Profilierprozesse digitalisieren

Eine Voraussetzung zur Digitalisierung von Fertigungsprozessen ist der Zugriff auf inline erfasste Daten, die Aufschluss über den aktuellen Prozesszustand geben. Hierzu ist eine prozessnahe Integration von Sensorik notwendig. Das PtU entwickelt sensorische Maschinenelemente wie Schrauben, Gelenkwellen oder Passfedern.

08. August 2018
Verformungsverhalten der sensorischen Passfeder (oben), Modell der eingebauten Passfedern (unten links) und Aufbau der sensorischen Passfedern in Passfedernut (unten rechts) (Bild: TU Darmstadt)
Bild 1: Profilierprozesse digitalisieren (Verformungsverhalten der sensorischen Passfeder (oben), Modell der eingebauten Passfedern (unten links) und Aufbau der sensorischen Passfedern in Passfedernut (unten rechts) (Bild: TU Darmstadt))

1. Entwicklungstrends im Profilieren

Etablierte Fertigungsmethoden stehen fortlaufend vor neuen Herausforderungen. Gegenwärtig tendieren die Marktanforderungen zu höheren Qualitätsanforderungen bei kürzeren Produktlebenszyklen und kleiner werdenden Losgrößen. Beispielhaft für diese Entwicklung steht die Automobilindustrie, in der sich zwischen 1997 und 2015 der durchschnittliche Produktionszyklus um rund ein Drittel reduziert hat. Gleichzeitig hat sich die Produkt- und Komponentenzahl mehr als verdoppelt.

Damit steigt die Anzahl von Wechseln in der Produktion von einem zum nächsten Produkt. Die Nebenzeiten, die zum Rüsten und Einstellen neuer Prozesse sowie die Fehlerbehebung zur Sicherstellung der benötigten Produktqualität anfallen, entscheiden somit zunehmend über die Wirtschaftlichkeit einer Fertigungstechnologie. Gerade beim Walzprofilieren kann aufgrund der vielen Einstellmöglichkeiten je nach Anwendungsszenario die produktive Anlagennutzungszeit auf unter 50 Prozent abfallen.

In der Umformtechnik und insbesondere beim Walzprofilieren erfolgt die finale Justage des Werkzeugaufbaus bis heute weitestgehend manuell. Die Grundlage für ihre zielgerichteten Prozessoptimierungen bildet dabei die Erfahrung, die die Mitarbeiter nach und nach ansammeln. Bedingt durch den demographischen Wandel besteht jedoch die Tendenz, gerade diese erfahrenen Mitarbeiter in den Ruhestand zu verlieren, ohne ausreichend Nachwuchskräfte zu haben.

In Deutschland wird beispielsweise erwartet, dass der Anteil jüngerer Beschäftigter bis zum Jahr 2030 um rund 20 Prozent im Vergleich zu 2000 zurückgeht, obwohl die Bevölkerungszahl in Deutschland bis dahin nahezu auf dem Niveau von 2000 bleibt. Es entsteht somit ein Zielkonflikt zwischen der Notwendigkeit zu häufigeren Produktionswechseln einerseits und der abnehmenden Verfügbarkeit von Personal, das diese Tätigkeiten umsetzen kann.

Einen Ansatz zur Lösung dieser Herausforderungen bietet die Unterstützung durch intelligente Automatisierung mit autonomen Elementen. Intelligente Systeme können dazu beitragen, auch unerfahrenen Beschäftigten einen Grundstock an Wissen zur Verfügung zu stellen.

Zur systematischen Einführung digitaler Produktionssysteme hat die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) ein fünfstufiges Modell vorgestellt, wie heutige, mechanisch dominierte Fertigungsprozessen zu digitalen, (teil-)autonomen Fertigungssystemen weiterentwickelt werden können.

Der erste Schritt auf dem Weg zum digitalen Fertigungssystem besteht in der sensorischen Ausstattung des Profilierprozesses. Die zweite Stufe beschreibt die Einführung von Assistenzsystemen, die basierend auf den Messwerten aus Stufe 1 das Bedienpersonal bei der Gewährleistung stabiler Prozessbedingungen unterstützen können. Die dritte Stufe des Entwicklungsmodells beschäftigt sich mit der Vernetzung unterschiedlicher Informationsquellen.

Basierend auf den Stufen 1 bis 3 werden in der vierten Stufe automatisierte oder teilautonome Fertigungsprozesse etabliert. Kennzeichen dieser Prozesse ist, dass sie sich unabhängig von Anlagenbedienern auf neue Randbedingungen einstellen können und die Fehlerbehebung und Prozessoptimierung weitestgehend selbstständig durchführen. Die Einführung solcher Systeme legt die Basis für neue, dezentrale Dienstleistungskonzepte.

