Das Forschungsprojekt BaZMod. - Bild: Mapal

Das Forschungsprojekt BaZMod (Bauteilgerechte Maschinenkonfiguration in der Fertigung durch Cyber-Physische Zusatzmodule) verfolgte das Ziel einer herstellerübergreifenden Schnittstelle zwischen der rotierenden Spindel mit dem Werkzeug und der Steuerung eines Bearbeitungszentrums. „HSK-i“ ermöglicht die mechanische und elektrische Ankopplung des Werkzeugs an die Maschine. Sie stellt die Basis für den bidirektionalen Datenaustausch sowie die Energieübertragung dar. - Bild: Mapal

Wo Späne fliegen, wird Geld verdient – Werkzeug-Spannsysteme sind nah dran und können wichtige Informationen liefern. Im Rahmen einer Umfrage unter ausgewählten Herstellern wird eines klar: Industrie 4.0 bedarf einer smarten Werkzeug-Spanntechnik.

Man wächst mit seinen Aufgaben. Diese Weisheit aus der Küchenpsychologie lässt sich durchaus auf moderne Werkzeug-Spannsysteme übertragen. Nicht nur die mechanische Leistungsfähigkeit muss immer weiter in die Höhe getrieben werden, auch die smarte Fabrik klopft an und verlangt nach Daten möglichst nah an der Zerspanung.

„Zukünftige Werkzeugsysteme, bei denen statische und dynamische Eigenschaften weiterhin eine wesentliche Rolle spielen werden, müssen vor allem flexibel und vielseitig einsetzbar sein, außerdem sollten moderne Werkzeug-Spannsysteme bei der Datenübertragung als Schnittstelle dienen“, fasst Walter Glaab, Manager Tooling Systems beim Werkzeughersteller Sandvik Coromant, das aktuelle Anforderungsprofil zusammen.

Das sind die Anforderungen an Werkzeug-Spannsysteme der Zukunft

„Durch die steigende Komplexität der Zerspanwerkzeuge werden auch die Anforderungen an das Werkzeug-Spannsystem in puncto Präzision, Dämpfung und Schwingungsverhalten steigen“, ergänzt Jochen Ehmer, Executive Vice President Clamping Technology beim Spann- und Greifmittelspezialisten Schunk. Neben guter Bedienbarkeit spiele die Schnelligkeit und Effizienz des Rüstvorgangs sowie die Einstellbarkeit der Werkzeuglänge eine immer wichtigere Rolle, um den Autonomiegrad eines Produktionssystems zu erhöhen.

Der intelligente Werkzeughalter iTendo. - Bild: Schunk
Der intelligente Werkzeughalter iTendo von Schunk ermöglicht eine Echtzeitprozessüberwachung und -regelung unmittelbar am Werkzeug. - Bild: Schunk

Auf eine weitere Herausforderung macht Professor Berend Denkena aufmerksam. Der Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) in Hannover sieht Auswirkungen durch den Trend zu medienfreien Werkzeugmaschinen, um steigenden Umweltschutzbestimmungen gerecht zu werden. „Ein Ziel dieser Bemühungen ist der Verzicht auf wartungsintensive Hydraulikflüssigkeiten. Elektrisch betätigte Werkzeug-Spannsysteme rücken deshalb vermehrt in den Fokus von Forschung und Entwicklung.“

Transformation zu cyberphysischen Systemen voll im Gange

Werkzeug-Spannsysteme erlebten eine spannende Transformation hin zu mechatronischen oder cyberphysischen Systemen. Denkena weiter: „In Zukunft werden Werkzeug-Spannsysteme vermehrt sensorisch sein oder sensorische Teilkomponenten besitzen. Ziel ist es, mit integrierter Sensorik die Transparenz in der Fertigung zu erhöhen, die Produktivität zu steigern und durch intelligentes Eingreifen in den Prozess die Werkstückqualität sicherzustellen.“

„Die Werkzeugspanntechnik dient meist als Träger von Informationen und Daten und schafft somit die Basis für Automatisierung“, schlägt Dennis Minder, Produktmanager Spanntechnik bei Mapal Dr. Kress, die Brücke zur Automatisierung und nennt als Beispiele die automatisierte Werkzeugeinstellung, die Analyse von Werkzeugstandzeiten und die Fehlerüberwachung. Er geht sogar noch einen Schritt weiter: „Die gesammelten Daten bilden die Grundlage für künstliche Intelligenz.“

