Zerspanung Das waren die Highlights des ersten Wissensforum Zerspanung

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Mehr als 100 Fachleute aus Industrie, Forschung und Entwicklung trafen sich auf dem ersten Wissensforum Zerspanung in Würzburg. Das erfolgreiche Auftaktevent geht am 22. November 2023 in die nächste Runde.

Mit einem hochkarätigen Programm setzte das erste Wissensforum Zerspanung den Grundstein für eine erfolgreiche Veranstaltungsreihe. Im Fokus des Forums standen aktuelle Herausforderungen sowie innovative Denk- und Lösungsansätze. Die Keynote übernahm Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Möhring vom Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart. Der Institutsdirektor tauchte dabei ein in die kognitive Welt der Zerspanung.

Dabei gilt es Fehlereffekte und Störeinflüsse rechtzeitig zu erkennen, um kritische Prozesssituationen zu vermeiden und Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Mit der Digitalisierung kommen auch zunehmend Daten ins Spiel. Oftmals stellt sich jedoch die Frage, welcher Nutzen aus den Datenmengen gezogen werden kann und wie entsprechende Ansätze umzusetzen sind. Der Vortrag stellte Methoden zur sensiblen Ermittlung von Prozessdaten in spanenden Fertigungsoperationen vor und zeigte Strategien und Verfahren für eine zielgerichtete Dateninterpretation auf. Neben analytischen Ansätzen wurden zudem Methoden der Künstlichen Intelligenz und des Machine Learnings vorgestellt.

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Es folgten darauf die K.-H. Müller Präzisionswerkzeuge GmbH und die TU Kaiserslautern, die in einem gemeinsamen Projekt zu transferierbarer künstlicher Intelligenz in der Zerspanung forschen. Auf der Bühne beschrieben Geschäftsführer Mathias Schmid und Peter M. Simon M. Sc., wissenschaftlicher Mitarbeiter, die Produktion von übermorgen. Wie bei allen industriellen Anwendungen steigt auch in der Zerspanung der Kostendruck. Kostentreiber sind in diesem Industriezweig vor allem der Werkzeugverschleiß sowie das Zeitspanvolumen.

Eine Möglichkeit, diese Problemstellung zu adressieren, stellt das sogenannte Transfer Learning dar. Im Rahmen des Transfer Learnings wird Wissen aus verwandten, bereits gelernten Aufgaben genutzt, um ML-Modelle schneller für neue, verwandte Aufgaben zu trainieren. Seit Juni 2021 läuft ein durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Forschungsprojekt. Im Rahmen dieses Projekts wird die Nutzbarmachung von Transfer Learning in der Zerspanung sowie die Möglichkeit der industriellen Anwendbarkeit untersucht. Im Rahmen des Vortrags werden die Zielsetzung und Vorgehensweise im Projekt sowie der Nutzen, den die Industrieanwender erwarten können, präsentiert.

Im Anschluss folgte Hon.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Lange, Leiter Entwicklung – Artis Division Marposs Monitoring Systems GmbH mit seinem Beitrag über die Prozessüberwachung für eine optimierte Zerspanung. Die Prozessüberwachung ist mittlerweile zu einem festen Bestandteil von Produktionsanlagen im Bereich der Zerspanung geworden. Eine Fertigung mit hoher Wirtschaftlichkeit, Produktivität und Qualität ist für viele Prozesse heutzutage meist nur mit dem Einsatz von Überwachungssystemen möglich. Die Ansprüche an diese Systeme sind in den letzten Jahren weiter gestiegen, da vielschichtige Anforderungen erfüllt werden müssen. Hierzu zählen die Überwachung unterschiedlichster Prozesse und Kleinstwerkzeugen, die Integration in unterschiedliche Werkzeugmaschinen und Steuerungen, die einfache Bedienbarkeit, der automatisierte Betrieb und die hohe Aussagesicherheit. Insbesondere bei komplexen Zerspanprozessen zeigt sich zum einen das hohe Potenzial zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit aber auch der Bedarf an einer Weiterentwicklung der auf dem Markt befindlichen Systeme.

Im Rahmen des Vortrages wurden Anforderungen aus der Praxis, Applikationen, System- und Integrationsmöglichkeiten sowie weitergehende Analysemöglichkeiten dargestellt. Neben bereits verfügbaren praxistauglichen Lösungen soll auch ein Ausblick auf zukünftige Potenziale zur Optimierung und Qualitätsregelung gegeben werden.

