Unternehmen • Produkte • Lösungen • Support • Kontakt
Unternehmen • Produkte • Lösungen • Support • Kontakt
© 2005 WeSt GmbH.
Datum: 12.04.2002
"Karosseriebleche sind für uns wie Papier", sagt Stanislaw Barczycki, Geschäftsführer der Barczycki & Bernardi GmbH. Der saarländische Werkzeug- und Maschinenbauer stellt komplexe Tiefzieh- und Folgeverbund-Werkzeuge für die Umformung von hitzebeständigen Edelstahlblechen her, wie sie beispielsweise für Krümmer oder Schalldämpfer in Auspuffanlagen verwendet werden. Konstruiert werden die Werkzeuge mit dem assoziativen 3D-CAD-System TopSolid von MISSLER, das den Entwicklungsprozess in dem kleinen Betrieb spürbar vereinfacht und beschleunigt hat.
Die Herstellung von Tiefziehwerkzeugen für die Blechumformung ist eine Wissenschaft für sich. Know-how und Erfahrung der Werkzeugmacher lässt sich auch durch noch so leistungsfähige Computersysteme nicht ersetzen, so sehr sie ihnen die Arbeit erleichtern mögen. Ob ein Werkzeug wie vorgesehen funktioniert oder nicht, hängt manchmal von Kleinigkeiten ab, wie Barzczycki anhand einer Anekdote deutlich macht. "Wir hatten einmal Probleme mit einem Werkzeug, das beim Kunden nicht einwandfrei funktionierte. Schließlich stellte sich heraus, dass es daran lag, dass unsere Ziehemulsion ein paar Tage alt war, so dass sich die Schmiereigenschaften des Wasser-Ölgemischs verändert hatten."
Dass solche scheinbaren Nebensächlichkeiten eine Rolle spielen, hängt natürlich auch damit zusammen, dass Barczycki & Bernardi bei der Umformung hart an die Grenze dessen geht, was die Festigkeit und Dehnfähigkeit des Materials hergibt. Die in Homburg/Saar beheimatete Firma hat sich auf die Entwicklung von Werkzeugen für die Serienfertigung von schwierig geformten und schwer zu formenden Innenkarosserieblechen und Blechteilen für Auspuffanlagen spezialisiert. Oft finden die saarländischen Werkzeugbauer auch dann noch eine Lösung, wenn ein Blechteil nach den strengen mathematischen Regeln der Finite-Elemente-Simulation eigentlich schon nicht mehr formbar ist.
Neben Folgeverbundwerkzeugen entwickelt und fertigt die Firma bis zu sieben Tonnen schwere Stufenwerkzeuge, mit denen der komplette Umformprozess eines Blechteils auf einer Transferpresse durchgeführt werden kann. Zu den Anwendern dieser Werkzeuge zählen die großen Automobilkonzerne und ihre Zulieferer der ersten Reihe, das heißt Systemlieferanten wie ThyssenKrupp Automotive oder die Hersteller von Auspuffanlagen Boysen und Eberspächer. "Als der A8 umgebaut wurde, um die hinteren Sitzplätze mit Airbags auszurüsten, haben wir unter strenger Aufsicht von Audi die komplette Werkzeugserie für die neuen Aluminiumteile der Innenkarosserie gebaut", erzählt Stanislaw Barczycki.
Die Anfänge der Firma waren bescheiden: Barczycki machte sich 1990 selbständig, was nicht ohne Risiko war, denn die maschinelle Grundausstattung eines Werkzeugbauers kostete schon damals mehrere Millionen Mark und Barczyckis Startkapital bestand im wesentlichen aus seiner Erfahrung als Konstruktionsleiter. In den Anfangsjahren hielt sich der Betrieb vor allem mit der Reparatur und Verbesserung von Fremdwerkzeugen über Wasser, die meist aus dem Ausland stammten. Um Kosten zu sparen, ließen auch die deutschen Automobilhersteller Anfang der 90er Jahre viele Werkzeuge in Spanien, Portugal, Italien oder in Osteuropa herstellen. Eine Milchmädchenrechnung, die für viele deutsche Werkzeugbauer das Aus bedeutete und laut Barczycki auch die Hersteller teuer zu stehen kam.
