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Februar 2012
Sebastian Roller
Integrierte Lackierprozess-Simulation an virtuellen Fahrzeugprototypen in der Digitalen Fabrik
Um im aktuellen Marktumfeld bestehen zu können, muss von einem Automobilunternehmen eine variantenreiche Produktpalette mit einem hohen Innovationsgrad und exzellentem Qualitätsniveau angeboten werden. Eine Möglichkeit zur Bewältigung dieser Herausforderung bei immer kürzeren Modellzyklen ist der durchgängige Einsatz digitaler Methoden im kompletten Produktentstehungsprozess. Bei der Lackierplanung findet die Anpassung der Prozesse auf zukünftige Fahrzeuge sowie die Optimierung bestehender und Planung neuer Anlagen jedoch üblicherweise nach wie vor auf Basis von Versuchen statt. Bei dieser nach aktuellem Stand der Technik üblichen Vorgehensweise fallen nicht nur hohe Versuchskosten an, sondern zudem ergibt sich die Schwierigkeit, dass eine Anpassung der Prozesse auf neue Baureihen erst erfolgen kann, wenn Fahrzeugprototypen zur Verfügung stehen.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Verfahren entwickelt, mit denen Lackierprozesse in der Fahrzeugindustrie bereits frühzeitig durch digitale Simulationsmethoden abgesichert werden können. Dabei werden durch den Einsatz von numerischen Berechnungsmethoden die Prozesse bis zu den physikalischen Vorgängen abgebildet und optimiert. Bei den in dieser Arbeit betrachteten Lackierprozessen handelt es sich um die Tauchvorgänge der kathodischen Tauchlackierung (KTL) und die Trocknung des aufgebrachten KTL-Lacks. Beide Prozesse haben gemein, dass sich die betrachtete Rohbaukarosserie hierbei in einem komplexen Strömungsfeld befindet, welches bei den entwickelten Simulationmethoden durch Verfahren der numerischen Strömungssimulation berechnet wird.
In dieser Arbeit wird eine neuartige Vorgehensweise erarbeitet, mit der Fahrzeugkarosserien, Anlagen und Prozesse erstmals vollständig modelliert und berechnet werden können. Dadurch lassen sich die ablaufenden physikalischen Vorgänge wie z. B. das Ein- und Auslaufen der Prozessflüssigkeiten oder der Temperaturverlauf im Trockner detailliert digital betrachten. Dadurch wird zum einen der Prozess bewertet und zum anderen die Belastungen der Karosserie durch Strömungskräfte und Temperaturdifferenzen bestimmt. Durch Übertragen der Belastungen in eine strukturmechanische Berechnung werden dann die Beanspruchungen der Karosserie bestimmt.
Mit Hilfe der hier entwickelten Vorgehensweisen zur Lackierprozess-Simulation werden die Lackieranlagen und der Lackierprozess in Verbindung mit den digitalen Prototypen von neuen Fahrzeugen betrachtet. Dadurch kommt es zu einer frühzeitigen Verknüpfung von Produkt- und Prozessdaten. Anhand von Beispielen wird demonstriert, wie dies die simultane und ganzheitliche Bewertung und Optimierung von Anlage, Prozess und Produkt zu einem Zeitpunkt ermöglicht, bevor Hardware-Prototypen für Versuche zur Verfügung stehen. Weiterhin wird gezeigt, wie die Entwicklung neuer Lackierkonzepte und -anlagen mit Hilfe der vorgestellten Methoden wesentlich unterstützt wird.
Die in dieser Arbeit entwickelten Verfahren ermöglichen, dass notwendige Prozessoder Produktänderungen frühzeitig erkannt und umgesetzt werden. Die Kosten für Versuche werden reduziert und die Qualität zum Produktionsanlauf gesteigert.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Verfahren entwickelt, mit denen Lackierprozesse in der Fahrzeugindustrie bereits frühzeitig durch digitale Simulationsmethoden abgesichert werden können. Dabei werden durch den Einsatz von numerischen Berechnungsmethoden die Prozesse bis zu den physikalischen Vorgängen abgebildet und optimiert. Bei den in dieser Arbeit betrachteten Lackierprozessen handelt es sich um die Tauchvorgänge der kathodischen Tauchlackierung (KTL) und die Trocknung des aufgebrachten KTL-Lacks. Beide Prozesse haben gemein, dass sich die betrachtete Rohbaukarosserie hierbei in einem komplexen Strömungsfeld befindet, welches bei den entwickelten Simulationmethoden durch Verfahren der numerischen Strömungssimulation berechnet wird.
In dieser Arbeit wird eine neuartige Vorgehensweise erarbeitet, mit der Fahrzeugkarosserien, Anlagen und Prozesse erstmals vollständig modelliert und berechnet werden können. Dadurch lassen sich die ablaufenden physikalischen Vorgänge wie z. B. das Ein- und Auslaufen der Prozessflüssigkeiten oder der Temperaturverlauf im Trockner detailliert digital betrachten. Dadurch wird zum einen der Prozess bewertet und zum anderen die Belastungen der Karosserie durch Strömungskräfte und Temperaturdifferenzen bestimmt. Durch Übertragen der Belastungen in eine strukturmechanische Berechnung werden dann die Beanspruchungen der Karosserie bestimmt.
Mit Hilfe der hier entwickelten Vorgehensweisen zur Lackierprozess-Simulation werden die Lackieranlagen und der Lackierprozess in Verbindung mit den digitalen Prototypen von neuen Fahrzeugen betrachtet. Dadurch kommt es zu einer frühzeitigen Verknüpfung von Produkt- und Prozessdaten. Anhand von Beispielen wird demonstriert, wie dies die simultane und ganzheitliche Bewertung und Optimierung von Anlage, Prozess und Produkt zu einem Zeitpunkt ermöglicht, bevor Hardware-Prototypen für Versuche zur Verfügung stehen. Weiterhin wird gezeigt, wie die Entwicklung neuer Lackierkonzepte und -anlagen mit Hilfe der vorgestellten Methoden wesentlich unterstützt wird.
Die in dieser Arbeit entwickelten Verfahren ermöglichen, dass notwendige Prozessoder Produktänderungen frühzeitig erkannt und umgesetzt werden. Die Kosten für Versuche werden reduziert und die Qualität zum Produktionsanlauf gesteigert.
Schlagwörter: Fertigungsprozesssimulation; Digitale Fabrik; Fahrzeuglackierung; Kathodische Tauchlackierung; Numerische Strömungssimulation; Tauchprozess
Innovationen der Fabrikplanung und -organisation
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. U. Bracht, Clausthal
Band 27
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