Im Anschluss daran kam Dipl.-Ing. Hendrik Rentzsch auf die Bühne, Abteilungsleiter Werkzeugmaschinentechnik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, mit seinem Vortrag Smart Tool – Prozessüberwachung direkt an der Wirkstelle. Digitalisierung steht als Befähiger zunehmend im Fokus der Entwicklungen, wenn es um die Steigerung von Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität moderner Fertigungsprozesse geht.

Ausgestattet ist Smart Tool mit Sensoren zur Messung von Schwingungen, Prozesskräften sowie Temperaturen. Mithilfe spezifischer Auswertealgorithmen kann auf die Zustände von Prozess und Werkzeug sowie auf das Bearbeitungsergebnis rückgeschlossen werden. Insbesondere kleinere Änderungen dieser Aspekte, zum Beispiel hervorgerufen durch fortschreitenden Werkzeugverschleiß oder Aufmaß- und Materialschwankungen des Werkstücks, stellen dabei höchste Anforderungen an die Messsensitivität.

Diesen kann das digitale Überwachungssystem durch seine direkte Nähe zum Prozess gerecht werden. Ferner ist die Kopplung mit einer Maschinensteuerung zur Realisierung einer adaptiven Prozessregelung möglich. Potenzielle Anwendungsszenarien können zum Beispiel eine NC-Bahnkorrektur zur Kompensation der elastischen Werkzeugabdrängung, ein automatisierter Werkzeugwechsel am Ende der Werkzeugstandzeit oder die iterative Vorschubreduktion zur Elimination dynamischer Instabilitäten sein.

Die für den permanenten Betrieb des Smart Tools notwendige elektrische Energie wird in erster Linie durch eine innovative Energy Harvesting Lösung generiert. Nahezu alle elektronischen Komponenten des Werkzeughalters befinden sich auf einem kompakten, universellen Segment zwischen Spannzeug und Spindelschnittstelle. Infolgedessen sind letztere beiden Geometrien auch weitgehend frei wählbar und lassen eine Vielzahl anwendungsspezifischer Kombinationen zu. Dadurch steht einem mit herkömmlichen Werkzeughaltern vergleichbarer Einsatz nichts im Wege.

Im Rahmen des Vortrages wurde zunächst auf die derzeitigen und zukünftigen Herausforderungen in der Zerspanung eingegangen, dann Möglichkeiten der Prozessüberwachung vorgestellt und systematisiert und im Speziellen das Smart Tool als einen Lösungsansatz näher erläutert. Abschließend wurden die Vorteile für Nutzer anhand bisher durchgeführter Tests anwendungsnah dargestellt.

Mit ihrem Vortrag Schwingungsdämpfung: Präzision und Leichtbau – Geht doch folgte Dr. Ulrike Jehring, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Spanende Bearbeitung, rhythmische und beschleunigte Bewegungen erzeugen Schwingungen, die von hochsteifen Konstruktionen verlustarm weitergeleitet werden.

Die dagegen eingesetzten aktiven und semiaktiven Dämpfungssysteme bilden einen Kompromiss zwischen notwendiger Dämpfung, zusätzlichem Aufwand und zusätzlicher Masse. Damit stehen sie, ähnlich wie die passive Dämpfung über Zusatzmassen, in deutlichem Widerspruch zum Leichtbau.

Leichtbau ist aber erforderlich, um höhere Beschleunigungen und geringere Antriebsleistungen zu realisieren. Für den Leichtbau bewegter Baugruppen von Werkzeugmaschinen werden seit einigen Jahren erfolgreich Sandwichkonstruktionen mit Aluminiumschaum als Kernlagen eingesetzt. In Metallschäumen kommt es über lokale mikroplastische Verformungen zur Schwingungsdämpfung. Diese zur Dämpfung notwendige Verformung läuft aber der Forderung nach hoher Steifigkeit zuwider. Die hochsteifen Decklagen schränken die Verformung des Aluminiumschaums ein. Die gewünschte hohe Sandwich-Steifigkeit wirkt sich also kontraproduktiv bezüglich einer guten Dämpfung aus. Abhilfe schaffen in den Aluminiumschaum eingelagerte partikelgefüllte Hohlkugeln. Die in den Hohlkugeln frei beweglichen Partikel dämpfen auch bei Starrkörperbewegung die Schwingungen des Bauteils. Im Vortrag wurde die Entwicklung des Halbzeugs von den Modellen für die Schwingungsdämpfung bis zu prototypischen Anwendungen dargestellt.

