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Industrie 4.0 für die Zerspanung

▶ Nachrüstbares Assistenzsystem macht Werkzeugmaschinen intelligenter
Industrie 4.0 für die Zerspanung

Um Werkzeugmaschinen Industrie 4.0-tauglich zu machen, müssen Systeme integriert werden, die ihnen eine gewisse Intelligenz verleihen. Das Assistenzsystem ToolScope von Komet Brinkhaus ist in der Lage, verschiedenste für den Prozess bedeutende Daten zu sammeln, auszuwerten und Entscheidungen zu treffen. Damit trägt es dazu bei, Zerspanungsprozesse zu optimieren und zu automatisieren.

Im Allgemeinen versteht man unter Industrie 4.0 den Wechsel von bisheriger Automatisierung hin zu einer effizienten, vernetzten und intelligenten Produktion. Eine CNC-Werkzeugmaschine ist für sich gesehen nicht intelligent. Sie arbeitet ein vorgegebenes NC-Programm ab, ohne es zu hinterfragen und Alternativen in Betracht zu ziehen. Selbst bei einem Werkzeugbruch hält sie – soweit möglich – an den programmierten Bewegungen fest, bis zum Crash. Die Intelligenz liegt ganz beim Programmierer und Bediener. Aus seinem Wissen heraus verändert er das NC-Programm und die Schnittparameter je nach den Bedarfen des Prozesses.
Doch auch hier gibt es Verbesserungsmöglichkeiten. Der Bediener wechselt zum Beispiel Werkzeuge nach seiner eigenen Erfahrung, ohne dass der reale Verschleißzustand sein Verhalten beeinflusst, da er diesen ja nicht kennt – ebenso wenig, wie den tatsächlichen Zustand von Spindeln, Achsen, Lagern etc.
Hier setzt Industrie 4.0 an. Durch das Überwachen der Maschine, das Erfassen von Sensor- und Steuerungsdaten sowie deren Auswertung kann auf der einen Seite der Bediener unterstützt werden. Andererseits lässt sich dessen Erfahrung in den Bearbeitungsprozess einbringen und automatisiert nutzen, wodurch die Maschine gewisse intelligente Fähigkeiten erhält.
Die Komet Group, einer der führenden Komplettanbieter für Präzisionswerkzeuge, beschäftigt sich bereits seit Jahren mit dem Thema Industrie 4.0. Über ihr Tochterunternehmen Komet Brinkhaus hat sie mit ToolScope ein System im Programm, das nicht nur Werkzeugbruch und Verschleiß überwacht, sondern als Assistenzsystem für den gesamten Fertigungsprozess agiert. Komet Brinkhaus ToolScope überwacht und dokumentiert während des Prozesses maschineninterne Signale wie z. B. das Drehmoment einer Spindel oder die Vorschubkraft einer Achse. Darüber hinaus erfasst es Ereignisse wie Werkzeugwechsel oder Maschinenstillstände. In Verbindung mit Kenntnissen bezüglich sogenannter Prozesskennzeichner wie Programm, Werkzeug, Satznummer etc., die aus der Steuerung ausgelesen werden, ist die Software in der Lage, nach dem Prozess Kenngrößen zu berechnen und Trends abzuleiten.
„Intelligent agieren“ kann die Maschine jedoch erst, wenn sie die Informationen automatisch verknüpft und die richtigen Schlüsse zieht. In der praktischen Anwendung kann das bedeuten,
  • dass die Daten in den Produktionshallen dezentral ausgewertet, die Auswertungsergebnisse dann zentral in Clouds zusammengefasst und gespeichert werden (zum Beispiel Werkzeugwechsellogs, Verschleißüberwachung, Prozesslogging, etc.);
  • dass Maschinen mit ToolScope verschlissene Fräser erkennen und Schwesterwerkzeuge einwechseln;
  • dass das Wissen der Maschine über ihre Zustände nach außen kommuniziert wird, beispielsweise in Form der regelmäßigen Ermittlung eines Maschinenzustandes (Machine Fingerprint) oder über ein automatisch generiertes Schichtenbuch auf Basis der aufgezeichneten Daten;
  • dass durch ToolScope Zugriff auf maschineninterne Sensoren besteht, deren Daten MDE/BDE-Systeme kundenindividuell auswerten.
