Neue Möglichkeiten mit tragbaren Messarmen: Wie Metallformungsprozesse dank 3D-Laserscans rundum verbessert werden
Von: Orlando Perez, Director, Product Marketing, FARO Technologies
Als Teilbereich der Metallbearbeitung, eine Unterkategorie der Fertigung, ist die Metallformung ein grundlegender Prozess, der an vielen Stellen der Bauteil-Montage beteiligt ist: vom Metallstanzen von Konsumgütern für den Heimgebrauch bis hin zu den vielen Bestandteilen von Flugzeugen und Autos. Angesichts dieser vielen Produkte und der Milliarden von Dollar, um die es dabei geht, spielen Genauigkeit, Präzision und Wiederholgenauigkeit eine entscheidende Rolle.
Dies gilt insbesondere, da die USA die Covid-19-Pandemie allmählich hinter sich lassen und der globale Markt für Metallstanzen, dessen Wert 2019 auf 220 Mrd. US-Dollar geschätzt wurde, von 2020 bis 2027 voraussichtlich eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 2,8 % verzeichnen wird. Ferner wird der globale Markt für Metallschmieden, der auf 84 Mrd. US-Dollar (ebenfalls 2019) geschätzt wird, im selben Zeitraum voraussichtlich um 5 % wachsen. Auch in anderen Wirtschaftssektoren wird das internationale Comeback zu spüren sein: Der Internationale Währungsfonds rechnet mit einem Anstieg des BIP um 6 % und übertrifft damit seine Prognose vom Januar. In einer von derartigem Wachstum geprägten Wirtschaft sind Produktionsausfälle, kostspielige Nacharbeiten, Überschreitungen der Toleranzgrenzen und Sicherheitsprobleme mehr als unpassend.
Aus diesem Grund ist das 3D-Laserscanning mit berührungsloser, tragbarer ScanArm-Messtechnik ein unverzichtbares Werkzeug für Quality Engineers. Mit der dazugehörigen Qualitätssicherungs- und Prüfsoftware wird nicht nur gewährleistet, dass individuelle Teile mit dem ursprünglichen CAD-Design oder Plan übereinstimmen, sondern dass auch die Press-, Umform- und Gesenkschmiede-Maschinen, die das spätere Endprodukt formen, gemäß den festgelegten Spezifikationen arbeiten. Dies betrifft sowohl die Stanztechnik (im Prinzip ein Verformungsprozess, bei dem ein Material seine Form durch Anwendung hohen Drucks verändert, ohne zerstört zu werden) als auch die Schmiedetechnik, die oft als „Stanzen mit Feuer“ (also mit großer Hitze) bezeichnet wird, und bei der entweder offene oder geschlossene Gesenke zum Einsatz kommen.
Druckentlastung
Dank der neuesten ScanArm-Technik und der mehrachsigen Drehtischplattformen erfolgt die Durchführung von Präzisionsmessungen nun schneller und einfacher als je zuvor. Der Prozess verläuft dabei wie folgt: Anhand eines mobilen Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (mobiles KMG), das mit einem berührungslosen Laser ausgestattet ist, werden in Echtzeit X-, Y- und Z-Koordinaten vermessen. Diese 3D-Daten werden anschließend in einer virtuellen Umgebung digitalisiert. Im Falle des ScanArm wird zur Datengewinnung ein Laserstreifen auf das gescannte Bauteil projiziert und von einer Kamera registriert. Anhand der so gewonnenen Daten wird eine 3D-Punktewolke erstellt – ein digitalisiertes Modell der X-, Y- und Z-Koordinaten der gesamten gescannten Oberfläche.
Die Zwillingstechnologiekomponenten – ScanArm/Laser und Drehtisch – können mit einer leistungsstarken und benutzerfreundlichen Software kombiniert werden, um: schnell Bauteilmerkmale zu identifizieren, die von den Sollwerten abweichen (wodurch sofortige Anpassungen an der Maschine vorgenommen werden können, bevor es zu Toleranzüberschreitungen kommt); prozessbegleitende Bauteilprüfungen durchzuführen; und sogar präzise digitale Messdaten für das Reverse Engineering von Teilen zu erfassen, für die keine entsprechenden Pläne oder CAD-Zeichnungen vorliegen.
Die fortschrittlichen Lösungen für 3D-Messtechnik-Hardware und -Software haben den Arbeitsablauf des Metallformens von einem umständlichen zu einem optimierten Prozess gemacht. Früher war man bei den zeitaufwändigen Aufgaben auf fehleranfällige Handwerkzeuge wie Messschieber und Mikrometer angewiesen. Falls es überhaupt möglich war, diese Aufgaben zu erfüllen. Das Stanzen von Metall ist von Natur aus ein komplexer, mehrstufiger Vorgang, wodurch eine große Vielfalt von Produkten erstellt wird, von denen viele schwer zu messende „organische“ oder unregelmäßige Geometrien aufweisen.
Selbst stationäre KMGs sind der Aufgabe nicht immer gewachsen. Im Gegensatz zu den verwandten mobilen KMGs sind stationäre KMGs sperrig, unbeweglich, erfordern fortgeschrittene technische Programmierkenntnisse und müssen in speziellen temperierten Messräumen aufbewahrt werden. Vor allem können stationäre KMGs Bauteile (oder Maschinen) nicht prozessbegleitend messen. Hergestellte Bauteile müssen zu ihnen transportiert werden, was zu Prüfungsengpässen und zusätzlichen Kosten führt.
