04:32 05 Juni 2020
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    Die 5G-Technologie wird Industrieprozesse beschleunigen und die Kosten durch eine Überwachung im Millisekundentakt senken. Das zeigen erste Versuche in realen Fertigungsumgebungen im Rahmen des Projekts „5G-SMART“.

    Unter 5G stellen sich viele Leute schnelleres Internet für alle vor. Falsch gedacht: Das schnelle Internet kommt vielleicht, aber sicher nicht als erstes, denn das größte Interesse an 5G besteht in der Industrie, wo sich Unternehmen effizientere Prozesse und eine gesteigerte und präzisere Produktion von 5G erhoffen.

    Wie 5G sich in der Fertigung bewährt, wird gegenwärtig im Rahmen des europäischen Projekts „5G-SMART“ im Realbetrieb erprobt. Koordiniert wird das Projekt vom schwedischen Telekommunikationsausrüster Ericsson. Insgesamt gibt es drei Versuchsstätten. In einer von ihnen beleuchtet die schwedische Firma ABB das Thema Robotik und 5G. In einer weiteren beschäftigt sich Bosch mit der Fertigung von Halbleitern sowie der Automatisierung mittels autonomer Roboter. Und in Aachen konzentriert sich das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT auf die Überwachung von Zerspanungsprozessen mittels kabelloser 5G-Sensorik.

    Mit Sensoren den Verschleiß von Maschinen überwachen

    „Wir entwickeln verschiedenste Sensorlösungen für das Monitoring von Zerspanungsprozessen, um die Prozesse besser kontrollieren und dokumentieren zu können“, erklärt Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik am Fraunhofer IPT, im Sputnik-Interview. Bei Zerspanungsprozessen wie Fräsen und Bohren entsteht unter anderem ein charakteristisches, akustisches Spektrum. Hier setzt das Fraunhofer IPT mit Körperschallsensorik an. Konkret handle es sich um „hochaufgelöste und hochfrequente Beschleunigungsaufnahmen“, erklärt König. Da durch die 5G-Technologie extrem dichte Aufnahmeabfolgen möglich sind, können kleinste Veränderungen in diesen Aufnahmen erkannt werden, und diese Veränderungen lassen Rückschlüsse auf Probleme im Prozess, im Fall der Zerspanung – auf einen fortgeschrittenen Verschleiß des Zerspanwerkzeugs – zu. „Der Verschleißzustand ist charakteristisch, drückt sich im Körperschall aus und kann von den Sensoren detektiert werden“, so König.

    Diese Untersuchungen haben einen unmittelbaren Nutzen für die Fertigungsprozesse: Verschlissene Werkzeuge vermindern die Qualität der gefertigten Teile und liefern im Extremfall unbrauchbare Produkte. Da aber jedes neue Werkzeug mit Kosten verbunden ist, sollte der Austausch nur dann erfolgen, wenn er wirklich notwendig ist. Durch ultraschnelle Körperschallsensoren lässt sich genau das erreichen: den Punkt ermitteln, an dem der Verschleißzustand einen Austausch notwendig macht und im Fall eines Werkzeugbruchs oder einer Kollision mit der für 5G charakteristischen kurzen Latenzzeit die Maschine automatisch abzuschalten. Damit liefert 5G einen unmittelbaren wirtschaftlichen Vorteil.

    Alle Parameter auf einen Blick mit der Multisensorplattform

    Eine weitere vom Fraunhofer IPT untersuchte Anwendung ist die Multisensorplattform. König erklärt diese in Analogie zum Smartphone. In jedem Gerät dieser Art seien verschiedene Sensoren wie Mikrophon, Beschleunigungssensor, Gyroskop oder Temperatursensor verbaut.

    „So etwas wollen wir auch für die Produktion entwickeln, also eine Plattform mit vielen verschiedenen Sensoren, sodass diese Plattform als universelles Layout für verschiedenste Anwendungen in der Produktion eingesetzt, kabellos betrieben und sehr einfach nachgerüstet werden kann“, erläutert er.

    Diese Multisensorplattformen könnten direkt an Bauteilen befestigt werden und bei den verschiedenen Produktionsschritten Informationen sammeln und an die Edge-Cloud senden. Ebenfalls würden sie sich eignen, um unterschiedlichste Parameter von Werkzeugmaschinen zu überwachen, etwa: Geräuschemissionen, Luftfeuchtigkeit oder Temperatur. Zudem können zukünftig durch solche Plattformen jederzeit Gegenstände in der Fertigungshalle mit einer Genauigkeit von einem Meter geortet werden.

    Die Messaufnehmer selbst entwickelt das Fraunhofer IPT nicht. „Es geht um die Datenerfassung und Auswerteelektronik, die wir speziell entwickeln, um die Daten vorzubearbeiten und direkt in Datenpakete zu packen, damit man sie über bestimmte Kommunikationsprotokolle über 5G absetzen kann“, erklärt König. Es geht also um die Organisation des Flusses der von den Sensoren erhobenen Daten im 5G-Netz.

    Eine eingängige Demonstration am Bohrprozess:

    „Wir haben bereits die erste Version für den Körperschallsensor entwickelt und im September 2019 demonstriert. Dafür haben wir vom Sensorhersteller Marposs, der ebenfalls Projektpartner in 5G-SMART ist, einen Körperschallaufnehmer bekommen und uns mit der eigentlichen Signalverarbeitung und -aufbereitung befasst“, so König. Die Zustandsdaten, die Aufschluss geben, ob der Bohrer verschlissen ist und die Schneidkanten stumpf geworden sind, werden über 5G übertragen, und ein Rechner leitet die nötige Aktion wie z.B. den Abbruch des Bearbeitungsprozesses aus diesen Daten ab. „Es ist eine sehr einfache Demonstration, um zu zeigen, dass man über das Prozessmonitoring am Ende Aktionen ableitet, die in die Produktion zurückfließen“, bemerkt König.

    5G kann in der Industrie Kosten senken

    Und wie wirkt sich das auf die Produktionskosten aus? „Was die Überwachung des Werkzeugverschleißes angeht, rechnen wir, dass man mit einer sehr engmaschigen Verschleißüberwachung circa 17 Prozent längere Werkzeugstandzeiten beziehungsweise die entsprechende Kosteneinsparung erreichen kann, weil man den Verschleißzustand des Werkzeugs einfach besser kennt“, so König. „5G verspricht ähnliche wirtschaftliche Vorteile in vielen Produktionsschritten. Diese müssen jeweils separat beziffert werden. Hierzu entwickeln wir in 5G-SMART spezifische Kostenrechnungsmodelle.“ Dies ist für König ein wesentlicher Baustein zur wirtschaftlichen Einführung von 5G in die Produktion und ein weiterer Beitrag zur Industrie 4.0.

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    Tags:
    Industrie 4.0, 5G