Fertigungssystem und Verfahren zur Herstellung von Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Fertigungssystem und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Fahrzeugbauteilen.

Die klassische Fahrzeugentwicklung geht mit langen Entwicklungs- und Absicherungszyklen einher. Kleinteilige und matenalvielfältige Karosserien führen zu einer hohen Komplexität bei den Fügeverfahren und bedingen eine aufwändige Produktionsplanung. Hieraus resultiert, dass existierende Automobilproduktionen nur eine geringe Flexibilität hinsichtlich Änderungen aufweisen.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben wie die Produktion von Bauteilen verbessert werden kann. Insbesondere soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, die eine hohe Änderungsflexibi- lität ermöglicht. In einem weiteren Aspekt soll eine Möglichkeit geschaffen werden, wie die Entwicklung und Fertigung von Automobilbauteilen beschleunigt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe ein Fertigungssystem zur Herstellung von Bauteilen nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird ein Fertigungssystem angegeben zur Herstellung von Bauteilen mit Produktionsvorrichtungen, die eingerichtet sind zur Durchführung von additiven Fertigungsprozessen. In den additiven Fertigungsprozessen werden Bauteile anhand von Prozess-Solldaten hergestellt. Das Fertigungssystem beinhaltet mindestens eine Datenerfassungsvorrichtung, die eingerichtet ist zum Erfassen von Felddaten, welche die hergestellten Bauteile und/oder die durchgeführten Fertigungsprozesse kennzeichnen. Die Datenerfassungsvorrichtung kann beispielsweise Sensoren oder Prüfvorrichtungen aufweisen, mit denen die Felddaten erfasst werden. Die Datenerfassungsvorrichtung kann weiterhin einen Datenspeicher aufweisen, in dem die Felddaten gespeichert werden.

Weiterhin weist das Fertigungssystem mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist zur Auswertung der Felddaten und Erzeugung von optimierten Entwicklungsdaten und/oder zur Erzeugung von optimierten Prozess-Solldaten unter Verwendung der Felddaten. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise eine Rechnereinheit beinhalten oder ein Computer sein, auf dem geeignete Software zur Auswertung und Erzeugung der gewünschten Daten läuft.

Erfindungsgemäß ist das Fertigungssystem selbstregelnd aufgebaut, wodurch die optimierten Prozess-Solldaten zur Herstellung weiterer Bauteile durch die Produktionsvorrichtungen verwendet werden. Die optimierten Prozess-Solldaten werden beispielsweise als neue Prozess-Solldaten an die Produktionsvorrichtungen weitergegeben und dienen als Grundlage für die weiteren additiven Fertigungsverfahren. Die Produktionsvorrichtungen, die die Datenerfassungsvorrichtung und die Datenverarbeitungsvorrichtung stehen vorzugsweise in einer Datenverbindung (kabelgebunden oder kabellos), zur Ermöglichung des Datenaustausches.

Hierbei geht die Erfindung auf die Idee zurück, die bisher gelebte prozessuale und datentechnische Trennung/Entkopplung von Entwicklung und Produktion aufzuheben und stattdessen miteinander selbstregelnd zu verknüpfen. Unter dem Begriff selbstregelnd wird in diesem Zusammenhang insbesondere die Funktion eines Regelkreises verstanden. Die Felddaten werden in den Regelkreis zurückgeführt und nehmen Einfluss auf die Konstruktionsdaten bzw. die daraus resultierenden Prozess-Solldaten. Hierdurch wird ein selbst optimierendes System geschaffen, dass während der Produktion der Bauteile diese bereits bewertet, Erkenntnisse in den Entwicklungsprozess zurückleitet und zur Verbesserung der Bauteile bzw. Produktionsprozesse verwendet. Mit einem derartigen System ist es möglich, auf Vorserien zu verzichten. Der Prototypenbau kann direkt in der Umgebung des späteren Serienbetriebs stattfinden und quasi nahtlos in den Serienbetrieb übergehen. Hieraus ergibt sich das Potenzial einer enormen Zeitersparnis und Kostenreduktion.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das Fertigungssystem weiterhin eine digitale Datenplattform, auf der zumindest die optimierten Entwicklungsdaten, die optimierten Prozess-Solldaten und die Felddaten abgelegt werden. Durch Bündelung aller relevanten Daten auf einer gemeinsamen Datenplattform wird ein zentraler Zugriff ermöglicht. Dies ermöglicht eine hohe Datentransparenz bei schneller Verfügbarkeit aller relevanten Parameter und Daten und kann dazu beitragen den Entwicklungs- und Produktionsprozess weiter zu beschleunigen.

