Unbeaufsichtigt prozesssicher fertigen

Produktiver mit automatisierter Werkzeugbruch-Erkennung

Beim Bohren und Fräsen mit kleinen Werkzeugdurchmessern in schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen muss man die Werkzeuge immer wieder auf Verschleiß und Bruch prüfen und den Fertigungsablauf überwachen. Nur so lassen sich unproduktive Stillstandszeiten oder kostenintensiver Ausschuss wegen gebrochener Werkzeuge vermeiden. Die Peuker Fräs- und Zerspanungstechnik in Tuttlingen profitiert von der automatischen Werkzeugbruch-Erkennung TRS von Renishaw.

„Eine hochwertige Produkten mit höchster Qualität in Verbindung mit Liefertreue bis hin zur Lieferung „Just-in-time“ ist unser Anspruch“, so Helmut Peuker, Inhaber der Peuker Fräs- und Zerspanungstechnik (PFZ) in Tuttlingen. Das im Jahr 2000 von ihm mit echtem Pioniergeist gegründete Unternehmen zählt heute 18 Mitarbeiter.

Ausgerichtet auf flexible Bearbeitung schwieriger Werkstoffe 

Peuker hat sich dabei auf das Fräsen und Bohren auf Bearbeitungszentren spezialisiert. Sein Betrieb fertigt im zweischichtigen Betrieb Bauteile für die Medizin- und die Elektrotechnik sowie den Maschinenbau. Häufig bestehen diese aus ungewöhnlichen, schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen, wie Titan, Platin,  korrosionsbeständigem Stahl oder hochfesten Kunststoffen. In die Bauteile, beispielsweise Einzelteile für chirurgische Instrumente und Implantate, sind häufig zahlreiche kleine Bohrungen mit 0,8  und 1,1 oder 1,2 mm Durchmesser einzubringen. Dabei hat sich Peuker auf die kleinen und mittleren Serien mit 5 bis etwa 150 Teilen spezialisiert. „Wir arbeiten lieber hochflexibel für eine Vielzahl Auftraggeber, als abhängig zu sein von wenigen Großserien, wie im Automobilbau“, beschreibt Peuker die Ausrichtung seines Betriebs.

Bearbeitungszentren für minimale Durchlaufzeiten

Um dabei die benötigte Produktivität für eine wirtschaftliche Fertigung hierzulande zu erreichen, arbeitet Peuker ausschließlich auf Bearbeitungszentren von Chiron. Dazu gehören mehrere FZ08 und FZ22. Sie verfügen über  minimale Werkzeugwechsel- und Span-zu-Span-Zeiten. Für das Spektrum an Werkstücken und Bearbeitungsschritten bei Peuker ergeben sich daraus für die Produktivität und die Flexibilität erhebliche Vorteile. Aus Wechselzeiten von nur 0,5 Sekunden, wie sie die Bearbeitungszentren FZ08 erreichen, gegenüber 1,5 Sekunden bei anderen Maschinen, addieren sich bei häufigen Werkzeugwechseln rasch bis zu einige Stunden pro Jahr. Das ist dann Fertigungszeit, die auf den Maschinen von Chiron für mehr Wirtschaftlichkeit zur Verfügung steht.

Unsicherheitsfaktor Werkzeugbruch

Allerdings bemerkte Peuker alsbald, dass eine Eigenart seiner Fertigung einer hohen  Produktivität entgegenstand. Um eine nahezu hundertprozentige Prozesssicherheit zu gewährleisten, müssen die Bohr- und Fräswerkzeuge immer wieder auf Verschleiß und Bruch kontrolliert werden. Dies erledigten ehemals die Maschinenbediener. Nach jedem Werkzeugwechsel und vor nahezu jedem Bearbeitungsschritt waren ein Spindelhalt und eine Unterbrechung des NC-Programms auf einer Werkzeugposition über dem Werkstück programmiert. Das gab den Maschinenbedienern Gelegenheit, das Werkzeug auf Sicht zu prüfen und, soweit erforderlich, manuell zu wechseln.  Da sie mehrere Maschinen parallel bedienen und bestücken, verursacht die Prüfung allerdings  immer wieder an einzelnen Bearbeitungszentren unnötige Stillstandszeiten.

Automatisiert auf Bruch prüfen

Um kürzere Durchlaufzeiten und damit eine höhere Flexibilität in seine  Kleinserienproduktion zu bringen, benötigte Peuker eine Automatisierung der Werkzeugprüfung. Die hat er inzwischen mit dem berührungslosen und nur aus einer Einheit bestehenden Werkzeugbruch-Erkennungssystem TRS1 von der Renishaw GmbH, Pliezhausen, verwirklicht. Ein Lasersystem erkennt die Länge bzw. das Vorhandensein des zu prüfenden Werkzeugs. Das kompakte, im Arbeitsraum meist an der Maschinenumhausung befestigte Gerät sendet dazu einen roten, sichtbaren Laserstrahl aus. Dieser wird vom Werkzeug reflektiert. Das reflektierte Laserlicht wird vom Gerät ausgewertet.

