Turning Data into Productivity. Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse

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1 Turning Data into Productivity Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse

2 Unsere Vision Turning Data into Productivity Der Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen im Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University beschäftigt sich allumfänglich mit Anlagen in produzierenden Unternehmen. Begonnen mit der Leit- und Automatisierungstechnik, über die Steuerungs- und Regelungstechnik der Maschinen, deren Strukturverhalten bis hin zu deren Komponenten werden alle relevanten Bereiche dieses breiten Themenfeldes betrachtet. Das domänenübergreifende und ganzheitliche Verständnis der Materie gepaart mit langjähriger Expertise im Beratungsgeschäft sind unsere Stärken. Aufgrund der langjährigen Erfahrung im Bereich der NC-Technik, des Strukturverhaltens und der Maschinenelemente klassischer Werkzeugmaschinen bieten die Abteilungen»Maschinentechnik«und»Maschinendatenanalyse und NC-Technik«Studierenden technische Einblicke in die komplexe Materie. Wir beraten und unterstützen Hersteller von Werkzeugmaschinen sowie deren Anwender nicht nur bei technischen und konstruktiven Fragestellungen, sondern lösen akute Problemstellungen im Produktivbetrieb, bewerten und optimieren maschinennah Fertigungsabläufe und beraten bei Neuinvestitionen. Im Zeitalter der digitalen Vernetzung gibt es zunehmend die Bestrebung, die verfügbaren Daten auszuwerten und zu analysieren. Hierbei fokussieren wir uns auf die Analyse hochfrequenter Maschinendaten zur Steigerung der Bauteilqualität, der Maschinenverfügbarkeit und somit der Produktivität der Werkzeugmaschine. Dabei ist die wesentliche Herausforderung das Domainen Know-how wie beispielsweise die modellhafte Beschreibung des dynamischen Strukturverhaltens gezielt zu nutzen und die Daten effizient modellbasiert zu analysieren. Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL 11

3 Untersuchung von Maschinenelementen und Teilsystemen Zur Prüfung von Maschinenkomponenten und Teilsystemen entwickeln, fertigen und betreiben wir Einzel- und Systemprüfstände. Im Fokus der Untersuchungen steht das Betriebs-, das Temperatur-, das Steifigkeits- sowie das dynamische Verhalten der Komponenten und Teilsysteme. Darüber hinaus nutzen wir die Prüfstände um Methoden für die Charakterisierung des Komponentenzustands im Betrieb zu entwickeln, zu erproben und zu verifizieren. Maschinenelemente und Teilsysteme Die Eigenschaften von modernen Werkzeugmaschinen werden maßgeblich von ihren Maschinenelementen und Teilsystemen beeinflusst. Die zielgerichtete Auslegung von Hauptspindelsystemen und Linearachsen unter Berücksichtigung der Spindellagerung, der Linearführungen und der Kugelgewindetriebe ist hierfür essentiell. In diesem Themenfeld unterstützt das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University Unternehmen mit der Untersuchung, der Auslegung und der Berechnung von Maschinenelementen. Weiterhin besteht langjährige Expertise im individuellen Prüfstandsbau und in der Entwicklung von Berechnungstools. Aufgrund unserer Erfahrung, insbesondere im Bereich Hochgeschwindigkeitslager und Kugelgewindetriebe, zählt neben der Werkzeugmaschinenindustrie die Automobilindustrie zu unseren wichtigsten Kunden. Beratung und Auslegung Mit unserer Expertise vermitteln wir wichtiges Grundlagen- und Fachwissen für den Entwicklungsprozess bei unseren Kunden. Dabei unterstützen wir beispielsweise mit Konzeptstudien, der Auslegung von Komponenten und Teilsystemen, Designreviews sowie mit Fehleranalysen bei Ausfällen. Berechnungstools für Maschinenelemente Aufgrund unseres wissenschaftlichen Hintergrunds ist die Methoden- und Modellentwicklung ein wichtiger Bestandteil unserer Arbeit. In diesem Zusammenhang greifen wir auf eigens entwickelte Softwarelösung zurück, die es uns ermöglichen, Fragestellungen nach dem neuesten Stand der Wissenschaft zu bewerten. Individueller Prüfstandsbau Unsere Erfahrung und unser Wissen in der Entwicklung und dem Betrieb von Prüfständen für Hochleistungskomponenten nutzen wir, um kundenspezifische Prüfstandslösungen bereitzustellen und diese für die Prüfung beim Kunden zu qualifizieren. 2 Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL 3

