Adaptief frezen in de startblokken

Simulatie van het freesproces is mooi. Maar beter is nog als het proces on the fly wordt aangepast aan de reële omstandigheden. Adaptief frezen is verder ontwikkeld dan menigeen wellicht denkt. En als de metaalindustrie de cloud omarmt, ontstaan er nog veel meer mogelijkheden. Stelt een cloud-applicatie straks de voeding van de machine bij?

Kostenreductie. Extra capaciteit zonder investeringen in nieuwe machines. En nieuwe materialen. Dat zijn de drie thema’s die momenteel de ontwikkelingen in de verspaning voor de aerospace-industrie bepalen. Goed samenspel tussen de reële wereld van de CNC-machine en de virtuele wereld verlegt grenzen. Voor professor Keith Ridgway, verbonden aan het Advanced Manufacturing Research Center van de universiteit van Sheffield, is er maar één richting waarin je deze thema’s moet oppakken: een integrale aanpak. Daarmee reduceer je productietijden en dus kosten en hou je uiteindelijk werkgelegenheid in Europa. De Starrag Group is een van de industriepartners waar het AMRC mee samenwerkt. De Zwitserse machinebouwgroep gelooft dat de toekomst van de verspaning niet alleen in de hardware ligt. Men is bijvoorbeeld druk bezig met adaptief frezen. De reden hiervoor is simpel: turbine- en compressorschoepen zijn dikwijls smeed- of gietdelen van titaan, inconel of andere materialen; geometrisch allemaal uniek. Dat betekent veel handmatig uitlijnen voordat je kunt gaan frezen.

Best Fit

Bij de ontwikkeling van het adaptief freesproces speelt het Britse TTL, de CAM-ontwikkelaar binnen de Starrag Group, een belangrijke rol. Een eerste stap richting adaptief frezen is de Best Fit optie, die ook leverbaar is op oudere machines zolang deze met Siemensbesturing zijn uitgerust. Met een Renishaw meettaster wordt het product op 11 kritische punten gemeten waarna softwarematig het onderdeel zo gepositioneerd wordt, dat de overmaat gelijkmatig is verdeeld. Handmatig uitlijnen is niet langer nodig. Ook minimale afwijkingen in een opspanning kunnen zo automatisch door de software worden gecorrigeerd. Kan het werkstuk niet binnen een vooraf ingegeven tolerantie virtueel juist gepositioneerd worden, dan geeft de besturing een signaal dat het werkstuk niet automatisch gefreesd kan worden. In de machinebesturing – dus zonder terug te gaan naar het CAM-programma – wordt het NC-programma aangepast. Een vervolgstap waar Starrag samen met Renishaw aan werkt, is het opnemen van het product met de nieuwe Sprint scantaster van Renishaw. Deze taster scant 1000 punten per seconde. Dit zorgt voor een veel nauwkeurigere scanning van het product in slechts 20 procent van de tijd. Omdat de Renishaw Sprint taster een marge kent van 1 mm, is het virtueel positioneren met de Best Fit optie noodzakelijk. De kwart miljoen punten die na vijf minuten zijn verzameld, worden door de RCS-module van Starrag vergeleken met het CAD-model waarna de software automatisch een nieuw model genereert dat als basis dient voor het NC-programma.

Closed loop EDM-machine

Meerdere partijen zijn bezig met adaptieve verspaning. Alicona Manufacturing en Makino hebben True Adapt Closed-Loop Manufacturing ontwikkeld. De Amerikaanse tak van de machinebouwer en het Oostenrijkse Alicona gebruiken als basis een precisie EDM-machine, de EDAF 2, die voorzien is van contactloos 3D-meetsysteem en een adaptieve besturing. Als het werkstuk in de machine is opgespannen, wordt het contactloos gemeten. Dat gebeurt met een speciale sensor van Alicona, die zeer snel meet in combinatie met een hoge verticale resolutie. Zowel de vorm, positie als het oppervlak kunnen gemeten worden. Eventuele afwijkingen worden rechtstreeks doorgegeven aan de machinebesturing, die automatisch de procesparameters aanpast voor de bewerking. Tijdens het bewerken kan deze meetcyclus herhaald worden. Alicona noemt het concept Closed Loop Machine: bewerken en meten gebeurt in de machine, zonder de werkstukken uit de opspanning te halen. En meetdata worden direct door de besturing verwerkt voor de verdere bewerking. In de praktijk kan de nauwkeurigheid hierdoor tot een factor 4 hoger uitvallen.

Combineren met sensortechnologie

Siemens zet in op de combinatie van besturing en sensortechnologie. Via het platform Siemens Teamcenter worden procesdata uit de verschillende bewerkingen bij elkaar gebracht. Dat wordt aangevuld met gegevens uit diverse sensoren, ‘input controlled adaptive machining’ noemt men dit bij Siemens. Met sensoren worden factoren zoals temperatuur, trilling en krachten gemeten en deze worden teruggekoppeld naar de besturing, zodat het programma waar je mee freest, zich automatisch aanpast.” Ook energieverbruik is een van de zaken die men meet. Siemens wil het energieverbruik als factor gebruiken om het proces bij te sturen, zodat je voortdurend energieoptimaal aan het verspanen bent. Nog een stap verder in de toekomst zal de integratie van additive manufacturing in het productieproces worden. Als dat lukt, kunnen engineers de turbocomponenten optimaal designen omdat ze niet meer gebonden zijn aan vormen die met verspanende technieken maakbaar zijn.

Temperatuursbeïnvloeding corrigeren

Ook in de groot verspaning wordt met deze combinatie geëxperimenteerd. Fraunhofer IPT en SHW Werkzeugmaschinen integreren een meetsysteem in een 20 m lang machinebed om automatisch positioneerfouten te corrigeren. Drie kwart van de productiefouten van grote frees- of draaiwerkstukken is terug te leiden tot temperatuurschommelingen tijdens de productie. Dat geldt met name bij grote bewerkingscentra, waar een minimale afwijking grote gevolgen heeft voor de maatnauwkeurigheid. Deze sensoren bewaken de vervorming van de machine tijdens het verspanen. Deze data worden realtime onder de bewerking verwerkt in een wiskundige model dat berekent of en hoeveel de machine gaat vervormen. Deze uitkomsten worden verwerkt door een compensatiemodel dat de positie van het gereedschap corrigeert. Op deze manier denken de partijen de nauwkeurigheid van grote bewerkingscentra continu te kunnen bewaken en maatvoeringsfouten te voorkomen, zonder dat geïnvesteerd moet worden in klimaatbeheersing van de productiehal en dure systemen voor thermische stabiliteit van de machine. Het systeem heeft nog een verdere stap nodig voor industriële toepassing.

Smart tools

Ook gereedschapfabrikanten werken aan dit soort concepten. In de toekomst zullen sensoren in gereedschappen worden geïntegreerd die dan direct communiceren met smart databases in de cloud. Verspanende processen worden dan real time bijgestuurd op basis van de data uit de sensoren en de gegevens die bekend zijn uit de databank. Dat is eveneens een vorm van adaptief verspanen, dat op termijn zal leiden naar een volledig autonome fabriek. “De mensen gaan dan weg uit de fabriek. Dit gaat nog verder dan robotiseren”, aldus Michael Standridge, aerospace specialist bij Sandvik Coromant. Smart tools gaan volgens de gereedschappenfabrikant een heel nieuw tijdperk in de verspaning inluiden.

Dit artikel is gepubliceerd in het Jaarboek Verspanen 2015