Stanz- und Pressenprozesse absichern: Einlegekontrolle, Teileauswurf und Stanzbildprüfung

Ein Umform- oder Stanzwerkzeug ist das teuerste Einzelteil in der Presse und gleichzeitig das empfindlichste. Es genügt, dass ein gestanztes Teil nach dem Hub im Werkzeug hängen bleibt, dass ein Stanzrest im Werkzeugraum liegt oder dass zwei Zuschnitte übereinander eingelegt werden, und die nächste Pressenbewegung richtet einen Schaden an, der die Maschine für Tage stilllegt. Deshalb ist die Anwesenheitsprüfung in Presswerk und Stanzerei eine eigenständige Aufgabe mit einem Business Case, der nichts mit Personalkosten zu tun hat. Dieser Beitrag zeigt, an welchen drei Stellen am Werkzeug geprüft wird, wie ein Sensor in eine Bohrung im Werkzeug kommt, wie das Stanzbild im Durchlauf kontrolliert wird und wie sich Dutzende Werkzeugvarianten mit wenigen Prüfprogrammen beherrschen lassen.

Wichtige Punkte im Überblick

An der Presse entsteht der Schaden im eigenen Haus: Ein hängengebliebenes Teil, ein Stanzrest oder ein doppelt eingelegter Zuschnitt zerstört beim nächsten Hub das Werkzeug, und die Prüfung rechnet gegen Werkzeugkosten und Stillstand statt gegen Personalkosten.
Der Werkzeugschutz beantwortet drei Fragen im Takt: vor dem Hub das lagerichtige Einlegen, nach dem Hub den Teileauswurf und zwischen den Hüben den freien Werkzeugraum.
Für die Abfrage im Werkzeug wird der wenige Millimeter dünne Faserkopf eines digitalen Lichtleitersensors der Modellreihe FS-N in eine Bohrung eingesetzt und verschraubt, wobei die Durchlichtanordnung stabiler arbeitet als die Reflexion.
Ein AI-Vision-Sensor der Modellreihe IV4 prüft das Stanzbild mit mehreren Prüfstellen in einem Programm und hält bis zu 128 Programme, die die Pressensteuerung beim Werkzeugwechsel vorwählt.
Flache Stanzreste auf glänzender Werkzeugfläche sind im 2D-Bild kaum vom Hintergrund zu trennen: Die Kontrolle des freien Werkzeugraums arbeitet deshalb über das Höhenprofil, das Erhebungen unabhängig von der Helligkeit erkennt.

Werkzeugschaden statt Reklamation: warum die Presse anders rechnet

In den meisten Prüfprojekten steht am Anfang eine Reklamation beim Kunden. An der Presse ist es anders: Der Schaden entsteht im eigenen Haus, sofort und sichtbar. Ein Werkzeug muss instandgesetzt oder ersetzt werden, die Presse steht, Aufträge verschieben sich.

Das verändert die Argumentation. Eine Prüfung, die eine Sichtkontrolle ersetzt, muss sich gegen Personalkosten amortisieren. Eine Prüfung, die einen Werkzeugschaden verhindert, rechnet gegen Werkzeugkosten und Stillstandsstunden, und das gelingt in dokumentierten Anwendungen oft beim ersten verhinderten Fall. Deshalb sitzt die Abfrage an der Presse auch dort, wo keine Qualitätsforderung des Kunden dahintersteht.

Ohne Prüfung fällt der Fehler erst als Schaden auf. Rein mechanische Endlagenabfragen melden, dass eine Achse ihre Position erreicht hat, sie sagen nichts darüber, ob im Werkzeugraum noch ein Teil liegt. Der Zweck der Prüfung ist deshalb keine Dokumentation, sondern eine Verriegelung: Das Signal gibt den nächsten Hub frei oder es sperrt ihn.

Drei Prüfpunkte am Werkzeug: Einlegen, Auswurf, freier Werkzeugraum

In der Anwendungspraxis lässt sich der Werkzeugschutz auf drei Fragen reduzieren, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Takt beantwortet werden.

