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Grenzen des Machbaren prozesssicher ausloten

Das Werkzeug erkennt, wenn der Prozess aus dem Ruder läuft, und korrigiert automatisch
Grenzen des Machbaren prozesssicher ausloten

Werkzeugbau | Mit Sensoren und Aktoren ausgestattete Werkzeuge fertigen Bauteile, die konventionell nicht wirtschaftlich herzustellen wären. Doch diese „intelligenten“ Systeme bieten den Betreibern noch eine Reihe weiterer Vorteile, die – richtig eingesetzt – bares Geld wert sind. §

Autor: Haider Willrett

„Unsere intelligenten Werkzeuge erkennen bereits während des Ziehvorgangs Abweichungen vom Sollprozess“, sagt Michael Breme. Der Nutzen der Technologie gehe aber über die reine Machbarkeit von Karosserie-Einzelteilen hinaus, betont der Leiter des Werkzeugbaus der Audi AG. „Durch die verbesserte Prozessführung können wir auch die maßliche Streuung der Teile deutlich reduzieren, und das verbessert die Effizienz im Karosseriebau und die Qualität.“

Um die hohe Markanz und Oberflächenqualität ihrer Fahrzeuge weiterhin zu sichern, loten die Ingolstädter die Grenzen des technisch Machbaren in der Umformtechnik ständig neu aus. Fertigungstechnisch extreme Karosserieteile sollen auch aus Aluminium prozesssicher herzustellen sein. Zu den Herausforderungen zählt dabei nicht nur die eingeschränkte Formbarkeit des Werkstoffs. Die ans Limit getriebenen Prozesse reagieren zudem empfindlicher auf Störeinflüsse, wie etwa Toleranzen beim Material oder beim Schmierstoffauftrag.
Einfache Konzepte zum Überwachen und Regeln von Umformprozessen gibt es schon länger. Audi startete 2009 das Projekt „Intelligentes Werkzeug“. Breme erzählt: „Wir haben auf interne Entwicklerkapazitäten gesetzt und aus einem akademischen Konzept ein anwendergerechtes Produkt entwickelt und in die Serie gebracht.“ Den Großteil sensorischer und aktorischer Systeme setzt der Premium-Autobauer derzeit in Umformwerkzeugen ein, aber auch im Anlagen- und Vorrichtungsbau lassen sich mit ihrer Hilfe Effizienz- und Qualitätspotenziale heben.
„Beim Umformen wirken gewaltige Kräfte von einigen tausend Tonnen, und trotzdem müssen die gefertigten Teile geometrisch auf einige hundertstel Millimeter genau sein“, erläutert der Werkzeugbau-Chef. Von zentraler Bedeutung sei dabei die Bewegung des Blechs während des Umformens. „Deshalb messen wir unter anderem, wie sich die Kräfte im Werkzeug verteilen und wie das Blech im Prozess fließt.“ Die ermittelten Daten werden automatisch zu Signalen für die elektrisch verstellbaren Ziehhilfen verarbeitet. Mit letzteren beeinflusst das System das Fließverhalten des Blechs. Die Kunst besteht laut Breme darin, auch eine größere Anzahl von Ziehhilfen im Eingriff zu halten und dabei die Pressenkräfte gezielt umzuverteilen. Die korrekte Einstellung der Ziehhilfen entscheidet darüber, ob ein perfektes Bauteil entsteht, ob das Blech beim Umformen reißt oder ob es wellig wird. „Mit unserer Werkzeugtechnologie konnten wir die Ausschussquote bei den anspruchsvollsten Umformteilen um deutlich mehr als 50 Prozent senken“, betont Breme. Das höhere Investitionsvolumen fürs Werkzeug habe sich so schnell amortisiert.
Während es bei der Sensorik – der Kraft- und Dehnmesstechnik und den optischen Messsystemen – Standardkomponenten am Markt zu kaufen gibt, die den hohen Belastungen gewachsen sind, bestand die Herausforderung für die Werkzeugbauer darin, diese Komponenten zu einem funktionsfähigen, zuverlässigen Gesamtsystem zusammenzufügen. Aufgrund der Komplexität des Fertigungsverfahrens und des Zeitdrucks in der Produktion mussten die Eingriffe in den Prozessablauf automatisiert erfolgen. „Alle unsere intelligenten Werkzeuge regeln sich heute selbst. Mit Hilfe der elektrisch verstellbaren Ziehhilfen lassen sich die Kräfte der Zieheinrichtung von Hub zu Hub fein dosiert und gezielt umverteilen“, erläutert Breme. Ein Optimierungsalgorithmus regelt auf der Basis aktueller Messwerte das Werkzeug ständig nach und beseitigt Abweichung, bevor diese zu Qualitätsproblemen führen.
