DIAMOND BUSINESS Titelstory Ausgabe 4/2020: Digitalisierung und Messtechnik als Treiber für die Effizienz in der Produktion

27. Oktober 2020
Smart Tooling
Die Messtechnik ist innerhalb der Qualitätssicherung ein integraler Bestandteil der industriellen Produktion und der Prozessketten.

Im Rahmen der Produktionsoptimierung wird aber häufig herausgehoben, dass es sich um einen nicht wertschöpfenden Prozess handelt. Trotzdem kann und muss die Messtechnik einen substanziellen Beitrag zur Kostensenkung leisten. Offensichtlich sind die Potenziale direkt in der Messtechnik z. B. über schnellere Messprozesse oder auch die Integration unterschiedlicher Messaufgaben in einer Maschine. Die Vernetzung von Messtechnik und Fertigungstechnik im Sinne von Industrie 4.0 bietet darüber hinausgehende Potenziale, um Fertigungsprozesse zu optimieren und Prozessketten zu verschlanken. Dies erfolgt über die intelligente Verknüpfung von Informationen aus der Fertigung, der Messtechnik und der Arbeitsvorbereitung, wie z. B. den Klingelnberg Closed Loop. Wichtig ist hierbei ein durchgängiger Datenfluss in der Fertigung.

Potenziale der Messtechnik

Um Optimierungs- und Kostensenkungspotenziale in der Messtechnik aufzuzeigen, ist es sinnvoll, im ersten Schritt einen Blick in die Optimierung von Fertigungsprozessen zu werfen. Grundsätzlich ist die Fertigungstechnik immer bestrebt, Fertigungsprozesse zu beschleunigen, um damit die Kapazität des bestehenden Maschinenparks zu erhöhen. Das Pendant in der Messtechnik hierzu sind schnellere Messprozesse. Jedoch ist das nur in begrenztem Umfang möglich, da häufig keine Kompromisse in Bezug auf die Messgenauigkeit möglich sind. Ein Messmittel muss grundsätzlich immer und nachgewiesen fähig sein. Dadurch ergibt sich die erforderliche Präzision und Wiederholgenauigkeit aus den Toleranzen der Fertigungszeichnung.

Closed Loop – Digitale Maschinenkorrektur

Ein weiterer wichtiger Punkt in der Optimierung von Fertigungsprozessen ist die Integration weiterer Prozesse auf einer Maschine, um besonders die Neben- und Rüstzeiten zu reduzieren. Diese Vorgehensweise lässt sich direkt auf die Messtechnik übertragen. Hierzu hat Klingelnberg mit dem Done-In-One Prinzip die Möglichkeit geschaffen, Messaufgaben mit unterschiedlichen Anforderungen wie beispielsweise die Koordinatenmessung, Form- und Rauheitsmessung in eine Maschine zu integrieren. Hierdurch entfallen Rüst- und Ausrichtezeiten, gleichzeitig können die Investitionskosten deutlich reduziert werden. Diese Integration unterschiedlicher Aufgaben auf einem Messgerät lässt sich konsequent umsetzen, ohne Kompromisse im Hinblick auf die Genauigkeit der Messmaschine eingehen zu müssen.

Ein weiterer Punkt, an dem die Messtechnik einen Beitrag zur Optimierung der Produktionsabläufe und damit zur Kostensenkung leisten kann, ist die Verbesserung des Teileflusses an der Schnittstelle zwischen Fertigung und Qualitätssicherung. Idealerweise kann ein Bauteil direkt dort gemessen werden, wo es soeben noch bearbeitet wurde. Dazu muss die Messmaschine direkt in der Fertigung platziert werden. Hierbei kommen einerseits Umwelteinflüsse wie beispielsweise eine veränderliche Umgebungstemperatur, andererseits auch Schwingungen, wie sie vom Hallenboden übertragen werden, erschwerend hinzu. Auch hier gilt, dass Kompromisse hinsichtlich der Präzision und Wiederholgenauigkeit der Messmaschine häufig nicht möglich sind.

Closed Loop für die Stirnradproduktion – Adaptive Stirnradfertigung

Nach wie vor zählt das Zahnradschleifen zu den herausforderndsten spanenden Verfahren in der Metallbearbeitung. Es gibt keinen vergleichbaren Prozess, in dem sich kleinste Parametervariationen in der Schleifstrategie deutlich im Ergebnis abbilden können. Somit ist  viel Know-how in den Abläufen zur Herstellung von Verzahnungen gefragt. Ebenso erhöhen eine intuitive Bedienung und möglichst fehlerresistente Unterstützung, beispielsweise bei Korrekturen, die Sicherheit und schließlich die Produktivität. Klingelnberg bietet sowohl Bearbeitungs- als auch Messmaschinen aus einer Hand an. Folgerichtig wurde die digitale Kommunikation zwischen beiden Maschinen implementiert. Was im Kegelradbereich längst Stand der Technik ist, wird nun auch erfolgreich in die Stirnradwelt eingeführt.

So hält Industrie 4.0 Einzug in die Fertigung von zylindrischen Antriebskomponenten. Fortschritte in Forschung und Entwicklung sowie ein grundlegender Wandel in den Antriebssträngen spiegeln sich auch in den Werkstücken der Kunden wider. Der Trend führt zu immer komplexeren Profil- und Flankenliniengeometrien. Dabei steigen die Anforderungen nicht nur an Bearbeitungs- und Qualitätssicherungsprozesse, sondern gleichermaßen an die Qualifikation des Personals. Rund um den Globus beobachtet Klingelnberg bei seinen Kunden unterschiedliche Phänomene: In Industrienationen mit hochqualifizierten Arbeitskräften nimmt der organisatorische Anteil der Arbeit neben der ausführenden Tätigkeit größer werdende Anteile ein. Dagegen ist auf dem Niedriglohnsektor mit geringer qualifizierten Arbeitskräften die wirtschaftliche Herstellung sehr komplexer Zahngeometrien oft nicht darstellbar.

