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Ein Modell für die ganze Fertigung

05.05.2017

Zehn Prozent höhere Auslastung der Werkzeugmaschinen und eine um drei Wochen verkürzte Fertigungszeit: Diesen Erfolg kann Siemens bei der Herstellung von Bauteilen für Gasturbinenbrenner dank neuer, digitaler Prozesse in der Fertigung erzielen. In Zukunft könnten diese auch in der Antriebstechnik, bei Windkraft, additiver Fertigung oder bei Elektromotoren zum Einsatz kommen.

Ob es nun um Elektronik, Autos oder Gasturbinen geht - ihre Durchlaufzeit soll immer kürzer und die Fertigung effizienter werden, und das bei gesteigertem Qualitätsanspruch. Dazu bietet die digitale Fertigung neue Möglichkeiten: In der Massenproduktion, wie beispielsweise der Elektronikfertigung, fallen ungeheure Datenmengen an. Hier leuchtet der Nutzen der Datenanalyse zur Optimierung sofort ein. Aber auch Branchen, die kleine Stückzahlen produzieren, profitieren von der Umstellung auf eine digitale Fertigung - und zwar mittels einer kürzeren Zeit bis zum Markteintritt, bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität.

EIN Modell für alle Prozessschritte

Laut Peter Robl, Experte für die digitale Fertigung bei der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT), ist die durchgängige 3D-CAD-Modellkette dafür ein entscheidender Ansatzpunkt: "Darin werden alle relevanten Informationen zu einem Bauteil gebündelt, wie die gewünschten Maße und Toleranzen aus dem Design, das Know-how der Konstrukteure, Materialdaten oder mechanische Eigenschaften der Bauteile, die beispielsweise vom Zulieferer beigesteuert werden." Auch Prozessdaten aus der Fertigung, Oberflächengüten und eventuelle Abweichungen aus der Inspektion sowie Verschleißdaten aus dem Service können laut Robl einfließen. Anhand dieser geballten Ladung an Informationen entstehe schließlich ein digitaler Zwilling - das virtuelle Abbild eines Produkts bis in das kleinste technische Detail.

Verwaltungsmethoden - der Kitt zwischen den 3D-Modellen

Doch damit bei einem solchen virtuellen Abbild alle Möglichkeiten und somit die Vorteile der Digitalisierung ausgeschöpft werden können, müssen die Experten noch einige Entwicklungsarbeit leisten. Obwohl laut Robl alle eingesetzten Siemens-Softwarepakete von CAD über CAM bis CMM mit 3D-CAD-Modellen arbeiten, werden noch die zur Verknüpfung nötigen, standardisierten Verwaltungsmethoden benötigt. Bisher müssen 3D-Modelle in der Prozesskette zwischendurch in zweidimensionale Modelle umgewandelt oder sogar Werkzeugmaschinen manuell programmiert werden. Robl erklärt: "Nur wenn jeder am Fertigungsprozess Beteiligte - ob Mensch, Maschine oder Programm - Zugriff auf alle Daten hat und Änderungen synchron auf allen Datenpaketen stattfinden, wird ein wirklich durchgängiges 3D-Datenmodell beim virtuellen Zwilling Realität." Daher entwickelt Robl mit seinem Team eine Systematik für Modellierungs- und Verwaltungsmethoden, die sämtliche 2D- und 3D-Modelle sowie Daten der Werkzeugmaschinen oder Informationen von Zulieferern und Service-Mitarbeitern miteinander verknüpfen.

20 Prozent kürzere Durchlaufzeit

Das bedeutet ganz praktisch: Das 3D-Modell muss zwischendurch nicht mehr in ein zweidimensionales Modell umgewandelt werden und die Maschinenbediener können ihre Werkzeugmaschinen offline programmieren und die Qualität des Maschinenprogramms mittels Simulation überprüfen, also vom Büro aus, anstatt vor Ort die Maschine zu blockieren. So werden die Maschinen besser ausgelastet und es entstehen weniger Fehler. Gleichzeitig kann der Service alle Daten strukturiert abfragen, den Ursprungszustand mit dem beobachteten Verschleiß vergleichen und so die Produktlebensdauer besser abschätzen.

Und noch mehr: Bei der Fertigung des Gasturbinenbrenners verbesserten die Forscher nach eingehender Analyse und Korrelation bisher ungenutzter Daten die notwendige Überprüfung des Gasdurchflusses. So konnten sie auf einen aufwändigen Messvorgang verzichten und damit die Durchlaufzeit um 20 Prozent beschleunigen.

Brennerbauteile für Gasturbinen mit 3D-Modell gefertigt

Sebastian Neubert, Projektleiter in der Fertigungsentwicklung bei Siemens Power and Gas (PG) in Berlin, arbeitet zusammen mit Konstruktionsexperten sowie den Experten von Corporate Technology daran, eine durchgängige 3D-CAD-Modellkette für die gesamte Gasturbinenfertigung zu adaptieren und durchgängige Datenketten zu etablieren. Er erklärt die Vorteile, die ein solches Modell mit sich bringt: "Die Brennerbauteile für unsere neue Gasturbinengeneration sind die ersten Bauteile, deren Fertigung wir mit solchen durchgängigen 3D-CAD-Modellen umgesetzt haben. Diese Modelle haben die Durchlaufzeit pro Bauteil von acht auf fünf Wochen verkürzt und die Auslastung der verwendeten Werkzeugmaschinen um zehn Prozent gesteigert." Bernhard Wegner, Leiter der Berliner Konstruktionsmannschaft, sagt: "Die neuen Modellierungs- und Verwaltungsmethoden bilden eine wichtige Abkürzung zum Produkt und sparen auf dem Weg von der Entwicklung zur Fertigung bis zu drei Monate ein. Überdies bringen wir unser Know-how zu Fertigungsmethoden und -prozessen von Anfang an in die Entwicklung mit ein und können so bessere Qualität bei geringeren Kosten erzielen."

Digitale Fertigung für die gesamte Gasturbine

Im nächsten Schritt soll eine Turbinenschaufel mit diesen Methoden neu modelliert werden, sodass auch dafür die Werkzeugmaschinenprogrammierung vom 3D-CAD-Modell abgeleitet werden kann. Ziel ist es, alle relevanten Bauteile, die das Kernstück einer Gasturbine darstellen, Schritt für Schritt auf diese neue Prozesskettenstrategie umzustellen. Das Ziel der CT-Experten: Das digitale Fertigungskonzept auch auf andere Bereiche wie Antriebstechnik, Windkraft oder Elektromotoren sowie auf die additive Fertigung von Bauteilen zu übertragen.

Von Fenna Bleyl

Quelle: Siemens - Pictures of the Future-Newsletter

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