Fakultät für Maschinenbau Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik

60 Jahre WZM Datum: 14.10.2016

Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

60 Jahre universitäre Werkzeugmaschinenforschung und Lehre in Chemnitz

Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

60 Jahre WZM Datum: 14.10.2016

Die Werkzeugmaschine, immer wieder neu – fit für die nächsten 60 Jahre Lehre und Forschung in Chemnitz

60 Jahre universitäre Werkzeugmaschinenforschung und Lehre in Chemnitz

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Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

Herausforderungen

1. Technologie

2. Infrastruktur

3. Daten

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5. Standort

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Überblick

4. Produkt 3

Technologie

1. Herausforderung

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Stetige technologische Intensivierung

1. Technologie 60 Jahre universitäre Werkzeugmaschinenforschung und Lehre in Chemnitz

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Technologie

Betrachtungsraum, Ziele, Notwendigkeiten … Überblick Maschine

Werkstück

Technik

Holistischer Betrachtungsraum Ziele Ansatz

Material

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Realisierung Beispiel:von hoher Produktivität Hybride Verfahren und robusten Prozessen

Methode

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Technologie

Hybride Prozesse … Überblick PRINZIP

VARIANTEN

Schwingung

 Spanen  Bohren,  Drehen,  Schleifen

 Abtragen  EDM,  ECM

 Hochdruckkühllung

 Kryogene Kühlung

Medien

Laser

 Drehen

ANWENDUNGSBEISPIELE

BENEFIT

Tieflochbohren für Stahl / Gusseisen

 Verbesserung des Spanbruchs  Verbesserung von Qualität und Produktivität

Bohren / Fräsen für Gusseisen

 Verbesserung des Spanbruchs  Erhöhung des Zeitspanvolumens

 Fräsen

Verbesserung der Zerspanbarkeit Fräsen Ni-Basislegierung

 Scherenkinematik

 Adaptronik

 Dynamikerhöhung

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Achsen

 Verbesserung der Betriebseigenschaften

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Technologie

Schwingungsüberlagerung Bohren mit Ultraschallunterstützung Schnittbewegung

Verfahren:

 Überlagerung des konventionellen Bearbeitungsprozesses mit Ultraschallschwingungen  Modulare Nutzung des Verfahrens in konventioneller Maschinentechnik

Schwingbewegung Werkzeugspitze

Vorschubbewegung

Beispiele: Ultraschallunterstütztes  Bohren von Aluminium

 Tieflochbohren von Vergütungsstahl

Konventionell

Effekte:  Verbesserung des Spanbruchs

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-20%

Ultraschall

 

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Reduzierung des Momentes Reduzierte Werkzeugbelastung 7

Technologie

Schwingungsüberlagerung Piezo-Technologie Festklopfen von Oberflächen Konzept

Nichtlineares Simulationsmodell

kSpann

bSpann

Werkstück und Spannvorrichtung

Prototyp

xWST

mmWST

mFK

elastoplastische Domäne

hK

Performancesteigerung > 50 %

xTCP mmMHPT

kF

MHPT

kel

xel

bMHPT kmech

bel

mmMC

xMC

elektromechanische Domäne

Werkzeugmaschine kMC

Fel

bMC

Schwingtisch Prototyp

Ergebnisse Bsp. Aluminium

mit Überlagerung

Verringerung Gratbildung um 30-50 % und der Spangröße

4 Piezoaktoren an Tischecken

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Festkörpergelenke

Technologie

Hybride Prozesse … Überblick PRINZIP

VARIANTEN

Schwingung

 Spanen  Bohren,  Drehen,  Schleifen

 Abtragen  EDM,  ECM

 Hochdruckkühllung

 Kryogene Kühlung

Medien

Laser

 Drehen

ANWENDUNGSBEISPIELE

BENEFIT

Tieflochbohren für Stahl / Gusseisen

 Verbesserung des Spanbruchs  Verbesserung von Qualität und Produktivität

Bohren / Fräsen für Gusseisen

 Verbesserung des Spanbruchs  Erhöhung des Zeitspanvolumens

 Fräsen

Verbesserung der Zerspanbarkeit Fräsen Ni-Basislegierung

 Scherenkinematik

 Adaptronik

 Dynamikerhöhung

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Achsen

 Verbesserung der Betriebseigenschaften

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Technologie

Kryogene Inprozesskühlung Beispiel: Fräsuntersuchungen in Guss GJV450 mit Diamant Werkzeugverschleiß

