Optimierte KSS-Versorgung für höchste Oberflächengüten Auf Daten basierend fortlaufend überwachen

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Beim Schleifen entscheiden winzige Unebenheiten über Gutteil oder Ausschuss. Für den perfekten Schliff muss in der Fabrik nicht nur die Mechanik stimmen, sondern auch die Chemie. So rückt der Kühlschmierstoff (KSS) in den Fokus.

Voraussetzung für die autonome Fertigung und optimale Schleifergebnisse ist eine datenbasierte KSS-Überwachung. Sie ist das Bindeglied zwischen Chemie und Mechanik und macht den Schleifprozess durch standardisierten Datenaustausch und den Einsatz von Digitalen Zwillingen robuster, effizienter und nachhaltiger. Hier kommt auch die Konnektivitätsinitiative «UMATI» (Universal Machine Technology Interface) ins Spiel, die den reibungslosen Datentransfer in der Fabrik gewährleistet. Als weltweite Community des Maschinenbaus ermöglicht die Initiative auf Basis des Kommunikationsstandards «OPC UA», dass Maschinen herstellerübergreifend miteinander kommunizieren können. Dies schafft die notwendige Interoperabilität, um Daten aus der KSS-Überwachung nahtlos in übergeordnete IT-Systeme oder Cloud-Plattformen zu integrieren und so den Weg für die Plug-and-Play-Anbindung im industriellen Ökosystem zu ebnen.

Bis 27 Prozent weniger Energie

Bei bedarfsgerechter KSS-Zufuhr winken hohe Effizienz- und Produktivitätsgewinne, wie die wissenschaftliche Forschung herausgefunden hat. «Bereits in den Grundlagenuntersuchungen konnten Prozessfenster identifiziert werden, in denen der Energiebedarf beim Schleifen um bis zu 27 Prozent reduziert werden konnte, ohne Einbussen bei Werkstückqualität oder Werkzeugverschleiss», sagt Prof. Berend Denkena, Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover (D). «Gleichzeitig liess sich das Zeitspanvolumen um bis zu 20 Prozent steigern, was eine deutliche Produktivitätssteigerung ermöglicht.»

Eine bedarfsgerechte KSS-Versorgung soll diese Potenziale künftig systematisch und reproduzierbar in die industrielle Anwendung übertragen. Auch mit Blick auf die Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion ergeben sich positive Effekte. «Bedarfsgerechte KSS-Versorgung ermöglicht eine Reduzierung des Kühlschmierstoffverbrauchs und senkt damit nicht nur den Energiebedarf im Schleifprozess, sondern auch den Aufwand für Herstellung, Aufbereitung und Entsorgung des KSS», erklärt der Wissenschaftler. Er ist Mitglied der WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik), die zum Thema bedarfsgerechter Einsatz von Kühlschmierstoffen seit vielen Jahren forscht. Durch stabilere Prozessbedingungen liessen sich zudem Werkzeugstandzeiten verlängern und Ausschuss sowie Nacharbeit reduzieren. Insgesamt trage dies zu einem effizienteren Ressourceneinsatz und einer nachhaltigeren industriellen Produktion bei.

Fokus auf Schleifkräfte und Spindelleistung

«Bedarfsgerechte KSS-Versorgung basiert auf der kontinuierlichen Erfassung prozessnaher Zustandsgrössen und deren Nutzung zur adaptiven Regelung der Kühlschmierstoffzufuhr», erklärt Denkena. Am IFW wurden hierfür zunächst die Grundlagen der KSS-Versorgung in der Schleifkontaktzone untersucht. Darauf aufbauend werden aktuell sensor- und regelungstechnische Konzepte entwickelt, um künftig eine bedarfsgerechte und automatisierte KSS-Versorgung zu realisieren. Daten sind dabei der wichtigste Rohstoff. «In den Grundlagenuntersuchungen wurden kühlschmierstoffbezogene Daten wie Volumenstrom, Temperatur und Druck sowie prozessnahe Parameter wie Schleifkräfte, Spindelleistung und werkstückbezogene Eigenschaften erfasst», erklärt der Forscher. Dabei wurde analysiert, wie sich veränderte KSS-Bedingungen auf den Schleifprozess auswirken. Aufbauend darauf sollen künftig sensorisch erfasste Daten genutzt werden, um Zielgrössen wie Energieeffizienz, KSS-Bedarf, Werkzeugverschleiss und Werkstückqualität gezielt zu beeinflussen.

