Damit die Chemie beim Schleifen stimmt

Wie lassen sich anspruchsvolle Einzelprozesse, beispielsweise Schleifen oder Erodieren, für höhere Produktion und Präzision kombinieren? An welcher Stelle ist der Einsatz von Lasertechnologie sinnvoll? Eine der Voraussetzungen für die autonome Fertigung und optimale Schleifergebnisse ist eine datengestützte KSS-Überwachung. Sie ist das Bindeglied zwischen Chemie und Mechanik und macht den Schleifprozess durch standardisierten Datenaustausch und den Einsatz von Digitalen Zwillingen robuster, effizienter und nachhaltiger.

Hier kommt auch die Konnektivitätsinitiative umati (Universal Machine Technology Interface) ins Spiel, die den reibungslosen Datentransfer gewährleistet. Als weltweiter Standard des Maschinenbaus ermöglicht umati auf Basis des Kommunikationsstandards OPC UA, dass Maschinen herstellerübergreifend miteinander kommunizieren können. Dies schafft die notwendige Interoperabilität, um Daten aus der KSS-Überwachung nahtlos in übergeordnete IT-Systeme oder Cloud-Plattformen zu integrieren und so den Weg für die Plug-and-Play-Anbindung im industriellen Ökosystem zu ebnen.

Energieeinsparung

Bei bedarfsgerechter KSS-Zufuhr winken hohe Effizienz- und Produktivitätsgewinne, wie die Forschung herausgefunden hat. „Bereits in den Grundlagenuntersuchungen wurden Prozessfenster identifiziert, in denen der Energiebedarf beim Schleifen um maximal 27 Prozent reduziert wurde, ohne Einbußen bei Werkstückqualität oder Werkzeugverschleiß“, berichtet Prof. Berend Denkena, Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. „Gleichzeitig ließ sich das Zeitspanvolumen um maximal 20 Prozent steigern, was eine deutliche Produktivitätssteigerung ermöglicht.“ Bedarfsgerechte KSS-Versorgung soll dieses Potenzial künftig systematisch und reproduzierbar in die industrielle Anwendung übertragen.

Mit Blick auf Nachhaltigkeit in der industriellen Produktion ergeben sich positive Effekte. „Bedarfsgerechte KSS-Versorgung ermöglicht eine Reduzierung des Kühlschmierstoffverbrauchs und senkt damit nicht nur den Energiebedarf im Schleifprozess, sondern auch den Aufwand für Herstellung, Aufbereitung und Entsorgung des KSS“, erklärt der Wissenschaftler. Er ist Mitglied der Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP), die zum Thema bedarfsgerechter Einsatz von Kühlschmierstoffen forscht.

Durch stabilere Prozessbedingungen lassen sich zudem Werkzeugstandzeiten erhöhen und Ausschuss sowie Nacharbeit reduzieren. Insgesamt trägt dies zu einem effizienteren Ressourceneinsatz und einer nachhaltigeren industriellen Produktion bei.

Schleifkräfte und Spindelleistung im Blick

„Bedarfsgerechte KSS-Versorgung basiert auf der kontinuierlichen Erfassung prozessnaher Zustandsgrößen und deren Nutzung zur adaptiven Regelung der Kühlschmierstoffzufuhr“, erklärt Denkena. Am IFW wurden zunächst die Grundlagen der KSS-Versorgung in der Schleifkontaktzone untersucht.

Darauf aufbauend werden aktuell sensor- und regelungstechnische Konzepte entwickelt, um künftig eine bedarfsgerechte und automatisierte KSS-Versorgung zu realisieren. Daten sind dabei der wichtigste Rohstoff.

„In den Grundlagenuntersuchungen wurden kühlschmierstoffbezogene Größen wie Volumenstrom, Temperatur und Druck sowie prozessnahe Kenngrößen wie Schleifkräfte, Spindelleistung und werkstückbezogene Eigenschaften erfasst“, erklärt der Forscher.

Dabei wurde analysiert, wie sich veränderte KSS-Bedingungen auf den Schleifprozess auswirken. Aufbauend darauf sollen künftig sensorisch erfasste Daten genutzt werden, um Zielgrößen wie Energieeffizienz, KSS-Bedarf, Werkzeugverschleiß und Werkstückqualität gezielt zu beeinflussen.

Gesunde Emulsion

Das optimale KSS-Management in der Fabrik treibt auch den Schmierstoffhersteller Fuchs aus Mannheim um. „Ein effizientes KSS-Management basiert im Wesentlichen auf vier zentralen Bausteinen“, sagt Alexander Kaiser, Head of Global Product Line Smart Services & Digital Business Partner bei Fuchs.

Erstens das Anmischen einer stabilen Emulsion mit möglichst feiner Tropfenstruktur unter Verwendung einer bekannten und empfohlenen Wasserqualität. Zweitens die kontinuierliche Überwachung des „Gesundheitszustands“ der Emulsion, um ihre Leistungsfähigkeit dauerhaft sicherzustellen. Drittens ein regelmäßiger Nachsatz mit frischer Emulsion zur Kontrolle der Konzentration und zum Ausgleich von Volumenverlusten. Viertens das gezielte Additivieren zur Bekämpfung von Infektionen oder Schaumbildung.

„Der Prozess kann teilweise oder vollständig automatisiert werden“, sagt Fuchs-Manager Kaiser. Automatisierung sei dann sinnvoll, wenn die Applikation stabil sei und keinen starken Schwankungen unterliege. Außerdem sei auch die Wirtschaftlichkeit zu beachten, da Automation immer auch Investition bedeute.