Verschleißmarkenbreite

Fräsen mit CO2-Kühlschmierung

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Doppelter Fräsweg

Fräsweg

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Infrastruktur

2. Herausforderung

1. Technologie

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Aufbau von Infrastruktur

2. Infrastruktur

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Infrastruktur

Moderne Produktionstechnik im Gesamtkontext Industrie 4.0 Betrachtungsraum

Produktionstechnik Industrielle Wertschöpfung

General Conditions

Business Models

z.B. Sicherheit, Breitband

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DIE SMARTE FABRIK

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Infrastruktur

Smarte Fabrik

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Kennzeichen

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Infrastruktur

Smarte Fabrik Herausforderungen

Durchgängige digitale Vernetzung aller Elemente der Produktionsprozesse (inkl. flankierende Dienstleistungen und Logistik) Dezentrale Identifizierung, Nachverfolgung, Steuerung der lokalen Produktion bis zur globalen Wertschöpfungskette

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Überwindung der Massenfertigung  Realisierung von OnDemand-Produktion nach individuellen Bedürfnissen Verschmelzung von realen und virtuellen Prozessen (Raum und Zeit)

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Infrastruktur

Linked Factory®

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Datendrehscheibe in der Smarten Fabrik

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Infrastruktur

Grundlage für Digitalisierung

Energy

Umsetzung in der

FORSCHUNGS FABRIK

Data-Generating Ability of machines to CPPS

Data-Analysing Use of the available Data

SmartDevices

SmartAnalytics

Components for flexible connection of data providers, such as Machines, facilities and technical building equipment

Same data as the basis for different evaluations (e.g. Trace4OEE), Productivity determination by extended product information

Data-Distribution Context-based information delivery

Objects: locating and identifying

SmartWearables

Tracking

Context-sensitive data and information provision for employee integration, intuitive display for the production assistance

Context-based information generation Human-Computer Interaction Monitoring of logistics processes

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Smarte Komponenten

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Daten

3. Herausforderung

1. Technologie

2. Infrastruktur

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Generierung technischer Produktionsdaten als Enabler für Wertschöpfung und Innovation

3. Daten

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Daten

Werkzeugmaschine 4.0 Datengetriebene Prozesssteuerung  Anwendung auf eine konkrete Maschine  Datenerfassung und -verwaltung, Integration verteilter Datenbestände in der »LinkedFactory®«  Korrelation von Prozessparametern und resultierenden Produkteigenschaften

 Erlernen zulässiger Fertigungsabläufe (Deep-Learning-Ansätze)  Vorhersage resultierender Produkteigenschaften  Ermittlung erforderlicher Fertigungsparameter zur Sicherstellung geforderter Eigenschaften

Effiziente Ressourcennutzung  Kühlung  Schmierstoffe  Druckluft, … Maschinenaufbau  Datenbasierte Modellierung  Struktur / Material  Präzision / Steifigkeit, ...

Optimierte Werkzeugwege  Qualität / Ziel  Energieeffizienz  Werkzeugverschleiß, …

System-Knowhow z. B. Korrelation von Prozessparametern mit geforderten Produkteigenschaften

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 Vision: Umsetzung für Gesamtprozesskette

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Daten

Datennutzung Condition Monitoring  Predictive Maintenance Werkzeugmaschine

Messwerte NC-Module Aktuelle Position

Erfassung getriggerte Daten und Vorverarbeitung

Datenspeicherung, Diagnose, Wartungsinstruktion

840 D

HMI

Server & Router

PLC-Module Betriebsstunden Prozessdaten

DatenErfassung

Temperatur Vibration Luft-Verbrauch, Öl-Bedingungen

Internet

Analoge Inputs

Datenbank

-

Diagnose Analyse Visualisierung Trend Historie Wartungsempfehlung

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Digitale Inputs Statussignale Triggersignale

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Daten

Generierung technischer Produktionsdaten Aktuelle Situation

Produktionstechnik nur als „Use Case“ der digitalen Transformation?!

