Sonic-Shark luistert mee aan de snijkant

Hufschmied Zerspannungsysemen heeft een innovatieve oplossing geïntroduceerd, waarmee op een relatief eenvoudige manier een inlineprocescontrole kan worden geïmplementeerd. Het systeem, dat wordt vermarkt onder de naam Sonic-Shark, maakt gebruik van akoestische sensoren die ‘luisteren’ naar het proces. Het systeem is genomineerd voor de TechniShow Innovation Awards en leverancier CNC Freestechniek zal Sonic-Shark op de TechniShow presenteren.

Sonic-Shark is ontwikkeld door het Duitse Hufschmied en heeft als doel de kwaliteit van bewerkingsprocessen in bewerkingsmachines te bewaken. Hiervoor gebruikt het zelflerende real-time systeem akoestische sensoren. Aan de hand van trillingen en akoestische signalen herkent het systeem afwijkingen in productieprocessen, identificeert het materiaalafwijkingen en ‘hoort’ het uiterst nauwkeurig de toestand van het verspanend gereedschap. Daarmee vervangt en verbetert het systeem als het ware de oren van een ervaren machinebediener en bespaart het tijd en geld bij kwaliteitsborging. Daarnaast maakt Sonic-Shark een efficiënter gereedschapsgebruik en voorspellend onderhoud mogelijk.

Gereedschapsslijtage subjectief beoordelen

Als er iets zeker is in een verspanend proces dan is het dat verspanende gereedschappen slijten vanaf het eerste moment dat ze met een werkstuk in contact komen. Een nieuw gereedschap levert in eerste instantie hoogwaardige resultaten op, maar al snel neemt de kwaliteit door die slijtage af. Boven een bepaalde mate van slijtage voldoen de resultaten niet meer aan de werkstukeisen. De slijtage van gereedschappen in bewerkingsmachines wordt normaal gesproken beoordeeld door machinebedieners op basis van een subjectieve beoordeling - op het gehoor. Zeker ervaren verspaners kennen de geluiden en trillingen die horen bij een productieproces en kunnen op basis daarvan redelijk inschatten hoe het proces verloopt en wanneer een gereedschap moet worden vervangen. Er is hier echter een grijs gebied met als gevolg dat het gereedschap in veel gevallen te vroeg of te laat wordt vervangen. Dit betekent dat een serie werkstukken soms niet aan alle kwaliteitseisen van de klant voldoet. Daarnaast kan het bij een onbemande productie of bij onervaren operators, die het ‘gevoel’ nog niet helemaal beheersen, leiden tot gebroken gereedschappen, ongewenste stilstandtijden en

Sonic-Shark van Hufschmied maakt gebruik van akoestische sensoren om op basis van geluid te bepalen hoe het bewerkingsproces verloopt.

afkeur. De oplossing van Hufschmied kan met akoestische sensoren en machine learning de beoordeling van de toestand van het gereedschap digitaliseren.

Kwaliteitscontrole met sensoren en machinedata

Sonic-Shark ontvangt naast data uit de akoestische sensoren voor een uitgebreide, adaptieve analyse van de geluidsveranderingen, ook typische machinegegevens zoals asgegevens, toerentallen en de machinestatus. Op deze manier wordt er een grote hoeveelheid ruwe procesdata verzameld, die verder wordt verwerkt met big dataalgoritmen. Dit creëert een machine learning-model dat de optische en akoestische gegevens evalueert. “Met behulp van een nulmeting kunnen we met Sonic-Shark een zogenaamde Digital Twin maken. Zodra de data uit de sensoren te ver afwijkt van de nulmeting, bijvoorbeeld wanneer een gereedschap is versleten, kan er precies op het juiste moment actie ondernomen worden. Hierdoor wordt afkeur en machinestilstand voorkomen, worden gereedschappen optimaal benut en kan er aanzienlijk worden bespaard op de kwaliteitskosten”, vertelt Allard Lahm van CNC Freestechniek. De data uit de sensoren wordt vastgelegd op een harde schijf, in het lokale netwerk of in de cloud.

Digitaliseer en standaardiseer de kennis van medewerkers

Door alle gegevens tijdens het hele productieproces te verwerken, ontstaat er niet alleen een Digital Twin van het gereedschap of de machine, maar van de hele bewerkingscyclus. Hierdoor is het mogelijk om van minuut tot minuut te volgen hoe de mate van slijtage van het gereedschap zich ontwikkelt. De software kan op het juiste moment ingrijpen en de operator vragen om van gereedschap te wisselen. Hierdoor wordt de proceskennis van de medewerkers gedigitaliseerd en gestandaardiseerd.

