Prognose ersetzt Schätzung 16.09.2021, 10:52 Uhr

Vorausschauende Überwachung von Schmiedeprozessen

Wie viele Bauteile lassen sich noch herstellen, bevor ein Schmiedewerkzeug im harten Fertigungseinsatz ausgetauscht werden muss? Anstelle von unsicheren Prognosen der Mitarbeiter beantwortet künftig ein Messsystem diese Frage zuverlässig.

Geschmiedete Pleuel: Wie viele Bauteile lassen sich noch fertigen, bevor das dazu genutzte Werkzeug ausgetauscht werden muss? Foto: Ralf Büchler für das IPH

Geschmiedete Pleuel: Wie viele Bauteile lassen sich noch fertigen, bevor das dazu genutzte Werkzeug ausgetauscht werden muss?

Foto: Ralf Büchler für das IPH

Umformtechniker konnten die Frage nach der verbleibenden Nutzungsdauer eines Schmiedewerkzeugs bisher nicht exakt beantworten, sondern nur auf Basis von Erfahrungswissen abschätzen. An einer genauen Prognose arbeiten nun Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH: Sie wollen eine vorausschauende Prozessüberwachung entwickeln, die exakt vorhersagt, wie lange das Werkzeug noch „durchhält“.

Messsystem soll Prognose auf quantitativer Basis liefern

Ein kombiniertes Messsystem zur vorausschauenden Überwachung von Gesenkschmiedeprozessen entwickelt das IPH im Forschungsprojekt „VorÜber“, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird. Damit soll eine exakte Prognose möglich werden, wann ein Schmiedewerkzeug ausgetauscht werden muss. „Unser Ziel ist eine Vorhersage auf quantitativer Basis“, sagt Projektleiter David Schellenberg. „Das System soll also exakt feststellen, ob man mit dem Werkzeug noch 1000 Bauteile schmieden kann, noch 300 oder nur noch 56.“

Das IPH forscht und entwickelt auf dem Gebiet der Produktionstechnik. Das gemeinnützige Institut bringt eine bereits langjährige Expertise mit: Gegründet wurde es 1988 aus der Leibniz Universität Hannover heraus. Angeboten werden Forschung und Entwicklung, Beratung und Qualifizierung rund um die Themen Prozesstechnik, Produktionsautomatisierung, Logistik und XXL-Produkte. Zu seinen Kunden zählen Unternehmen aus den Branchen Werkzeug- und Formenbau, Maschinen- und Anlagenbau, Luft- und Raumfahrt und der Automobil-, Elektro- und Schmiedeindustrie. Das Unternehmen hat seinen Sitz im Wissenschaftspark Marienwerder im Nordwesten von Hannover und beschäftigt aktuell ca. 70 Mitarbeiter, etwa 30 davon als wissenschaftliches Personal.

Aufbau des kombinierten Messsystems

Für eine möglichst genaue Vorhersage entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein kombiniertes System aus einem optischen Messverfahren und einem Kraftmessverfahren. „Wenn sich das Schmiedewerkzeug abnutzt, verändern sich sowohl die Form des Schmiedewerkzeugs als auch die auftretenden Kräfte“, erklärt Projektleiter Schellenberg. Das optische Messsystem – beispielsweise eine Kamera oder ein Laserscanner – macht in regelmäßigen Abständen Aufnahmen von der Gravur des Schmiedewerkzeugs; das Kraftmesssystem erfasst parallel dazu den Kraftverlauf im Schmiedewerkzeug während des Schmiedens. Die beiden Messverfahren ergänzen sich und liefern im Zusammenspiel eine exakte Vorhersage – so das Ziel der Forschenden.

Im Projekt soll zunächst ein mathematisches Modell erarbeitet werden, das eine Vorhersage der Reststandmenge des verwendeten Schmiedewerkzeugs zulässt. Innerhalb des mathematischen Modells stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Verschleißfunktion auf. Die Funktion speist sich aus den Daten, die das kombinierte Messsystem aufnimmt, und ist nach einigen Messungen in der Lage, eine Prognose zu erstellen: Wie viele Schmiedungen sind noch möglich, bis die Abnutzung zu stark wird? Je größer die Zahl der Messungen, desto genauer wird das Ergebnis – die Verschleißfunktion optimiert sich selbst.

Schmiedepresse im Labor des IPH: Die Werkzeuge müssen regelmäßig ausgetauscht oder in Stand gesetzt werden. An einer exakten Vorhersage der Restnutzungsdauer arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im aktuellen Forschungsprojekt.

Foto: Ralf Büchler für das IPH

Ausschuss und Ausfallzeiten vermeiden

Ziel jedes Fertigungsbetriebs ist es, das teure Schmiedewerkzeug optimal auszunutzen und weder zu früh noch zu spät auszutauschen. Denn wenn das Werkzeug überstrapaziert wird, wird die gewünschte Schmiedeteilqualität nicht mehr erreicht und das Unternehmen produziert Ausschuss. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass das Werkzeug Risse bekommt oder bricht – dann steht die Schmiedepresse plötzlich still, bis das Unternehmen für Ersatz gesorgt und ein neues Werkzeug eingebaut hat. Ausschuss und Ausfallzeiten können hohe Kosten verursachen. Das Schmiedewerkzeug vorsichtshalber deutlich früher auszutauschen oder in Stand zu setzen, ist jedoch ebenfalls unwirtschaftlich.

Am wirtschaftlichsten ist es für Unternehmen, jedes Schmiedewerkzeug exakt so lange zu nutzen, wie es brauchbare Bauteile produziert und keinen Schaden nimmt – nicht länger, aber auch nicht kürzer. Mit ihrer Forschung unterstützen die IPH-Ingenieurinnen und Ingenieure die deutsche Schmiedeindustrie, ihre Stückkosten zu senken und auf dem internationalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Um herauszufinden, welches Einsparpotenzial das Prognosemodell bietet, werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gegen Ende des Projekts eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchführen.

Im Forschungsprojekt arbeitet das IPH eng mit der Industrie zusammen. Im projektbegleitenden Ausschuss sind bisher mehrere Schmiedeunternehmen vertreten, aber auch Firmen, die sich mit Sensortechnik oder Künstlicher Intelligenz beschäftigen. Weitere interessierte Unternehmen sind herzlich willkommen, sich am Forschungsprojekt zu beteiligen (www.vorueber.iph-hannover.de). Das IGF-Vorhaben 21676 N/1 der Forschungsgemeinschaft Qualität e.V. (FQS) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Es hat eine Laufzeit bis zum 28. Februar 2023.

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