Wer tut was?

Fertigungsautomation

RFID - Das bei der Premium Aerotec GmbH im gesamten Bereich der zerspanenden Fertigung eingesetzte Tool-ID-System von Balluff schafft die Voraussetzung für eine intelligente Vernetzung mit dem Potenzial, den Werkzeugeinsatz und letztich die Prozesse zunehmend zu optimieren.

20. September 2017
Bei Premium Aerotec sind rund 30Bearbeitungsmaschinen mit Tool-ID-Schreib-/Leseköpfen und Auswerteeinheiten BIS V ausgestattet. Bild: thoraufotografie
Bild 1: Wer tut was? (Bei Premium Aerotec sind rund 30Bearbeitungsmaschinen mit Tool-ID-Schreib-/Leseköpfen und Auswerteeinheiten BIS V ausgestattet. Bild: thoraufotografie)

Die zerspanende Bearbeitung von Flugzeugstrukturbauteilen ist eine der Königsklassen der Branche. Das liegt zum einen daran, dass hierfür modernste und oft schwer zerspanbare Werkstoffe verwendet werden. Neben anspruchsvollen Aluminiumlegierungen stellen Materialien wie Titan oder Kohlenstofffaserverbundstoffe (CFK) hohe Anforderungen. Andererseits handelt es sich vorzugsweise um dünnwandige Bauteile; denn schließlich ist in der Luft- und Raumfahrt Gewichtsreduzierung oberstes Gebot, bei gleichzeitig höchster Festigkeit und Steifigkeit der Komponenten.

»Strukturbauteile aus Leichtmetalllegierungen haben oft hoch komplexe Freiformflächen und schwierigste Hinterschneidungen. Die sogenannte HPC-Zerspanung, sprich das High Performance Cutting, stellt dabei hohe Anforderungen hinsichtlich Präzision und Prozess-sicherheit«, erklärt Daniel Weishaupt, der Leiter Werkzeugaufbereitung/-kommissionierung bei Premium Aerotec in Augsburg. Damit ist in erster Linie die prozesssichere Einhaltung enger Toleranzen im Bauteil gemeint. »Grundvoraussetzung dafür ist allerdings, dass die Werkzeugparameter exakt und fehlerfrei in die Bearbeitungsmaschine übernommen werden«, ergänzt Weishaupt und spricht die Hauptmotivation an, ein Werkzeugidentifikationssystem einzusetzen. Der generelle Vorteil von solchen Systemen wie Tool-ID von Balluff ist die Übertragung von werkzeugrelevanten Daten über ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld zwischen einem am Werkzeug fest montierten Datenträger und einer Schreib-/Leseeinheit. Die sogenannte Radio Frequency Identification (RFID) sichert die eindeutige Zuordnung des Werkzeugs.

Aktuell und immer korrekt

Mit Hilfe von RFID-Schreib-/Lesegeräten können Werkzeugdaten, zum Beispiel am Werkzeugeinstellgerät, auf den Datenträger am Werkzeug geschrieben und in der Werkzeugmaschine ausgelesen werden. Außerdem lassen sich, etwa nach einem Werkzeugeinsatz in der Maschine, relevante Daten wie Standzeiten wieder auf den Datenträger zurückschreiben.

Die automatische Verarbeitung der Daten gewährleistet, dass alle Daten immer korrekt und stets aktuell vorliegen. Aus diesem Grund hat Premium Aerotec die Werkzeugeinstell- und -messgeräte von Zoller sowie rund 30 Bearbeitungsmaschinen mit Tool-ID-Schreib-/Leseköpfen und Auswerteeinheiten von Balluff ausgestattet. »Wir konnten das System in allen Steuerungen unserer unterschiedlichen Maschinen problemlos integrieren«, bestätigt Weishaupt. Die Integration wurde unter anderem von der Erhardt + Leimer Automatisierungstechnik GmbH aus Augsburg durchgeführt. Das Unternehmen ist Spezialist für Systemlösungen und Automatisierungstechnik in laufender Fertigung und hat dafür nur rund zwölf Wochen benötigt.

Die BIS-M-Schreib-/Leseköpfe sind in unterschiedlichsten Bauformen und Abmessungen – beispielsweise als Rund-/Stabantenne – verfügbar, sodass die vielfältigen Anforderungen in den unterschiedlichen Bearbeitungsmaschinen bei Premium Aerotec gelöst werden konnten. Einen großen Anteil an der schnellen Integration von Tool-ID in die laufende zerspanenden Fertigung bei Premium Aerotec haben die hier verwendeten Auswerteeinheiten BIS V, die frequenzübergreifend kommunizieren können.

