Werkzeugtagung der neuen Fertigungstechnologien

KI, Nachhaltigkeit, Additive Fertigung, Lasertechnik, bürokratische Hürden. Die Werkzeugtechnik und Fertigungstechnologien sind im Wandel – und waren die spannenden Themen der 15. Schmalkalder Werkzeugtagung. Veranstalter Dr.-Ing. Florian Welzel von der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung, kurz GFE Schmalkalden, machte den Anfang und berichtete über die Potenziale der additiv gefertigten Präzisionswerkzeuge durch Leichtbau und Funktionsintegration. In seinem Fazit betonte Florian Welzel, dass neu gewonnene konstruktive Freiheitsgrade durch additive Technologien die Basis für die Entwicklung neuartiger Werkzeugsysteme bilden würden. Im Fokus würden dabei multifunktionale Werkzeugsysteme, Nachhaltigkeit, Prozesskettengestaltung, Funktionsintegration und die Erschließung neuer Technologiebereiche stehen.

Wie ‘Innovation durch additive Technologien in der Werkzeugbranche’ aussieht, fasste Dr.-Ing. Tilo Krieg vom Werkzeughersteller Kennametal Shared Services in Fürth mit konkreten Anwendungen zusammen. Demnach würden additive Technologien bei Kennametal bereits seit Jahren nicht nur in F&E eingesetzt, sondern auch für die Herstellung verschiedener Werkzeugkonzepte eingesetzt: Ein Beipspiel für die Near-Net-Shape-Technologie seien die KenTip-FS-Wechselkopf-Bohrer mit einschraubbaren Vollhartmetalleinsätzen, deren Einsatz die Herstellkosten deutlich gesenkt und die Produktleistung massiv gesteigert hätten. Ebenfalls demonstrierte Tilo Krieg, welche Effekte ein völlig neues Konzept von additiven Bohrern für E-Motorengehäuse bringen, die mit rund 350 mm Durchmesser und nur rund 12 kg Werkzeuggewicht Zerspanungsgeschwindigkeiten von 1.000 m/min und bis zu 14 Nm erlauben. Gerade damit stellt die additive Fertigung nach Erfahrung von Tilo Krieg ein zusätzliches Wertschöpfungsinstrument dar, um kreativ-innovativ auf die sich schnell verändernden Herausforderungen im Markt zu reagieren.

Welche Auswirkungen mittlerweile KI auf die Zerspanung hat, erklärte unterdessen Horn-Entwicklungsleiter Dr.-Ing. Matthias Luik. Demnach sei KI ein Teil des Maschinellen Lernens. Dabei geht es aber nicht darum, den Menschen nachzuahmen, weil der Mensch ja Fehler macht. Ziel seien beim Einsatz von KI konkrete Handlungsempfehlungen basierend auf Logiken, welche auf Basis von Trainingsdaten erstellt werden. Die Paul Horn GmbH arbeitet derzeit an den zwei Projekten MetaLearn und TransKI mit, die vom BMBF gefördert werden. MetaLearn nutzt Künstliche Intelligenz, erklärt Matthias Luik, um die Abhängigkeiten auf Basis der verfügbaren geometrischen Daten zu erkennen und Verbesserungen in der Parameterkombination abzuleiten. Dabei seien auch die Erfahrungen der Mitarbeiter vorgesehen. Weitere Parameter wie Bauteilmaße, Hartmetallsorte, Maschineneinstellungen, Raum- und Werkstücktemperatur werden berücksichtigt. Wesentlicher Bestandteil des Projektes ist die dafür notwendige Bereitstellung der maschinellen Infrastruktur.

Ziel des TransKI-Projekts sei demgegenüber die Erschließung des Transfer Learings zur Bereitstellung von ML-Modellen, die mit geringem Aufwand auf neue Anwendungsfelder transferierbar sind. Hierbei würde nach Angaben von Matthias Luik auch die Ausnutzung der Standzeit im Vordergrund stehen. Daneben sei die Schaffung von transferierbaren Modellen, wie Maschine A zu B oder Werkzeug A zu B ohne aufwendige Erstellung von Trainingsdaten ein wesentliches Ziel. Als Hilfestellung dient eine neue, auf KI basierende grafische Unterstützung für den Maschinenbediener. Der Einsatz der Systeme in der Produktion bei Horn soll die Machbarkeit darstellen, erklärt Matthias Luik. Die Erfassung der Informationen erfolgt primär über Spindelstrom, aber wenn nötig auch über Messsensoren. Die Verarbeitung macht KI. Im Vorfeld wurden Basisdaten für ML-Trainingsmodelle generiert. Ein Vorteil, so Matthias Luik, sei auch die Verarbeitung von Anomalien, wie sie gegen Standzeitende der Werkzeuge durch Verschleiß oder Aufbauschneide auftreten.

