Per Autopilot zum perfekten Ergebnis

Der Fachkräftemangel nimmt immer weiter zu, damit fehlen auch immer mehr qualifizierte Maschinenbediener, sagt Benedikt Nillies von der Leifeld Metal Spinning GmbH in Ahlen im westfälischen Münsterland. Das Unternehmen ist seit 130 Jahren Innovationsführer in der spanlosen Metallumformung. Mit dem Drückverfahren können Verarbeiter mit einer flexiblen Steuerung der Drückrollenbewegung und einem Drückfutter alle verformbaren Materialien wie die Eisenmetalle Stahl und Edelstahl, und die Nichteisenmetalle, wie Aluminium, Kupfer, Messing, Titan oder Molybdän, in Form bringen. Dabei sind Wanddicken von wenigen Zehntelmillimetern möglich.
«Was ist mit dem Expertenwissen, wenn erfahrene Metalldrücker in Rente gehen und der Nachwuchs fehlt? Wäre es dann für einen Betrieb nicht besser, die Anforderung an den Bediener zu senken und das Know-how in die Steuerung zu verlagern?» Aus dieser Idee entstand Leifeld Smart Control. Als technischer Direktor war Benedikt Nillies verantwortlich für die Entwicklung dieser Lösung. «Unterstützt durch Routinen, die mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) entwickelt wurden, sollen sich damit zum Beispiel Prozessanpassungen automatisieren oder die Prozessstabilität verbessern lassen – alles Punkte, die bislang von der Kompetenz, dem Geschick und Know-how des Maschinenbedieners abhingen. «Wir haben uns dazu im Vorfeld einige Fragen gestellt», berichtet Benedikt Nillies: «Gibt es etwa wiederkehrende mathematische Muster während der Umformung? Und welche Strategien nutzen unterschiedliche Maschinenbediener bei der Bearbeitung?»

Kraftsensor verbessert Steuerung der Drückrolle
Hardwareseitig besteht Leifeld Smart Control aus der Drückrolle mit Gabelrollenhalter, einem Kraftmesssensor und einer Werkzeugspanneinrichtung. «Der Gabelrollenhalter mit Kraftmesssensor lässt sich anstelle oder im Wechsel mit normalen Drückrollenhaltern zum manuellen, vom Bediener gesteuerten, Drücken einsetzen», erklärt Benedikt Nillies. «Durch die automatische Kontaktierung funktioniert die Umschaltung zwischen Kraftsensor und normaler Drückrolle von allein über einen Werkzeugwechsel während der Bearbeitung.» Durch die Rückführung von Axial- und Radialkräften verbessert der Sensor die Steuerung der Drückrolle. Es kann mit konstanter Kraft projiziert werden – also neben der Formgebung auch die Wanddickenverläufe definiert werden.
Ein Softwarebaustein von Leifeld Smart Control ist der «Autopilot Konturaufnahme». Steuert der Bediener die Konturaufnahme manuell, muss er zwischen Drückrolle und Drückfutter einen Kontakt herstellen. In der Regel ist dies vom Geschick des Bedieners abhängig oder bedingt den Einsatz harter Drückfutter. Mit dem Autopiloten ist mithilfe eines Kraftsensors ein automatisches Abtasten der Drückfutterkontur mit geringster, kontrollierter Kraft möglich. Die im Hintergrund laufende Kollisionsüberwachung verhindert dabei Beschädigungen. «Diese Funktion beschleunigt und vereinfacht die Einrichtung der Teile erheblich und ermöglicht darüber hinaus den Einsatz weicher Drückfutter», verspricht Benedikt Nillies.
Auch die Kraft lässt sich mit der neuen Leifeld Smart Control während der Produktion automatisch regeln. Dafür sorgt der ‚Autopilot Wiedergabe‘. «In der Regel fährt der Bediener in der Programmaufnahme festgelegte Bahnen im Koordinatensystem der Maschine ab, um das entsprechende Teil herzustellen», erklärt der technische Direktor. Mit zunehmender Stückzahl oder bei hohen Umformleistungen kommt es fast immer zur Wärmeausdehnung von Drückfutter und Werkzeugen. Dadurch reduziert sich zwangsläufig der Spalt zwischen Drückrollen und Drückfutter, wodurch die Umformkräfte ansteigen. Dies kann dazu führen, dass die Wandstärken negativ beeinflusst werden oder dass bei sehr dünnen Wandstärken der Prozess gefährdet ist. Um das zu verhindern, muss der Bediener manuell ein Offset der Drückrolle beziehungsweise Supportachsen eingeben und dieses regelmässig während des Prozesses anpassen. Mithilfe des Kraftsensors lassen sich die Umformkräfte dagegen überwachen und automatisch regeln, um so die in der Programmaufnahme erstellten Drück- oder Projizierteile exakt und wiederholgenau zu fertigen.
Durch Einsatz der smarten Steuerungslösung ist eine geringe Qualitätskontrolle und Prozessbeobachtung durch den Bediener erforderlich – bei Einsatz eines Roboters ist auch eine mannlose Produktion möglich.

