Ziel der Entwicklung

Ausgangspunkt für das Projekt war ein konkreter Bedarf aus der mittelständisch geprägten Werkzeug- und Formenbauindustrie: In der Praxis zeigte sich, dass konventionelle Glättwerkzeuge bei der Herstellung hochwertiger Bauteiloberflächen zunehmend an systemische Grenzen stoßen. Insbesondere der Einrichtprozess sowie die fehlende Möglichkeit zur Echtzeitüberwachung der Prozessparameter stellen erhebliche Herausforderungen dar. Prozessabweichungen bleiben in vielen Fällen unentdeckt und führen zu Qualitätseinbußen, erhöhtem Verschleiß oder vorzeitigem Ausfall der Werkzeuge.

Mit dem Ziel, diesen Defiziten zu begegnen, wurde die Entwicklung eines Glättwerkzeugs mit integrierter Sensorik angestoßen. Der Fokus lag auf der Erfassung von Kraft- und Wegsignalen während des Bearbeitungsprozesses, um eine datenbasierte Prozessbeurteilung zu ermöglichen. Damit sollten sowohl der Einrichtaufwand reduziert als auch die Prozessstabilität und -transparenz verbessert werden. Ein technischer Schwerpunkt bestand in der miniaturisierten, werkzeugintegrierten Messtechnik sowie der robusten Datenübertragung unter realen Fertigungsbedingungen.

Neben dem technischen Aspekt ergab sich auch aus wirtschaftlicher Sicht ein erheblicher Handlungsdruck: Steigende Rohstoff- und Energiepreise sowie kürzere Produktlebenszyklen erfordern hocheffiziente und fehlerfreie Fertigungsprozesse. Durch eine gezielte Prozessüberwachung lassen sich die Werkzeuglebensdauer verlängern, Nachbearbeitungsaufwände minimieren und Produktionsfehler frühzeitig erkennen. Das Glättwerkzeug sollte dadurch nicht nur als mechanisches Bearbeitungswerkzeug fungieren, sondern gleichzeitig als Sensorträger und Datenquelle für moderne, digital vernetzte Fertigungsumgebungen dienen.

Impulse zur Projektidee kamen aus dem direkten Austausch mit Industriepartnern und Anwendern, u. a. im Rahmen von Workshops der GFE Schmalkalden e.V. Die Rückmeldungen zeigten, dass insbesondere in hochautomatisierten Produktionsumgebungen der Bedarf an intelligenten, prozessüberwachenden Werkzeugen stetig wächst. Das Projekt adressierte somit eine konkrete industrielle Problemstellung und leistete einen Beitrag zur Weiterentwicklung sensorbasierter Fertigungstechnologien im Kontext der Industrie 4.0.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines intelligenten Glättwerkzeugs mit integrierter Sensorik, dass es ermöglicht, den Glättprozess – insbesondere in Bezug auf Kraft und Position – in Echtzeit zu überwachen und zu bewerten. Damit sollten nicht nur Einricht- und Bearbeitungsprozesse vereinfacht, sondern auch Qualitätsabweichungen frühzeitig erkannt und Werkzeugschäden vermieden werden.

Beim Glätten handelt es sich um ein spanloses Fertigungsverfahren zur Verbesserung der Oberflächengüte von Bauteilen. Dabei wird ein hartes Glättelement – häufig ein Industriediamant – unter definiertem Druck über die Werkstückoberfläche geführt. Das Verfahren ist besonders im Werkzeug- und Formenbau verbreitet, wo höchste Oberflächenqualitäten gefordert sind.

Bisherige Glättwerkzeuge arbeiten jedoch ohne sensorische Rückmeldung. Die Einstellparameter werden vorwiegend manuell und auf Erfahrungswerten basierend festgelegt. Eine Rückmeldung über die tatsächlich wirkenden Kräfte oder die Position des Werkzeugs im Prozess ist nicht möglich. Dies führt zu Unsicherheiten bei der Prozessführung, zu möglicher Überlastung des Glättdiamanten oder zu einer unzureichenden Bearbeitungsqualität. Genau an diesem Punkt setzt das Projekt an.

Die Lösung bestand in der Entwicklung eines Glättwerkzeugs, das mit miniaturisierten Sensoren zur Messung von Kräften und Wegen ausgestattet ist. Dabei wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess verfolgt.
1. Konzept- und Funktionsdesign:
In einem ersten Schritt wurden Anforderungen an das Werkzeugsystem in enger Abstimmung mit Industriepartnern und Endanwendern definiert. Daraus abgeleitet wurde ein erstes Funktionskonzept für ein sensorintegriertes Glättwerkzeug. Die Herausforderung bestand dabei vor allem in der Integration von Sensorik und Elektronik in ein sehr begrenztes Bauraumvolumen, ohne die mechanischen Eigenschaften oder die Handhabung des Werkzeugs zu beeinträchtigen.

2. Sensorintegration und Elektronikentwicklung:
Für die Erfassung der Prozesskräfte wurde eine Kraftmesskette basierend auf Dehnungsmessstreifen (DMS) konzipiert, die mechanische Belastungen in elektrische Signale umwandelt. Zusätzlich wurde ein Wegmesssystem integriert, das die Bewegung des Glättdiamanten innerhalb des Werkzeugs erfasst. Für die Signalverarbeitung und -übertragung wurde eine speziell angepasste Elektronikeinheit entwickelt, die die Sensordaten aufbereitet und über eine Schnittstelle nach außen verfügbar macht.

