B[}JU}8DJ[TI Forschung und Praxis Band 228 Berichte aus dem Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart, Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und Institut fUr Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Universitat Stuttgart Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullinger Ulrich Abele Bewertung und Verbesserung der fertigungsgerechten Gestaltung von Blech werkstucken Mit 72 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio 1996 Dipl.-Ing. Ulrich Abele Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart 093 ISBN 978-3-540-61019-9 ISBN 978-3-642-47879-6 001 10.1007/978-3-642-47879-6 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils gOltigen Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. IC> Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1996. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrf1en. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fOr die Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat Obernehmen. Es empfiehlt sich, ge gebenenfalls tor die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gOltigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim SPIN 10534792 62/3020-6543210 Geleitwort der Herausgeber tiber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet, moglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie reno Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet. Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes, die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die ubergreifenden 6kologischen und sozialen Probleme, zu deren L6sung die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Fuh rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die uber den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen. Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, irnrner mehr den Men schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung. Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, L6sungen zu er arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - lnstitut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF), - Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) - Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) , - Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxis von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden. H.J. Warnecke H.-J. Bullinger Vorwort des Verfassers Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wis senschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut fur Produk tionstechnik und Automatisierung (IPA) , stuttgart. Mein besonderer Dank gilt dem Prasident der Fraunhofer-Gesell schaft - ehemals Institutsleiter des IPA, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Dr.-Ing.E.h. Hans-Jurgen Warnecke, fur seine groBzugige Unterstutzung und Forderung, die entscheidend zur erfolgreichen Durchfuhrung dieser Arbeit beigetragen hat. Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Siegert danke ich fUr die Ubernahme des Mitberichts. Aus dem Kreis der Mitarbeiter des Instituts, die mich mit inhalt lichen Anregungen oder durch tatkraftige Mithilfe bei der text lichen, grafischen und programmtechnischen Ausarbeitung unter stutzt haben, mochte ich insbesondere Herrn Dr.-Ing. Rolf Stein hilper, Herrn Dipl.-Ing. Ronald Drabek und Herrn Dipl.-Ing. Jurgen Mattes sehr danken. stuttgart, Dezember 1995 Ulrich Abele Inhalt Seite o Abkurzungen und Formelzeichen 12 1 Einlei tung 16 1.1 Problemstellung 16 1.2 Zielsetzung 19 2 stand der Erkenntnisse 20 2.1 Allgemeine Konstruktionskataloge und Gestaltungs- richtlinien 20 2.2 Konzeption der Informationsbereitstellung und -abstimmung zwischen Konstruktion und Produktion 23 2.3 Produktmodellierung 24 2.4 Simultaneous Engineering 25 2.5 Verfahren zur Bewertung der Fertigungs- und Montagegerechtheit 26 2.6 Folgerungen aus den Erkenntnissen 27 3 Systematik eines Verfahrens zur Bewertung und Verbesserung der Fert~gungsgerechtheit von Blechwerkstucken 30 3.1 Begriffliche Klarung 31 3.2 Anforderungen an das Verfahren 32 3.3 Aufbau und Aufgaben des Verfahrens 33 4 Strukturierung von Merkmalen von Werkstucken und Fertigungseinrichtungen fur die flexible Blechteilefertigung: Erarbeitung der Merkmalsbasis 36 4.1 Verwendung von Werkstuck- und Fertigungsdaten in der Arbeitsvorbereitung 36 4.2 Analyse von B1echwerkstucken und Fertigungs- einrichtungen 39 4.2.1 Analyse von Blechwerkstucken 41 4.2.2 Analyse von Fertigungseinrichtungen 44 4.3 Systematik zur Strukturierung der Merkmale 47 4.4 Strukturierung der Merkmale von Blechwerkstucken 50 4.4.1 Strukturierung der geometrischen Merkmale von Blechwerkstucken 51 - 10 - 4.4.2 Strukturierung der materia1bezogenen Merkma1e von B1echwerkstUcken 58 4.4.3 Strukturierung der organisatorischen Merkma1e von B1echwerkstUcken 59 4.5 Strukturierung der Merkma1e von Fertigungs- einrichtungen 61 4.5.1 Strukturierung der Merkmale von Fertigungsein richtungen fUr den Bereich der ebenen Bearbeitung 65 4.5.2 Strukturierung der Merkmale von Fertigungsein- richtungen fUr den Bereich der Biegebearbeitung 69 4.5.3 Strukturierung der Merkma1e von Fertigungsein- richtungen fUr den Bereich Materia1fluB 73 5 Entwicklung von Zuordnungsregeln zwischen Werk stuckmerkmalen und Merkmalen der Fertigungsein richtungen: Erarbeitung der Regelbasis 79 5.1 Entwick1ung von Wechselbeziehungen 79 5.1.1 Prinzipiel1e Moglichkeiten von Wechse1- beziehungen 79 5.1. 2 Erarbeitung der Wechselbeziehungen 80 5.2 Entwicklung von Gestaltungsrege1n fur die ferti- gungsgerechte Konstruktion von Blechwerkstucken 87 5.2.1 Strukturierung der Gestaltungsrege1n 88 5.2.2 Zusammenstellung der Gesta1tungsregeln 89 6 Entwicklung eines Verfahrens zur Bewertung der Fertigungsgerechtheit von Blechwerkstucken 94 6.1 Beschreibung der Bewertungsmethode 94 6.1.1 Anforderungen an die Bewertungsmethode 95 6.1.2 Prinzip der 2-stufigen Bewertung 96 6.2 Erarbeitung der Kriterien zur Bewertung der Fertigungsgerechtheit von BlechwerkstUcken 97 6.2.1 Vorgehen bei der Erarbeitung der Kriterien 97 6.2.2 Bewertungsstufe 1 - PrUfung der fertigungs- technischen Herste11barkeit 106 6.2.3 Bewertungsstufe 2 - Technisch/wirtschaftliche Bewertung der Fertigungsgerechtheit 108 6.2.3.1 Kriterien zur Bewertung der Techno1ogiegerechtheit 110 6.2.3.2 Kriterien zur Bewertung der Arbeitsraumgerecht- heit 116 6.2.3.3 Kriterien zur Bewertung der Handhabungsgerecht- heit fUr die maschineninterne Handhabung 119 6.2.3.4 VerknUpfung der einze1nen Bewertungskriterien 122 - 11 - 7 Entwicklung eines Verfahrens zur Verbesserung der Fertigungsgerechtheit von Blechwerkstucken 128 7.1 Vorgehensweise bei der Verbesserung der Ferti- gungsgerechtheit 128 7.2 Ermitt1ung von Verbesserungspotentia1en hin- sicht1ich der Fertigungsgerechtheit von B1echwerkstlicken 128 7.3 Ab1eitung von MaBnahmen zur Verbesserung der Fertigungsgerechtheit von B1echwerkstlicken 132 8 Anwendung 136 8.1 Mog1ichkeiten zur anwenderorientierten Umsetzung und EDV-technischen Unterstlitzung 136 8.2 Anwendung an einem reprasentativen Blechwerkstlick 139 8.3 Anwendung im GroBbackan1agenbau 144 8.3.1 Ausgangssituation 144 8.3.2 Anwendung des Verfahrens 145 8.3.3 Beurtei1ung der Ergebnisse 148 8.4 Anwendung im Schaltschrankbau 150 8.4.1 Ausgangssituation 150 8.4.2 Anwendung des Verfahrens 150 8.4.3 Beurteilung der Ergebnisse 153 8.5 Fazit aus den Anwendungen 154 8.6 Kritische Betrachtung 156 9 Zusammenfassung und Ausb1ick 157 10 Literaturverzeichnis 159 Anhang 168 Anhang 1 Beschreibung von Sonderkonturelementen 168 Anhang 2 Kriterien zur Bewertung der Fertigungsgerecht- heit hinsichtlich der Biegebearbeitung 169 Anhang 3 Kriterien zur Bewertung der Fertigungsgerecht- heit hinsicht1ich des Materialflusses 175 Anhang 4 Rechnerunterstlitzte Standardisierung von Innenkonturelementen 181 Anhang 5 Rechnerunterstutzte Zeitkalkulation von Blechwerkstucken 183 o Abkurzungen und Formelzeichen Abktirzung Einheit Bezeichnung AusschuB fur wirtschaftliche Fertigung mm Breite mm Breite des AuBenkonturelements mm Breite der ebenen Hullflache mm Greifelementbreite mm Breite der Grundflache des gebogenen Blech werkstucks Br mm Breite des rnnenkonturelements BK Bereichskriterium BK mm Breite der Kleinteileentsorgung BL mm Breite des Lagerfachs BN mm Breite der Niederhalterform Bp mm Platinenbreite BpA mm Breite der Platinenauflageflache BR mm Breite des Hullkbrpers BW Bewertungsanteil BWA mm Breite des Werkstuckaufnahmebereichs BWst Blechwerkstuck CAD Computer Aided Design CNC Computer Numerical Control D mm Durchmesser DA mm Durchmesser des AuBenkonturelements DG mm Greifelementdurchmesser Dr mm Durchmesser des rnnenkonturelements DiapA mm Diagonale der Platinenauflageflache DiaWA mm Diagonale des Werkstuckaufnahmebereichs DS mm Stanzdurchmesser DSp mm Spanntellermanipulatordurchmesser DXF Digital Exchange Format EK Einzelkriterium f Funktionsvorschrift bzw. Verkntipfungsregel fH,N Hubfrequenz - Nibbeln fH,S Hubfrequenz - Stanzen FB Biegekraft EM Merkmale von Fertigungseinrichtungen FN kN Niederhalterkraft FS kN Stanzkraft FSp kN Spann kraft GF Gewichtungsfaktor HD mm Durchgangshbhe HL mm Hbhe des Lagerfachs HN mm Hbhe der Niederhalterform HR mm Hbhe des Hullkbrpers HS mm Schenkelhbhe HWA mm Hbhe des Werkstuckaufnahmebereichs i Ordnungszahl fur Bereichskriterium