„Die Sensoren sind allerdings der kleinste Teil des Gesamtsystems. Wir haben schnell erkannt, dass die Aufbereitung der Daten und deren automatische Auswertung der Schlüssel zum Erfolg sind“, erinnert sich der Werkzeugbau-Chef. Zu den Entwicklungsleistungen innerhalb des Projekts gehörten daher unter anderem die erforderliche Software und Rechenalgorithmen. Um die intelligenten Werkzeuge zu einem anwendergerechten Produkt zu machen, musste auch eine neue Simulationsmethode entwickelt werden. Mit ihr können die Experten untersuchen, wie sich Störeinflüsse auf die Bauteile auswirken, welche Signale die Sensoren dabei liefern und wie das intelligente Werkzeug darauf reagiert. „Die Problemstellen in den Bauteilen und deren Sensitivität auf Störeinflüsse müssen konsequent ausgewertet werden“, sagt Breme. „Nur so wird klar, welche Projekte man ohne eine automatische Regelung nicht mehr ausreichend beherrschen kann.“ Umgesetzt werden nur Werkzeugprojekte, bei denen sich der Einsatz der Technik auch finanziell lohnt.
Dr. Ralf Gärtner, Leiter des Spritzgieß-Werkzeugbaus bei Phoenix Contact in Blomberg, bestätigt: „Der Preisdruck im Werkzeugbau verbietet es, Sensortechnik zu verbauen, wo sie keine in Euro und Cent messbaren Vorteile bringt.“ Deshalb käme sie nur bei Hochtechnologieprozessen zum Einsatz, bei denen extreme Qualitätsanforderungen gelten und engste Prozessfenster zu halten seien. Oder etwa bei Heißkanalwerkzeugen mit vielen Kavitäten. Dort helfen sensorische und aktorische Systeme beispielsweise Füllzeitdifferenzen zu minimieren und sichern damit eine konstante Teilequalität bei minimalen Zykluszeiten.
Phoenix Contact setzt die Technik seit rund zehn Jahren verstärkt ein. „Allerdings in maximal fünf bis zehn Prozent unserer Spritzgießwerkzeuge“, wie Gärtner betont. In Standardwerkzeugen spielten Sensoren – abgesehen von Sicherheitseinrichtungen, die beispielweise melden, wenn ein Auswerfer noch ausgefahren ist – keine Rolle. Verbaut werden bei den Blombergern Schmelzedruck-, Temperatur-, Positions- und Körperschall-Sensoren. Sie erfassen die aktuellen Daten und melden, wenn die Produktionsparameter die definierte Hüllkurve verlassen und das System korrigierend eingreifen muss.
„Die Hard- und Software für intelligente Spritzgießwerkzeuge ist heute kein Thema mehr“, sagt Gärtner. Hersteller wie Kistler oder Priamus bieten standardisierte Systeme an, inklusive der Software zum Auswerten und Visualisieren der Daten sowie der Schnittstellen zu den Heißkanalsystemen. Die Herausforderung bestehe vielmehr darin, zu erkennen, an welcher Stelle Sensoren und Aktoren tatsächlich Vorteile bringen, und wie sie sich – angesichts der meist sehr beschränkten Platzverhältnisse – ideal ins Werkzeug integrieren lassen.
Anders als bei den genannten internen Werkzeugbauten, sind intelligente Systeme laut Marco Schülken bei externen Werkzeugbauern noch kaum ein Thema. „Wir bauen das, was unsere Kunden wollen. Und die Nachfrage nach intelligenten Werkzeugen ist leider noch nicht gegeben“, sagt der Werkzeugbau-Spezialist, der – nach langjähriger Tätigkeit als Geschäftsführer bei einem international aktiven Betrieb – im August die Werkzeugbau Grübel GmbH in Waltershausen übernehmen und als Geschäftsführer leiten wird. „Das Problem für uns externe Werkzeugbauer ist, dass wir selten mit den Produktionsverantwortlichen beim Kunden verhandeln. Sie könnten wir von den Mehrwerten überzeugen. Meist laufen die Verhandlungen jedoch ausschließlich über den Einkauf, der nur auf den Preis schaut.“
Schülken wünscht sich im Zuge einer Investitionsentscheidung eine deutlich intensivere Kommunikation zwischen Einkauf und Produktion beim Abnehmer. „Das wäre auch zum Vorteil des Kunden, denn die Mehrwerte, die wir bieten können, würden sich – über das gesamte Werkzeugleben kalkuliert – definitiv rechnen.“ Dass die „Total Costs of Ownership“ (TCO) bei Kaufentscheidungen deutlich stärker gewichtet werden sollten, darin sind sich die befragten Experten einig. Nur wer die Kosten über den ganzen Lebenszyklus des Werkzeugs betrachte – von der Anschaffung über den Einsatz bis zur Ausmusterung –, finde die unterm Strich günstigste Lösung.
