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Regeln statt Steuern

Februar 2018 — Oberflächenhämmern optimiert Werkzeugeigenschaften. In einem gemeinsamen Projekt haben Accurapuls und das Aachener Werkzeugmaschinenlabor Sensorik in das Verfahren eingebunden, um die Kraft und Beschleunigung des Hammerstößels zu erfassen und in Echtzeit auszuwerten. 

For our English speaking readers:
Regulation beats control
Surface forging improves tool properties. In a joint project, Accurapuls and the Aachen-based Machine Tool Laboratory (Werkzeugmaschinenlabor) has incorporated sensors in the process to collate data on the force and acceleration of the ram and to evaluate it in real time. 

Dengeln ist ein uraltes Verfahren. Es wird vor allem eingesetzt beim Herstellen und Schärfen von Sensen. Mit einem Hammer wird die Schneide an der Randzone bearbeitet. Dabei entsteht eine dünne und scharfe Klinge. Zugleich wird der Werkstoff verfestigt. Insofern ist der Vorgang auch ein Härteverfahren, das ohne chemischen Prozess und hohe Temperaturen auskommt. Es wird lediglich mechanische Energie ins Werkstück eingebracht. Dieses Prinzip macht man sich heute auch bei der Herstellung und Bearbeitung von hochbeanspruchten metallischen Komponenten wie zum Beispiel Tiefziehwerkzeugen, Turbinen und Schiffspropellern zunutze. Man kann so die funktionalen Oberflächen von Werkzeugen für Kfz-Karosserieteile derart beeinflussen, dass sie optimal mit produktgerechten tribologischen Systemen zusammenwirken und somit Reibung und Verschleiß bei der Umformung minimieren.

 

Ein Spezialist auf diesem Gebiet ist Accurapuls. Das elektromechanische Hämmersystem des Unternehmens verformt sämtliche Werkzeugoberflächen. Ein sphärischer Stößel bearbeitet mit Schlägen bis 500 Hz die Rauheitsspitzen auf der Oberfläche und glättet sie inkrementell ein.  Das führt zu einer Härtesteigerung, verfestigt die Randzone und erhöht die Verschleißfestigkeit. Anschließend kann man das Verfahren auch zum Polieren respektive Einklopfen von Legierungs- und Veredelungswerkstoffen nutzen sowie zum Induzieren von Druckeigenspannungen in metallische Komponenten. Dies beugt Rissbildung vor und erhöht die Ermüdungsfestigkeit. 

Materialverhalten in Randzone vorhersagen 

Bei der Anpassung des Vorgangs ans individuelle Bauteil und die gewünschten Werkstoffeigenschaften sind die Mitarbeiter von Accuraplus auf Erfahrungswerte angewiesen. Bislang können lediglich die Prozessparameter Frequenz, Stößelweg und einzubringende Leistung eingestellt werden. Die Kraft, mit der der Stößel auf das Werkstück trifft, ist bislang jedoch noch unbekannt, weil eine Online-Kraftmessung fehlt. Eine Echtzeit-Prozessanalyse und daraus resultierende Prozessoptimierung sind daher zurzeit noch nicht möglich. Hier setzt das Transferprojekt „Vernetztes maschinelles Oberflächenhämmern“ des Kompetenzzentrums „Digital in NRW“ an. Ziel des Projekts war die Implementierung einer Kraft- und Wegmesstechnik in den Hammerkopf des elektromechanischen Hämmersystems der Firma Accurapuls sowie eine Echtzeitsignalaufnahme und drahtlose Übermittlung der Daten mit Mikrocontrollern an eine cloudbasierte Analyseplattform.

Hierzu arbeitete Accurapuls mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen zusammen. Das WZL ist einer der Forschungspartner des Kompetenzzentrums „Digital in NRW“. Durch die Bündelung von Forschungswissen und praxisgerechtem Know-how konnten innerhalb von fünf Monaten zielgerichtete Lösungen erarbeitet werden. Auch Christian Löcker als Entwickler des Hämmersystems und Geschäftsführer von Accuraplus beteiligte sich an der Projektarbeit. Die Beteiligten definierten zunächst die Anforderungen an die Sensorik und Signalauswertung. Dann wurden geeignete piezoelektrische Kraftsensoren und faseroptische Abstandssensoren ausgewählt. Auch die optimale Platzierung der Sensoren und ihre Implementierung in den Hammerstößel bzw. Hammerkopf wurde untersucht. Bei der im Projekt entwickelten Anlage erfassen die Kraft- und Beschleunigungssensoren online die eingebrachte Hammerkraft und den vom Stößel zurückgelegten Weg. Die Daten werden kabellos an eine cloudbasierte Plattform übertragen und dort ausgewertet. 