Was bis dato möglich sei mit dem Einsatz von KI in der Produktion, erklärte Dr.-Ing. Max Schwenzer von der Voith Group in Garching bei München. Die Basis sei Grundlagen, Grundlagen, Grundlagen – und nix da Plug & Play. Denn die meist vernachlässigte, aber notwendige Bedingung für KI ist nach Angaben von Max Schwenzer die Datenerfassung. Zudem würde die hands-on-Erfahrung benötigt. Anwendungen müssten identifiziert, Angebote eingeschätzt, Vertrauen aufgebaut und Mitarbeiter inspiriert werden. Max Schwenzer empfiehlt, mit der Bilderkennung zu beginnen – mit einfacher Datenerfassung, verständlichem Labeling und bewährten Algorithmen – um Erfahrungen zu sammeln.

Dass der Laser mit weiterentwickelter, verfeinerter Technologie neue Einsatzbereiche eröffnet, schilderte Prof. Dr.-Ing. Konrad Wegener von der ETH Zürich, der mit ordentlichem technologischem Tiefgang den Laser und neue Werkstoffe mit neuen Produktionstechnologien für die Werkzeuge der Zukunft erklärte. Demnach birgt die Ultrakurzpuls-Lasertechnik interessante Fertigungspotenziale – auch für die Herstellung von Werkzeugen. Durch die kleinen Abmessungen des Laserspots könnten hochflexibel Geometrien gefertigt werden, die mit mechanischen Bearbeitungstechnologien nicht machbar sind, betonte Konrad Wegener. Hinzu kommt, dass der Laser kraftfrei arbeitet, was speziell bei langen Mikrowerkzeugen vorteilhaft ist. Schließlich würde bei UKP-Lasern die Ablation fast ohne Beeinflussung des verbleibenden Materials erfolgen, indem das Material direkt aus dem festen Zustand in die Plasma-Phase übergeht. Auf diese Weise, so Konrad Wegener, lassen sich alle Materialien bearbeiten – ungeachtet von deren Härte – also auch Diamant und binderloser nanokristalliner Diamant. Allerdings entscheidet die Bearbeitungsstrategie über Qualität und Kosten. Mit radialer Einstrahlung werden höhere Abtragsraten, aber schlechtere Oberflächen erreicht. Mit sehr flacher Einstrahlung, der quasitangentialen Bearbeitung wird die Ablationsschwelle des Laserstrahls ausgenutzt, was nach Angaben von Konrad Wegener zur Schärfung von Schneidkanten und Glättung von Span- und Freifläche eingesetzt werden kann. Geometrische Restriktionen seien dann aber offenkundig und zu beachten.

Viele Unternehmen überdenken derzeit ihre Prozesse und Produkte in punkto Nachhaltigkeit. Viele neue Technologien stehen bereits zur Verfügung. Weit voraus die Additive Fertigung als ein möglicher großer Wegbereiter für neue Produktkonzepte und hohe Einsparungen von Ressourcen, was Dr. Stefan Hövel, Abteilungsleiter bei der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main, mit einigen konkreten Projekten demonstrierte: wie etwa einem additiven Öldiffusor, der den Umfang der MyCro-Aggregate um Faktor 2 bis 4 reduziert und den Arbeitsanteil für Zerspaner gegenüber der konventionellen Fertigung sehr klein macht. Dass Additiv auch Sicherheit kann, belegte Stefan Hövel mit einer Offshore-Anwendung, bei der ein Ventilblock im 'Christmas Tree', dem Eruptionskreuz auf einer Erdölbohrung die Funktionalität in über 3.000 m Tiefe über 30 Jahre gewährleisten muss. Die Anforderungen seien demnach nicht wie bei anderen Beispielen reduziert, sondern erhöht worden, betont Stefan Hövel. Denn bei dem Ventilblock benötigt man höchste Präzision – und das bei wenigen produzierten Teilen. Das sei das Feld der KI und der adaptiven Prozesse. Ein Spannkonzept ohne gute Spannflächen. Ein weiteres Beispiel für Stefan Hövel für den Dreikampf Maschine, Werkzeug, Vorrichtung. Entfernung von Pulveranhaftungen an schwer zugänglichen Flächen ist zu realisieren. Hier würde man sehr schnell sehen, dass die zerspanende Fertigung eine entscheidende Rolle spielt und sich auf neue Randbedingungen vorbereiten muss, betont Stefan Hövel.