Die Werkzeuge mussten oft nachträglich verbessert werden, weil die Qualität der Teile zu wünschen übrig ließ. Das kostete die Automobilhersteller am Ende mehr, als wenn sie die Werkzeuge gleich in Deutschland hätten herstellen lassen. Oder sie waren reparaturanfälliger und verursachten dadurch hohe Wartungskosten. Wenn ein Werkzeug kaputt geht, scheuen die Hersteller nämlich keine Kosten und Mühen, um es so schnell wie möglich zu reparieren, weil sonst die Produktion still steht. Aber das ist halt eine andere Kostenstelle."
Seit Mitte der 90er Jahre achten die Automobilhersteller wieder stärker auf die Werkzeugqualität, und seitdem geht es auch bei Barczycki & Bernardi geschäftlich aufwärts. Der 25-Mann-Betrieb erwirtschaftet inzwischen einen Jahresumsatz von über fünf Millionen Mark und ist sehr gut ausgelastet. Das sei auch notwendig, um angesichts des Kostendrucks rentabel zu wirtschaften, sagt Barczycki, der gerne mehr freie Kapazitäten hätte. Der Zeitdruck wird nämlich immer größer: Während man vor zehn Jahren noch zwölf Monate Zeit für die Entwicklung und Fertigung eines Werkzeugsatzes hatte, sind es heute oft nur drei oder vier Monate.
Gleichzeitig nimmt die Komplexität der umzuformenden Blechteile zu, wie Konstrukteur Wolfgang Doerr erklärt. Nehmen sie zum Beispiel die Auspuffanlage: Die Autos haben immer stärkere Motoren, die Richtlinien hinsichtlich Abgasreinigung und Schalldämpfung werden immer strenger und unter dem Fahrzeug gibt es immer weniger Platz. Dadurch kommen immer kurioser geformte Blechteile zustande. Die Kunden wollen diese Teile aber mit möglichst wenig Operationen umformen, denn jede Operation erhöht die Personalkosten und die Kosten für Herstellung und Wartung der Werkzeuge."
Um schnell und flexibel auf die Kundenanforderungen reagieren zu können, war der Einsatz eines leistungsfähigen 3D-CAD-Systems in der eigenen Werkzeugkonstruktion unabdingbar. Barczycki & Bernardi ersetzte die traditionellen Zeichenbretter bereits in den frühen 90er Jahren durch ein flächenorientiertes CAD/CAM-System, um Formen mit Freiformflächen leichter konstruieren und fräsen zu können. Aus dieser Zeit stammen auch die Kontakte zur Firma West im benachbarten Sulzbach. Als das Systemhaus Mitte der 90er Jahre das assoziative 3D-System TopSolid von MISSLER in den Vertrieb nahm, konnte es auch seinen Homburger Kunden schnell von den Vorzügen der Volumenmodellierung überzeugen.
Die Software TopSolid Pro, die neben dem assoziativen Volumenmodellierer das 2D-Konstruktionsmodul TopDraft und in der aktuellen Version 6.4 auch das Blechabwicklungsmodul TopFold enthält, läuft in Homburg auf allen vier CAD-Arbeitsplätzen. Auf einem Rechner ist auch noch das Vorgängersystem installiert, um bei Reparaturen an älteren Werkzeugen schnell auf die archivierten Flächenmodelle zugreifen und die defekten Formen neu fräsen zu können. "Die Werkzeuge werden auch Jahrzehnte nach Auslauf des Fahrzeugmodells noch genutzt, um Ersatzteile herzustellen", erklärt Doerr.
Bei den Rechnern handelt es sich um leistungsfähige PC, die mit 1.024 MByte Hauptspeicher und SCSI-Bus ausgestattet sind, um die beträchtlichen Datenvolumina großer Werkzeugmodelle mit vertretbarem Zeitaufwand bearbeiten zu können. "Ein GByte ist für uns nämlich gar nichts", sagt Doerr. Die Rechner sind über einen NT-Server miteinander vernetzt, auf dem sämtliche Modelldaten und 2D-Zeichnungen abgelegt sind, so dass alle Anwender darauf zugreifen können. Oft arbeiten nämlich mehrere Konstrukteure gleichzeitig an einem Werkzeug, dass heißt der eine modelliert noch die Form, während der andere schon die Zeichnungen des kompletten Werkzeugs erzeugt.
Barczycki & Bernardi konstruiert normalerweise nur die Formen in 3D; der Aufbau des gesamten Werkzeugs wird dagegen in 2D gemacht, es sein denn, der Kunde legt Wert auf ein 3D-Modell. Anders sieht es bei komplexen Vorrichtungen aus, die durchgängig in 3D konstruiert werden, um kontrollieren zu können, ob es irgendwo im Raum zu Kollisionen kommt. Der Werkzeugaufbau lässt sich jedoch in 2D schneller konstruieren als in 3D, wie Doerr versichert.
