Messtechnik Forscher geben Werkzeugmaschinen einen Tastsinn

Millionen feiner Rezeptoren pro Quadratzentimeter Haut machen diese zum perfekten Sensor. Ständig nimmt sie Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit, die Temperatur oder den Druck auf und befähigt den Menschen damit zu filigranen Arbeiten. Wissenschaftlern des Fraunhofer IWU ist es jetzt gelungen, auch spanenden Werkzeugmaschinen einen Tastsinn zu verleihen.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Der Tastsinn ist für den Menschen überlebensnotwendig. Er ermöglicht es ihm, mit seiner Umgebung gezielt zu interagieren. „Ähnlich komplex wie die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt ist die Wechselwirkung moderner Hochleistungsprozesse mit Werkzeugmaschinen“, sagt André Bucht, Abteilungsleiter Adaptronik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. „Auf einen Tastsinn mussten Werkzeugmaschinen bislang verzichten. Mit Senso Tool ändern wir das.“

Prozesskräfte messen, wo sie auftreten

Senso Tool erfasst Temperaturen und Kräfte dort, wo sie auftreten und erlaubt auf diese Weise eine direkte Prozessüberwachung und -anpassung. „Kern des Systems ist ein Sensorelement mit piezoelektrischen Schichten, das direkt hinter der Wendeschneidplatte am Werkzeugträger positioniert ist“, so André Bucht. Die zu messende Kraft wird in eine Ladung gewandelt, die eine integrierte Elektronik anschließend vorverarbeitet. Die so gewonnenen Daten überträgt das Werkzeug drahtlos an die Maschine. Somit ermöglicht das Sensorelement die prozessnahe Messung hochdynamischer Kräfte von wenigen Newton bis zu drei Kilonewton, erklärt der Forscher. Auf diese Weise könne Senso Tool die aktuell wirkenden Schnittkräfte, die Temperatur an der Werkzeugschneide aber auch Schwingungen des rotierenden Werkzeugs nahe der Wirkstelle erfassen.

„Bisher war es unmöglich, Kenngrößen von Zerspanungsprozessen direkt im Prozess mit ausreichender Qualität und Quantität zu erfassen“, erklärt André Bucht. In der Zerspanung dominieren zur Prozessüberwachung bisher sensorlose Systeme. Die Kennwertermittlung erfolgt dabei nicht direkt in den kritischen Belastungszonen des Werkzeugs. Vielmehr werden Messgrößen wie das Drehmoment von Spindel und Vorschubachsen ausgewertet. Dadurch lassen sich oft nur sehr schwerwiegende Ereignisse wie ein Werkzeugbruch detektieren. Eine Echtzeit-Nachregelung des Prozesses ist nicht möglich. Sensorische Lösungen kommen wegen hoher Kosten und eines großen Integrationsaufwands bisher lediglich in Laboren zum Einsatz.

Paradigmenwechsel eingeläutet

„Piezokeramische Schichtsysteme direkt auf rotierenden Werkzeugen bedeuten hier einen Paradigmenwechsel“, ist André Bucht überzeugt. „Denn mit Senso Tool können wir komplexe Prozessgrößen nahe der Wirkstelle erfassen und drahtlos an eine übergeordnete Steuerung übergeben. So entstehen intelligente Produktionsanlagen, die auf kleinste Abweichungen zielsicher reagieren. Dadurch ist eine stabile und optimale Prozessführung für eine energie- und ressourceneffiziente Fertigung gewährleistet.“

Notwendig sind solche Prozessanpassungen aufgrund immer höherer Anforderungen an Qualität und Produktivität moderner Fertigungssysteme. Zudem kommen immer öfter schwer zerspanbare Werkstoffe wie Kohlefaserverbunde oder Titan zum Einsatz. Eine sichere Fertigung erfordert deshalb zunehmend eine sehr exakte Einstellung aller relevanten Parameter. Schon geringe Abweichungen führen zum Verlassen des stabilen Prozessfensters. Senso Tool erkennt diese Abweichungen frühzeitig, und die Maschine passt sich den veränderten Bedingungen an.

Premiere am Fraunhofer IWU

Den Einsatz der werkzeugintegrierten Sensorik können Interessierte im Rahmen des „Ersten Produktionstechnischen Gesprächs Dresden“ erleben. Die neue Veranstaltungsreihe des Fraunhofer IWU hat am 17. August Premiere. Dabei gewähren kurze Fachvorträge Einblicke in aktuelle Entwicklungstrends der Produktionstechnik. In einem kleinen Expertenkreis können sich die Teilnehmer direkt im Versuchsfeld des Fraunhofer IWU in Dresden zu Lösungen aktueller fertigungstechnischer Herausforderungen austauschen und neue Kontakte knüpfen. (jv)

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