Überwachung mit elektronischen Monitoring-Systemen. - Bild: Ott-Jakob
Überwachung mit elektronischen Monitoring-Systemen von Ott-Jakob: Sie lassen sich in ein vernetztes Produktionsumfeld integrieren und stellen aktuelle Zustands­informationen während der Bearbeitung zur Verfügung. - Bild: Ott-Jakob

Spannwegmessung ist Stand der Technik

Auch Wolfgang Bechteler, beim Spannspezialisten Ott-Jakob für die strategische Produktentwicklung verantwortlich, sieht Zustandsinformationen als Voraussetzung für eine funktionierende Automatisierung. „Reichte zu Beginn der automatischen Spanntechnik noch ein blindes Schalten von Ventilen aus, ist mittlerweile eine genaue Spannwegmessung Stand der Technik.“

Zusätzlich stünden integrierte induktive Näherungsschalter zur Verfügung, die beispielsweise die Betriebssicherheit und Bearbeitungsqualität steigern helfen. Ebenso ließen sich Nebenzeiten verkürzen und Wartungsintervalle verlängern. Bechteler: „Automatisierte Wartungsanforderungen sind beispielsweise durch maschinenseitige Überwachung der Spannkraft oder Betriebsleckage bei Drehdurchführungen möglich.“

Die zunehmende Automatisierung wird sich nach Meinung von Simon Herzog, Produktmanager Werkzeugaufnahmen & Spannmittel bei Gühring, auch auf die Wahl der Werkzeugaufnahmen auswirken: „Wo in vielen Bereichen noch mit Spannzangensystemen gearbeitet wird, erfordert dies den Wechsel hin zu hochwertigen Werkzeugaufnahmen wie Hydraulik-Dehnspannfutter, Schrumpffutter oder Kraftspannfutter.“

Sensoren in Werkzeugsystemen werden immer wichtiger

Sensoren im Werkzeugsystem sind auf dem Vormarsch. Das bestätigt Michael Kempf vom Vertrieb des Herstellers Benz Werkzeugsysteme: „Aktuell arbeiten die verschiedenen Hersteller an diversen Lösungen, Sensormodule in ihre Werkzeugsysteme zu integrieren.“ Noch sind diese unterschiedlichen Systeme nicht harmonisiert. Voraussetzung für eine Akzeptanz der Industrie seien einheitliche Industriestandards und Datenmodelle. „Die Aufnahme der Messgrößen wird sich weiter Richtung Wirkstelle verlagern, damit wird sich die Datenqualität sukzessive verbessern“, ist Kempf überzeugt.

Eine Herausforderung liege darin, ohne eine maschinenseitige Energiequelle zuverlässige Messwerte in Echtzeit an die Maschinensteuerung zu liefern. „Dies bildet die Basis für einen Regelkreis, der als Output eine erhöhte Maschinenverfügbarkeit mit sich bringt.“

Betriebszustände lassen sich auf das Smartphone übertragen. - Bild: Benz
Winkelkopf mit Köpfchen: Mithilfe der Funktechnologien NFC und BLE lassen sich Betriebszustände auf das Smartphone übertragen. Die App scannt, speichert und verarbeitet diese Daten; Werkzeugüberwachung und empfohlene Serviceintervalle verbessern die Lebensdauer des Werkzeugs. - Bild: Benz

Bei Werkzeugehersteller Paul Horn sieht man die Serienreife sensorischer Spannsysteme als erreicht. Markus Kannwischer, Leiter Technik und Mitglied der Geschäftsleitung: „Hard- und Software erlauben den täglichen Einsatz in der Fertigung, schon kleinste Abweichungen im Zerspanprozess werden durch die verbauten Systeme erkannt.“

Dadurch ließen sich die eingesetzten Schneidplatten bis kurz vor Standzeitende verwenden – mit entsprechend hohen Kosteneinsparungen. Speziell bei sehr kleinen Werkzeugen könnten sensorische Spannsysteme wie das Piezo-Tool-System (PTS) von Horn „einen deutlichen Mehrwert in Bezug auf die Prozesssicherheit liefern“.

