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Wandlungsfähige Karosserie-Werkzeuge unterstützten die Variantenvielfalt

29.09.2008
Das so genannte Tool-in-Tool ist die Antwort auf die immer weiter steigende Modellvielfalt und Individualisierung im Fahrzeugbau. Zusätzlich sinken durch den wandlungsfähigen Werkzeugaufbau bei variantenstarken Modellen die Investitionskosten im Werkzeugbereich signifikant.

Die Tool-in-Tool-Technik kam bei der Wilhelm Karmann GmbH in Osnabrück bereits in mehreren Projekten zum Einsatz, so bei der aktuellen LKW-Fahrerhausgeneration MAN TG-A, im Pkw-Bereich beim Vaneo von Mercedes-Benz sowie auf Nutzfahrzeugebene beim VW Crafter/Mercedes-Benz Sprinter. Der Vaneo sollte im Vergleich zur A-Klasse sein äußeres Aussehen nur dahingehend verändern, dass durch innovative Lösungen das Fahrzeug in zwei verschiedenen Varianten herstellbar ist. So ist das Fahrzeug mit oder ohne Schiebetür lieferbar. Außerdem sollten wahlweise Glasscheiben in der Schiebetür sowie im Seitenwandbereich zum Einsatz kommen.

Bei dem Werkzeugbauprojekt, Werkzeuge für das Nutzfahrzeug VW Crafter/Mercedes-Benz Sprinter, für die Fahrzeugproduktionsstandorte Ludwigsfelde und Düsseldorf sowie die Teileproduktionsstandorte Brackwede und Ludwigsfelde herzustellen, konnten durch den Einsatz von Tool-in-Tool bei großer Variantenvielfalt mehr als 70 Werkzeuge eingespart werden. Dieses Fahrzeug wird in zwei verschiedenen Höhen, vier verschiedenen Längen und mit einer Schiebetür in zwei verschiedenen Breiten angeboten. Ebenso ist der Einsatz von Glaselementen in den Heckdrehtüren, Laderaumschiebetüren und Seitenwandbereichen möglich.

Tool-in-Tool-Gedanke stützt die Variantenvielfalt

Möglich sind solch vielseitige Variantenfertigungen durch den Einsatz modularer Systeme als Innovation im Großwerkzeugbau. Durch Tool-in-Tool werden Kosten reduziert, Zeitaufwand minimiert und eine variantenreiche Teileproduktion erleichtert. Dieses wird besonders in letzter Zeit immer wichtiger, da der Kostendruck steigt, die Modellvielfalt wächst und der Produktionslebenszyklus sich verkürzt. Tool-in-Tool kann in vier Gruppen unterteilt werden:

-Ergänzung separates Werkzeug,

-Fertigstellung im Karosseriebau,

-Modularität im Werkzeug,

-wandlungsfähiges Werkzeug,

Um dem Kostendruck entgegenzuwirken und die Investitionen trotz vieler Varianten so gering wie möglich zu halten, wird der Hauptwerkzeugsatz um Einzelwerkzeuge für weitere Varianten ergänzt. Es wird beispielsweise der Werkzeugsatz eines Coupé-Kotflügels hinten durch einzelne Werkzeuge erweitert, um eine Roadstervariante herzustellen. Dabei wird das fertige Kotflügel-Teil des Coupés verwendet und so weit beschnitten und umgeformt, bis dies der neuen Variante entspricht. Die gewonnenen Synergien zeigen sich zum Beispiel bei dem Tiefziehwerkzeug, das als Bestandteil des Hauptwerkzeugsatzes für zwei Varianten eingesetzt wird.

Eine Variantenproduktion durch den Karosseriebau ist besonders bei kleinen Stückzahlen attraktiv. Mit Hilfe des Patchwork-Konzeptes werden ganze Teile oder Teilbereiche aus einem fertigen Karosserieteil abgetrennt und teilweise um neue Teile ergänzt. Eingesetzt wird dieses Verfahren beispielsweise bei einem geänderten oder vergrößerten Radlauf.

