Industrie 4.0 im Fräsprozess für eine stabilere Produktion

Für die Industrie-4.0-Produktion müssen nicht nur Informationen effektiv und effizient verarbeitet werden, sondern die Produktionsmittel selbst müssen physisch in der Lage sein, ihre geometrische Form und Kinematik flexibel an die jeweilige Aufgabe anzupassen. Eine steigende Produktvielfalt bildet für zerspanende Herstellungsverfahren eine große Herausforderung. Denn Fräsprozesse, vor allem bei lang auskragenden und dünnwandigen Bauteilen, werden durch Schwingungen oft stark in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Ziel des Projekts FixTronic ist es deshalb, ein mechatronisches Stabilisierungssystem zu entwickeln, das Prozessschwingungen und Instabilitäten durch aktive Schwingungsdämpfung und Drehzahlanpassung der Maschinenspindel minimiert: So werden während der Fräsbearbeitung Informationen über den Zustand des Werkstücks anhand von Sensoren im Spannsystem erfasst und mit einer adaptiven Regelung verknüpft. Durch Piezoaktoren wird eine gezielte Gegenschwingung im Werkstück erzeugt, die die Schwingungen deutlich reduziert.

Das FixTronic-Stabilisierungssystem ermöglicht so den Einsatz leistungsfähiger Prozessparameter bei gleichzeitig hoher Qualität der Produktionsergebnisse. Durch die adaptive Regelung des Systems können Werkstücke mit unterschiedlicher Geometrie prozesssicher eingespannt werden – dadurch schließt sich die Flexibilitätslücke in der zerspanenden Fertigung.

Die Vernetzung des Spannsystems mit der Werkzeugmaschine ermöglicht die effektive Überwachung des Stabilitätsverhaltens im Werkstück und erlaubt so die prozesssichere Bearbeitung mit leistungsfähigen Parametern.

Bei konventionellen Systemen führen Schwingungen zu einer schlechteren Oberflächenqualität des Werkstücks, höherem Werkzeugverschleiß, stärkerer Geräuschentwicklung und höheren Fertigungstoleranzen. Häufig werden einfach die Prozessvorschübe reduziert, um die Bearbeitungskräfte niedrig zu halten und so die Schwingungen zu minimieren: Dies verlangsamt jedoch den Prozess und erhöht die Herstellungskosten des Bauteils.

Gleichzeitig werden die Schwingungserscheinungen auf diese Weise nur reduziert, Werkzeug und Werkstück können aber dennoch beschädigt und sogar unbrauchbar werden. In Versuchen lassen sich für Serienprozesse geeignete Bearbeitungsparameter für ein stabiles Prozessfenster ermitteln, jedoch sind solche Versuche aufwändig und teuer und es entsteht viel Ausschuss. Für die Industrie-4.0-Produktion, bei der flexibel individualisierte Teile in der Stückzahl 1 hergestellt werden sollen, ist die Suche nach einem stabilen Prozess durch Versuche nicht der richtige Weg – hier gilt es andere Lösungen zu finden.

Durch den neuen Ansatz im FixTronic-Projekt wird das Werkstück selbst zum cyberphysischen System im Sinne der Industrie 4.0 und so zum Informationsträger für die autonome Prozesssteuerung durch das Produkt. Das Projekt FixTronic verbindet die Stärken von Unternehmen und Forschungseinrichtungen verschiedener nordrhein-westfälischer Hochtechnologiestandorte in den Bereichen Produktion und Mechatronik, mit dem Ziel, eine entscheidende Flexibilitätslücke der Industrie 4.0 zu schließen. hei