Interview zum FQS-Forschungsprojekt IDaP+: Prozessketten für die Herstellung und Bearbeitung von Gussbauteilen in der Automobilindustrie effizient gestalten und steuern

Die Herstellung von Leichtmetallgussprodukten, gefolgt von Wärmebehandlung und Bearbeitung, ist besonders für die Produktion von elektrischen Antrieben in der Automobilindustrie sowie in anderen Branchen von Bedeutung. Verschiedene Zulieferer, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU), sind an diesen Prozessketten beteiligt. Dazu gehören die Herstellung von Gussformen, das Durchführen von Gießprozessen, die Wärmebehandlung der Rohteile, die Durchführung von Bearbeitungsprozessen als Auftragsfertiger sowie die Bereitstellung von Werkzeugen, Maschinen, Ausrüstung, Software und Dienstleistungen. Aktuell erzeugen all diese Prozesskettenteilnehmer Informationen, die für die Gesamtprozesskette relevant sein können, um einzelne Prozessschritte gezielter einzustellen.

Das über die FQS – Forschungsgemeinschaft Qualität und ASMET – Austrian Society for Metallurgy and Metals geförderte Forschungsprojekt „Integrated Data-based Process Chain Optimisation in Casting and Machining Production (IDaP+)“ untersucht das Potenzial einer durchgängigen Prozesskette und digitalen Vernetzung der betrachteten Bereiche. Durchführende Forschungseinrichtungen sind das utg der TU München (Gießen), das WWWT der TU Wien (Wärmebehandlung und Oberflächentechnik), das ISF der TU Dortmund (Tiefbohren und Gewinden), das IFT der TU Wien (Statorbohren mit sensorischer Spanntechnik) und das IfW der Universität Stuttgart (Statorbohren mit sensorischem Werkzeug). Rund 40 Unternehmen aus Deutschland und Österreich begleiten die Forschungsarbeiten als Industriepartner im Projektbegleitenden Ausschuss.

Im Interview gibt Tim Reeber, Mitarbeiter der Gruppe Prozessüberwachung und -regelung am IfW der Universität Stuttgart, einen Ausblick auf die Projektdurchführung und erklärt, was das Projekt so einzigartig macht.

Aus welcher Problemstellung heraus ist das Forschungsprojekt entstanden?

Tim Reeber: Die Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte bei der Herstellung von E-Mobility – Bauteilen ist derzeit praktisch nicht vorhanden. Dadurch gehen Potenziale in einer aufeinander abgestimmten Prozesskette verloren. Ein Beispiel: Stellen Sie sich vor, ein besonders dünnwandiges Bauteil wird gegossen, dann wärmebehandelt und spanend bearbeitet. Aufgrund des Gießprozesses und der Wärmebehandlung werden im Bauteil mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel Eigenspannungen eingebracht. Diese können bei der Zerspanung freigesetzt werden, was sich in Verzug nach dem Ausspannen äußert. Sie können demnach die gesetzten Toleranzen nicht mehr erreichen und ein großer Teil der Wertschöpfung geht hiermit verloren.

Welches Know-how soll im Rahmen des Forschungsprojekts IDaP+ entstehen und wie kann es zur Lösung der geschilderten Problemstellung beitragen?

Tim Reeber: Im Projekt haben wir Experten aus allen Teilschritten sowie die Unterstützung eines breiten Projektausschusses aus der Industrie. Das Ziel ist, die Abhängigkeiten der sequenziellen Arbeitsschritte untereinander und Abstimmungspotenziale zu identifizieren. Dazu werden wir beispielsweise die noch getrennten Simulationsumgebungen aufeinander abstimmen, um aus den simulierten mechanischen Eigenschaften aus dem Guss- und der Wärmebehandlung eine Simulation des Zerspanungsprozesses durchzuführen. Damit sollen schon vor dem ersten Guss eines Bauteils Empfehlungen abgeleitet werden. Auch die im Prozess messbaren Prozessgrößen sowie deren digitalen Austauschmöglichkeiten werden betrachtet. Wenn wir diese Abhängigkeiten verstehen, können Empfehlungen an die Prozessführung bei Guss und Wärmebehandlung abgegeben werden. Aber auch die einzelnen Prozessschritte werden anhand unseres anspruchsvollen Analogiebauteils – ein Statorgehäuse für elektrische KfZ-Motoren – optimiert.

Abb. 1: Zielstellung Forschungsprojekt IDaP+ (Quelle: IfW der Universität Stuttgart)

Abb. 2: Analogiebauteil Forschungsprojekt IDaP+ (Quelle: utg der TU München)

Wer soll von den Ergebnissen profitieren und welcher konkrete Nutzen ergibt sich für Unternehmen?

Tim Reeber: Die Abstimmung dieser Prozesse ist bisher nicht erfolgt. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Wertschöpfungskette nehmen deutlich Fahrt auf, insbesondere hinsichtlich der benötigten Prozesse und veränderten Anforderungen an Komponenten. Die kombinierte Betrachtung der Prozesse sowie ein geordneter Austausch von Daten bietet dabei Optimierungspotenziale, um die Produktivität weiter zu erhöhen und gezielte mechanische Eigenschaften zu erzeugen sowie um Hochlaufzeiten zu vermindern und Ausschuss zu vermeiden. Wir werden im Projekt die verschiedenen Akteure in den einzelnen Prozessen für die Möglichkeiten eines Austausches von relevanten Daten sensibilisieren und so neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungsmöglichkeiten erschließen.

Profiteure sind demnach Firmen aus dem Bereich der Gieß-, Wärme- und Zerspanprozesse sowie Endanwender wie der Mobilitätssektor oder alle anderen Industriebereiche, in denen dünnwandige Gusskomponenten eingesetzt werden.

Wie sieht das weitere Vorgehen im Forschungsprojekt aus?

Tim Reeber: Wir finalisieren gerade die Analogiebauteilgeometrie und haben erste Simulationen zur Gießbarkeit und Porenfreiheit durchgeführt. Parallel bereiten wir die Simulationen und Experimente in der Wärmebehandlung und in der Zerspanung vor. Wir entwickeln sensorische Werkzeug- und Spannvorrichtungen sowie experimentelle Aufbauten zur Untersuchung des thermomechanischen Zustands während der spanenden Bearbeitung. Basierend auf einer ersten Gusscharge fangen wir an, unsere Simulationsmodelle zu kalibrieren und erste prozessübergreifende Regelungsmethodiken zu entwickeln.

Über den Interviewpartner:
Tim Reeber, Mitarbeiter der Gruppe Prozessüberwachung und -regelung am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart
E-Mail: tim.reeber@ifw.uni-stuttgart.de