Vernetzte Produktion für komplexe Bearbeitungsfälle –
Sprödharte Werkstoffe intelligent bearbeiten

Projekt der Fachhochschule Nordostniedersachsen in Lüneburg
Projektleiter: Prof. Dr. rer. nat. Georgiadis und Prof. Dr.-Ing. Berger

Die Konturen des per Internet über­tra­ge­nen Videobildes wurden in diese Marmor­platte gefräst (Bild: FH Nordost­nieder­sachsen)

Technische Keramiken und andere spröd­harte Materialien lassen sich unter Einsatz vernetzter Steuerungs­systeme und Technologien der Hoch­ge­schwindigkeitsbearbeitung schnell und rationell bearbeiten. Durch den großen Fortschritt der letzten Jahre ist es möglich geworden, CNC-Steue­run­gen über einfach bedienbare Kommunikationsnetze mit Kunden, Maschinenherstellern und Lieferanten zu verknüpfen. Dadurch können erhebliche Produktivitätssteigerungen erreicht und störungsbedingte Still­stands­zeiten reduziert werden. Ein integriertes Maschinenkonzept wurde erstmals auf der Hannover Messe 2000 vorgestellt.

Diese Applikation kann über die  Startseite des Fachbereiches Automatisierungstechnik der FH Nordostniedersachsen abgerufen werden.


Telemonitoring, Teleservice und Telecontrol

In Zusammenarbeit mit den Firmen Siemens, SNR und IBAG wurde von der Fachhochschule Nordostniedersachsen auf der Hannover Messe ein integriertes Maschinenkonzept für die Bearbeitung sprödharter Werkstoffe vorgestellt, das Funktionalitäten wie Telemonitoring, Teleservice und Telecontrol in einer Steuerungsplattform vereinigt. Dadurch können schnelle Kundenabsprachen, materialbedingte Bearbeitungsanpassungen und Optimierung fertigungstechnischer Parameter quasi on-line erfolgen. Die Transparenz der fertigungstechnischen Umgebung, insbesondere für Einzel- und Kleinserienaufgaben wird erhöht und damit auch die Kundenorientierung gesteigert. Dabei ist eine stetige Verbindung zu maschinennahen CNC- und SPS-Steuerungen gewährleistet, um im Bedarfsfalle sofortige Bedarfswarnungen, direkte Eingriffe oder automatisierte Korrekturen vornehmen zu können.


Hochgeschwindigkeitsfrässpindel

Als Maschinenkonzept wurde eine modulare 3-Achsen Fräsbearbeitungszelle für die Bearbeitung sprödharter Werkstoffe entwickelt, die den Anforderungen an Verfahrgeschwindigkeit (bis 20m/min), Bearbeitungsgenauigkeit (bis 0,01mm) und Verschleißwiderstand aller beweglichen Komponenten gegenüber feinsten Keramikstäuben Rechnung trägt. Kernstück der Anlage bildet eine Hochgeschwindigkeitsfrässpindel mit 7,5 kW Antriebsleistung und einem Drehzahlbereich zwischen 20.000 und 42.000 min-1. Die Spindel ist durch erweiterte Kühlung und Sperrluft am vorderen Spindellager für den erschwerten Einsatzfall vorbereitet worden.


Prozessvisualisierung über das Internet mit SIMATIC WinCC

Sämtliche Antriebe, Sensoren und Überwachungseinheiten sind mit einer CNC-Steuerung Sinumerik 840 D verknüpft. Diese ist zur Umsetzung der telematischen Funktionsanforderungen mit dem Windows Control Center, dem PC-basierten Prozessvisualisierungsystem von Siemens und dem Simatic WinCC/Web Navigator (Server) gekoppelt. Der Simatic WinCC/Web Navigator bietet die Möglickeit, eine Anlage über das Internet oder das firmeninterne Intranet bzw. LAN zu visualisieren und zu bedienen. Als Kommunikationsstrang nach außen wurde bewußt auf konventionelle Internet-Verbindungen gesetzt, um die Universalität und weltweite Einsatzfähigkeit der vorgestellten Lösung zu demonstrieren. Die vom Simatic WinCC/Web Navigator verwendeten Kommunikationsmechanismen basieren auf einer ereignisgesteuerten Übertragung mit hohem Durchsatz und liefern damit über das Web eine hervorragende Performance.


Präsentation auf der Hannover Messe 2000

Bei der praktischen Demonstration des Maschinenkonzeptes wurde eine kontinuierliche Vernetzung der Bearbeitung in der Produktionshalle zum "Kunden" auf den Messestand realisiert. Am Beispiel der Bearbeitung dreidimensionaler Marmorreliefs im handelsüblichen CD-Format wurde die Leistungsfähigkeit des entwickelten Ansatzes vorgestellt. Dabei konnten bei komplexen Reliefs CAD-Fileformate mit bis zu 16.000 Stützpunkte mit dem Bildverarbeitungssystem VIDEOMAT (Siemens) generiert und in die CNC-Steuerung übertragen werden. Vor, während und nach der Bearbeitungsphasen wurden wesentliche Informationen wie NC-Sätze, Fehlerstati, Sensorwerte zu einer Gegenstelle übertragen, die fallweise Veränderungen oder sogar einen Bearbeitungsstop vornehmen konnte. Parallel dazu, waren die zwei Standorte visuell und akustisch über zwei fernsteuerbare (SIMATIC WinCC Guardian) Webcameras verbunden. Der Simatic WinCC Guardian diente der Einbindung von Kamerabildern in ein WinCC-Bild und der Überwachung der Bildinhalte auf Veränderungen - Bewegungen, Farbumschläge -, die dann zur Erzeugung einer Meldung in einer Datenbank führen können. Die Produktentwicklung und die Produktherstellung - obwohl in zwei entfernten Stätten - liefen simultan und eng vernetzt ab. Gesichtskonturen der Besucher bildeten das Model für das Produkt, das auf den Marmor innerhalb von Minuten und 150 km weiter verewigt wurde.


Bearbeitung des Marmorreliefs

Für die Bearbeitung selbst wurden Hartmetallfräsköpfe eingesetzt. Als sehr vorteilhaft in Blick auf thermische Belastung, Oberflächengüte und Werkzeugverschleiss erwies sich die Strategie der Trockenbearbeitung unter Einsatz des oberen Spindeldrehzahlbereichs und Vorschubwerten von 6m/min-1. Zur Steigerung der Oberflächengüte wurde bei feinauflösenden Reliefs eine Trennung in Schrupp- und Schlichtbearbeitung mit Werkzeugwechsel vorgesehen. Die Bearbeitungszeit des im Bild dargestellten Marmorreliefs konnte mit 6 min. angegeben werden. Weitere Aufgabenstellungen bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer sprödharter Werkstoffe wie warmfeste Komponenten des Automobilbaus und der Luftfahrttechnik sind derzeit in Bearbeitung.


Zukunftsorientierte Produktentwicklung

Mit dem System ist auf der Hannover Messe 2000 eine neue und zukunftsorientierte Produktentwicklungsmethode demonstriert worden. Dabei wurde simultan das Produkt designt und der Prototyp hergestellt. Die verschiedenen Know-how Zentren verbanden sich über eine einzige Plattform so, dass die Distanzeffekte eliminiert wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass Teilprozesse in entfernten Orten simultan und auf einer zentralen Steuerung ablaufen können. Mit der gezeigten Lösung wird es in vielen Fällen möglich sein, auf zeitaufwendige Reisen zu verzichten und damit verbundene Kosten einzusparen. Gleichzeitig wird die Produktivität der Maschinen und Anlagen erhöht.