Dass sich indes Nachhaltigkeit, Hochleistungsfräsen und hohe Zerspanungsraten über 90 % nicht ausschließen, erklärte R&T-Leiter Dr.-Ing. Matthias Lange von Premium Aerotec. Demnach würden im Werk Varel jährlich rund 14.800 t Aluminium und 420 t Titan verarbeitet. 21.000 Komplettwerkzeuge seien im Einsatz, um letztlich rund 5 Mio. Bauteile pro Jahr mit bis zu 7,5 m Länge zu fertigen. Wichtig, so Matthias Lange, sind dabei natürlich auch die Energieverbräuche für jährlich rund 13.500 t Späne und 4 t Hartmetall, die sich auf etwa 230 GWh summieren würden, was der Stromproduktion von 15 Windkraftanlagen entspricht. Weil die hauseigene Solaranlage nur rund 0,009 GWh/a produziert, setzt Matthias Lange speziell für Aluminium-Kleinteile auf neue, noch effizientere Werkzeugmaschinen-Konzepte mit Hochleistungsspindeln und hochdynamischen Achsen. Damit könnten mit bis zu 90 kW Spindelleistung und 30.000 min^-1 rund 30 % Laufzeit pro Bauteil eingespart werden, was den ROI auf unter zwei Jahre begrenzt. Weitere, neue Ansätze für Nachhaltigkeit realisiert Premium Aerotec mit der technologischen NC-Simulation durch Vorschuboptimierung, Prozessüberwachung, Werkzeugverschleißmodellen und Modellierung des KSS-Bedarfs. Im Detail würden dabei bereits in der Serie bis zu 20%ige Produktivitätssteigerungen und verbesserte Bauteilqualität erreicht werden. Im Projekt-Status sind derzeit die Werkzeugverschleißmodelle, durch die Hartmetall und der Energiebedarf beim Schleifen reduziert werden soll; sowie die Modellierung des KSS-Bedarfs, durch die der KSS-Einsatz um rund 20 % gesenkt werden soll.

Ebenfalls den KSS anvisiert hatte auch R&D-Leiter Dr.-Ing. Dirk Sellmer vom Werkzeughersteller Mapal in Aalen in seinem Vortrag: Von der Werkzeugherstellung bis zum Einsatz unter KSS – Bewertung energetischer Potenziale. Nach Erfahrung von Dirk Sellmer lässt sich das System um die Zerspanung nicht nur in punkto Anzahl der Bauteile und Qualität optimieren, sondern auch in Richtung Energie- und Rohstoffverbrauch. Insbesondere sind der Werkstoff, das zerspante Volumen, die Größe der gefertigten Oberfläche und die Qualitätsanforderungen an das Bauteil ausschlaggebend für die Gestaltung des Bearbeitungsaufwands. Die benötigte Trennarbeit an den Schneiden ist gemessen an der Gesamtenergie, die für die Bauteilbearbeitung nötig ist, gering. Bei einem Schruppprozess liegt der Anteil bei 10 %. Mit dem richtigen Werkzeug und dem richtigen Prozess kann der Energieverbrauch je nach Anwendung aber um mehr als 50 % gesenkt werden – ohne dass Maschinenkomponenten geändert, Nettozerspanungsvolumen oder Qualitätsansprüche gesenkt werden müssen, betont Dirk Sellmer. Ansatzpunkte seien die Near-Netshape-Technologie und angepasste KSS-Systeme. Denn schon die verwendeten KSS-Mengen und Drücke würden häufig vernachlässigt oder aus Vorsicht auf maximale Werte eingestellt. Pumpen laufen dann auf Volllast, während die Werkzeuge ihre Leistung auch mit viel geringeren Drücken und KSS-Volumen voll entfalten können, erklärt Dirk Sellmer. Helfen könnten schon kleine Änderungen an den Werkzeugen, die KSS-Ströme erheblich vergrößern. Fast immer reichen Drücke von nur 10 bar aus. Nur Tiefbohrprozesse würden größere KSS-Drücke benötigen. Tatsächlich sei die Reduzierung des Drucks ein dominanter Schlüsselfaktor zur Energieeinsparung im Zerspanungsprozess, der auch positive Effekte in der Belastung des KSS sowie zur Abkühlung und Beruhigung der Emulsion hervorbringt, erklärt Dirk Selmer.

Die Rahmenbedingungen der ‘zerspanenden Zukunft’ deckte indes Stefan Zecha ab. Der Vorsitzende des VDMA-Fachverbandes Präzisionswerkzeuge stellte in seiner Botschaft in Richtung Berlin deutlich heraus: Die Investitionsbedingungen müssen dringend und schnell besser werden. Richtige Rahmenbedingungen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit sind das Ziel. Dafür, so Stefan Zecha, müsste eine gute Politik zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland breitenwirksam angelegt sein.

Mehr Informationen über die Referenten und Kurzvorträge von Gühring, DMG Mori, IWT Bremen,, Hochschule Furtwangen, Sandvik Tooling Deutschland, Pro-Micron, RWTH Aachen, MAS GmbH, Platit AG, Fraisa, Rollomatic, ISBE und TTB Engineering stellt die GFE Schmalkalden auf ihrer Website bereit.