Smarte Werkzeugaufnahme Intelligenter Werkzeughalter pimpt alte Maschinen auf

Ein Gastbeitrag von Syra Thiel*

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Vor wenigen Jahren war es noch nicht möglich, über Sensoren Kerngrößen von Zerspanungsprozessen direkt im Prozess zu überwachen. Das hat sich mittlerweile grundlegend verändert.

Der smarte Werkzeughalter unterscheidet sich weder in Form noch Kontur von einer herkömmlichen Werkzeugaufnahme.
Der smarte Werkzeughalter unterscheidet sich weder in Form noch Kontur von einer herkömmlichen Werkzeugaufnahme.
(Bild: Fraunhofer CCIT)

Seit einigen Jahren wandert deshalb auch immer mehr Sensorik in die Werkzeugmaschinen. Mit dem smarten Werkzeughalter namens Smart Tool, einer Entwicklung des Fraunhofer Cluster of Excellence Congnitive Internet Technologies CCIT, lassen sich jetzt auch ältere Maschinen sensorisch aufrüsten. Und nicht nur das. Durch die unmittelbare Nähe zur Wirkstelle detektieren die Sensoren sicherer und zuverlässiger als viele andere Lösungen kritische Prozessstörungen.

Maschinen sind langlebige Investitionsgüter, die kontinuierlich bezüglich Steuerung und Mechanik modernisiert werden. Doch Sensorik lässt sich nachträglich „nur sehr schwer einbringen“, erklärt Hendrik Rentzsch, Diplom-Ingenieur und Abteilungsleiter Werkzeugmaschinentechnik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. Ohne Sensoren, die wichtige Kerngrößen des Zerspanungsprozesses in Echtzeit übermitteln, können Bearbeitungsprozesse jedoch nicht sicher am Limit betrieben werden. Auch eine mannlose Fertigung ist ohne derartige Überwachungslösungen nicht möglich. Für Rentzsch ist die Technologie des Fraunhofer CCIT deshalb insbesondere für Firmen mit einem älteren Maschinenpark eine große Chance, ihre Zerspanungsprozesse zu optimieren. Denn mit dem Werkzeughalter bekommen sie genau die Prozessdaten, mit denen sie intelligenter, transparenter und effizienter fertigen.

Damit macht die Neuentwicklung des Fraunhofer CCIT selbst langgediente Maschinen fit für Industrie 4.0. Und das ohne große Aufwände oder Investitionen. Anwender starten sehr bedarfsgenau in die Digitalisierung. Anstatt die gesamte Maschine oder den gesamten Maschinenpark hochzurüsten, überwachen Anwender damit schnell und einfach erst einmal die für sie besonders kritischen Bearbeitungsschritte. Entscheiden sie sich später für eine umfassendere Digitalisierung, „bedroht das nicht das Investment in den smarten Werkzeughalter“. Denn auch jenseits der einfachen Nachrüstbarkeit besitzt diese Lösung laut Rentzsch „unschätzbare Vorteile“.

Ganz nah an der Bearbeitungsstelle

Zwar verbauen Hersteller in ihren Werkzeugmaschinen heute Sensoren, die zig Daten liefern. Doch für eine Prozessregelung sind sie oft nicht geeignet. Denn die meisten Daten aus den Werkzeugmaschinen überwachen in erster Linie deren Funktionsfähigkeit. Und selbst wenn Sensoren implementiert sind, die die Prozesse überwachen sollen, sind sie nicht in jedem Fall ein Ersatz für eine wirkstellennahe Prozessüberwachung.

Denn Störgrößen, wie beispielsweise Schwingungen, die in jeder Maschine auftreten, beeinflussen das Messergebnis umso stärker, je weiter entfernt die Sensoren von der Wirkstelle sitzen. Smart Tool liefert deshalb validere Daten und damit aussagekräftigere Ergebnisse als beispielsweise ein Sensor, der in der Spindel den Fertigungsprozess überwacht. Damit lohnt sich insbesondere für Firmen, die sehr enge Toleranzen einhalten müssen oder komplexe Bauteile fertigen, der Einsatz der CCIT-Lösung auch auf hochmodernen Werkzeugmaschinen.

