Wirtschaftsnahe Forschung in Thüringen auf dem Weg zu Industrie 4.0. Beispiele zur Interaktion Mensch Maschine - Produktionsprozess

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1 XI. Forschungs- und Technologieforum 8. Mai 2014 in Gotha Wirtschaftsnahe Forschung in Thüringen auf dem Weg zu Industrie 4.0 Beispiele zur Interaktion Mensch Maschine - Produktionsprozess Prof. Dr.-Ing. Frank Barthelmä GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v.

2 XI. Forschungs- und Technologieforum 8. Mai 2014 in Gotha Wirtschaftsnahe Forschung in Thüringen auf dem Weg zu Industrie 4.0 Beispiele zur Interaktion Mensch Maschine Produktionsprozess Gliederung: 1. Quo vadis Industrie 4.0? 2. Entwicklungen zu Industrie 4.0: Sensorik/Aktorik, Werkzeuge, Werkstoffe, Oberflächentechnik 3. Beispiele und Anwendungen 4. Zusammenfassung und Ausblick

3 Stufen der Industriellen Revolution 1. Industrielle Revolution rein mechanische Produktionsanlagen (Ende des 18. Jh. z.b mechanischer Webstuhl) 2. Industrielle Revolution Massenproduktion mit Hilfe der Nutzung der elektrischen Energie (Anfang des 20. Jh.) 3. Industrielle Revolution Automatisierung der Produktion durch Einsatz von Elektronik und Informations- und Kommunikationstechnologie (1970er-Jahre) 4. Industrielle Revolution selbständig agierende c) Produktionsanlagen unter Nutzung der der CPS (Cyber Physical Systems)

4 Quo vadis Industrie 4.0? Gartner wagt den Blick in die Zukunft. Quelle:

5 Quo vadis Industrie 4.0? denn Industrie 4.0 ist nach Einschätzung der Experten kein Spaß, sondern von großer Bedeutung für die Zukunftsfähigkeit des deutschen Produktionsstandortes! 81 Prozent der IT-Unternehmen sehen in der Industrie 4.0 in den kommenden Jahren ein wichtiges Geschäftsfeld, für fast jedes dritte IT- Unternehmen besitzt dieses Thema bereits heute eine große Bedeutung. 90 Prozent meinen, Industrie 4.0 sei für das produzierende Gewerbe wichtig, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Zehn Prozent der befragten Unternehmen haben spezielle Produkte für die Industrie 4.0 im Angebot beziehungsweise entwickeln sie gerade (13 Prozent). (BITKOM Forum zur CeBIT 2014)

6 Quo vadis Industrie 4.0? Lemgoer Modellfabrik (Lemgo Smart Factory) Quelle: Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung

7 Produktionstechnik im Thüringer Maschinenbau FerMeTh TU Ilmenau Optonet GFE Schmalkalden FH Schmalkalden Innovent Thüringer Maschinenbau FH Nordhausen CiS FH Jena IFW Jena weitere Unternehmen BA Eisenach VDMA / VDWF/ FWI FTVT TITK

8 Produktionstechnik im Thüringer Maschinenbau FerMeTh TU Ilmenau Optonet GFE Schmalkalden FH Schmalkalden Innovent Thüringer Maschinenbau FH Nordhausen CiS FH Jena IFW Jena weitere Unternehmen FSU Jena VDMA / VDWF/ FWI FTVT TITK

9 Produktionstechnik im Thüringer Maschinenbau FerMeTh TU Ilmenau Optonet GFE Schmalkalden FH Schmalkalden Innovent Thüringer Maschinenbau FH Nordhausen CiS FH Jena IFW Jena weitere Unternehmen FSU Jena VDMA / VDWF/ FWI FTVT TITK

10 Produktionstechnik im Thüringer Maschinenbau FerMeTh TU Ilmenau Optonet GFE Schmalkalden FH Schmalkalden Innovent Thüringer Maschinenbau FH Nordhausen CiS FH Jena IFW Jena weitere Unternehmen FSU Jena VDMA / VDWF/ FWI FTVT TITK

