STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE - dynardo.de · STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker 02.06.2017 TRUMPF optiSlang in der Entwicklung vom Laservollautomat TruLaser

STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker 02.06.2017

TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG

STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSEzur ganzheitlichen Optimierung von komplexen Blechbaugruppen

Christoph Blömker

Weimar, 02.06.2017

Vorentwicklung Vernetzte Systeme

präsentiert zu den 14. Weimarer Optimierungs- und Stochastiktagen 2017 Quelle: www.dynardo.de/library

STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker 02.06.201702.06.2017STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker

TRUMPF

optiSlang in der Entwicklung vom Laservollautomat

TruLaser Center 7030

parametrische Strukturoptimierung

kombinierte Struktur- und HK-Analyse

Zusammenfassung

2

AGENDA

STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker 02.06.2017 3

TRUMPF ist…

… ein Familienunternehmen

…Innovationsführer

…Technologieführer

… international aufgestellt

seit 1923

in zwei

Geschäfts-

Bereichen

71 Tochtergesellschaften ständige Veränderung

NPI

3D

-CAD

Global

Service

FMEA

KIS

SAP

R/3

TruServices

FEM

smarT

TPM

Kenn-zahlen

Synchrone

Produktion

Virtual Reality

VR

InfoTec

ForsaT

Tru-Name

QFD

TRIZ

Modularisieru

ngIntegrierteProdukt-

entwicklungPO Re-

organisation

Produktions-

einheiten Qualitäts-

standard

SYNCHRO

4Purchasing

Excellence

Standard

Projektmgmt

Produktakte

Sales

Excellence

Innovations-

mgmt

Büro

SYNCHRO

Nutzenorientiertes Pricing

CRM

Messe-

konzept

Produkt-

mgmt.

Lieferantenmanagement

Entwicklungs-

PMStandort

Entw.konzepte

AusbildungSYNCHRO-

SpezisTechnologie

Teams

OE

LT

50:50

SYNCHRO plus

Kata

Baureihe

Lieferanten-portal

Produktpfleg

e teams

Plattform-entwicklunm

Multiprojekt-management

Rendite-programm R10

xPert

Easy WM

PurchasingExcellence

Zentral-

bereicheTalent-

programm

ERABündnis für

Arbeit bei

TWN

KVP

3. Bündnis

für Arbeit

Qualifizierung Mitarbeiter

FK-

Beurteilung

Arbeitszeit-

regelung FK-

Trainings

Kunden-

orientierung

Mitarbeiter-

portalTOP

Internationa-ler Personal-austausch 2. Bündnis

für Arbeit

Gesundheits

politik

Familientage

Gruppen-

arbeit

Bündnis

für Arbeit

Potential-

analyse

Neues

Broschüren-

konzept

MIT

Standard Hierarchie-

ebenen

Bündnis für

Arbeit bei TE

Quali in

Kurzarbeit

MINT

Programm

Bündnis für

Arbeit 2016

Mitarbeiter-

befragungenZielvereinbaru

ng

Karriere-

bausteine

Experten-

ebenen

Führungs-

strukturen

TruMatic

7000

TCL

2510 TLC 6005

Schalt-

schrank

TC 1000 R

TruLaser Cell 7000

TC 3000 RTC 500R

TLC 5005

TrumabendV-Serie

TC 200R

TC 600L

TLC 1005

TC 2000R

Tube-

matic

TC 5000R

Qualifier

TLC

Cut 5

TC L

3050

TC 6000 L

TCL

6050

Bendmaster

TruLaser

5030

TruStore

1030/3030

TruLaser

2030

Tru Tops

Fab

TC 3000 L

TC L 3040

TRB

V-Serie

TruLaser

7040 ÜFTSC1

TruLaser

3030 NEU

TruBend

7000

TruLaser

Tube 7000

TruMatic

3000 Fiber

TruBend

Cell

TruPunch3000

TruLaser

5030 Fiber

TruLaser

1030

Turbo-

Laser

TruLaser

5040 Fiber

TCL 3030

Ultrakurz-

Puls-Laser

TruTops

Boost

BrightLine

fiber

1990 1995 2000 2005 2010

* Geschäftsbereich Werkzeugmaschinen

Menschen

Methoden

Produktion in

China

VSZ Italien

Produktion in

CZTG

Russland

2. Job Shop

in China

Produktionin Mexiko

Produktion in

Polen

TG Indien

TG

NL

RepOffice

Vietnam

Job Shop

Indonesien Produktion

Taiwan

1. Job Shop

CNJoint

Venture China

TG

Deutschland

TG

Korea TG

Singapur

Ausbau

USA VSZ

Tschechien

Med. Prod.

