Ziel der Entwicklung
In den Branchen der Zellstoff- und Papierindustrie, der Lebensmittelindustrie und in der Kunststoff- und Metallverarbeitung finden Maschinenkreismesser als anwendungsspezifisch ausgelegte Werkzeuge für unterschiedlichste Trennaufgaben wie Schneiden, Schlitzen oder Perforieren verbreiteten Einsatz.
Im Einsatz werden von Maschinenkreismessern eine hohe Schnittgüte sowie lange Standzeiten gefordert. Die daraus abgeleiteten Qualitätsforderungen an die Kreismesser umfassen neben den werkstofftechnischen Eigenschaften die Einhaltung einer exakten Form mit geringen Abweichungen in Planlauf, Rundlauf und Parallelität im Bereich von maximal 150 - 300 Mikrometer. Um den qualitativen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine aufwändige und damit kostenintensive Fertigungsprozesskette notwendig, die unter anderem die Prozessschritte Konturschneiden, Wärmebehandlung, Planschleifen, Konturschleifen und Spannungswalzen umfasst. Bei einem Teil dieser Prozessschritte erfolgen erhebliche Wärmeeinträge in die Kreismesser, die nach dem Abkühlen zu Eigenspannungen und damit zu Verformungen der Kreismesser führen. Diese Verformungen machen ein Richten der Kreismesser notwendig. Der Richtvorgang zur Beseitigung der Formabweichungen ist hoch komplex, so dass derzeit das Richten von Papiermessern nur manuell von erfahrenem Richtpersonal durchgeführt werden kann. Im Rahmen des Projektes war deshalb die Entwicklung eines automatisierbaren Verfahrens zum mechanischen Richten von Maschinenkreismesser auf der Basis von wissensbasierten Methoden zur Bewertung von Formabweichungen und Generierung von Richtfolgen vorgesehen. Dazu sollen Verfahren und Vorrichtungen für die vollständige dreidimensionale geometrische Erfassung von Kreismessern, die Erkennung von Formabweichungen und der Ableitung von Richtstrategien sowie eine bahn- und intensitätsgesteuerte Einbringung von mechanischen Richtschlägen entwickelt und zu einem Gesamtverfahren verknüpft werden.
Im Rahmen des Vorhabens soll sich vor allem auf Papiermesser mit einem Durchmesser von 610 Millimeter konzentriert werden, da diese einen großen Teil der Produktion und des Richtaufwandes der Kreismesserproduktion ausmachen. Die zu entwickelten Verfahren sind dabei so auszulegen, dass ein übertragen auf andere Kreismessertypen möglichst einfach erfolgen kann.
Vorteile und Lösungen
Die Entwicklung des Verfahrens erfolgte im Wesentlichen in den 4 Schritten:
- Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme einer Messeinrichtung für Kreismesser
- Konzeption und Implementierung eines Expertensystems zur automatisierten Erkennung und Bewertung des Messerverzuges und der Ableitung geeigneter Schlagfolgen
- Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme einer Richteinrichtung zur definierten Einbringung von mechanischen Richtschlägen in Maschinenkreismesser
- Verifizierung des Gesamtkonzeptes und Anpassung des Systems zur Generierung des Richtablaufes.
