Smart Tool

Smart Tool

etit-Wissenschaftler machen Werkzeug intelligent

Forschen, das bedeutet Neuland und bisher unbekannte Wege zu betreten. Gesucht werden manchmal Lösungen für Probleme, für die es zunächst keine Lösung zu geben scheint. So wie beim Projekt „Smart-Tool“: Idee war es, eine Messvorrichtung in ein Maschinenelement zu integrieren, in dem dafür eigentlich gar kein Platz ist. Geklappt hat es trotzdem – eine revolutionäre Erfindung im Werkzeugmanagement.

Ein Werkzeughalter, massiv und genormt. Wer hier Sensoren einbauen will, muss kreativ werden.
Ein Werkzeughalter, massiv und genormt. Wer hier Sensoren einbauen will, muss kreativ werden.

Wie wird ein Werkzeughalter intelligent? Das war die Ausgangsfrage des Projekts "Smart Tool. Ein Werkzeughalter ist ein ca. 15 cm langes Objekt aus Metall, das zum Beispiel in der Metall verarbeitenden Industrie eingesetzt wird. Seine Funktion ist selbsterklärend – er hält Werkzeuge. Egal ob Bohrer oder Reibe, in den Halter können fast alle Werkzeuge eingespannt werden. Das ist vor allem deswegen sinnvoll, weil der Werkzeugwechsel so viel schneller geht.

Das Problem dabei: Ein im Werkzeughalter eingespanntes Werkzeug wird nicht überwacht. Es ist also nicht feststellbar, ob zum Beispiel ein Bohrer abgenutzt ist oder zu brechen droht. Diese Informationen sind jedoch enorm wichtig: Denn mit abgenutzten Werkzeugen wird nicht mehr die erforderliche Präzision erreicht. Ein abgenutzter Bohrer etwa macht kleinere Löcher als ein neuer. Ist er gar so abgenutzt, dass er abbricht, wird das bearbeitete Teil oft so stark beschädigt.

Bisher erfolgt die Kontrolle durch einen erfahrenen Mitarbeiter. Er legt das Werkzeug unter ein Mikroskop und beurteilt, ob das Werkzeug noch länger in Verwendung bleiben kann oder ausgetauscht werden muss. Jeder Fehler kostet dabei Geld: Entweder wird ein noch verwendbares Werkzeug zu früh entsorgt oder das Werkstück durch ein defektes Werkzeug im schlimmsten Fall irreparabel beschädigt.

 

Viele Herausforderungen für die Forscher

Die Lösung: eine automatische Überwachung durch eine im oder am Werkzeughalter angebrachte Messvorrichtung. Diese gibt über den Zustand des Werkzeugs Auskunft und warnt im Notfall vor einem Werkzeugbruch. Genau daran arbeiten Forscher des Fachgebiets Integrierte Elektronische Systeme von Professor Hofmann zusammen mit dem Maschinenbau-Fachgebiet Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen sowie sechs weiteren Projektpartnern aus der Industrie.

Auf das Wesentliche reduziert: Fast die gesamte Elektronik findet auf dieser winzigen flexiblen Platine Platz
Auf das Wesentliche reduziert: Fast die gesamte Elektronik findet auf dieser winzigen flexiblen Platine Platz

Bei der Entwicklung stand das Team um Klaus Hofmann und Kim-Carolin Landfried vor einigen Herausforderungen: Sie mussten eine Möglichkeit finden, den Verschleiß des Werkzeugs automatisch zu messen. Gleichzeitig durfte die Form des Werkzeughalters sich durch die Messvorrichtung nicht verändern. Denn seine Konturen sind genormt und die Maschinen der Industrie genau auf diese Norm abgestimmt.

Die Darmstädter Forscher verwenden einen Beschleunigungssensor, der alle drei Raumachsen erfasst und so die Vibration des Werkzeugs im Einsatz messen kann. Diese Vibrationen verändern sich, sobald sich das Werkzeug verändert – sprich abgenutzt wird. Der Sensor muss mitsamt einer Steuerungseinheit innerhalb des Werkzeughalters Platz finden.

 
Die Nut, in der die Platine untergebracht wurde, war vorher nicht da. Diese Lösung hat sich das Forschungsteam jetzt patentieren lassen.
Die Nut, in der die Platine untergebracht wurde, war vorher nicht da. Diese Lösung hat sich das Forschungsteam jetzt patentieren lassen.

Klein aber fein – und gar nicht teuer

Das mittlerweile patentierte Ergebnis ist eine Rille, die in den Innenraum des Werkzeughalters eingefräst wird. In diese wird eine biegsame, sehr schmale Platine eingefügt, auf der der Beschleunigungssensor und das „Gehirn“ des Ganzen, ein Mikrocontroller sitzen. Die Datenübertragung läuft über Funk, für die Energieversorgung sorgt eine Batterie. Sowohl Antenne als auch Batterie sind in speziellen Kerben an der Außenseite des Werkzeughalters untergebracht. Die Außenkontur des Werkzeughalters wird dadurch nicht verändert. Der Clou der Erfindung: Da nur wenige und günstige Standard-Bauelemente verwendet wurden, soll der Bausatz pro Werkzeughalter nur ca. 15 Euro kosten.

Die Forschung an dem Projekt läuft noch bis Ende September 2016 weiter. Denn auch wenn die Grundidee steht, gibt es immer noch Verbesserungsmöglichkeiten. Einige Bausteine und Elemente tragen auch Studierende bei, die sich während des Studiums oder in Form ihrer Abschlussarbeit am Projekt beteiligt haben. Auch sie entwickeln Teile weiter, programmieren und optimieren. Ziel ist es, dass am Ende ein Werkzeughalter steht, der von außen betrachtet und für den Laien scheinbar der alte geblieben ist. Für die Industrie stellt die eingebaute technische Überwachung jedoch eine große Veränderung dar.


Hannah Lesch