Gesunde Emulsion

Das optimale KSS-Management in der Fabrik treibt auch den Schmierstoffhersteller Fuchs SE aus Mannheim (D) um. «Ein effizientes KSS-Management basiert im Wesentlichen auf vier zentralen Bausteinen», sagt Alexander Kaiser, Head of Global Product Line Smart Services & Digital Business Partner bei Fuchs, und zählt sie der Reihe nach auf:

• Das Anmischen einer stabilen Emulsion mit möglichst feiner Tropfenstruktur unter Verwendung einer bekannten und empfohlenen Wasserqualität.

• Die kontinuierliche Überwachung des «Gesundheitszustands» der Emulsion, um ihre Leistungsfähigkeit dauerhaft sicherzustellen.

• Ein regelmässiger Nachsatz mit frischer Emulsion zur Kontrolle der Konzentration und zum Ausgleich von Volumenverlusten.

• Das gezielte Additivieren zur Bekämpfung von Infektionen oder Schaumbildung.

«Teile des Prozesses können teilautomatisiert oder vollständig automatisiert werden», sagt Kaiser. Automatisierung sei dann sinnvoll, wenn die Applikation stabil sei und keinen starken Schwankungen unterliege. Zudem sei auch die Wirtschaftlichkeit zu beachten, da Automation immer auch Investition bedeute.

Digitale Zwillinge

Bei der Automatisierung werde mindestens die aktuelle Konzentration durch In-Line-Refraktometer ermittelt. Zusätzlich werde der aktuelle Füllstand des KSS-Tanks erfasst. Über die Zielkonzentration für die Applikation ermittelt die Automatisierung dann die notwendige Nachsatzmenge und deren Konzentration, um die Emulsion auf einem konstanten Konzentrationsniveau zu halten. «Alle Produktionsmittel – beispielsweise Maschinen – und ihre Schmierpunkte werden als digitale Zwillinge in unserer cloudbasierten Service-Management-Plattform ‹LubeLink FluidsConnect› abgebildet», sagt Alexander Kaiser. Der aktuelle Zustand, Nachsatzmengen sowie der gesamte Pflegeprozess werden über dieses System erfasst, geplant und nachhaltig abgesichert. «Dadurch kennt das Smart‑Services-Team jederzeit den Zustand der Produktion und kann frühzeitig Massnahmen ergreifen, um ungeplante Stillstände zu vermeiden», berichtet Kaiser.

Fortlaufend messen und prüfen

Für KSS wird typischerweise in kurzen Intervallen die Konzentration bestimmt – entweder per Refraktometer (automatisiert oder manuell), durch Titration vor Ort oder mittels detaillierter Laboranalysen. Zusätzlich werden regelmässig pH‑ und Nitritwerte gemessen. Abstriche dienen der Erkennung möglicher bakterieller Infektionen. Teilweise werden auch Geruch und optischer Zustand dokumentiert. Auf Basis dieser Informationen werden Nachsatzzyklen sowie Reinigungsintervalle der Tanks geplant. «‹LubeLink› unterstützt mit Einsatzplänen und Meldungen die effiziente Koordination der Experten vor Ort», sagt Alexander Kaiser. Bei vollautomatischem Nachsatz werde zudem regelmässig die Funktionsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Equipments überprüft. Alle Daten – unabhängig davon, ob sie automatisiert oder manuell erfasst wurden – werden zentral in «FluidsConnect» gespeichert und bereitgestellt.

