Ziel der Entwicklung
Die steigenden Anforderungen an Baugruppen, innovative Werkstoffe und technologische Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und im Maschinenbau verlangten von Werkzeugherstellern kontinuierliche Innovationen. Um im internationalen Wettbewerb zu bestehen, müssen diese Innovationen den Trends der Fertigungstechnik wie Ressourceneffizienz, Prozesssicherheit und Produktivitätssteigerung entsprechen. Im metallverarbeitenden Gewerbe liegt der Fokus besonders auf Prozesssicherheit und Produktivitätssteigerung durch Zeit- und Kostenersparnis. Die Werkzeugqualität spielt hierbei eine entscheidende Rolle, insbesondere in den Zerspanungstechnologien, wo innovative Produkte eine immer effektivere und prozesssichere Fertigung ermöglichen.
Werkzeuganwender fordern zur Reduzierung der Rüstzeiten und zur Erhöhung der Werkzeugstandzeiten sowie der Produktivität eine konstante Verbesserung der Werkzeuge. Dies treibt die Werkzeughersteller dazu, den Verschleiß von Zerspanungswerkzeugen zu minimieren und deren Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu steigern. Neben maschinenseitigen Überwachungsmöglichkeiten ist der spezifische Verschleißzustand von Zerspanungswerkzeugen meist nur mit teuren, optischen Messsystemen zu erfassen. Diese Systeme sind oft anfällig für raue Produktionsbedingungen und benötigten einen abgetrennten Bereich.
Es bestand somit ein klarer Bedarf für ein kosteneffizientes, störgrößenunempfindliches Messsystem, das den Verschleiß an Hartmetallzerspanungswerkzeugen im Produktionsumfeld überwachen kann. Dies ist besonders relevant, da der Anteil an Hartmetallwerkzeugen in der Zerspanung bei über 80 Prozent liegt und auch in anderen Bereichen wie der Holzverarbeitung und im Bergbau Anwendung findet. Ein solches Messsystem stellt auch höhere Anforderungen an die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere bei einer Integration in Bearbeitungszentren.
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zur Detektion und Messung von Verschleiß an Hartmetallzerspanungswerkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide. Dazu wurde ein modulares Messsystem entwickelt, das auf einem Prüfstand appliziert und kostengünstige, robuste magnetoresistive (MR) Sensorik verwendet, um den Zustand der Hartmetallschneiden zu ermitteln. Die Entwicklung dieses Sensormoduls erfolgte iterativ: zunächst wurden die Sensoranbindung und Kommunikation programmiert, verschiedene MR-Sensoren im Prüfstand eingebaut, getestet und untersucht. Anschließend flossen die Ergebnisse in die Optimierung und Miniaturisierung des Sensormoduls ein, wobei besonders die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Kosten optimiert wurden.
Der Prüfstand wurde für verschiedene Werkzeuggrößen entwickelt, um die Verschleißmessung sowohl an Vollhartmetallwerkzeugen als auch an Werkzeugsystemen mit Hartmetallwendeschneidplatten zu ermöglichen. Entsprechende Algorithmen zur Auswertung der Sensordaten wurden realisiert und deren Abhängigkeiten von verschiedenen Einflussfaktoren untersucht. Die Werkzeug- und Verschleißdaten wurden in einer Datenbank abgelegt, und eine Oberfläche zur Datenauswertung wurde entwickelt.
Das Ziel war, mit dem Sensormodul auf Basis von MR-Sensorik eine kostengünstigere und robustere Lösung zur Verschleißmessung im Vergleich zu optischen Systemen zu schaffen, die sich auch in Bearbeitungszentren integrieren lässt. Es wurden Sensitivität, Genauigkeit und Geschwindigkeit der optischen Konkurrenzprodukte angestrebt. Am Ende des Projekts sollte ein Prüfstand mit einem Sensormodul zur Verfügung stehen, mit dem unterschiedliche Verschleißmerkmale an Hartmetallwerkzeugen verschiedener Größe gemessen werden können.
Vorteile und Lösungen
Beim Entwurf und der Konstruktion des Prüfsystems wurde besonderes Augenmerk auf die Modularität und Wiederverwendbarkeit der Komponenten gelegt. Dies ermöglichte nicht nur eine einfache Montage und Inbetriebnahme, sondern auch die zukünftige Anpassbarkeit und Erweiterung des Systems für weitere Anwendungen.
