Digitalisierung der Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern in einer Produktionsumgebung

Im Rahmen einer langjährigen Zusammenarbeit beider Firmen sind in diesem Fachartikel die gewonnen Erkenntnisse aus der Digitalisierung im Bereich Werkzeugmaschinen zusammengefasst.

Ein Digitalisierungsprojekt in der Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern in einer laufenden Fertigungsumgebung

Der Betrieb ZF Getriebe Brandenburg, der sich durch ein Team von über 1.500 Fachkräften auszeichnet, ist führend in der Fertigung exklusiver PKW-Handschalt- und Doppelkupplungsgetriebe. Diese finden in High-End-Sportwagen Verwendung und stehen für besonders hohe Präzision und Leistung. Ein wesentlicher Faktor für die Qualität dieser Getriebe sind die präzise geschliffenen Zahnräder, die auf Maschinen Reishauer, einem schweizerischen Pionier in der Herstellung von Verzahnungsschleifmaschinen, gefertigt werden. Reishauer hat mit Argus ein bahnbrechendes System für das Monitoring von Prozessen und Komponenten entwickelt, das bei ZF zum Einsatz kommt.

Dieses System erlaubt es, die Qualität der Schleifprozesse zu bewerten und zu optimieren sowie den Verschleiß der Maschinenkomponenten und Schleifwerkzeuge genau zu überwachen. Ziel der Zusammenarbeit ist die Nutzung der gemeinsamen Synergie, einer Verflechtung von Fachwissen auf der Produktionsseite und der Innovationskraft digitaler Lösungsansätze. Beide Unternehmen vereint eine tiefe Hingabe zur stetigen Optimierung, die in einer Partnerschaft mündet, von der beide Seiten profitieren. ZF nutzt das fortschrittliche Argus-System zur sorgfältigen Überwachung von Prozessen und Maschinenkomponenten in der Zahnradproduktion, womit ein signifikanter Fortschritt in ihrer Fertigungstechnologie erreicht wird.

Wie wird die Zahnradproduktion im digitalen Zeitalter des Jahres 2024 aussehen?

Wie sieht eine Zahnradfertigung im Digital-Zeitalter in 2024 aus? Grundlegend werden heute bei ZF Brandenburg fast 100 Prozent aller Bauteile mit dem Argus Monitoring System direkt, permanent und lückenlos in Echtzeit überwacht. Dies garantiert ein neues Sicherheitslevel in der modernen Zahnradfertigung. Das Monitoring umfasst auch ein Ausschleusen von potenziell schlechten Werkstücken noch in der Maschine und während des Bearbeitungszyklus, was Qualitätsprobleme in der anschließenden Montage verhindert.

Probleme in Echtzeit erkennen

Nebst der Prozesssicherheit führt dies auch zu deutlichen Kostensenkungen in nachfolgenden Prozessschritten. Die Prozessplaner haben nun auch die Möglichkeit, auf Eventualitäten wie Frequenzanregungen sofort zu reagieren, da sie jetzt mittels des Argus-Systems eine 100%ige Kontrolle haben und genau sehen können, wie jedes Bauteil geschliffen wird oder wurde. Sie können den Zustand der Maschine und eventuelle Probleme mit den Komponenten in Echtzeit erkennen und entsprechend handeln, indem sie geschliffene Bauteile von der Maschine ausschleusen lassen oder nachträglich NiO-Teile im Prozessfluss sperren, bevor sie in Getriebe eingebaut werden und erst am Ende der Linie (EOL) identifiziert werden. Diese Maßnahme bietet ein hohes Sparpotenzial bei potenziellen Fehlern, die früher zu teuren Rückbaumaßnahmen geführt haben. Die Implementierung des Argus-Systems in der Produktion erlaubt heute unter anderem die effiziente Detektion von filigranen Schleifschneckenbrüchen infolge lokaler Überlastung bei Vorbearbeitungsschwankungen. Natürlich werden auch seltene große Brüche infolge von Kollisionen problemlos erkannt.

Ein primärer Beweggrund für die Anschaffung des ARGUS-Systems durch ZF war die Prävention von anspruchsvollen Schwingungsproblemen. Nach nur kurzer Zeit entwickelte ZF die Fähigkeit, mittels Argus und unter der Mithilfe der Experten seitens Reishauer, potenzielle Schwingungsquellen in spezifischen Arbeitsbereichen der Schleifschnecken zu erkennen. Die Kalibrierung der Prozessüberwachung wurde daraufhin so optimiert, dass Bauteile, die potenziell unerwünschte Geräusche (NVH) in Getrieben verursachen könnten, nun aus der Prozesskette entfernt werden. Diese Optimierung ist das Resultat der Analyse von großen Datenmengen in der Argus Web Applikation.

Die genannte Argus Web Applikation kann in beliebigen Web-Browsern dargestellt werden und besticht durch einfaches Handling. Mit nur wenigen Klicks ist auch einem wenig erfahrenen User sofort ersichtlich, ob ein Problem in der Produktionsumgebung vorliegt. Nichtsdestotrotz erfordert die Behebung von qualitätsrelevanten Themen Expertenwissen. ZF Brandenburg beschäftigt traditionell Qualitäts-Ingenieure, die sich dieser Thematik annehmen, was die Implementierung von Argus sehr vereinfacht und beschleunigt hat. Grundsätzlich bietet Reishauer der Kundschaft stets eine qualifizierte und dauerhafte Betreuung im Rahmen von digitalen Themen und technologischen Aufgabenstellungen.

