Produktdatenerfassung beim Profilbiegen - Umsetzung eines Handmessgeräts zur Konturvermessung von gebogenen Profilen

Peter Groche, Thomas Kessler, Johannes Hohmann und Dominik Huttel

Kinematische Profilbiegeverfahren, wie das Drei-Rollen-Profilbiegen, zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität hinsichtlich der fertigbaren Konturen aus. Der geringe Automatisierungsgrad und die überwiegend manuelle Qualitätskontrolle führen jedoch zu einem hohen Personal- und Zeitaufwand. Das Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Darmstadt hat mit der Herkules Wetzlar GmbH ein Umsetzungsprojekt zur Erfassung und Digitalisierung der Kontur gebogener Profile durchgeführt. Mit den erzielten Ergebnissen konnte der Mehrwert durch die Implementierung von Sensorik in der Produktion gezeigt werden.

Das Biegen von Profilen mit kinematischen Profilbiegeverfahren, wie dem Drei-Rollen-Profilbiegen, ist zwar seit vielen Jahrzehnten industriell etabliert, aber noch immer sehr stark abhängig von der Erfahrung des Bedienpersonals. Die Nutzung von Sensoren und/oder digitalen Elementen in diesem Produktionsumfeld ist nur wenig verbreitet, obwohl diese ein großes Potenzial bei der Fehleranalyse und Effizienzsteigerung bieten. Einerseits liegt dies an der hohen Produktdiversität, hinsichtlich der Anwendungsgebiete und der sehr großen Anzahl an unterschiedlichen Profilmaterialien, -querschnitten, -konturen und –größen (Bild 1). Anderseits gibt es für ein solches Spektrum an Bauteildimensionen bislang keine geeigneten Messsysteme mit einerausreichend hohen Genauigkeit und einfachen Digitalisierungsmöglichkeiten auf dem Markt.
 

Unternehmen und Produkt

Die Herkules Wetzlar GmbH besitzt ihre Kernkompetenzen im Bereich des Biegemaschinenbaus und der Lohnfertigung von gebogenen Profilen. Der Bereich der Lohnfertigung umfasst die Fertigung von Einzelteilen, Klein- und Großserien sowie die Unterstützung von Kunden, die Biegemaschinen in die eigene Produktion integrieren, bei Serienanläufen.
Dabei wird ein Produktspektrum von Biegeteilen mit Querschnittsabmessungen von wenigen mm bis hin zu mehreren hundert mm sowie Profillängen von bis zu 24 m abgedeckt. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität kommen hierbei überwiegend Drei-Rollen-Profilbiegemaschinen zum Einsatz. Durch die Kombination der beiden Geschäftsbereiche ist die Herkules Wetzlar GmbH in der Lage, auf die individuellen Bedürfnisse einer großen Bandbreite von Kunden einzugehen und kundenorientierte Lösungen anzubieten, was auch den Bau von Sondermaschinen im Bereich des Profilbiegens einschließt.
Durch die iterativen und erfahrungsbasierten Prozesse ist das Unternehmen im Bereich der Lohnfertigung jedoch stark abhängig vom Know-how und der Erfahrung der Mitarbeiter/-innen. Weiter werden die notwendigen Messungen der Qualitätsmerkmale bisweilen manuell mit Hilfsmitteln wie bspw. Schablonen oder 1:1-Anrissen auf dem Hallenboden durchgeführt. Dabei ergibt sich ein sehr hoher Personal- und Zeitaufwand. Um zukunftssicher flexibel und robust produzieren zu können, ist der Einzug digitaler Technik in einem solchen produktiven Umfeld unumgänglich.
 


Bild 1: Anwendungsbeispiele von gebogenen Profilen.

