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Wertstromkinematik Mehr Variantenvielfalt durch flexibles Produktionssystem

| Redakteur: Vivien Deffner

Individualität wünschen sich immer mehr Kunden bei der Wahl ihrer Produkte, egal ob es um die Autoaustattung oder den Sportschuh geht. Um diese Individualisierung möglich zu machen, sind jedoch geeignete Fertigungsprozesse notwendig. Damit haben sich Forschende des KIT auseinandergesetzt und eine Lösung entwickelt.

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Das flexible Produktionssystem ermöglich höhere Kraft ud mehr Genauigkeit, etwa bei der Montage eines Fahrradrahmens.
Das flexible Produktionssystem ermöglich höhere Kraft ud mehr Genauigkeit, etwa bei der Montage eines Fahrradrahmens.
(Bild: wbk, KIT)

Eine größere Variantenvielfalt ist von großem Vorteil für Unternehmen. Denn die Nachfrage nach individualisierten Produkten im Markt steigt. Der Preis wird dennoch von Konkurrenzprodukten aus hocheffizienter, automatisierter und starrer Produktion vorgegeben. Sie stehen dann vor der Wahl zwischen starren Produktionslinien bei hoher Produktivität oder flexibler Fertigung mit niedriger Effizienz. Dem will das Forschungsprojekt Wertstromkinematik entgegenwirken und hohe Flexibilität mit hoher Produktivität verbinden. „Geeignete Produktionssysteme, die sich durch hohe Flexibilität und hohen Automatisierungsgrad gleichermaßen auszeichnen, existierten bisher nicht oder nur in Ansätzen. Unser Ansatz schließt diese Lücke“, sagt Edgar Mühlbeier vom wbk Institut für Produktionstechnik des KIT. Dort koordiniert der Maschinenbauer mit dem Schwerpunkt Steuerungstechnik die Entwicklung dieses neuen Produktionssystems. Es ist eine Kombination aus der hohen Produktivität und Präzision von Spezialmaschinen und der Flexibilität von Industrierobotern.

Aufbau macht häufige und flexible Neuanordnung möglich

Das System besteht aus mehreren einheitlichen und frei konfigurierbaren Einzeleinheiten (Kinematiken). Sie übernehmen die in der Robotik üblichen Handhabungsaufgaben. Außerdem können sie diverse Fertigungswerkzeuge andocken. Das ermöglicht es ihnen, Prozesse wie Montage, additive Fertigung, Trenn- und Fügeverfahren sowie Zerspanungsaufgaben und Qualitätssicherung vollautomatisch und innerhalb eines vielschichtigen Produktionsflusses selbst auszuführen. „Dieser Aufbau ermöglicht eine häufige und flexible Neuanordnung des Produktionssystems, ohne dass kostspielige zusätzliche Anlagen hinzugekauft werden müssen“, betont Mühlbeier. Eine zentrale Aufgabe ist es, das neue System auf verschiedene Weisen gegenüber herkömmlichen Vertikalknickarmrobotern zu optimieren. Besonders die Steifigkeit spielt eine wichtige Rolle.

Ein Ziel der Forschenden ist es beispielsweise, mithilfe innovativer Getriebetechnologien und Softwareunterstützung eine Bahnführung beim Fräsen erreichen, die bis auf wenige hundertstel Millimeter genau arbeitet. Dafür ist es essenziell, die einzelnen Arbeitsschritte wie die Schnittgeschwindigkeiten und der Krafteinsatz genauestens zu planen. „Die Besonderheit unseres Produktionssystems ist: Die einzelnen Einheiten lassen sich koppeln, um zu kooperieren und so die heutigen Spezialmaschinen für bestimmte Aufgaben und Prozesse zu ersetzen“, erläutert Mühlbeier. Die einzelnen Einheiten können jederzeit entkoppelt und getrennt eingesetzt werden, wenn die entsprechende Aufgabe erledigt ist. Dies ermöglicht es den Unternehmen, die Zahl der Produktionsmaschinen und damit auch die Kosten für Maschinen, deren Inbetriebnahme und Wartung zu senken.

Schneller Aufbau, kürzere Planungs- und Inbetriebnahmezeiten

Werden die Wertstromkinematiken im Raum positioniert, ist ein Raster möglich, das sich über die gesamte Produktionsfläche erstreckt, „vergleichbar einer Legoplatte, auf der sich die Bausteine beliebig feststecken lassen“, so Mühlbeier. Das führt zu einer erheblichen Beschleunigung des Aufbaus der Produktionssysteme. Eine intuitive Engineering-Plattform soll zudem dazu beitragen, die Planungs- und Inbetriebnahmezeit deutlich zu verkürzen. Die Plattform soll Ingenieure auch in mittelständischen Unternehmen webbasiert und damit plattformunabhängig unterstützen. Dabei ist der gesamte Entwicklungsprozess vom Entwerfen eines Produkts im CAD über die Planung von Anzahl, Anordnung und Koppelung der Kinematiken bis zur Simulation und Feinjustierung des Produktionssytems abgedeckt.

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An dem Forschungsprojekt des KIT sind auch die Industriepartner Siemens im Bereich Steuerungstechnik und der Werkzeugmaschinenhersteller Grob als Hardwareentwickler und Integrator beteiligt. „Produktionstechnologien müssen den sich ändernden Bedingungen des Marktes und den stetig steigenden technologischen Anforderungen gerecht werden. Unser Ziel ist, für neue Prozesse und Anforderungen innovative Lösungen zu identifizieren und zu entwickeln“, erklärt Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk und Initiator des neuartigen Produktionsansatzes.

„Die Wertstromkinematik könnte die heutige Produktionslandschaft revolutionieren“, sagt Fleischer. Große Hallen wären dann nicht mehr notwendig. Genauso lange Lieferkette und Lieferengpässe, die mit Produktionsausfällen einher gehen, vermieden werden. „Die aktuelle Krise durch die Pandemie hat vor Augen geführt, wie schnell die Bänder stillstehen können, wenn Nachschub für die Produktion aus dem Ausland nicht rechtzeitig zur Verfügung steht. Wären unsere flexiblen Systeme im Einsatz, könnten regionale Betriebe im näheren Umkreis einspringen und die fehlenden Teile fertigen. Die Reduzierung von Transportwegen wäre zudem umwelt- und ressourcenschonend“, betont Fleischer.

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