Hier liegen die besonderen Vorteile des Systems TRS1 von Renishaw. Zum einen ist es sehr kompakt und besteht nur aus einer Einheit. Zum anderen kann das Lasersystem mit einer ausgeklügelten Software anhand der Reflektion sehr genau zwischen dem zu messenden Werkzeug und Kühlmittelresten oder Spänen unterscheiden. Daraus ergeben sich zuverlässige Prüfungen auf Werkzeugbruch,  Fehlmessungen sind nahezu ausgeschlossen.

Prozesssicherheit wesentlich erhöht

Bei Peuker ist damit die Werkzeugbruch-Erkennung weitgehend automatisiert. Insbesondere bei kleinen Werkzeugdurchmessern von etwa 1 mm werden standardisierte NC-Zyklen nach jedem Fertigungsschritt, zum Beispiel nach dem Bohren oder Gewindebohren, sowie nach jedem Einwechseln eines Bohr-, Gewindebohr- und Fräswerkzeugs ausgeführt. Das sorgt dafür, dass die Bearbeitungszentren nur mit funktionstüchtigen Werkzeugen arbeiten. Zuverlässig erkennt das Lasersystem innerhalb etwa 1 s drehende Werkzeuge ab etwa 0,5 mm Durchmesser, abhängig von der jeweiligen Beleuchtung und dem Hintergrund im Arbeitsraum der Bearbeitungszentren. Da der Laserstrahl und die Erkennung des reflektierten Laserlichts über Entfernungen bis 2000 mm sicher funktionieren, eignet sich das System auch für Maschinen mit größeren Arbeitsräumen.   Dieses Lasersystem hat für Peuker zahlreiche Vorteile gebracht: „Wir können mit der automatischen Werkzeugbruch-Erkennung möglichen Ausschuss durch gebrochene Werkzeuge gänzlich ausschließen. Zudem entfallen viele Stillstandszeiten, die wir zuvor für die manuelle Werkzeugprüfung benötigt hatten.“ Damit arbeitet der Lohnfertiger in Tuttlingen wesentlich produktiver und wirtschaftlicher als bisher. Auch bei Mehrmaschinen-Bedienung gibt es keine Stillstandszeiten mehr wegen der Werkzeugprüfung. Zudem reduziert das Lasersystem TRS1 zur Werkzeugbruch-Erkennung die Durchlaufzeiten. Trotz der sehr viel häufigeren Prüfung benötigt es weniger Zeit als die manuelle Prüfung. Insbesondere das Prüfen von Werkzeugen mit Durchmessern kleiner 1 mm gestaltete sich ehemals aufwändig und bereitete den Maschinenbedienern mitunter Schwierigkeiten.

Kürzere Durchlaufzeiten, niedrigere Kosten

Peuker hat die Kostenvorteile noch nicht vollständig kalkuliert, aber er schafft mit dem Einsatz der automatischen Werkzeugbruch-Erkennung pro Schicht einiges an zusätzlicher produktiver Zeit unter Span auf seinen Maschinen. Das trägt dazu bei, die internen Fertigungskosten zu reduzieren und auch die Flexibilität für wechselnde Fertigungsaufträge zu erhöhen. In der Zeit, in der die Maschinenbediener ehemals manuell Werkzeuge auf Bruch kontrollierten, können sie nun andere Bearbeitungszentren rüsten. Wie Peuker erläutert, hat er seit der Einführung der automatischen Werkzeugbruch-Erkennung auch einen Vorteil für seine Nerven festgestellt: „Bei kostenintensivem Werkstoffen, die nur in knapp bemessenem Umfang zur Verfügung stehen oder vom Auftraggeber bereitgestellt werden, kann man sich Ausschuss eigentlich nicht leisten. Mit der Werkzeugbruch-Erkennung kann ich den Ausschuss durch unerkannt gebliebenen Werkzeugbruch ausschließen. Wir haben mit dem Lasersystem TRS1 von Renishaw also die Prozesssicherheit umfassend erhöht. Das schafft insbesondere für mich als Inhaber und Verantwortlichen für den Fertigungsbetrieb eine hohe Sicherheit.“ Dies betrifft zum einen die Liefertreue, da eine langwierige Wiederholung der Bearbeitung entfällt. Zum anderen arbeitet Peuker nun wesentlich wirtschaftlicher, da ausgeschlossen ist, dass  kostenintensive, teilbearbeitete Werkstücke wegen eines gebrochenen Gewindebohrers in die Schrottkiste wandern. Die automatische Werkzeugbruch-Erkennung ist damit ein lohnender Teilschritt hin zur sich selbst überwachenden Fertigung.

Zuverlässigkeit in der Erkennung weiter verbessert

Künftig können Fertigungsbetriebe auch das weiterentwickelte Werkzeugbruch-Erkennungssystem TRS2 von Renishaw einsetzen. Es erkennt Werkzeuge ab 0,5 mm Durchmesser zuverlässig bei jeder Spindeldrehzahl. Zudem dauert der Zyklus zum Erkennen des Werkzeugs deutlich weniger als 1s. Die weiterentwickelte Auswertungs- und Erkennungstechnologie ToolWise® sorgt dafür, dass auch dunkle, beschichtete Werkzeuge mit unregelmäßigen Strukturen, wie Gewindebohrer und stark genutete Formbohrwerkzeuge, zuverlässig erkannt werden. 

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