Prototyper erweist sich als fehlendes Glied für Werkzeughersteller

Sep 06, 2023

Ein Prototyp eines Stempels aus Kirksite kann innerhalb weniger Wochen gebaut werden. Bilder: Auto Metal Craft

Die Tooling Systems Group, Grand Rapids, Michigan, ist als Unternehmen für Stanzwerkzeuge, Formwerkzeuge, Montagesysteme, Stahlplattenherstellung, Maschinenverkauf und Auftragsbearbeitung gut etabliert. TSG ist ein anerkannter Tier-1-Lieferant von hochvolumigen Produktionsstanzwerkzeugen für eine beneidenswerte Auswahl an Automobil-OEMs, darunter GM, Ford, Toyota, Honda, BMW, FCA, Nissan, Volkswagen und Mercedes-Benz.

Das Unternehmen begann 1983 mit fünf Stanzformenherstellern und beschäftigt heute 600 Mitarbeiter. Das Unternehmen hat seine Kapazitäten und Fähigkeiten durch Übernahmen erweitert und ist heute eine Organisation mit 13 Unternehmen.

Die Werkzeugbaugruppe erlebte Situationen, in denen sie bei einigen Projekten Verluste erlitt, weil sie nicht über die eigene Prototyping-Expertise und -Fähigkeiten verfügte. Als das Unternehmen das Prototyping auslagerte, war es nicht in der Lage, kostenmäßig wettbewerbsfähig zu sein. Die Unternehmensleitung suchte nach einem Prototypenunternehmen, das sich ihr anschließen könnte.

Betreten Sie Auto Metal Craft, Oak Park, Michigan. Der Hersteller ist seit mehr als 70 Jahren auf Prototypenbau und Kleinserien-Stanzteile spezialisiert. 50 Mitarbeiter führen eigene Werkzeuge, Laserschneiden, Pressen und Inspektionen, Roboter-GMAW und Widerstandsschweißen durch. Sein größter Kunde ist GM.

Die Leidenschaft von Auto Metal Craft für die Branche und sein Fachwissen waren ziemlich gut etabliert. Die Größe des Unternehmens hat sich in den letzten fünf Jahren verdoppelt.

TSG machte ein Angebot zum Kauf des Prototypenunternehmens, und Auto Metal Craft nahm es an. Firmenpräsident Kent Woody ging in den Ruhestand und Vizepräsident Chuck Karch übernahm die Position des Präsidenten. Der Deal wurde am 22. August 2022 abgeschlossen.

„TSG wollte einen Prototypen-/Kleinserienlieferanten kaufen oder mit ihm fusionieren. Sie verpassten Chancen, weil sie nicht über eigene Prototypenkapazitäten verfügten“, kommentierte Karch. „Wir verfügen über das Wissen und das Know-how, um Werkzeuge in Kleinserien herzustellen.“

Karch fügte hinzu: „Wir sind immer noch Auto Metal Craft, aber wir sind Teil der Tooling Systems Group.“

Die Tatsache, dass ein großes Werkzeugbauunternehmen erkannte, dass es Prototyping-Fähigkeiten benötigte, zeigt deutlich, wie wichtig es ist, über diese Fähigkeiten zu verfügen.

„Einige Unternehmen haben darüber gesprochen, vom Prototyping wegzukommen und sagen, sie könnten es durch Computersimulation ersetzen. Das habe ich schon seit 25 Jahren gehört“, sagte Karch. „Das ist so weit von der Wahrheit entfernt. Sie brauchen diese physischen Teile immer noch.“

Bei der Validierung mit einem Prototyp werden Erkenntnisse gewonnen. Mit Prototypenwerkzeugen können vor der Herstellung von Hartwerkzeugen einfacher Änderungen vorgenommen werden.

Autohersteller kaufen Prototypenteile und Baugruppen von Auto Metal Craft, um sie zu validieren. Sie können Crashtests durchführen oder sie auf eine Teststrecke bringen. Sie wollen ein physisches Fahrzeug validieren, bevor es in Produktion geht, behauptet Karch.