Wie sah die Fertigung vor Argus aus?

Vor der Einführung von Argus wurden Qualitätsprobleme oft erst am Ende der Fertigungslinie auf dem Prüfstand (EOL) identifiziert. Eine statistische Prozesskontrolle im unteren Prozentbereich garantiert lediglich die Detektion von statischen bzw. sehr langsamen Änderungen im Prozess. Dies bedeutete, dass fehlerhafte Zahnräder oftmals bereits in Getrieben verbaut waren, bevor die Mängel erkannt wurden. Um die Fehlerquelle zu bestimmen, war es dann erforderlich, die Zahnräder des beanstandeten Getriebes im Messraum taktil zu vermessen. Wenn beispielsweise ein Bauteil mit einem Schleifschneckenbruch in Verbindung gebracht werden konnte, mussten alle Bauteile, die an einem bestimmten Tag geschliffen wurden, identifiziert werden. In solchen Fällen war es notwendig, den betroffenen Fertigungsauftrag zu sperren und gegebenenfalls alle Bauteile zu 100 Prozent zu überprüfen.

Die daraus resultierenden hohen Folgekosten sind offensichtlich. Obschon solche Ereignisse eher selten auftreten, resultieren aus den durch EOL-Tests detektierte Auffälligkeiten enorme Rückbaukosten, die um ein Vielfaches höher liegen als dies bei potenziellen Fehlerteilen der Fall ist, die bereits durch die Schleifmaschine aussortiert werden. Nach der Hartfeinbearbeitung bzw. dem Schleifen werden die Prozessschritte deutlich kostenintensiver. Die Aufsummierung der unnötigen Anzahl an Prozessschritten sowie der Arbeitszeit und der resultierenden Materialaufwände infolge nicht ausgeschleuster Bauteile verdeutlicht die Relation zum kostengünstigen hochproduktiven Schleifverfahren.

Datenauswertung, Analyse und Bedienbarkeit

Heute erlaubt die Argus Web Anwendung dem Planer eine Echtzeit-Betrachtung des Fertigungsprozesses, entweder auf einem PC in der Fertigung, im Büro oder generell ortsunabhängig auf einem mobilen Tablet. Hier ein wichtiger Kommentar seitens der Fertigungsplaner: „Das System erlaubt es uns, sich tiefer in den Prozess hineinzudenken und gezieltere Entscheidungen zu treffen. Mit Argus ist es möglich, schädliche Frequenzen zu erkennen und die Drehzahlen im Voraus zu bestimmen, die vermieden werden sollten, um die Sicherheit und Qualität des Prozesses zu gewährleisten.“

Grundsätzlich lassen sich mit der Datenanalyse also Fehlerbilder identifizieren und die Ausschleusung dieser potenziellen Probleme direkt auf der Maschine initiieren. Ist letzterer Schritt getan, fängt in aller Regel die Prozessoptimierung an. In Argus können Technologieparameter besonders einfach mit Messdaten in Verbindung gebracht werden. Oftmals lassen sich so schon einfache Potenziale entdecken, wodurch kleine Änderungen auch schnell eine höhere Effektivität erzielen. Und dies unter dem Punkt der inhärent hohen Prozesssicherheit, die das System bietet.

Jetzt geht’s erst richtig los

Neben der Prozessanalyse des Schleifens, hat Argus auch eine besondere Stärke in der Maschinen-Zustandsüberwachung. Mithilfe der automatischen Komponentendiagnose (AKD) werden permanent verschiedenste Signale der Maschine überwacht und automatisch bewertet, um potenzielles Komponentenversagen zu identifizieren. Dank autark laufender Testzyklen, die nicht länger als wenige Minuten dauern, werden täglich umfangreiche Daten auf der Maschine aufgezeichnet. Diese Testzyklen sind mit den Sensoren so konzipiert, dass bei geringem Zeiteinsatz Maschinenfehler erkannt werden. Dank der Cloud Algorithmen wird aus allen gesammelten Daten eines Messzyklus eine Signalisierung in Form einer einfachen Ampel dargestellt. Sollte diese Ampel auf Rot stehen, ist Handlungsbedarf angesagt.

Vor der Implementierung von Argus musste ZF bei Problemen, beispielsweise Profilformfehlern aufgrund einer verschleißbehafteten Shift-Achse, aufwendige Messreihen und Schleifversuche durchführen, um die Ursache zu lokalisieren. Dieser Prozess erforderte den Einsatz von zwei bis drei Mitarbeitern und verursachte entsprechende Kosten. Mit Argus ist es nun dank AKD unmittelbar ersichtlich, ob eine Maschinenkomponente die Ursache eines Problems ist, wodurch der Bedarf an Manpower und die Stillstandzeiten erheblich reduziert werden konnten. Die Bedienbarkeit des Argus-Systems wird von der Planungsabteilung bei ZF als benutzerfreundlich bewertet. Für einen Maschinenmitarbeiter ist eine Schulung von zwei bis drei Stunden ausreichend, um das Argus-System sicher bedienen und datenbasiert Handlungen ableiten zu können.

Seiten: 1 2