Digitaler Zwilling

Digitale Schritte für virtuelle Schnitte

Der digitale Zwilling etabliert sich zunehmend beim Maschinendesign, bei der effizienten Inbetriebnahme oder kurzen Umrüstung. Die Herausforderung speziell bei Zerspanungswerkzeugen liegt in ihrem Verschleiß, der ebenfalls digital erfasst werden muss, um das Potenzial des virtuellen Ebenbildes voll ausnutzen zu können. Allen voran steht jedoch der Mehrwert, den die Digitalisierung der Zerspanung bringen soll.

Digitaler Zwilling. (Bild: Uni Bayreuth)

Industrie 4.0, digitalisierte Daten in der Cloud, vernetzte Prozesse in smarten Fabriken – welche Rolle spielt dabei das Zerspanungswerkzeug? „Wie bei jedem realen Zerspanungsprozess das reale Zerspanungswerkzeug eine wichtige Rolle spielt, so ist für die virtuelle Abbildung von Prozessen das virtuelle Werkzeug entscheidend“, sagt Claudia Kleinschrodt, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth. Sie beschäftigt sich dort mit den Problematiken beim CAD-Datenaustausch von Werkzeugmodellen. Dieser digitale Zwilling vereint alle Eigenschaften des realen Werkzeugs und kann dieses durchgängig in allen digitalen Prozessen abbilden.

Eine durchgängige Digitalisierung, erläutert Kleinschrodt, „erlaubt beispielsweise eine virtuelle Inbetriebnahme oder die simulative Optimierung von Prozessparametern. Da es möglich ist, sämtliche Informationen über das Werkzeug zentral abzulegen, kann auf Veränderungen des Werkzeugs während seiner Lebenszeit – etwa durch Nachschleifen – reagiert, die Parameter angepasst und somit eine gleichbleibende Qualität der Produkte gewährleistet werden.“ Durch eine Verlagerung vieler zeitintensiver Schritte in die virtuelle Welt können Prozesse zudem wesentlich effizienter gestaltet werden. Die Automatisierung und eine zentrale Planung führen beispielsweise zu geringeren Rüstzeiten, besserer Maschinenauslastung oder optimierten Taktzeiten.

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Um einen Überblick über die große Anzahl an verwendeten Werkzeugen in Betrieben zu erhalten, sind effiziente Toolmanagementsysteme (TMS) unabdingbar. Sie stellen eine Voraussetzung für Automatisierung und Vernetzung dar. Ein funktionierender Datenaustausch ist nicht nur wichtig, um das TMS mit den benötigten Informationen zu versorgen. Es ist vielmehr für jeden digitalen Schritt in der Prozesskette entscheidend. Hierbei stellt neben dem Informationsgehalt vor allem die Kompatibilität zwischen den unterschiedlichsten Systemen eine Herausforderung dar. Abgestimmte Systeme und qualitativ hochwertige Daten sind also entscheidend für die Umsetzung von effizient digitalisierten Prozessen. Sind diese Bedingungen erfüllt, erklärt Kleinschrodt, „können Unternehmen stark von einer Digitalisierung ihrer Prozesse profitieren. Vor allem der Mittelstand kann so effizient und flexibel arbeiten und langfristig wettbewerbsfähig bleiben.“

Große Erwartungen hat die Digitalisierungsexpertin an die bevorstehende Metav 2018 in Düsseldorf: „Speziell im Hinblick auf den Datenaustausch und die virtuelle Fertigung interessieren mich vor allem die Entwicklungen im Bereich Smart Factory und die wirtschaftliche Umsetzung der an Forschungseinrichtungen entwickelten Theorien.“

Teil der Prozesskette

Das Zerspanungswerkzeug, erläutert Markus Kannwischer, Leiter Technik und Mitglied der Geschäftsleitung von Paul Horn, „ist Teil einer Prozesskette und unterliegt im Gegensatz zu fast allen anderen Produktionsmitteln einem Verschleiß. Informationen zum Werkzeug müssen digital vorliegen, um in der Prozesskette verwendet werden zu können. Dies betrifft zum einen alle Informationen zu geometrischen Abmessungen, zum anderen Informationen zum Einsatz des Werkzeugs.“

