So funktioniert Werkzeug-Spanntechnik für die Industrie 4.0

Man wächst mit seinen Aufgaben. Diese Weisheit aus der Küchenpsychologie lässt sich durchaus auf moderne Werkzeug-Spannsysteme übertragen. Nicht nur die mechanische Leistungsfähigkeit muss immer weiter in die Höhe getrieben werden, auch die smarte Fabrik klopft an und verlangt nach Daten möglichst nah an der Zerspanung.

Gleich vorweg: Sieben Beispiele für intelligente Werkzeug-Spannsysteme finden Sie am Ende dieses Artikels.

Zunächst wollen wir aber klären, in welche Richtung sich Spannsysteme momentan entwickeln und warum das so ist. „Zukünftige Werkzeugsysteme, bei denen statische und dynamische Eigenschaften weiterhin eine wesentliche Rolle spielen werden, müssen vor allem flexibel und vielseitig einsetzbar sein, außerdem sollten moderne Werkzeug-Spannsysteme bei der Datenübertragung als Schnittstelle dienen“, fasst Walter Glaab, Manager Tooling Systems beim Werkzeughersteller Sandvik Coromant, das aktuelle Anforderungsprofil zusammen.

„Durch die steigende Komplexität der Zerspanwerkzeuge werden auch die Anforderungen an das Werkzeug-Spannsystem in puncto Präzision, Dämpfung und Schwingungsverhalten steigen“, ergänzt Jochen Ehmer, Executive Vice President Clamping Technology beim Spann- und Greifmittelspezialisten Schunk. Neben guter Bedienbarkeit spiele die Schnelligkeit und Effizienz des Rüstvorgangs sowie die Einstellbarkeit der Werkzeuglänge eine immer wichtigere Rolle, um den Autonomiegrad eines Produktionssystems zu erhöhen.

Auf eine weitere Herausforderung macht Professor Berend Denkena aufmerksam. Der Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) in Hannover sieht Auswirkungen durch den Trend zu medienfreien Werkzeugmaschinen, um steigenden Umweltschutzbestimmungen gerecht zu werden. „Ein Ziel dieser Bemühungen ist der Verzicht auf wartungsintensive Hydraulikflüssigkeiten. Elektrisch betätigte Werkzeugspannsysteme rücken deshalb vermehrt in den Fokus von Forschung und Entwicklung.“

Werkzeugspannsysteme erlebten eine spannende Transformation hin zu mechatronischen oder cyberphysischen Systemen. Denkena weiter: „In Zukunft werden Werkzeugspannsysteme vermehrt sensorisch sein oder sensorische Teilkomponenten besitzen. Ziel ist es, mit integrierter Sensorik die Transparenz in der Fertigung zu erhöhen, die Produktivität zu steigern und durch intelligentes Eingreifen in den Prozess die Werkstückqualität sicherzustellen.“

Mehr von Prof. Denkena lesen Sie übrigens in diesem Interview bei unserem Schwestermedium FERTIGUNG.

Wie Werkzeugspannung bei der Automatisierung hilft

„Die Werkzeugspanntechnik dient meist als Träger von Informationen und Daten und schafft somit die Basis für Automatisierung“ schlägt Dennis Minder, Produktmanager Spanntechnik bei Mapal Dr. Kress, die Brücke zur Automatisierung und nennt als Beispiele die automatisierte Werkzeugeinstellung, die Analyse von Werkzeugstandzeiten und die Fehlerüberwachung. Er geht sogar noch einen Schritt weiter: „Die gesammelten Daten bilden die Grundlage für künstliche Intelligenz.“

Auch Wolfgang Bechteler, beim Spannspezialisten Ott-Jakob für die strategische Produktentwicklung verantwortlich, sieht Zustandsinformationen als Voraussetzung für eine funktionierende Automatisierung. „Reichte zu Beginn der automatischen Spanntechnik noch ein blindes Schalten von Ventilen aus, ist mittlerweile eine genaue Spannwegmessung Stand der Technik.“ Zusätzlich stünden integrierte induktive Näherungsschalter zur Verfügung, die beispielsweise die Betriebssicherheit und Bearbeitungsqualität steigern helfen. Ebenso ließen sich Nebenzeiten verkürzen und Wartungsintervalle verlängern. Bechteler: „Automatisierte Wartungsanforderungen sind beispielsweise durch maschinenseitige Überwachung der Spannkraft oder Betriebsleckage bei Drehdurchführungen möglich.“

Die zunehmende Automatisierung wird sich nach Meinung von Simon Herzog, Produktmanager Werkzeugaufnahmen & Spannmittel bei Gühring, auch auf die Wahl der Werkzeugaufnahmen auswirken: „Wo in vielen Bereichen noch mit Spannzangensystemen gearbeitet wird, erfordert dies den Wechsel hin zu hochwertigen Werkzeugaufnahmen wie Hydraulik-Dehnspannfutter, Schrumpffutter oder Kraftspannfutter.“

Was Sensoren leisten können

Sensoren im Werkzeugsystem sind auf dem Vormarsch. Das bestätigt Michael Kempf vom Vertrieb des Herstellers Benz Werkzeugsysteme: „Aktuell arbeiten die verschiedenen Hersteller an diversen Lösungen, Sensormodule in ihre Werkzeugsysteme zu integrieren.“ Noch sind diese unterschiedlichen Systeme jedoch nicht harmonisiert. Voraussetzung für eine Akzeptanz der Industrie seien einheitliche Industriestandards und Datenmodelle.