Projizierteile automatisiert herstellen
«Neben der Standard-Version Leifeld Smart Control bieten wir auch eine Plus-Version an», erläutert Harald Knechtel, Vertriebsleiter bei Leifeld. «Diese enthält zu den genannten Funktionen den ‹Autopilot Projizieren›, mit welcher der Bediener Fehler beim Einrichten der Teile noch zuverlässiger vermeiden und die Einrichtzeit weiter reduzieren kann.» Dazu berechnet der Autopilot den für die herzustellenden Produkte erforderlichen Spalt anhand der aufgenommenen Kontur automatisch. Das gilt sowohl für einen statischen Spalt bei konischen Komponenten, als auch bei einem dynamischen Spalt für einen sphärischen Konturverlauf, der sich an jeder Position der Drückrolle ändert. Eine andere Möglichkeit, diese Bauteile automatisiert herzustellen: Der Autopilot folgt keinem berechneten Spalt, sondern projiziert das Werkstück mit einer vom Bediener programmierten, konstanten Kraft. Damit bleibt die sonst übliche Werkzeugauslenkung bei einer Einsupportmaschine durch die einseitig wirkende Kraft der Drückrolle ohne Auswirkungen auf das Drückergebnis, und eine automatische Korrektur ist somit nicht erforderlich.

Drückteile noch effizienter fertigen
Mit der Leifeld Smart Control Premium erhält der Anwender obendrauf den Softwarebaustein «Autopilot Drücken». Damit kann er mit automatisierten Routinen Drückteile fertigen: Ein durch KI ermitteltes mathematisches Modell berechnet anhand der Materialparameter die benötigte Umformkraft und gibt diese dem Autopiloten vor. Ein Algorithmus ermittelt etwa die Rondenbegrenzungskurve während des Prozesses. Dazu zerlegt die Software die Drückstufe in einzelne Teile und kann durch entsprechende Parametrierung die Form der Stufe beeinflussen. Jede Stufe liefert Daten und Positionen für die nächste. Zudem sind verschiedene Profile für verschiedene Umformstrategien parametrierbar. Dadurch wird ein optimales Drückprogramm erzeugt und einem Materialversagen in den einzelnen Drückstufen vorgebeugt. Ein empirisches Herantasten an die optimalen Drückstufen kann somit entfallen.
Wie das in der Praxis aussehen kann? Benedikt Nillies nennt ein Beispiel: «Um etwa eine Zylinder-Geometrie herzustellen, ist eine stufenweise Umformung mit zahlreichen Drückstufen erforderlich. Form und Anzahl der Drückstufen sind von Material, Rondenüberstand und Strategie abhängig. Der finale Glättüberlauf oder auch das Abstrecken bestimmen die Wandstärke des Fertigteils. Im ersten Schritt werden die Drückstufen inkrementell generiert. Dazu sind in der Steuerung verschiedene Drückstufenformen und Profile hinterlegt, die durch den Bediener anwählbar sind. Die Software berechnet automatisch die Rondenbegrenzungskurve beim Drücken, sodass es zu keinem Überfahren des Rondenrandes kommt. Dann folgt das finale Abstrecken auf die Endwandstärke.»

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