Vor dem Hub: Liegt der Zuschnitt richtig? Geprüft wird, ob eine Platine eingelegt ist, ob sie lagerichtig in der Aufnahme sitzt und ob es genau eine ist. Der doppelt eingelegte Zuschnitt ist der klassische Fall, weil er das Werkzeug im gleichen Moment überlastet, in dem der Fehler entsteht. Die Lagenfrage bei dünnen Blechen behandelt der Beitrag "Doppelblech und Blechpaket erkennen: Lagenzahl in Umform- und Fügeprozessen absichern".

Nach dem Hub: Hat das Fertigteil das Werkzeug verlassen? Ein Teil, das an der Matrize klebt oder vom Auswerfer nicht sauber übergeben wurde, wird beim nächsten Schließen eingequetscht. Die Abfrage sitzt am Auswurf, wo das Teil vorbeikommen muss, oder im Werkzeug an der Stelle, an der es nicht mehr liegen darf.

Zwischen den Hüben: Ist der Werkzeugraum frei? Stanzreste, Butzen und Späne sammeln sich, besonders bei Werkzeugen mit vielen Schnitten. Diese Frage ist die schwierigste der drei, weil ein flacher Metallrest auf glänzender Werkzeugfläche im Kamerabild kaum vom Hintergrund zu trennen ist.

Nicht jede Presse braucht alle drei Punkte. Bei einem Werkzeug mit langer Wiederbeschaffungszeit lohnen alle drei Abfragen, bei einem einfachen Schneidwerkzeug genügt häufig die Auswurfkontrolle.

Sensor im Werkzeug: Lichtleitersensoren in der Bohrung montieren

Im Werkzeug selbst ist kein Platz für eine Kamera und meist auch nicht für einen Sensorkopf. Der bewährte Weg führt über einen Lichtleitersensor der Modellreihe FS-N: Der Faserkopf ist wenige Millimeter dünn, wird in eine gefertigte Bohrung eingesetzt und dort verschraubt, während die Auswerteeinheit außerhalb im Schaltschrank oder am Pressenrahmen sitzt. Die Faser führt nur Licht und ist unempfindlich gegen elektrische Störungen aus der Presse.

Zwei Anordnungen decken in dokumentierten Anwendungen die meisten Fälle ab. Bei der Reflexionsanordnung sitzt ein Kopf in der Bohrung und schaut auf das Teil, das verdeckt oder reflektiert. Bei der Durchlichtanordnung stehen Sender und Empfänger einander gegenüber, das Teil unterbricht den Strahl. Durchlicht ist die stabilere Variante, weil das Ergebnis nicht von der Reflexion der Oberfläche abhängt und Öl auf dem Blech den Strahl kaum verändert.

Wo die Distanz und nicht die Unterbrechung die Antwort gibt, arbeitet ein CMOS-Lasersensor der Modellreihe LR-X mit distanzbasierter Erkennung bis 250 mm. Er lässt sich auf einen Abstandsbereich einstellen und ignoriert alles, was davor oder dahinter liegt. Trägt Optik grundsätzlich nicht, weil Kühlmittel, Späne oder wechselnde Teileform jedes Lichtsignal unbrauchbar machen, führt der Weg in dokumentierten Anwendungen zu induktiver Sensorik oder einer magnetfeldbasierten Abfrage, etwa bei einem gepressten Magneten in der Presse.

Bei der Montage lohnen zwei Vorkehrungen: Die Bohrung sollte beim Werkzeugschließen nicht zur Sollbruchstelle werden, und die Faser braucht eine Zugentlastung. Wer die Bohrung schon beim Werkzeugbau einplant, spart sich das Nachrüsten am eingerichteten Werkzeug.

Stanzbild und Lochkontrolle im Durchlauf am Stanzautomaten

Neben dem Werkzeugschutz läuft am Stanzautomaten eine zweite Prüfung: das Stanzbild. Gefragt wird, ob alle Löcher vorhanden sind und ob sie an der richtigen Stelle sitzen. Auslöser ist häufig ein gebrochener Stempel, der über Hunderte Hübe unbemerkt Teile ohne Loch produziert.