Neben dem Prüfstand wurde ein Sensormodul auf Basis einer GMR-Sensorik entwickelt. Die Verwendung modularer Leiterplatten und Adapter ermöglichte eine effiziente Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Prüfstands. Weiterhin erleichtert dies auch die Anpassung und Erweiterung des Prüfstands für weitere Anwendungen. Die Entwicklung der Firmware für das Sensormodul und die Implementierung eines eigenen Kommunikationsprotokolls waren wichtige Schritte, um die Kommunikation mit der übergeordneten Elektronik zu ermöglichen.
Die Steuerungssoftware wurde plattformunabhängig mit Python und Qt5 entwickelt, wobei eine modulare Architektur für die Kommunikation mit dem GMR-Sensormodul, der Motorsteuerung und der Datenbank verwendet wurde. Diese modulare Struktur der Software ist ebenfalls Basis für eine schnelle Wiederverwertbarkeit der Komponenten und Erweiterbarkeit des Prüfstands.
Für die Datenerfassung und Auswertung wurde eine Datenbankstruktur entwickelt, die es ermöglichte, die Messdaten effizient zu speichern und zu analysieren. Die Oberfläche zur Auswertung der Daten wurde ebenfalls mit Python und Qt5 gestaltet und bietet verschiedene Funktionen zur schnellen und komfortablen Navigation durch die gespeicherten Messungen.
Schließlich wurden umfangreiche Tests durchgeführt, um die Leistung der Sensoren zu validieren und die Auswertealgorithmen zur Verschleißmessung zu entwickeln. Diese Tests zeigten, dass das Prüfsystem in der Lage war, Werkzeugverschleiß zu erkennen und qualitative Aussagen über den Zustand der Werkzeugschneiden zu treffen.
Durch diese systematische Entwicklung konnte ein Prüfsystem geschaffen werden, das flexibel erweiterbar für zukünftige Anwendungen in der Werkzeugprüfung und -entwicklung ist.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit dem entwickelten Prüfstand ist eine sehr gute Basis für verschiedene Möglichkeiten der Vermarktung entstanden. So sind Produktverkäufe, Dienstleistungen oder weiterführende FuE-Aufträge im Bereich des Prüfstandsbaus und der Elektronikentwicklung denkbar. Durch die hohe Modularität des Systems sind individuelle Kundenwünsche, Anpassungen und Erweiterungen des Prüfstands schnell realisierbar.
Beispielsweise gab es bereits eine Anfrage eines Werkzeugherstellers für eine Erweiterung des Prüfstands, um damit eine Kalibrierung seiner Werkzeuge vornehmen zu können.
Die GFE wird Messungen oder Kalibrierungen von Werkzeugen als Dienstleistung anbieten. Weiterhin ist auch der Verkauf von Prüfständen denkbar.
Weiterhin kann der Prüfstand als Plattform für Makrolösungen von Sensorkonzepten in Werkzeugsystemen dienen, auf deren Basis Elektronikentwicklungen in Form eingebetteter Systeme für Werkzeuge angeboten werden können. Für den Einsatz in kompakten Werkzeugsystemen sind z.B. Lösungen auf Basis von sehr kleinen AMR-Sensoren zur Wegmessung prädestiniert. Dafür wurde mit diesem Forschungsvorhaben eine Basis für FuE-Auftrage und Industrieaufträge gelegt.
Die entwickelte Lösung zur Verschleißerkennung kann eingeschränkt genutzt werden, da es sich um eine Verschleißdetektion und nicht um eine exakte Verschleißmessung handelt. Deshalb erscheint eine wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse der Verschleißmessung für Werkzeughersteller und -anwender mit aktuellen Stand nicht zielführend und sinnvoll.
Allerdings ist eine Verwertung der Ergebnisse als Grundlage für weitere Forschungsprojekte sinnvoll, die z.B. eine Entwicklung eines Permanentmagnet-integrierten GMR-Sensormoduls mit wesentlich kleinerem Pitch zum Inhalt haben könnte. Damit und mit den Ergebnissen des Projektes sollte eine exakte Bestimmung des Verschleißzustandes möglich sein .
