Prozessplanung und Fertigungsstrategien zur Herstellung von Bauteilen mittels inkrementeller Fertigung
Die steigende Produktvarianz in nahezu allen Industriezweigen, getrieben durch eine zunehmende Individualisierung auf Basis von Kundenwünschen, führt zu einer Verringerung von Losgrößen hin zu kleinen und mittleren Stückzahlszenarien. Die Verringerung der Losgrößen hat zur Folge, dass vor allem formgebundene Produktionsverfahren, die bislang für hohe Stückzahlen eingesetzt werden, ihre Wirtschaftlichkeit aufgrund hoher variantenspezifischer Investitionskosten verlieren. Diese Entwicklung zwingt Unternehmen dazu ihre Fertigungsstrategien zu überdenken. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Fertigungsprinzip der inkrementellen Fertigung erforscht, das die notwendige Skalierbarkeit mit sich bringt, um auf Veränderungen von Losgrößen und hoher Individualisierung zu reagieren. Die inkrementelle Fertigung beruht auf einer roboterbasierten schrittweisen additiven Finalisierung von vorgefertigten Grundkörpern und abschließender subtraktiver Nachbearbeitung in Kombination mit integrierten Montage- und Messschritten. Für die Erforschung dieses Fertigungsprinzips wird systematisch eine roboterbasierte Fertigungszelle, als „Incremental Manufacturing Lab“ bezeichnet, im Technikumsmaßstab konzipiert, aufgebaut und erprobt. Das Fertigungsprinzip bietet die Möglichkeit, unterschiedlichste Fertigungsverfahren und Materialien zu kombinieren und vergrößert auf diese Weise den Freiraum in der Bauteilauslegung enorm, sodass sinnvolle Einschränkungen durch Prozesswissen vorgenommen werden müssen, um eine wirtschaftliche Produktentwicklung zu gewährleisten. Prozesswissen ist im Kontext der inkrementellen Fertigung von besonderer Bedeutung, da zwar theoretisch in der Bauteilauslegung beliebige Fertigungsverfahren und Materialien miteinander kombiniert werden können, die jedoch fertigungstechnisch schwer zu verarbeiten sind. In dieser Arbeit wird eine Prozessplanungsmethode für die inkrementelle Fertigung erarbeitet, die es erlaubt, das notwendige Prozesswissen für die inkrementelle Fertigung bereitzustellen und daraus abgeleitet eine Bewertung der Vorteilhaftigkeit von verschiedenen Bauteilvarianten und Prozessreihenfolgen durchzuführen. Die Prozessplanungsmethode nutzt experimentelle Untersuchungen, um Kombinationsmöglichkeiten unterschiedlicher Fertigungs- und Fügeverfahren aufzuzeigen. Aus dem Aufbau der Prozessplanungsmethode wird in dieser Arbeit die Struktur eines Planungstools abgeleitet. Nicht alle Abhängigkeiten zwischen Prozessen können im Rahmen der Prozessplanung berücksichtigt werden, da dies einerseits mit einem sehr hohen Planungsaufwand verbunden ist und andererseits nicht alle Zusammenhänge bekannt oder in Form eines Modells abbildbar sind. Die inkrementelle Fertigung bietet aufgrund der engen Verkettung unterschiedlichster Fertigungsverfahren innerhalb einer Anlage und dem schrittweisen Bauteilaufbau die Möglichkeit, auf Abweichungen korrigierend zu reagieren. Die Korrektur während der Fertigung ergänzt die vorgelagerte Prozessplanung. In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozessbeschreibungsmethode auf Basis von Automation Modelling Language dargelegt, die eine solche flexible Korrektur von Bauteilabweichungen während der Fertigung erlaubt. Abschließend wird das Prinzip der inkrementellen Fertigung exemplarisch unter Beachtung der Erkenntnisse der Prozessplanungsmethode anhand eines abstrahierten Fahrradpedals auf dem Incremental Manufacturing Lab demonstriert. Hieraus leiten sich Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung der inkrementellen Fertigung ab.
The increasing product variety in nearly all industries, driven by increasing individualization based on customer requirements, leads to a reduction of batch sizes towards small and medium quantities. The reduction in batch sizes means that mold-based manufacturing processes, which are used nowadays for large quantities, are no longer economically viable due to high variant-specific investment costs. This trend force companies to rethink manufacturing strategies. Within the scope of this work, the manufacturing principle of incremental manufacturing is investigated, which provides the necessary scalability to respond to changes in batch sizes and high individualization. Incremental manufacturing is based on a robot-based stepwise additive finalization of prefabricated base parts and subsequent subtractive post-processing in combination with integrated assembly and measurement steps. To investigate this manufacturing principal, a robot-based manufacturing facility called “Incremental Manufacturing Lab” is being systematically designed, built and tested on a laboratory scale. The manufacturing principle offers for a part the possibility to combine diverse manufacturing processes and materials and in this way the freedom in the part design increases, so that restrictions must be made through process knowledge in order to ensure an economical product development. Process knowledge is of particular importance in the context of incremental manufacturing, because theoretically any manufacturing processes and materials can be combined in the part design, but they are difficult to process in terms of manufacturing. In this thesis a process planning method for incremental manufacturing is worked out, which allows to provide the necessary process knowledge for incremental manufacturing and derived from this an evaluation of advantages of different part variants and process sequence can be performed. The process planning method uses experimental investigations to identify potential combinations of different manufacturing and joining processes. Based on the development of the process planning method in this thesis the structure of a planning tool is derived. Not all dependencies between processes can be taken into account in the process planning phase, because on the one hand this is associated with a high planning effort and on the other hand not all correlations are known or can be represented to be used in the planning phase. Incremental manufacturing offers the possibility to react to occurring deviations in a corrective way due to the close linkage of different manufacturing processes within a robot cell and the step-by-step part build-up. Correction during the manufacturing complements the upstream process planning. In this thesis a process description method based on Automation Modeling Language is presented, which allows such a flexible correction of component deviations during manufacturing. Finally, the incremental manufacturing principle is demonstrated using an abstracted bicycle pedal, considering the findings of the process planning method. This provides the basis for the further development of the incremental manufacturing.