Inhalte der Online-Ausgabe 5-2020

Herausforderungen bei der Automatisierung der Produktion

A. Verl – Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart (Editorial)

Die zunehmende Automatisierung komplexer Fertigungsprozesse bei gleichzeitiger Erhöhung der Flexibilisierung der Produktion erhöht den Anteil an steuerungstechnischen Funktionen innerhalb von Maschinen immens. Eine einzelne Maschine ist nicht mehr nur für einen Fertigungsprozess, einen Betriebspunkt, ein Produkt oder Bauteils optimiert, sondern muss auf benachbarte Fertigungs- und Logistik­prozesse reagieren oder diese sogar mitsteuern können.

Weniger Ausschuss bei der Fertigung rotierender Bauteile*

F. Eger, C. Reiff, A. Lechler, A. Verl – ISW, Universität Stuttgart

Bei mehrstufigen Produktionssystemen rotierender Bauteile kann bereits ein kleiner Fehler zu Ausschuss führen. Um die Wettbewerbsfähigkeit europäischer Unternehmen zu gewährleisten, wird eine Null-Fehler Fertigung angestrebt. In diesem Beitrag wird dafür eine Web-App vorgestellt, die Bauteilvariationen automatisch erkennen und Fehlerkompensations­stra­tegien ableiten kann. Das Potenzial des mehrstufigen Produktionssystems wird genutzt, um Fehler am Bauteil im Pro­dukti­onsfluss durch eine geeignete Steuerung und Regelung zu beheben.

Durchgängigkeit von Steuerungstests*

E. Tinsel, S. Fur, A. Lechler, O. Riedel – ISW, Universität Stuttgart

Um die Dauer der virtuellen Inbetriebnahme zu verkürzen, müssen alle X-in-the-Loop-Konfigurationen optimiert in den Entwicklungsprozess integriert werden. Mit einer durchgängigen Testplattform soll dem Entwickler ein Werkzeug bereit­gestellt werden, das von der Konzeption bis zu den späten Hardwaretests aktiv in den Prozess eingreift und den Benutzer unterstützt, um schnell Prototypen in einer Simulationsum­gebung zu entwerfen und zu komplexeren digitalen Zwillingen heranwachsen zu lassen.

Optionen des automatischen Fahrens in der Produktion*

M. Schönauer – Volkswagen AG, Technische Universität Berlin, Wolfsburg

Als Voraussetzung zur Bewertung einer systemtechnischen Problemstellung, wie die des automatischen Fahrens in der Produktion, wird im ersten Beitrag des dreiteiligen Forschungsvorhabens zunächst der morphologische Proto­typentest entwickelt. Mit dessen Hilfe soll ein morphologisches Merkmalsschema konzipiert werden. Im Fokus steht die Entwicklung eines ganzheitlichen Überblicks zu Konzepten des automatischen Fahrens in der Produktion, der als Ausgangspunkt für die weiteren Untersuchungen dient.

Designentscheidungen für OPC-UA-Informationsmodelle*

S. Friedl, T. Heinemann, A. Lechler – ISW, Universität Stuttgart

Viele Arbeitskreise im VDMA erarbeiten oder planen eine OPC UA Companion Specification oder haben bereits eine Companion Specification veröffentlicht. Dabei müssen Inhalte konsolidiert und anschließend modelliert werden. Verschiedene Gruppen stehen hier oft vor ähnlichen Designentscheidungen. Solche Fälle, deren Hintergrund und die entsprechenden Design­entscheidungen werden in diesem Beitrag von den Autoren, die an der Erstellung der CS für die Wägetechnik oder für Werkzeugmaschinen beteiligt waren, beleuchtet.

Last-Verlagerungsverhalten von Kugelgewindetrieben*

C. Brecher, F. Kneer, S. Neus – Werkzeugmaschinenlabor WZL, RWTH Aachen

Die axiale Steifigkeit von Kugelgewindetrieben ist wesentlich für das Betriebsverhalten von Werkzeugmaschinen. Während der Bearbeitung werden die Prozesskräfte über den Kugel­gewindetrieb in die Maschinenstruktur übertragen. Kugelgewindetriebe tragen daher maßgeblich zur Qualität und Produktivität von Werkzeugmaschinen bei. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode zur messtechnischen, prüfstands­gebundenen Ermittlung des Last-Verlagerungsverhaltens an Kugel­gewindetrieben.

