Mechatronische Werkzeugmaschinen der Generation Industrie 4.0

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1 Mechatronische Werkzeugmaschinen der Generation Industrie 4.0 Steffen Ihlenfeldt, Welf-G. Drossel, André Bucht 1

2 Gliederung Vorstellung Fraunhofer IWU Industrie 4.0 Beispiele aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen Zusammenfassung 2

3 Fraunhofer IWU Überblick 500 Mitarbeiter 30 Mio. Euro (2012) m² Versuchsfelder Standorte: Chemnitz, Dresden, Augsburg, Zittau IWU Campus Chemnitz 2013* Fraunhofer IWU in Chemnitz Kompetenzen Werkzeugmaschinen und Automatisierung Mechatronik und Leichtbau Zerspanungstechnik Umformtechnik Füge- und Montagetechnik Produktionsmanagement 3

4 Motivation Trend 1: individuelle Produkte Variantenanzahl Stückzahl Entwicklungszeiten Trend 2: komplexe Produkte Miniaturisierung Funktionsintegration Funktionalität Dynamik Genauigkeit Flexibilität 4

5 Industrie 4.0 Marktplatz der Möglichkeiten Intelligente Produktion Vernetzte, flexible Maschinen, Anlagen und Betriebsmittel tauschen eigenständig Informationen aus, lösen eigenständig Aktionen aus, steuern sich gegenseitig selbstständig. Intelligente Produkte sind eindeutig identifizierbar, sind jederzeit lokalisierbar, kennen ihre Historie, den aktuellen Zustand und alternative Wege zum Zielzustand. Weitere Elemente Energie- und Ressourceneffizienz / Urbane Produktion Intelligente Assistenzsysteme (Mensch-Maschine-Schnittstelle) Flexible Arbeitsorganisation (Work-Life-Balance) Demographisch-sensible und soziale Arbeit Quelle: acatech, DKFI 5

6 Der Technologie-Hype-Cycle Gipfel der überzogenen Erwartungen AUFMERKSAMKEIT Pfad der Erleuchtung Plateau der Produktivität Tal der Enttäuschungen Technologischer Auslöser ZEIT 6

7 Handlungsfelder 1. Wandelbarkeit Lösungsvoraussetzungen Fähigkeit sich der Umgebung anzupassen und 4. Fähigkeit aus Erfahrungen zu lernen Intelligenz Flexibilität 2. Adaptronische Lösungen 3. Selbstoptimierung Dynamik Quellen: MAVO Intelligente Produktionsanlagen Industrie 4.0 Whitepaper FuE-Themen 7

8 1. Wandelbarkeit Wandelbare, prozesskonfigurierbare Werkzeugmaschine Life-Cycle der Werkzeugmaschine / des Produktionssystems Motivation: Produktlebenszyklen der WZM >> darauf gefertigten Produkte Maschinen werden multifunktional Prozesse müssen auf die installierte Funktionalität angepasst werden Maschinen zu teuer und funktional nicht ausreichend abgestimmt Ansatz: function follows process statt process follows function Lösung: Hierarchische Aufteilung der Gesamtfunktionen auf mehrere Funktionsebenen kooperativ, teilweise in die gleiche Achsrichtung wirkende Antriebe Quelle: Wegener ICMC 2014I Life-Cycle der zu fertigenden Produkte Materialbestellung Materialbestellung Herstellung Nutzung End-of-Life Herstellung Nutzung End-of-Life 8

9 1. Wandelbarkeit: Adaptive Spindelhalterung Motivation Fertigung ernergieeffizienter Maschinenelemente Aktive Kontrolle der Schneidkante Konzept Höchstpräzise Subkinematik mit piezokeramischen Aktoren gezielte Fertigung von kleeblattförmigen Testkonturen und Freiformzylinderflächen Radiale Auslenkung bis ±60 µm bei Auslenk-frequenzen Hz Drehzahlen bis 6500 U/min Darstellung Zylinderverzüge 1. bis 4. Ordnung (Messschriebe gebohrter Liner) 9

