Moderne Fertigungsaufgaben stellen hohe Anforderungen an Zerspaner. Um das gewünschte Ergebnis zu gewährleisten, müssen die Prozessparameter immer präziser eingestellt werden. Schon minimale Abweichungen können die Qualität der Teile und die Produktivität negativ beeinflussen.
Mit Blick auf das Bearbeiten neuer Werkstoffe sagt Dr. Niklas Kramer beispielsweise: „Diese Materialien sind oft deshalb schwer zerspanbar, weil die nötige Erfahrung und das Know-how noch fehlen.“ Der Direktor Produkt und Industrie Segment Management bei Sandvik Coromant in Düsseldorf ist sich sicher: „Wenn wir die globalen Gehversuche zu einem neuen Werkstoff an einer Stelle zusammenführen könnten, hätten wir deutlich steilere Lernkurven.“ Digitalisierung und Vernetzung prägen also auch die Werkzeugtechnik.
Daten helfen, Prozesse zu optimieren
Ein zentraler Aspekt von Industrie 4.0 ist das schnelle Reagieren auf Veränderungen auf der Basis einfach aufbereiteter Daten. „Je besser es uns gelingt, datenbasiert Einblicke in Prozessabläufe zu bekommen, umso besser können wir diese auslegen und optimieren“, sagt Kramer weiter. Oft helfe schon ein kleines Plus an Systemintelligenz, um Entscheidungen schneller und besser zu treffen oder Abweichungen frühzeitig zu erkennen. Um den Nutzer dabei zu unterstützen, wurden Systeme wie Coro-Plus von Sandvik Coromant oder Tool-Scope von der Besigheimer Komet Group entwickelt.
Digitale Assistenten schaffen Klarheit
Zu den Hauptvorteilen solcher Assistenzsysteme gehört, dass sie Produktionsmanagern die Möglichkeit geben, Fertigungsabläufe besser zu verstehen und auf Basis dieser Erkenntnisse Prozesse und Produktionsstätten zu optimieren. Die Anbieter treiben die Entwicklung in diesem Bereich stetig voran. So hat sich beispielsweise Tool-Scope vom Prozessüberwachungssystem zur weitgehend offenen Plattform entwickelt, auf der vielfältige Apps ablaufen können. Als klassisches Assistenzsystem erfasst und dokumentiert es während der Bearbeitung maschineninterne Signale, berechnet Kenngrößen und leitet Trends ab. Durch erweiterte Funktionen wird das System nun auch zum Big-Data-Lieferanten. Diese Informationen lassen sich dann in eine Cloud oder ein lokales Kunden-Rechenzentrum einspeisen und jederzeit wieder abrufen und nutzen.
Auch die relevanten Geometriedaten von Werkzeugen sollen künftig in einer Cloud gesammelt und gespeichert werden. So erhält der Nutzer über den gesamten Lebenszyklus der Tools einfach und schnell Zugang zu diesen Informationen. Eine Werkzeugbegleitkarte wäre überflüssig. Besonders interessant ist das bei Werkzeugen, die nachgeschärft oder nachbestückt werden.
Aber auch die Werkzeuge selbst wandeln sich. Am Markt verfügbare Prozessüberwachungssysteme sind bislang überwiegend aufs indirekte Messen von Zerspanungskräften – etwa die Auswertung der Motormomente von Spindeln und Vorschubachsen – beschränkt und lassen aufgrund der hohen Messungenauigkeit meist nur eine grobe Bewertung des Prozesses zu. Im Kommen seien Sensoriken, die im Bereich der Schneide Messgrößen erfassen, verarbeiten und senden können, sagt Markus Kannwischer, Leiter Technik bei der Paul Horn GmbH aus Tübingen. Aus diesen Daten sollen dann Algorithmen Rückschlüsse auf Bearbeitungsparameter ziehen und die Steuerungen entsprechend regeln. „Im Idealfall müssen keine Vorschub- und Zustellwerte mehr eingegeben werden. Das Werkzeug sendet permanent Informationen und die Steuerung regelt entsprechend“, nennt Kannwischer die Vorteile.
Sensor misst Kräfte nahe der Schneide
Einen Ansatz zur wirkstellennahen Kraftmessung an rotierenden Werkzeugen entwickelt derzeit ein Konsortium, zu dem unter anderem die Fraunhofer-Institute IKTS und IWU sowie die Werkzeughersteller Mapal und Paul Horn gehören. Ziel ist es, ein Kraft- und Temperaturmesssystem mit drahtloser Energie- und Datenübertragung in einen Planfräser zu integrieren. Kern des Projekts Sonso-Tool ist ein Sensorelement mit piezoelektrischen Schichten, das in direkter Nähe zur Wendeschneidplatte positioniert ist. Es ermöglicht, hochdynamische Kräfte von wenigen Newton bis 3 kN zu messen und an die Maschine zu übertragen. Hochauflösende Prozessdaten in Echtzeit zu gewinnen und zu bewerten, wäre dann die Basis für komplexe Prozesseingriffe – etwa das Anpassen des Zahnvorschubs.
In einem anderen Forschungsprojekt ging es darum, wie sich durch Sensoriken in Werkzeugen und Werkzeugaufnahmen schwingungsstabile Zerspanungsprozesse gestalten lassen. Hierfür hat die Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung (GFE) mit Sitz in Schmalkalden im Rahmen des EU-Projekts Dyna-Tool ein sensorintegriertes Werkzeug für die Hartbearbeitung entwickelt, das durch das direkte Einbinden in die Maschinensteuerung eine Regelung des Prozesses nahezu in Echtzeit ermöglicht. Dem Projektkonsortium ist es gelungen, mehr Transparenz in den Zerspanungsprozess zu bringen, sodass sich dieser schwingungsarm in den vorgegebenen Grenzen halten und gleichzeitig das Leistungspotenzial ausschöpfen lässt.
Für Prof. Frank Barthelmä, Geschäftsführer und Institutsleiter der GFE, steht fest: „Ohne mehr Offenheit in der Werkzeugindustrie und den Anwenderbranchen geht die digitale Industrie-4.0-Rechnung vor allem bei kleinen und mittleren Betrieben nicht auf.“ Viele potenzielle Anwender intelligenter Lösungen könnten noch nicht einschätzen, welche Daten sie tatsächlich benötigen, um ihre Technologie zu qualifizieren und eventuell neue Fertigungslinien zu generieren.
Klassische Themen bleiben relevant
Auch wenn die virtuelle Zukunft bislang nicht geahnte Möglichkeiten verspricht, reale Versuche werden dadurch nicht überflüssig. Die Zerspanbarkeit neuer Werkstoffe muss trotz Simulation und Analysemethoden weiterhin in Versuchen ermittelt werden. Allerdings hilft eine gute Datenbasis, die Zahl der Versuchsdurchläufe zu reduzieren. Generell erlauben solide Daten engere Prozessfenster, und sie schaffen mehr Sicherheit beim Ausloten physikalischer Grenzen. Bei aller Euphorie für Digitalisierung und Vernetzung sind die klassischen Tugenden der Werkzeugbranche noch lange nicht Schnee von gestern. Im Gegenteil. Innovative Schichtsysteme, Geometrien und Substrate bieten noch jede Menge Potenzial für Verbesserungen und Leistungssprünge in der Zerspanung.
Mona Willrett, Redakteurin
Konradin Mediengruppe
