Spanntechnologie Intelligente Werkzeugspanner für die Umformtechnik der Zukunft

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

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Industrie 4.0 ist längst nicht mehr das Thema von morgen. Der rasante technologische Fortschritt befeuert die Nachfrage nach digitalen Produktlösungen – auch im Bereich Spanntechnik. Doch welches Potenzial steckt in smarter Spanntechnologie für Umformmaschinen?

Aufgrund der Marktforderungen nach einer höheren Varianten- und Modellvielfalt müssen moderne Produktionsbetriebe den Fokus zunehmend auf die Individualisierung und Optimierung ihrer Prozesse legen. Im Zuge dieser Entwicklung kann auch smarte Spanntechnologie einen wichtigen Beitrag leisten.

Durch ihre exponierte Position nah an Werkzeug und Werkstück sind Spannsysteme geradezu prädestiniert, prozessrelevante Parameter zu überwachen und wichtige Daten zu generieren. Eine lückenlose Zustandsüberwachung in Verbindung mit der entsprechenden Auswertung und Visualisierung der Daten führt letztendlich zu einer stabileren, besser plan- und regulierbaren Fertigung. Am Ende steht im besten Fall ein effizienzoptimierter Produktionsprozess mit gleichbleibend hohen Werkstückqualitäten und minimalen Ausfallzeiten.

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Erfolg dank Forschungskooperation

Doch wie kann ein mittelständischer Hersteller von Spanntechniklösungen wie die Berg & Co. GmbH mit seinen herkömmlichen Produkten den digitalen Wandel mitgestalten? Wie lassen sich Tradition und Innovation in Einklang bringen?

Zur Realisierung der Idee eines smarten Produkts benötigt es starke innovative Partner. In enger Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) hat Berg ein neuartiges, intelligentes Werkzeugspannsystem entwickelt, welches sich ideal als Nachrüstlösung an Pressen und Pressenlinien integrieren lässt. Doch erst der Zusammenschluss von Berg als Systemlieferant, dem Fraunhofer-IWU als Forschungseinrichtung sowie einem Presswerk als Endanwender hat die nötigen Synergieeffekte entstehen lassen.

Für das Anwendungsfeld Umformtechnik bestehen bei der Smartifizierung von Produkten besonders hohe Herausforderungen in Bezug auf die Robustheit und Sensitivität des Systems. Die Entwicklung und Integration von Sensoren in die unterschiedlichen Werkzeugspannertypen erfolgte daher in mehreren Stufen und durchgängig begleitet von Simulationen, Labor- und Vorserienerprobung.

Datenverarbeitung und -analyse ein weiterer Schwerpunkt

Anhand einer Vielzahl von Finite-Elemente-Simulationen des Systems „Umformwerkzeug – Spannsystem – Umformmaschine“ konnten die idealen Positionen zur Integration entsprechender Sensoren innerhalb der Werkzeugspanner identifiziert werden. Deren Funktionsweise wurde in einem ersten Schritt in Laborversuchen am Fraunhofer-IWU erprobt und zusätzlich durch repräsentative realtypische Versuche an einer Try-out-Presse bestätigt – die Voraussetzung für den Schritt in Richtung Felderprobung. In Forschungskooperation mit der Mercedes-Benz AG werden die Vorserienmodelle der intelligenten Werkzeugspanner nun im Produktionsumfeld im Presswerk in Kuppenheim getestet.

Neben der Hardwareerprobung ist die Entwicklung der Datenverarbeitung und -analyse ein weiterer Schwerpunkt. Für eine schnelle Integration der Werkzeugspanner und eine problemlose Kommunikation wird daher auf weit verbreitete Feldbus-Protokolle wie Profinet gesetzt. Somit ist es möglich, die Sensordaten der einzelnen Werkzeugspanner gemeinsam, zeitsynchron und feinabgetastet zu verarbeiten.

Die Analyse der Sensordaten erfolgt dabei mittels einer speziellen Auswertesoftware (Berg Tronic), welche am Fraunhofer-IWU entwickelt wird. Die Algorithmen ermöglichen es, mit den Sensordaten der intelligenten Werkzeugspanner einen Blick in den Umformprozess zu werfen – prozessnah und robust. So können Prozessabweichungen, Trends und Produktionsschwankungen analysiert werden – ohne zusätzliche Sensorstellen an anderen Orten der Umformmaschine zu integrieren. Aktuell werden diese Algorithmen anhand von Feldversuchen verifiziert.

Stufe für Stufe zum effizienzoptimierten Produktionsprozess

Das Funktionspaket des intelligenten Werkzeugspanners, der unter der Produktbezeichnung „Tool Assist“ geführt wird, verfügt je nach benötigtem Einsatzzweck über drei Module beziehungsweise Ausbaustufen. Seine mechanischen Basisfunktionalitäten werden in den ersten beiden Stufen durch die digitalen Funktionen „Zustands-“ und „Spannprozessüberwachung“ erweitert. Spannfehler und Verschleißerscheinungen werden frühzeitig erkannt und entsprechende Maßnahmen planbar in die Abläufe integriert.

In der dritten Ausbaustufe ist ein „Monitoring des Umformprozesses“ möglich. Über sein Sensorsystem gewährt der intelligente Werkzeugspanner einen Blick in den Umformprozess („Prozesstransparenz“). So fungiert die Spanntechnik an der Werkzeugschnittstelle von Umformmaschinen als ideale Informationsquelle. Wie zuvor bereits beschrieben, können durch die Auswertung ausgewählter Sensordaten technologisch relevante Informationen – etwa Änderungen im Presskraftverlauf – produktionsparallel erfasst und in der SPS weiterverarbeitet werden. Auf diesem Weg können digitale Prozessdaten nutzbringend für die Anlagensteuerung zur Verfügung gestellt werden.

Die Erprobung und der Einsatz des intelligenten Werkzeugspanners „Tool Assist“ dient somit als Musterbeispiel für die Smartifizierung von Produkten in der Umformtechnik, durch die der Fortschritt zu mehr Effizienz und Transparenz in der Produktion stetig vorangetrieben wird. Kurzum, smarte Spanntechnologie ermöglicht die Sicherstellung und Steigerung der Produktivität.

Fraunhofer-IWU

Maschinelles Lernen für produzierende Unternehmen

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