„Die Aufnahme der Messgrößen wird sich weiter Richtung Wirkstelle verlagern, damit wird sich die Datenqualität sukzessive verbessern“, ist Kempf überzeugt. Eine Herausforderung liege darin, ohne eine maschinenseitige Energiequelle zuverlässige Messwerte in Echtzeit an die Maschinensteuerung zu liefern. „Dies bildet die Basis für einen Regelkreis, der als Output eine erhöhte Maschinenverfügbarkeit mit sich bringt.“

Bei Werkzeugehersteller Paul Horn sieht man die Serienreife sensorischer Spannsysteme als erreicht. Markus Kannwischer, Leiter Technik und Mitglied der Geschäftsleitung: „Hard- und Software erlauben den täglichen Einsatz in der Fertigung, schon kleinste Abweichungen im Zerspanprozess werden durch die verbauten Systeme erkannt.“ Dadurch ließen sich die eingesetzten Schneidplatten bis kurz vor Standzeitende verwenden – mit entsprechend hohen Kosteneinsparungen. Speziell bei sehr kleinen Werkzeugen könnten sensorische Spannsysteme wie das Piezo-Tool-System (PTS) von Horn „einen deutlichen Mehrwert in Bezug auf die Prozesssicherheit liefern“.

Auch bei Sandvik Coromant nutzt man Sensorik bereits, um Echtzeitdaten zu erfassen und in die Maschinensteuerung zu übertragen. Intelligente Prozesse im Hintergrund sollen die Bearbeitung steuern, notfalls eingreifen und korrigieren. Walter Glaab: „Auf diese Weise werden Maschinencrashs vermieden und Wartungsintervalle und Werkzeugverschleiß bestmöglich überwacht und gesteuert.“

Spanntechnik für die smarte Fabrik

Die von sensorischen Spannmitteln nah am Werkstück gewonnenen Daten sind auch maschinenübergreifend interessant. Hubertus von Zastrow ist geschäftsführender Gesellschafter von Pro-Micron, einem Spezialisten für drahtlose Sensorsysteme: „Wenn wir die smarte Fabrik mit direkt am Wirkort gemessenen Verschleißdaten versorgen, können wir den ganzen Werkfluss optimieren. Die europäische Cloud-Initiative Gaia-X könnte genau mit solchen spezifischen Daten für die ganze Wertschöpfungskette einen Mehrwert in der smarten Fabrik bringen.“

Wie smarte Werkzeuge heute schon aussehen können, zeigt Emuge-Franken, Hersteller von Gewindeschneid- und anderen Werkzeugen sowie der entsprechenden Spanntechnik. Produktmanager Spanntechnik ist Peter Liebald: „Wir ermitteln in Zusammenarbeit mit der Firma Artis-Marposs Axialkraft und Drehmoment, die wir kontaktlos an Auswerteeinheiten übertragen.“

Allerdings sei der Einsatz von Werkzeughaltern mit Sensorik oftmals noch auf die Versuchs- und Entwicklungsbereiche beschränkt. „Eine Zukunft im Serieneinsatz ist denkbar, wenn eine vom Anwender akzeptierte prozesssichere Energieversorgung der Werkzeugspannsysteme, beispielsweise über die Spindelschnittstelle, gewährleistet ist.“

Ähnliches berichtet Normen Armingeon. Der Vertriebsleiter von Romai, einem Spezialisten für Winkelköpfe, Mehrspindelköpfe und angetriebene Werkzeuge, erklärt, dass alle Romai-Werkzeuge auf mindestens 2000 Stunden Einsatzdauer ausgelegt sein: „Um eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, sollten die Werkzeuge nach der abgelaufenen Einsatzzeit überholt und gewartet werden.“ Aber selbst die modernsten Bearbeitungsmaschinen könnten bislang nicht die Laufzeiten einzelner Werkzeuge erfassen. Die Folge: Die Werkzeuge würden oft bis zum Defekt betrieben und müssten dann unnötig schnell repariert werden.

Deshalb entwickelte man Rolog, den Romai-Operation-Logger. Er erfasst nicht nur die Betriebsstunden, sondern auch maximale und durchschnittliche Drehzahlen, Temperaturen und Feuchtigkeitswerte sowie Stöße in drei Achsen. Übertragen werden die Daten mittels BLE (Bluetooth low energy) und NFC (Near Field Communication). Der Locker zeigt die Wartungsintervalle und speichert die Wartungs- und Reparaturhistorie im Werkzeug. In Zukunft sollen die erfassten Daten darüber hinaus durch den Einsatz spezieller Algorithmen für die vorbeugende Wartung genutzt werden. Doch noch mangele es Armingeon zufolge an der notwendigen Akzeptanz gegenüber Industrie 4.0 und der vollständigen Integration in die Maschinensteuerungen. Eine Hoffnung: die offene Schnittstelle OPC UA.

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