Es folgten nach der Mittagspause Parallel-Sessions:

Wie man den Schwingungen ebenfalls Herr wird, erklärte Dr.-Ing. Benjamin Thorenz, Leitender Oberingenieur – Akademischer Rat a. Z. am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth. Er referierte über die Schwingungsreduzierte Fräsbearbeitung durch Einsatz von Werkzeugen mit stabilisierenden Leichtbaukern. Eine Produktivitäts- und Ressourceneffizienzsteigerung bei der spanenden Bearbeitung bedeutet eine Reduzierung der Prozessdauer und dementsprechend eine Steigerung des Zeitspanvolumens. Die Beachtung der Fertigungsgenauigkeit und der -qualität ist dabei unabdingbar. Diese Steigerung wird durch auftretende dynamische Störungen begrenzt, die aus einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück resultieren. Sie bedingen eine verminderte Prozessleistung, schlechtere Oberflächengüten sowie verkürzte Werkzeugstandzeiten. Die präsentierte Entwicklung legte daher ihren Fokus auf das Bearbeitungswerkzeug selbst und setzt somit am direkten Kontakt zum zu bearbeitenden Werkstoff an.

Realisiert wurde dies durch das Einbringen eines Leichtbaukerns, der durch die Auswahl und Dimensionierung der eingesetzten Faserverbundkunststoffe eine gezielte Einflussnahme auf die genannten Eigenschaften ermöglichte. Ferner wurden dadurch die Auswirkungen auf den Zerspanprozess selbst – in Form einer Steigerung der Prozesseffizienz, der Oberflächengüte bearbeiteter Bauteile sowie der Werkzeugstandzeit – verwirklicht.

Parallel dazu machte René Kehl, New Business Development Manager bei der Heule Werkzeug AG, in seinem Vortrag Mechanische Entgratlösungen für die Serienfertigung einen kleinen Exkurs in die Welt des Entgratens. In der Präsentation wurden anhand von verschiedenen Werkstücken die gängigsten Alternativverfahren (Interpolieren, ECM, TEM, AFM) dem mechanischen Entgraten gegenübergestellt.

Die Präsentation zeigte auf:

• Was versteht man genau unter mechanischem Entgraten?

• Welche spezifischen Eigenheiten zeichnen dieses Verfahren aus?

• Welche Möglichkeiten ergeben sich aus diesen Eigenheiten für den Anwender in der Praxis?

• Anhand verschiedenster Praxisbeispiele u.a. aus dem Bereich der Elektromobilität erfährt der Zuhörer, wo diese spezifischen Eigenheiten für den Anwender zum Tragen kommen.

• Wie kann der Hersteller eines mechanischen Entgratwerkzeugs das Entgratresultat und die Prozesszeiten positiv beeinflussen?

Am Ende des Vortrags war der Zuhörer in der Lage, den sinnvollen Einsatz des mechanischen Entgratens für zukünftige Projekte bei sich im Produktionsprozess einschätzen zu können.

Es folgten im Anschluss Alexander Kellner, Sales America & Europe / PSM gearMILL | DMG Mori und Philipp Dahlhaus, Leiter Produktmanagement | Paul Horn GmbH. Im gemeinsamen Vortrag Verzahnungsstoßen, Verzahnungsfräsen und Verzahnungswälzschälen wurde die Leistungsfähigkeit der gemeinsamen Lösungen aus dem Anwendungsgebiet Verzahnung dargestellt: Die Kombination aus Maschine, Zyklus und Werkzeug.