Abgesehen vom strengen Blick auf den minimalen Einstandspreis, erkennen viele Kunden auch die Vorteile intelligenter Werkzeuge noch nicht. Neben der deutlich reduzierten Ausschussquote und der prozesssicheren Produktion selbst kritischer Teile könnten sie etwa profitieren durch
  • eine konstant hohe Teilequalität,
  • Prozesse, die automatisch im optimalen Bereich gehalten werden,
  • eine höhere Energieeffizienz,
  • die Möglichkeit, bei kritischen oder sicherheitsrelevanten Teilen sämtliche Produktionsparameter zu speichern und zu dokumentieren,
  • schnellst mögliche Hilfe bei Problemen im Fertigungsablauf sowie
  • eine geplante und gezielte Wartung und Instandhaltung.
Viele Kunden fürchten jedoch um ihre Datensicherheit oder wollen beispielsweise ihre Produktionszahlen nicht preisgeben und haben schon deshalb wenig Interesse an „intelligenten Werkzeugen“, die es externen Partnern ermöglichen, sich ins System einzuklinken. Doch Schülken hat hier gleich ein Gegenargument: „Könnten wir uns von außerhalb aufs Werkzeug schalten, böte das in vielen Fällen die Chance, dem Kunden etwa bei Qualitätsproblemen sehr schnell und unkompliziert zu helfen.“ Besonders ausländische Kunden könnten dadurch von kürzeren Ausfallzeiten und geringeren Service-Kosten profitieren.
Auch Audi-Werkzeugbau-Chef Breme bestätigt, dass intelligente Werkzeuge hinsichtlich Wartung und Ferndiagnose ganz neue Möglichkeiten bieten. „Wir können jedes Werkzeug, egal in welchem unserer weltweiten Produktionswerke es arbeitet, zentral im Auge behalten. Aus den Daten – etwa über die Einsatzhäufigkeit oder die Zahl der Hübe – lässt sich ziemlich genau ermitteln, wann bei einzelnen Komponenten mit Verschleiß zu rechnen ist. Dadurch lassen sich Wartungseinsätze exakt planen und optimal terminieren. Außerdem: „Hat beispielsweise einer unserer Produktionsbetriebe Qualitätsprobleme, kann unser zentraler Service in vielen Fällen sehr schnell Abhilfe schaffen. Oft genügt die Korrektur einiger Parameter.“ Natürlich bestehe bei einem solchen System auch die Gefahr, dass von außen Eingriffe erfolgen, die der Kunde nicht wünscht. „Deshalb gibt es bei uns eine klare Regelung: Der Betreiber des Werkzeugs hat die volle Verantwortung und der Werkzeugbau kann sich nur aufschalten, wenn der Betreiber das System freigibt.“ Außerdem kann er alle Schritte der Service-Techniker nachvollziehen. Über klare Vereinbarungen bezüglich sämtlicher Berechtigungen lässt sich die Gefahr eines Missbrauchs minimieren.
Marco Schülken bedauert, dass bislang noch immer weitgehend passive Werkzeuge auf die Maschinen kommen. Die Maschine sei zwar in der Lage, das Werkzeug zu regeln, umgekehrt funktioniere das aber noch nicht. Könnte das Werkzeug die Prozessdaten aufnehmen und feststellen, in welcher Richtung sie zu verändern sind, dann entstünde ein sich selbst optimierendes System. „Um das zu erreichen, müsste das Werkzeug aber quasi eine Stimme haben. Die Frage, wie sich das umsetzen lässt, ist für die überwiegend kleinen externen Werkzeugbauer aber zu komplex. Hier ist die Forschung gefragt“, sagt der Werkzeugbau-Experte.
Eines der Projekte, die hier ansetzen, heißt Powermoulds. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickeln Forscher der Fachhochschule Schmalkalden derzeit ein intelligentes System, das sich ins Werkzeug integrieren lässt und alle relevanten Daten aufzeichnet. Dieses „Eingebettete Diagnosesystem“ (EDS) soll dem Nutzer helfen, den Fertigungsprozess deutlich zu flexibilisieren und zu optimieren, die Produktqualität zu sichern sowie den Verschleiß und die Lagerbedingungen zu überwachen. Außerdem ermöglicht es die dauerhafte Dokumentation sämtlicher Werkzeug- und Produktionsdaten. Dazu nehmen zwölf ins Werkzeug integrierte Sensoren Drücke, Temperaturen und Kräfte auf. Zwei weitere Sensoren im EDS zeichnen Beschleunigungen, Temperaturen und die Feuchtigkeit auf, was Rückschlüsse auf die Lagerbedingungen erlaubt.
