Freitag, 22. September 2017
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EMO 2017: Eine Werkzeugmaschine, die "mitfühlt"

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13.09.2017

Eine "fühlende" Werkzeugmaschine stellt das Hannoveraner Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) auf der EMO-Sonderschau "industrie 4.0 area" in Halle 25 vor. Spezielle Sensorik sorgt dafür, dass Fertigungsfehler während der Fräsbearbeitung autonom erkannt und ausgeglichen werden. DIE MESSE sprach mit Haythem Boujnah, Forscher an der Universität Hannover, über die Details.

 - Hightech: Spezielle Sensorik sorgt dafür, dass Fertigungsfehler autonom erkannt werden.
© Dorota Sliwonik
Hightech: Spezielle Sensorik sorgt dafür, dass Fertigungsfehler autonom erkannt werden.

Auf der EMO-Sonderfläche „industrie 4.0 area“ stellt das IFW eine „fühlende“ Werkzeugmaschine vor, die in der Lage ist, autonom Fertigungsfehler zu erkennen und auszugleichen. Wie gelingt dies?
Das Fräswerkzeug wird aufgrund seiner mechanischen Nachgiebigkeit und der im Prozess auftretenden Kräfte leicht verformt bzw. abgedrängt und von seiner Soll-Bahn ausgelenkt. Dieser Effekt findet in jedem beliebigen Fräsprozess statt und stellt einen Fertigungsfehler und eine qualitätsmindernde Herausforderung dar. Denn Bauteile, die die geforderten Maßtoleranzen nicht erfüllen, sind schließlich Ausschussteile und müssen gegebenenfalls nachträglich teuer nachbearbeitet werden.
Da wir diese Werkzeugverformungen während der Fräsbearbeitung durch spezielle Sensorik messen können, ist es möglich, diese Verformungen bzw. den Fertigungsfehler durch gezielte Anpassung der Werkzeugbahn auszugleichen bzw. zu kompensieren. Hier sprechen wir von einigen Hundertstel Millimeter an Verformung, die wir sehr präzise detektieren und in Echtzeit kompensieren können. Das gefertigte Bauteil liegt nach dem ersten Schnitt zweifellos im Toleranzrahmen.

Was erfasst die Sensorik der Werkzeugmaschine im Fertigungsprozess?
In die Werkzeugmaschine sind Dehnungssensoren – genauer gesagt: metallische Mikro-Dehnungsmessstreifen – integriert. Diese sind speziell für diese Anwendung entwickelt worden, sind gerade mal einen Quadratmillimeter groß und erfassen in Echtzeit lokale Dehnungen der Maschinenstruktur. Durch spezielle Signalumrechnungen können wir aus den Sensorsignalen auf die einwirkenden Prozesskräfte und schließlich auf die Verformungen an der Werkzeugspitze zurückschließen.

 - Dipl.-Ing. Haythem Boujnah, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Maschinen und Roboter, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover
© Universität Hannover
Dipl.-Ing. Haythem Boujnah, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Maschinen und Roboter, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover

Auch im Werkstück setzen Sie Sensorik ein. Welche technischen Herausforderungen waren dabei zu meistern?
Auch das Werkstück besitzt eine mechanische Nachgiebigkeit, die unter Prozesskräften zu mechanischen Werkstückverformungen und Fertigungsfehlern führen kann. Um die Werkstückverformung detektieren zu können, setzen wir in der Grundlagenforschung auch Sensoren zur Dehnungs- und Temperaturmessung ein. Da sich allerdings die Form und die Nachgiebigkeit des Werkstückes durch die Materialabnahme zwischen den einzelnen Prozessschritten ständig ändern, liegt hier besonders die Herausforderung, die Werkstück-bedingte Verformung aus den Sensorsignalen zu identifizieren. Hinzu kommen noch Fragen der Energie- und Datenübertragung und der Sensorintegration, die gelöst werden müssen. Denn die sensorischen Werkstücke dürfen den Maschinenbetrieb nicht stören und müssen unter rauen Bearbeitungsbedingungen funktionieren.

Werkzeugmaschine und Bauteil kommunizieren kontinuierlich miteinander. Welche Erkenntnisse lassen sich daraus für eine Optimierung der Fertigung ableiten?
Mit der Idee der fühlenden Werkzeugmaschine und der sensorischen Werkstücke, die ursprünglich aus dem Sonderforschungsbereich 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“ stammt, verfolgen wir die Vision, dass die Bauteile bzw. die Werkstücke ihren Weg durch die Fertigung selbständig finden. Durch die ständige Kommunikation zwischen dem sensorischen Bauteil und den Bearbeitungsstationen bzw. fühlenden Maschinen ist es zudem möglich, den Zustand einer kompletten Fertigungslinie zu jedem Zeitpunkt zu erfassen und bei unerwarteten Störungen den Weg dieser Bauteile auf eine alternative Fertigungslinie zu verlegen, so dass keine Zusatzkosten entstehen. Gerade dieser Ansatz wird am IFW intensiv erforscht. Ein erstes Demonstrator-Szenario wurde im Versuchsfeld des IFW erfolgreich umgesetzt.

Welche konkreten Anwendungsszenarien bieten sich mit der „fühlenden“ Werkzeugmaschine an?
Bezogen auf eine Serienfertigung wird es üblicherweise so vorgegangen, dass im Vorfeld einer Serienfertigung mehrere Testdurchläufe durchgeführt werden müssen, bis geeignete Schnittparameter ermittelt sind, welche die gewünschte Endbearbeitung im angeforderten Toleranzbereich ermöglichen. Dies ist jedoch für den Maschinenanwender sehr zeitaufwendig und oft mit hohen Kosten verbunden. In der Einzelteilfertigung und speziell im Formenbau, wo oft sehr enge Toleranzen benötigt werden, ist dieser Ansatz hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit nur beschränkt anwendbar. An dieser Stelle kann die fühlende Maschine mit der entwickelten Kompensationslösung zum Einsatz kommen und als Assistenzsystem für den Maschinenbediener dienen. Die fühlende Maschine stellt zudem einen neuen „Enabler“ für die Entwicklung weiterer Prozessüberwachungs- und Regelungssysteme in der Zerspanung dar.

Ein Ausblick: Wie sieht die weitere Roadmap aus, welche Ideen für eine Weiterentwicklung der „fühlenden“ Werkzeugmaschine haben Sie in der Schublade?
Wir sind in den vergangenen Jahren mit dem Thema „fühlende Maschine“ auf sehr großes Interesse seitens der Industrie gestoßen. Seit drei Jahren arbeiten wir mit einem großen Maschinenhersteller an der Entwicklung von zwei weiteren fühlenden Bearbeitungszentren in Kombination mit der vorgestellten Kompensationslösung. Künftig möchten wir insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten der fühlenden Maschinen erweitern. Es wird in Richtung Überwachung und Regelung der Prozessstabilität, Im-Prozess-Qualitätsbewertung, Werkzeugzustand-Überwachung, etc. gehen, selbstverständlich alles autonom.

https://www.ifw.uni-hannover.de/
http://www.emo-hannover.de