Fallstudie: Halterung für die Automobilindustrie – vom Prototyp bis zur Serie von 500 Stück

Der Kunde legte eine fertige STEP-Datei für eine Halterung des Kabelbaums in einem Elektrofahrzeug vor. Das Modell war funktional korrekt, jedoch aus fertigungstechnischer Sicht nicht optimal – und wie sich herausstellte, ließen sich eine ganze Reihe von Kosten bereits vor der ersten Zerspanung einsparen. Hier ist die gesamte Geschichte, vom ersten Modell bis hin zu 500 Stück auf einer Palette.

Die Fallstudie zeigt, welche Vorteile sich ergeben, wenn DFM und die Wahl der Technologie bereits zu Beginn berücksichtigt werden und nicht erst nach der ersten kostspieligen Serienproduktion. Das Bauteil ist einfach – eine Kabelbaumhalterung –, doch gerade bei einfachen Bauteilen zeigt sich am deutlichsten der Unterschied zwischen „das lässt sich herstellen“ und „das lässt sich gut und kostengünstig herstellen“. Das Projekt dauerte sechs Wochen vom ersten Modell bis zur Auslieferung der Serienproduktion.

Die Halterung hält den Kabelbaum im Fahrwerk des Elektrofahrzeugs – sie ist nur geringfügig belastet, muss jedoch präzise an zwei Befestigungspunkten sitzen und Vibrationen sowie Temperaturwechseln standhalten. Der Kunde lieferte ein fertiges STEP-Modell: einen CNC-gefrästen Aluminiumblock (6082-T6) mit einer pauschalen Toleranz von ±0,05 mm auf alle Maße, geplante Serie: 500 Stück. Funktional passte das Modell zwar, war jedoch „aus dem Vollen“ entworfen worden, ohne Rücksicht darauf, wie es tatsächlich hergestellt werden würde.

Bei der DFM-Prüfung sowie der anschließenden manuellen Überprüfung wurden drei konkrete Probleme festgestellt – jedes für sich genommen lösbar, die jedoch in ihrer Gesamtheit dazu führten, dass aus einem kostengünstigen Bauteil ein teures wurde:

• Innenecke mit Nullradius – mit einem Fräser nicht herstellbar; hierfür wäre EDM oder ein Kompromiss erforderlich; die klassische „scharfe Ecke“-Falle
• Zwei Befestigungslöcher, die zu nahe an der geplanten Kante liegen und sich an einer Stelle befinden, an der sie bei der Blechausführung im Biegebereich lägen
• Eine pauschale Toleranz von ±0,05 mm auf allen Flächen, obwohl lediglich zwei Auflageflächen und die Teilung der Befestigungslöcher funktionskritisch waren

Fazit: Das Bauteil müsste auf einer präziseren (teureren) Maschine bearbeitet werden, mit Schlichtdurchläufen an Flächen, an denen dies funktional gar nicht erforderlich ist, und mit einem Risiko an der scharfen Ecke. Die ursprüngliche DFM-Bewertung lag bei 62/100.

Die entscheidende Frage lautete nicht „Wie lässt sich die Bearbeitung kostengünstiger gestalten?“, sondern „Ist CNC überhaupt die richtige Technologie?“. Die Form der Konsole – im Wesentlichen ein gebogenes Profil mit Befestigungslaschen – ist ein klassisches Anwendungsgebiet für Blechbearbeitung. Nach Rücksprache mit dem Fertigungsingenieur wurde das Bauteil zu einem gebogenen Stahlblech mit einer Dicke von 2 mm umgestaltet: zwei gebogene Arme mit Befestigungslaschen, ein Innenradius, der der Dicke entspricht, sowie eine durch die Kante statt durch das Material selbst erzielte Steifigkeit. Die Funktion blieb unverändert, doch die Wirtschaftlichkeit hat sich gewendet – bei Blech zahlt man für das Schneiden und Biegen, nicht für die Stunden auf der Drehmaschine.

Die Umstellung auf Blech ist kein Umbau mit einem einzigen Klick – sie erfolgte in drei schnellen Iterationen, wobei bei jeder eine konkrete Korrektur anhand der Abwicklung überprüft und eine neue Kalkulation vorgenommen wurde:

• Iteration 1 – erste gebogene Version: Die Form und die Teilung stimmten zwar, doch ein Loch lag im Biegebereich und hätte sich bei der Abwicklung zu einem Oval gedehnt.
• Iteration 2 – Löcher mit einem Abstand von mindestens der dreifachen Dicke von der Biegestelle versetzt, umlaufender Rand zur Erhöhung der Steifigkeit hinzugefügt (damit das dünnere Blech das Gewicht des gefrästen Blocks nicht durch einen Festigkeitsverlust kompensiert)
• Iteration 3 – Toleranzen ausschließlich auf die Teilung der Befestigungslöcher und die Auflagefläche beschränkt, der Rest unterliegt einer allgemeinen Toleranz; Anpassung der Biegeradien an ein einziges Presswerkzeug

Nach der dritten Iteration ergab sich ein DFM-Wert von 91/100, und das Bauteil konnte „in einem Durchgang“ gefertigt werden – per Laserschneiden und Biegen, ohne dass die Presse neu eingestellt werden musste.

Vor Beginn der Serienfertigung wurde ein Erstmuster (First-Article) gefertigt und anhand der kritischen Maße geprüft – Teilung der Löcher und Auflagefläche lagen innerhalb der Toleranzen, die Biegefederrückstellung wurde durch das Rüst optimiert. Anschließend wurde eine Serie von 500 Stück mit Pulverbeschichtung gefertigt; das Bauteil wurde innerhalb von zwei Wochen hergestellt und ausgeliefert, statt der ursprünglich für die CNC-Variante veranschlagten vier Wochen. Das geringere Gewicht führte zudem zu Einsparungen sowohl in der Logistik als auch im Endfahrzeug.

Die kostengünstigsten und schnellsten Einsparungen wurden nicht in der Produktion erzielt, sondern in den ersten beiden Tagen – durch die richtige Wahl der Technologie und drei gezielte Anpassungen am Entwurf.

Drei Erkenntnisse gelten auch über dieses konkrete Bauteil hinaus: (1) Entscheiden Sie sich zunächst für die Technologie und erst danach für die Details – der Wechsel von CNC zur Blechbearbeitung brachte den größten Teil der Einsparungen, nicht die Mikrooptimierung der Zerspanung; (2) Legen Sie Toleranzen funktional fest, nicht pauschal; (3) Iterieren Sie auf der Grundlage realer Kostenkalkulationen und DFM, nicht nur nach Gefühl. Wäre das Bauteil in seiner ursprünglichen Form in die Produktion gegangen, hätte der Kunde 41 % mehr pro Stück bezahlt und doppelt so lange warten müssen – ohne dass dies der Funktion zugutegekommen wäre.