Digitali­sierung macht’s möglich: Werkzeug­ver­schleiß vorhersagen

In­dus­tri­el­les Try-and-Er­ror – klingt nach ei­nem Stil­mit­tel aus Zei­ten, in de­nen Di­gi­ta­li­sie­rung höchs­tens in Form von Zu­kunfts­mu­sik zu hö­ren war. „In man­chen Fäl­len ist die­se Vor­ge­hens­wei­se aber noch im­mer oh­ne Al­ter­na­ti­ve, zum Bei­spiel beim Werk­zeug­ver­schleiß“, er­klärt Ma­schi­nen­bau­er Pe­re Mas­sa­nés Padró. Der ex­pe­ri­men­tel­le Auf­wand, um ak­zep­ta­ble Pro­zess­be­din­gun­gen zu be­stim­men, die die Ver­schleiß­gren­zen nicht über­schrei­ten, sei enorm. „Des­halb kann die Ent­wick­lung des Ver­schlei­ßes ei­nes Werk­zeugs nur durch rea­li­täts­na­he und auf­wän­di­ge Tests im Se­ri­en­all­tag be­herrscht wer­den.“

Denn Werk­zeug­ver­schleiß ver­läuft nicht gleich­mä­ßig. Erst ist er de­gres­siv, dann ein biss­chen li­ne­ar, schließ­lich pro­gres­siv. Na­tür­lich ist al­les auch ab­hän­gig von Ma­te­ri­al und Schnitt­ge­schwin­dig­keit. Die Sa­che ist so kom­plex, dass selbst heu­te noch kei­ne Mo­del­le exis­tie­ren, mit de­nen sich Werk­zeug­ver­schleiß mo­dell­ba­siert in die Werk­zeug- und Fer­ti­gungs­pro­zess­aus­le­gung ein­brin­gen lie­ße. Nicht ein­mal die Fi­ni­te-Ele­men­te-Me­tho­de, die bei der Lö­sung von phy­si­ka­li­schen Pro­ble­men in in­ge­nieurs­wis­sen­schaft­li­chen Be­rech­nun­gen nor­ma­ler­wei­se die Me­tho­de der Wahl ist, ge­nügt beim Werk­zeug­ver­schleiß den in­dus­tri­el­len An­wen­dun­gen.

Die Fol­gen sind kei­nes­falls zu ver­ach­ten: Wo sich die Form der Schneid­flä­che durch den Ver­schleiß ver­än­dert, ge­schieht dies auch an der Kon­tur des Werk­stücks. Ober­flä­chen­in­te­gri­tät und Pro­zess­sta­bi­li­tät lei­den dar­un­ter. Lie­ße sich der Ver­schleiß des Werk­zeugs vor­aus­be­rech­nen, könn­ten ihn die Fer­ti­gungs­in­ge­nieu­re wäh­rend des Pro­zes­ses ex­akt aus­glei­chen. In­dem sie et­wa Schnitt­ge­schwin­dig­keit, Werk­zeug­ein­stell­win­kel und Vor­schub ent­spre­chend nach­jus­tie­ren. Ge­ra­de in der Luft­fahrt­in­dus­trie, wo die Pro­duk­ti­ons­kos­ten durch die Be­ar­bei­tung von Su­per­le­gie­run­gen auf Ni­ckel oder Ti­tan hoch sind, steckt in ver­läss­li­chen Vor­her­sa­gen ei­ni­ges an Po­ten­zi­al.

Mit 18 hat­te er sich an der an der Uni­ver­si­tat Po­litè­c­ni­ca de Ca­ta­lun­ya in Bar­ce­lo­na für Ma­schi­nen­bau ein­ge­schrie­ben. Mit 22 setz­te er das Werk­stoff­tech­nik-Mas­ter­stu­di­um dar­auf. „Dass ich mein Be­rufs­le­ben im Aus­land ver­brin­gen möch­te, da­für ha­be ich mich sehr früh ent­schie­den. Dort sind die Be­rufs­mög­lich­kei­ten in mei­nem Be­reich at­trak­ti­ver.“ Der Plan ging auf: Übers In­ter­net sah er die Mas­teran­den­stel­le in der MTU-Zer­span­si­mu­la­ti­on. Nach fünf Mo­na­ten als Mas­terand er­hielt er ei­ne fes­te Stel­le als In­ge­nieur in der Ab­tei­lung. „So konn­te ich an mei­nem The­ma wei­ter­ar­bei­ten.“

Das Pro­blem mit der Vor­her­sag­bar­keit von Werk­zeug­ver­schleiß will der 26-Jäh­ri­ge mit ei­nem hy­bri­den An­satz lö­sen. Da­hin­ter steckt die Kom­bi­na­ti­on aus ana­ly­ti­schen, em­pi­ri­schen, ex­pe­ri­men­tel­len und nu­me­ri­schen Her­an­ge­hens­wei­sen zu ei­nem ein­zi­gen gro­ßen Si­mu­la­ti­ons­mo­dell. Mas­sa­nés Padró will Pro­zess­pa­ra­me­ter wie Schnitt­ge­schwin­dig­keit, Vor­schub, Schnitt­tie­fe, Werk­zeug­geo­me­trie und Werk­zeug­ma­te­ri­al auf der ei­nen Sei­te, mit den phy­si­ka­li­schen Out­puts wie Pro­zess­kräf­te, Tem­pe­ra­tu­ren, Druck, Span­nun­gen und Deh­nun­gen auf der an­de­ren ver­knüp­fen, um die Ent­wick­lung des Werk­zeug­ver­schlei­ßes vor­her­zu­sa­gen.

Na­tür­lich bleibt auch das ein kom­ple­xes Kon­strukt. „Aber ei­nes, das sich di­gi­tal dar­stel­len lie­ße“, sagt Mas­sa­nés Padró – und das Try-and-Er­ror dras­tisch re­du­ziert. „Mit ei­ner mi­ni­ma­len An­zahl von ex­pe­ri­men­tel­len Tests wer­den wir bei an­ge­mes­se­ner Ge­nau­ig­keit vor­her­sa­gen kön­nen, wie der Werk­zeug­ver­schleiß auf ver­schie­de­ne Pro­zess­be­din­gun­gen re­agiert.“