„Außerdem wurden bei der Validierung Lehren gezogen … ‚Oh, das hat nicht funktioniert‘“, fuhr Karch fort. „Oder die Produktionsabteilung kommt und sagt: ‚Hey, das schaffen wir in der Produktion nicht.‘ Sie werden also einige Bereiche weicher gestalten, einige Änderungen vornehmen und in den meisten Fällen werden sie während des Programms auf uns zurückkommen und wir werden auch die Designänderungen als Prototypen erstellen.“

Das Werkzeugmaterial für Prototypen ist normalerweise unterschiedlich. der Herstellungsprozess ist anders und erfolgt in kürzerer Zeit; Die Matrizen sind kleiner und das Werkzeugmaterial kann kurz nach der Herstellung der zufriedenstellenden Teile wieder eingeschmolzen und wiederverwendet werden, was sich auf den Werkzeugpreis auswirkt. Das Wichtigste sei, dass die Herstellungszeit viel kürzer sei, so Karch weiter.

Hartes Werkzeug. Es kann Monate dauern, langfristige, robuste Werkzeuge zu entwerfen, und 30 Wochen, um sie zu bauen. „Eine Transfermatrize könnte 30 Fuß lang und sehr unhandlich sein. Sie besteht aus hartem Stahl wie D2. Sie kann sehr teuer sein, da viele kleine Werkzeugteile alle in großen Matrizenschuhen untergebracht sind. Alles ist darauf ausgelegt.“ das Werkzeug."

Auf einer Transferstraße beispielsweise wickelt ein automatischer Zuführer das Blech ab und führt es dem Werkzeug zu, um das Teil zu formen. Es können drei oder vier Umformvorgänge und einige Beschnittvorgänge im selben Werkzeug erfolgen. Die Außenverkleidungen und alle Löcher würden wahrscheinlich in der Matrize gestanzt. Die Matrize könnte mit Nocken ausgestattet sein, die Flansche bilden, sagte Karch. „Es können also 10 Stationen in einem Werkzeug sein, und am Ende spuckt es ein komplettes Teil aus.“

Sobald das Teil gestempelt ist, muss es validiert werden. „Sie müssen es PPAP [Produktionsteilgenehmigungsprozess] durchführen, es könnte also fast ein Jahr dauern, bis alles perfekt läuft.“

Prototypenwerkzeuge. Normalerweise werden Kleinserien- und Prototypenwerkzeuge anders gebaut als Hartwerkzeuge für die Massenproduktion, sagte Karch. „Es ist viel kostengünstiger. Es geht schnell. Wir können innerhalb weniger Wochen ein Formwerkzeug für ein Teil entwickeln.“

Der Hauptgrund dafür ist, dass Prototypenwerkzeuge nicht auf Langlebigkeit ausgelegt sein müssen und daher aus einem weicheren Metall hergestellt werden können. „Wir verwenden zwar etwas Stahl, etwas T6-Aluminium, aber normalerweise wird es aus Kirksite hergestellt. Das ist ein Werkzeugmaterial auf Aluminium-/Zink-Basis. Im Grunde entwerfen wir ein Werkzeug, wir lassen es in einer Gießerei gießen, wir bringen es hierher und Schneiden Sie es auf einer unserer Hochgeschwindigkeitsmühlen aus.

„Kirksite ist ein wiederverwendbares Material. Sobald wir die Teile gestanzt haben, warten wir … sagen wir ein Jahr nach dem letzten Durchgang, und dann können wir sie zum Einschmelzen an die Gießerei zurückschicken. Der Kunde muss also nicht wirklich zahlen.“ „Sie bezahlen für das Design, die Konstruktion, den Zuschnitt usw., aber nicht wirklich für Werkzeugstahl. Das sind schon große Einsparungen“, sagte Karch.

Laut Karch ist Kirksite-Werkzeugmaterial eine Spezialität in der Gegend von Detroit. „Ich kenne kein anderes Gebiet auf der Welt, in dem es zum Einsatz kommt. Das ist möglicherweise der Grund, warum in der Metropolregion Detroit die meisten Automobil-Prototypen und Kleinserien-Produktionswerkzeuge stattfinden.“

Selbst komplexe Stanzbaugruppen können als Prototypen hergestellt werden.