Bestehende Anlagen nachrüstbar

Das Projekt war so angelegt, dass auch vorhandene Anlagen zum Oberflächenhämmern mit der entwickelten Sensorik nachgerüstet werden können. Mit den Daten lässt sich eine präzise Finite-Elemente-Simulation des Hämmervorgangs erstellen. Die Simulation dient primär dazu, schwer bzw. nicht messbare Größen wie Spannungen und Dehnungen zu untersuchen. Um möglichst exakte Ergebnisse zu erzielen, ist zum einen eine präzise Abbildung der realen Prozesskinematik nötig (Kraft-Weg-Diagramme aus Sensordaten) sowie eine genaue Abbildung des Werkstoffverhaltens.

Auf der Basis der Simulationen lassen sich dann unter anderem Vorhersagen treffen über das Werkstoffverhalten in der Werkstückrandzone. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn das Verfahren für neue Werkstoffe angewendet werden soll. Zusätzlich bieten die ermittelten Kraft- und Beschleunigungsprofile die Möglichkeit, die Regelungs- und Steuerungstechnik der Hammersysteme zukünftig zu erweitern.

Ergebnis des fünfmonatigen Projektes ist ein Umsetzungskonzept zu der Frage, wie mittelständische Unternehmen ihre bestehenden Hämmerysteme wirtschaftlich mit Sensoren ausstatten und von den Vorteilen für ihre Produktion profitieren können. Außerdem wurden durch die Echtzeitauswertung Erkenntnisse darüber gewonnen, wie die Reproduzierbarkeit und die exakte Regelung des Prozesses künftig verbessert werden können. Das gilt nicht nur für das Randschichthärten, sondern auch für das Polieren und das Einbringen von Druckeinspannungen durch Oberflächenhämmern. Für die anwendenden Unternehmen ist das Einbringen der Vernetzung in das maschinelle Oberflächenhämmern zudem ein Schritt in Richtung digitale Produktion, der neben einem Wissengewinn auch eine Effizienzsteigerung verspricht.

Kompetenzzentrum für den Mittelstand

Mit „Digital in NRW – Das Kompetenzzentrum für den Mittelstand“ wird die Initiative „Mittelstand 4.0“ des Bundeswirtschaftsministeriums in Nordrhein-Westfalen umgesetzt. Kleine und mittlere Unternehmen erhalten Unterstützung bei der Planung und Umsetzung von Projekten der Digitalisierung nach den Prinzipien von Industrie 4.0. Dabei arbeiten jeweils ein Unternehmen und ein Forschungspartner für einen definierten Zeitraum an einem konkreten Projekt. Das Spektrum der bisher durchgeführten Projekte ist so breit wie die Aufgabenfelder der beteiligten Unternehmen. Es reicht von der Produktionsplanung und -steuerung über die Produktentwicklung, das Qualitäts- und Prozessmanagement bis zur Mensch-Maschine-Interaktion. Ansprechpartner für Digital in NRW-Projekte sind Forschungseinrichtungen von Wirtschafts- und Forschungsstandorten im Rheinland, in der Metropole Ruhr und in Ost Westfalen Lippe. 

Robby Mannens, WZL der RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
Cluster Produktionstechnik
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen
Ansprechpartner ist Robby Mannens
Tel.: +49 241 80-28244
r.mannens@wzl.rwth-aachen.de
www.wzl.rwth-aachen.de

Accurapuls GmbH
Kossberg 4
59510 Lippetal/Herzfeld
Ansprechpartner ist Christian Löcker
Tel.: +49 2923 7792
ap@accurapuls.de
www.accurapuls.de

Digital in NRW
Geschäftsstelle Rheinland
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen
Ansprechpartner ist Sebastian Groggert
www.digital-in-nrw.de

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