Neben Angeboten zur Fernwartung und vorbeugenden Instandhaltung wären hierbei sogar neue Geschäftsmodelle denkbar. Beispielsweise könnten Anlagenhersteller die Verfügbarkeit von Anlagen vermarkten. Ähnliche Konzepte sind in der Luftfahrt unter dem Begriff "Power by the Hour" für die Bereitstellung von Triebwerken etabliert. In der klassischen Fertigungsindustrie sind derartige Systeme bislang jedoch nicht verbreitet.

Die Voraussetzung für die Einführung digitaler Systeme bildet nach diesem Modell die erfolgreiche Ausstattung von Prozessen mit Sensorik. Dabei ist die Integration herkömmlicher Sensorik zur Bestimmung von Kräften oder Momenten typischerweise mit größeren Eingriffen in die Struktur der Anlage verbunden. Zur industriellen Umsetzung von Assistenzsystemen bedarf es somit einfacherer Möglichkeiten, Sensorik in Umformprozesse zu integrieren.

Am PtU werden aus diesem Grund intelligente Maschinenelemente entwickelt, die durch den alleinigen Tausch eines standardisierten Maschinenelements digitale Schnittstellen erschaffen können. Dadurch werden Kraft- und Drehmomentsensoren sehr nah am Ort der Umformung platziert. Dies hat den Vorteil einer einfachen Sensorintegration ohne großen Aufwand in Bezug auf Montage. Andererseits können wertvolle Prozessinformationen ortsaufgelöst erfasst werden, die anderweitig nicht zugänglich sind.

Die ortsaufgelöste Messung innerhalb einzelner Profilierstufen ermöglicht einen direkteren Einblick in die einzelnen Umformstufen des komplexen Umformprozesses. Im Vergleich zu bestehenden Messsysteme der Qualitätssicherung ist so ein höherer Informationsgehalt zugänglich. Beispielsweise können optische Geometrievermessungssysteme am Ende der Proflierstraße zwar Auskunft über entstandene Fehler geben, jedoch nicht bei der Lokalisierung oder Optimierung behilflich sein.

Um die Sensorkonzepte zu validieren, wurde im Rahmen dieser Untersuchungen eine Walzprofilieranlage mit mehreren sensorischen Maschinenelementen aufgerüstet. Durch gezielte Parameteränderung im Proflierprozess wurden unterschiedliche Prozesszustände erzeugt und in ihrer Auswirkung auf die erfassten Messsignale untersucht. Im Folgenden werden zuerst die einzelnen sensorischen Maschinenelemente in ihrer Funktionsweise und dem Einbauort innerhalb des Profiliergerüstes vorgestellt.

2. Beispielprozess und berücksichtigte Sensorik

Die Versuche im Rahmen dieser Untersuchung erfolgen auf einer Anlage Typ P 450/4 von Voest Alpine mit einem Gerüstabstand von 525 Millimetern. Es wird die Herstellung eines U-Profils (Stegbreite 80 Millimeter, Blechdicke 2,0 Millimeter, Biegeradien 3,0 Millimeter) innerhalb von sechs Umformstufen betrachtet. In den Versuchen werden Blechplatinen mit einer Länge von 1,5 Metern und einer Breite von 175 Millimetern verarbeitet.

 

Zur Erfassung von Prozessgrößen werden drei Maschinenelemente eingesetzt: Sensorische Schrauben, sensorische Gelenkwellen sowie sensorische Passfedern. Im Rahmen der Untersuchungen wurden diese in der zweiten Umformstufe verbaut und erprobt. Um die Eignung der verschiedenen Sensoren für die Überwachung des Prozess- und Anlagenzustands zu beurteilen, wurde sowohl die Spaltgeometrie verändert als auch die Auswirkungen einer veränderten Rollengeschwindigkeit untersucht.

2.1.    Sensorische Schrauben

Die sensorischen Schrauben wurden am PtU entwickelt und sind inzwischen unter dem Namen Piezobolt kommerziell verfügbar. Die sensorischen Schrauben weisen nach außen die identischen Abmaße auf wie gewöhnliche Schrauben und können somit in jede Schraubverbindung eingesetzt werden. Im Schaft der Schraube befindet sich jedoch ein mittels Rundkneten form- und kraftschlüssig gefügtes Piezoelement. Dieser Sensorkörper misst die infolge einer veränderlichen Schraubenzusatzkraft wirkende Dehnung.