Für diese Aufgabe passt ein AI-Vision-Sensor der Modellreihe IV4. Er bewertet mehrere Prüfstellen in einem Programm, arbeitet mit einem Trigger aus der Pressensteuerung und meldet i.O./n.i.O. zurück. Die Werkzeuge AI Count und AI Identify helfen dort, wo Löcher unterschiedlich aussehen, weil Grat, Ölfilm und Lichteinfall variieren. Bildfelder liegen in dokumentierten Anwendungen zwischen rund 20 mm für ein einzelnes Merkmal und über 300 mm für ein ganzes Stanzbild, bei großen Zuschnitten darüber.

Auf glänzendem Blech ist die Beleuchtung der schwierigere Teil der Aufgabe. Polarisationsfilter vor Optik und Beleuchtung nehmen Spiegelungen aus dem Bild, und wo das Stanzband frei liegt, liefert Durchlicht die klarste Antwort: Ein Loch ist hell, kein Loch ist dunkel, Ölfilm und Oberflächenstruktur spielen keine Rolle mehr. Sind an einer Presse mehrere Inspektionsbereiche zu überwachen, etwa Einlegestelle, Stanzbild und Auswurf, verwaltet die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G diese Bereiche in einem System.

Viele Werkzeuge, eine Abfrage: Varianten und Programmvorwahl beherrschen

Eine Presse fährt selten ein Werkzeug. In dokumentierten Anwendungen sollen Dutzende Werkzeugvarianten pro Maschine mit einer Prüfstelle abgedeckt werden, und daran scheitern Lösungen, die technisch funktionieren.

Der erste Hebel ist die Programmverwaltung. Ein AI-Vision-Sensor der Modellreihe IV4 hält bis zu 128 Programme, sodass jedes Werkzeug sein eigenes bekommen kann. Die Pressensteuerung muss das Programm vorwählen, sobald das Werkzeug gewechselt wird. Muss ein Einrichter am Sensor bedienen, wird die Prüfung nach dem dritten Wechsel umgangen.

Der zweite Hebel ist die Reduktion. Werkzeuge mit gleicher Einlegeposition und ähnlicher Blechgröße lassen sich in einem robust eingestellten Programm zusammenfassen, und für den Werkzeugschutz genügt häufig eine Abfrage, die nur die kritische Stelle betrachtet. Ein Programm, das eine Gruppe zuverlässig abdeckt, ist mehr wert als dreißig Programme, die niemand pflegt.

Der dritte Hebel ist die Zuständigkeit. Die eigene Instandhaltung muss ein Programm für ein neues Werkzeug selbst anlegen können, ohne Bildverarbeitungs-Know-how und ohne externen Termin. Wo das nicht gegeben ist, bleibt die Prüfung auf dem Stand der Erstinstallation und verliert mit jedem neuen Werkzeug an Abdeckung.

Stanzreste und Späne im Pressenraum erkennen, ohne die Taktzeit zu verlieren

Die Kontrolle des freien Werkzeugraums ist die anspruchsvollste der drei Abfragen. Ein flacher Stanzrest liegt auf einer glänzenden, teils geölten Werkzeugfläche und ist im 2D-Bild von Bearbeitungsspuren und Reflexen kaum zu unterscheiden. Kamerasysteme ohne Höheninformation verwechseln in dokumentierten Anwendungen genau das und erzeugen Pseudofehler oder Schlupf.

Die Höhe löst das Problem, weil ein Rest über der Werkzeugfläche liegt und eine Bearbeitungsspur nicht. Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 bewertet ein Profil quer über den Bereich und erkennt Erhebungen unabhängig von Helligkeit. Steht das Werkzeug beim Prüfen still, vereinfacht ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 den Aufbau, weil er eine Fläche ohne Relativbewegung aufnimmt.

Die Taktzeit setzt den Rahmen. An schnellen Stanzautomaten bleiben in der Anwendungspraxis Zehntelsekunden, an Umformpressen Sekunden. Drei Maßnahmen halten die Prüfung in diesem Raster: den Prüfbereich auf die Zonen begrenzen, in denen Reste tatsächlich liegen bleiben; die Aufnahme in eine Bewegung legen, die ohnehin stattfindet, etwa das Öffnen des Werkzeugs; und nur fragen, ob etwas über der Referenzfläche liegt, statt zu klassifizieren, was es ist.

