Was Anno 1858 mit der Einführung des Lehrfachs ‚Mechanische Technologie‘ an der Polytechnischen Schule begann, zählt heute zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Produktionstechnik in Deutschland – das Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart. Ob Maschinenkonstruktion und -untersuchung, Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung oder Zerspanungstechnik: Mehr als 30 wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter forschen hier in den Bereichen Konstruktion und Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen, spanende Fertigungstechniken und additive Fertigung.
Qualitätsmerkmal Werkzeugverschleiß
Dazu gehören Untersuchungen über den Einsatz von Werkzeugen bei Zerspanungsprozessen und der damit zusammenhängende Verschleiß, aber auch Auswirkungen auf die bearbeitenden Werkstücke. „Die Qualitätsanforderungen an Bauteile nehmen stetig zu“, kommt der Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen, Universitätsprofessor Dr. Hans Christian Möhring, gleich zum Punkt. Einen wesentlichen Einfluss darauf haben Möhring zufolge spanabhebende Prozesse. „Der Werkzeugverschleiß spielt eine entscheidende Rolle, weil er sich einerseits auf die Werkzeugkosten auswirkt, andererseits aber auch einen unmittelbaren Einfluss auf die Oberflächen und Randzoneneigenschaften hat.“
Um Branchen wie dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Maschinenbau und der Medizintechnik valide Forschungsergebnisse liefern zu können, werden beim IfW Stuttgart Bauteile und Werkzeuge an stationären Messeinheiten gemessen. Dabei geht es in erster Linie darum, den tatsächlichen Werkzeugverschleiß bei Zerspanungsvorgängen exakt nachvollziehen zu können – ein bis vor Kurzem aufwändiges Unterfangen: Das Werkzeug musste aus der Maschine ausgespannt, zum Messgerät transportiert und dort eingespannt werden, bevor schließlich eine Messung erfolgen konnte. Ein Vorgehen, das sehr viel Zeit in Anspruch genommen hatte, erinnert Möhring. Hinzu kam, dass Umspannvorgänge nicht selten zu Ungenauigkeiten bei Messungen geführt hatten.
Verkürzte, vereinfachte Messprozesse
Zustände, aufgrund derer sich das Forschungsinstitut auf die Suche nach einem alternativen Prozess gemacht hatte. Seit Sommer 2020 verfügt das IfW Stuttgart nun über ein Cobot-basiertes Messsystem. Es ermöglicht den Forscherinnen und Forschern in der baden-württembergischen Landeshauptstadt, automatisiert und vor allem direkt in der Maschine zu arbeiten. Darüber hinaus können mit dem Cobot, anders als bisher, auch sehr große Bauteile und Werkzeuge vermessen werden. Daniel List-Kaul, Projekt Manager Customized Solutions beim Messtechnikanbieter Bruker Alicona, geht ins Detail: „Der vom IfW verwendete CompactCobot besteht aus einem UR10e von Universal Robots, einem hochauflösenden optischen 3D-Messsensor und einem stabilen Unterbau inklusive einer richtlinienkonformen Steuerung“, sagt List-Kaul. Das Prinzip: Der Sensor wird in einem ersten Schritt an die gewünschte Messposition geführt. Die in den Griffen integrierten Joysticks ermöglichen zusätzlich eine hochpräzise Positionierung. „Ein Ein- und Ausspannen ist jetzt nicht mehr nötig. Vielmehr verkürzt, vereinfacht und verbessert sich nun der gesamte Messprozess signifikant“, so List-Kaul weiter. „Das absolut Besondere ist die Präzision des Systems.“ Durch die Kombination der stabilen UR-Robotik mit dem Bruker-Alicona-Messsensor und der Fokus-Variation-Messtechnik lassen sich hochauflösende 3D-Datensätze generieren und ermöglichen dem Anwender Messungen im Mikro- und Nanometerbereich. List-Kaul: „Diese können dann für weiterführende Analysen verwendet werden. Es ist möglich, eine detaillierte Verschleißkurve aufzunehmen. Der Kunde erzielt damit eine Beschleunigung im wirtschaftlichen Prozess.“
Nächster Schritt: Vollautomatisierung
Sarah Eschelbacher, Gruppenleiterin Prozessüberwachung und -regelung beim IfW fasst ihre Erfahrungen der vergangenen Monate zusammen: „Die Bedienung des Cobots ist sehr intuitiv. Mittlerweile arbeiten viele Kollegen und Studenten damit. Hat man einmal die Messpunkte und den Ablauf einprogrammiert, dann übernimmt der Cobot den Messprozess von ganz allein.“ Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter könnten sich damit voll und ganz auf die Auswertung und Interpretation von Daten konzentrieren. Gründe, weshalb die Forschungseinrichtung der Universität Stuttgart schon die nächsten Schritte für die Zukunft plant: eine Implementierung weiterer Cobot-Systeme sowie die Vollautomatisierung der Mess- und Auswertungsprozesse.