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Rapid Tooling in der Praxis

Dr.-Ing. Frank Breitinger (apppex GmbH)

Die schnelle Herstellung von Prototypenwerkzeugen wird Rapid Tooling genannt. Braucht man dazu Rapid Prototyping-Verfahren? Dieser Bericht aus der Praxis soll darüber Auskunft geben.

1. Warum wird Rapid Tooling benötigt?

Der rasche technologische Fortschritt führt zu kürzeren Produktlebenszyklen und die Produkte werden komplexer. Daher wird es immer wichtiger, neue Produkte in kurzer Zeit auf den Markt zu bringen. Für die Produktentwicklung sind neben der Produktqualität und den während des Produktlebenszyklus entstehenden Kosten vor allem die benötigte Entwicklungszeit von Bedeutung. In verkürzten Entwicklungszeiten steckt ein erhebliches Gewinnpotential, das auf zwei Arten nutzbar ist.

Zum einen ist ein früher Markteintritt möglich. Ein Vorlauf gegenüber dem Wettbewerb kann einen höheren Gewinn erwirtschaften. Wird dagegen das Marktfenster verpasst, droht eine Gewinnminderung oder sogar Verlust.
Zum anderen kann bei Beibehaltung des anvisierten Markteintritts der Entwicklungsbeginn hinausgezögert werden. Durch die Verfügbarkeit von aktuelleren Marktdaten bei Projektbeginn können kurzfristige Veränderungen der Marktsituation noch vor Projektbeginn berücksichtigt werden.
Um die Effizienz der Produktentwicklung zu steigern, wurde die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung eingeführt. Alle Aktivitäten, die nur bedingt voneinander abhängig sind, sollen zum frühestmöglichen Zeitpunkt begonnen und parallel durchgeführt werden. Die Entkopplung der Aktivitäten macht den Gesamtzeitplan weniger anfällig gegenüber Verzögerungen einzelner Teilprozesse. Das Parallelisieren der Aktivitäten allein reicht aber nicht aus. Um Produkte und Prozesse besser aufeinander abstimmen zu können, muss das Wissen aller an der Wertschöpfung Beteiligten möglichst frühzeitig in den Entwicklungsprozess einfließen.

Durch den Einsatz von Modellen und Prototypen wird bereits frühzeitig eine systematische Durchleuchtung des Produktes auf Fertigungs- und Montagefreundlichkeit, auf den Kundennutzen, sowie auf potentielle Fehlerquellen ermöglicht. Dazu findet das Rapid Prototyping (RP) für Modelle und das Rapid Tooling für Prototypen im Zielwerkstoff Verwendung.
Aufgrund der oft langen Herstellungszeit und der vermeintlich hohen Kosten wurden in der Vergangenheit Modelle erst sehr spät eingesetzt. Die Hauptaufgabe ist es, kurz vor Serienanlauf perfekte Modelle herzustellen, um zu überprüfen, ob das Ergebnis der Konstruktion den gestellten Anforderungen entspricht. Dadurch wird die frühzeitige Überprüfung des gesamten Produktkonzepts nicht genutzt, um wichtige Entscheidungen an den Anfang der Produktentwicklung vorzuverlegen.

Durch die Einführung von RP hat sich der Modelleinsatz bezüglich der Herstellungszeit und -kosten verbessert, einige Anforderungen wurden noch nicht erfüllt:

• Die Modelle sind Unikate d.h., die Kosten für die Herstellung steigt stark mit der herzustellenden Anzahl. Aus diesem Grund werden gerade so viele gefertigt, wie unbedingt nötig.
• Die Modelle werden nicht im Serienwerkstoff und nicht im Serienverfahren hergestellt. Prozessspezifische Probleme können erst bei Versuchen mit dem Serienprozess, also kurz vor Serienanlauf aufgedeckt werden.
  Im Gegensatz zu RP-Verfahren werden durch Rapid Tooling Prototypen im Serienprozess und mit Serienwerkstoffen hergestellt. Die Entscheidung, Rapid Tooling einzusetzen, zwingt das Entwicklungsteam bereits frühzeitig, mit der Entwicklung des Serienprozesses zu beginnen, und parallelisiert dadurch Produkt- und Prozessentwicklung. Damit ergeben sich die folgenden positiven Effekte:
  
• Durch die Parallelisierung wird wertvolle Entwicklungszeit eingespart. Verfahrensspezifische Probleme können frühzeitig entdeckt und lange vor Serienanlauf beseitigt werden.
  
