Fortschritt durch Forschung

Entwicklung - Wer seinen Technologievorsprung sichern will, darf bei der Produktentwicklung keine Zeit verlieren. Denn nicht nur beim Prototypen- und Musterbau vergehen schnell mehrere Monate. Neue Technologien und Verfahren eröffnen ungeahnte Möglichkeiten.

09. August 2007

Größere Automatisierungshersteller haben komplette Unternehmensbereiche, die sich ganzheitlich mit Werkstofftechnik, Prototypenbau, Produktqualifizierung, Umweltprüfungen und Produktzulassungen beschäftigen. Für diese Zwecke halten sie komplett eingerichtete Labore, Testanlagen und Maschinenparks auf dem neuesten Stand der Technik vor: Bei Festo in Esslingen zum Beispiel erzeugen die Werkstoff- und Fertigungsspezialisten mit der Technik des Advanced Prototyping Muster komplexer Bauteile aus seriennahen Werkstoffen - ohne zeit- und kostenintensive Vorserien oder Druckguss- beziehungsweise Spritzgießwerkzeuge. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mustern innerhalb einer Woche. Auf traditionellem Wege vergehen dagegen bis zu acht Monate, bis ein Gussteil zur Bemusterung verfügbar ist. Neben der enormen Zeitersparnis bietet Advanced Prototyping zugleich einen Sicherheitsgewinn, weil die Testphase früher anlaufen und Schwachstellen des Bauteils aufzeigen kann, ehe das Serienwerkzeug zur Fertigung bereitsteht.

Generative Verfahren wie die Stereolithographie, das »Fused Deposition Modeling« (FDM), das Lasersintern oder -schmelzen fertigen das Bauteil Schicht für Schicht. Beim 5-Achs-, Ultrapräzisions- oder Mikrospanen entsteht auf Bearbeitungszentren das Muster aus einem Werkstoffblock heraus. Zu den generativen Technologien gehört aber nicht mehr nur das werkzeuglose, schichtweise Fertigen von Prototypen direkt aus CAD-Daten, also das Rapid Prototyping: Inzwischen ermöglicht das Rapid Tooling die schichtweise, nicht spanende Herstellung eines Spritzgieß- oder Druckgusswerkzeugs, und das sogenannte Direct Manufacturing dient zur werkzeuglosen, schichtweisen Herstellung von (Klein-)Serien direkt aus CAD-Daten.

Dauerlauftest für Sicherheit

Bei der Entwicklung des kolbenstangenlosen Antriebs DGC bei Festo produzierte die Abteilung Prototyping mittels Laserschmelzverfahren zunächst eine Serie von Anschlägen der Linearantriebe DGC-18/25 und benötigte für Programmierung und Bau je Stück 3,5 bis 4,5 Stunden. Aufgabe des mechanischen Anschlags im DGC ist es, die Bewegungsenergie des Kolbens an den Stoßdämpfer abzugeben. Im Dauerlauf führten die Prototypen 30 Millionen dynamische Lastwechsel aus, entsprechend einer Laufstrecke von rund 18.000 Kilometern. Zur Veranschaulichung: Auf einer Nonstop-Strecke von Europa nach Neuseeland erhielten die Teile eineinhalb Jahre lang alle 1,25 Sekunden einen Schlag mit mindestens 400 Newton.

Schwachstellen aufdecken

Keines der im Rapid Prototyping erzeugten Bauteile versagte im Dauerlauf. Doch nicht nur Forschung und Entwicklung profitieren von Advanced Prototyping durch die Bereitstellung von Anschauungs- und Funktionsprototypen sowie durch die Erprobung neuer Fertigungsverfahren im Labor:

In der Produktion unterstützt Advanced Prototyping die Arbeitsvorbereitung durch fix erstellte Muster zur Visualisierung von Lösungsalternativen. Beim DGC-Projekt von Festo reduzierte das Verfahren die Time-to-Market um rund 25 Prozent. Bevor ein Produkt auf den Markt kommt, durchläuft es intensive Testprogramme unter Realbedingungen, um Zwischenfälle wie blockierende Kolben, Materialbrüche oder lahmgelegte Maschinen auszuschließen. Kommt es in dieser Testphase zu Ausfällen, ist bei Festo die Organisationseinheit »Materials and Analysis«, kurz Analytik, gefragt. Die 20 Spezialisten der Fachrichtungen Kunststofftechnik, Metallkunde, Physik, Chemie, Materialographie, Verfahrenstechnik, Fertigungstechnik und Ingenieurwesen arbeiten dort mit modernsten Methoden an der Aufklärung der Ursache von Defekten. Sie unterstützen die Entwicklung von neuen Produkten ebenso wie die Nutzung innovativer Fertigungsverfahren.

Vorteile für alle

Eine Aufgabe der Analytik ist auch die Qualitätsprüfung von Material- und Teilelieferungen, denn viele Materialmängel lassen sich nur unter dem Mikroskop oder mit speziellen Tests feststellen. Treten zum Beispiel an einem Lagerdeckel aus Aluminiumdruckguss Kugelschlacken stark gehäuft auf, ist das ein Zeichen für eine fehlerhafte Prozessführung beim Druckgießen. Das Bauteil besitzt dann eine reduzierte Festigkeit und ist für die weitere Verarbeitung unbrauchbar. Die Analytik unterstützt damit auch den Einkauf und leistet einen Beitrag für die Lieferantenbewertung. Auch neue Fertigungsverfahren werden vor ihrer Einführung und Nutzung umfassend getestet. Die Erfahrungen aus den zahlreichen Analysen dienen der Produktverbesserung und fließen gleichzeitig wieder in den Produktentwicklungsprozess ein. So erreicht ein bauraumoptimierter Schlittenantrieb seine Präzision und Zuverlässigkeit.

Klaus Müller-Lohmeier, Festo/bt

Fakten:

- Infrarotspektrometer: Identifikation eines Stoffes oder seiner Bestandteile

- Lichtmikroskop: Untersuchung von Oberflächen und Werkstoffgefügen

- Rasterelektronenmikroskop: Analyse der Oberflächenstruktur an Bruchstellen

- Rauheitsmessgerät und Laserscanmikroskop: Analyse von Oberflächen

- Zugprüfmaschine: Zerreißprüfung

Erschienen in Ausgabe: 05/2007