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Premium Aerotec nutzt RFID zur Werkzeugcodierung

01  Bei Premium Aerotec sind rund 30 Bearbeitungsmaschinen mit Tool-ID-Schreib-Lese-Köpfen  und Auswerteeinheiten BIS V von Balluff ausgestattet

01 Bei Premium Aerotec sind rund 30 Bearbeitungsmaschinen mit Tool-ID-Schreib-Lese-Köpfen und Auswerteeinheiten BIS V von Balluff ausgestattet

02  Die Vorbereitung der Zerspanungswerkzeuge erfolgt  in Werkzeugeinstell- und -messgeräten von Zoller, in denen alle relevanten Werkzeugdaten über Tool-ID-Schreib-Lese-Köpfe auf den BIS-M-Datenträger in der Werkzeugaufnahme geschrieben werden

02 Die Vorbereitung der Zerspanungswerkzeuge erfolgt in Werkzeugeinstell- und -messgeräten von Zoller, in denen alle relevanten Werkzeugdaten über Tool-ID-Schreib-Lese-Köpfe auf den BIS-M-Datenträger in der Werkzeugaufnahme geschrieben werden

03  Die Auswerteeinheiten BIS V kommunizieren frequenzübergreifend und bieten eine große Schnittstellenvielfalt   mit allen weltweit gängigen Bussystemen

03 Die Auswerteeinheiten BIS V kommunizieren frequenzübergreifend und bieten eine große Schnittstellenvielfalt mit allen weltweit gängigen Bussystemen

04  Die BIS-M-Datenträger in den Werkzeugaufnahmen entsprechen den offenen, normierten RFID-Standards ISO/ IEC 15693 und ISO/IEC 14443A

04 Die BIS-M-Datenträger in den Werkzeugaufnahmen entsprechen den offenen, normierten RFID-Standards ISO/ IEC 15693 und ISO/IEC 14443A