Wirtschaftlich individuell beurteilen

Ob sich der ganze Aufwand für den industriellen Anwender lohnt, ist letztlich ein kaufmännisches Rechenexempel. Denn die Höhe der Effizienz- und Produktivitätsgewinne durch automatisiertes KSS-Management beim Schleifen variiert je nach Anwendungsfall. Laut Alexander Kaiser können sowohl Personalkosten als auch Fluidkosten vermindert werden, im Wesentlichen durch Verlängerung der Standzeiten. Diese Einsparungen müssen allerdings der Investition in die Automatisierung entgegengestellt werden. «Eine zeitnahe Amortisation ist nicht in allen Märkten, bei allen Kunden und Applikationen gewährleistet», räumt der Experte ein. In allen Fällen steigere professionelles KSS-Management jedoch die Produktivität, indem Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert würden und die gewünschte Qualität der produzierten Teile sichergestellt werden könne.

Längere Standzeiten, weniger Verbrauch

Zum ökonomischen Nutzen kommt dabei der ökologische. Durch Standzeitverlängerung des KSS würden sowohl benötigtes Konzentrat als auch genutztes Frischwasser vermindert. Zudem reduzierte sich die Menge an Emulsionen, die entsorgt werden müssten. «Durch den konstant guten Gesundheitszustand der Emulsion wird ebenfalls die Nutzung von Additiven reduziert oder gar komplett vermieden. Auch zu erwähnen ist, dass Standzeitverlängerungen der Werkzeuge und perfekte Schmierung zu spürbaren Energieeinsparungen führen können», führt Alexander Kaiser aus.

Cloud unterstützt Datenverarbeitung

Eine Datenverarbeitung in der Cloud bietet zusätzliche Vorteile: «Immer aktuell, überall verfügbar, zentrale Datenbasis sowie hohe Ausfallsicherheit», fasst Alexander Kaiser die Vorteile einer Software in der Cloud zusammen. Neue Funktionen, Sicherheitsupdates und Verbesserungen stünden durch die Cloud sofort bereit. Der Zugriff sei von jedem Standort, jedem Gerät und zu jeder Zeit möglich, was perfekt sei für globale Produktionsnetzwerke. Daten aus Maschinen, Sensoren, Laboren und Serviceeinsätzen seien in einem System verfügbar – ohne Datensilos, Versionskonflikte und Medienbrüche. Und redundante Systeme und professionelles Monitoring sorgten für Betriebsstabilität.

Daten sicher gespeichert

Zentral für den Anwender ist dabei, dass die Daten in der Cloud auch sicher gespeichert sind. «Wir sind uns der zentralen Bedeutung von IT‑Sicherheit bewusst», bekräftigt Alexander Kaiser. Die Software «LubeLink» sei eine cloudbasierte Plattform, die auf modernsten Webtechnologien aufbaue. Die Anwendung werde in Deutschland gehostet. «Da sich ‹LubeLink› stetig weiterentwickelt, lassen wir sowohl die Anwendung als auch die Hosting‑Umgebung regelmässig von einem unabhängigen externen Partner prüfen und zertifizieren», sagt Alexander Kaiser und fügt an: «Bislang wurden keinerlei Schwachstellen oder Sicherheitsprobleme festgestellt – ein Ergebnis, auf das wir stolz sind. So bieten wir unseren Kunden ein modernes, leistungsfähiges und zugleich äusserst sicheres System für das Management ihrer Schmierprozesse.»

Effizienter mit KI

Beim datenbasierten KSS-Management verspricht maschinelles Lernen in Zukunft weitere Effizienzgewinne. «Wir nutzen eine Vielzahl moderner Technologien, um aus den verfügbaren Daten echten Mehrwert für unsere Kunden zu schaffen. Wo es sinnvoll ist, kommen dabei auch Verfahren der künstlichen Intelligenz zum Einsatz», berichtet Alexander Kaiser. «Dank unserer langjährigen Erfahrung und der über die Zeit aufgebauten Datenbasis können wir Anomalien in Schmierapplikationen frühzeitig erkennen – und in vielen Fällen sogar vorhersagen.»

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Den Schleifstandard neu definieren

(kmu)

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