11 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen Ausbohrwerkzeug mit mikrooptischem Rauhigkeitssensor (GFE - CiS)

12 Leichtbau und Lasermaterialbearbeitung (ifw Jena) Leichtbau (additive Fertigung mittels SLM oder Diffusionsschweißen) Diffusionsgeschweißter Aluminium-Kühlkörper für E-Mobilität und lasergenerierte Leichtbaustrukturen Lasermaterialbearbeitung mit Ultrakurzpuls-Lasern Laserstrukturierte Glasplatte mit Weltkarte und mittels Laserablation erzeugtes Mikrolinsenarray

13 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen Die plasmachemischen Oxidation von Leichtmetallen Verfahren und Eigenschaften Sonderform der anodischen Oxidation Einordnung des Verfahrens in den Grenzbereich Elektrochemie - Plasmaphysik Oberflächenentladungen auf einer Elektrode (Anode) und Bildung eines Dielektrikum Homogener Schichtaufbau Schichteigenschaften vielfältig beeinflussbar Verfahrensentwicklung, Anlagenkonzeption (Quelle: INNOVENT e.v. Technologieentwicklung)

14 FREISTAAT THÜRINGEN Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie Forschergruppe Prozessbegleitende Qualitätssicherung im Thüringer Zentrum für Maschinenbau Geplante Laufzeit: (36 Monate) Einrichtung Projektkoordinator TU Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet für Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung Ansprechpartner Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß (Fachgebietsleiter) Frau Dr.-Ing. Katharina Anding (Projektleiterin) Herr Prof. Dr.-Ing. Frank Barthelmä (Institutsleiter) Herr Dr.-Ing. Daniel Garten (Projektleiter) ifw Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung Frau Dr.-Ing. Sabine Sändig (Geschäftsführerin) GmbH Jena (gemeinnützige Forschungseinrichtung) Herr Dr.-Ing. Lars Richter (Abteilungsleiter Lasertechnik) GFE Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V. GFE-Versammlung 14

15 Entwicklungen und Trends in der modernen Zerspantechnik Gestaltung komplexer IT- unterstützter Hochleistungszerspanprozesse Wirtschaftlichkeit Qualität energieeffiziente u. ressourcenschonende Fertigungsprozesse! Werkzeug + Maschine + Prozess ff.?? Hochleistungsbearbeitung (High-Performance-Cutting - HPC) mit intelligenten Werkzeugkonzepten durch Sensorik-/ Aktorik-Integration! Präzisionszerspanung Hartzerspanung Trockenzerspanung Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (High-Speed-Cutting - HSC) ff ff.

16 Intelligente Werkzeuge auf dem Weg zu Industrie Werkzeug + menschliche Intelligenz = technische Intelligenz Intelligente Werkzeuge als adaptronische Systeme mit integrierter Sensorik/Aktorik/Handlungslogik! 16

17 Sensorische Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen Aufbau und Wirkungsweise von sensorintegrierten intelligenten Werkzeugen

18 Sensorische Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen Sensorbasierte Erfassung relevanter Prozesskenngrößen Regelkreis auf Basis sensorintegrierter Werkzeuge

19 Sensorische und aktorische Werkzeuge und Aufnahmen Bearbeitungsbeispiel: Fräsen von Zylinderköpfen Werkzeug: sensorintegrierter Fräskopf mit 8 PKDSchneiden bearbeiteter Werkstoff: AlSi9 Zerspanparameter: Schnittgeschwindigkeit vc = m. min-1 Vorschubgeschwindigkeit vf = mm. min-1 Schnitttiefe ap = 2,5 mm

20 Überwachung der Spannkraft in Werkzeugspannsystemen - Fräsmaschine mit Frässpindel - Spanende Fertigung auf Bearbeitungszentren in Verbindung mit neuartigen Spannsystemen c) Werkzeug Verriegelungseinheit Zugstange Spindelwelle Quelle: BMBF Verbundprojekt Sensomikrosys (GFE) Spann- und Löseeinheit

21 Überwachung der Spannkraft in Werkzeugspannsystemen Schematische Darstellung eines Werkzeugspannsystem mit integriertem sensorbasierten Mikrosystem c) Werkzeugspannsystem Sensorring Quelle: BMBF Verbundprojekt Sensomikrosys (GFE, Siegert TFT, Röhm u.a.)