Informationen zum Verschleiß und zum Einsatz des Werkzeugs sind wichtig für die Prozesssteuerung. Sie können zum einen aus dem Werkzeug selbst generiert werden. Hier sendet das Werkzeug selbst Informationen beispielsweise zu Drücken, Temperaturen und Schwingungen. Diese Informationen erlauben Rückschlüsse auf den Zustand und die Belastung der Schneide und zudem auf die Prozessstabilität. Die entsprechenden Zerspanparameter können dann automatisch über die Steuerung angepasst werden, ähnlich dem autonomen Fahren, bei dem die Geschwindigkeit den Randbedingungen angepasst wird. Zum anderen können Informationen an der Spindel, an der Maschine oder über separate Messvorrichtungen aufgenommen werden, die ebenfalls Rückschlüsse über den Zustand der Schneide erlauben.

Eine Reihe von Forschungsprojekten beschäftigt sich zurzeit mit der Frage, wie der Zerspanprozess im Zuge der Digitalisierung „intelligenter“, das heißt verlässlicher gesteuert werden kann: Sollen Standzeiten voll ausgenutzt werden? Ist die Betrachtung des Zerspanprozesses für jede einzelne Schneide notwendig? „Wir erwarten von der Metav 2018 in Düsseldorf neue Erkenntnisse über den aktuellen Stand dieser Projekte“, sagt Kannwischer.

„Zum Werkzeug gehören Dienstleistungen“

Dr. Jochen Kress, Mitglied der Geschäftsleitung der Mapal Dr. Kress KG, Aalen: „Es reicht nicht mehr, das beste Werkzeug zu liefern. Zum Werkzeug gehören heute Dienstleistungen, wie das Toolmanagement sowie die korrespondierenden Daten.“ (Bild: Mapal Dr. Kress)

Nach Ansicht von Dr. Jochen Kress, Mitglied der Geschäftsleitung der Mapal Dr. Kress KG, reicht es heute nicht mehr, das beste Werkzeug zu liefern: „Zum Werkzeug gehören heute Dienstleistungen wie das Toolmanagement und die korrespondierenden Daten. Wir reagieren darauf unter anderem mit dem Toolmanagement 4.0, das wir auf Basis der Open-Cloud-Plattform c-Com anbieten.“

Bezogen auf das Werkzeug spiele vor allem der digitale Zwilling für die Optimierung der tatsächlichen Bearbeitung eine Rolle. Denn durch ihn ist es möglich, in einer NC-Simulationssoftware den gesamten Bearbeitungszyklus durchzuspielen. So können Kollisionen erkannt und das Werkzeugverhalten getestet werden. Das vermeidet nicht nur, dass kostenintensiver Ausschuss produziert wird, sondern kann in vielen Fällen sogar den Einsatz eines Bauteil-Prototypen ersetzen. Über den Zerspanungsprozess hinaus erleichtern die richtigen Daten zu den Werkzeugen alle Aufgaben, die während des Lebenszyklus eines Werkzeugs anfallen. Das betrifft von der Auftragserteilung bis zur Entsorgung sämtliche Prozesse, beispielsweise den Einkauf, den Nachschliff der Werkzeuge oder die Maschinenabnahme beim Kunden.

Heute werden in der zerspanenden Fertigung die Prozesse rund um die benötigten Werkzeuge, wie die Beschaffung, Einstellung oder Bereitstellung, mehr und mehr ausgelagert. „Wir haben diese Entwicklung früh erkannt und ein effizientes Toolmanagement erarbeitet“, betont Kress. Nur durch das Teilen von Daten auf einer gemeinsamen Plattform könnten angewandte technische Lösungen innerhalb des Unternehmens verglichen werden. Dadurch, so Kress abschließend, „wird die Interaktion zwischen dem Einkauf und der Produktion sowie zwischen dem Einkauf und den Lieferanten vereinfacht“. Walter Frick/cs

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