Innovatives Schraubstock-Handlingsystem: Bei RoboTrex Automation wird der Schraubstock direkt vom Roboter gegriffen. (LANG Technik GmbH)
Text Denise Fricker Fotos zVg
Automatisierung und Digitalisierung treiben die Zerspanungsbranche an. Wo früher ein Bediener die Werkzeuge kontrollierte, überwachen heute Sensoren den Prozess. Das soll die Effizienz und letztlich die Produktivität steigern. Das Potenzial der gesammelten Daten ist aber noch nicht ausgeschöpft.
Innovation ist für Unternehmen eine wichtige Säule für die Wettbewerbsfähigkeit im Markt. Gemäss dem eigentlichen Wortsinn geht es dabei darum, etwas Neues zu schaffen. Das Wort Innovation ist vom lateinischen Verb innovare (erneuern) abgeleitet. Die ISO-Norm 56000 (Innovationsmanagement) definiert Innovation als «neue oder veränderte Einheit, die einen Wert schafft oder umverteilt». Doch warum ist Innovation so wichtig? Sie ist entscheidend für Wachstum und den langfristigen Erfolg eines Unternehmens, weil sie ihm dabei hilft, sich an Marktveränderungen anzupassen, die Effizienz zu steigern, sich von der Konkurrenz abzuheben oder auf neue Kundenbedürfnisse einzugehen.
Ideen frei zu denken und sie nicht einzuschränken, ist eine wichtige Grundlage für Innovation. Es braucht Menschen, die «out of the box» denken, um überhaupt auf Ideen zu kommen. «Eine Innovation ist es erst, wenn sie im Markt umgesetzt werden kann. Aber bis dorthin müssen Misserfolge und Negativresultate in der Forschung Platz haben», sagt Dr. Olivia Bossart, Head of Innovation bei Blaser Swisslube.
Doch was bedeutet Innovation in der Zerspanungsbranche? Die Aufgabe in der Zerspanung ist klar definiert: Ein Bauteil muss in einer bestimmten Stückzahl, mit vorgegebenem Material und innerhalb festgelegter Toleranzen produziert werden. Mit dem Ziel, diesen Prozess möglichst wirtschaftlich zu machen. «Die grösste Wirkung erzielenwir durch Automatisierung, intelligente Sensorik und konsequente Prozessüberwachung», sagt Dr. Linus Meier, Teamleiter Process Engineering bei Blaser Swisslube. Dies unterstreicht auch Olivia Bossart: «Durch die Automatisierung kann, nebst anderen Vorteilen, die Geschwindigkeit steigen, was die Produktivität erhöht. Zudem erlaubt sie den Expertinnen und Experten, sich auf das zu fokussieren, was nicht durch Automatisierung abgedeckt werden kann.»
Zu den sichtbarsten Innovationen gehören in der Zerspanungsbranche kollaborierende Roboter, kurz Cobots. Sie arbeiten gemeinsam mit dem Menschen und übernehmen repetitive Arbeiten wie das Be- und Entladen von Werkstücken. So werden Fachkräfte entlastet, und sie können sich auf qualifizierte Tätigkeiten konzentrieren. Cobots haben sich in der Zerspanungsbranche längst etabliert. Ebenso die Palettenautomation, die einen weiteren Schlüssel zur Effizienzsteigerung darstellt. Kaum eine neue Maschine wird noch ohne sie ausgeliefert. Werkstücke werden ausserhalb der Maschine in das Spannmittel gerüstet, während die Maschine parallel weiterläuft.
Gemäss Linus Meier spielen intelligente Maschinen und Werkzeuge mit Sensoren in der Forschung eine prominente Rolle. Sie zählen zu den vielversprechendsten Innovationen. Sensoren sind ein wichtiger Teil der Prozessüberwachung. Sie erfassen nahezu alle physikalischen Grössen, die in der Zerspanung relevant sind: Schnittkräfte, Temperatur, Schall, Vibrationen und die Parameter des Kühlschmierstoffs. Diese Daten stellen sie in Echtzeit zur Verfügung und übertragen sie an das Prozessüberwachungssystem.
Ein sensorischer Werkzeughalter, der Prozesskräfte wie Biegemoment, Torsion und Axialkraft erfasst. (pro-micron GmbH)
«DIE GRÖSSTE WIRKUNG ERZIELEN WIR DURCH AUTOMATISIERUNG, INTELLIGENTE SENSORIK UND KONSEQUENTE PROZESSÜBERWACHUNG.»
Dr. Linus Meier, Teamleiter Process Engineering bei Blaser Swisslube
Integrierte Systeme sind dabei eng mit der Maschine vernetzt und zeichnen die Messwerte auf. Sie erkennen, ob die Signale, die sie empfangen, im Normalbereich liegen oder nicht. «Früher verliess man sich auf die Erfahrung der Bedienerin oder des Bedieners», sagt Linus Meier. Die Person hörte, ob ein Werkzeug funktionierte oder nicht. Wenn nun aber Bauteile in grossen Serien und hochautomatisiert bearbeitet werden, läuft die Anlage mannlos, und es braucht eine verlässliche Informationsquelle.
