Wenn Künstliche Intelligenz (KI) die Zerspanung perfektioniert KI und Digitalisierung in der Werkzeugspanntechnik

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Rego-Fix AG Präzisionswerkzeugfabrik

Schneider Electric GmbH

Angehrn AG - Umformtechnik

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Wenn die allgemeinen Fertigungskosten und die Kundenforderungen steigen, ist es u. a. die Fertigungseffizienz, welche über den Markterfolg eines Produkts entscheidet. Der Schlüssel zum Erfolg kann insbesondere in der Automatisierung und der Digitalisierung liegen. Am Swissmem-Zerspanungsseminar können BesucherInnen sich konkret über diese Thematik austauschen.

Aufbauend auf der Erfolgsgeschichte der ER-Spannzange hat sich das Familien­unternehmen Rego-Fix über die letzten 50 Jahre auf die Werkzeugspanntechnik spezialisiert und diese auf unterschiedliche Art und Weise revolutioniert. Während die Innovation der ersten ER-Spannzange vorwiegend auf die deutlich verbesserte Handhabung abzielte, bietet das von Regofix zwischenzeitlich stark vergrössertes Produktportfolio eine Lösung für jede noch so herausfordernde Zerspanungssituation.

Die Planung und Umsetzung einer effizienten Fertigung erfordert meist einen hohen Grad an Prozessverständnis und eine sorgfältige Abstimmung und Kontrolle aller integrierten Teilschritte. Zusätzlich zum traditionellen Aufbau von prozessspezifischem Expertenwissen geht die Erhöhung der Fertigungseffizienz üblicherweise mit einer zumindest partiellen Automatisierung einher.

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Spanende Fertigung: Wertsteigernde Prozessschritte

In der spanenden Fertigung wird der Produktwert, für welchen der Kunde bereit ist zu zahlen, im Wesentlichen durch die wertsteigernden Prozessschritte (form- oder funktionsgebend) der Fertigungskette definiert. Naheliegend ist deshalb das Ziel, dass nicht direkt wertsteigernde Prozessschritte, wie bspw. die Bereitstellung und der Wechsel von Werkzeugen, so schnell wie möglich durchgeführt werden.

Oft vergessen wird dabei allerdings, dass die finale Bauteilqualität und damit eine für den Kaufentscheid essentielle Produkteigenschaft von scheinbar nicht wertsteigernden Prozessschritten abhängig sein kann. Dies gilt auch für die Werkzeugspannung, wobei negative Produkteigenschaften wie bspw. Rundlaufabweichungen, geringe Haltekräfte oder eine geringe Vibrationsdämpfung zu einem höheren Ausschussrisiko führen.

Die daraus resultierende Notwendigkeit, den Spagat zwischen Schnelligkeit und Prozesssicherheit zu ermöglichen, hat Rego-Fix früh erkannt und aufbauend auf der «Powrgrip»-Technologie durch die manuellen und automatischen Spanneinheiten PGC, PGS und PGU realisiert.

PGA 9500: «Powrgrip»-Technologie voll­automatisiert

Mit dem neuen PGA 9500 ist der Spannmittelhersteller noch einen Schritt weitergegangen und bietet eine Möglichkeit an, die «Powrgrip»-Technologie direkt in eine vollautomatisierte Fertigungszelle zu integrieren. Einmal via Ethernet angeschlossen, kann das PGA 9500 über eine digitale Schnittstelle (API) durch eine externe Kontrolleinheit angesteuert werden. Das hierfür verwendete OPC-UA-Kommunikationsprotokoll berücksichtigt nicht nur die zunehmende Nachfrage nach herstellerneutralen Kommunikationslösungen, sondern ermöglicht darüber hinaus einen zuverlässigen, schnellen und sicheren Datenaustausch.

Identisch zu PGC und PGU erfolgt die Werkzeugspannung mit der «Powrgrip»-Spanntechnologie, welche durch ihre einzigartige Funktionsweise einen hervorragenden Gesamtsystemrundlauf, eine ausgezeichnete Vibrationsdämpfung, höchste Haltekräfte, einen geringen Energieverbrauch und eine hohe Schnelligkeit kombiniert. Um den Einsatz in einer (teil-)autonomen Fertigungszelle zu ermöglichen, ist das PGA 9500 dank automatischer Türeinheit auf eine robotergestützte Zuführung der Spannmittel ausgelegt (pneumatisch oder elektrisch).

Erreichbare Prozesssicherheit eines Zerspanungs­vorgangs

Die erreichbare Prozesssicherheit eines Zerspanungsvorgangs kann als Ergebnis der gesamthaft in diesen Prozess verwickelten Effektkette verstanden werden. Vereinfacht kann diese Effektkette auf der einen Seite durch die Maschinenspindel und auf der anderen Seite durch das eingespannte Werkzeug begrenzt werden. Trotz dieser bereits starken Vereinfachung der tatsächlichen Gegebenheiten sind darin bereits mehrere Schnittstellen vorhanden, die als mögliche Fehlerquellen zu Störeinflüssen bei der Zerspanung führen und dadurch die Prozesssicherheit reduzieren können.