Ein weiterer Grund dafür, dass Prototypenwerkzeuge kostengünstiger sind als Hartwerkzeuge, besteht darin, dass sie viel kleiner sind, da sie nicht alle Prozesse umfassen, die bei Hartwerkzeugen erforderlich wären. Außerdem ist es so konzipiert, dass es von Hand gefüttert und transportiert werden kann. „Wir haben also einen Bediener, der einen Stahl- oder Aluminiumrohling von Hand in das Werkzeug einlegt und das Teil in einer handbetriebenen Presse stanzt. Das Teil wird nicht in der Presse besäumt. Wir legen es in einen unserer vier Laserschnitte.“ „Maschinen übernehmen den gesamten Beschnitt und die Löcher“, sagte Karch.

Zeitfenster. Der Matrizenentwurf wird an Auto Metal Craft geliefert und das Unternehmen baut die Werkzeuge. „Wir stempeln es. Wir bauen die Laservorrichtung intern ein, um die Zierleisten und Löcher laserzuschneiden. Möglicherweise qualifizieren wir sie für eine Prüfvorrichtung. Wir können diese Prüfvorrichtungen in ein paar Tagen bauen.“

Typischerweise werden Prototypen in sechs bis acht Wochen hergestellt. Selbst komplexe, vollständig zusammengebaute Werkzeuge und Prototypen könnten innerhalb von 14 Wochen fertiggestellt werden, sagte er.

„Manchmal haben wir Prototypen in anderthalb, zwei Wochen, drei Wochen fertigstellen lassen. Ein Projekt bestand aus 14 kleinen Klammern. Unser Kunde sagte: ‚Ich weiß, das ist verrückt, aber ich brauche sie in zehn Tagen.‘ „Wir haben es geschafft“, sagte Karch.

Typischerweise halten die Kirksite-Werkzeuge je nach dem zu formenden Material mindestens etwa 300 Teile. Wenn ein weicheres Material geprägt wird, kann diese Zahl bis zu 1.000 betragen.

Wenn Auto Metal Craft ein Projekt mit einer Menge von 1.200 Teilen hat, wird Stahl oder Aluminium-Werkzeugstahl mit der gleichen Einstellung wie bei Kirksite verwendet. Es kostet nur etwas mehr. Anstatt das Material zu gießen, kauft das Unternehmen Stahlknüppel und schneidet es anschließend per NC-Schneideverfahren. „Heutzutage gibt es viele superhochfeste Blechmaterialien, zweiphasige, sehr harte Arbeitsmaterialien, die tatsächlich härter als Kirksite sind, sodass sich die Werkzeuge schnell abnutzen. Dann müssten wir auf Stahl zurückgreifen.“

Lokale Lieferanten liefern Stahlausbrenner. Ein Ausbrenner ist ein dickes Stück Stahl, das mit einem Brennschneider geschnitten wurde, um es aus einer großen Platte herauszubrennen. „Wir müssen nicht die ganze Platte kaufen. Sie könnte 18 oder 20 Zoll dick sein. Wir schneiden sie CNC, bringen unsere Niederhalter an den Seitenwänden an und können sie in die gleiche Presse einbauen wie.“ „Wir betreiben die Kirksite“, sagte Karch.

Die Burnouts haben nur eine Vorlaufzeit von ein bis zwei Wochen, das geht also auch viel schneller. „Bei einem mittelgroßen Teil könnten wir eine Kirksite-Matrize bauen und die ersten Stanzteile in fünf Wochen haben; eine Stahlmatrize könnte acht Wochen dauern“, sagte Karch.

Das Unternehmen baut lediglich ein kleines Formwerkzeug und verzichtet auf sämtliche Schneidwerkzeuge, da die Teile per Laser zugeschnitten werden.

„Ein paar Tage, nachdem wir unser erstes Teil mit dem Laser geschnitten haben, haben wir eine Stanzung und können eine Qualitätsprüfung durchführen. Es ist einfach ein viel schnellerer Prozess. Es gibt immer noch ein bisschen Versuch und Irrtum, etwas Entwicklung, aber es geht einfach immer noch viel schneller.“ Sie können Stanzteile aus harten Stempeln erhalten.

Autohersteller kaufen Prototypenteile und Baugruppen von Auto Metal Craft, um sie zu validieren. Sie können Crashtests durchführen oder sie auf eine Teststrecke bringen. Sie wollen ein physisches Fahrzeug validieren, bevor es in Produktion geht.

„Aber wir machen nicht eine halbe Million Stanzteile. Was wir bauen, ist nicht für die Ewigkeit gedacht“, sagte Karch.