Ausgangssituation und Zielsetzung

Das Drei-Rollen-Profilbiegen zeichnet sich durch seine hohe Adaptivität aus, die es ermöglicht, mit einfachen Werkzeugen eine Vielzahl von Profilkonturen mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien zu fertigen. Des Weiteren ermöglicht die prozessinhärente Flexibilität, auf Schwankungen der Halbzeugeigenschaften, welche die elastisch-plastische Umformung beeinflussen, zu reagieren und diese zu kompensieren. Im Hinblick auf die iterative Prozessführung bietet das Drei-Rollen-Profilbiegen den Vorteil einer möglichen mehrstufigen Profilbiegung, was beispielweise eine Korrektur eines bereits gebogenen Bauteils und somit eine Reduzierung von Ausschuss ermöglicht.
Das Profilbiegen, besonders für Einzelteile und Kleinserien zeichnet sich durch eine stark personalgeprägte, iterative Prozessführung aus. Die Erfahrung und das Know-how des Personals spielen hierbei eine entscheidende Rolle beim Adaptieren des Prozesses, was vor dem Hintergrund eines zunehmenden Fachkräftemangels eine große Herausforderung darstellt. Bild 2 zeigt den schematischen Ablauf der Prozessführung beim Drei-Rollen-Profilbiegen. Das Profil wird zunächst in die Biegemaschine eingelegt und auf Basis von empirischen Erfahrungswerten in einer ersten Biegung umgeformt. Anschließend erfolgt die Messung der Profilkontur bspw. mithilfe von Schablonen, Lehren, Anrissen oder Ersatzgrößen wie Sekanten- und Stichmaßen (Bild 3). Bei der Verwendung von Schablonen, Lehren und Anrissen ist lediglich ein qualitativer Abgleich der vorliegenden Profilkontur mit der Sollgeometrie möglich. Mithilfe von Sekanten- und Stichmaßen können die an einem Profil vorliegenden Biegeradien stichprobenartig erfasst und mit den jeweiligen Sollwerten abgeglichen werden. Eine ganzheitliche Erfassung der Profilkontur ist hierdurch jedoch nur eingeschränkt möglich, da die Berechnung der Biegeradien anhand dieser manuell gemessenen Ersatzgrößen mit einer starken Mittelung einhergeht. Erfüllt die Profilgeometrie nicht die erforderlichen Toleranzen wird auf Basis der manuell gewonnenen Informationen eine Korrekturbiegung vorgenommen und der Vorgang wiederholt, bis die Sollgeometrie erreicht ist. Die Zahl der so durchgeführten Iterationen kann in Abhängigkeit des zu biegenden Profils und des bedienenden Personals zwischen zwei und neun liegen. So ist besonders bei großen Profilquerschnitten ein mehrfaches schrittweises Biegen des Profils erforderlich, um durch die vorhandene Antriebsleistung den Profilvorschub zu gewährleisten.

Durch die manuelle Messung der Profilkontur und dem damit verbundenen Materialhandling ergeben sich hohe Prozessnebenzeiten. Vor allem Profile mit großen Abmessungen sind nur mit einem erhöhten Zeit- und Personalaufwand mess- und überprüfbar. Zudem ist die Erfassung der Daten und die nachträgliche Ablage oder Weiterverarbeitung bei manuellen Messungen immer an den/die Bearbeiter/ in gebunden. Gängige Praxis ist das Ausfüllen von Prüfprotokollen, welche digital abgelegt werden können (Scan des Protokolls). Eine weitere Verknüpfung findet bedingt durch die manuelle Aufnahme und den damit verbundenen Mehraufwand zur Digitalisierung i. d. R. nicht statt.
Die bei der Herkules Wetzlar GmbH eingesetzten Messverfahren zum manuellen Erfassen der Profilkontur stellen den aktuellen industriellen Standard dar. Auf dem Markt verfügbare und für den Drei-Rollen-Profilbiegeprozess konfektionierte Automatisierungslösungen nutzen taktile Stützpunktverfahren zur Online-Erfassung des Biegeradius am Auslauf der Biegemaschine.

Hierbei wird durch die Erfassung von drei Stützpunkten (oder mehr) auf der Profiloberfläche mithilfe der Kreisgleichung der Biegeradius berechnet. Derartige lokal arbeitende Krümmngssensoren auf Basis von Stützpunktverfahren haben jedoch den Nachteil, dass Oberflächenbeschädigungen des Profils zu großen Abweichungen des ermittelten Radius führen können. Des Weiteren besteht ein Zielkonflikt zwischen der Messung von großen Biegeradien und einem möglichst kleinen Abstand zwischen den äußeren Messpunkten. Mit zunehmendem Abstand der äußeren Messpunkte nimmt die Sekantenhöhe, die durch den mittleren Messpunkt erfasst wird, zu, wodurch auch große Biegeradien mit einem beschränkten Messfehler gemessen werden können. Gegenläufig hierzu sinkt mit zunehmendem Abstand der äußeren Messpunkte die Eignung des Messverfahrens zur Erfassung von Radiusverläufen [2].
Neben den verfügbaren Systemen zur Online-Erfassung des Biegeradius beim Drei-Rollen-Profilbiegen existieren Systeme für eine dem Prozess nachgeschaltete Messung der Profilkontur. Beispiele hierfür sind das optische Rohrvermessungssystem TUBOSCAN (Tracto-technik GmbH & CO. KG) [3] sowie optische und taktile Koordinaten-Messmaschinen und –Messarme. Aufgrund des begrenzten Messvolumens dieser Systeme ist deren Anwendbarkeit hinsichtlich der Bauteilgröße jedoch eingeschränkt.

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