Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik

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1 Fakultät für Maschinenbau Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

2 Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz Die Werkzeugmaschine, immer wieder neu fit für die nächsten 60 Jahre Lehre und Forschung in Chemnitz 2

3 Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz Herausforderungen 1. Technologie 2. Infrastruktur 3. Daten 5. Standort 60 Jahre WZM Überblick 4. Produkt 3

4 Technologie 1. Herausforderung Stetige technologische Intensivierung 1. Technologie 4

5 Technologie Betrachtungsraum, Ziele, Notwendigkeiten Überblick Maschine Technik Holistischer Betrachtungsraum Ziele Ansatz Beispiel: Hybride Verfahren Realisierung von hoher Produktivität und robusten Prozessen Werkstück Material Methode 5

6 Technologie Hybride Prozesse Überblick PRINZIP VARIANTEN ANWENDUNGSBEISPIELE BENEFIT Schwingung Spanen Bohren, Drehen, Schleifen Abtragen EDM, ECM Tieflochbohren für Stahl / Gusseisen Verbesserung des Spanbruchs Verbesserung von Qualität und Produktivität Medien Hochdruckkühllung Kryogene Kühlung Bohren / Fräsen für Gusseisen Verbesserung des Spanbruchs Erhöhung des Zeitspanvolumens Laser Drehen Fräsen Verbesserung der Zerspanbarkeit Fräsen Ni-Basislegierung Achsen Scherenkinematik Adaptronik Dynamikerhöhung Verbesserung der Betriebseigenschaften 6

7 Technologie Schwingungsüberlagerung Bohren mit Ultraschallunterstützung Verfahren: Überlagerung des konventionellen Bearbeitungsprozesses mit Ultraschallschwingungen Modulare Nutzung des Verfahrens in konventioneller Maschinentechnik Schwingbewegung Werkzeugspitze Schnittbewegung Vorschubbewegung Beispiele: Ultraschallunterstütztes Bohren von Aluminium Tieflochbohren von Vergütungsstahl -20% Konventionell Ultraschall Effekte: Verbesserung des Spanbruchs Reduzierung des Momentes Reduzierte Werkzeugbelastung 7

8 Technologie Schwingungsüberlagerung Piezo-Technologie Festklopfen von Oberflächen Konzept Nichtlineares Simulationsmodell Prototyp k Spann b Spann x WST Werkstück und Spannvorrichtung MHPT b MHPT mm WST mf K h K mm MHPT k F elastoplastische Domäne x TCP k el x el k mech b el F el x MC Performancesteigerung > 50 % Werkzeugmaschine mm MC elektromechanische Domäne k MC b MC Schwingtisch Prototyp 4 Piezoaktoren an Tischecken Festkörpergelenke Ergebnisse Bsp. Aluminium mit Überlagerung Verringerung Gratbildung um % und der Spangröße 8

9 Technologie Hybride Prozesse Überblick PRINZIP VARIANTEN ANWENDUNGSBEISPIELE BENEFIT Schwingung Spanen Bohren, Drehen, Schleifen Abtragen EDM, ECM Tieflochbohren für Stahl / Gusseisen Verbesserung des Spanbruchs Verbesserung von Qualität und Produktivität Medien Hochdruckkühllung Kryogene Kühlung Bohren / Fräsen für Gusseisen Verbesserung des Spanbruchs Erhöhung des Zeitspanvolumens Laser Drehen Fräsen Verbesserung der Zerspanbarkeit Fräsen Ni-Basislegierung Achsen Scherenkinematik Adaptronik Dynamikerhöhung Verbesserung der Betriebseigenschaften 9

10 Verschleißmarkenbreite Technologie Kryogene Inprozesskühlung Beispiel: Fräsuntersuchungen in Guss GJV450 mit Diamant Werkzeugverschleiß Fräsen mit CO2-Kühlschmierung Doppelter Fräsweg Fräsweg 10

11 Infrastruktur 2. Herausforderung Aufbau von Infrastruktur 1. Technologie 2. Infrastruktur 11

12 Infrastruktur Moderne Produktionstechnik im Gesamtkontext Industrie 4.0 Betrachtungsraum Produktionstechnik Industrielle Wertschöpfung General Conditions z.b. Sicherheit, Breitband Business Models DIE SMARTE FABRIK 12

13 Infrastruktur Smarte Fabrik Kennzeichen 13

14 Infrastruktur Smarte Fabrik Herausforderungen Durchgängige digitale Vernetzung aller Elemente der Produktionsprozesse (inkl. flankierende Dienstleistungen und Logistik) Dezentrale Identifizierung, Nachverfolgung, Steuerung der lokalen Produktion bis zur globalen Wertschöpfungskette Überwindung der Massenfertigung Realisierung von On- Demand-Produktion nach individuellen Bedürfnissen Verschmelzung von realen und virtuellen Prozessen (Raum und Zeit) 14

15 Infrastruktur Linked Factory Datendrehscheibe in der Smarten Fabrik 15

16 Infrastruktur Smarte Komponenten Grundlage für Digitalisierung Data-Generating Ability of machines to CPPS SmartDevices Components for flexible connection of data providers, such as Machines, facilities and technical building equipment Umsetzung in der FORSCHUNGS FABRIK Data-Analysing Use of the available Data SmartAnalytics Same data as the basis for different evaluations (e.g. Trace4OEE), Productivity determination by extended product information Data-Distribution Context-based information delivery Objects: locating and identifying Energy SmartWearables Context-sensitive data and information provision for employee integration, intuitive display for the production assistance Tracking Context-based information generation Human-Computer Interaction Monitoring of logistics processes 16