"Sie müssen bedenken, dass unsere Werkzeuge Unikate sind, die in dieser Form nur einmal gebaut werden. Jeder Kunde hat seine spezifischen Anforderungen, beispielsweise was die zu verwendenden Normteile anbelangt, so dass wir den Aufbau nur schwer vereinheitlichen können. Wir müssten entweder die 3D-Bibliotheken von allen Normteil-Lieferanten einbinden, wozu ein eigener Datenbankserver erforderlich wäre, oder aber mit beträchtlichem Aufwand eine parametrische Bibliothek aufbauen."
Grundlage für die Modellierung der Formen sind die 3D-Geometrien des umzuformenden Teils, in aller Regel Catia-Modelle, die über eine Direktschnittstelle in TopSolid eingelesen werden. Das Catia-Interface sei sehr gut, unterstütze allerdings nur den Datenimport, sagt Doerr; für den Datenexport könne jedoch in der neuen Version die bidirektionale STEP-Schnittstelle genutzt werden. Darüber hinaus unterstützt TopSolid seit der Version 6.4 den Im- und Export von CAD-Daten im ACIS-Format.
Die Funktionen für die Aufbereitung der importierten Daten sind laut Doerr in der aktuellen TopSolid-Version noch leistungsfähiger geworden. Die Software analysiert die Geometrien und wandelt beispielsweise einen aus B-Splines aufgebauten Zylinder automatisch in einen runden Körper um, der wesentlich weniger Speicherplatz in Anspruch nimmt. Unerwünschte Schwingungen in den Flächen werden beim Import automatisch geglättet, was ebenfalls das Datenvolumen reduziert.
Vor allem aber bietet das System die Möglichkeit, Verrundungen oder Fasen auch an den importierten Modellen rückgängig zu machen und die Flächen wieder zu einer scharfen Kante zu trimmen. "Diese Funktion ist wirklich toll, weil sie die weitere Bearbeitung der importierten Geometrien enorm erleichtert", sagt Doerr. "Ich kann beispielsweise eine Verrundung entfernen, um schnell eine Ausformschräge einzubringen, und die modifizierte Geometrie dann wieder mit demselben Radius verrunden."
Die Werkzeugkonstrukteure erhalten die Teilegeometrien normalerweise in der Lage, in der sie im Fahrzeug eingebaut sind, und müssen sie erst einmal so positionieren, dass im Werkzeug keine Hinterschnitte zustande kommen. Um die weitere Bearbeitung der Form zu vereinfachen, werden die Grunddaten in einen Volumenkörper umgewandelt. "Wir arbeiten viel mit Verrundungen, die sich bei einem Volumenmodell per Mausklick machen lassen. Bei einem Flächenmodell müssen Sie die einzelnen Flächen begrenzen und verschneiden, was viel aufwendiger ist", erläutert Doerr.
Wenn die Grundgeometrie steht, setzen sich die Konstrukteure mit den Werkzeugmachern zusammen und legen die Arbeitsfolge des Tiefziehvorgangs fest. Die Zahl der Umformschritte bzw. Züge hängt von der Form des Teils ab. Weist es steile Kanten oder scharfe Ecken auf, lässt es sich nicht in einem Zug ziehen, weil sonst das Blech reißen würde. Um für Ecken und Kanten mehr Material zur Verfügung zu haben, muss die Ursprungsform für den ersten Zug gegebenenfalls etwas angehoben werden. Doerr nutzt für Bombierungen entweder die Patchwork-Funktion, mit der er eine Fläche über mehrere Hilfskurven legen kann, oder er setzt einen kleinen Volumenkörper auf die Teilegeometrie und verrundet ihn einfach mit dem Rest der Form. Die Verrundungsfunktionen sind in der aktuellen TopSolid-Version noch vielseitiger und komfortabler geworden.
Ob ihre Strategie stimmt, wissen die Werkzeugbauer immer erst, wenn sie die ersten Formen gefräst und auf der Presse ausprobiert haben, denn der Tiefziehvorgang lässt sich nur mit sehr teuren und rechenintensiven Finite-Elemente-Programmen halbwegs zuverlässig simulieren. Diese Programme kann sich ein Automobilhersteller leisten, aber kein kleiner Werkzeugbauer. Die ersten Formen werden deshalb in einfachen Stahl gefräst. Sie dienen oft auch dazu, um für den Hersteller 50 oder 100 Prototypenteile zu fertigen, die dann auf dem Prüfstand ausgiebigen Belastungstests unterzogen werden.
