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Schutz für Werkzeugmaschinen und Bauteile 5G-Sensorik zur Kollisionskontrolle

Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Komplexe Produktionsprozesse erfordern einen extrem zuverlässigen Datenaustausch. Ericsson und das Fraunhofer IPT erproben hierfür URLLC-Funktionen (Ultra Reliable and Low Latency Communication) anhand eines realen Produktionsszenarios zur Kollisionskontrolle in Werkzeugmaschinen.

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Kollisionskontrolle mittels eines 5G-Sensors in Werkzeugmaschinen.
Kollisionskontrolle mittels eines 5G-Sensors in Werkzeugmaschinen.
(Bild: obs/Ericsson GmbH/Fraunhofer IPT)

In hochflexiblen und vernetzten Fertigungssystemen ist es erforderlich, dass sämtliche Prozesse und verteilte Systeme ihre Daten extrem zuverlässig und mit nur geringen Verzögerungszeiten austauschen können. Für diese „Ultra Reliable and Low Latency Communication (URLLC)“ erarbeitet das 3rd Generation Partnership Project (3GPP), eine weltweite Kooperation für die Standardisierung von Mobilfunktechnologien, einen neuen Standard für zukünftige 5G-Produkte. In Aachen werden nun die vorgesehenen URLLC-Funktionen durch den schwedischen Mobilfunkausrüster Ericsson und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT näher untersucht.

Fertigungsprozesse wie das Fräsen hochkomplexer Bauteile zu beherrschen bedeute vor allem, schnell Abweichungen in der Bewegung des Werkzeugs zu erkennen und darauf innerhalb weniger Millisekunden zu reagieren, erklären die Projektteilnehmer. Mit maschinenintegrierter Sensorik könnten Prozessdaten erfasst werden; der neue Mobilfunkstandard 5G könne sicherstellen, dass die gewonnenen Daten drahtlos so schnell und zuverlässig übertragen werden, dass die Werkzeugmaschine auf Veränderungen im Prozess reagieren kann, noch bevor das Bauteil beschädigt wird.

Im Anwendungsfall der Kollisionsdetektion, der jetzt in Aachen beispielhaft erprobt wird, erkenne ein Sensor die Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem Bauteil so schnell, dass die Maschine jederzeit rechtzeitig gestoppt werden könne. So sei es möglich, teils immense Schäden, beispielsweise an der Maschinenspindel, zuverlässig und ohne menschliches Eingreifen zu vermeiden.

Höhere Datenraten und geringere Latenzen im mmWave-Spektrum

Ein neues modulares Testsystem von Ericsson diene dazu, den geforderten URLLC-Spezifikationen in diesem Anwendungsfall gerecht zu werden. Das Testsystem arbeite hierfür im Millimeterwellenlängenbereich (mmWave), einem neuen 5G-Spektrum mit Frequenzen zwischen 24 und 28 GHz, das bei der Bundesnetzagentur ab sofort beantragt werden könne. Während sich mehr als 80 Firmen stationäre 5G-Systeme des Frequenzbereichs von 3,7 bis 3,8 GHz in Deutschland gesichert hätten, sei der Millimeterwellenlängenbereich in der Produktion bisher neu und kaum erprobt.

Der größere Spektralbereich erlaube jedoch noch höhere Datenraten und geringere Latenzen als in die bisherigen Systeme, sodass auch besonders zeitkritische Anwendungen wie die Kollisionsdetektion nun umgesetzt werden könnten.

Kollisionsüberwachung in der Werkzeugmaschine als Blaupause

Das Ericsson-Testsystem im Millimeterwellenlängenbereich werde jetzt vom Fraunhofer IPT im Kontext des 5G-Industry Campus Europe getestet und erprobt. „Gerade der extrem latenzkritische Anwendungsfall der Kollisionsdetektion liefert uns eine gute Möglichkeit, die Potenziale des zusätzlichen Frequenzbereichs auszuschöpfen und industrielle Fertigungsprozesse bis an ihre Grenzen auszureizen“, sagt Jan-Peter Meyer-Kahlen, Leiter von Ericssons Forschungs- und Entwicklungsstandort Eurolab bei Aachen.

„So können wir nun auch Prozesse kontrollieren und steuern, die bisher aufgrund ihrer Komplexität technisch kaum zu beherrschen waren. Indem wir die enormen Datenmengen, die im Fräsprozess entstehen, innerhalb kürzester Zeit erfassen, verarbeiten und in die Werkzeugmaschine zurückspielen können, eröffnet 5G völlig neue Anwendungsfelder für unsere Projektpartner“, ergänzt Niels König, Koordinator des 5G-Industry Campus Europe am Fraunhofer IPT.

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