Entwicklung robuster Produkte durch Integration von Ergebnissen entwicklungsbegleitender Produktionssimulationen in Toleranzanalysen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Da die Produktion von Bauteilen aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen stets durch Abweichungen von der Nenngestalt begleitet ist, werden seitens der Entwicklung die zulässigen Abweichungen durch Toleranzen eingeschränkt. Ziel des Toleranzmanagements und insbesondere der virtuellen, entwicklungsbegleitenden Funktionsabsicherung ist es, die Wirtschaftlichkeit und Prognosefähigkeit der Toleranzvorgaben sicherzustellen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde durch einen integrativen Simulationsansatz eine Kopplung von Methoden des Robust Design und der Toleranzrechnung vorgeschlagen, um frühzeitig ein robustes Toleranzkonzept herbeiführen zu können; stochastische Betrachtungen von Teilefertigungsprozessen, Montageprozessen bis hin zu Aussagen über das statistische Verhalten einer Baugruppe unter Betriebslasten erlauben es, rechnerunterstützt die Maßhaltigkeit und Funktionserfüllung auf Bauteil- und Baugruppenebene zu ermitteln. Damit kann die Robustheit dereinzelnen Schritte in der Prozesskette und schließlich der Produktfunktion im Entwicklungsprozess frühzeitig bestimmt werden. Als wesentliches Ergebnis des Forschungsvorhabens ist zu nennen, dass eine übergreifende Simulationsmethodik vorliegt, die eine Berücksichtigung der Maßhaltigkeitseinflüsse aus Fertigung/Montage und Betrieb erlaubt. Die Simulationskette wird an einem durchgängigen Beispiel exemplarisch durchlaufen und der Informationszugewinn in der virtuellen Produktentwicklung aufgezeigt. Entscheidenden Beitrag leistet dabei eine neuartige prototypische Implementierung einer gekoppelten samplingbasierten stochastischen Finite-Elemente-Simulation. Die erzielten Fortschritte liegen in der Berücksichtigung des stochastischen Verhaltens des Fertigungsprozesses und der Verknüpfung mit der featurebasierten Toleranzsimulation: Durch zwei neue Ansätze ist es möglich die spanende und umformende Bearbeitung virtuell abzubilden. Diese Modelle erlauben weiterhin eine Beitragsleisterrechnung für die betrachteten Prozesse durchzuführen, um die Einflussgrößen quantitativ nachzuweisen. Gegenüber dem Stand der Technik kann festgehalten werden, dass nun eine feature basierte (nicht messpunktbasierte!) Toleranzsimulation auf Basis von Abweichungswerten und nicht von Toleranzwerten durchgeführt werden kann, d.h. die Simulation wird nicht basierend auf Sollvorgaben sondern auf Ist-Daten aus virtuellen Simulationen der vorhergehenden Prozessschritte durchgeführt. In künftigen Arbeiten sind beispielsweise die bedeutendsten Beitragsleister seitens der Bauteil- und Baugruppenabweichungen für mehrstufige Prozesse zu bestimmen und virtuell zu erfassen, damit möglichst frühzeitig im Entwicklungsprozess Abweichungsinformationen vorliegen. Weiterhin ist nachzuweisen, ob die Methodik a) sich im experimentellen Abgleich als genau genug erweist und b) in der vorgeschlagenen Form z.B. auf den Spritzgussprozess übertragen werden kann. Anwendung kann die vorliegende Methodik im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung finden. Da der Aufwand für die Untersuchungen nicht unerheblich ist, wird sich der Anwendungsbereich nicht primär auf den Standardprozess erstrecken. Für z.B. Neuentwicklungen oder Einführung neuer Werkstoffe, die oftmals technologische Fragestellungen aufwirft, eignet sich der eingeführte integrative Simulationsansatz hervorragend - und zwar übergreifend von Konzeptphase bis Serieneinführungsphase.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bewertung des Einflusses von Randbedingungen für eine Toleranzsimulation nachgiebiger Baugruppen im Karosserierohbau. 19. Symposium „Design for X" Neukirchen, 09. und 10. Oktober 2008
Voss R.
- Concept for the Integration of Manufacturing Simulations into Tolerance Analysis. 11th CIRP International Conference on Computer Aided Tolerancing, Annecy, 2009. S. 1 - 7
Stockinger, A.; Meerkamm, H.
- Anwendung von Samplingmethoden für die statistische Toleranzanalyse. Weimarer Stochastik- und Optimierungstage 2010, S. 1-17
Stockinger, A.; Wartzack, S.
- Virtual Assembly Analysis: Standard Tolerance Analysis Compared to Manufacturing Simulation and Relative Positioning. In: Marjanovic D., Storga M., Pavkovic N., Bojcefic N. (Hrsg.): Proceedings of the 11th International Design Conference DESIGN 2010, Dubrovnik: 2010, S. 1421 -1430
Stockinger, A.; Wittmann, S.; Martinek, M.; Meerkamm, H.; Wartzack, S.