In einer Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, dass die Datenplattform cloudbasiert aufgebaut ist. Hierdurch wird es möglich das weltweit von unterschiedlichen Entwicklungs- und/oder Produktionsstandorten auf die relevanten Daten zugegriffen wird. Dies ermöglicht eine verbesserte Zusammenarbeit auch über große Distanzen. Die cloudbasierte Datenplattform kann insbesondere als weltweite Blaupause für Produktionshubs der Zukunft dienen.

Die Entwicklungsdaten umfassen Daten, die zur Entwicklung der Bauteile verwendet werden oder im Rahmen des Entwicklungsprozesses erzeugt werden. Insbesondere werden Konstruktionsdaten (z.B. CAD Daten), Daten aus Produkt- und Werkstoffdatenbanken, Qualitätsdaten, Designspezifische Daten, Bauraumdaten und/oder Anforderungsdaten als Entwicklungsdaten hinterlegt. Optimierte Entwicklungsdaten sind Entwicklungsdaten, die anhand der Felddaten überarbeitet und gegebenenfalls verändert wurden. Eine derartige Optimierung kann beispielsweise anhand von Datenbanken erfolgen, in denen eine Vielzahl von Entwicklungsdaten abgelegt sind. Ausgehend von den Entwicklungsdaten werden Prozess-Solldaten erzeugt. Prozess-Solldaten geben Parameter an, welche prozesstechnisch zum Betrieb der Produktionsvorrichtungen zur Herstellung der Bauteile notwendig sind. Rein beispielhaft seien hier Materialauftragsraten, Auftragsgeschwindigkeiten oder Prozesstemperaturen genannt. Optimierte Prozess-Solldaten sind Prozess-Solldaten, die anhand der Felddaten überarbeitet und gegebenenfalls verändert wurden. Die Optimierung kann beispielsweise durch Auswahl von Prozess-Solldaten aus einer Datenbank mit einer Vielzahl von Prozessdaten erfolgen.

Die Felddaten umfassen Daten, die anhand bereits hergestellter Bauteile gewonnen werden und welche die Bauteile qualitativ und/oder quantitativ beschreiben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Qualitätsdaten handeln, welche eine Beurteilung der Qualität der hergestellten Bauteile ermöglichen. Weiterhin können die Felddaten fertigungsprozesstechnische Daten umfassen, welche die durchgeführten Fertigungsprozesse und/oder Nachbearbeitungsprozesse qualitativ und oder quantitativ beschreiben.

Für eine schnelle und fortlaufende Produktoptimierung ist es besonders vorteilhaft, wenn in einer Ausgestaltung zur Erzeugung der optimierten Entwicklungsdaten und/oder der optimierten Prozessdaten eine selbstlernende künstliche Intelligenz verwendet wird. Die selbstlernende künstliche Intelligenz kann beispielsweise ein künstliches neuronales Netz beinhalten, dass die Felddaten analysiert und optimierte Prozessdaten bzw. optimierte Entwicklungsdaten erzeugt. Das künstliche neuronale Netz kann beispielsweise eine Recheneinheit und einen Speicher umfassen, die ein Neuronenmodell nachahmen.

Zur Herstellung großer Bauteile und/oder großer Bauteilgruppen ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere Produktionsvorrichtungen in einer gemeinsamen Fertigungszelle angeordnet sind. Innerhalb einer Fertigungszelle stellen die Produktionsvorrichtungen vorzugsweise gemeinsam ein Bauteil oder eine Bauteilgruppe her. In einer derartigen Fertigungszelle können die Produktionsvorrichtungen kooperieren und miteinander arbeiten und beispielsweise datentechnisch und /oder steuerungstechnisch untereinander vernetzt sein.