05  Bei Premium Aerotec sind rund 30 000 Werkzeuge  in den Werkzeugaufnahmen mit BIS-M-Datenträgern  ausgestattet

05 Bei Premium Aerotec sind rund 30 000 Werkzeuge in den Werkzeugaufnahmen mit BIS-M-Datenträgern ausgestattet

Der Tier-1-Lieferant für Flugzeugstrukturen Premium Aerotec nutzt die Werkzeugcodierung mittels RFID seit Jahrzehnten zur Qualitäts- und Prozesssicherung. Das heute im gesamten Bereich der zerspanenden Fertigung eingesetzte System von Balluff schafft hier die Voraussetzung für eine intelligente Vernetzung, mit dem Potenzial, den Werkzeugeinsatz zunehmend zu optimieren und letztlich Prozesse respektive Produktqualitäten immer weiter zu verbessern.
Premium Aerotec zählt zu den weltweit führenden Unternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Flugzeugstrukturen. An seinen Standorten Augsburg, Bremen, Nordenham, Varel und Braşov/Rumänien entstehen Flugzeugstrukturen aus Aluminium, Titan und Kohlenstofffaser-Verbundstoffen (CFK) für die gesamte AirbusFamilie. Darüber hinaus leistet der Luftfahrtzulieferer einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und Herstellung der A350 XWB. Zudem liefert das Unternehmen Bauteile für die Boeing 787 „Dreamliner”, den Eurofighter sowie die A400M. Premium Aerotec erzielte 2016 einen Umsatz von rund 2 Mrd. €.
Anforderungen und Vorteile der Werkzeugidentifikation
Die zerspanende Bearbeitung von Flugzeugstrukturbau teilen ist eine der Königsklassen der Branche. Das liegt zum einen daran, dass hierfür moderne und oft schwer zerspanbare Werkstoffe verwendet werden. Neben den anspruchsvollen Aluminiumlegierungen stellen Materialien, wie Titan oder die Kohlenstofffaser-Verbundstoffe, hohe Anforderungen. Andererseits handelt es sich vorzugsweise um dünnwandige Bauteile, da in der Luft- und Raumfahrt Gewichtsreduzierung oberstes Gebot ist, bei gleichzeitig höchster Festigkeit und Steifigkeit der Komponenten. „Strukturbauteile aus Leichtmetalllegierungen haben oft hoch komplexe Freiformflächen und schwierigste Hinterschneidungen. Die sogenannte HPC-Zerspanung, sprich das High Performance Cutting, stellt dabei hohe Anforderungen hinsichtlich Präzision und Prozesssicherheit“, erklärt Daniel Weishaupt, Leiter Werkzeugaufbereitung/-kommissionierung bei Premium Aerotec in Augsburg. Damit ist in erster Linie die prozesssichere Einhaltung enger Toleranzen im Bauteil gemeint. „Grundvoraussetzung dafür ist allerdings, dass die Werkzeugparameter exakt und fehlerfrei in die Bearbeitungsmaschine übernommen werden“, ergänzt D. Weishaupt und spricht damit die Hauptmotivation an, ein Werkzeugidentifikationssystem einzusetzen.
Der generelle Vorteil von solchen Systemen wie Tool-ID von Balluff ist die Übertragung von werkzeugrelevanten Daten über ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld zwischen einem am Werkzeug fest montierten Datenträger und einer Schreib-Lese-Einheit. Die sogenannte Radio Frequency Identification (RFID) sichert die eindeutige Zuordnung des Werkzeugs. Mithilfe von RFID-Schreib-Lese-Geräten können Werkzeugdaten, zum Beispiel am Werkzeugeinstellgerät, auf den Datenträger am Werkzeug geschrieben und beispielsweise in der Werkzeugmaschine ausgelesen werden. Außerdem lassen sich, etwa nach einem Werkzeugeinsatz in der Maschine, relevante Daten wie Standzeiten wieder auf den Datenträger zurückschreiben. Die automatische Verarbeitung der Daten gewährleistet, dass alle Daten immer korrekt und stets aktuell vorliegen. Aus diesem Grund hat Premium Aerotec rund 30 Bearbeitungsmaschinen (Bild 1) sowie die Werkzeugeinstell- und -messgeräte von Zoller (Bild 2) mit Tool-ID-Schreib-Lese-Köpfen und Auswerteeinheiten von Balluff ausgestattet. „Wir konnten das System in allen Steuerungen unserer unterschiedlichen Maschinen problemlos integrieren“, bestätigt D. Weishaupt. Die Integration wurde unter anderem von der Erhardt + Leimer Automatisierungstechnik GmbH durchgeführt. Das Unternehmen ist spezialisiert auf den Einsatz von Automatisierungstechnik und die Realisierung von Systemlösungen bei laufender Fertigung. Bei Premium Aerotec hat sie dafür rund zwölf Wochen benötigt. Die BIS-M-Schreib-Lese-Köpfe sind in unterschiedlichen Bauformen, Abmessungen – unter anderem als Rund- und Stabantenne – verfügbar, sodass die vielfältigen Anforderungen in den unterschiedlichen Bearbeitungsmaschinen bei Premium Aerotec gelöst werden konnten.