Eine Anwendung, die im Markt etabliert ist, sind intelligente Werkzeughalter. Hersteller wie Rego-Fix (siehe Reportage ab Seite 18) bieten bereits Halter mit eingebautem Vibrationssensor an, der Rückschlüsse auf den Werkzeugzustand erlaubt. So lässt sich zum Beispiel der Verschleiss überwachen, und das Werkzeug kann genau dann gewechselt werden, wenn es nötig ist.
Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Werkzeugkosten sinken, weil die Standzeit verbessert wird. Die Prozesssicherheit steigt, weil Probleme erkannt werden, bevor sie zu Verlusten führen, was letztlich den ganzen Prozess optimiert. Allerdings gibt es noch keine Plug-and-Play- Lösungen. Intelligente Werkzeughalter und Prozessüberwachungssysteme kann man kaufen. Aber um die Systeme sinnvoll in die eigenen Prozesse zu integrieren, braucht es immer noch viel Know-how.
Wie in vielen anderen Branchen wird auch in der Zerspanung viel zum Einbezug künstlicher Intelligenz (KI) geforscht. «In der Zerspanung ist der KI-Einsatz noch deutlich im Rückstand gegenüber den Alltagsbereichen», sagt Linus Meier. Die öffentlich verfügbaren Zerspanungsdatenmengen seien klein, da Zerspanungsfirmen diese Daten als zentralen Wettbewerbsvorteil geheim halten würden. «Und die geringen Prozessdaten reichen nicht aus, um eine Zerspanungs-KI zu trainieren.» Verschiedene Hochschulen, darunter die ETH Zürich, forschen daran, wie physikalische Modelle mit datengetriebenen Ansätzen fusioniert werden können. Dabei geht es darum, der KI enge Schranken zu setzen: Sie soll dort optimieren, wo es für die Menschen zu komplex wird, weil Zusammenhänge nicht mehr nachvollziehbar sind. Aber physikalische Gegebenheiten, die der Mensch verstanden hat, muss die KI nicht neu erfinden.
Theoretisch bietet die KI das Potenzial, sämtliche Werkzeug- und Prozessparameter in der Zerspanung zu optimieren, auch das Kühlschmierstoff- Management. Werden Parameter wie die Konzentration zum Beispiel kontinuierlich überwacht, führt das zu weniger Maschinenausfällen und durch das frühzeitige Erkennen von Abweichungen zu einem geringeren Verschleiss des Werkzeugs. Hier unterstützt Liquidtool Systems mit seinem intelligenten Kühlschmierstoff-Management. Die Plug-and-Play-Lösung überwacht den Zustand von Kühlschmierstoffen automatisch. Die kontinuierliche Messung bildet die Basis dafür, Prozesse zu stabilisieren und zu optimieren, die Effizienz zu steigern und Probleme frühzeitig zu erkennen. Durch ein intelligentes Kühlschmierstoff-Management kann der Verbrauch um bis zu 40 Prozent reduziert werden.
Additive Fertigung: überschätzte Innovation?
Wie bei vielen Innovationen ersetzen oder verdrängen neue Anwendungen bestehende Lösungen meistens nicht. Sie ergänzen sie. Das gilt auch für die zunehmenden Möglichkeiten im Bereich der additiven Fertigung (3D-Druck). Im Fokus der aktuellen Forschung steht dabei, wie additiv gefertigte Teile zerspant werden und ob sie sich dabei anders verhalten als konventionell hergestellte Materialien. Ein Bauteil aus Aluminium, das mit selektivem Laserschmelzen aus Pulver aufgebaut wurde, ist auf dem Papier dasselbe wie ein gegossenes. Doch die Mikrostruktur unterscheidet sich und damit auch das Zerspanungsverhalten. Ob durch additive Fertigung Bearbeitungsschritte wie das Schlichten in Zukunft wegfallen werden, ist unklar. Denn in der Praxis gelingt es selten, ein additiv gefertigtes Teil so präzise herzustellen, dass keine spanende Nachbearbeitung mehr nötig ist.
Digitalisierung, Automatisierung und KI generieren Daten. Die Frage, wo diese gespeichert werden, hat auch mit der Datenmenge zu tun. Der aktuelle Trend zeigt klar Richtung Cloud. Doch die Zerspanungsbranche ist vorsichtig: Wer hat Zugriff auf die Daten? Was passiert, wenn sie in fremde Hände fallen? Nebst der Speicherung liegt die Herausforderung in der Nutzung.
Zwar werden in der Zerspanungsbranche bereits viele Daten gesammelt, aber Schlüsse für die Prozessoptimierung werden daraus erst wenige gezogen. Olivia Bossart sieht darin ein grosses Potenzial. «Die Kommunikation der Daten kann nicht so schnell automatisiert werden», sagt sie. Dafür brauche es unter anderem die richtige Zusammensetzung des Teams: Den erfahrenen Zerspanungsmechaniker, die Programmiererin und jemanden, der die Daten interpretiert und die richtigen Schlüsse daraus ziehen kann. «Ein Teil von Innovation ist auch die Kommunikation gegen aussen», sagt Bossart. Eine Excel-Tabelle mit den nackten Daten der Sensoren könne für die eine Person passend sein, eine andere brauche dazu mehr Informationen. «Daten müssen auf die Empfängerin oder den Empfänger angepasst sein, um eine Wirkung entfalten zu können.»