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Maschinenkonstruktion Fabriken auch per Nachrüstung digital revolutionieren

| Redakteur: Ute Drescher

Wer steigende Variantenvielfalt und Produktindividualisierung wirtschaftlich managen will, muss IT-gestützt komplexe Produktionssysteme beherrschen. Mit der „Maschine 4.0“ zeigen Wissenschaftler des Fraunhofer IWU konkrete Lösungsansätze, die echten Mehrwert schaffen.

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„Industrie 4.0 bedeutet, ganzheitlich zu denken und IT-gestützt komplexe Produktionssysteme zu beherrschen.“, sagt Professor Matthias Putz, Institutsleiter am Fraunhofer IWU.
„Industrie 4.0 bedeutet, ganzheitlich zu denken und IT-gestützt komplexe Produktionssysteme zu beherrschen.“, sagt Professor Matthias Putz, Institutsleiter am Fraunhofer IWU.
(Bild: Fraunhofer IWU)

„Industrie 4.0 bedeutet nicht, digitale Insellösungen zu schaffen“, sagt Prof. Matthias Putz, Institutsleiter am Fraunhofer IWU. „Industrie 4.0 bedeutet, ganzheitlich zu denken und die Digitalisierung im Sinne ganz konkreter Mehrwerte systematisch umzusetzen.“ Mit der „Maschine 4.0“ verfolgen die Chemnitzer das Ziel einer 100-%-Produktion. Möglich machen sollen das vollvernetzte Maschinen, die ihren Zustand selbstständig überwachen, mit ihrer Umwelt kommunizieren und vorausschauend arbeiten. Soweit die Theorie. Doch wie sieht das konkret in der Praxis aus?

Adaptronische Komponenten für eine robuste Produktion

Eine robuste Produktion beginnt mit intelligenten Maschinenkomponenten. Ein Beispiel hierfür ist die Applikation adaptronischer Bauteile. So lassen sich spanende Werkzeugmaschinen mit einem Schwingsystem für Bohr- und Fräswerkzeuge ausstatten. Es versetzt die Werkzeuge mithilfe von Ultraschall so in Schwingung, dass die Bearbeitung von faserverstärkten Keramiken und Kunststoffen wesentlich erleichtert wird. Diese zukunftsweisenden Leichtbaumaterialien kommen heute noch nicht uneingeschränkt zum Einsatz, weil ihre Bearbeitung schwierig und damit teuer ist. Das Ultraschall-Schwingsystem der Fraunhofer-Forscher soll das ändern: Mit seiner Hilfe lässt sich der Werkzeugverschleiß reduzieren, und es sorgt dafür, dass weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden muss.

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Funktionsintegration als Basis der digitalen Fertigung

Bewegliche Maschinenkomponenten stellen die Chemnitzer Wissenschaftler u.a. aus gewichtsoptimierten Hybridbauteilen her. Dabei kann es sich um Sandwich-Konstruktionen aus Aluminiumschaum und Kohlefaser-Verbunden handeln. Sie vereinen sehr gutes thermisches Verhalten mit geringer Masse, perfekter Dämpfung und niedrigen Fertigungskosten. Ein wichtiger Baustein ist hierbei die Funktionsintegration der Komponenten als Basis einer digitalen Fertigung: Die Forscher binden beispielsweise Temperatursensoren und Einplatinen-Computer direkt in die Bauteilstruktur ein. So können umfangreiche thermische Messungen vorgenommen werden. Einzelne Komponenten bis hin zu komplexen Maschinen lassen sich analysieren. Ein Beispiel dafür bietet ein Leichtbau-Maschinenschlitten mit PT-100-Sensoren.

Wer zu 100 % produzieren möchte, muss auch Umgebungs- bzw. Umweltdaten einbeziehen. Letztere gewinnen die Forscher in Chemnitz mit Hilfe einer weltweit einzigartigen Klimazelle. Dabei handelt es sich um eine Art Versuchshalle, in der sich verschiedenste Umgebungsbedingungen erzeugen lassen, beispielsweise Luft- und Bodentemperaturen zwischen 10 und 40 °C oder Luftfeuchtigkeiten zwischen 10 und 90 %. So testen die Wissenschaftler die Effekte durch Außeneinflüsse auf die Produktionsgenauigkeit von Maschinen, denn Werkstücke können hierdurch leicht um Millimeter von den geforderten Maßen abweichen.

Digitales Abbild der Maschine liefert Lösungsszenarien

Das Wissen um solche die Umwelt- und Prozessparameter lassen die Wissenschaftler in ein digitales Maschinenabbild einfließen, das dem Maschinenbediener beispielsweise auf einem Tablet zur Verfügung gestellt wird. „Für viele wäre bei der bloßen Echtzeit-Darstellung der Maschine Schluss“, sagt Prof. Putz. „Wir gehen aber noch einen Schritt weiter und geben dem Maschinenbediener per Tablet Lösungsszenarien an die Hand.“ Entsprechend kann der Mitarbeiter etwa auf thermisch bedingte Verformungen des Maschinengestells reagieren und so Ausschussteile vermeiden. Bei einer Umformpresse könnte der Mitarbeiter dann beispielsweise die Verkippung des Stößels ausgleichen, um Ungenauigkeiten entgegenzuwirken, die sich durch einen Verzug des Maschinengestells ergeben könnten. Voraussetzung dafür ist, dass das Kippmoment bekannt ist.

Bei der virtuellen „Maschine 4.0“ liefern Kraft- und Wegsensoren diese Information, die auf dem Tablet eingeblendet werden, in der Realität hingegen verborgen sind. Die Sensoren sind Grundlage für eine effiziente Zustandsüberwachung, die wiederum die Voraussetzung für die vorausschauende Instandhaltung von Maschinen bildet. Mit dieser lassen sich Reparaturen planen und Ausfälle vermeiden. So steigt die Maschinenverfügbarkeit in Richtung 100 %.

„Die Blackbox transparent machen“

„Vieles, was in Fabriken geschieht, passiert auch heute noch in einer Blackbox“, sagt Prof. Matthias Putz. „Wir machen diese Blackbox transparent.“ So wird der Produktionsprozess in seiner Gesamtheit eindeutig bewertbar, Stellschrauben zur Prozessanpassung lassen sich identifizieren. Der Weg dorthin führt über die konsequente Digitalisierung. Die Maschine 4.0 steht beispielhaft für die Vereinigung physischer Komponenten mit Informationstechnologie und überwacht als vollvernetztes System ihren Zustand, arbeitet vorausschauend, kommuniziert innerhalb des Produktionssystems und mit dem Mitarbeiter.

Tipp: Anwendertreff Maschinenkonstruktion Verfügbarkeit und Produktivität, Flexibilität, Adaptivität – diese Ziele erreichen Konstrukteure und Entwickler bis heute mithilfe klassischer Technologien und Methoden. Doch angesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen stellt sich die Frage: Wo bieten sich neue Maschinenkonzepte an, wo spielen bewährte Technologien ihre Stärken auch in Zukunft aus? Der Anwendertreff Maschinenkonstruktion will diese Fragen klären und konkrete Lösungsansätze aufzeigen.
Anmeldung: Anwendertreff Maschinenkonstruktion

Die dargestellten Lösungen lassen sich in bereits existierende Maschinen beziehungsweise Produktionssysteme integrieren. „Denn“, so Prof. Putz, „Fabriken lassen sich auch per Nachrüstung digital revolutionieren.“ (ud)

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