Prototyp zur Temperaturüberwachung bei Metallschneidwerkzeugen entwickelt
Eine echte Herausforderung bei den in der Fertigung eingesetzten Metallschneidwerkzeugen ist die von ihnen erzeugte Wärme. Die hohen Temperaturen wandern durch den gesamten Werkzeugkörper und können die Schneidleistung mindern, wodurch die Qualität der bearbeiteten Oberflächen abnimmt. Aus diesem Grund ist die genaue Überwachung der Werkzeugtemperatur während der Bearbeitung von hoher Bedeutung. Auch wenn die Werkzeugtemperatur anhand der Farbe von Füllungen und Fertigungstechnik (Spänen) abgeschätzt werden kann, ist die genaue Überwachung der Temperaturverteilung problematisch. Direkt mit Sensoren zu messen, ist aufgrund der schwierigen Umgebung nahezu unmöglich, da hohe Drücke und Schneidflüssigkeiten den Sensor in Gefahr bringen. Die nun vom EU-finanzierten Projekt MoMenT entwickelte Lösung bietet ein kombiniertes Schneid- und Überwachungswerkzeug, das wohlüberdacht angeordnete Sensoren enthält. „Unsere Prototypen und Algorithmen gestatten eine genaue Messung der Temperatur in der Schneidezone auf der Grundlage der Sensormesswerte“, erklärt Rachid M’Saoubi, Experte für Forschung und Entwicklung bei Seco Tools, dem Projektträger, und Betreuer des Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiaten Wjatscheslaw Krischaniwskij.
Module überwachen Wärmeverteilung
Sind die Temperaturen und die thermophysikalischen Eigenschaften der Werkzeuge bekannt, können Wärmeflüsse bestimmt werden. Um das Problem zu umgehen, dass keine Messwerte in der eigentlichen Schneidzone ermittelt werden können, messen die Sensoren von MoMenT Temperaturen an mehreren Punkten unterhalb des Schneideinsatzes. Aus diesen Messwerten wurden dann Algorithmen extrapoliert, um die Temperatur für jeden beliebigen Punkt innerhalb des Werkzeugs zu berechnen. Ein Modul zum Wärmewiderstand sammelte mithilfe einer Light Flash-Apparatur (LFA) Informationen über den Wärmewiderstand der Werkzeugbaugruppen. Ein Modellierungsalgorithmus berechnet daraus die Schneidtemperatur. Ergänzt wird das Ganze durch ein Modul zur Temperaturverteilung, das die MoMenT-Schneidwerkzeug-Prototypen enthält, die mit Sensoren auf Basis von Thermoelementen und Thermistoren ausgestattet sind. Bei diesem Modul kommen zur Berechnung der Wärmeverteilung oder des Wärmeflusses gleichermaßen Modellierungsalgorithmen zum Einsatz. Zu guter Letzt quantifizierten die Module zur Beschichtungsuntersuchung und zur Untersuchung des Abkühlverhaltens die Wirkung von Beschichtungen auf die zum Werkzeug fließenden Wärmeströme und maßen den Wärmeaustauschkoeffizienten in Abhängigkeit von der gewählten Kühlstrategie. „Die Tests ergaben, dass unser System den Bereich der effektiven Bearbeitungsstrategien eingrenzen und somit die Industrie dabei unterstützen kann, die thermischen Auswirkungen verschiedener Werkzeugbeschichtungen, Werkstoffe und Kühlstrategien zu quantifizieren“, fügt Krischaniwskij hinzu.
Industrie 4.0 fest im Blick
Eine effizientere Technologie für maschinelles Schneiden hat höhere Produktivität in der Fertigung und bessere Produktqualität auf der Verbraucherseite zu bieten. Werkzeuge mit Wärmesensoren werden im Zusammenhang mit der Automatisierung traditioneller Fertigungs- und Industriepraktiken unter Einsatz moderner intelligenter Technologie oder in Hinsicht auf Industrie 4.0 von besonderem Interesse sein. „Ein überall verfügbares Werkzeug mit Wärmesensoren, das online die Temperatur in der Schneidzone überwachen kann, liegt noch in weiter Ferne. Vorerst verbessern und erproben wir unseren Prototyp weiter“, erläutert Krischaniwskij. Das Team hat bereits die drahtlose Signalübertragung in seine Temperatursensoren integriert. Der nächste Schritt ist die weitere Integration des Systems, so dass Entscheidungen über die Schnittbedingungen (Geschwindigkeit, Vorschub, Tiefe) auf Basis der Temperaturverteilung innerhalb des Werkzeugkörpers in Echtzeit getroffen werden könnten. Diese laufenden Arbeiten werden in Verbindung mit dem Projekt ToolSense, mit VINNOVA und der Eureka-Cluster-Finanzierung durchgeführt. Sie wurden zur Entwicklung, Maßstabsanpassung und Kommerzialisierung von Sensoren für die Online-Messung und Überwachung von Kräften, Schwingungen und Temperaturen bei Bearbeitungsprozessen eingerichtet.
Schlüsselbegriffe
MoMenT, Metallschneiden, Metallzerspanung, Wärmeverteilung, Bearbeitung, Fertigung, Temperaturen, Algorithmen, Beschichtung, Kühlung, Industrie 4.0, Wärmewiderstand, Sensoren