Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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Forschungsprojekt »CAMWear 2.0«
Der Werkzeugverschleiß ist ein Kostentreiber in der spanenden Fertigung. Er ist oftmals ein Grund für Qualitätseinbußen des Produkts, umfangreiches Nacharbeiten sowie erhöhten Bauteilausschuss. Während der laufenden Produktion werden deshalb regelmäßig Verschleißmessungen durchgeführt, was die Fertigungszeiten allerdings verlängert.
Gängige Systeme zur Bestimmung des Verschleißzustands von Zerspanwerkzeugen sind Messmikroskope und Lasermessbrücken. Beide haben jedoch einige Schwachstellen: So befinden sich die Mikroskope außerhalb der Werkzeugmaschine, sind in der Anschaffung sehr teuer und bedürfen aufwändiger manueller Bedienung. Lasermessbrücken sind zwar maschinenintegrierbar, bieten jedoch nicht die Möglichkeit, unterschiedliche Verschleißarten zu identifizieren und zu messen. Das Feststellen von Ursachen und Handlungsempfehlungen ist somit nicht möglich. Zudem können gängige Verschleißmaße wie die Verschleißmarkenbreite nicht abgeleitet werden.
Um die beschriebenen verschleißbedingten Konsequenzen zu vermeiden, werden Werkzeuge in der Praxis vorzugsweise zu früh als zu spät ausgewechselt. In einer im Jahr 2020 durchgeführten Umfrage mit Anwendungstechnikern aus Unternehmen der Community der WBA Aachener Werkzeugbau Akademie wurde die ungenutzte Werkzeuglebensdauer auf über 30 % beziffert.
Durchgängige Quantifizierbarkeit des Verschleißzustandes von Zerspanwerkzeugen
Das Ziel des Projekts »CAMWear 2.0« ist die Entwicklung eines KI-basierten »Operator Empowerments«. Dieses System zur Entscheidungsunterstützung soll die Nutzer entlasten, indem es automatisiert den Verschleißzustand der Zerspanwerkzeuge erfasst und bewertet. Dadurch kann der Einsatz der Werkzeuge optimiert, die Wirtschaftlichkeit der spanenden Fertigung gesteigert und der Ressourcenverbrauch reduziert werden.
Die geplanten Schritte des Projekts »CAMWear 2.0« im Überblick:
- Integration eines durch ein Gehäuse geschützten Mikroskops in die Werkzeugmaschine
- Programmierung eines Messzyklus unter Nutzung der Maschinenachsen und des Mikroskops
- Aufsetzten einer KI-Bildverarbeitungskette zur Detektion und Messung von Verschleiß
- Entwicklung eines Fertigungsdatenmanagements zur systematischen Speicherung der Daten
Das Zusammenspiel dieser Komponenten führt zu einer durchgängigen Quantifizierbarkeit des Verschleißzustandes der Zerspanwerkzeuge vor und während des Fräsprozesses. Die Untersuchungen bauen auf den Ergebnissen des AiF-Projekts »CAMWear« auf, in dessen Verlauf ein Verschleißratenmodell zur Optimierung des Zerspanprozesses, etwa durch die Optimierung von Schnittdaten und die Bestimmung des optimalen Werkzeugwechselpunkts, entwickelt wurde.
Ermittlung des Verschleißes bereits während der Prozessplanung
Über der Optimierung der Werkzeugstandzeit hinaus, verfolgt das Projektteam im nächsten Schritt ein noch größeres Ziel: Mithilfe der systematischen Verarbeitung und Speicherung der erzeugten Verschleißdaten samt Metainformationen möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler künftig den zu erwartenden Verschleiß bereits während der Prozessplanung ermitteln und damit Schnittdaten, Werkzeugwechsel und Werkzeugausnutzung optimieren.
Um dieses Ziel zu erreichen sind folgende Schritte notwendig:
- Implementierung der automatisierten Modellerstellung auf Basis vorliegender Daten
- Nutzbarmachung der Modelle während der Prozessplanung in einem CAM-System
Förderhinweis
Das Projekt »CAMWear 2.0« wird wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Förderkennzeichen: 21660 N / 2