Im Projekt MERIMAK konnte ein Verfahren zum automatisierten Richten von Maschinenkreismessern entwickelt und anhand eines funktionsfähigen Demonstrators getestet werden. Das in den Demonstrator implementierte Messsystem ist in der Lage, Kreismesser mit einer Auflösung von zirka 0,15 Mikrometer und einer Genauigkeit von 10 Mikrometer hinsichtlich ihrer Planschlagabweichungen mit einer lateralen Auflösung von 1 bis 10 Millimeter mit einer Zeitdauer von zirka einer Minute zu vermessen. Das Messsystem kann in der derzeitigen Auslegung in eine automatisierte Richtanlage integriert werden. Anpassungen sollten hinsichtlich des Rotationsantriebes und Spannsystems der Kreismesser erfolgen. Für die Auswertung der Messdaten und die Generierung von Schlagfolgen wurde ein System zur geometrischen Auswertung der Messdaten entwickelt, das anhand von Größen wie Abweichung, Krümmung und deren Ausprägung, Lage und Stärke von Richtpunkten generiert, die direkt dem angeschlossenen Richtsystem übergeben werden können. Die entwickelte Richteinrichtung besteht im Wesentlichen aus zwei Positionierachsen und einem Schlagwerk, das die Richtschläge an den vorgegebenen Stellen und mit der vorgegebenen Stärke ausführen kann. Nach entsprechender Anpassung der Parameter des Auswertesystems konnte in Versuchen der Nachweis geführt werden, dass das entwickelte Verfahren erfolgreich eingesetzt werden kann. Die Umsetzung des Richtsystems in eine kommerzielle Anlage erfordert eine Anpassung für den Dauerbetrieb. Insbesondere der Amboss und die Schlagwerkhalterung müssen entsprechend ausgelegt werden. Bei den Untersuchungen hat sich zudem herausgestellt, dass eine größere Auflagefläche der Messer auf dem Amboss und entsprechende Niederhalter sinnvoll sind. Diese Änderungen sind bei der Entwicklung eines kommerziellen Systems einzubringen. Entsprechend der änderungen im Richtsystem sind die Parameter des Auswertesystems anzupassen. Bei starken Abweichungen der Messer ist eine Vielzahl von Richtschlägen notwendig, um die Planschlagabweichungen zu kompensieren. Hier sind weitere Untersuchungen hinsichtlich änderungen des Hammerkopfes, des Pneumatikzylinders und der Ambossauslegung notwendig.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zielgruppe für die Verwertung des entwickelten Verfahrens sind Hersteller von Maschinenkreismessern. Bereits in der Vorbereitung und auch während der Durchführung des Projektes zeigte sich ein erhebliches Interesse an einer automatisierten Mess- und Richtanlage für Maschinenkreismesser, aber auch an Teillösungen wie dem Messsystem. Weiteren möglichen Interessenten wurde das Projekt auf Messen vorgestellt und erste Gespräche geführt. Der Einsatz der zu entwickelnden automatischen Mess- und Richtanlagen generiert beim Anwender einen Kostenvorteil, der im Jahr auf zirka 50 Tausend Euro pro Anlage geschätzt wird. Die Amortisationszeit der geplanten Mess- und Richtanlage beläuft sich nach derzeitigen Schätzungen (bei Einsatz in 2 Schichten ohne Wochenende) auf zirka 3 bis 4 Jahre, bei einer Investitionssumem von zirka 175 Tausend Euro. Durch die erweiterte Funktionalität der automatischen Mess- und Richtanlage, die sich signifikant von den konventionellen Prüftechnologien unterscheidet, wird zudem eine erheblich verbesserte und objektive Qualitätssicherung beim Richten der Kreismesser möglich (Prüfung der vollständigen Werkzeuggeometrie, Dokumentation von zusätzlichen Kennzahlen). Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Wettbewerbsvorteil für den jeweiligen Anwender. Bei Einsatz der Mess- und Richtanlage in der Fertigung sind zudem Kapazitätssteigerungen möglich, die zu Umsatzsteigerungen führen, die weit über die angenommenen Kostenvorteile hinausgehen. Die Höhe ist dabei von den tatsächlichen Produktionssteigerungen abhängig.
Im Rahmen des Projektes entstand ein funktionsfähiger Demonstrator, mit dem das Verfahren zum automatisierten Richten verifiziert und weiterentwickelt werden kann. Insgesamt ergeben sich sehr gute Markteintrittschancen für eine automatische Richtanlage für Maschinenkreismesser. Darüber hinaus bestehen zusätzliche Einsatzmöglichkeiten für das Richten von Kreissägeblättern und anderen planen Metallbauteilen und -produkten. Basierend auf den im Projekt entwickelten zentralen Elementen einer automatisierten Richtanlage für Maschinenkreismesser (Messsystem, Richteinrichtung, Verfahren zur Generierung der Richtschläge) soll im Anschluss an das Projekt die Umsetzung in entsprechenden Sondermaschinen erfolgen. Der ITW e.V. Chemnitz plant, die Ergebnisse zusammen mit einem etablierten Sondermaschinenbauer zu einem Produkt weiterzuentwickeln und in den Markt zu überführen. Dabei soll auf dessen Erfahrungen und Know-how in der Produktion und dem Vertrieb zurückgegriffen werden. Im Rahmen der Umsetzung und Weiterentwicklung der automatisierten Richtanlage sollen weitere FuE-Leistungen des ITW e.V. Chemnitz im Rahmen einer Kooperation mit dem Sondermaschinenbauer und den Anwendern in das entstehende Produkt einfließen.