Hoch- und niederfrequent gleichzeitig

Mit diesen Controllern lassen sich niederfrequente Systeme (LF, 70 bis 455 kHz), die vor allem in der Metallumgebung besonders robust und zuverlässig sind, und hochfrequente Systeme (HF, 13,56 MHz) zeitgleich betreiben. Für den Einsatz bei Premium Aerotec war jedoch die Schnittstellenvielfalt dieser Auswerteeinheiten entscheidend für die Integration in die unterschiedlichen Maschinen. Es stehen alle weltweit gängigen Bussysteme für den industrieunabhängigen Einsatz, wie Profibus, Profinet, Ethercat, CC-Link sowie Ethernet/IP-Varianten, zur Verfügung. Außerdem gibt es einen Webserver für Ethernet-basierte Schnittstellen. Darüber hinaus ermöglichen Funktionsblöcke vieler gängiger Steuerungshersteller den schnellen Einsatz.

Die vorhandenen Werkzeuge, respektive die Werkzeugaufnahmen, wurden seitlich mit sogenannten Tags, den Datenträgern, ausgestattet. Hier verwendet Premium Aerotec die Datenträger vom Typ BIS M.

Diese arbeiten mit einer Frequenz von 13,56MHz und sind auf unendlich viele Schreib-/Lesezyklen ausgelegt. »Wir haben uns für die BIS-M-Version entschieden, weil diese Tags den offenen, normierten RFID-Standards ISO 15693 und ISO 14443A entsprechen und Hersteller unabhängig am Markt verfügbar sind«, ergänzt Weishaupt, der darin eine Sicherheit für seine Fertigung sieht. Insgesamt werden derzeit um die 30.000 Werkzeuge so verwaltet. Ebenso wichtig ist Weishaupt die hohe Übertragungsgeschwindigkeit bei großen Datenmengen, mit der das RFID-System BIS M punktet. »Auch dies trägt dazu bei, dass heute der Ausleseprozess um 30 Prozent schneller ist«, bestätigt Weishaupt. Der erste Anspruch mit der RFID-Werkzeugidentifikation, das Handling der werkzeugspezifischen Daten zu automatisieren und sicher zu machen, wird bereits seit Jahren erfüllt.

Exakt übermittelt

Exakt übermittelte Werkzeugabmessungen und Einsatzparameter sowie erfasste Stand-, respektive Resteinsatzzeiten gewährleisten sichere Prozesse. »Die Erfassung der Laufzeiten von Werkzeugen ist dabei von enormer Wichtigkeit«, erklärt Weishaupt: »Verschleiß bewirkt steigende Zerspankräfte und führt am Werkstück zu Geometrieabweichungen. Besonders kritisch ist die dabei entstehende, sogenannte Oberflächenzerrüttung als Folge von thermischen und mechanischen Wechselbelastungen, die zu nicht reparablen Beschädigungen am Bauteil führen können.« Oberflächenzerrüttungen in Zerspanungswerkzeugen entstehen nach einer längeren Einsatzzeit, während derer eigentlich noch kein Verschleiß messbar ist. Sie machen sich in Form von Rissen bemerkbar, die sich ausbreiten. Gefügeveränderungen und Ermüdungserscheinungen können zum Abtrennen von Partikeln führen, die ihrerseits das Bauteil beschädigen können. Werkzeugverschleiß, zum Beispiel die Abrasion, führt zu erhöhten Zerspankräften. Die Werkzeugschneide kann den erhöhten Zerspankräften nicht standhalten. Es kommt zu Werkzeugbrüchen, die auch das Bauteil beschädigen können.

Die oft extrem teuren Bauteile im Wert von mehreren tausend oder zigtausend Euro, machen diese Problematik deutlich. Aus diesem Grund wird jedem Werkzeug über den Datenträger an der Werkzeugaufnahme eine maximale Standzeit mitgegeben, die auf Erfahrungswerten basiert. Über die Festlegung von Werkzeugeinsatzzeiten hinaus, bieten die BIS-M-Datenträger mit ihrer eindeutigen Ident-Nummer das Anlegen einer sogenannten Lebensakte für die Werkzeuge wie es Weishaupt nennt. Die Unique ID dieser Datenträger ist nur les- und nicht veränderbar. Sie schafft die Möglichkeit, eine Rückverfolgbarkeit im Sinne der Qualitätssicherung für die Bauteile zu gewährleisten sowie den Werdegang eines jeden Werkzeuges zu dokumentieren. Die zentrale Speicherung und Auswertung der Werkzeugdaten in einem Werkzeugmanagementsystem öffnet vielfältige Ansätze, den Werkzeugeinsatz weiter zu optimieren. Damit ist Tool-ID eine Schlüsselkomponente der intelligent vernetzten Fertigung.

Motek: Halle 5, Stand 5305

Erschienen in Ausgabe: 06/2017

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