Bei den additiven Fertigungsprozessen, die von den Produktionsvorrichtungen durchgeführt werden, kann es sich grundsätzlich um jedes bekannte additive Fertigungsverfahren handeln. Zu ihnen zählen beispielsweise das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen oder das 3D-Drucken. Mittels dieser Verfahren können Bauteile generativ aufgebaut werden. Additive Fertigungsverfahren bieten hierbei eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Bauteilgeometrien. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Produktionsvorrichtungen dazu eingerichtet sind, ein Draht-basiertes additives Fertigungsverfahren durchzuführen. Die additiven Fertigungsprozesse können dementsprechend ein draht-basiertes additives Fertigungsverfahren beinhalten. Hierbei wird ein drahtförmiges Material unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens oder einer Hochenergiequelle (z.B. Laser) aufgebschmolzen und mittels eines Mehrachs-Manipulators in der gewünschten Form schichtweise zur Erzeugung des Bauteils abgelegt. Beispielhaft seien hier das WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) oder Laser-DED (Laser Direct Energy Deposition- Verfahren) genannt. Draht-basierte additive Fertigungsverfahren zeichnen sich durch sehr hohe Auftragsgeschwindigkeiten und hohe Flexibilität hinsichtlich der auftragbaren Geometrien aus. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren bei Verwendung eines entsprechenden Drahtwerkstoffs Bauteile mit sehr hoher Duktilität aufbauen.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Fahrzeugbauteilen angegeben, bei dem die Bauteile mittels Produktionsvorrichtungen in einem Fertigungssystem anhand von Prozess-Solldaten in additiven Fertigungsprozessen hergestellt werden. In dem Verfahren werden Felddaten erfasst, welche die hergestellten Bauteile und/oder die durchge- führten Fertigungsprozesse kennzeichnen. Die Felddaten werden von mindestens einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgewertet und es werden unter Verwendung der Felddaten optimierte Prozess-Solldaten und ggf. optimierte Entwicklungsdaten erzeugt. Die optimierten Prozess-Solldaten werden dann zur Herstellung weiterer Bauteile mittels der Produktionsvorrichtungen verwendet. Durch die Erzeugung optimierter Prozess-Solldaten und deren Rückführung in das Verfahren wird der gesamte Produktionsprozess als selbstregelndes und selbstoptimierendes Verfahren ausgestaltet. Vorzugsweise wird das Verfahren mit einem wie voranstehend beschriebenen Fertigungssystem durchgeführt und erzielt dabei dieselben technischen Wirkungen und Vorteile, wie sie bereits für das Fertigungssystem beschrieben wurden. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Fertigungssystem beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Um Bauteiländerungen möglichst kurzfristig zu ermöglichen und umsetzen zu können, erfolgt die Erzeugung von optimierten Entwicklungsdaten und/oder optimierten Prozess-Solldaten in einer Ausgestaltung vorzugsweise innerhalb eines Produktionszyklus. Hierdurch wird es möglich Bauteiländerungen kurzfristig anzustoßen und quasi über Nacht umzusetzen.

Mit dem Fertigungssystem können vielfältige Bauteile hergestellt werden. Aufgrund der flexiblen Fertigung auch hochkomplexer Bauteile und der geringen Änderungszeiten eignet sich das Verfahren insbesondere zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen, wobei insbesondere Strukturbauteile einer Fahrzeugkarosserie oder Fahrwerksbauteile hergestellt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1 ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Fertigungssystems und Verfahrens und

Figur 2 ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung eines beispielhaften Fertigungssystems.

Figur 1 zeigt ein Fließdiagramm zur Darstellung der Abläufe in einem beispielhaften Fertigungssystem und bei einem beispielhaften Verfahren. Ausgehend von Entwicklungsdaten E werden von mindestens einer Datenverarbeitungsvorrichtung 30 Prozess-Solldaten P erzeugt. Anhand dieser Prozess-Solldaten P werden Bauteile, beispielhafte handelt es sich um Fahrzeugbauteile, mittels Produktionsvorrichtungen 10 in einem Fertigungssystem 1 in additiven Fertigungsprozessen hergestellt. Beispielhaft sind gemäß Figur 1 drei Produktionsvorrichtungen 10 in einer gemeinsamen Fertigungszelle 12 angeordnet. Das Fertigungssystem 1 kann mehr als eine Fertigungszelle mit variierender Anzahl an Produktionsvorrichtungen 10 aufweisen.

Das Fertigungssystem 1 weist weiterhin mindestens eine Datenerfassungsvorrichtung 20 auf, die eingerichtet ist, um Felddaten F zu erfassen, welche die hergestellten Bauteile und/oder die durchgeführten Fertigungsprozesse kennzeichnen. Die Felddaten sind dabei vorzugsweise Qualitätsdaten der hergestellten Bauteile und fertigungsprozesstechnische Daten der durchgeführten Fertigungsprozesse. Alternativ oder ergänzend kann es sich bei den Felddaten auch um Daten handeln, die im Rahmen von Nachbearbeitungsprozessen 50 erfasst werden.