10 1. Wandelbarkeit: Adaptive Spindelhalterung Motivation Fertigung ernergieeffizienter Maschinenelemente Aktive Kontrolle der Schneidkante HSC-Spindel ist in Festkörpergelenk (FKG) gelagert Konzept Höchstpräzise Subkinematik mit piezokeramischen Aktoren acht Hochvolt-Piezoaktoren in differenzieller Anordnung zur hochdynamischen Feinstpositionierung der Spindel Lagebestimmung der Kinematik mittels hochgenauem kapazitivem Wegmesssystem Lagerückführung der Werkzeugschneide mittels Spindel-Drehgeber Spindel wird mittels Aktorik um zwei Freiheitsgrade (φ x und φ y ) des FKG verkippt Verkippung führt zu radialer Auslenkung der Werkzeugschneide kapazitives Messsystem Piezoaktoren in differenzieller Anordnung HSC-Spindel Feinbohrwerkzeug Festkörpergelenk Adaptive Spindelhalterung der 2. Generation 10

11 1. Wandelbarkeit: Einsatzszenarien Erweiterung der Funktionalität: Verformungskompensation ergänzende Feinpositionierung Schwingungen Modellbasiertes Regelungskonzept Erhöhung der Prozesssicherheit Verfahrenserweiterung, Konturierung und Strukturierung Mögliche weitere Konfigurationen: lageunabhängiger Einbau auf der Werkstückseite möglich Anwendung als Werkstückhalterung vertikal horizontal Tischantrieb 11

12 1. Wandelbarkeit: Verifikation durch Fräsversuche Integration in ein dreiachsiges Bearbeitungszentrum Zylinderbohrungen 81mm, 150mm lang Werkstoff AlSi9Cu3 Ausspindelwerkzeug / Einschneider / PKD Kühlung: Emulsion / (MMS) Drehzahl bis U/min Prozessergebnisse: Bearbeitungszentrum VCP 1000 gezielte Fertigung von kleeblattförmigen Testkonturen und Freiformzylinderflächen Radiale Auslenkung bis ±60 µm bei Auslenkfrequenzen Hz (Werkzeuglänge 215mm) Freiformflächenbearbeitung an ZKG-Bohrungen Bearbeitungszeit < 30 sec 12

13 2. Adaptronische Komponenten: Kugelgewindetrieb Kugelgewindetriebe KGT - Doppelmuttersysteme Anforderungen: hohe Steifigkeit und spielfreier Betrieb spielfreies Fertigen des Wälzkontakts aufwändig KGT vorspannen Flanschmutter Kontermutter Flanschmutter Kontermutter F F Ausdehnung F F Ausdehnung Ausdehnung Spindel Spindel Fall 1: T Spindel = T mutter Fall 2: T Spindel > T Mutter Spindel dehnt sich stärker als Muttern Vorspannung sinkt! Fall 3: T Spindel < T Mutter Muttern dehnen sich stärker als Spindel Vorspannung steigt! 13

14 2. Adaptronische Komponenten: Kugelgewindetrieb Lösungsansatz: Integration von Formgedächtnislegierungen zur Kompensation der Wärmeausdehnung Systemlösung: mechanische Rückkopplung Wärmefluss FG-Halbzeug (Aktor und Sensor) Wärmequellen 14

15 2. Adaptronische Komponenten: Kugelgewindetrieb Experimenteller Funktionsnachweis: Weg 400 mm, V max 900 mm/s, Last 100 kg Ohne FG-Aktor starkes Absinken der Vorspannung Mit FG-Aktor Ausgleichung der Vorspannungsverluste Thermostabiler KGT 15

16 3. Selbstoptimierung Vision: Intelligente Produktionsanlage Produktionsanlage Steuerung Selbsterkennen und Prozessidentifikation Fertigungsziele: Produkt Qualität Zeit Überwachung Modell für Anlage und Prozess Intelligente Sensorik Bewegungsplanung und Regelung Komponenten mit lokaler Intelligenz Prozess 16