22 Überwachung der Spannkraft in Werkzeugspannsystemen - Prüfsystem für Spindeln mit Werkzeugspannsystem Hydraulische (Sonder)-Spann-Löseeinheit - 3 Anschlüsse (S,L,N) - Neue Wegeventile Spindel-Medienzuführung - Leistung - Lagerschmierung (4x) - Motorkühlung (Vor/Rück) - Leckage (3x) - Sperrluft (hohe Reinheit) Spindel-Telemetriesystem - Stator / Rotor - Spindel-Sensorik - Temperatursensor - Schwingungssensor - Drehgeber - Schlierensensor (1x) (2x) (1x) (1x) Spindel-Konsole Taster für Werkzeugspannung c) Quelle: BMBF Verbundprojekt Sensomikrosys (GFE, Siegert TFT, Röhm u.a.)

23 Verbundprojekt: In-Prozess-Qualitätssicherung im Maschinenraum von Bearbeitungszentren Neuartiges, modulares Werkzeug- und Sensorwechselsystem Neuentwicklung eines Werkzeugwechselsystem unter Integration und Erprobung einer neuartigen Werkzeug- bzw. Sensoreinheit zur optischen Erfassung der Bauteilkonturen im Maschinenraum unter besonderer Beachtung der: Wechsel- und Messzeit Energieeffizienz Prozesssicherheit Quelle: ThZM Verbundprojekt GFE, TU Ilmenau, SAMAG

24 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker - Bildquelle: SIEMENS AG Anwendung von Rückwärtsbearbeitungswerkzeugen an Großturbinengehäusen Teilungsebenen mit Bohrungen Bildquelle: Großkraftwerk Mannheim AG Bildquelle: SIEMENS AG

25 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker - Stark unterschiedliche Senkungstiefen

26 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker -

27 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker -

28 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker -

29 Entwicklungen zu Industrie 4.0: Beispiele und Anwendungen - Mechatronischer Rückwärtssenker Werkzeugtest

30 Zusammenfassung und Ausblick Spanende Fertigung auf Bearbeitungszentren mit intelligenten Werkzeugen c) Intelligente Spannsysteme Mechatronischer Rückwärtssenker

31 Zusammenfassung und Ausblick Sensor 4.0 Sensor 2.0 Smart Sensoren z.b. Kameras Industrie 4.0 Elektronische Sensoren z.b. elektr. kompens. Drucksensoren Industrie 3.0 Elektrische Sensoren z.b. Dehmessstreifen 1938, Simmons/Ruge Sensor 1.0 Industrie 2.0 Mechanische Sensoren z.b. Vidi-Dose, 1844 Ende des 18. Jh. c) Komplexität Sensor 3.0 Industrie 1.0 Beginn des 20. Jh. Beginn 70er Jahre 20. Jh. heute Quelle: AMA-FVFE-Workshop wikipedia Entwicklungsparallelen der Sensorik in Bezug zu den vier Stufen der Industriellen Revolution

32 Zusammenfassung und Ausblick Sensoren werden immer komplexer und intelligenter (smart) und werden eine wichtige Rolle bei Industrie 4.0 spielen Einsatz der Sensoren unmittelbar im Wirkstellenbereich, zunehmender Miniaturisierungsgrad Steigende Herausforderungen an das Zusammenwirken Sensorik-/Aktorikentwicklung, IT, Maschinenbau usw. Kommunikationsschnittstellen sind heutzutage sehr vielfältig Standardisierung der Schnittstellen?! Künftige Anwendungsbereiche für Industrie 4.0 c) vielfältig auch in Bereichen, die noch außerordentlich Zukunft sind!!

33 Zusammenfassung und Ausblick Zangen-Versuchsmuster mit Datenerfassungs- und -vorverarbeitungselektronik c)

34 Für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank!!