4 Messtechnische Untersuchung von Produktionsanlagen Wir verfügen über langjährige Erfahrung und professionelles Equipment zur Untersuchung des statischen, dynamischen, geometrischen und thermischen Verhaltens von Maschinen und Anlagen. Neben den forschungsseitigen Tätigkeiten im Bereich messtechnischer Untersuchungen von Gesamtanlagen, arbeiten wir eng mit unseren zahlreichen Industriepartnern zur Verbesserung ihrer Produkte und Prozesse zusammen und unterstützen sie mit unseren vielfältigen Möglichkeiten zur experimentellen Erhebung von Messgrößen. Maschinenstruktur Im Themenfeld Maschinenstrukturanalyse beschäftigen wir uns mit allen Fragestellungen rund um die messtechnische und simulative Untersuchung und Optimierung von Werkzeug- und Produktionsmaschinen. Treten beispielsweise Rattern oder andere Schwingungserscheinungen an Maschinensystemen auf, können im Rahmen von experimentellen Modalanalysen oder simulativen Modellierungen Schwachstellen identifiziert werden. Die messtechnischen Analysen sind bei Bedarf auch Grundlagen für Gutachten oder ähnliche Berichte. Simulation von Produktionsanlagen Führen Schwingungserscheinungen an Maschinensystemen zu fehlerhaften Werkstücken oder Schäden in der Maschinenstruktur, können im Rahmen einer Simulation Schwachstellen präzise identifiziert und durch Konstruktionsstudien verbessert werden. Es können sowohl im Entwicklungsprozess als auch für Maschinen in der industriellen Anwendung Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet und bewertet werden. Darüber hinaus besteht für Strukturbauteile die Möglichkeit der Topologieoptimierung, um beispielsweise Masse- und Steifigkeitseigenschaften zu verbessern und somit die Leistungsfähigkeit moderner Maschinen weiter zu erhöhen. Technische Beratung Kommt es im Rahmen von Abnahmen oder im Betrieb zu Schäden an einer Produktionsanlage, sind die Ursachen nicht immer direkt erkennbar. Durch eine technische Untersuchung kann die Schadensursache ermittelt werden. Je nach Schadensfall umfasst dies eine Begutachtung der Gesamtanlage oder auch eine Überprüfung einzelner Maschinenkomponenten. Daneben bieten Produktionsprozesse oft große Optimierungspotenziale. Wir haben weitreichendes Erfahrungswissen, insbesondere in den Bereichen Fertigungsgerechte Konstruktion, Reduktion von Nebenzeiten, Erfassung und Bewertung der Anforderung an die Maschinensysteme, Planung der Maschinenbelegung aus technischer Sicht sowie bei der Auswahl von Neumaschinen. 4 Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL 5

5 Datenerfassung und modellbasierte Analyse Die Basis für eine Datenanalyse ist die kontextbezogene, synchrone Bereitstellung von Produktionsdaten in Echtzeit. Dies umfasst die Datenerfassung aus Produktions- und Messmaschinen sowie eine Datenvorverarbeitung und -synchronisation. Die Analyse der Daten mithilfe von Modellwissen über Prozess und Maschine erlaubt eine prozessparallele Qualitätsbewertung, eine Abschätzung der Maschinenverfügbarkeit und damit eine Steigerung der Produktivität des Bearbeitungsprozesses. NC-Technik Die NC-Technik beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von Steuerungsfunktionen zur Realisierung von Modulen im Kontext von Industrie 4.0. Eine wesentliche Herausforderung einer vernetzen Produktion ist die Zusammenführung domänenübergreifender Produktionsdaten. In diesem Zusammenhang werden auch prozess-parallele Maschinen- und Prozessdaten erfasst und analysiert. Beratung IT-Infrastruktur Die Voraussetzung für eine sinnvolle Datenakquise im produktionstechnischen Umfeld ist eine ganzheitliche IT-Infrastruktur. In diesem Zusammenhang beraten wir in der integrativen Vernetzung realer und digitaler Systeme entlang des Produktentstehungsprozesses. Dies beinhaltet ebenfalls die multidirektionale Vernetzung entlang der digitalen Prozesskette sowie eine wissens-basierte Automatisierung des Produktentstehungsprozesses. Darüber hinaus werden Schulungen und Weiterentwicklungen von CAD- CAM-NC-Algorithmen angeboten. Antriebs- und Regelungsauslegung Seit Beginn des Einsatzes von rechnergestützten Steuerungen ist die Weiterentwicklung der Regelungs- und Antriebstechnik ein wichtiger Bestandteil und Wettbewerbsfaktor von Produktionsmaschinen. Am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University wird eine robuste Regler- und Antriebsauslegung verfolgt, welche die hohen Anforderungen an Produktionsmaschinen hinsichtlich Fertigungsgeschwindigkeit und -genauigkeit erfüllt. 6 Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL 7

6 Impressum Herausgeber Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Steinbachstraße Aachen Germany Konzeption und Gestaltung Dipl.-Des. Heike Plath Digital Job-Shop 4.0 CNC-Kompetenzzentrum Fotos Peter Winandy (S. 2, 3 unten, 7 oben, 8) WZL (Titel, Umschlaginnenseite vorne, S. 3 oben, 4, 5, 6, 7 unten) Das CNC-Kompetenzzentrum ist ein Teil der WZL-internen Prüfstandsfertigung und auf die individuelle Einzelteilfertigung hochkomplexer Dreh- und Fräsbauteile spezialisiert. Die moderne Job-Shop-Fertigung erlaubt mit einer durchgängigen CAD-CAM-NC-Kette und einer hochfrequenten Prozessdatenerfassung eine modellbasierte Maschinendatenanalyse im Kontext von Industrie 4.0. Darüber hinaus ist es möglich, neue Komponenten, Produkte oder Softwarelösungen in einem realen Produktionsumfeld zu testen, zu valideren und somit auch WZL-interne Entwicklungen zur Marktreife zu bringen. Kompetenzen Job-Shop-Produktivbetrieb Durchgängige CAD-CAM-NC-Kette Hochfrequente Maschinendatenerfassung an allen Maschinen Zentrale Datenbankstruktur für Produktionsdaten Cloud-Anbindung Testumfeld für neue Softwaretools und Produkte Prozessparallele modellbasierte Datenauswertung aller Bauteile Auflage Aachen Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung der Broschüre oder Teilen daraus vorbehalten. Kein Teil der Broschüre darf ohne schriftliche Genehmigung des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen University in irgendeiner Form (Fotokopien, Mikrofilm, Digitalisierung oder anderer Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. 8 Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL Abteilungen Maschinentechnik und -datenanalyse am WZL 9

7 Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Ihre Ansprechpartner Dr.-Ing. Marcel Fey Oberingenieur Abteilungsleiter Maschinentechnik Telefon: Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Alexander Epple Oberingenieur Abteilungsleiter Maschinendatenanalyse Telefon: Steinbachstraße Aachen GERMANY