17 Daten 3. Herausforderung Generierung technischer Produktionsdaten als Enabler für Wertschöpfung und Innovation 1. Technologie 2. Infrastruktur 3. Daten 17

18 Daten Werkzeugmaschine 4.0 Datengetriebene Prozesssteuerung Anwendung auf eine konkrete Maschine Datenerfassung und -verwaltung, Integration verteilter Datenbestände in der»linkedfactory «Korrelation von Prozessparametern und resultierenden Produkteigenschaften Erlernen zulässiger Fertigungsabläufe (Deep-Learning-Ansätze) Vorhersage resultierender Produkteigenschaften Ermittlung erforderlicher Fertigungsparameter zur Sicherstellung geforderter Eigenschaften Maschinenaufbau Datenbasierte Modellierung Struktur / Material Präzision / Steifigkeit,... Effiziente Ressourcennutzung Kühlung Schmierstoffe Druckluft, System-Knowhow z. B. Korrelation von Prozessparametern mit geforderten Produkteigenschaften Optimierte Werkzeugwege Qualität / Ziel Energieeffizienz Werkzeugverschleiß, Vision: Umsetzung für Gesamtprozesskette 18

19 Internet Daten Datennutzung Condition Monitoring Predictive Maintenance Werkzeugmaschine Messwerte Erfassung getriggerte Daten NC-Module und Vorverarbeitung Aktuelle Position PLC-Module Betriebsstunden Prozessdaten Analoge Inputs Temperatur Vibration Luft-Verbrauch, Öl-Bedingungen 840 D HMI Daten- Erfassung Datenspeicherung, Diagnose, Wartungsinstruktion Server & Router Datenbank - Diagnose - Analyse - Visualisierung - Trend - Historie - Wartungsempfehlung Digitale Inputs Statussignale Triggersignale 19

20 Daten Generierung technischer Produktionsdaten Aktuelle Situation Produktionstechnik nur als Use Case der digitalen Transformation?! Keine zielgerichtete Datenauswahl, kontinuierliche Datenermittlung bzw. -analyse und damit keine bedarfsgerechte Informations- bzw. Wissensgenerierung Fehlende Anforderungen an Datenqualität Big Data vs. Bad Data 20

21 Daten Generierung technischer Produktionsdaten Herausforderungen Dr. Jürgen Meffert (Director McKinsey & Company Inc.): "Viele glauben, das größte Problem bei der Digitalisierung sei die Informationstechnologie, aber das ist ein weitverbreitetes Missverständnis: Das Kernproblem ist nicht die IT - es sind ihre Auswirkungen auf die angestammten Geschäftsmodelle." Technologisch: Intensivierung der Methodenentwicklung zur inversen Auswahl von Daten Schaffung von bedarfsgerechten Datenquellen und Analyseformaten Soziopsychologisch: 60 Jahre WZM Daten-Vernetzung über die Unternehmensgrenzen Umdenken in Entscheidungsfindung und hinsichtlich der Geschäftsmodelle 21

22 Daten Virtueller Zwilling Produkt Entsteht parallel zum realen Produkt Verknüpft erfasste Produktund Maschinen- mit Planungsdaten ermöglicht Qualitätskontrolle mit und ohne zusätzlicher Messtechnik Dokumentation bzgl. Haftung und Garantieansprüchen Maschine Maschine als Produkt aus Herstellersicht Weitergabe in-situ gesammelten Daten an den Hersteller Kunden- und Bedarfsorientierte Weiterentwicklung Frühzeitige Erkennung von Wartungs- und Instandhaltungsbedarf Produktionslinie Echtzeit-Datenerfassung der gesamten Produktionslinie Abgleich mit Sollzustand von bspw. Produktionssteuerung und Qualitätskontrolle (Um-)Planung von Produktionsstrecken (Variantenvergleich und Optimierung) 22

23 Produkt 4. Herausforderung Realisierung von On-Demand-Produktion nach individuellen Bedürfnissen 1. Technologie 2. Infrastruktur 3. Daten 4. Produkt 23

24 Produkt Generierung technischer Nutzungsdaten Herausforderung 24

25 Produkt Generierung technischer Nutzungsdaten 60 Jahre WZM Herausforderung 25

26 Standort 5. Herausforderung Digitale Agenda Technologie 2. Infrastruktur 3. Daten 5. Standort 4. Produkt 26

27 Standort Digitale Agenda Digitalisierung in der Produktion Treiber und künftige Entwicklungen

28 Standort Digitale Agenda Digitalisierung in der Produktion Treiber und künftige Entwicklungen Effizient, ergonomisch Vernetzung, Sensorik, Prozesse und Verfahren Transparent, flexibel Plug&Play, Big Data, Korrelationen, Optimierung Intelligent, dezentral Verhaltensmodelle, Deep Learning, Selbstoptimierung Autonom, ubiquitär Robotik, additive Fertigung, KI, urbane Produktion I4.0-Konzepte Visualisierungen, mobile Endgeräte, Apps, Dashboards Informationen und Assistenzfunktionen Digitaler Schatten durchgängige Datenerfassung, Data Lakes, Historie, IST-Zustand Analysen, Zusammenhänge und Potentiale Digitaler Zwilling adaptives digitales Abbild, Simulations- & Prognosefähigkeit dezentrale Regelung und Steuerung Neue Fabrik produktneutral, lernfähig, kollaborativ hochdynamische, verteilte Fertigung

29 Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! 29

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