Maschinencrashs werden dank Sensorik vermieden

Der schwingungsgedämpfte Adapter Silent Tools Plus. - Bild: Sandvik Coromant
Der schwingungsgedämpfte Adapter Silent Tools Plus von Sandvik Coromant verfügt über einen integrierten Sensor. Damit lassen sich Daten aus dem Bearbeitungsprozess sammeln, an ein Dashboard schicken und so Bearbeitungsprobleme frühzeitig erkennen. Das vermeidet vor allem vibrationsbedingte Probleme wie Lärm, schlechte Oberflächenqualität und vorzeitigen Werkzeugverschleiß. - Bild: Sandvik Coromant

Auch bei Sandvik Coromant nutzt man Sensorik bereits, um Echtzeitdaten zu erfassen und in die Maschinensteuerung zu übertragen. Intelligente Prozesse im Hintergrund sollen die Bearbeitung steuern, notfalls eingreifen und korrigieren. Walter Glaab: „Auf diese Weise werden Maschinencrashs vermieden und Wartungsintervalle und Werkzeugverschleiß bestmöglich überwacht und gesteuert.“

Die von sensorischen Spannmitteln nah am Werkstück gewonnenen Daten sind auch maschinenübergreifend interessant. Hubertus von Zastrow ist geschäftsführender Gesellschafter von Pro-Micron, einem Spezialisten für drahtlose Sensorsysteme: „Wenn wir die smarte Fabrik mit direkt am Wirkort gemessenen Verschleißdaten versorgen, können wir den ganzen Werkfluss optimieren. Die europäische Cloud-Initiative GaiaX könnte genau mit solchen spezifischen Daten für die ganze Wertschöpfungskette einen Mehrwert in der smarten Fabrik bringen.“

Wie smarte Werkzeuge heute schon aussehen können, zeigt Emuge-Franken, Hersteller von Gewindeschneid- und anderen Werkzeugen sowie der entsprechenden Spanntechnik. Produktmanager Spanntechnik ist Peter Liebald: „Wir ermitteln in Zusammenarbeit mit Artis-Marposs Axialkraft und Drehmoment, die wir kontaktlos an Auswerteeinheiten übertragen.“ Allerdings sei der Einsatz von Werkzeughaltern mit Sensorik oftmals noch auf die Versuchs- und Entwicklungsbereiche beschränkt. „Eine Zukunft im Serieneinsatz ist denkbar, wenn eine vom Anwender akzeptierte prozesssichere Energieversorgung der Werkzeugspannsysteme, etwa über die Spindelschnittstelle, gewährleistet ist.“

Die Speedsynchro Modular. - Bild: Emuge-Franken
Die Speedsynchro Modular von Emuge-Franken verfügt über ein NFC-Modul, das die Einsatzdaten speichert und sie an Smartphones weitergibt. - Bild: Emuge-Franken

Werkzeugdaten machen vorbeugende Wartung möglich

Ähnliches berichtet Normen Armingeon. Der Vertriebsleiter von Romai, einem Spezialisten für Winkelköpfe, Mehrspindelköpfe und angetriebene Werkzeuge, erklärt, dass alle Romai-Werkzeuge auf mindestens 2.000 Stunden Einsatzdauer ausgelegt sein: „Um eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, sollten die Werkzeuge nach der abgelaufenen Einsatzzeit überholt und gewartet werden.“ Aber selbst die modernsten Bearbeitungsmaschinen könnten bislang nicht die Laufzeiten einzelner Werkzeuge erfassen. Die Folge: Die Werkzeuge würden oft bis zum Defekt betrieben und müssten dann unnötig schnell repariert werden.

Deshalb entwickelte man ROlog, den Romai-Operation-Logger. Er erfasst nicht nur die Betriebsstunden, sondern auch maximale und durchschnittliche Drehzahlen, Temperaturen und Feuchtigkeitswerte sowie Stöße in drei Achsen. Übertragen werden die Daten mittels BLE (Bluetooth low energy) und NFC (Near Field Communication). Der Locker zeigt die Wartungsintervalle und speichert die Wartungs- und Reparaturhistorie im Werkzeug. In Zukunft sollen die Daten darüber hinaus durch den Einsatz spezieller Algorithmen für die vorbeugenden Wartung genutzt werden. Doch noch mangele es Armingeon zufolge an der notwendigen Akzeptanz gegenüber Industrie 4.0 und der Integration in die Maschinensteuerungen. Eine Hoffnung: die offene Schnittstelle OPC UA.

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