Von Vorteil ist, daß kritische Teilbereiche der Karosserie erhalten bleiben, das Neuteil klein und die Abstimmung zwischen Neu- und Altteil einfach durchzuführen ist. Nachteilig sind die lange Trennlinie und die große bearbeitbare Oberfläche, da hierbei ein extrem hoher Finishaufwand zu betreiben ist. Des Weiteren können durch die flache, wärmeempfindliche Kontur Probleme entstehen.

Modularität von Werkzeugen unterstützt die Modellvielfalt

Modulare Werkzeugkonzepte unterstützen die Modellvielfalt im Fahrzeugbau. Der Einsatz dieser Werkzeugsysteme führt zu einer effizienteren Werkzeugnutzung. Dabei werden ganze Teile eines Werkzeuges durch Module ersetzt, um eine neue Pressteilvariante zu produzieren. Es können sowohl einzelne Werkzeugsegmente gewechselt werden als auch ganze Baugruppen beziehungsweise Module.

Ein Aspekt der Modularität im Werkzeug ist der Wechsel von Baugruppenmodulen und Komponenten, damit das Werkzeug für die gewünschte Blechteil-Variante eingesetzt werden kann. Der Variantenwechsel erfolgt dabei beispielsweise durch das Einsetzen anderer Schneidplatten oder Lochstempel. Dieser Austausch findet auch bei kompletten Baugruppen statt, so dass auch größere Variantenunterschiede mit dem gleichen Grundwerkzeug verwirk-licht werden können.

Material- und Zeitersparnis durch Werkzeugmodule

Da Karosserie-Werkzeuge zum größten Teil einen ähnlichen Grundaufbau haben, kann hier ein weiterer Modularitätsaspekt von Tool-in-Tool angewendet werden. Jeweils einer bestimmten Presse zugeordnete Werkzeuggrundmodule kommen dabei zum Einsatz. Diese können mit verschiedenen austauschbaren Werkzeugmodulen bestückt werden. Der Nutzen dieses Konzeptes liegt in der Material- und Zeitersparnis. Da die Führungseinheit nur für das Werkzeuggrundmodul hergestellt werden muss, reduzieren sich der Materialaufwand und gleichzeitig auch die für den Werkzeugsatz benötigte Fertigungszeit deutlich.

Die hier vorgestellte Modularität kann in verschiedenen Varianten kombiniert werden, so dass zum Beispiel ein Werkzeuggrundmodul mit einem Werkzeugmodul bestückt werden kann, das wiederum aus Sub-Modulgruppen besteht. Die Vorzüge dieser Modularität sind vor allem die Reduzierung der Herstellkosten der Werkzeugsätze und die Minimierung der Rüstzeit und Logistikaufwendungen.

Werkzeuge lassen sich auch wandlungsfähig gestalten, ohne ganze Module dabei auszutauschen. Dadurch kann ein schneller Variantenwechsel ohne lange Rüst- beziehungsweise Werkzeugwechselzeiten erfolgen. Die im Werkzeug integrierten Module werden je nach Bedarfsfall aktiviert und in den Arbeitsbereich des Werkzeuges hineingefahren. Die steuerbaren Module können zum Beispiel Lochstempel sein, die bei bestimmten Varianten aktiviert werden und Löcher stanzen. Die Aktivierung erfolgt über pneumatische Wegeventile mit Zu- und Ablauf.

Wechselbare Elemente können hinzugesteuert werden

Diese Funktion ist nicht nur auf einzelne Bauteile beziehungsweise Komponenten begrenzt, sondern beinhaltet auch ganze Bauteilgruppen, wie etwa Registerschieber. Die wechselbaren Werkzeugelemente können hinzugesteuert oder positioniert werden und schneiden bei Bedarf beispielsweise wie beim Projekt VW Crafter/Mercedes-Benz Sprinter ein Fenster in das Karosserieteil. Dabei werden mit Hilfe von mechanischen Antrieben, beispielsweise über eine Spindel oder einen Pneumatik-Zylinder, die Module aktiviert beziehungsweise deaktiviert. Eine automatisierte Aktivierung erfolgt dann innerhalb weniger Sekunden.

