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Fastems Systems GmbH Blog

Automatisierung horizontaler CNC-Fräsmaschinen

September 2021
15
Fastems
Autor: Fastems
Firma: Fastems Systems GmbH
Automatisierung horizontaler CNC-Fräsmaschinen

Planvoller Einstieg
Automatisierung horizontaler CNC-Fräsmaschinen

Wo ein Wille ist, ist auch ein Weg, heißt es. Und es ist vor allem der Wille, etwas zu verändern, der in der spanabhebenden Fertigung den Weg in eine erfolgreiche Automatisierung mit höherer Wettbewerbsfähigkeit ebnet.

Jeder Fertigungsprozess verfolgt das Ziel, die Produktivität zu steigern. Shop-Floor-Layouts unterliegen daher ständigen Veränderungen und entwickeln sich im Laufe der Zeit. Im Hinblick auf die zukünftige Planung und auch Investitionsentscheidungen ist eine funktionale Anordnung bzw. Gruppierung von Maschinen unerlässlich.

Unter den Produktionsphilosophien und -methoden, die sich auf die Produktivität konzentrieren, ist LEAN eine der bekanntesten. LEAN zielt als Produktionsprozess darauf ab, Produktivität zu entwickeln, indem alles minimiert wird, was im Hinblick auf das fertige Endprodukt unnötig ist.

 

Alles im Fluss?

Innerhalb von LEAN existiert der Begriff „Flow“, oder nennen wir es auch  „Fluss“, um die verschiedenen Ströme der Wertschöpfungsketten eines bestimmten Unternehmens zu beschreiben. Im Sinne dieser Ströme existiert in der Metallverarbeitung der Fluss von:

  • Rohmaterialien
  • Bestand an halbfertigen Teilen im Fertigungsprozess (WIP, work-in-progress)
  • Fertigteilen
  • Bedienern
  • Maschinen
  • Informationen
  • Technik

Um den Fluss innerhalb der einzelnen Prozesse zu verbessern, müssen die Barrieren identifiziert werden, die ihn behindern. Die drei Hauptbarrieren in der Metallzerspanung sind Entfernung, Rüstzeiten und Qualität.

  • Entfernung: Alle Transporte zwischen Bearbeitungsprozessen und Lagern sind nicht unbedingt wertschöpfend für das Teil selbst.
  • Rüstzeiten: Dauert das Umrüsten zwischen den bearbeiteten Chargen sehr lange, besteht die Versuchung, Chargen über das eigentliche Auftragsvolumen zu fertigen, wodurch WIP und Bestände entstehen.
  • Qualität: Ist die Ausschussrate hoch, neigen Hersteller dazu, mehr zu produzieren, wodurch wiederum unnötige Bestände entstehen.

Die Liste ließe sich beliebig fortsetzen. Die entscheidende Frage lautet daher:
Welche Methoden und Lösungen gibt es, um diese Barrieren zu überwinden?

 

Prozessabläufe überdenken

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Arbeitsabläufe besteht darin, die aktuelle Philosophie in Bezug auf Werkzeugmaschinen kritisch zu hinterfragen. Durch die Fokussierung auf die Zerspanungsleistung und Auslastung der Werkzeugmaschinen wird zwar viel produziert, sie baut aber gleichzeitig auch Lagerbestände auf, bindet Stellfläche und schafft einen erhöhten Bedarf an Intralogistik. Stattdessen ist die Investition in multifunktionale Bearbeitungszentren (BAZ) ein Schlüssel zur Steigerung der Agilität bei Fräsanwendungen.

 

Investition in multifunktionale BAZ

Multifunktionale, hochproduktive 4- oder 5-Achs-BAZ sind in der Anschaffung teurer als traditionelle 3-Achs-Maschinen. Dennoch kann eine 4-Achs-Maschine mit der richtigen Automatisierung die gleiche Leistung erbringen wie drei 3-Achs-Maschinen.

Um die Investition in eine solche Maschine zu rechtfertigen, muss sie produzieren - möglichst permanent. Damit die Spindeln laufen, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

  • Erhöhung der Produktionszeit
  • Reduzierung der Rüstzeiten beim Werkstückwechsel
  • Reduzierung der Gesamtwartezeiten
  • Reduzierung von Puffern bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Service-Levels

Um eine hochproduktive Maschine auslasten zu können, empfiehlt sich eine palettenbasierte Automation. Sie schafft die notwendige Flexibilität zwischen den Aufspannungen und ermöglicht eine unbemannte Produktion. Durch die Kombination eines multifunktionalen BAZ mit flexibler Automatisierung lässt sich eine sehr hohe Auslastung der Werkzeugmaschinen erreichen.

Existiert überdies eine hohe Teilevielfalt in der Fertigung, muss das Werkzeugmagazin der Maschine entsprechend dimensioniert sein. Nur so lassen sich zeitaufwendige Werkzeugwechsel und damit Produktionsengpässe vermeiden.

Die Ergebnisse: Die Produktionszeit steigt, während die Rüstzeiten hauptzeitparallel erfolgen. Überdies sinken die Wartezeiten für die Bereitstellung der zu bearbeitenden Werkstücke und für die ansonsten erforderliche Pufferung von Teilen, z. B. für die Zweiseitenbearbeitung (OP10 und OP20).

 

Weshalb automatisieren?