Aus der Sicht der Werkzeugspanntechnik sind im Besonderen die Schnittstellen zwischen Spindel und Werkzeughalter und zwischen Werkzeughalter und Schneidwerkzeug interessant. Idealerweise liegt in beiden Fällen eine vollständige Wiederholbarkeit und ein Null-Fehler-Prinzip hinsichtlich Radial- und Taumelfehlern vor. Beides ist aus fertigungstechnischer Sicht nicht realisierbar. Stattdessen gilt es, durch eine Kombination von Fertigungsqualität, Funktionsprinzip und Funktionskontrolle so nah wie möglich an das Ideal zu kommen.

Die Schnittstelle zwischen Spindel und Werkzeughalter wird vorwiegend durch die Maschinen- und Spindelhersteller definiert und kann durch den Spannmittelhersteller nicht vollständig beeinflusst werden. Dennoch ist sich Rego-Fix der grossen Bedeutung bewusst und stellt Anwendern die nötigen Werkzeuge, resp. Messmittel, bereit, um eine hochpräzise Überwachung und Funktionskontrolle ebendieser wichtigen Schnittstelle zu ermöglichen. Während mit dem «Masterbar» der Spindelrundlauf im Mikrometerbereich kontrolliert werden kann, ermöglicht der «Forcemaster» eine schnelle Kontrolle der Spindel-Spannkraft und ist dank App-Kopplung zeitgemäss und einfach in der Anwendung.

Werkzeugschnittstelle hat sich enorm weiterentwickelt

Die Schnittstelle zwischen Werkzeughalter und Schneidwerkzeug, die eigentliche Werkzeugspannung, ist die Kernkompetenz von Rego-Fix. Seit der ersten ER-Spannzange hat sich dieser Bereich am stärksten weiterentwickelt, indem sich das Produktportfolio sowohl horizontal als auch vertikal erweitert hat. So sind auf der einen Seite mit «Micrun» (MR) und «Powrgrip» neue Spanntechnologien mit spezifischen Anwendungsfeldern hinzugekommen. Auf der anderen Seite hat u.a. die Erweiterung auf neue Spindelschnittstellen und die Integration von unterschiedlichen Anwendungsfeatures (lange/kurze Schäfte, MQL und Standardkühlung, Auszugssicherung etc.) zu einer höheren Adaptabilität unserer Produkte geführt.

Potential aller Komponenten berücksichtigen

Trotz grossen Anstrengungen, die Prozesssicherheit der Spannlösungen herstellungs- und techno­logieseitig zu erhöhen, können Fehler in der Anwendung zu unerwünschten Effekten führen. Diese Tatsache ist grundsätzlich unabhängig von der verwende­ten Spanntechnologie und unterscheidet sich statt­dessen lediglich in der Art und Weise des Auftretens.

Während bei schraubenden Spannsystemen bspw. ein zu hohes Anziehmoment (Überdrehen) einen kritischen Faktor darstellt, führt die ausbleibende Reinigung beim «Powrgrip» zu gewissen Qualitätseinbussen. Auch die Historie der Spannmittel, bspw. Crashs während der Zerspanung oder jegliche Art von mechanischer Beschädigung auf den Funktionsflächen, ist entscheidend. Es muss an dieser Stelle klargestellt werden, dass eine Qualitätseinbusse nicht bedeutet, dass ein System nicht mehr funktioniert, sondern lediglich, dass nicht mehr die volle Leistungsfähigkeit erwartet werden kann. Speziell in einer effizienten Fertigung geht es aber genau darum, das volle Potenzial aller beteiligten Komponenten auszunutzen.

KI erkennt Verschmutzung beim Einpressvorgang

Um die vollständige Leistungsfähigkeit auszunutzen, muss ein gewisses Mass an Produktpflege und die Einhaltung einschlägiger Anwendungsvorschriften eingehalten werden.

Diesbezüglich sieht Rego-Fix speziell beim PGU Potenzial, da einerseits bereits ein grösstenteils automatisierter Spannprozess vorliegt und andererseits der Einspannvorgang durch die maschineninterne Sensorik mit einer hohen Auflösung überwacht werden kann. Experimentelle Studien zeigen, dass mit Hilfe dieser Sensordaten ein neuronales Netz dahingehend trainiert werden kann, dass ein Einpressvorgang mit verunreinigtem oder mechanisch beschädigtem Spanequipment von einem sich in einwandfreiem Zustand befindenden unterschieden werden kann.

KI wird langfristiger Trend

Damit kann eine KI-basierte (Künstliche Intelligenz) Unterstützungsfunktion für das PGU geschaffen werden, die einen Anwender noch während der Werkzeugbereitstellung über mögliche Beeinträchtigungen im Zerspanungsprozess informiert und dementsprechend aufwendige und oft erfolglose Kontrollabläufe hinfällig werden lässt.

Die Digitalisierung macht auch vor der Werkzeugspanntechnik keinen Halt. Rego-Fix ist davon überzeugt, dass die zunehmende Integration von Künstlicher Intelligenz keinen kurzfristigen Hype, sondern einen langfristigen Trend darstellt, welcher die Zerspanung von morgen zu grossen Teilen mitdefinieren wird. (böh) SMM

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