Eine weitere steuerbare Einheit ist die so genannte Verstelleinheit. Das Besondere dabei ist, daß diese Einheit variabel verstellt werden kann und somit verschieden große Teile mit dem gleichen Werkzeug gefertigt werden können. Es wird für die verschiedenen Varianten jeweils nur der Arbeitsbereich entlang von Führungen verlegt, so dass ohne Werkzeugumbau beispielsweise die Blechteile mit verschiedenen Beschnitten der Verprägung gepresst werden können. Um dieses Konzept anwenden zu können, werden Karosserievarianten benötigt, die dieses Verfahren wegen einer geraden Struktur ermöglichen.

Der Wettbewerbsdruck wird durch den immer größer werdenden internationalen Wettbewerb und die zunehmende Modellvielfalt der OEMs weiter steigen. Darüber hinaus unterliegt auch der Automobilbau einem Wandlungsprozess. Es werden immer mehr Derivate und Nischenprodukte von den Kunden gefordert, die sich vor allem in der Gestaltung der Außenhaut differenzieren. Trotz dieser Vielfalt müssen die Investitionskosten besonders gering gehalten werden, da ansonsten wegen der geringen Stückzahl und der zunehmenden Aufwendungen für die Elektronik im Automobil kein wirtschaftlicher Business Case des Fahrzeugprojektes gewährleistet werden kann.

Der Preisdruck führt dazu, daß der Werkzeugbau für die kostengünstige Realisierung stückzahlangepasste und möglichst skalierbare Fertigungskonzepte benötigt − Tool-in-Tool ist die Antwort darauf.

Durch Anwendung beispielsweise des Konzeptes separates Werkzeug belaufen sich die Investitionskosten für ein Variantenteil auf 40 bis 50% im Vergleich zu bisherigen Werkzeugkosten. Noch weiter lassen sich die Kosten durch einen modularen Werkzeugaufbau senken. Dabei schwanken die Kosten für das Basisteil zwar zwischen 95 und 105%. Die Variante bedarf jedoch nur noch einer zusätzlichen Investition von zirka 25 bis 35% der ursprünglich dafür geplanten Werkzeugkosten.

Wandlungsfähige Werkzeuge sparen Investitionskosten

Auch durch wandlungsfähige Werkzeuge lassen sich die Investitionskosten minimieren, da es nur einen Werkzeugsatz gibt. Dieses Konzept fällt zwar gegenüber einem normalen Satz um etwa 20 bis 30% teurer aus, kann aber für mehrere Varianten eingesetzt werden und rechnet sich dadurch sehr schnell. Ferner hat sich gezeigt, dass auch durch die Fertigung im Karosseriebau geringe Investitionskosten erreichbar sind, da durch einfache Werkzeuge und besondere Fertigungsverfahren die Variante nur noch mit geringen Werkzeugkosten belastet wird.

Diese innovativen und intelligenten Werkzeugkonzepte sind notwendig, um einen entscheidenden Vorteil gegenüber den Wettbewerbern zu erzielen. Der Bereich Karmann Production Technology ist mit dem Werkzeugbau, den Produktionssystemen, den Presswerken, den Karosseriemodulen und der Spezialserie weltweit führend beim Einsatz solch innovativer Systeme für Großwerkzeuge im Karosseriebau.

Dr. Thomas P. Meichsner ist Executive Director Production Technology mit den Bereichen Production Tooling, Production Systems, Press Shops und Modules Speciality Cars bei der Wilhelm Karmann GmbH in 49084 Osnabrück.

Thomas P. Meichsner | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/umformtechnik/articles/146393/

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