Im Rahmen der Untersuchungen werden die Sensorschrauben genutzt, um die an der Oberwelle auftretenden Kontaktnormalkräfte zu erfassen. Zu diesem Zweck werden die Verschraubungen, die den Lagerblock der Oberwelle mit der Verstellspindel verbinden, durch sensorische Schrauben ersetzt. Bedingt durch das Messprinzip kann durch diese Messung der Absolutwert der wirkenden Reaktionskraft nicht erfasst werden, da die Schrauben lediglich den durch die Schraube verlaufenden Anteil des Kraftflusses detektieren.

2.2.    Sensorische Gelenkwellen

Zudem hat das PtU eine sensorische Kardan-Gelenkwelle entwickelt. Basierend auf einem sensorintegrierten Rohling wurde ein Rohrabschnitt zugeschnitten und mit den restlichen Komponenten der Baugruppe verschweißt. Im letzten Schritt der Herstellungskette wurde die Gelenkwelle montiert und lackiert. In dem sensorischen Rohrabschnitt befindet sich ein durch Zug-Druck-Umformung eingefügter Sensorkörper auf DMS-Basis sowie die entsprechende Elektronik zur Messverstärkung und drahtlosen Datenübertragung.

Es kann sowohl das Drehmoment als auch die Axialkraft gemessen werden, wobei hier nur das Drehmoment betrachtet wird. Im Anschluss an die Herstellung der Gelenkwelle wurde diese auf einer Torsionskalibrieranlage kalibriert und ist daher in der Lage, den Absolutwert des im Antriebsstrang wirkenden Drehmoments zu erfassen. Da sowohl Sensorik als auch Elektronik geschützt innerhalb des Rohrabschnitts liegen, wird eine maximale Robustheit erreicht.

Einzige Schnittstelle stellt ein kleiner Durchgang für die Antenne dar, die sich innerhalb des Gabelbereichs befindet. Verbaut wurde die Welle im Antrieb der Unterwelle der zweiten Stufe. Der Austausch der bisher verbauten Welle konnte aufgrund des gleichen Flanschbilds und dem vorhandenen Längenausgleich der Kardanwelle problemlos ausgeführt werden.

2.3.    Sensorische Passfedern

Die sensorische Gelenkwelle ist in der Lage, die Antriebsmomente einzelner Wellen zu erfassen. Bedingt durch die Position zwischen Motor und Welle ist es jedoch nicht möglich, die wirkenden Antriebsmomente lokal weiter aufzulösen und das an einzelnen Rollenabschnitten wirkende Antriebsmoment zu erfassen. Aus diesem Grund hat das PtU ein sensorisches Passfederelement entwickelt, um auch die an einzelnen Rollenabschnitten vorliegenden Antriebsmomente erfassen zu können.

Die Grundidee der sensorischen Passfeder besteht darin, eine normgerechte Passfeder strukturell so zu verändern, dass mittels Dehnungsmesstreifen ein dem übertragenen Antriebsmoment proportionales Signal entsteht. Versuche zeigten, dass insbesondere die gewählte „N-Form“ dazu prädestiniert ist, dieses Ziel zu erreichen. Je nach Drehsinn des übertragenen Antriebsmoments liegen im Stegbereich der N-Geometrie positive oder negative Dehnungen vor, die durch dort applizierte Dehnungsmesstreifen erfasst werden können.

Eine Unterscheidung des Drehsinns des übertragenen Moments ist somit möglich. Die Sensitivität der Passfeder kann durch die Wahl der Einbaurichtung gesteuert werden, da trotz gleicher Belastung im Biegebelastungsfall der Absolutwert der auftretenden Dehnung größer ist als im Belastungsfall Druckstab. Die Signalübertragung von der rotierenden Welle zu einem stationären Messrechner erfolgt mittels eines drahtlosen Messverstärkers auf Bluetooth-Basis.

3. Ergebnisse der Versuche

Auswirkungen veränderter Prozessbedingungen auf die Signale der Messschraube und der Gelenkwelle: Ein reduzierter Profilierspalt führt zu einer deutlichen Abweichung der gemessenen Schraubenzusatzkraft vom Referenzfall. Bedingt durch die vorliegende Einbausituation reduziert die in Folge des reduzierten Profilierspalts höhere Prozesskraft die wirkende Schraubenzusatzkraft stärker als im Referenzfall.

Diese Beobachtung stützt Erkenntnisse, wonach die auftretenden, vertikalen Reaktionskräfte sensitiv auf einen veränderten Profilierspalt reagieren. Ebenso steigt durch die höhere Profilierkraft in der Umformstufe die benötigte Antriebsleistung, was sich auch in einem leichten Anstieg des mittels der Gelenkwelle gemessenen Drehmoments zeigt.