Einen maßgeblichen Anteil an der schnellen Integration von Tool-ID in die laufende zerspanende Fertigung bei Premium Aerotec haben die hier verwendeten Auswerteeinheiten BIS V (Bild 3), die frequenzübergreifend kommunizieren können. Das heißt, mit diesen Controllern lassen sich niederfrequente Systeme (LF, 70 kHz…455 kHz), die vor allem in der Metallumgebung besonders robust und zuverlässig sind, und hochfrequente Systeme (HF, 13,56 MHz) zeitgleich betreiben. Für den Einsatz bei Premium Aerotec war jedoch die Schnittstellenvielfalt dieser Auswerteeinheiten entscheidend für die Integration in die unterschiedlichen Maschinen. Es stehen alle weltweit gängigen Bussysteme für den branchenunabhängigen Einsatz, wie Profibus, Profinet, Ethercat, CC-Link sowie Ethernet/IP-Varianten, zur Verfügung. Außerdem gibt es einen Webserver für ethernetbasierte Schnittstellen. Darüber hinaus ermöglichen Funktionsblöcke vieler gängiger Steuerungshersteller den schnellen Einsatz.
Die vorhandenen Werkzeuge, respektive die Werkzeugaufnahmen, wurden seitlich mit sogenannten Tags, den Datenträgern, ausgestattet. Hier verwendet Premium Aerotec die Datenträger vom Typ BIS M. Diese arbeiten mit einer Frequenz von 13,56 MHz und sind auf unendlich viele Schreib-Lese-Zyklen ausgelegt. „Wir haben uns für die BIS-M-Version entschieden, weil diese Tags den offenen, normierten RFID-Standards ISO/IEC 15693 und ISO/IEC 14443-2, Typ A, entsprechen und herstellerunabhängig am Markt verfügbar sind (Bild 4) “, verdeutlicht D. Weishaupt, der darin eine Sicherheit für seine Fertigung sieht. Insgesamt werden derzeit um die 30 000 Werkzeuge so verwaltet (Bild 5).
Ebenso wichtig ist D. Weishaupt die hohe Übertragungsgeschwindigkeit bei großen Datenmengen, durch die sich das RFID-System BIS M auszeichnet. „Auch dies trägt dazu bei, dass heute der Ausleseprozess um 30 % schneller ist“, bestätigt der Leiter Werkzeugaufbereitung/-kommissionierung.
Der erste Anspruch, mit der RFID-Werkzeugidentifikation das Handling der werkzeugspezifischen Daten zu automatisieren und sicher zu machen, wird bereits seit Jahren erfüllt. Exakt übermittelte Werkzeugabmessungen und Einsatzparameter sowie erfasste Stand- bzw. Restlaufzeiten gewährleisten sichere Prozesse. „Die Erfassung der Laufzeiten von Werkzeugen ist dabei von enormer Wichtigkeit“, erklärt D. Weishaupt: „Verschleiß bewirkt steigende Zerspankräfte und führt am Werkstück zu Geometrieabweichungen. Besonders kritisch ist die dabei entstehende sogenannte Oberflächenzerrüttung als Folge von thermischen und mechanischen Wechselbelastungen, die zu nicht reparablen Beschädigungen am Bauteil führen können.“ Oberflächenzerrüttungen in Zerspanungswerkzeugen entstehen nach einer längeren Einsatzzeit, während derer eigentlich noch kein Verschleiß messbar ist. Sie machen sich in Form von Rissen bemerkbar, die sich ausbreiten. Durch Gefügeveränderungen und Ermüdungserscheinungen kann es zu Abtrennungen von Partikeln kommen, die ihrerseits das Bauteil beschädigen können. Werkzeugverschleiß, wie die Abrasion führt zu erhöhten Zerspankräften. Die Werkzeugschneide kann den erhöhten Zerspankräften nicht standhalten. Es kommt zu Werkzeugbrüchen, die wiederum das Bauteil beschädigen können.
Die oft extrem teuren Bauteile im Wert von mehreren tausend oder gar zigtausend Euro, machen diese Problematik deutlich. Aus diesem Grund wird jedem Werkzeug über den Datenträger an der Werkzeugaufnahme eine maximale Standzeit mitgegeben, die auf Erfahrungswerten basiert.
Über die Festlegung von Werkzeugeinsatzzeiten hinaus, bieten die BIS-M-Datenträger mit ihrer eindeutigen IdentNummer das Anlegen einer sogenannten Lebensakte für die Werkzeuge. Die Unique ID dieser Datenträger ist nur les- und nicht überschreibbar. Sie schafft die Möglichkeit einer Rückverfolgbarkeit im Sinne der Qualitätssicherung für die Bauteile und ermöglicht es, den Werdegang eines jeden Werkzeugs zu dokumentieren. Die zentrale Speicherung und Auswertung der Werkzeugdaten in einem Werkzeugmanagement-System öffnet zukünftig vielfältige Ansätze, den Werkzeugeinsatz weiter zu optimieren. Damit ist ToolID von Balluff eine Schlüsselkomponente der intelligent vernetzten Fertigung bei Premium Aerotec. (ih)

John Großpietsch ist als freier Journalist in Zell am Harmersbach tätig. balluff@balluff.de

John Großpietsch ist als freier Journalist in Zell am Harmersbach tätig. balluff@balluff.de