3. Mechanische Konstruktion und Prototypenbau:
Die Werkzeugintegration erforderte eine präzise mechanische Auslegung der Sensorkomponenten und des gesamten Werkzeugkörpers. Mehrere Prototypen wurden aufgebaut, um verschiedene Montagestrategien, Materialien und Dämpfungsverhalten zu testen. Ziel war es, sowohl eine robuste Messwertaufnahme als auch eine langlebige mechanische Stabilität zu gewährleisten.

4. Software und Auswertung:
Parallel zur Hardwareentwicklung wurde eine einfache Firmware zur Signalauswertung implementiert, die es erlaubt, die Sensorwerte kontinuierlich zu überwachen. In einer weiterführenden Anwendung können die Daten genutzt werden, um Grenzwerte zu definieren oder automatische Korrekturen im Prozessablauf auszulösen.

5. Validierung und Anwendungstests:
Das entwickelte System wurde in mehreren Anwendungstests unter realen Bearbeitungsbedingungen erprobt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Werkzeug verlässliche Kraft- und Wegsignale liefert. Die Messdaten zeigten deutliche Korrelationen zu Prozessparametern wie Glättdruck, Oberflächenrauheit und Werkzeugverschleiß. So konnte beispielsweise erkannt werden, wann der Glättdiamant verschlissen ist und ersetzt werden sollte – noch bevor sichtbare Qualitätsmängel am Werkstück entstehen.

Durch die Entwicklung dieses intelligenten Werkzeugsystems ist es gelungen, den Glättprozess transparent, kontrollierbar und reproduzierbar zu machen. Besonders hervorzuheben ist der Vorteil, dass der Einrichtprozess durch die Sensorik gezielt geführt werden kann, was die Inbetriebnahme beschleunigt und Fehlerquellen reduziert. Zudem erlaubt die kontinuierliche Überwachung eine vorausschauende Instandhaltung, da Werkzeuge vor ihrem Versagen aus dem Betrieb genommen werden können.

Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist der Lösungsansatz vielversprechend: Die verlängerte Werkzeuglebensdauer, die Reduktion von Ausschuss sowie die Möglichkeit zur Prozessoptimierung durch datengestützte Auswertung schaffen langfristige Einsparpotenziale und erhöhen die Produktionssicherheit.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das entwickelte sensorintegrierte Glättwerkzeug richtet sich primär an Unternehmen aus dem Werkzeug- und Formenbau sowie an Präzisionsfertiger, die höchste Anforderungen an Oberflächenqualität und Prozesssicherheit stellen. Als Kernzielgruppe gelten insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen, für die eine reproduzierbare Qualität bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung essenziell ist.

Zielmärkte sind sowohl der deutschsprachige Raum als auch internationale Märkte mit starker industrieller Produktion, wie etwa Nordamerika, Ostasien und ausgewählte europäische Länder. Der steigende globale Wettbewerbsdruck und der Wunsch nach automatisierten, zuverlässigen Fertigungsprozessen sorgen dafür, dass intelligente Werkzeugsysteme mit integrierter Sensorik zunehmend nachgefragt werden.

Anwender profitieren in mehrfacher Hinsicht von der Entwicklung.

1. Prozesssicherheit:
Die Sensorik ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung des Glättprozesses. Abweichungen können sofort erkannt und kompensiert werden.
2. Qualitätssicherung:
Durch die direkte Rückmeldung über Kraft- und Wegparameter kann die Oberflächenqualität verbessert und reproduzierbar gehalten werden.
3. Wirtschaftlichkeit:
Das Werkzeug unterstützt eine vorausschauende Instandhaltung und verlängert die Lebensdauer des Glättdiamanten. Dadurch lassen sich Ausschuss, Nacharbeit und Werkzeugkosten signifikant reduzieren.
4. Einfache Integration:
Das System ist so konzipiert, dass es sich in bestehende Prozesse integrieren lässt, ohne umfassende Anpassungen an Maschinen oder Softwarelösungen zu erfordern.

Die Lösung ist damit besonders interessant für produzierende Unternehmen, die in kleinen Serien oder bei häufig wechselnden Produkten höchste Flexibilität bei gleichbleibender Qualität benötigen.

Der Wissenstransfer in die Industrie erfolgt über mehrere bewährte Kanäle:
a) Direkte Kooperationen mit Unternehmen im Rahmen von Pilotprojekten und
Technologietransfer-Vereinbarungen
b) Lizenzvergabe zur Herstellung und Integration des entwickelten Systems durch
Werkzeughersteller
c) Workshops und Fachvorträge, insbesondere im Rahmen der regelmäßig stattfindenden
„Schmalkalder Werkzeugtagung“, sowie durch Industriearbeitskreise und Schulungen
d) Präsentation auf Fachmessen (z. B. METAV, Hannover Messe), um eine breite technische
Öffentlichkeit zu erreichen
e) Fachveröffentlichungen in einschlägigen Medien sowie die Nutzung der GFE-Website zur
Darstellung der Projektergebnisse
f) Mitgliedernetzwerk der GFE e.V.: Der Zugang zu über 130 Mitgliedsunternehmen – bestehend
aus Werkzeugherstellern, Anwendern und Distributoren – ermöglicht eine direkte Ansprache
der relevanten Zielgruppen

Durch diese vielfältigen Maßnahmen wird eine schnelle und effektive Verwertung der FuE-Ergebnisse in der industriellen Praxis sichergestellt.