 

In weiteren Versuchen wurde die Drehgeschwindigkeit einzelner oder mehrerer Wellen verändert, um die Schlupfbedingungen zu optimieren. Die Signale der Messschrauben geben in dieser Einbausituation jedoch keinen Hinweis auf die veränderten Prozessbedingungen. Die Ursache für diese Beobachtung ist, dass die vertikalen Reaktionskräfte der Oberwelle vergleichsweise unempfindlich auf die Schlupfbedingungen reagieren. Im Gegensatz dazu spiegeln sich die veränderten Schlupfbedingungen in den Antriebsmomenten und in der Energieeffizienz des Prozesses wider.

Eine Ursache für die hohe Sensitivität der Antriebsmomente gegenüber veränderten Drehgeschwindigkeiten wird häufig in der Veränderung der Schlupfbedingungen durch diese Anpassung gesehen. Aktuelle Studien zeigen, dass die Höhe der Antriebsmomente und somit der Energiebedarf eines Profilierprozesses durch eine Anpassung der Drehgeschwindigkeiten reduziert werden kann. Je nach Wahl des treibenden Durchmessers variiert die Verteilung der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeugrolle und Blech, der sogenannte Schlupf.

Als treibender Durchmesser wird dabei derjenige Werkzeugabschnitt bezeichnet, an dem die lokale Umfangsgeschwindigkeit der Werkzeuge gleich der Blechvorschubgeschwindigkeit ist. In diesem Bereich tritt somit keine Relativbewegung auf. Je nach Wahl des treibenden Durchmessers können Bereiche unterschieden werden, in denen der Schlupf positiv (Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs größer als die Blechgeschwindigkeit) oder negativ (Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs kleiner als die Blechgeschwindigkeit) ist.

Bereiche mit positivem Schlupf treiben das Blech an, während Bereiche mit negativem Schlupf das Blech abbremsen. Sofern die treibenden Durchmesser aller Wellen aufeinander abgestimmt und optimiert werden, können antreibende und bremsende Bereiche der Kontaktzone zwischen Blech und Werkzeug ausgeglichen werden, was zu einem energetisch günstigeren Prozess führt.

Die Messungen mit den sensorischen Passfedern bestätigen das zugrundeliegende Erklärungsmodell. Es zeigt sich, dass nach der Optimierung die zylindrischen Rollenabschnitten negative (bremsende) Momente übertragen. Gleichzeitig nimmt dadurch das nach außen wirkende Antriebsmoment deutlich ab. Das zeigt sich ebenfalls anhand der Vergleichsmessungen in der sensorischen Gelenkwelle. Die sensorischen Passfedern können einen Beitrag zum verbesserten Prozessverständnis liefern, indem sie die Lage des treibenden Durchmessers eingrenzen.

4. Zusammenfassung und Ausblick

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einerseits, wie sensorische Maschinenelemente dazu genutzt werden können, herkömmliche, mechanische Prozesse sensorisch zu erfassen und dadurch die Grundlagen für einen digitalen Mehrwert zu schaffen. Das Institut PtU hat inzwischen einen „Werkzeugkasten“ sensorischer Maschinenelemente, der es erlaubt, spezifisch auf die Anforderungen einer Messaufgabe zu reagieren.

Die sensorische Ausstattung von Fertigungsprozessen schafft die Grundlage, intelligente Fertigungssysteme und Bedienerassistenzsysteme zu ermöglichen. Die Sensordaten können beispielsweise dazu genutzt werden, Prozesse effizienter zu gestallten. Assistenzsysteme erkennen Fehlstellungen und ungünstige Anlageneinstellungen und geben Optimierungsvorschläge. Die im Prozess gemessenen Prozessdaten können mit weiteren Prozessgrößen in Big-Data-Analyse-Tools verarbeitet werden und legen so die Grundlage für vernetzte Fertigungssysteme.

Gleichzeitig deuten die Messungen jedoch an, dass zur zielführenden Nutzung von Sensordaten aus industriellen Prozessen weitere Fragen zu beantworten sind, etwa:

•    Sind die gefundenen Korrelationen zwischen ungünstigen Prozesseinstellungen und erfassten Messwerten eindeutig und verallgemeinerbar?

•    Welche anlagen- oder unternehmensspezifischen Aspekte müssen bei der Signalauswertung berücksichtigt werden?

•    Wie kann mit widersprüchlichen Aussagen verschiedener Sensorsignale umgegangen werden?

Aktuelle Forschungsarbeiten am PtU betrachten unter anderem Möglichkeiten, wie diese Entwicklung gestaltet werden kann. Erste Ergebnisse aus dieser Arbeit werden auf dem 13. Umformtechnischen Kolloquium Darmstadt im September 2018 vorgestellt.