Die zentralen Zielsetzungen im Hinblick auf die Automatisierung von Fräsmaschinen mit palettenbasierten Lösungen sind: mehr Spindelstunden, unbemannte Produktion, schnelleres Umrüsten und eine höhere Transparenz über die Produktion.

Angesichts dieser Potenziale stellt sich zudem die Frage nach den zukünftigen Anforderungen an die Produktion. Wenn in Automatisierung und Maschinen investiert wird, muss daher auch immer der Blick nach vorne in die Zukunft gerichtet sein, damit sich das Investment auf lange Sicht lohnt.

Es ist kein Geheimnis, dass allein die physische Automatisierung nicht alles lösen kann. Vor diesem Hintergrund ist vor allem die Produktionsplanung eine Herausforderung, da sie mit höherer Teilevarianz und kleineren Stückzahlen pro Auftrag immer komplexer wird: Wie kann pünktlich geliefert werden? Wie reagiert man auf plötzliche Änderungen? Wie werden WIP und Bestände vermieden? Wie agiert man proaktiv statt reaktiv? (Abb. 3)

 

Produktionsplanung - eine hohe Kunst

Angesichts solcher Fragen wird schnell klar, dass sich die Produktion nicht mehr mit irgendwelchen Excel-Tabellen organisieren und planen lässt. Stattdessen sollte über eine automatische Produktionsplanung nachgedacht werden, z. B. mit einer leistungsstarken Software wie der Manufacturing Management Software (MMS) von Fastems.

Mit der MMS werden die Aufträge entweder aus dem ERP-System übertragen oder manuell eingegeben. Basierend auf den Fälligkeitsterminen und den verfügbaren Produktionsressourcen (NC-Programme, Rohmaterialien, Werkzeuge, Maschinen, Spannvorrichtungen, Bediener) plant die MMS automatisch die Produktion für Monate im Voraus. Bei unerwarteten Ereignissen, z. B. einem Maschinenausfall oder einem dringender Auftrag, plant das System automatisch die gesamte Produktion unter Berücksichtigung aller notwendigen Ressourcen und Fälligkeiten neu. Die Software liefert zudem Echtzeitdaten über die aktuell laufende Produktion und erstellt Prognosen über die bevorstehende Fertigstellung von Produktionsaufträgen.

 

Schritt für Schritt automatisieren

Die Umstellung des aktuellen Status quo auf eine automatisierte Produktion erfordert eine Änderung der Produktionsphilosophie. Oft ist es sinnvoll, bei der Automatisierung schrittweise vorzugehen (Abb. 5).

Als erstes sollte die Produktion als ein auf „Warteschlangen“ basierender Betrieb betrachtet werden. Typischerweise unterscheidet sich dies nicht besonders von früheren Produktionsphilosophien, wodurch die Automatisierung schnell und mühelos hochgefahren werden kann. Die flexible Automatisierung hat jedoch mehr zu bieten und erfordert weniger Aufwand für den Bediener, wodurch die Effizienz auf ein neues Niveau gehoben wird. Um den Nutzen der Automatisierungstechnik zu maximieren, muss man sich um die Datenverwaltung kümmern und verschiedene Prozesse verändern. Das bedeutet auch, Produktionsdaten in einem Leitrechner zu hinterlegen, um Werkstücke reproduzierbar zu machen. Geschieht dies konsequent und in Kombination mit einer sinnvollen Organisation der Arbeitsumgebung im Bereich der Automatisierung, dann wird die automatisierte Produktion von Erfolg gekrönt sein.

 

Formen der Palettenautomation

Doch welche Lösungen sind am besten dafür geeignet, die Produktivität zu steigern?

Palettenpools, Palettentürme und lineare flexible Fertigungssysteme liegen aus Investitionssicht in etwa in der gleichen Kategorie. Ein Vergleich verdeutlich die wesentlichen Unterschiede zwischen den typischen Automatisierungslösungen für Horizontalfräsmaschinen.

Palettenpools sind in Bezug auf die mögliche Anzahl von Paletten begrenzt. In Kombination mit der warteschlangenbasierten Arbeitsverwaltung führt dies zu einer geringeren Flexibilität in Bezug auf die Werkstückbearbeitung und die unbemannte Fertigung.

Mehrstöckige Palettentürme bieten im Vergleich zu Palettenpools eine deutlich höhere Palettenkapazität. Der Nachteil: sie schränken in der Regel den Arbeitsbereich der Werkzeugmaschine ein und sind für geringere Nutzlasten ausgelegt. Die Arbeitsverwaltung erfolgt, ähnlich wie bei Palettenpools, über Warteschlangen. Die Arbeitsergonomie der pool- und turmbasierten Lösungen sollte ebenfalls berücksichtigt werden.

Lineare Lösungen ermöglichen hier durch ergonomische Ladestationen ein weniger aufwendiges Arbeiten. Darüber hinaus bieten flexible Fertigungssysteme eine höhere Palettenkapazität pro Maschine, ermöglichen eine höhere Auslastung der Werkzeugmaschinen von bis zu 85 % und können mit vergleichsweise geringen Investitionskosten einfach für mehrere Werkzeugmaschinen erweitert werden.

 

Hier entlang zum Whitepaper:
"Einstieg in die Automation horizontaler Fräsmaschinen"

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