• Mit Hilfe von Prototypenwerkzeugen kann im Vergleich zu anderen Verfahren mit geringerem Aufwand eine größere Anzahl von seriennahen Prototypen hergestellt werden. Die Kosten korrelieren nur gering mit der Anzahl der hergestellten Bauteile. Allen an der Wertschöpfung beteiligten Teilprozessen kann eine große Anzahl von Versuchsmustern zur Verfügung gestellt werden.
  
• In vielen Branchen sind zur Markteinführung eine Vielzahl von Prüfungen und Zulassungen nötig. Prüfstellen bestehen darauf, dass die Testmuster im Serienprozess und im endgültigen Werkstoff hergestellt sind. Durch die Verwendung von Rapid Tooling werden diese Anforderungen frühzeitig erfüllt.
  

2. Wie funktioniert Rapid Tooling?

Das Rapid Tooling kann hinsichtlich zwei Aspekten, dem organisatorischen und dem technischen Aspekt, unterschieden werden. Dabei zeigt die Erfahrung, dass durch eine effiziente Betriebsorganisation mehr erreicht wird als durch technische High-End-Anwendungen. Als Beispiel sei hier ein Anbieter für Prototypenwerkzeuge aufgeführt, der mit alten Fräsmaschinen (Spindeldrehzahlen 4000 U/min, kein Werkzeugwechsler) und Erodier-maschinen ohne Elektrodenwechsler deutlich weniger Zeit zur Fertigstellung von Prototypenwerkzeugen benötigte als ein Serienwerkzeugbauer. Was war das Geheimnis? Konsequente Vorhaltung von Fräs- und Erodierkapazitäten im Drei-Schicht-Betrieb mit manuellen Werkzeug- und Elektrodenwechseln. Allerdings hat sich dies aufgrund des überproportionalen Personaleinsatzes und den bei kleinen Fräswerkzeugdurchmessern schlechteren Fräsergebnissen nicht dauerhaft bewährt.

2.1 Organisatorische Aspekte des Rapid Tooling
Mit dem zuvor genannten Beispiel soll illustriert werden, dass die schnelle Herstellung von Prototypenwerkzeugen nicht ausschließlich von der technischen Ausstattung beeinflusst wird. Die Herstellzeit teilt sich auf in die Vorlaufzeit, die benötigt wird, ein neues Projekt zu beginnen und in die Durchlaufzeit, die für die Werkzeugkonstruktion und Fertigung des Prototypenwerkzeuges inkl. Erstmusterung anfällt.
Ziel eines Rapid Tooling-Anbieters ist es, gerade soviel Kapazität vorzuhalten, damit die Vorlaufzeit den Ansprüchen der Kunden genügt. Das Vorhalten von ungenützten Kapazitäten ist teuer. Zwar können durch abgeschriebene Alt-Maschinen diese Kosten verringert werden, jedoch entstehen damit bei der Fertigungsqualität Nachteile.
Statt eine Optimierung der Durchlaufzeit wird im Serienwerkzeugbau durch eine Auslastungsorientierung ein günstiger Maschinenstundensatz erreicht. Erkauft wird dies mit einen hohen Anteil von Liegezeiten. Durch organisatorische Maßnahmen wie Blockfertigung, hoher Anteil von Selbstfertigung und konsequenten Einsatz flexibler Arbeitszeiten erreicht ein Rapid Tooling-Anbieter sehr kurze Durchlaufzeiten. Diese als Durchlauforientierung bezeichnete Vorgehensweise ist der Hauptunterschied zum Serienwerkzeugbau.

