Fehlersuche ohne Produktionsstopp

Plötzlich auftauchende kleine Abweichungen in der spanenden Fertigung können viele Gründe haben: gegeneinander verschobene Achsen bei der Werkzeug/Bauteil-Positionierung, beginnendes Spiel in der Spannvorrichtung, die falsche Form des Werkzeugs, einen systematischen Fehler, etwa einen Denkfehler bei der Prozessauslegung, oder eine Kombination dieser Gründe. Manchmal ist die Abweichung selbst gar nur eine Mess-Illusion.

Volker Böß, Mathematiker und promovierter Maschinenbau-Ingenieur, hat all das schon erlebt. Er arbeitet als Leiter der CAx-Entwicklung am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, das Teil des Produktionstechnischen Zentrums Hannover (PZH) ist. Gemeinsam war den Industriekunden, mit denen er die Ursache ihrer Soll-Abweichungen gesucht und gefunden hat, eins: „Die Ingenieure hatten immer eine oder auch gleich mehrere Vermutungen, wo das Problem liegen könnte, aber diese Vermutungen zu testen wäre extrem aufwändig und teuer gewesen. Denn meistens bedeutet das ja Produktionsstopp“.

Aus diesem Grund fragten sie stattdessen Volker Böß um Rat. Denn er testet die Vermutungen, ohne Maschinen auseinanderzunehmen. Am Anfang eines neuen Kontakts steht immer die intensive Diskussion. Oft hilft schon der kritische Blick von außen, mögliche Fehlerursachen zu entdecken, an die bisher noch niemand gedacht hat. Schritt zwei ist die Simulation des problematischen Fertigungsschrittes mit Solldaten. Wenn diese Simulation das Sollergebnis liefert, ist gleich zweierlei gewonnen: „Damit können wir einen systematischen Fehler schon mal ausschließen. Und natürlich dient dieser Schritt auch als vertrauensbildende Maßnahme“, gibt Böß zu. Vertrauen in seine Software CutS, mit der er – das ist mit diesem Schritt dann nachweislich belegt – in der Lage ist, den realen Prozess nachzubilden.

Zum Beispiel beim Schleifen von Rotoren: Ein Industriekunde stellt dabei Abweichungen von der Sollkontur fest und bittet Böß um Hilfe. Dieser bildet zunächst die Idealbedingungen der eingesetzten Schleifmaschine nach und kann damit zeigen, dass auch die vom Kunden zur Prozessauslegung verwendete Software keinen systematischen Fehler verursacht. Anschließend bringt er gezielt Fehler in die CutS-Simulation ein und vergleicht das Ergebnis – das mithilfe der Software MatLab aufbereitet wird – mit den realen Werkstücken und deren Abweichungen von der Sollkontur.

Mögliche Fehlerursachen kennt Volker Böß jeweils aus der gemeinsamen, vorherigen Analyse. Gemäß dieser vermuteten Fehler variiert er entsprechend die Parameter in CutS – beispielsweise den Anstellwinkel des Werkzeugs, wenn dieser als mögliche Fehlerquelle verdächtigt wird – und schaut, was dabei herauskommt. Meistens lässt der „echte Fehler“ auch in der Simulation nicht lange auf sich warten und das Bauteil wird, in der simulierten Fertigung, mit genau der Abweichung erzeugt, die den Kunden in der Produktionsrealität das Leben schwer macht. „Je genauer man vorher die Situation gemeinsam durchdenkt, desto schneller kommt man mit CutS an den heiklen Punkt.“ Tatsächlich testet Böß aber auch die anderen „Verdächtigen“, denn gelegentlich ergeben sich überraschende Wechselwirkungen verschiedener möglicher Fehlerquellen.

Im Rotoren-Beispiel zeigte sich, dass ein Ausgleich des angenommenen Fehlers durch die Änderung von Maschinenparametern nicht möglich war. Eine Alternative zur erforderlichen Anpassung der Zustellung bestand aber darin, das Schleifscheibenprofil zu verschieben. Um dieses vorgeschlagene Korrekturverfahren zu überprüfen, bildete Böß in der Simulation nicht nur den Fehler, sondern auch die entsprechenden Korrekturen ab und erreichte eine sehr gute Überdeckung mit der Sollkontur. Eine Überdeckung, die sich später übrigens auch in der realen Produktion genau so einstellte.

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen Dr.-Ing. Volker Böß vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen unter Telefon +49 511 762 4855 oder per E-Mail unter boess@ifw.uni-hannover.de zur Verfügung.
Zum Produktionstechnischen Zentrum Hannover (PZH):
Das PZH ist Teil der Leibniz Universität Hannover; seit 2004 sind die sechs produktionstechnischen Institute der Fakultät für Maschinenbau in diesem Zentrum zusammengeschlossen. Zum PZH gehören außerdem die PZH GmbH, die als Universitätstochter unter anderem die Verwaltung des Gebäudes und Aufgaben des Technologietransfers übernimmt, und zahlreiche Unternehmen der Produktionstechnik. Rund 450 Menschen arbeiten im PZH, darunter etwa 250 (Ingenieur-)Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen. Dazu kommen rund 400 studentische Hilfskräfte.

Das PZH ist eine Lehr- und Forschungsstätte. Grundlagen- und industrielle Auftragsforschung werden hier auf höchstem Niveau betrieben: 2009 hat das PZH fast 21 Millionen Euro Drittmittel eingeworben. Im Förder-Ranking 2009 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wird die Leibniz Universität im Bereich Produktionstechnik als mit „erheblichem Abstand bewilligungsstärkste Einrichtung“ der DFG geführt. Der Maschinenbau der Leibniz Universität insgesamt erreichte im CHE-Ranking 2010 in den drei Forschungskategorien „Forschungsgelder“, „Promotionen“ und „Erfindungen“ jeweils die Spitzengruppe.