Entwicklung einer thermo­elektrisch temperierten Motorspindel*

E. Uhlmann, S. Salein, N. Iden; J. Polte,; P. Temme, D. Hartung, S. Perschewski – Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF; Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Berlin; Alfred Jäger GmbH, Ober-Mörlen

Bei der spanenden Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen wird ein signifikanter Anteil der geometrischen Bauteilfehler durch eine thermisch bedingte veränderte Lagezuordnung zwischen Zerspanwerkzeug und Werkstück verursacht. Verantwortlich hierfür sind elektrische sowie mechanische Verlustleistungen, durch die signifikante Wärmeströme in die angrenzenden Komponenten induziert werden. Die Antriebe sowie die Lager von Motorspindeln stellen solche maßgebliche Wärmequellen dar und besitzen aufgrund der Nähe zur Zerspanstelle einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. Mit dem Ziel, die thermischen Verlagerungen von Motorspindeln zu reduzieren, entwickelt das IWF in Kooperation mit der Alfred Jäger GmbH ein thermoelektrisches Temperiersystem für Motorspindeln. Der Lösungsansatz sieht die Integration von prismatischen sowie tubularen Peltierelemente vor, die eine unmittelbare Temperaturregelung der genauigkeitsbestimmenden Motorspindelkomponenten ermöglichen.

Verschleißentstehung an Schieberwerkzeugen*

A. Martini, B.-A. Behrens, M. Stonis, M. Kriwall – IPH Institut für Integrierte Produktion Hannover GmbH

Für die industrielle Etablierung mehrdirektionaler Schmiedeprozesse sind Kenntnisse über zu erwartende Standmengen und eine wirtschaftliche Fertigung essenziell. In diesem Beitrag wird der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Verschleißverhalten von Schieberwerkzeugen innerhalb einer Simulationsstudie erarbeitet. Die Ergebnisse erlauben eine Identifikation verschleiß­induzierender Prozessparameter und eine optimierte Prozessauslegung in Bezug auf die resultierende Standmenge.

Modellbasierte numerische Steuerung*

A. Elser, S. Teicht, A. Lechler – ISW, Universität Stuttgart

Numerische Steuerungen haben sich als entscheidendes Automatisierungselement in den Bereichen Drehen und Fräsen etabliert. Dabei ist ihre Fähigkeit essenziell, eine Trajektorie durch im Maschinencode gegebene Stützpunkte unter gegebenen Nebenbedingungen wie Dynamikgrenzen zu legen. Der Übertrag dieser Fähigkeit auf andere industrielle Prozesse ist vielversprechend. In diesem Beitrag wird vorgeschlagen, wie numerische Steuerungen verwendet werden können, um den Prozess des Schwerkraftmetallgießens zu automatisieren.

Von der Kundenanfrage zum Produkt*

P. Mößner, M. Mußler, U. Schleinkofer – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

Der Beitrag veranschaulicht Vorgehensweisen kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) in der frühen Phase der technischen Auftragsabwicklung. In einer fallübergreifenden Analyse werden neun Interviews von Technikexperten des Werkzeug­maschinenbaus ausgewertet. Hierauf basierend werden Muster und das Optimierungspotenzial zwischen den Unternehmen identifiziert und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.

Lastverteilung in Planetenrollengewindetrieben*

C. Brecher, T. Frenken, G. Axelrad, S. Neus – WZL, RWTH Aachen

Planetenrollengewindetriebe finden aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit Anwendung in Bereichen, in denen Kugelgewindetriebe an ihre Lastgrenzen stoßen. Um ein Berechnungsmodell für Planentenrollengewindetriebe zu entwickeln, wurden Berechnungsmethoden zur Beschreibung der Lastverteilung innerhalb des Planetenrollengewindetriebs entwickelt. Mit diesen lassen sich die in den einzelnen Kontaktpunkten wirkenden Kräfte sowie die Verlagerungen des Gewindetriebs bestimmen. Die Berechnungsergebnisse werden unter anderem für die Berechnung der statischen axialen Steifigkeit und der Ermüdungs­lebensdauer benötigt.

Methodik für roboterbasierte Produkttransporte*

S. Pieske, P. Blanke, N. Hoffmann, S. Storms, W. Herfs WZL, RWTH Aachen

Aktuell werden Roboterpfade oft manuell programmiert. Vor allem der Austausch von Teilanlagen oder Anlagenkomponenten kann zu umfangreichen Änderungen im Roboterprogramm führen. Um diesen Aufwand zu reduzieren, wird eine Methodik zur dynamischen Pfadplanung entwickelt und implementiert. Hierzu werden ausschließlich serienmäßig vorhandene Schnittstellen genutzt. Die Entwicklung wird anhand einer rekonfigurierbaren Zellkulturplattform evaluiert.