In China

Produktion

In Japan

ProduktionFaserlaser in

GB (SPI)

Erwerb JFY

Produktion

Japan neu

Produktion

Singapur Erwerb

Codatto

TG Ungarn

Erwerb

IMM

Märkte

Maschinen*

Hauptsitz in Ditzingen nahe Stuttgart Lasertechnik und Werkzeugmaschinen


Unternehmenskennzahlen und Umsatzentwicklung

4

Auf einen Blick

In Mio. (€)

Umsatz Geschäftsjahr 2015/16

2,808 Mrd. €

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

1949/50 1959/60 1969/70 1979/80 1989/90 2001/02 2015/16

GJ: 1.7.-30.6.

GJ 2015/16

Umsatz (in Mio. €) 2.808,5

Ergebnis vor Steuern (in Mio. €) 303,1

Investitionen (in Mio. €) 137,6

F+E Aufwendungen (in Mio. €) 296,2

Mitarbeiter (Anzahl zum 30.06.2016) 11.181


Weltmarkt- und Technologieführer in der Fertigungstechnik

5

Unsere Geschäftsbereiche

Werkzeugmaschinen Lasertechnik / Elektronik

Werkzeugmaschinen

für die flexible Blech- und

Rohrbearbeitung

Laser für die

Fertigungstechnik

Stromversorgungen für

Hochtechnologieprozesse

2,52 Mrd. € Umsatz

7.355 Mitarbeiter

1,01 Mrd. € Umsatz

2.957 Mitarbeiter

Zahlen Geschäftsjahr 2016/17


Baugruppen mit optiSlang analysiert

„Entwicklung innovativer Systeme Bedarf den Einsatz

intelligenter Methoden“

TruLaser Center 7030

„Laserschneiden so einfach wie drucken“

Beispiel: Laservollautomat TruLaser Center 7030

6

Anwendung von optiSlang in der Maschinenentwicklung

SortMaster Speed

Klemmeinheit (Blech-Vorschubachse)

Parametrische

Strukturoptimierung

Kombinierte

Struktur- und HK-

Analyse

Weltneuheit, vorgestellt 10/2016

Selbstständig

Programmierung auf Knopfdruck

Automatisiertes Beladen/Entladen

Schnell und flexibel

Höchste Produktivität

Bearbeitung großer sowie filigranster Teile

Zuverlässigkeit

Prozesssicherheit durch Intelligenz

https://www.trumpf.com/filestorage/TRUMPF_Master/Products/Machines_and_Systems/2D_laser_cutting_machines/TruLaser_Center_7030/TruLaser-Center-7030-L26-product-film-DE.mp4

https://www.trumpf.com/filestorage/TRUMPF_Master/Products/Machines_and_Systems/2D_laser_cutting_machines/TruLaser_Center_7030/TruLaser-Center-7030-L26-product-film-DE.mp4


Am Beispiel der Automatisierungseinheit der TruLaser Center 7030

7

Parametrische Strukturoptimierung

SortMaster Speed

Anforderungen

Prozesssichere Teileentnahme Steifigkeit bei hohen Prozesskräften (insg.10.000N Pin-Kraft)

Keine Rückwirkung auf Schneidprozess „sanftes“ Aufsetzen während des Schneidens

Großer Arbeitsbereich von 5,0 m x 4,8 m (x 0,6 m) auskragende Mechanik

Produktivität bei hauptzeitparalleler Teileentnahme höchste Dynamik

Der SortMaster Speed entnimmt

und stapelt hauptzeitparallel

große und kleine Teile in

Rekordzeit

https://www.trumpf.com/filestorage/TRUMPF_Master/Products/Machines_and_Systems/2D_laser_cutting_machines/TruLaser_Center_7030/TruLaser-Center-7030-L26-SortMasterSpeed-DE.mp4

https://www.trumpf.com/filestorage/TRUMPF_Master/Products/Machines_and_Systems/2D_laser_cutting_machines/TruLaser_Center_7030/TruLaser-Center-7030-L26-SortMasterSpeed-DE.mp4