Die Felddaten F werden an die Datenverarbeitungsvorrichtung 30 zurückgeführt und ausgewertet und es werden optimierte Prozess-Solldaten P' und sofern notwendig optimierte Entwicklungsdaten E' unter Verwendung der Felddaten F erzeugt. Sofern optimierte Entwicklungsdaten E' erzeugt werden, fließen diese ebenfalls in die Optimierung der Prozess-Solldaten ein. Vorzugsweise erfolgt die Optimierung der Entwicklungsdaten bzw. Prozess- Solldaten mittels selbstlernender künstlicher Intelligenz, die beispielsweise auf der Datenverarbeitungsvorrichtung 30 läuft.

Anhand der vorliegenden optimierten Prozess-Solldaten P' werden weitere (Fahrzeug)-Bauteile mittels der Produktionsvorrichtungen 10 erzeugt. Wiederum werden Felddaten F' mittels der Datenerfassungsvorrichtung 20 erfasst, die an die Datenverarbeitungsvorrichtung 30 zurückgeführt werden und zur Erstellung weiterer optimierter Prozess-Soldaten P' und gegebenenfalls weiterer optimierter Entwicklungsdaten E' verwendet werden. Das Fertigungssystem 1 ist folglich selbstregelnd aufgebaut und optimiert die Bauteilherstellung somit selbst.

Das Fertigungssystem 1 weist weiterhin eine Datenplattform 40 auf, auf der zumindest die optimierten Entwicklungsdaten E', die optimierten Prozess- Soldaten P' und die Felddaten F abgelegt sind. Weiterhin können auf der Datenplattform 40 die ursprünglichen Entwicklungsdaten E und die ursprünglichen Prozess-Solldaten P abgelegt sein. Die Datenplattform 40 ist vorzugsweise als cloud-basierte Datenplattform aufgebaut.

Figur 2 zeigt ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung eines beispielhaften Fertigungssystems 1 und Verfahrens. Entwicklungsdaten E werden gesammelt und über eine Datenschnittstelle DS mittels einer künstlichen Intelligenz Kl zur Erzeugung von Prozess-Solldaten P verwendet. In die Ent- Wicklungsdaten E fließen beispielsweise ein Daten E1 aus Produkt und Werkstoffdatenbanken, Daten E2 basierend auf Erfahrungswerten aus der Produktion, Qualitätsdaten E3, Daten E4 basierend auf einem Bauchraummodell, Anforderungen E5 aus Datenbanken, Daten E6 basierend auf Designanforderungen und/oder Strukturdaten E7.

Anhand der Prozess-Solldaten P werden Bauteile mittels Produktionsvorrichtungen 10 in additiven Herstellungsverfahren hergestellt. Mehrere Produktionsvorrichtungen 10 sind beispielsweise in einer gemeinsamen Fertigungszelle 12 angeordnet. Vorzugsweise sind die Produktionsvorrichtungen untereinander vernetzt, sodass eine Kommunikation der Fertigungsmittel Teil des Fertigungssystems 1 ist.

Während und nach der Produktion der (Fahrzeug)-Bauteile werden Felddaten F erfasst und an die Datenschnittstelle DS weitergegeben. Als Felddaten F werden beispielsweise Prozessdaten F1 , Daten F2 basierend auf nach Bearbeitungen im Prozess, wie beispielsweise Mikrobearbeitung oder Makrobearbeitung, Daten F3 basierend auf nach Bearbeitungen nach dem eigentlichen Herstellungsprozess und/oder Qualitätsdaten F4 der Bauteile erfasst. Diese Felddaten werden in das Fertigungssystem, beispielsweise über die Datenschnittstelle DS, zurückgeführt. Die künstliche Intelligenz Kl erstellt dann basierend auf den Felddaten optimierte Prozess-Solldaten und/oder optimierte Entwicklungsdaten, welche wiederum als Grundlage zur Herstellung neuer Bauteile dienen.

Ein derartiges Fertigungssystem 1 kann beliebig zu (strichliert dargestellten) Fertigungssystemen mit mehr Produktionsvorrichtungen 10 bzw. mehr Fertigungszellen 12 skaliert werden, wodurch eine flexible Anpassung an geänderte Produktionserfordernisse gewährleistet ist. Bezugszeichenliste

1 Fertigungssystem

10 Produktionsvorrichtungen

12 Fertigungszelle

20 Datenerfassungsvorrichtung

30 Datenverarbeitungsvorrichtung

40 Datenplattform

50 Nachbearbeitungsprozesse

E, E', E1-E7 Entwicklungsdaten

F, F1 -F4 Felddaten

DS Datenschnittstelle

Kl Künstliche Intelligenz

P, P' Prozess-Solldaten