Prozess-basierte Modellierung der Fertigungszeit und -kosten für das Thermoplast-Tapelegeverfahren
Final Report Abstract
Das Thermoplast-Tapelegeverfahren besitzt viele Potenziale zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit, obwohl es der Serienfertigung noch nicht zur Verfügung steht. Dies ist vor allem in den kürzeren Prozesszeiten im Vergleich zum duroplastischen Tapelegen durch die in-situ Konsolidierung begründet, Die verfügbaren Modelle zur Abschätzung betriebswirtschaftlicher und produktionstechnischer Werte erlauben jedoch keine Vorhersage ohne empirische Datenbasis oder Expertenwissen. Mit Hilfe der prozessbasierten Modellierung konnte der Prozess analysiert und die Zykluszeit sowie die Prozesskosten modelliert werden. Dabei wird insbesondere die Bauteilformkomplexität als stetige Funktion beschrieben. Für das Beispiel Thermoplast-Tapelegen liegt als Bauteil allen nachfolgenden Kostenberechnungen das entwickelte Schikanewerkzeug zu Grunde. Ausgangspunkt zur Berechnung der Zykluszeit ist eine konstante Tapelegegeschwindigkeit. Orientiert am heutigen Stand der Technik wird eine gewünschte Ablegerate von 6 m/min angenommen. Offensichtlich ist, dass der Prozess diese Geschwindigkeit nicht an allen Stellen der Werkzeugform bewerkstelligen kann. Deshalb werden verschiedene Konzepte zur Zykluszeitabschätzung herangezogen. Im Einzelnen werden Herstellkostenermittlungen auf Basis der Modelle "Komplexitätsziffern" (Kompl-Ziff.), dem "Prinzip des größten Hindernisses" (PGH) und der "prozessbasierten Kostenmodellierung" (PBKM) durchgeführt und miteinander verglichen. Als Ergebnis kann basierend auf der geometrischen Komplexität die Tapelegezeit abgeleitet werden. Dieses Modell wurde durch den Abgleich der theoretisch ermittelten Werte mit praktischen Versuchen verifiziert. Die getroffenen Annahmen zur Modellierung wurden auf Plausibiütät und Validität untersucht und eine technologische Weiterentwicklung des Prozesses um eine geometrieadaptive Konsolidierungsrolle vorgestellt. Die Modellierung auf Basis prozessualer Größen bietet zudem die Möglichkeit auf die Prozessstrategie gezielt Einfluss zu nehmen. Durch eine Sensitivitätsanalyse können die Parameter identifiziert werden, die einen großen Einfluss auf die Herstellkosten haben. Als Ergebnis zeigt sich, dass die Variation der Parameter Maschinenbeschleunigung a, Durchmesser der Konsolidierungsrolle dKp und die Länge des Tapelegekopfs LTLK im betrachteten Intervall einen eher geringen Einfluss auf die Herstellkosten des Beispielbauteils haben. Dagegen haben die Bändchenbreite w, die maximale Maschinengeschwindigkeit vMaxMascn und Ablegegeschwindigkeit v0 den größten Einfluss auf die Herstellkosten. Die Parameter Totzeit tdead sowie der Maschinenstillstandsanteil rdown haben einen ähnlich hohen Einfluss in umgekehrterweise. Abschließend wurden die Ergebnisse in einen Software-Prototypen übertragen. Zur Realisierung des Kostentools wurde eine geeignete Entwicklungsumgebung ausgewählt. Die dabei verfolgte Strategie orientierte sich im Wesentlichen an der Aufteilung nach Benutzeroberfläche, Verarbeitungsebene und Datenhaltung nach dem Dreischichtsystem. Die aktuelle Version des Kostentools basiert auf den bisherigen Erkenntnissen, die unter anderem bei der Umsetzung in ein Excel-basiertes Tool gewonnen wurden. Als ein weiteres Ziel wurde vorgeschlagen, dass diese Art der Modellierung an dem Beispiel Thermoplast-Tapelegen als Grundstein dienen kann, so dass andere Verfahren auf ähnliche Weise modelliert werden können. In einem ersten Ansatz wurde dafür anhand der kontinuierlichen thermoplastischen Pressprozesse gezeigt, dass die Übertragbarkeit gewährleistet ist. Die Erweiterung der technischen Modellierung der Zykluszeit auf ein abschließendes Kostenmodell wurde ebenfalls durchgeführt. Diese Art der Modellierung in Verbindung mit der Quantifizierung der Bauteilkomplexität legt einen Grundstein für zukünftige Betrachtungen neuer Verarbeitungsverfahren. Deshalb wurde ein Ansatz vorgestelit, mit dem die kontinuierlichen Pressprozesse mit der PBKM modelliert werden können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollten nun sukzessive die weiteren FKV-Verarbeitungsverfahren modelliert werden.
Publications
- 1st International Workshop of Thermoplastic Matrix Materials. Proceedings, Gallipoli, Italy, 2003 Autoren: Schlimbach, J. Mitschang, P.: Titel: Economical assessment of production processes for semi-finished products
- 7. Internationale AVK-TV Tagung, Tagungsband, Baden-Baden, 2004 Autoren: Schlimbach, J.: Titel: Prozessbasierte Kostenmodellierung - Quantifizierung und Implikationen von Bauteilkomplexität am Beispiel des Thermoplast-Tapelegens.
- Handbuch Verbundwerkstoffe Neitzel, M., Mitschang, P. (Hrsg.). München: Carl Hanser Verlag 2004, S. 155-228 Autoren: Schlimbach J., Neitzel M. Kapitel: 1.2.4 Ökonomische Bewertung der FKV-Verarbeitungstechnologien
- IVW-Koiloquium 2004, l VW Schriftenreihe Band 48, Prof. Dr.-lng. Alois K. Schlarb (Hrsg.), Kaiserslautern, 5. - 6. Oktober 2004, S. 310 - 316 Autoren: Schlimbach, J., Mitschang, P.: Titel: Prozessbasierte Kostenmodellierung für das Thermoplast-Tapelegen.
- Journal of Thermoplastic Composite Materials, 19 (2006), S. 507-529 Autoren: Schlimbach, J., Mitschang, P. Titel: Prozess-based Cycle Time Estimation for the Thermoplastic Tape Placement
- Schlimbach, J. Titel: Ökonomische Prozessanalyse und Modellintegration zur Kostenberechnung von Faser-Kunststoff-Verbunden Verlag: Kaiserslautern: IVW Schriftenreihe Band 64, Prof. Dr.-lng. Alois K. Schlarb (Hrsg.), 2006