Im Automobilbau etwa wird das Stanzen bei der Herstellung von Karosserieteilen, Rahmen, Türen und einer Reihe von Kleinteilen eingesetzt. Auch Flugzeuge erfordern umfangreiche gestanzte Bauteile, darunter: Strukturkomponenten, Systeme zur Sauerstofferzeugung, Gehäuse für militärische Flugzeuge, Relais, Schalter und Beleuchtungssysteme. Bei der Prüfung des Metallumformungsprozesses und der Frage, wie 3D-Laserscans jeden einzelnen Schritt unterstützen können, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:
- Die Auswirkungen des Stanzens auf die Designfunktionalität – Sind die gestanzten Teile innerhalb der festgelegten Toleranzen des CAD-Modells? Dies gilt sowohl für die Erstmusterprüfung als auch für nachfolgende Prüfungen.
- Bleiben die gestanzten Teile innerhalb der Spezifikationen? – Die Daten aus der Scanner-Software können in ein statistisches Prozesssteuerungssystem (SPC) eingespeist werden, mit dessen Hilfe festgestellt werden kann, ob die Teile außerhalb des Toleranzbereichs geraten.
- Produziert das Gesenk konstant Teile nach derselben Spezifikation? – Oder geraten Teile aufgrund von Verschleiß aus dem Toleranzbereich? Wenn ja, sollte die 3D-Messung an den Gesenken selbst durchgeführt werden.
- Die Sicherheit ist gewährleistet – Ist das Bauteil sicher und funktionstüchtig und entspricht es den branchenspezifischen oder nationalen Anforderungen?
- Die Höhe des Zeitaufwands – Wie lange dauern Produktion und Qualitätskontrolle und wie hoch ist der Wert eines höheren Durchsatzes bei weniger Ausschuss?
Arbeitsablauf-Optimierung in der Praxis
Wie oben dargestellt, können und sollten 3D-Laserscans bei Metallformungsprozessen eine integrale Rolle einnehmen. Bei jedem Schritt auf dem Weg zur Fertigstellung eines Produkts können Laserscans die Geschwindigkeit und Qualität der Messungen erheblich verbessern – sowohl bei einzelnen Bauteilen als auch bei den Maschinen selbst.
Im Folgenden wird der Arbeitsablauf einer Metallformung auf leicht verständliche Art und Weise beschrieben:
Schritt 1 | Konstruktion: Der Prozess beginnt damit, dass Konstrukteure und Metallarbeiter verschiedene Formen und Objekte entwickeln, darunter Kuppeln, Kegel, Halbkugeln, Quadrate, Augäpfel oder Ovale. Nach der Entwicklung werden sie verwendet, um die Gesenke zu fertigen, mit denen das Metall geformt wird.
Schritt 2 | Genehmigung und Ausführung: Sobald die Produktzeichnung und das Gesenk genehmigt sind, geht der Prozess beim Metallstanzteam weiter. Hier werten die Mitarbeiter die Produktzeichnungen aus und bestimmen, welches Metallstanzverfahren und welche Geräte verwendet werden sollen.
Schritt 3 | Maßarbeit: Sind Zeichnung, Gesenk und Plan bereit, so beginnt die Metallprägung. Die erforderlichen Werkzeuge und Teilschritte hängen von dem zu stanzenden Produkt, verwendeten Material und dem Produktionsumfang ab.
Schritt 4 | Montage: Je nach Komplexität des Produkts kann eine Montage erfolgen. Das bedeutet, dass die Einzelteile zu einem gestanzten Produkt zusammengefügt werden, was möglicherweise durch Binden, Schweißen oder Biegen geschieht. Es ist entscheidend, dass alle Produkte nach der Montage auf ihre Genauigkeit geprüft werden, bevor sie fertiggestellt werden. Hier erweisen sich 3D-Laserscan-Lösungen als äußerst wichtig und tragen zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung bei.
Schritt 5 | Abschluss: Wenn die Montage abgeschlossen ist, können die Produkte durch Bearbeitung fertiggestellt werden. Dabei können Vorgänge wie Gewindeschneiden, Bohren, Sägen, Fräsen, Schleifen und sogar Sandstrahlen zum Einsatz kommen. Eine Lackierung, Versiegelung oder Grundierung schließt den Prozess ab.
Kein Q3-Dilemma mehr
Nachdem alle diese Schritte abgehakt wurden, stellt die Endkontrolle sicher, dass das entstandene metallgeformte Produkt für den öffentlichen oder industriellen Gebrauch bereit ist und dass der Umsatz durch einen erhöhten Durchsatz maximiert wird, indem die Ausfallzeiten der Maschinen reduziert und die Materialausschusskosten gesenkt werden.
Nach Ansicht vieler führender Wirtschaftsexperten wird das dritte Quartal 2021, das diesen Monat (Juli) beginnt, der Beginn des Wegs zurück zur Normalität markieren. Die Weltwirtschaft soll hier so richtig in Fahrt kommen, um die prognostizierten 6 % Wachstum zu erreichen.
Da Verbraucher langsam beginnen, ihren „Pandemie-Polster“ auszugeben (Bloomberg Economics schätzt, dass die US-Amerikaner auf pandemiebedingten Ersparnissen im Wert von 1,3 Billionen US-Dollar sitzen), ist jetzt der richtige Zeitpunkt, dass die Metallformungsindustrie ihre Betriebe auf Hochtouren bringt. Zudem sollte die Sicherheit bestehen, dass die hergestellten Produkte – und die Maschinen, die sie produzieren – innerhalb der erwarteten Toleranzgrenzen arbeiten. Der beste Weg, um diese wichtige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist der Einsatz von 3D-Laserscan-Lösungen und den dazugehörigen Softwareprodukten.
Tragbare Messarme waren noch nie so leistungsfähig wie heute.