KMU-innovativ Intelligente Bohrspindeln für optimierte Prozesse und prädiktive Instandhaltung (SmartBoringMill)

Problemstellung
In der Produktion von Großbauteilen, wie z. B. Getriebe- bzw. Motorgehäuse für Windkraftanlagen, den Schiffsbau oder für Schienenfahrzeuge, werden vorwiegend große Horizontal-Bohr- und Fräsmaschinen eingesetzt, sogenannte Bohrwerke. Eine Kernkomponente der Bohrwerke ist die Bohrspindel, welche im Vergleich zu klassischen Frässpindeln eine bewegliche Arbeitsspindel besitzt. Solche Bohrspindeln müssen nach vier bis sechs Jahren aufgrund von Verschleiß ausgetauscht werden. Dies wird aufgrund der hohen Kosten nicht präventiv durchgeführt, sodass jeweils teure Stillstände von bis zu 25 Wochen entstehen. Verursacht wird die Abnutzung vor allem durch selbsterzeugte Schwingungen (Rattern). Die Projektidee besteht darin, den Zeitpunkt für einen Austausch der Bohrspindel planbar zu machen und das sogenannte Rattern frühzeitig zu erkennen.

Ziel
Ziel des KMU-innovativ Projekts SmartBoringMill ist die Steigerung der Gesamtanlageneffektivität von Bohrwerken durch die Entwicklung einer intelligenten Bohrspindel. Hierfür werden zwei Überwachungsmodule erarbeitet: Ein Verschleißüberwachungsmodul für die prädiktive Instandhaltung soll Stillstandzeiten reduzieren. Ein Rattererkennungsmodul soll dabei helfen, die Oberflächenqualität von Bauteilen sowie die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Bohrspindeln zu erhöhen.

Vorgehensweise
Für die Realisierung des modularen Überwachungssystems ist zunächst die Integration von Beschleunigungssensoren inklusive der Auswerteelektronik in die Bohrspindeln notwendig. Im nächsten Schritt werden neue Algorithmen zur Überwachung der Gleitlager der beweglichen Arbeitsspindel auf Basis von Beschleunigungssignalen und Spindelstrom und zur Erkennung von Ratterschwingungen auf Basis von Beschleunigungssignalen aus der Spindel erarbeitet. Die smarte Bohrspindel mit den Überwachungsmodulen wird zunächst unter Laborbedingungen getestet und anschließend im Bohrwerk des Anwendungspartners prototypisch integriert und getestet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Spätestens zwei Jahre nach erfolgreichem Projektabschluss sollen die ersten modularen Überwachungssysteme bei Kunden installiert werden. Das geplante Überwachungssystem kann einerseits in neue Bohrspindeln integriert und andererseits für bestehende Bohrspindeln nachgerüstet werden. Durch die Reduktion von Ausschussteilen bzw. Nacharbeit sowie durch die Reduktion von ungeplanten Ausfallzeiten sind jährliche Kosteneinsparungen von bis zu 100T€ pro Maschine zu erwarten. Im Anschluss sollen weitere Module entwickelt werden, z. B. zur Kollisionsüberwachung. Eine Anpassung des Überwachungssystems auf Bohrspindeln weiterer Hersteller ist ebenfalls denkbar.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• SPANO GmbH Spannsysteme und Normalien
• UWC Engineering GmbH