Wandstärkenanalyse zur Optimierung der Blech-Schweißkonstruktion

8

Aufgabe: Gewichtsreduktion der Automatisierungseinheit…

7 Lastfälle

Variation Wandstärken (0 bis 20mm)

XZ-Einheit = 620 kg

davon Blech = 325 kg

XZ-

Einheit

18 Variations-Parameter

7 FE-Rechnungen

52 Min Rechenzeit 15 Ergebnisgrößen

Verschiebungen, Eigenfreq.,

Verkippungen, Masse, …

Aufwand konventioneller DoE*-Methoden:

2-Werte pro Parameter, z.B. 1 mm & 10 mm (ohne nichtlineare Zusammenhänge)

Full-Factorial Analysis: 218 * 52 min = 26 Jahre Rechenzeit

Klassische Parametervariation für Wandstärkenoptimierung nicht möglich!

aX, aY, aZ,…

Fpin

x1, x2, z1,…

phix, phiY,…

fo,1, fo,2,,…

… ohne Einbußen bei Steifigkeit und Dynamik

* DoE = Design of Experiments

Setup:


Meta-Modellbildung und Sensitivitätsanalyse mit optiSlang Inside ANSYS Workbench

Vorgehensweise

Vorgabe Wertebereiche,

„Abrastern“ des Parameterraums Übergabe der Parametersätze

(80 Design-Points)

Ergebnisgrößen

für jeden Design-Point

FE-Berechnung

9

Korrelationsanalyse

und Modellbildung

Meta-Modell

mit Prognose-

Fähigkeit CoP > 93 %

Aufwand Meta-Modellbildung (stetige Wertebereiche von 0,1 mm – 20 mm)

Latin Hypercube Sampling: 80 * 52 min = 69 Stunden Rechenzeit

Parameteranalyse mit vertretbarem Aufwand automatisiert durchführbar!


Wandstärkenoptimierung auf Meta-Modell

10

Ergebnis

Z-Träger

Z-Winkel

X-Träger

8 6 mm

8 4 mm

8 5 mm

8 0 mm

8 4 mm

8 4 mm

8 4 mm

8 4 mm

12 10 mm

8 8 mm

8 5 mm

20 15 mm

Massen:

XZ-Einheit = 620 kg

davon Blech* = 325 kg

nach Optimierung = 223 kg * Bleche, die bei Parameter-

variation berücksichtigt wurden

- 102 kg

(= - 31%)

Reduktion der Masse um 102 kg je Master bei nahezu gleicher Steifigkeit!

Randbedingung:

Steifigkeitsverlust < 5 % bei allen LF

Optimierungsziel: Minimiere Masse

Massenverlauf

bei Optimierung

(6832 Iterationen in

4,47 min Rechenzeit)


… muss alle Anforderungen der Baugruppe berücksichtigen!

11

Parametrische Strukturoptimierung …

Blech-Baugruppe: Klemmeinheit Anforderungen

Y

X

Z

Parameter

Abmessungen

Blechdicken

Biegeschenkel

Rippenanzahl

…

Pflichten-

heft

Berechnung der Zielgrößen

𝑥

Technische Zielgrößen:𝑘𝑠𝑡𝑖𝑓𝑓(𝑥 )∆𝑢𝑖(𝑥 )

𝑓0,𝑖(𝑥 ) 𝜎𝑚𝑖𝑠𝑒𝑠(𝑥 )

Wie konstruiere ich kosteneffizient?

Technische und wirtschaftliche Zielgrößen werden nicht gemeinsam analysiert / optimiert

keine Transparenz über Zusammenhänge zwischen Geometrie, Kosten und Strukturverhalten

Was kostet mich zusätzliche Steifigkeit? Schweißnaht oder doch Biegung?

HK-Workshop: wo kann / darf ich einsparen?