Ein großer Vorteil dabei ist, dass viele Bestandsmaschinen auf die einzelnen Prozesse angepasst werden können. Der exklusive DMG Mori Technologiezyklus gearSKIVING ist dabei Assistent der werkstattorientierten Programmierung zur Steigerung von Produktivität und Sicherheit sowie zur Erweiterung der Maschinenfähigkeit. Die Vorteile sind eine übersichtliche Programmstruktur, bis zu 60 Prozent schnelleres Programmieren, Fehlerminimierung durch dialoggeführtes Programmieren, neue Technologien (Verzahnen) sowie das im Programm gespeicherte Technologie Know-how. Werkzeugseitig kommen, je nach Prozess und Anwendungsfall Horn-Standard- oder kundenspezifische Sonderwerkzeuge zum Einsatz. Beim Wälzschälen von Innen- und Außenverzahnungen sind Modulgrößen bis Modul 8 möglich, bei einer Verzahnungsqualität bis ≥ 7. Die wichtigsten Vorteile des Wälzschälens bei diesen Anwendungen sind die deutlich kürzeren Prozesszeiten im Vergleich zum Verzahnungsstoßen, der Einsatz auf optimierten Dreh-Fräs-Zentren, das Drehen und Verzahnen in einer Aufspannung und der Verzicht auf Freistiche am Verzahnungsende.

Parallel referierten Robert Schmidt und Jan Nickel vom Institut für Spanende Fertigung (ISF) | TU Dortmund, zum Thema Beeinflussung der Funktionseigenschaften tiefgebohrter Bauteile durch gezielte Einstellung der Randzonenintegrität. In industriellen Anwendungen spielt insbesondere bei dynamisch Komponenten die Ermüdungsfestigkeit eine entscheidende Rolle. Diese wird neben den Werkstoffeigenschaften, durch die aus der Fertigungsroute resultierenden Randzoneneigenschaften der Komponenten beeinflusst. Im Rahmen dieses Vortrags wurden die Zusammenhänge zwischen Zerspanungsprozessen, den erzeugten Randzoneneigenschaften und der daraus resultierenden Ermüdungsfestigkeit, mit einem Fokus auf Tiefbohrverfahren, betrachtet.

Mit der Titanbearbeitung im Spannungsfeld der Wirtschaftlichkeitsparameter folgte Tobias Gräupel von der Mapal Dr. Kress KG.

Um die Bearbeitungskosten eines Werkstücks zu optimieren, stehen in der Zerspanung prinzipiell die Parameter Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Standzeit im Fokus. Diese drei Parameter zeigen jedoch ein gegenläufiges Verhalten: Mit steigendem Vorschub und steigender Schnittgeschwindigkeit sinken zwar die Maschinenstundenkosten, gleichzeitig jedoch auch die Standzeit, somit steigen wiederum die Kosten für das Werkzeug und den Werkzeugwechsel. Es gilt, unter Berücksichtigung aller Parameter das Optimum bei den Kosten pro Werkstück zu ermitteln.

Der Vortrag erläuterte die oben aufgeführten Zusammenhänge am Beispiel der anspruchsvollen Zerspanung von Titan und setzt sie in Relation zur Guss-/Stahlzerspanung. Er beleuchtet auch die entwicklungsseitigen Möglichkeiten der Optimierung von Zerspanungsprozessen in Titan sowie die Option, bei mittleren und hohen Losgrößen die Gesamtkosten durch Kombinationswerkzeuge zu reduzieren. Dazu bildet die kapazitative Auslastung der Fertigung als Wirtschaftlichkeitsstellhebel einen Fokus.

Im Anschluss folgte Volker Marquardt von der Synop Systems UG und sprach über die Optimierung von Fräsprozessen mit Methoden der Künstlichen Intelligenz. Leonardo da Vinci erfand bereits eine Drehbank, doch die Probleme Werkzeugverschleiß, Standzeit und Werkzeugbruch sind bis heute eine Herausforderung in der Zerspanung. Werkzeugmaschinen liefern immer höherwertige Daten. Im Rahmen des KI-Innovationswettbewerbes des Landes BW hat Synop Systems die Überwachung von Hartmetall-Mikro-Fräsprozessen mithilfe von KI-Verfahren untersucht. Auf Basis umfangreicher Versuchsreihen und Daten einer Sinumerik Edge CNC wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, welcher autonom, d. h. selbst lernend, das Zerspanungs-Prozessverhalten qualitativ bewertbar macht. Anhand der berechnenden Prozess-Kennziffern können Werkzeugverschleiß, -bruch und -wechsel, aber auch Qualität prognostiziert werden. Welche Rolle die Daten spielen und wie der Algorithmus von Fachexperten und Maschinen genutzt werden kann, wurde in diesem Vortrag erläutert.

