Fertigbarkeitsanalyse - Entwicklung einer automatisierten konstruktionsbegleitenden Fertigbarkeitsanalyse für die Fräsbearbeitung

Obwohl fertigungsgerechtes Konstruieren als eine der Grundlagen im Maschinenbaustudium gelehrt wird, sind die tatsächlichen Anforderungen diesbezüglich im realen Betrieb deutlich umfangreicher und komplexer. Hinzu kommen sich beständig weiterentwickelnde Fertigungstechnologien und -prozesse. Gerade die Aneignung und Anwendung von Prozesswissen stellt hohe Ansprüche an das Planungsvermögen eines Menschen. Das bisher lineare Planungsvorgehen wird zunehmend durch ein iteratives Vorgehen mit einer wachsenden Anzahl von alternativen Fertigungsverfahren abgelöst. Hierdurch erweitert sich das notwendige Fertigungswissen um zahlreiche Dimensionen, da nun nicht mehr nur die Anwendung von einem konkreten Verfahren im Vordergrund steht, sondern bereits die Überlegung wie dieses Teil am besten herzustellen ist, mitberücksichtigt werden muss. Hierfür ist umfangreiches Wissen von allen relevanten Fertigungsverfahren notwendig. Zudem potenziert die wachsende Anzahl von Fertigungsverfahren dieses Problem. Die bisherigen Unternehmensprozesse – insbesondere die klassische CAD-CAM-Kette – werden diesen Anforderungen nicht mehr gerecht. Großunternehmen mit globalen Wertschöpfungsketten haben diesen Entwicklungen bereits vor Jahren angefangen entgegenzuwirken. Die dafür gewählten Maßnahmen stehen kmU jedoch in aller Regel nicht zur Verfügung.

Das erkennbare Grundproblem der Großunternehmensansätze, das eine Anwendung in kmU verhindert, ist das mangelhafte Kosten-Nutzen-Verhältnis. Dieses entsteht einerseits durch die kmU-typischen Spezifika wie:

• kleinere Losgrößen,
• geringere Know-How-Ressourcen und die daraus resultierenden höheren Kosten zur Beschaffung dieser und
• geringere Personalressourcen für einzelne Projekte,

aber auch durch die Bindung von Know-How an Menschen. Während die ersten Ursachen wenig beeinflussbar sind, da sie Eigenschaften von kmU sind, lässt sich der zweite Grund durch eine Entkopplung von Wissen und Mensch abschwächen. Diese Entkopplung wird bereits seit etwa drei Jahrzehnten in Form von Expertensystemen versucht zu erreichen. Dabei konnten deutliche Fortschritte erreicht und wichtige Technologien entwickelt werden. Ein System, das die Bewertung der Fertigbarkeit eines Bauteildesigns mittels spanender Bearbeitung durch eine Person ohne fertigungstechnischen Hintergrund erlaubt, ist jedoch bis heute nicht bekannt. Als Hauptursache konnten identifiziert werden:

• technische Hürden im Bereich der Feature-Erkennung und automatisierten Werkzeug-auswahl
• sowie mangelnde Methoden zur Rücktransformation der erzeugten Informationen auf das Bauteildesign.

Beide Hindernisse sollen in diesem Vorhaben beforscht und mittels neuer Ansätze aus dem Weg geräumt werden.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines Verfahrens zur automatisierten und konstruk-tionsbegleitenden Bereitstellung von Fertigungsinformationen für den Konstrukteur, die ihn in die Lage versetzen, bereits während des Konstruktionsprozess die Aufwände einer spanenden Fertigung des von ihm konstruierten Bauteils zu reduzieren. Dem Konstrukteur kommt im Produktentstehungsprozess (PEP) eine besondere Rolle zu, da durch ihn bereits während der Konstruktion bis zu 85 % aller Folgekosten festlegt werden. Die frühzeitige Erkennung einer nicht fertigungsgerechten Konstruktion, explizit für den Anwendungsfall der fünfachsigen Fräsbearbeitung, reduziert nachhaltig und aufwandsarm die Kosten für das gesamte Produkt. In der Theorie müsste der Konstrukteur „nur ein bisschen Fertigungstechnik beherrschen“, um dies leisten zu können. In der Praxis sieht er sich jedoch mit einer stetig wachsenden Komplexität aller Arbeitsbereiche konfrontiert, die in einer zunehmenden Spezialisierung aller Fachbereiche resultiert. Diese Spezialisierung führt zu ständig wachsenden Anforderungen an das Mindestniveau, welches erbracht werden muss, um konkurrenzfähig zu sein. Der typische Konstrukteur im kmU ist jedoch oft als Generalist angestellt und kann dies nicht leisten. Somit besteht die Gefahr, dass die kmU-typischen kleineren Losgrößen zunehmend unwirtschaftlich werden. Der immanente Vorteil von kmU – ihre Flexibilität und Kosteneffektivität auch bei kleinen Stückzahlen – droht durch eine nicht fertigungsgerechte Konstruktion und den damit einhergehenden erhöhten Fertigungsosten verloren zu gehen.

Um diesen drohenden Wettbewerbsnachteil zu egalisieren, soll in diesem Vorhaben ein Verfahren entwickelt werden, das den Konstrukteur in die Lage versetzt, bereits während der Konstruktion diese fertigungsgerecht auszuführen. Hierzu werden die technologischen Grundlagen für ein softwarebasiertes Hinweissystem entwickelt, welches auf Basis einer automatisierten Arbeitsvorbereitung Informationen über die fertigungstechnischen Aus-wirkungen der Konstruktion liefert. Diese werden so aufbereitet und visualisiert, dass der Konstrukteur die Handlungsmöglichkeiten und deren Auswirkungen in Kombination mit den konstruktiven Anforderungen an das Bauteil abschätzen und eine fertigungsgerechtere Lösung finden kann.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens richten sich damit an ein breites Spektrum von Anwendern. Dieses reicht von Dienstleistern der Konstruktionsbranche ohne eigene Fertigung, über Lohnfertiger, bis hin zu Produktionsstätten mit einer durchgehenden Wertschöpfungskette (Produktentwicklung, Konstruktion, Fertigung) für Einzelteile bzw. Klein(st)se-rien. Dies entspricht dem Spektrum, wie es zumeist bei kmU vorzufinden ist.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben Fertigbarkeitsanalyse (22322 N) der Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen (FVP) e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Förderzeitraum begann im März 2022 und endete im Februar 2025.