17 3. Selbstoptimierung: Motivation Maschinentechnische Herausforderungen im Werkzeugbau Maschinenbelegungszeit Brachzeiten (3%) Rüstzeiten (10%) Nebenzeiten Absprachen (27%) Nebenzeiten Positionierung usw. (15%) Hauptzeit (45%) Kosteneinsparung Verkürzung der Durchlaufzeit Verbesserung der Qualität Erhöhung der Maschinendynamik (60% der Belegungszeit durch dynamische Eigenschaften bestimmt) Komplettbearbeitung auf einer Maschine Erhöhung der Maschinendynamik (konstantere Eingriffsbedingungen der Werkzeuge, geringerer Verschleiß) 17

18 3. Selbstoptimierung: Redundanz Konzept Scherenkinematik Geeignet für HPC und HSC Kinematische Redundanz für schwerste Achse Steifigkeits anpassung durch Antriebsredundanz Verbesserte Regelung durch Sensorredundanz X2 Z Y X1 Werkzeug Prototyp (Gemeinschaftsprojekt VW, Niles-Simmons, Fraunhofer IWU) 18

19 3. Selbstoptimierung: Bearbeitungsergebnisse Testgeometrie: Referenzmaschine: Schere: Werkstoff: AlMg4.5Mn Werkzeug: Kugelfräser D12 Vorschubgeschwindigkeit: 7500 mm/min Drehzahl: /min Schnittiefe: 0,5mm Radiale Eingriffsbreite: 0,2mm Reduzierung der Eingriffszeit um 18% Zeit [sec] Kolb-Maschine 193 Scherenkinematik Bearbeitungszeit Eingriffszeit Zustellzeit (19x) Nebenzeiten 19

20 4. Fähigkeit aus Erfahrungen zu lernen Mehrwert durch Softwarelösungen Anlagen-, Prozess- und Produktdatenmanagement Softwaretool: Anlagen- und prozessspezifisch konfigurierbar Schnittstellen-Baukasten zu Automatisierungskomponenten und Datenbausteinen Einsetzbar für: Condition-Monitoring im Intra- oder Internet Leitstandsfunktionen in der Fertigung Online-Produktqualitätsdatenerfassung Produkttracking und -tracing 20

21 4. Condition Monitoring für Pressengestelle Überlast Versagensentstehung Initialriss Hydr. Presse Pressengestell Kopfstück (repariert) 21

22 4. Virtuelle Sensoren Pressen Real sensors Virtual sensors weighted linear combinations nur für zugängliche Bereiche kritische Bereiche teilweise unzugänglich lückenhafte Informationen für komplexe Strukturen alle kritische Bereiche mögliche unlimitierte Informationen 22

23 4. Verteilte Condition Monitoring Umgebung Data Center Press Manufacturer Scientific Experts Monitoring Operator Company A Press machine / ECEM system Press machine / ECEM system Press machine / ECEM system Company B Press machine / ECEM system Press machine / ECEM system 23

24 4. Cloud Interface PC ECEM imc STUDIO Data Acquisition Server Data Base Client Web-Server Data Files Internet Current Values Server imain DB Server Data Base Server File Server DB Interface - Server Farm Data Base IT infrastructure Server Data Base Client Post-Processing Engine Alarm Server Web-Server Proxy Data Base Client Dashboard Manager Post Processing Cloud Web-Services Post-Processing Internet Client PC / Mobile Device / Web Browser DataBase Meta Model Tree Chart / Widget Visualization Live Status Monitoring Post- Processing Alarm System 24

25 Der Technologie-Hype-Cycle Gipfel der überzogenen Erwartungen AUFMERKSAMKEIT Pfad der Erleuchtung Plateau der Produktivität Tal der Enttäuschungen Technologischer Auslöser ZEIT 25

26 Fragen? Dr. Steffen Ihlenfeldt