Der Arbeitsabstand folgt aus dem Bauraum und reicht in dokumentierten Anwendungen von wenigen Zentimetern im Werkzeug bis über 1000 mm beim Blick von außen in den Pressenraum. In jedem Fall muss der Halter steif und schwingungsfrei sein, denn ein mitschwingender Halter verschiebt das Bildfeld und erzeugt Fehler, die wie ein Sensorproblem aussehen und keines sind.

Wie sich die Prüfung in die übrige Prozesskette einordnet, beschreibt der Überblicksbeitrag "Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfung in der Metallverarbeitung: von der Presse bis zur Endkontrolle" im Metallverarbeitung Hub. Die weiteren Stationen behandeln "Wurde wirklich bearbeitet? Schweißnaht, Gewinde und Bearbeitungsmerkmale nachweisen" und "Beschichtung, Stopfen und Abdeckungen: Vollständigkeit im Oberflächen- und Wärmeprozess prüfen".

Häufige Fragen

F An welchen Stellen prüft man ein Stanz- oder Umformwerkzeug?

An drei Punkten im Takt: vor dem Hub, ob der Zuschnitt vorhanden und lagerichtig eingelegt ist, nach dem Hub, ob das Fertigteil das Werkzeug verlassen hat, und zwischen den Hüben, ob der Werkzeugraum frei von Stanzresten und Spänen ist. Welche Punkte nötig sind, richtet sich nach dem Schadenpotenzial des Werkzeugs; bei langer Wiederbeschaffungszeit lohnen alle drei.

F Wie bringt man einen Sensor in ein Stanzwerkzeug?

Über einen Lichtleitersensor. Der Faserkopf ist wenige Millimeter dünn, wird in eine Bohrung im Werkzeug eingesetzt und verschraubt, die Auswerteeinheit sitzt außerhalb im Schaltschrank oder am Pressenrahmen. Durchlicht ist dabei stabiler als Reflexion, weil das Ergebnis nicht von der Oberfläche abhängt. Die Bohrung sollte man beim Werkzeugbau einplanen und die Faser zugentlasten.

F Warum erkennt eine Kamera Stanzreste im Werkzeug so schlecht?

Weil ein flacher Metallrest auf einer glänzenden, geölten Werkzeugfläche im 2D-Bild dieselben Grauwerte erzeugt wie Bearbeitungsspuren und Reflexe. Die Auswertung kann beides nicht trennen und liefert Pseudofehler oder übersieht den Rest. Über die Höhe ist die Frage eindeutig, denn ein Rest liegt über der Referenzfläche. Deshalb arbeiten diese Prüfungen mit Laser-Profil- oder Snapshot-Sensoren.

F Wie prüft man das Stanzbild, also Anwesenheit und Position der Löcher?

Mit einem AI-Vision-Sensor, der mehrere Prüfstellen in einem Programm hält, per Trigger aus der Pressensteuerung auslöst und i.O./n.i.O. zurückmeldet. Auf glänzendem Blech nehmen Polarisationsfilter die Spiegelungen aus dem Bild; liegt das Stanzband frei, liefert Durchlicht die klarste Trennung zwischen Loch und Material. Häufigster Auslöser ist ein gebrochener Stempel.

F Wie beherrscht man Dutzende Werkzeugvarianten an einer Presse?

Über drei Maßnahmen. Die Prüfprogramme werden von der Pressensteuerung vorgewählt, sodass beim Werkzeugwechsel niemand am Sensor arbeitet. Werkzeuge mit gleicher Einlegeposition und ähnlicher Blechgröße werden in einem robusten Programm zusammengefasst statt einzeln gepflegt. Und die eigene Instandhaltung muss ein Programm für ein neues Werkzeug selbst anlegen können, sonst verliert die Prüfung mit jedem neuen Werkzeug an Abdeckung.

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