2.2 Technische Aspekte des Rapid Tooling
2.2.1 Einsatz von RP-Verfahren
Obwohl der Begriff des Rapid Tooling vom Rapid Prototyping abgeleitet wurde, ist es möglich, ohne RP-Verfahren Rapid Tooling anzubieten. Ungeachtet den Fortschritten der metallischen RP-Verfahren hinsichtlich Genauigkeit und Oberflächengüte sowie dem Einsatz in fertigungstechnischen Nischen, Stichwort konturfolgende Temperierung, muss die Wirtschaftlichkeit in Frage gestellt werden.
Der gesamte Herstellungsprozess von Rapid Tooling-Werkzeugen besteht nur zur Hälfte aus den konturgebenden Formeinsätzen. Nachdem in der Regel durch die HSC-Verfahren ein großer Anteil der Bearbeitung von Aluminium- oder Stahlformeinsätzen abgedeckt wird, soll durch die RP-Verfahren in erster Linie der Senkerodierprozess ersetzt werden. Allerdings unterliegen Prototypenwerkzeuge einem höheren Änderungsaufwand. Diese Änderungen erfordern oft einen weiteren Materialabtrag durch Einbringen zusätzlicher Konturelemente. Daher wird auch das Fertigungsverfahren Senkerodieren bei einem Rapid Tooling-Anbieter benötigt.
Damit verwendet ein Rapid Tooling-Anbieter alle Fertigungsverfahren, die auch einen Serienwerkzeugbauer auszeichnen. Weil die konventionellen Fertigungsverfahren vorhanden sind, liegt derzeitig der sinnvolle Einsatzbereich eines metallischen RP-Verfahrens bei einem geringen Prozentsatz.
Demgegenüber steht ein vielfach höheres Investitionsvolumen. Die Lösung wäre, durch eine Vervielfachung des Umsatzes das Investitionsvolumen anzupassen. Dann ergeben sich allerdings erhebliche Schwierigkeiten bei der Durchlauforganisation, die nur bei kleinen Organisationen funktionieren kann. Somit ist derzeitig der Einsatz der metallischen RP-Verfahren für Rapid Tooling aus wirtschaftlichen Gründen in Frage gestellt, auch wenn von der prozesstechnischen Seite Fortschritte erkennbar sind.

2.2.2 Einsatz von „konventionellen“ Fertigungsverfahren
Es hat sich gezeigt, dass die richtige Anwendung vorhandener und erprobter Technologien ausreicht, um sehr schnell Prototypenwerkzeug herzustellen. Dazu zählt im ersten Schritt der durchgängige Einsatz von 3D-CAD/CAM. Dabei heißt durchgängig nicht, dass alle Konstruktionsschritte auf dem gleichen CAD/CAM-System erledigt werden müssen. Aufgrund der hohen Automobilastigkeit des Rapid Toolings ist zur Vermeidung von Schnittstellenproblemen CATIA Standard. Zur Durchführung der weiteren Aufgaben sind aber andere Systeme geeigneter, selbst unter Berücksichtigung des Verzichts auf Datenkonsistenz..
Moderne Fräsmaschinen mit Werkzeugwechslern und hohen Spindeldrehzahlen, zum Teil als 5-Achsen-Maschinen, sowie Erodiermaschinen mit Elektrodenwechslern gehören inzwischen zur Standardausstattung eines Serienwerkzeugbauers. Letztendlich unterscheidet sich der Rapid Tooling-Anbieter davon nicht. Es kommt nur darauf an, mit welchem Organisationsprinzip diese Technologie eingesetzt wird.
Eine weitere Maßnahme ist der Einsatz eines Werkzeugsystems, das individuell angepasst werden kann. Dieses sogenannte flexible Formrahmensystem kann auch unterschiedliche Schieberpositionen zulassen. Als Baukastensystem ausgeführt erlaubt es in vielen Fällen den Verzicht auf die Herstellung eines Formrahmens. Dabei wird berücksichtigt, das mit dem Prototypenwerkzeug im Vergleich zum Serienwerkzeug nur eine geringe Anzahl von Bauteilen, in der Regel 100 bis 1000 Teile, gefertigt werden.

Fazit: Es ist möglich, ohne teure RP-Verfahren schnell Prototypenwerkzeuge herzustellen. Dazu benötigt ein Rapid Tooling-Anbieter vor allem die durchlauforientierte Betriebsorganisation. Erst im zweiten Schritt spielt die technische Ausstattung eine Rolle. Aufgrund des eingeschränkten Einsatzbereiches sind metallische RP-Verfahren für den Werkzeugbau noch zu teuer und nur selten wirklich notwendig. Außer als Marketingmaßnahme, um die eigene Fortschrittlichkeit zu beweisen.