Digitale Zwillinge in der Cloud

Bei der Automatisierung wird mindestens die aktuelle KSS-Konzentration mittels In-Line-Refraktometer ermittelt. Ergänzend dazu wird der aktuelle Füllstand des KSS-Tanks kontinuierlich erfasst.

Auf Basis der vorgegebenen Zielkonzentration für die jeweilige Applikation berechnet das System die erforderliche Nachsatzmenge sowie deren Konzentration. Das Ziel ist es, die Emulsion dauerhaft auf einem definierten und stabilen Konzentrationsniveau zu halten.

„Alle Produktionsmittel – beispielsweise Maschinen – und ihre Schmierpunkte werden als digitale Zwillinge in unserer cloud-gestützen Service-Management-Plattform LubeLink FluidsConnect abgebildet“, sagt der Manager. Der aktuelle Zustand, Nachsatzmengen sowie der gesamte Pflegeprozess werden über dieses System erfasst, geplant und abgesichert. „Dadurch kennt das Smart Services Team jederzeit den Zustand der Produktion und kann frühzeitig Maßnahmen ergreifen, um ungeplante Stillstände zu vermeiden“, betont Kaiser.

Riechen, sehen, messen

Für KSS wird typischerweise in kurzen Intervallen die Konzentration bestimmt – entweder per Refraktometer (automatisiert oder manuell), durch Titration vor Ort oder mittels detaillierter Laboranalysen. Zusätzlich werden regelmäßig pH- und Nitritwerte gemessen. Abstriche dienen der Erkennung möglicher bakterieller Infektionen.

Teilweise werden auch Geruch und optischer Zustand dokumentiert. Auf Basis dieser Informationen werden Nachsatzzyklen sowie Reinigungsintervalle der Tanks geplant. „LubeLink unterstützt mit Einsatzplänen und Meldungen die effiziente Koordination der Experten vor Ort“, sagt Kaiser. Bei vollautomatischem Nachsatz wird zudem regelmäßig die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Equipments überprüft. Alle Daten – unabhängig davon, ob sie automatisiert oder manuell erfasst wurden – werden zentral gespeichert und bereitgestellt.

Ob sich der ganze Aufwand für den industriellen Anwender lohnt, ist letztlich ein kaufmännisches Rechenexempel. Denn die Höhe der Effizienz- und Produktivitätsgewinne durch automatisiertes KSS-Management beim Schleifen variiert von Anwendungsfall zu Anwendungsfall. Laut Kaiser können sowohl Personalkosten als auch Fluidkosten eingespart werden, im Wesentlichen durch Verlängerung der Standzeiten.

„Eine zeitnahe Amortisation ist nicht in allen Märkten, bei allen Kunden und Applikationen gewährleistet“, räumt der Fuchs-Manager ein. In allen Fällen steigere professionelles KSS-Management jedoch die Produktivität, indem Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert werden und die gewünschte Qualität der produzierten Teile sichergestellt wird.

Weniger Wasser, Additive und Energie

Zum ökonomischen Nutzen kommt dabei der ökologische. Durch Standzeitverlängerung des KSS werden sowohl benötigtes Konzentrat als auch genutztes Frischwasser verringert. Gleichzeitig reduzieren sich Emulsionen, die entsorgt werden müssen.

„Durch den konstant guten Gesundheitszustand der Emulsion wird zudem die Nutzung von Additiven reduziert oder gar komplett vermieden. Standzeitverlängerungen der Werkzeuge und perfekte Schmierung führen zu spürbaren Energieeinsparungen“, ergänzt Kaiser.

Eine Datenverarbeitung in der Cloud bietet zusätzliche Vorteile: „Immer aktuell, überall verfügbar, zentrale Datenbasis sowie hohe Ausfallsicherheit“, fasst Kaiser die Vorteile zusammen. Neue Funktionen, Sicherheitsupdates und Verbesserungen stehen sofort bereit.

Der Zugriff sei von jedem Standort, jedem Gerät und zu jeder Zeit möglich, was besonders für globale Produktionsnetzwerke wichtig ist. Daten aus Maschinen, Sensoren, Laboren und Serviceeinsätzen sind innerhalb eines Systems verfügbar – ohne Datensilos, Versionskonflikte und Medienbrüche. Und redundante Systeme und professionelles Monitoring sorgen für Betriebsstabilität.

Daten bleiben in Deutschland

Wichtig für den Anwender ist auch, dass die Daten in der Cloud sicher gespeichert sind. „Wir sind uns der zentralen Bedeutung von IT-Sicherheit bewusst“, bekräftigt Kaiser. LubeLink ist eine cloud-gestützte Plattform, die auf modernen Webtechnologien aufbaut. Die Anwendung wird in Deutschland gehostet.

„Da sich LubeLink stetig weiterentwickelt, lassen wir sowohl die Anwendung als auch die Hosting-Umgebung regelmäßig von einem unabhängigen externen Partner zertifizieren“, sagt der Manager. „Bislang wurden keinerlei Schwachstellen oder Sicherheitsprobleme festgestellt – ein Ergebnis, auf das wir stolz sind.

KI verspricht noch mehr Effizienz

Beim daten-gestützten KSS-Management verspricht maschinelles Lernen in Zukunft weitere Effizienzgewinne. „Wir nutzen eine Vielzahl moderner Technologien, um aus den verfügbaren Daten Mehrwert für unsere Kunden zu schaffen. Wo es sinnvoll ist, kommen dabei auch Verfahren der künstlichen Intelligenz zum Einsatz“, sagt der KSS-Experte. „Dank unserer langjährigen Erfahrung und der über die Zeit aufgebauten Datenbasis können wir Anomalien in Schmierapplikationen frühzeitig erkennen – und in vielen Fällen sogar vorhersagen.“