Ermöglicht Steuerung von Prozessen

Ausgestattet ist der smarte Werkzeughalter mit Sensoren zur Messung von Schwingungen, Prozesskräften sowie der Temperatur. Übertragen werden die Daten über eine Funkstrecke an eine Auswerteeinheit, die mithilfe spezifischer Algorithmen Rückschlüsse auf die Zustände von Prozess und Werkzeug sowie auf das Bearbeitungsergebnis erlaubt. Kritische Prozessstörungen, wie Kollisionen, Rattern oder auch Werkzeugbruch detektiert die Lösung ebenfalls zuverlässig. Die Datensicherheit ist durch eine verschlüsselte Ende-zu-Ende-Kommunikation gegeben. Doch nicht nur die Funktechnologie arbeitet mit modernsten Protokollen. Auch die Schnittstelle zur Steuerungstechnik gewährleistet eine hohe Datensicherheit und -integrität.

Neben einer Offline-Auswertung oder dem Echtzeitmonitoring ist es auch möglich, eine adaptive Prozessregelung zu implementieren. Aus den von den Sensoren erfassten Daten werden dann über Auswertealgorithmen Handlungsentscheidungen für die Maschinensteuerung generiert und an diese automatisiert übergeben. Dies ermöglicht „eine selbstständige und situationsbedingte Anpassung der Prozessparameter“, so Rentzsch. Aus der gemessenen Zerspankraft kann so beispielsweise auf die elastische Werkzeugabdrängung geschlussfolgert, die NC-Bahn entsprechend angepasst und so eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit erreicht werden. Damit ist ohne das Eingreifen des Bedieners eine hochgradig prozesssichere, präzise und effiziente Fertigung möglich.

Versorgt sich selbst mit Energie

Was den Werkzeughalter im Gegensatz zu anderen Sensorlösungen in einem Werkzeughalter laut Rentzsch so besonders macht, ist die innovative Energieversorgung. Denn dank der patentierten Energy-Harvesting-Lösung müssen Anwender damit nicht immer wieder den Akku am Werkzeughalter aufladen, um Daten erfassen und übertragen zu können. Die Sensorik wird vielmehr durch die Werkzeugrotation mit elektrischer Energie versorgt. Dafür wird eine kompakte und simple, mit Permanentmagneten ausgestattete Komponente an der Spindelnase der Maschine montiert. Aufgrund der geringen Baugrößen des Magnethalters wird dabei weder der automatische Werkzeugwechsel noch der verfügbare Arbeitsraum eingeschränkt. Damit lässt sich das System einfach installieren und kann im Bedarfsfall schnell gewartet und ausgetauscht werden.

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Einfach einzusetzen

Der intelligente Werkzeughalter lässt sich mit einer Vielzahl von universellen Spindel- sowie Werkzeugschnittstellen ausrüsten. Und noch ein Punkt zeigt, wie praxisnah die Ingenieure des CCIT agieren: Alle Komponenten, also Sensorik, Datenverarbeitung und Kommunikation, wurden vollständig in die Haltergeometrie integriert. Damit unterscheidet sich dieser weder in Form noch in Kontur von einer herkömmlichen Werkzeugaufnahme. Und weil der Werkzeughalter trotz der implementierten Sensoren eine hohe statische und dynamische Steifigkeit besitzt, ist auch der Einsatzbereich mit einem herkömmlichen Werkzeughalter vergleichbar.

Noch ist Smart Tool keine Marktlösung. Aber erste Gespräche mit Werkzeugherstellern wurden bereits geführt. Rentzsch ist sich deshalb sicher, dass der Werkzeughalter Anwendern zeitnah zur Verfügung stehen wird. Interessenten, die auf die Markteinführung nicht warten wollen, können ihren Fertigungsprozess auch als Pilotkunde des Fraunhofer CCIT wirkstellennah überwachen.

* Syra Thiel arbeitet als Senior Editor bei Storymaker.

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