
Verfahren zum Abgleich und zur Registrierung neuer Bauteile mit dem Bauteilkatalog sowie zur sinnvollen Segmentierung der neuen Fertigungsgeometrie in automatisiert herstellbare Blechbauteile vervollständigen das Verfahrenskonzept zu einem automatisierten Prozess.
Das Forschungsziel wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Automatisiertes Kopiertreiben - Analyse und Katalogisierung von Bauteilen und Fertigungsstrategien“ wurde unter der Fördernummer AiF 16895N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 366 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Abstract
The market for sheet metal parts asks for more and more individuality and customer specific products. For companies this adds up to shortened product life cycles and an increasing demand for prototypes and small batch products. Especially in the field of small batch production, companies are struggling with high manual effort, poor reproducibility and high investment costs. The methods of incremental sheet metal forming, in particular the Kraftformer process, allow the manufacturing of individual sheet metal parts with simple and minimum-cost universal tools.
This opens up new possibilities in the field of sheet metal working. The Kraftformer process enables the production of almost any desired component shape incrementally. However, the manual guidance is the main problem of the Kraftformer process, since the quality is strongly depending on the worker’s skills and experience. Reproducible production of identical components is hardly possible and can only be accomplished with enormous effort. Without automation, an economically justifiable application of the process is suitable only for specialized purposes, due to cost and quality reasons.
Based on the Copied Driving process a further increase of the degree of automation was achieved. This reduces unit labour cost and qualifies the process for industrial production applications in small batch series. A procedure using known manufacturing strategies for the production of new components is developed. By analysis of manual manufacturing strategies it is methodically demonstrated, in which way sheet metal parts can be systematically stored in a component catalogue. In addition, techniques are developed that allow the production of elements of the component database in manifold geometric variations. Methods for comparison and registration of new components with the database as well as for sensible segmentation of new component geometries in automated fabricable sheet metal parts complete the process conception to an automated process. The project goal has been achieved.
Inhaltsverzeichnis
Abstract
1 Einleitung
2 Stand der Forschung und Technik
2.1 Aktueller Forschungsstand
2.1.1 Stand der Forschung im Bereich der inkrementellen Umformtechnik
2.1.2 Stand der Forschung in der Geometrieverarbeitung
2.2 Stand der Technik zum Kraftformer-Verfahren
3 Problemstellung und Lösungskonzept
3.1 Zielsetzung und Aufgabenstellung
3.2 Fertigungszelle
3.2.1 Kraftformer
3.2.2 Roboter
3.2.3 Trackingsystem
3.3 Vorgehensweise und Arbeitsplan
4 Definition wiederkehrender Standardelemente
4.1 Analyse von Geometriemerkmalen
4.2 Prozessmerkmale und Fertigungsstrategie
5 Aufbau der Datenbank und Katalogisierung von Fertigungsstrategien
5.1 Ermittlung von Strategien zur Bauteilvariation
5.1.1 Affine Transformationen
5.1.2 Skalierung des Standardelements
5.1.3 Scherung des Standardelements
5.2 Validierung der entwickelten Variationskonzepte
5.3 Ausweitung und Optimierung der Variationsmöglichkeiten
5.3.1 Krümmungsmodell
5.3.2 Systematisierung und analytische Fertigungsstrategie
5.4 Zuordnung von Fertigungsstrategien
6 Registrierung von Bauteilgeometrien
6.1 Iterative Closest Point Algorithmus
6.2 4 Points Congruent Set Algorithmus
6.3 Kombinatorisches Matching
6.3.1 Clique-Formulierung
6.3.2 Komplexität
7 Segmentierung neuer Bauteile
7.1 Überblick
7.2 Komplexität
7.3 Clustering-Verfahren
7.4 Gebietswachstums-Verfahren
7.4.1 Krümmungsbasiertes Gebietswachstum
7.4.2 Gebietswachstum nach Konvexität
7.4.3 Diskussion
7.5 Heuristische Segmentierung
8 Verifikation und Optimierung
8.1 Konzeptvalidierung und Abweichungsanalyse
8.2 Verbesserungspotential und Prozessgrenzen
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Bedeutung des Forschungsthemas für KMU
10.1 Nutzung der Forschungsergebnisse in KMU
10.2 Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
10.3 Aussagen zur industriellen Umsetzung der Ergebnisse
11 Abbildungsverzeichnis
12 Tabellenverzeichnis
13 Algorithmenverzeichnis
14 Literaturverzeichnis