Productie-efficiëntie

Volgens Hufschmied zijn gemiddeld 25 tot 30% van de productiekosten gebaseerd op kwaliteitsborging en testen. Hier ligt dus een groot besparingspotentieel. Dit kan worden bereikt door het automatiseren van de kwaliteitsborging tijdens het productieproces met Sonic-Shark. Daarnaast kan Sonic-Shark door verschillende sensoren te combineren met machinegegevens ook nog gebruikt worden voor voorspellend onderhoud in de machine. Tot slot kunnen maakbedrijven met Sonic-Shark het gereedschapsverbruik reduceren. “Sonic-Shark weet precies wanneer een gereedschap aan vervanging toe is. Zo is het mogelijk om de maximale standtijd te benutten. We hebben bijvoorbeeld klanten die bij elke product een nieuwe frees pakken om zeker te zijn van de kwaliteit. Vaak betekent dit dat een gereedschap veel te vroeg wordt vervangen. Als je 50.000 producten per maand maakt en je kan met een gereedschap niet één maar drie werkstukken proceszeker produceren, dan zijn er aanzienlijke besparingen mogelijk”, aldus Lahm.

Hans-Jurgen Pelzers (l) en Colin Jennings voor de EDM Diamond Cell van Mitsubishi. De cel is ontwikkeld om slijpschijven geautomatiseerd met behulp van een draadvonkmachine te dressen en te profileren. “Draadvonken biedt enorm veel voordelen bij het nauwkeurig op maat brengen van CBN- en diamantslijpschijven.”

Contactloos dressen en profileren van slijpschijven biedt legio voordelen

Het dressen en profileren van slijpschijven met behulp van eroderen is geen fundamenteel nieuwe technologie. Toch staan ook op dit gebied de ontwikkelingen niet stil. Mitsubishi Electric bijvoorbeeld, heeft het proces verder doorontwikkeld om CBN- en diamantslijpschijven met behulp van draadvonken contactloos in vorm te brengen. Naast de mogelijkheid om slijpschijven te voorzien van complexere contouren zorgt het contactloos dressen ook voor een langere standtijd van de slijpschijf.

Bij het profileren van slijpstenen denk je misschien niet snel aan draadvonken, maar het blijkt een onwaarschijnlijk goede combinatie. Mitsubishi Electric heeft twaalf jaar geleden speciaal voor het hoognauwkeurig profileren van CBN- en diamantslijpschijven een draadvonkmachine op de markt gebracht. “In de afgelopen jaren hebben we meer dan honderd draadvonkmachines voor het profileren van CBN- en diamantslijpschijven verkocht, vooral aan grote gereedschapsleveranciers. Inmiddels is de technologie veel efficiënter en gebruiksvriendelijker gemaakt, waardoor ook kleine gereedschapsmakers kunnen profiteren van het dressen en profileren met draad”, vertelt Hans-Jurgen Pelzers van Mitsubishi. In de afgelopen twaalf jaar is de technologie van Mitsubishi verder doorontwikkeld. Zo is de MP serie draadvonkmachine, die wordt toegepast in de EDM Diamond Cell, uitgerust met een vernieuwde V350 EDM generator, is het hele proces geautomatiseerd en is het programmeren vereenvoudigd. Hierdoor wordt het nog efficiënter om slijpstenen met behulp van draadvonken te bewerken. “Helaas is de markt vrij conventioneel, waardoor gereedschapsmakers mooie kansen laten liggen. Waar bedrijven bijvoorbeeld tegenaanlopen is het feit dat het proces alleen werkt met metaalgebonden slijpschijven, wat betekent dat bestaande polymeergebonden slijpschijven vervangen moeten worden. Echter, door de efficiëntie en de vele voordelen van het dressen en profileren met draad, zijn deze kosten binnen korte terugverdiend ”, aldus Pelzers.

Mechanisch contact blijft uit

Metaalgebonden slijpschijven bieden bijzondere voordelen bij het slijpen van moeilijk te verspanen materialen zoals hooggelegeerde, geharde staalsoorten, wolfraamcarbiden en keramiek. Ze bieden hoge dimensionale en thermische stabiliteit en voeren de warmte die door het slijpen wordt geproduceerd sneller af. De slijpschijven bestaan uit een metalen matrix met ingekapselde diamant- of CBN-korrels. Doordat de metaalbinding de slijpkorrels zeer goed vasthoudt, kunnen deze schijven zeer hoge afnamesnelheden behalen. Het dressen en profileren van metaalgebonden schijven kan hierdoor echter een uitdaging zijn. Traditionele dressgereedschappen slijten snel, zijn minder nauwkeurig en hebben beperkte mogelijkheden op het gebied van geometrie. Het draadvonkproces is daarentegen zeer geschikt als dressmethode voor deze schijven.