Ziel: frühzeitige, kombinierte Struktur- und Herstellkostenanalyse zur ganzheitlichen Optimierung

von komplexen Blech-Baugruppen

Wirtschaftliche Zielgröße:

€𝐻𝐾(𝑥 )


Idee einer parametrischen, multidisziplinären CAE-Analyse

12

Kombinierte Struktur- und Herstellkostenanalyse

ZieloptimierungZieloptimierung

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Generierung und Übergabe

der Designvariablen 𝑥

Designstudie (Iterativer Durchlauf)

Optimierungen

Parametrische Analyse

x1

x2

x3

𝑓 𝑥 Metamodell

𝑓𝑚𝑖𝑛

Sensitivitätsanalyse

Metamodell

Zusammenhänge zwischen Geometrie, Kosten und

Strukturverhalten werden transparent

Optimierungsberechnungen mit verschiedenen

Zielgrößen, Gewichtungen und Randbedingungen möglich

Workflow-

Manager

Geometrie

(CAD)

𝑓 𝑥 = 𝜎, 𝑓0, 𝑢𝑓𝐻𝐾 𝑥 = €𝐻𝐾

𝜎

€𝐻𝐾

𝑥

𝑓0


Parametrischer Aufbau der Geometrie

13


x1 x2 x3…

2 1,5 20 ..

Schnitt-

länge

Anzahl

Schnitte

Anzahl

Biegungen

Schweiß-

länge

…

Teil 1 … … … … …

Teil 2 … … … .. …

SolidWorks

Design Table

Geometrie

Mulitbody Part

Volumenmodell

Zuschnitts- und

Schweißnahtlisten

Parameter

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)

𝑥

Abmessungen

Blechdicken

Biegeschenkel

Rippenanzahl

…


Kopplung Geometrie mit Strukturanalyse

14


x1 x2 x3…

2 1,5 20 ..

Schnitt-

länge

Anzahl

Schnitte

Anzahl

Biegungen

Schweiß-

länge

…

Teil 1 … … … … …

Teil 2 … … … .. …

SolidWorks

Design Table

Geometrie

Mulitbody Part

Volumenmodell

Zuschnitts- und

Schweißnahtlisten

ANSYS Workbench

Parameter Set

DesignModeler

Oberflächenmodell

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)


Kopplung Geometrie mit Strukturanalyse

15


Lastfall: Erdbeschleunigung (g=9,81m/s2)

Total Deformation in mm

Lastfall: Modalanalyse (35,4Hz)

Total Deformation

Lastfall: Steifigkeit der Klötze

Total Deformation in mmLastfall: Y-Beschleunigung (a=8m/s2)

Total Deformation in mm

g

aF1 F2

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)

𝑓 𝑥 = 𝜎, 𝑓0, 𝑢


Parametrische Herstellkostenberechnung

16


€HK

Anwendung

API-Zugriff

Herstellkosten-

berechnung

x1 x2 x3…

2 1,5 20 ..

Schnitt-

länge

Anzahl

Schnitte

Anzahl

Biegungen

Schweiß-

länge

…

Teil 1 … … … … …

Teil 2 … … … .. …

SolidWorks

Design Table

Geometrie

Mulitbody Part

Volumenmodell

Zuschnitts- und

Schweißnahtlisten

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)


Herstellkostenmodell (Maschinen-) Stundensatzrechnung

17


HK

Herstellkosten

MK

Materialkosten

Einkaufspreis

FK

Fertigungskosten

Zuschnitt der Abwicklung

Entgraten/Richten

Abkanten

Montage

Laserschweißen

Manuelles Schweißen

Verputzen

Datenbasis

Pro

zessk

ett

e B

lech

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)

𝑓𝐻𝐾 𝑥 = €𝐻𝐾

Geometrieparameter SolidWorks (Zuschnitts-, Schweißlisten)

Verfahrensspezifische Parameter TruTops Regelwerke (Laserschneiden, Laserschweißen)

Kalkulatorische Parameter SAP & Zeitstudien (Stundensätze, Rüst-/Montagezeiten)

Werkstoffspezifische Parameter SAP (Einkaufspreise, Verschrottungsgutschriften)


Automatischer CAE-Workflow

18


x1 x2 x3…

2 1,5 20 ..