Entwicklung energieflexibler Anlagen*

M. Brugger, J. Holländer, G. Reinhart – Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg

Mit der Energiewende geht durch Wind- und Photovoltaikanlagen eine erhöhte Volatilität in der Stromerzeugung einher. Daher müssen industrielle Fertigungsanlagen zunehmend in der Lage sein, energieflexibel zu arbeiten. Dies verbessert einerseits die Netzstabilität und bietet andererseits Unternehmen die Möglichkeit, Energiekosten einzusparen. In diesem Beitrag wird anhand einer Entwicklung einer energieflexiblen Demonstrationsanlage, aufzeigt, wie Energieflexibilitätsmaßnahmen auf der Fertigungsebene um- und eingesetzt werden können.

Chancen der Industrie auf dem Energiemarkt*

I. Bianchini, A. Sauer; F. Zimmermann – Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP, Universität Stuttgart; Fraunhofer IPA, Stuttgart

Industrielle Verbraucher können durch die Vermarktung des Energieflexibilitätspotenzials ihre Energiekosten reduzieren oder zusätzliche Erträge erwirtschaften. Die Entscheidung, am Energiemarkt teilzunehmen, erfordert Wissen über die Struktur sowie die dort geltenden regulatorischen Rahmen­bedingungen. In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen Handelsprodukte des Energiemarktes vorgestellt und anhand von unternehmerischen Zielkriterien bewertet. Ergebnis dieses Vergleichs ist eine Empfehlung für industrielle Verbraucher, welche Energiemärkte eine Vermarktungsmöglichkeit der Energieflexibilitätspotenziale bieten.

Phasenwechselmaterial­speicher zur Last­flexibilisierung von Werkzeugmaschinen*

M. Helfert, A. von Hayn, J. Wendt, L. Dungs, M. Weigold – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Technische Universität Darmstadt

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts „Phi-Factory“ am Institut für PTW wurden, angesichts des steigenden Anteils fluktuierend einspeisender Stromerzeuger, technische Potenziale zur energetischen Flexibilisierung von Produktionsanlagen und Industrieprozessen untersucht. Im Bereich der Kühlung von Werkzeugmaschinen bietet der Einsatz von innovativen Phasenwechselmaterialspeichern die Möglichkeit, Lastflexibilisierung auf Maschinenebene umzusetzen, ohne den Fertigungsprozess zu beeinflussen. Zur experimentellen Untersuchung dieser Speicher wurde ein Demonstrator aufgebaut an dem ein parallel entwickelter „digitaler Zwilling“ validiert wurde.

Energieeffizienz in der zerspanenden Industrie*

L. Petruschke, S. Seyfried, T. Kohne, M. Burkhardt, M. Helfert, I. Mehmed, M. Weigold – Institut für PTW, Darmstadt

Im Rahmen des Projekts ETA-Transfer werden bei neun Industriepartnern Produktionsanlagen sowie die entsprechenden Energieversorgungsnetze hinsichtlich energetischer Optimierungspotenziale untersucht. Hierzu wurden unter anderem Messkampagnen zum Erfassen elektrischer und thermischer Leistungsaufnahmen durchgeführt. Um ein Benchmarking zu erlauben, wurde eine Datenbank aufgesetzt, welche einen Vergleich auf verschiedenen Ebenen mittels Key Performance Indicators ermöglicht.

Werkzeugintegrierte Sensorik zur Onlineüberwachung von Fräsprozessen

M. Ettrichrätz; S. Gebhardt – Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Dresden; Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden

Schnellere Entwicklungszeiten, kürzere Produktlebenszyklen sowie die Zunahme kundenspezifischer Lösungen erfordern Werkzeugmaschinen, die ihr Verhalten selbstständig so anpassen, dass zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ und produktiv optimale Verarbeitung erfolgt. Ein hochintegriertes Sensorsystem erlaubt eine genaue und kontinuierliche Kraftmessung bei Fräsprozessen zur Prozesssteuerung und Verschleißerfassung.

Bei den mit einem Stern gekennzeichneten Beiträgen handelt es sich um wissenschaftlich begutachtete und freigegebene Fachaufsätze („reviewed paper“).