Smart Process Control

In beiden Fällen profitieren Klingelnberg Kunden vom Closed Loop, denn er bietet eine zuverlässige und anwenderfreundliche Unterstützung und gewährleistet die geforderte Werkstückqualität zu jedem Zeitpunkt automatisch und unabhängig vom Know-how des Bedieners. Das Vorgehen im Klingelnberg Closed Loop ist denkbar einfach. Geometrieabweichungen am Werkstück werden wie gewohnt messtechnisch erfasst. Die Messinformation wird direkt und automatisch an die Bearbeitungsmaschine übermittelt. Dies können einzelne Zahlenwerte wie Winkelabweichungen der Flankenlinie für Stirnradverzahnungen sein. Im Falle hochgenau zu fertigender Zykloidenbauteile aber auch eine umfangreiche punktweise Darstellung der Lückenkontur. Unabhängig vom Maschinenstatus kann der Bediener beliebig auf die Information reagieren. Bewegen sich die Messwerte außerhalb der definierten Toleranz, stehen verschiedene Korrekturmodi zur Auswahl. Die Korrekturen sind anschließend vollständig nachvollziehbar und dokumentiert. Die Abweichung der Ist- zur Soll-Geometrie eines Verzahnungsbauteils ist zumeist auf mehrere Einflüsse zurückzuführen.

 

Wesentlich sind sowohl die Maschinenkinematik als auch die eingesetzten Werkzeuge. Die Verteilung der jeweiligen Anteile dieser Einflüsse an den Qualitätsmerkmalen der Zähne eines Werkstücks ist sehr unterschiedlich. In der Praxis setzt das konventionelle Korrigieren von Abweichungen daher ein hohes Maß an Erfahrung des Maschinenbedieners voraus und erhöht nicht zuletzt das Fehlerrisiko. Fehleingaben oder vertauschte Zuordnungen von gemessenen Parametern führen in der Praxis regelmäßig zu Qualitätsproblemen und kosten wertvolle Zeit und Geld. Im Gegensatz dazu kann der Bediener im Closed Loop auf seiner Klingelnberg Schleifmaschine zwischen unterschiedlichen Korrekturmodi wählen. Je nach Modus werden die zu erwarteten Abweichungen nach Ausführung der Korrektur bereits im Vorfeld berechnet und visualisiert. Darüber hinaus kann der Bediener den Zeitpunkt ereignisabhängig für die Anwendung der Korrekturmaßnahme angeben. Modus und Zeitpunkt für die Anwendung einer Korrekturmaßnahme bestimmen bei entsprechendem Profilieren wesentlich Werkzeugstandzeiten, Werkzeugwechselintervalle und die Nebenzeiten im Bearbeitungsprozess. Kurz gesagt: Der Schleifprozess ist umso produktiver und wirtschaftlicher, je effizienter etwaige Korrekturen angewendet werden. Hierbei bietet der Closed Loop eine enorme Hilfe.

Präzisionsmesstechnik in der Produktionsumgebung

Prozessoptimierung durch Verknüpfung von Maschinen- und Messdaten

Der nächste logische Schritt auf dem Weg in die Digitalisierung ist die Erweiterung des Datenpools um Prozessdaten aus der Werkzeugmaschine. In Verbindung mit Messergebnissen und den Korrekturdaten des Closed Loop können neue Prozessoptimierungs- und damit Kostensenkungspotenziale gehoben werden. Zwei Beispiele hierfür sind SmartTooling und der Smart Process Control von Klingelnberg.

Beim SmartTooling werden alle Vorrichtungen individuell mit einem QR-Code versehen und bei jedem Rüstvorgang gescannt. In einer großen Datenbank – der Klingelnberg GearEngine – werden dann alle verfügbaren Informationen gespeichert und miteinander verknüpft. So können beispielsweise Informationen zur Anzahl der Spannvorgänge und damit zum Verschleißzustand der Vorrichtung mit den Mess- und Korrekturdaten helfen, den richtigen Turnus für den Austausch der Verschleißteile einer Vorrichtung zu liefern. So kann in der Produktion schon reagiert werden, bevor es überhaupt zur Produktion von Ausschuss kommt. Durch die Verknüpfung der Fertigungsparameter mit den Messdaten wiederum können Potenziale zur Prozessoptimierung und Standzeitverlängerung der Werkzeuge analysiert und nutzbar gemacht werden. Hierbei hilft das System Smart Process Control.

Fazit

Klingelnbergs digitale Lösungen ermöglichen es auf einfache Weise, verteilte Informationen aus der Produktion zusammenzuführen und nutzbar zu machen. Damit können mit sehr kleinem Zusatzaufwand große Optimierungspotenziale gehoben werden, wofür bisher große Anstrengungen unternommen werden müssen. Letztlich zeigt Klingelnberg hiermit den Weg zu einer selbstoptimierenden, kennzahlgesteuerten Produktion auf. Wichtig ist hierbei immer, dass wirklich alle relevanten Informationen zur Verfügung stehen, um teure Fehlinterpretationen zu vermeiden.

 

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