Umformtechnik Wenn das Umformwerkzeug Fehler meldet

Redakteur: Dietmar Kuhn

Stanzerei-Großwerkzeuge werden zur Umformung von Blechen in Presswerken der Autoindustrie und bei Zulieferern eingesetzt. Sie machen Operationen wie Formen, Schneiden oder Lochen möglich. Um diese Operationen innerhalb des Werkzeuges ausführen zu können, werden Gasdruckfedern oder hydraulische Geber-Nehmer-Systeme als Antriebe eingesetzt. Ihr Ausfall könnte fatale Folgen haben, die es zu verhindern gilt.

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Pressen in der Automobil- und Zulieferindustrie laufen rund um die Uhr. Permanent wird eine Pressenstraße mit den bereits zugeschnittenen Blechplatinen gefüttert. In fünf oder sechs Stufen wird aus der Blechplatine ein komplettes Seiten- oder anderes Karosserieteil produziert, und das oft in 1000er-Stückzahlen.

Umformwerkzeuge müssen so viel wie möglich leisten

Die Umformwerkzeuge können dabei Abmessungen bis 5 m Länge und noch mehr haben. Wirtschaftlich gestalten sich diese Umformwerkzeuge dann, wenn man es schafft, so viele Fertigungsoperationen wie nur möglich zu integrieren, in einen Hub hineinzupacken und prozesssicher ohne Ausfall zu produzieren.

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Mögliche Operationen können beispielsweise zusätzliche Umformungen, Schneid- oder Stanzvorgänge sein. Dazu müssen synchron zur Pressenbewegung und dem Platinentransfer entsprechende Bauteile hin und her bewegt werden.

Gasdruckfedern in Umformwerkzeugen weit verbreitet

Dies geschieht meist mit Gasdruckfedern, insbesondere wegen ihrer hohen Federkräfte und Federwege sowie ihrer kompakten Bauart und hohen Betriebssicherheit, oder mit sogenannten hydraulischen Geber-Nehmer-Systemen wie sie beispielsweise von der Fibro GmbH aus Haßmersheim geliefert werden. Die Gasdruckfedern sind dabei mit Stickstoff gefüllt. Aufgrund der genannten Vorzüge finden sie eine breite Anwendung in Umformwerkzeugen.

Je nach Anzahl der integrierten Funktionen beinhaltet ein Werkzeug auch meist mehrere Gasdruckfedern. „Diese wurden bisher mit Hilfe von Schlauchleitungen befüllt und überwacht“, so Norbert Reinmuth, Produktmanager Geschäftsbereich Normalien bei Fibro. „Durch diese Verschlauchung war es fast nicht möglich, das Gasdruckfedersystem außerhalb der Presse zu überwachen, um so eventuelle Druckverluste gezielt zu erkennen und gegebenenfalls zu regulieren.“

Fehlersuche bei Gasdruckfedern im Umformwerkzeug bisher kompliziert

Obwohl es bisher funktionierte, hatte es jedoch einen gewaltigen Nachteil, der darin bestand, dass man bei einem Druckverlust nicht wusste welche Gasdruckfeder dem Ausfall nahe war. Ab da begann für die Werkzeugmacher das große Suchen. Ekrem Kir, Kolonnenführer bei Ford in Köln und praktisch ein alter Hase in Sachen Werkzeugbau, weiß: „Das hat oft Stunden gedauert, bis wir wussten, wo die Leckage aufgetreten ist. Dazu musste dann die Presse angehalten werden, und da schnellten die Kosten auch gleich rasant nach oben.“

Die Unsicherheit und das Wissen um die Probleme und Sorgen der Großwerkzeugbauer entzündeten in Reinmuth einen Funken, die Schlauchleitungen einfach zu eliminieren und die Überwachung mit Hilfe einer speziellen Sensorik zu lösen.

Gasdruckfedern im Umformwerkzeug werden jetzt in Echtzeit überwacht

Bei Fibro nennt man das System Wireless Pressure Monitoring – kurz WPM. Damit können nun die Gasdruckfedern in einem Umformwerkzeug in Echtzeit überwacht werden. Grund dafür, dass es jetzt keine Kabel und Schläuche mehr gibt und gleichzeitig die Prozesssicherheit erheblich gesteigert werden konnte, ist ein spezieller Sensor. Dieser wird nun vor Ort im Werkzeug an die Gasdruckfeder oder an die Hydraulikleitungen – wenn es sich um ein Geber-Nehmer-System handelt – montiert beziehungsweise eingeschraubt.