Je nachdem, wie diese Tests ausfallen, muss der Hersteller an dem Teil noch konstruktive Veränderungen vornehmen. Das bedeutet, dass auch der Werkzeugbauer seine Formen entsprechend anpassen muss. "Wir müssen das Werkzeug halt so aufbauen, dass wir uns eine gewisse Flexibilität erhalten", sagt Doerr. "Wenn sich die Dimensionen des Teils ändern, wird es natürlich eng, weil wir oft mehrere Stationen in einem Werkzeug haben, die alle entsprechend geändert werden müssen."
Die parametrisch-assoziative Konstruktionsweise mit TopSolid spart bei Änderungen sehr viel Zeit. Wenn der Konstrukteur im assoziativen Modus arbeitet, wird die Abfolge der einzelnen Konstruktionsschritte aufgezeichnet und in einer Baustruktur grafisch dargestellt. Um den Radius einer Verrundung oder den Winkel einer Formschräge zu verändern, braucht er nur an den entsprechenden Punkt in der Baumstruktur zu springen und den ursprünglich definierten Parameterwert zu verändern.
Allerdings muss der Anwender beim Aufbau des Modells sehr genau darauf achten, in welcher Reihenfolge er welche Operationen durchführt. "Die Parametrik hat ihre Tücken, weil sich über die assoziativen Verknüpfungen unter Umständen das komplette Teil ändert, wenn ich nur einen Parameter modifiziere", erklärt Doerr. Die Verknüpfungen sind jedoch keine starren Ketten. Eine der wesentlichen Neuerungen in der aktuellen TopSolid-Version ist die Möglichkeit, die Baumstruktur nachträglich zu verändern, das heißt zum Beispiel eine Verrundung per Drag & Drop an eine andere Stelle im Konstruktionsbaum zu ziehen.
Abgesehen davon hat der Anwender immer die Möglichkeit, den Konstruktionsbaum zu "fällen", indem er in den nicht-assoziativen Modus umschaltet. Er kann einen bestimmten Versionsstand als nicht-assoziatives Modell ablegen und auf dem "dummen" Geometriemodell mit den assoziativen Konstruktionsfunktionen weiterarbeiten. Das Löschen der parametrischen Informationen hat außerdem den Vorteil, dass das Datenvolumen der Modelle dramatisch zusammenschrumpft. Da das System Konstruktionselemente wie Verrundungen oder Fasen auch an nicht-parametrischen Modellen erkennt, bietet die Kombination von assoziativer und nicht-assoziativer Konstruktionsweise den Anwendern ein Höchstmaß an Flexibilität.
Die Arbeit mit Volumenkörpern hat die Erstellung der verschiedenen Formen für den Tiefziehvorgang dramatisch beschleunigt. "Wenn ich für eine bestimmte Ziehstufe nur einen Teil der Grundform benötige, kann ich den einfach mit ein paar Mausklicks ausschneiden und fräsen lassen. Das ließe sich mit einem Flächenmodell so nicht machen, weil es den Zusammenhang des Teils nicht erkennt. Mit einem volumenorientierten System stimmen CAD-Modell und Bauteil in der Form hundertprozentig überein", sagt Doerr.
Dadurch dass immer nur für den jeweils benötigten Teilbereich der Form ein Fräsprogramm erstellt werden muss, haben sich auch die Maschinenlaufzeiten in der Werkstatt deutlich reduziert. Die Zeiteinsparung exakt zu quantifizieren ist schwierig, da sie von der Komplexität des Teils bzw. der Form abhängt. Je komplizierter die Teile sind, desto größer ist die Zeiteinsparung", sagt Stanislaw Barczycki. "Das kann bei manchen Teilen bis zu 90 Prozent ausmachen."
Die Arbeit mit Volumenmodellen, die ohne die parametrischen Informationen ein wesentlich geringeres Datenvolumen als vergleichbare Flächenmodelle haben, erleichtert außerdem den Datenaustausch mit den Kunden. Es mache schon einen Unterschied, ob ich zwei oder 200 MByte über die ISDN-Leitung schicke, sagt Doerr. "Normalerweise archivieren wir für unsere Kunden die CAD-Daten der Werkzeuge. Wenn es zu einem Crash kommt, braucht der Kunde schnell die 3D-Daten, um das kaputte Formteil fräsen zu können. Heute bekommt er von uns das Teil als STEP-Modell so wie es in der Form aussieht."