Fraunhofer-IWU zeigt Umformen 4.0 und Automobilproduktion mit Stückzahl 1

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Automobilproduktion in Stückzahl eins

„Hand in Hand mit der Digitalisierung geht der Trend zur immer stärkeren Individualisierung industriell hergestellter Produkte “, sagt Sören Scheffler, Wissenschaftler am Fraunhofer-IWU. „Dieser Trend geht so weit, dass Kunden auch im Automobilbau Unikate nachfragen. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn Ersatzteile für die Karosserie von Oldtimern gesucht werden.“

Eine industrielle Produktion von Karosseriekomponenten oder sogar kompletten Fahrzeugen in Stückzahl eins scheint auf den ersten Blick allerdings unmöglich, vor allem aus wirtschaftlichen Gründen. So kostet ein einzelnes Umformwerkzeug für nur ein Außenhautbauteil bereits hunderttausende Euro. „Eine auf herkömmliche Weise in Stückzahl eins produzierte Karosserie ist damit unbezahlbar“, überschlägt Scheffler. „Wir haben allerdings einen Verfahrensmix entwickelt, mit dem die Automobilproduktion in Stückzahl eins jetzt wirtschaftlich möglich ist.“

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Wie ihr Ansatz praktisch funktioniert, zeigen die Fraunhofer-Forscher auf der Euroblech 2018 anhand des Exponats „Silberhummel“, das technisch verschieden geformte Bauteile an einem Objekt vereint. Die „Silberhummel“ ist ein Konzeptfahrzeug, das auf Plänen eines nie gefertigten Rennwagens des Automobilherstellers Horch basiert. Das Fraunhofer-IWU rekonstruierte das Fahrzeug und fertigte die Außenteile des Modells. Die Karosserie besteht dabei aus Benchmark-Teilen, die mit verschiedenen am Institut entwickelten Umform-, Füge- und generativen Fertigungsverfahren für kleine Stückzahlen hergestellt wurden.

Inkrementelle Blechumformung

„Die komplexen Außenhaut-Bauteile haben wir mit einem Verfahren gefertigt, das sich schon ab Stückzahl eins rechnet: der inkrementellen Blechumformung“, erläutert Scheffler. Im Vergleich zu konventionellen Ziehverfahren kann dabei auf aufwendige Werkzeuge verzichtet werden. „Dadurch reduzieren sich die Werkzeugkosten und die Zeit bis zum ersten Fertigteil“, erläutert der Forscher. Erzeugt wird dessen Form durch mehrere aufeinanderfolgende Bewegungen. Im Detail werden diese Bewegungen von einem Umformdorn ausgeführt, der sich entlang einer CNC-Bahn bewegt. Einfache Geometrien wie Pyramidenstümpfe lassen sich auf diese Weise komplett ohne Gegenwerkzeuge herstellen, für komplexere Bauteilformen werden einfache Gegenwerkzeuge verwendet. Bei der Silberhummel bestehen diese nicht wie üblich aus massivem Metall, sondern aus kostengünstigem und einfach zu bearbeitenden Leimholz. Angeliefert als Quader von den Dimensionen eines Esstisches, fräst ein Bearbeitungszentrum in einer Versuchshalle des Fraunhofer-IWU aus ihnen die Form der geschwungenen Kotflügel, der Motorabdeckung oder der Seitenteile. Im Vergleich zu konventionellen Werkzeugen benötigt dieser Prozess nur ein Drittel der Zeit. Nach der Endbearbeitung montieren Techniker das Werkzeug in ein speziell angepasstes Portalbearbeitungszentrum. Anschließend wird über dem Werkzeug das passende Blech in einen Rahmen gespannt. Nun kommt der halbkugelförmige Drückdorn zum Einsatz, der anstelle des ursprünglich vorgesehenen Bohr- oder Fräskopfes des Großbearbeitungszentrums sitzt. Bahn für Bahn fährt er über das Blech, bis das Halbzeug seine endgültige Form angenommen hat.

Stanzen, biegen, fügen

Die so entstandenen Außenhaut-Komponenten bringen die Wissenschaftler anschließend auf eine Tragkonstruktion aus Blechspanten auf. Durch diese kann einerseits auf Karosserie-Innenteile verzichten werden, andererseits wird Platz gewonnen, um den geplanten Elektroantrieb auf Brennstoffzellenbasis unterzubringen. „Die Herstellung der Spanten beruht auf einem weiteren hochflexiblen Verfahren, mit dem sich Blechteile in kleinen Serien wirtschaftlich fertigen lassen“, erklärt Sören Scheffler. „Wir nennen es Stanzen-Biegen-Fügen, kurz Sta-Bi-Fü.“ Sta-Bi-Fü ist darauf ausgelegt, für Stückzahlen von wenigen tausend Blechteilen pro Jahr wirtschaftlich zu sein. Mehrstufige Umformwerkzeuge werden dabei auf eine einzelne Umformstufe reduziert, die restliche Bearbeitung besteht aus einfachen Beschnitt- und Abkantverfahren.

Nach der Fertigung der einzelnen Komponenten werden diese zu einer ganzen Karosserie verbunden. Statt die Einzelteile konventionell aufwändig robotergesteuert und unter einer Schutzgasatmosphäre zu verschweißen, nutzen die Wissenschaftler auch hier ein hochflexibles Verfahren: Die Komponenten der „Silberhummel“ verbinden sie per Laserhandschweißen. Dieses geschieht vorrichtungsfrei und manuell durch scannerbasierte Laserhandgeräte. „Durch den Mix an neuartigen, schnellen und flexiblen Herstellungsprozessen, vergingen von der Idee bis zur fertigen Karosserie der ›Silberhummel‹ nur wenige Monate“, sagt Scheffler. „Auch mit Blick auf die Ressource, kann die Automobilproduktion in Stückzahl eins also effizient sein.“

Fraunhofer-IWU auf der Euroblech 2018: Halle 11, Stand A25

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