Die Funktionsweise des WPM ist so, dass der Sensor den Druck und die Temperatur der jeweiligen Gasdruckfeder dauernd erfasst und überwacht und bei einer Abweichung im Vergleich zu einem vorher an einem Rechner eingestellten Wert ein entsprechendes Signal sendet. Es wird also permanent der Sollwert mit dem Istwert verglichen.

Jedes Umformwerkzeug lässt sich mit Überwachungssystem ausstatten

Prinzipiell lässt sich jedes Werkzeug mit dem WPM ausstatten. Ford hat als Pilotanwender für das WPM einige seiner Werkzeuge bereits damit ausgerüstet.

Dass Fibro dort die Chance hatte, seine Versuchssensoren – denn bislang hatten die eingesetzten Sensoren noch Prototypen-Charakter und wurden nur in limitierter Stückzahl produziert – einzusetzen und zu testen, das lag in erster Linie an dem erfahrenen Werkzeugbau-Team von Ekrem Kir und seinem Mitarbeiter Kai Manns. „Nun kennen wir schon seit Jahren Hartwig Hennemann als kompetenten Berater von Fibro“, sagt Kir. „Er hat uns eines Tages das WPM-System vorgestellt und so sind wir zum Versuchskaninchen geworden.“

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Überwachungssystem für Umformwerkzeuge spart viel Geld

Seit Februar 2010 testen die Ford-Werkzeugspezialisten nun das System und sie sind davon überzeugt, dass man mit dem WPM und der Vermeidung eines Werkzeugcrashs eine Menge Geld sparen kann. „Wir können sofort erkennen“, so Kir, „wo etwas nicht stimmt, und können so viel schneller reagieren. Mit dem WPM haben wir alle Gasdruckfedern oder Geber-Nehmer-Systeme im Griff.“ Neben den direkten Einsparungen lassen sich aber auch im Vorfeld in der Konstruktion Kosten sparen, weil die Überlegungen hinsichtlich Schlauchleitungen oder Kabel entfallen.

Das WPM-System ist so einfach wie genial. Denn die permanent erfassten Druck- und Temperaturdaten werden per Funk an einen Rechner gesendet. Das ist nichts Besonderes, denn es kann ein handelsübliches und windowsbasiertes Notebook sein, das zum Einsatz kommt.

Daten der Umformwerkzeug-Überwachung gehen direkt an die Pressensteuerung

Mit Hilfe eines USB-Antennensticks werden die gefunkten Daten vom Rechner empfangen und auf dem Monitor angezeigt. Gleichzeitig wird auch die Pressensteuerung informiert und, wenn notwendig, entsprechende Maßnahmen ausgelöst.

Dabei werden die Werte jeder einzelnen Gasdruckfeder überwacht, sodass sofort sichtbar wird, um welche Gasdruckfeder es sich handelt und wo sie zu lokalisieren ist. Praktisch lassen sich alle eingesetzten Gasdruckfedern eines oder auch mehrerer Werkzeuge unter einer Oberfläche verwalten.

Jeder Sensor im Umformwerkzeug erhält eigene Adresse

Dazu wird jedem Sensor von Fibro bereits eine Seriennummer beziehungsweise Adresse zugeteilt, die in der speziellen Software fest gespeichert ist. Wird beispielsweise ein neuer Sensor einem Werkzeug zugefügt, dann wird der automatisch vom System erkannt und in die Überwachung einbezogen.

Die Sensoren selbst haben mit einem Durchmesser von etwa 50 mm und einer Bauhöhe von 30 mm nur geringe Abmessungen und gelten deswegen als äußerst raumsparend.

Spezielle Batterien halten Sensoren im Umformwerkzeug über Jahre am Leben

Betrieben werden sie mit speziellen und energiestarken Batterien, die eigens dafür entwickelt wurden. Die Haltbarkeit soll laut Reinmuth im Dauerbetrieb mehrere Jahre betragen. Diese relativ lange Lebens- und Funktionsdauer wird durch einen speziellen Schlafmodus unterstützt, der die Batteriekapazität schont.

„Mittlerweile“, so Reinmuth, „haben wir die Sensoren serienreif entwickelt. Bei Ford wurden bereits die Prototypen gegen die Serienteile ausgetauscht.“ Da die Investitionskosten für das WPM-System im Vergleich zu den Werkzeugkosten oder einem Pressenstillstand relativ gering sind, gehen die Werkzeugbauer und Fibro-Spezialisten davon aus, dass in absehbarer Zeit die überwiegende Anzahl von Werkzeugen bei Ford und auch bei anderen Automobilherstellern und Zulieferern damit ausgerüstet werden.

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