Nach einer Kaffeepause folgte Daniel Gutsche, Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart, mit seinem Vortrag Optimierte Methoden zur Auslegung der Werkstückspannung mittels Stirnmitnehmersystemen. Die stirnseitige Bauteilmitnahme bietet ein Vielzahl von Vorteilen im Vergleich zur Bauteilspannung in Futtern oder Spannzangen. Trotz weiter Verbreitung in der Praxis erfolgt die Auslegung solcher Spannsysteme bisher hauptsächlich auf Basis von Erfahrungswissen der Anwender. Dies führt insbesondere bei der Anwendung neuer, hochproduktiver Schruppverfahren, zu denen dieses Wissen noch nicht vorliegt, zu zeit- und kostenintensiven Bearbeitungsversuchen.

Am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart wurden gemeinsam mit Werkzeug-, Spannsystem- und Maschinenherstellern die Zusammenhänge zwischen gewähltem Mitnehmersystem, Werkstück und Bearbeitungsstrategie intensiv erforscht. Im Zuge dessen lassen sich neue Methoden und Prinzipien zur Auslegung der Anwendung von Stirnmitnahmesystem ableiten. Im Rahmen dieses Vortrags wurden eingesetzte Methoden und Vorgehensweisen erklärt und exemplarische Ergebnisse vorgestellt.

Wie sich die Qualität der produzierten Werkstücke während der Bearbeitung beurteilen lässt erklärten im Anschluss Torsten Franz, Senior Key Expert Metal Cutting Technology bei Siemens Motorenwerk Bad Neustadt | Siemens AG und Johannes Neuweiler, Fachberater für Werkzeugmaschinenausrüstungen | Siemens AG.

Das Qualitätsmanagement in der CNC-Fertigung ist ein kostenintensiver Prozess, der auch zu Nacharbeiten und damit Verzögerungen führen kann. Da in der Regel nur stichprobenartig geprüft wird, bleibt immer ein Restrisiko, dass fehlerhafte Teile zum Einsatz kommen. Die Qualität der produzierten Werkstücke lässt sich beurteilen, indem man während des Produktionsprozesses die wichtigsten Parameter aufzeichnet und mit bereits produzierten Werkstücken vergleicht, deren Qualität den Forderungen entspricht.

Damit in der CNC-Fertigung auf dem Shopfloor nichts schiefläuft, bietet Siemens mit Industrial Edge für Werkzeugmaschinen Apps, die die Maschinenbediener mit Qualitätsmanagement-Funktionen unterstützen. Die Teilnehmer erfuhren aus erster Hand über Edge-basierte Lösungsansätze und deren praktischen Nutzen in der Fertigung. Torsten Franz ist Anwender einer Edge-basierten Lösung zur Sicherung der Qualität im Bearbeitungsprozess und hat über die Herausforderungen und Vorteile berichtet.

Die Veranstaltung abgerundet haben Siegfried Maigler, Senior Business Development Manager | Forcam GmbH und Christian Bulander Geschäftsführender Gesellschafter | NHM GmbH mit ihrem Vortrag Mission papierlose Produktion: Nachhaltig, effizient und flexibel fertigen: Kundenwünsche werden individueller, Marktanforderungen ändern sich schneller: Unternehmen müssen ihre Produktion flexibel und nachhaltig organisieren. Lösungsweg: Die Produktion ist weitgehend automatisiert und funktioniert papierlos.

Maschinenbau-Spezialist NMH GmbH aus Baden-Württemberg produziert weitgehend automatisiert und papierlos. Der Automobilzulieferer mit 120 Mitarbeitern plant seine Aufträge digital. Auch der weitere Prozessablauf ist größtenteils automatisiert:

• Digitale Auswahl und Messdatenübertragung parallel zum Rüsten,

• Bereitstellung aller Unterlagen wie Stücklisten oder 3D-Modelle an der Maschine,

• die NC Programmübertragung, Messprotokollerstellung, QS Anforderungen und Nachkalkulation werden in Echtzeit digital erfasst.

Basis ist eine integrativer IT-Plattform wie von Forcam. Sie vernetzt alle Maschinen digital und lässt alle Apps nahtlos miteinander kommunizieren. Eine zentrale Datenhaltung erlaubt es, auch Innovationen wie KI und Machine Learning zu integrieren.

Das zweite Wissensforum Zerspanung findet am 22. November 2023 im Vogel Convention Center Würzburg statt.

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