UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Digitalisierung? Gerne, aber bitte wertschöpfend ...

Oft reklamiert und nachgebetet: Werkzeugmaschinen sollen sich vernetzen und autonom produzieren. Aber wie genau soll das aussehen? Und was nützt Vernetzung unterm Strich? Das Fraunhofer IWU zeigt’s am Beispiel einer Miniatur-Umformmaschine und ihres digitalen Zwillings.

For our English speaking readers:
Digitalisation? By all means, but it’s got to add value…
We are often reminded that machine tools should be networked and produce autonomously. But how do we go about it? And what advantages does networking really have at the end of the day? The Fraunhofer IWU illustrates its benefits using a miniature forming machine and its digital twin.

Wie Digitalisierung in der Fertigung gelingen könnte, zeigt das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) an einer Miniatur-Umformpresse und ihrem digitalen Zwilling. Konzeptname ist „Maschine 4.0“. Die 1,8 m hohe und 1,5 t schwere Umformmaschine mit einer Presskraft von 15 t kann Bauteile lochen, tiefziehen und beschneiden. Die Vorteile, die bei der Umformung durch die Digitalisierung erreicht werden, sind beachtlich. „Die lückenlose Überwachung von Prozess, Maschine und Werkzeug bietet die Möglichkeit, die Verfügbarkeit von Maschinen zu steigern, ihre Lebensdauer zu erhöhen und auch die Einarbeitungszeiten von Werkzeugen zu verkürzen“, sagt Tino Langer, Hauptabteilungsleiter Smarte Fabrik – Digitalisierung und Automatisierung am IWU.

Über Sensoren überwacht die Presse sich selbst. An verschiedenen Stellen angebracht, messen sie Kräfte, Wege und Dehnungsraten. Anders als üblich werden diese Daten jedoch nicht einzeln ausgewertet. Vielmehr werden sie in das Analyse-Modul „Smart Stamp“ gespeist: einen virtuellen Zwilling der Presse, dem digitalen Abbild. Hier werden die Daten fusioniert und analysiert. Arbeitet die Maschine reibungslos? Oder ist der Stößel, an dem das obere Werkzeug angebracht ist, ungünstig gekippt? Dies könnte dazu führen, dass das Werkstück nicht optimal umgeformt wird oder das Werkzeug schneller verschleißt. „Während einzelne Sensordaten allein oft nicht aussagekräftig sind, lassen sich solche Fragen durch die Fusionierung der Daten präzise beantworten“, erläutert Langer. Um Mitarbeiter mit relevanten Daten zu versorgen, werden unterschiedliche Techniken eingesetzt. Intuitiv geschieht dies beispielsweise unter Nutzung von AR/VR-Technologien. Wichtige Information zum aktuellen Zustand der Presse wird auf einen Blick und in Echtzeit dargestellt, indem ein Tablet vor die Maschine 4.0 gehalten wird.

Virtuelle Sensoren ersetzen reale

Sensoren lassen sich jedoch nicht überall anbringen. Entweder sind die Stellen schwer zugänglich oder die Installation wäre zu aufwändig. So fehlen mitunter relevante Daten. Die Lösung sind virtuelle Sensoren. Als Basis dienen reale Sensoren, die an unterschiedlichen Stellen der Maschine befestigt sind. Aus ihren Messwerten errechnet ein Algorithmus im Sinne eines virtuellen Sensors die Werte, die ein realer Sensor an einer relevanten, aber nicht zugänglichen Stelle aufnehmen würde. Ein Beispiel ist die Aufbiegung des Pressengestells. Sie kann über einen solchen virtuellen Sensor gut dargestellt werden. „Im EU-Projekt I Main konnten wir zeigen, dass die errechneten Werte sehr gut mit denen eines realen Sensors übereinstimmen“, erklärt Langer.

Das Konzept Maschine 4.0 bedeutet auch: Denken in Prozessketten. Am Anfang wird der Werkstoff analysiert, denn Eigenschaften wie die Dicke oder Festigkeit des Materials können variieren. Anschließend folgt die Umformung durch die Presse. Im dritten Schritt prüft das System die Qualität des produzierten Bauteils über eine Bildanalyse mit dem System „Xeidana“, das ebenfalls aus dem IWU stammt. „Wir ermitteln also die Material- und Pressen-Eigenschaften samt den Umformwerten sowie die Qualität des Produkts“, fasst Langer zusammen. „Künftig wollen wir diese Informationen wieder in die Steuerung der Maschine rückkoppeln“. 

Einzelne Konzepte von „Machine 4.0“ sind schon bei Automobilherstellern im Einsatz. In einem weiteren Schritt sollen die Sensordaten auch für die Bearbeitung in Prozessketten genutzt werden. Haben gefertigte Bauteile Mängel, lässt sich nachträglich analysieren, wo der Grund dafür liegt. Gegenmaßnahmen können dann umgehend eingeleitet werden. Auf der „Hannover-Messe“ wurde der Pressen-Demonstrator bereits live vorgeführt. Eine weiterentwickelte Version zeigt das IWU Herbst 2018 auf der Messe „Euroblech“. Laufend in Echtzeit überwacht werden sowohl der Zustand der eigenen Hardware als auch Ausgangswerkstoff, Umformprozess und die Qualität jedes einzelnen hergestellten Teils.

Fraunhofer-Institut für
Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz
Ansprechpartner ist Ken Wenzel
Tel.: +49 371 5397-0
ken.wenzel@iwu.fraunhofer.de
www.iwu.fraunhofer.de