Mit dem Übergang der Automobilindustrie zu Elektrofahrzeugen erforderten laut Karch mehr Werkzeugprojekte mehr Prototypenbau, um neue Designs zu testen. Er sagte, dass Auto Metal Craft in letzter Zeit viele Prototypen für Elektrofahrzeuge hergestellt habe. „Wir haben vor allem im letzten Jahr viele Elektrofahrzeuge gesehen. Wir haben hier mehrere Batterieträger hergestellt. Die ersten Batterieträger-Prototypen, die wir gemacht haben, waren vor 12, 15 Jahren für den Hybrid-Chevy Volt.“

Der Hersteller habe rund 300 Baugruppen als Prototypen erstellt – nicht nur die Stanzteile, sondern auch Baugruppen für dieses Fahrzeug, sagte Karch.

„Viele neuere Start-up-Unternehmen für Elektrofahrzeuge wünschen sich inzwischen Stanzteile in kleinen Auflagen und kleinen Stückzahlen. Hier kommt die Kleinserienfertigung ins Spiel. Am Anfang wissen sie wirklich nicht, wie hoch ihre Stückzahlen sein werden.“

Das Unternehmen hat gerade ein großes Projekt für einen Tier-2-Lieferanten für einen neuen Lieferwagen abgeschlossen.

„Wir haben mehr Prototypen erstellt, als ich in der Vergangenheit gesehen habe. Es geht schneller. Also bauen wir die ersten Teile, dann nehmen sie Änderungen vor und dann noch mehr Änderungen und noch mehr Änderungen. Am Ende produzieren wir Hunderte von Teilen.“

„Ich denke, wir sehen mehr Baugruppen und mehr Batterieträger. Sie bestehen normalerweise aus Stahl und/oder Aluminium. Ich zitiere derzeit Aluminiumstrangpressteile, Stanzteile und einige Gussteile für einen Direktlieferanten an einen amerikanischen Hersteller eines elektrischen Antriebsstrangs, Lightning.“ E-Motoren.

„Viele unserer Kunden kommen zu uns, weil sie die Produktion beeilen wollen. Sie wollen ihre Produkte schneller in die Produktion bringen, was bedeutet, dass sie schnell Prototypen erstellen müssen“, sagte Karch.

Die Fusion von Auto Metal Craft mit TSG hat bereits gegenseitige Vorteile gezeigt.

TSG muss nicht mehr auf einige Projekte verzichten, weil es an Prototyping-Fähigkeiten mangelt. Es liefert alles vom Beginn eines Projekts an in der Prototyping-Phase und führt anschließend die Produktionswerkzeuge für dasselbe Projekt durch. „Jetzt können sie sagen: ‚Wir können Ihnen einen einmaligen Prototypen oder eine 100-teilige Serie liefern; oder wenn Sie eine 500.000-teilige Serie benötigen, haben wir auch die Möglichkeit. Jetzt können wir das Prototyping für Sie durchführen und dann.‘ „Bauen Sie die harten Matrizen für dasselbe Produkt.“ „Es gab ihnen einfach ein breiteres Spektrum an Fähigkeiten und eine weitere Möglichkeit, ihren Umsatz zu steigern“, sagte Karch.

Eine Prototypenstanzung zeigt, wo bestimmte Designmerkmale, wie z. B. scharfe Ecken, möglicherweise nicht herstellbar sind.

TSG unterstützt Auto Metal Craft auf institutionelle Weise. TSG verfügt über tiefere Bohrlöcher, um Investitionen in Investitionsgüter zu finanzieren. Es verfügt auch über Simulationsprogramme, die Auto Metal Craft nicht hatte.

Da TSG über eine Personalabteilung verfügt, die Auto Metal Craft bei Personalproblemen hilft. „Ein Problem, das wir hatten, war, die Arbeitskräfte und das Talent zu finden, um in dieser Branche zu arbeiten. Es wird immer schwieriger. Mindestens 90 % aller, die hier arbeiten, haben Erfahrung mit der Herstellung von Prototypenblechen.“

„Die Absicht ist, mit TSG weiter zu wachsen, dass TSG mit uns weiter wächst und in der Lage ist, mit einigen der wirklich großen Prototypenunternehmen zu konkurrieren“, fügte Karch hinzu.

Anstatt Beschnitte und Innenlöcher in der Matrize vorzunehmen, werden sie mit einem Laser geschnitten.