Bislang sei ein Großteil der Sensorik, um Prozesse zu überwachen und zu steuern, in die Maschine integriert, oder sie gebe die Signale weiter, ohne sie zu interpretieren, sagt Peter Röstel, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der der FH Schmalkalden. „Wenn wir sie nun gemeinsam mit dem EDS ins Werkzeug integrieren, hat das den Vorteil, dass wir alle Prozessparameter im Werkzeug aufzeichnen und verarbeiten können. Damit kann der Betreiber die Daten sämtlicher Fertigungschargen nachvollziehen – auch noch, nachdem das Werkzeug umgerüstet oder an einen anderen Standort verlagert wurde. Das ist gerade bei kritischen oder sicherheitsrelevanten Teilen aus Sicht der Produkthaftung ein enormer Vorteil.“ Mit dem EDS stehen dem Betreiber zudem alle werkzeugrelevanten Unterlagen zur Verfügung – von den Konstruktionsdaten über den Erstmusterprüfbericht, das Werkzeug-Begleitheft bis zum Wartungslogbuch –, jeweils in der aktuellen Fassung. Und der Werkzeugbauer kann nachvollziehen, wie sein Produkt eingesetzt wurde.
Die Schmalkaldener Forscher haben im EDS handelsübliche Komponenten verbaut und diese intelligent miteinander vernetzt. Die Erstmusterprüfung des Werkzeugs ist erfolgt. Jetzt geht es darum Referenzwerte einzupflegen und Algorithmen zu entwickeln, die dem System sagen, ob die Prozessdaten im gewünschten Bereich liegen. Das Demonstratorwerkzeug wird vom 5. bis 8. Mai auf der Stuttgarter Messe Moulding Expo erstmals öffentlich gezeigt. Zu sehen ist es auf dem VDWF-Gemeinschaftsstand in Halle 6 (Stand C37). Gefördert wird das Projekt aus EFRE-Mitteln des Landes Thüringen.
Um die vollen Möglichkeiten des Systems auszuschöpfen, müsste das Werkzeug jedoch mit der Spritzgießmaschine interagieren können. Das Problem dabei sind die Schnittstellen zur Steuerung. „Die Maschinenhersteller wollen sich, ihre Prozesse und ihr Know-how schützen und sind deshalb nicht selbstverständlich bereit, ihre Steuerungen öffnen“, sagt Röstel.
Diese Öffnung der Steuerungstechnik sieht Marco Schülken jedoch als Voraussetzung für den Schritt in die Zukunft. Er ist überzeugt: „Wenn sich solche Systeme durchsetzen, werden auch die Maschinenbauer reagieren müssen. Ich gehe davon aus, dass wir in fünf Jahren diesbezüglich ein großes Stück weiter sind.“ Es sei seit Jahren sein Wunsch, Werkzeuge auszuliefern, auf denen alle relevanten Dokumentationen und Prozessdaten gespeichert werden könnten und die – wie ein moderner Pkw – mit einem Fehlerspeicher ausgestattet sind, der sowohl dem Betreiber als auch dem Werkzeugbauer wichtige Informationen über das Werkzeug und dessen Einsatz liefert.
Bei Audi wird der jeweilige Zustand der „intelligenten Werkzeuge“ während des Einsatzes messtechnisch bereits komplett erfasst. Das System reagiert laut Michael Breme auf die anfallenden Daten sehr zuverlässig. Die Praxiserfahrungen belegen, dass eine systematische Datenanalyse beim Lösen von Problemen hilft. Und gerade in der aktuellen Diskussion rund um Industrie 4.0 werden ständig neue Felder für den Einsatz selbstlernender und selbstregelnder Systeme identifiziert. Sie erschließen teilweise bislang ungeahnte Potenziale. Wo sie sinnvoll sind, muss jedoch im Einzelfall genau untersucht werden. Breme betont: „Werkzeuge und Anlagen dürfen auf keinen Fall überausgestattet werden. Sonst sinkt die Verfügbarkeit und es entstehen unnötige Kosten. Nur wo intelligente Systeme echte Vorteile bieten, sollte man sie auch einsetzen.“ •
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