Schnitt-

länge

Anzahl

Schnitte

Anzahl

Biegungen

Schweiß-

länge

…

Teil 1 … … … … …

Teil 2 … … … .. …

€HK

Anwendung

API-Zugriff

Herstellkosten-

berechnung

SolidWorks

Design Table

Geometrie

Mulitbody Part

Volumenmodell

Zuschnitts- und

Schweißnahtlisten

OptiSlangANSYS Workbench

Parameter Set

DesignModeler

Oberflächenmodell

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)

𝑓 𝑥 = 𝜎, 𝑓0, 𝑢

𝑓𝐻𝐾 𝑥 = €𝐻𝐾


Automatischer CAE-Workflow

19


Vergleich Berechnungszeit für Anwendungsfall Klemmeinheit

„konventionell“, 10 diskrete Werte:

Full Factorial = 1018 Kombinationen·12 min = 2,28·10^13 Jahre Rechenzeit

Aufwand automatischer CAE-Workflow:

Latin Hypercube Sampling = 80 Berechnungen·12 min = 16 Stunden Rechenzeit

Workflow-

Manager

HK-

Berechnung

Struktur-

Simulation

Geometrie

(CAD)


Ergebnisse

0

5

10

15

20

25

Co

Pin

%

Y-Beschleunigung: Verschiebungen des Klotzanschalgs in Y-Richtung (CoP=89%)

0

10

20

30

40

50C

oP

in %

Allgemein: Herstellkosten (CoP=98%)

0

10

20

30

40

50

Co

Pin

%

Erdbeschleunigung: Verschiebungen des mittleren Bodenblechs in Z-Richtung

(CoP=89%)

0

20

40

60

80

100

Co

Pin

%

Steifigkeit der Klötze: Verschiebungendes Klotzanschalgs in Y-Richtung

(CoP=98%)

Ma

ß d

er

Ein

flu

ss

na

hm

e in

%

0

5

10

15

20

25

Co

Pin

%

Y-Beschleunigung: Verschiebungen des Klotzanschalgs in Y-Richtung (CoP=89%)

0

10

20

30

40

50C

oP

in %

Allgemein: Herstellkosten (CoP=98%)

0

10

20

30

40

50

Co

Pin

%

Erdbeschleunigung: Verschiebungen des mittleren Bodenblechs in Z-Richtung

(CoP=89%)

0

20

40

60

80

100

Co

Pin

%

Steifigkeit der Klötze: Verschiebungendes Klotzanschalgs in Y-Richtung

(CoP=98%)

Ma

ß d

er

Ein

flu

ss

na

hm

e in

%

Anzahl Rippen ist

Kostentreiber

aber nicht maßgebend

für Steifigkeit in Y

Gleiche Funktion kann

„günstiger“ gelöst

werden

Durchführung von Sensitivitätsstudien

Sensitivitäts-Analysen

Zusammenhänge zwischen Kosten, Strukturmechanik und Geometrie werden transparent

Y

X

Z

Herstellkosten gesamt

(CoP = 98%)

Nachgiebigkeit bei

Y-Beschleunigung (CoP = 89%)

Maß

der

Ein

flussnahm

ein

%

Maß

der

Ein

flussnahm

ein

%


Ergebnisse

„Pareto-Front“

Herstellkosten in €

Na

chg

iebig

ke

it b

ei

Y-B

eschle

un

igu

ng

Kombinierte Struktur- und Herstellkostenoptimierung

Einbindung eines Optimierungsalgorithmus

Berechnung

von 10`000 DPs

in ca. 5 min

Mehrziel-Optimierung auf MOP

DP 4215:

DP 0: Referenz

Technische Zielgrößen:

𝑘𝑠𝑡𝑖𝑓𝑓∆𝑢𝑖𝑓0,𝑖 𝜎𝑚𝑖𝑠𝑒𝑠

Wirtschaftliche Zielgröße:

€𝐻𝐾 MIN

Herstellkostenreduktion um 27 % bei geforderter / gleicher Steifigkeit


Zusammenfassung

22


erlaubt erstmalig ganzheitliche Analyse/Optimierung komplexer Blechbaugruppen

multidisziplinäre Analyse ermöglicht

Identifizierung von Kostentreibern

kosteneffizientes Konstruieren

wird zukünftig in verschiedensten Maschinenprojekten bei TRUMPF eingesetzt

Parametrische Strukturoptimierung

Meta-Modellbildung über Sampling-Methoden erlaubt wirtschaftliche Berechnungs- und

Analysezeiten auch bei vielen Parametern und Lastfällen

bereits „einfach aufgebaute“ Workflows erzielen sehr gute Ergebnisse

STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker 02.06.2017STRUKTUR- UND HERSTELLKOSTENANALYSE, Christoph Blömker

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Christoph Blömker, Vorentwicklung Vernetzte Systeme

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