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Sensorgestützte Überwachungssysteme

Auf dem Weg zur Null-Fehler-Zerspanung

| Autor/ Redakteur: Oliver Georgi und Josef Greif / Victoria Sonnenberg

Kleinste Fremdkörper zwischen Spindel und Werkzeugaufnahme können ungenau eingespannte Bohr- oder Fräswerkzeuge verursachen, was Ausschussteile und Produktionsstillstände zur Folge hat. Sensorgestützte Überwachungssysteme können das verhindern.

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Bild 1: Planko ist so in die Werkzeugspindel integriert, dass die Elektro- nikbaugruppe in der rotierenden Spindelwelle autark arbeitet.
Bild 1: Planko ist so in die Werkzeugspindel integriert, dass die Elektro- nikbaugruppe in der rotierenden Spindelwelle autark arbeitet.
(Bild: OTT-Jakob Spanntechnik)

Die aktuelle Entwicklung zur Erhöhung der Funktionsdichte und Genauigkeit von Bauteilen führt zu steigenden Anforderungen an den Bearbeitungsprozess. Komplexe Fertigungsaufgaben in Verbindung mit einem hohen Automatisierungsgrad verlangen von Werkzeugmaschinen eine stete Verbesserung der Leistungsfähigkeit in Kombination mit einer hohen Zuverlässigkeit. Dazu reicht die Optimierung mechanischer Eigenschaften allein nicht aus. Wirtschaftliche Aspekte wie Fertigungskosten und Produktivität nehmen einen bedeutenden Stellenwert ein. In diesem Zusammenhang stehen Stillstandszeiten, Störanfälligkeit, Ausschusskosten sowie Mess- und Prüfaufwände im Fokus und müssen fortwährend verringert werden.

Keine Fehler-Toleranz

Deutlich wird das am Beispiel von Bauteilen für Flugzeugtriebwerke. Sie müssen hochpräzise gefertigt sein, um effizient zu arbeiten und höchste Sicherheit zu gewährleisten. Diese Genauigkeit lässt sich erreichen, wenn die Bauteile spanend hergestellt werden, in diesem Fall durch Fräsen. Die Präzision einer Fräsmaschine geht jedoch verloren, sobald Fremdkörper wie Späne und Ablagerungen in die Werkzeugschnittstelle geraten. Dort lagern sie sich ab und erzeugen einen Spalt zwischen den Auflageflächen.

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Bereits wenige Hundertstelmillimeter kleine Partikel reichen, um zu einer signifikanten Fehlstellung des Bohr- oder Fräswerkzeugs zu führen. Die Folge sind Ausschussteile, die besonders im Fall der kostenintensiven Triebwerkskomponenten teuer werden können. Prozesszuverlässigkeit ist deshalb oberstes Gebot, um finanzielle Schäden zu vermeiden.

Dies gilt ebenfalls für die Serienteilfertigung im Automobilbereich, die durch kombinierte Verfahren und verkettete Werkzeugmaschinen gekennzeichnet ist. Einzelne Maschinen und Prozesse beeinflussen hier Ablauf und Qualität der gesamten Fertigungsstraße. Bearbeitungsfehler durch nicht exakt eingespannte Werkzeuge werden jedoch oft erst innerhalb der nachgelagerten Qualitätskontrolle erkannt. Neben den entstehenden Ausschusskosten führt dies zu weiteren Kosten durch die Stillstandszeiten der Maschine beziehungsweise der gesamten Fertigungsstraße. Hinzu kommen Aufwände zur Suche und Beseitigung der Ursache, zur Identifikation der betroffenen Werkstücke sowie Nachlaufzeiten bei der Wiederinbetriebnahme.

Überwachungssysteme vermeiden Fehler

Ein Ansatz, um Ausschuss und Ausfälle in der spanenden Fertigung zu vermeiden, ist die Zustandsüberwachung definierter Merkmale von Werkzeugmaschinen. Deren Ziel ist es, Fehler frühzeitig zu erkennen, Folgeschäden zu vermeiden und Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Hierzu gibt es bereits etablierte Systeme, die auf das Prinzip der Staudruckmessung setzen. Dabei wird nach dem Einwechseln des Werkzeugs der Druck in den Kanälen der Blasluftreinigung ausgewertet. Ist ein Spalt zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme entstanden, sinkt dieser in Abhängigkeit von der Spaltbreite. Mit diesem Verfahren können Spaltbreiten erfasst werden, die > 30 µm sind.

In Anbetracht der gestiegenen Bauteilgenauigkeit reichen diese herkömmlichen Überwachungsmaßnahmen jedoch nicht mehr aus. Abhilfe können hochgenaue Sensoren schaffen, die kontinuierlich den Zustand eingespannter Werkzeuge überwachen. Die Messtechnik erfasst den Versatz des Werkzeugs mikrometergenau. Das System registriert Abweichungen und gibt eine Warnmeldung aus, noch bevor überhaupt Fehlteile gefertigt wurden. Was derartige Anlagen leisten, hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Zusammenarbeit mit der Ott-Jakob Spanntechnik GmbH untersucht.

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