Werkzeugverschleiß in der Unikat­fertigung erkennen

Verschleißprognose lebt von Wiederholung: Wer dieselbe Bewegung tausendmal fährt, lernt, wann das Werkzeug nachlässt. In der Unikat­fertigung gibt es diese Wiederholung nicht. Jedes Werkstück hat eine andere Geometrie, jede Bahn eine andere Belastung, und ein Signal, das steigt, kann genauso gut von der Form kommen wie vom Verschleiß. Die Frage ist deshalb keine Modellfrage, sondern eine Messfrage: Lässt sich Werkzeugverschleiß auch dort erkennen, wo sich nichts wiederholt — und welche Datenquelle reicht dafür aus?

Ingenieurwissenschaft zuerst, Modell danach. Der erste Schritt war nicht das Sammeln von Daten, sondern das Verstehen des Prozesses: Was passiert beim Eintauchen des Fräsers ins Material, wann ist er von vier Seiten umgeben und wann von zwei, welche Größen wirken überhaupt auf die Qualität. Erst daraus ergab sich, welche Daten zu erheben sind. Wer umgekehrt beginnt, sammelt Signale, die hinterher niemand deuten kann — und trainiert Modelle auf Zusammenhänge, die es nicht gibt.

Das CAD-Modell als Sensor. Zusammengeführt wurden drei Quellen: die Grobmaschinen­daten mit Prozess­parametern und Achskoordinaten, eine hochauflösende Sensorik am Werkzeug für Biegemoment, Zug- und Druckkräfte sowie Torsion, und drittens das aus der Bauteilgeometrie simulierte Zeitspanvolumen. Die dritte ist die ungewöhnliche und der eigentliche Hebel: Sie sagt für jeden Punkt der Bahn, wie viel Material in diesem Moment abgetragen wird — ohne einen einzigen zusätzlichen Sensor, allein aus Daten, die für die Fertigung ohnehin vorliegen.

Ein Versuch, der die Frage entscheidet, statt sie zu illustrieren. Gefräst wurde eine Schachbrettgeometrie mit einem Kugelfräser, in sieben Messreihen, bei zwei Tiefenzustellungen und zwei Kombinationen aus Drehzahl und Vorschub. Die Geometrie war so gewählt, dass derselbe Fräser dieselbe Bewegung unter verschiedenen Umschlingungs­situationen ausführt. Genau das erlaubt es, die Wirkung der Form von der Wirkung des Verschleißes zu trennen — ohne diese Trennung ist jedes Ergebnis mehrdeutig.

Der Befund, und der Befund dagegen. Bei gleichem Zeitspanvolumen und gleicher Geometrie steigt das Biegemoment mit zunehmendem Standweg. Damit ist es als Verschleißindikator brauchbar, und der Anfangsverschleiß eines neuen Werkzeugs war bereits in der ersten Messreihe sichtbar. Der Spindelstrom taugt dafür nicht: Im Schlicht­prozess liegen die Kurven von neuem und gebrauchtem Werkzeug übereinander. Ein Ergebnis, das eine Datenquelle ausschließt, ist so viel wert wie eines, das eine bestätigt — es verhindert die Investition in Messtechnik, die nichts zeigt.

Vergleichbarkeit automatisch herstellen, das ist der Kern. Über die Maschinen­koordinaten lassen sich simuliertes Zeitspanvolumen und Sensorsignal aufeinander legen. Damit identifiziert das Verfahren selbst die Abschnitte gleichen Zeitspanvolumens, an denen ein Vergleich zulässig ist. Bei einer Serie könnte man diese Abschnitte auch von Hand heraussuchen. Bei Unikaten kann das niemand — und deshalb steht oder fällt der ganze Ansatz an dieser Automatisierung.