Bij het draadvonken wordt alleen de binding van de slijpschijf bewerkt. Het proces verwijdert materiaal door snel achter elkaar extreem korte gelijkstroompulsen af te geven. Tijdens elke ontlading worden microscopisch kleine delen van de metaalverbinding gesmolten en door de diëlektrische vloeistof uit de opening gespoeld. Tijdens de bewerking wordt de binding van de slijpschijf verwijderd tot de gewenste slijpcontour. Als gevolg hiervan wordt de

resterende structuur van de slijpschijf gekenmerkt door uitstekende, scherp blootgestelde slijpkorrels die een grotere spaanafvoer en betere prestaties creëren. Omdat er geen mechanisch contact is tussen de draad, de korrel en de binding, heeft het draadvonkproces geen negatief effect op de slijpkorrel zelf en worden slijpkorrels niet uit de binding getrokken. Hierdoor blijft de slijpkorrel spits en scherp én blijft de slijpschijf veel dichter bepakt met slijpkorrels. Het logische gevolg is dat het gereedschap tijdens het slijpen lagere krachten te verduren krijgt, waardoor slijtage wordt gereduceerd en de standtijd met een factor drie of vier wordt verhoogd. Door de langere standtijd van de schijf kunnen bedrijven veel besparen op de gereedschapskosten. Bovendien is er met de Diamond Cell een productiviteitsverhoging realiseerbaar van 280%.

Geometrie is geen belemmering

Nog een voordeel van draadvonken ten opzichte van traditionele dress- en profileergereedschappen is de mogelijkheid om vrije contouren te bewerken. “Net als bij elke CNC-machine kan een draadvonkmachine geprogrammeerd worden om een gewenste contour te volgen. Hierdoor is het mogelijk om slijpschijven te voorzien van geometrieën die anders niet realiseerbaar zijn. Door gebruik te maken van complexe geometrieën zijn er in sommige gevallen minder slijpschijven nodig om een werkstuk met verschillende contouren volledig te bewerken. Bovendien kun je snel tussen verschillende slijpschijven en geometrieën wisselen en is het mogelijk om slijpschijven exact te reproduceren. Het is slechts een kwestie van een nieuw programma inladen”, vertelt Colin Jennings van Dymato, de Nederlandse vertegenwoordiging van Mitsubishi. Een ander groot voordeel van draadvonken is de mogelijkheid om uiterst fijne en nauwkeurige geometrieën te realiseren. Door gebruik te maken van dunne draden kunnen volgens Mitsubishi binnenradii van 0,05 mm worden bewerkt. Buitenradii worden slechts beperkt door de korrelgrootte van de slijpschijf en taps toelopende contouren kunnen met een geometrische nauwkeurigheid van 2 micrometer worden geproduceerd.

Volledig geautomatiseerd

Met de EDM Diamond Cell heeft Mitsubishi het dressen en profileren van slijpschijven volledig geautomatiseerd. Naast de MPdraadvonkmachine bestaat de cel uit een zesassige handlingsrobot uit de Mitsubishi Electric Melfa-serie en een slijpschijfmagazijn met 22 posities. Eenmaal ingesteld, verloopt het proces volledig automatisch. De robot laadt en lost de machine zonder tussenkomst van een operator. Zo kunnen slijpschijven 24/7 onbemand geproduceerd worden. Om het vonkproces te vereenvoudigen heeft Mitsubishi de machine voorzien van een database met voorgeprogrammeerde bewerkingsstrategieën en -parameters. Zo kunnen gebruikers de machine snel programmeren, zelfs als het complexe geometrieën betreft. “Normaal gesproken is dressen en draadvonken een prijzig en tijdsintensief proces. Met de geautomatiseerde Diamond Cell en dankzij de vele voordelen van ‘draad-dressen’ is dit verleden tijd”, aldus Jennings.

De EDM Diamond Cell is voorzien van een meerassige handlingsrobot voor het geautomatiseerd laden en lossen van slijpschijven. Met 22 slijpschijfposities kan de cel gedurende lange tijd onbemand produceren.