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 Keine zielgerichtete Datenauswahl, kontinuierliche Datenermittlung bzw. -analyse und damit keine bedarfsgerechte Informations- bzw. Wissensgenerierung  Fehlende Anforderungen an Datenqualität  Big Data vs. Bad Data

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Daten

Generierung technischer Produktionsdaten Herausforderungen

Dr. Jürgen Meffert (Director McKinsey & Company Inc.): "Viele glauben, das größte Problem bei der Digitalisierung sei die Informationstechnologie, aber das ist ein weitverbreitetes Missverständnis: Das Kernproblem ist nicht die IT - es sind ihre Auswirkungen auf die angestammten Geschäftsmodelle."

Technologisch:  Intensivierung der Methodenentwicklung zur inversen Auswahl von Daten  Schaffung von bedarfsgerechten Datenquellen und Analyseformaten

Soziopsychologisch:

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 Daten-Vernetzung über die Unternehmensgrenzen  Umdenken in Entscheidungsfindung und hinsichtlich der Geschäftsmodelle

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Daten

Virtueller Zwilling Produkt

Maschine

Produktionslinie

 Entsteht parallel zum realen Produkt

 Maschine als Produkt aus Herstellersicht

 Echtzeit-Datenerfassung der gesamten Produktionslinie

 Verknüpft erfasste Produktund Maschinen- mit Planungsdaten

 Weitergabe in-situ gesammelten Daten an den Hersteller

 Abgleich mit Sollzustand von bspw. Produktionssteuerung und Qualitätskontrolle

 ermöglicht Qualitätskontrolle mit und ohne zusätzlicher Messtechnik

 Kunden- und Bedarfsorientierte  (Um-)Planung von Weiterentwicklung Produktionsstrecken (Variantenvergleich und  Frühzeitige Erkennung von Optimierung) Wartungs- und Instandhaltungsbedarf

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 Dokumentation bzgl. Haftung und Garantieansprüchen

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Produkt

4. Herausforderung

1. Technologie

2. Infrastruktur

3. Daten

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Realisierung von On-Demand-Produktion nach individuellen Bedürfnissen

4. Produkt 23

Produkt

Generierung technischer Nutzungsdaten

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Herausforderung

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Produkt

Generierung technischer Nutzungsdaten

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Herausforderung

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Standort

5. Herausforderung

1. Technologie

2. Infrastruktur

3. Daten

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5. Standort

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Digitale Agenda 2030

4. Produkt 26

Standort

Digitale Agenda – Digitalisierung in der Produktion

2015

2020

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2025

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Treiber und künftige Entwicklungen

2030

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Standort

Digitale Agenda – Digitalisierung in der Produktion Treiber und künftige Entwicklungen Intelligent, dezentral

Autonom, ubiquitär

Vernetzung, Plug&Play, Big Data, Sensorik, Korrelationen, Prozesse und Verfahren Optimierung

Verhaltensmodelle, Deep Learning, Selbstoptimierung

Robotik, additive Fertigung, KI, urbane Produktion

I4.0-Konzepte

Digitaler Schatten

Digitaler Zwilling

Neue Fabrik

Visualisierungen, mobile Endgeräte, Apps, Dashboards Informationen und Assistenzfunktionen

durchgängige Datenerfassung, Data Lakes, Historie, IST-Zustand Analysen, Zusammenhänge und Potentiale

adaptives digitales Abbild, Simulations- & Prognosefähigkeit dezentrale Regelung und Steuerung

produktneutral, lernfähig, kollaborativ

2015

Transparent, flexibel

2020

60 Jahre universitäre Werkzeugmaschinenforschung und Lehre in Chemnitz

2025

hochdynamische, verteilte Fertigung 60 Jahre WZM Datum: 14.10.2016

Effizient, ergonomisch

2030

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Die Werkzeugmaschine als Kernkomponente moderner Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz

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DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

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