Um dem Kunden solche Mehrwerte möglichst einfach zugänglich zu machen, hat Komet Brinkhaus lizenzier- und freischaltbare Applikationen, sogenannte Apps, entwickelt, die sich auf der Bedienoberfläche aufrufen lassen und verschiedene Dienste übernehmen: Unter anderem gibt es ein automatisches Schichtenbuch (App TS-BDE), ein Werkzeugwechsellog (App TS-WLog), eine Lösung zur Adaptiven Vorschubregelung (App TS-AFC) sowie eine eigene Cloud Datenbank-Funktion (App TS-Cloud). Auch zur Kollisionserkennung (App TS-CD) und Prozessüberwachung (App TS-PM) stehen Lösungen zur Verfügung.
All diese Applikationen verbessern die Prozesse und ermöglichen direkte Kosteneinsparungen, wie nachfolgende Beispiele aufzeigen. Deren Höhe ist natürlich vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig, so dass hier genannte Summen nur Größenordnungen und Möglichkeiten aufzeigen. Ein sicher lukrativer Einsatzfall ist die Werkzeugüberwachung in einem voll automatisierten Fertigungsprozess für Ölpumpen.
In einem konkreten Fall entstanden durch unerkannte Werkzeugbrüche vermeidbare Kosten in Höhe von rund 20 000 Euro pro Jahr. Sie kamen durch Nacharbeit, manuelles Aussortieren fehlerhafter Werkstücke sowie zusätzliche Nacht-/Wochenendschichten zustande, um die Produktionsziele zu erreichen. Durch die App „Werkzeugüberwachung“, die mit Toleranzbändern arbeitet, werden fehlerhafte Bearbeitungsprozesse sofort erkannt und die Kosten eingespart. Die Werkzeugstandzeit ist in erster Linie abhängig von der Werkzeugqualität und dem zu zerspanenden Material. Werden die Werkzeuge gewechselt, bevor die tatsächliche Standzeit erreicht ist – zum Beispiel durch Proforma-Werkzeugwechsel zu Beginn jeder Schicht – treibt das die Kosten unnötig in die Höhe. Durch Anwendung der App „Verschleißüberwachung“ kann jedes Werkzeug bis an das Ende der tatsächlichen Standzeit benutzt werden. Die dadurch realisierten Einsparungen eines renommierten Kunden aus der Automobilindustrie betragen 32 400 Euro pro Jahr und Maschine.
Auch die App „Adaptive Vorschubregelung“ sorgt für unmittelbare Einsparungen, etwa beim Fräsprozess eines Turbinenrades, der zunächst 8 Minuten und 5 Sekunden benötigte. Durch die adaptive Vorschubregelung ließ sich die Bearbeitungszeit um 30 Sekunden pro Werkstück verkürzen. Bei einem Maschinenstundensatz von 95 Euro und einer Bearbeitungszeit von 20 Stunden pro Tag an 320 Tagen im Jahr, betragen die Einsparungen 38 000 Euro. Um bei sporadisch wechselnder Qualität in einem Reibprozess von Ventilsitzen Folgeschäden durch Montage fehlerhafter Werkstücke zu verhindern, ist eine 100 %-Kontrolle eines jeden Werkstückes am Ende der Produktionslinie notwendig.
Durch Anwendung der App „Qualitätsüberwachung / Dokumentation“ kann der Messvorgang entfallen, denn jeder fehlerhafte Prozess wird sofort erkannt. Die Alarmmeldung löst das sofortige Entladen des betroffenen Werkstückes aus. Die Kosteneinsparung beträgt im genannten Beispiel 150 000 Euro pro Jahr.
Durch die Installation der App „Kollisionsüberwachung“ ist es möglich, dass der Versicherungsbeitrag für Werkzeugmaschinen niedriger ausfällt. Bei einer Drehmaschine (250 000 Euro), deren Maschinenversicherung jährlich 2701 Euro kostet, ging die Prämie nach der Einrichtung der Kollisionsüberwachung um 25 Prozent zurück, weil die Auswirkungen einer Kollision signifikant gesenkt werden. In diesem Beispiel spart sich der Anwender allein bei der Versicherungsprämie 675 Euro pro Jahr. Seine Einsparungen durch vermiedene Reparaturkosten sind vermutlich deutlich höher.
Komet Brinkhaus GmbH

Der Autor
Dr.-Ing. Jan Brinkhaus, Geschäftsführer, Komet Brinkhaus GmbH.
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