Ein Bearbeitungszentrum der anderen Art

Wie jeder, der in der metallverarbeitenden Fertigung tätig ist, sehr genau weiß, wird der Kampf zwischen dedizierter Bearbeitungstechnologie und flexibler Bearbeitungstechnologie weiterhin in Maschinenwerkstätten auf der ganzen Welt geführt. Der Zustrom von High-Mix- und Low-Volumes in die metallverarbeitende Fertigung ist unverkennbar und höchstwahrscheinlich nicht aufzuhalten. Es scheint alle Aspekte der maschinellen Bearbeitung zu durchdringen.

Diese allgemeinen Begriffe – High-Mix, Low-Volumes – sind relativ. Für einen Formenbauer kann beispielsweise eine Losgröße von fünf als „großes Volumen“ angesehen werden. Bei einem Tier-2-Lieferanten kann ein hohes Volumen als 500.000 Stück oder mehr angesehen werden. Und relativ gesehen könnte der Tier-Two-Zulieferer mit 500.000 Stück seine Produktion von zuvor 1.000.000 Stück angepasst haben, basierend auf den allgemeinen Fertigungstrends der letzten Jahrzehnte. Heutzutage könnte das gleiche „große Volumen“ eher bei 5.000 Stück liegen. Das ist relativ.

Auf der Suche nach Investitionsgütern, die es einem Betrieb ermöglichen, seine Produktion zu optimieren, um die Realitäten der heutigen Fertigungsanforderungen widerzuspiegeln, stehen viele Werkzeugmaschinenkonfigurationen zur Auswahl. Eines dieser Designs stellen wir hier vor. Es heißt Multicenter und wurde entwickelt, um eine Art Brücke zwischen einer flexiblen High-Mix-Produktion und einer dedizierten Bearbeitungskapazität für hohe Stückzahlen zu schlagen.

Morphing Rotary Transfer

Um mehr über das Konzept hinter dem Multicenter zu erfahren, sprachen wir mit Maurizio Porta, Eigentümer in zweiter Generation von Porta Solutions mit Sitz in Brescia, Italien. Der nordamerikanische Hauptsitz befindet sich in Newington, Connecticut. Das Unternehmen von Herrn Porta wurde 1958 von seinem Vater Oscar gegründet und begann mit dem Bau von Spezialwerkzeugmaschinen für verschiedene Anwendungen

„Ursprünglich stellten wir Rundtakt-Werkzeugmaschinen her“, sagt Porta. „Diese Maschinen spiegeln eine Zeit wider, als eine Maschine gebaut wurde, um ein Teil herzustellen. Das Teil war König, und die Entwicklung spezieller Tools zur Optimierung seiner Produktion war der Name des Spiels.“

Traditionell würde in der Rotationstransfertechnologie eine Werkstatt einen Auftrag bekommen und dann ein Produktionssystem um das Teil herum entwerfen. Manche Jobs können jahrelang praktisch unverändert laufen. Da sich die Produktlebenszyklen verkürzt haben, sind die Kosten für spezielle Produktionsmaschinen in vielen Anwendungen weniger vertretbar geworden, hauptsächlich weil die Umrüstung für eine neue Aufgabe schwierig, teuer und in der Regel einfach die Mühe nicht wert ist.

Im Jahr 2005 stellte Porta seine Lösung für die dedizierte Maschine im Vergleich zu einer flexiblen Maschine in Form des Multicenters vor. Die Überlegung war, die dedizierte Bearbeitungstechnologie, die für ein bestimmtes Teil entwickelt wurde, mit einer Plattform für Bearbeitungszentren zu überbrücken, die leicht umgerüstet werden kann, wenn sich der Teilemix ändert.

Die Maschine, die auf einem Karussell mit vier Stationen zentriert ist, verfügt in ihrer gängigsten Konfiguration über drei horizontale Bearbeitungszentrumsmodule. Die vierte Station auf dem Arbeitstisch ist eine Lade-/Entladestation, die bemannt oder automatisiert sein kann.

Jedes der HMC-Module kann an jeder Station drei- oder echte vierachsige Bearbeitungen ausführen. Die Module des Bearbeitungszentrums arbeiten progressiv, werden jedoch unabhängig voneinander gesteuert. Mit der Maschine, die ein Teil, ein Teil in mehreren Arbeitsgängen oder mehrere verschiedene Teile gleichzeitig produziert. Alle vier verschiedenen Teile würden von allen drei Spindeln bearbeitet, bevor sie fertig zur Lade-/Entladestation zurückkehrten.

Mit drei Spindeln können die Bearbeitungen nach Bedarf variiert werden, was die Flexibilität der Maschine erhöht. Eine Umdrehung des Palettenträgers mit vier Stationen kann ein komplettes Teil, vier komplette Teile oder eine Variation der vier produzieren. Herr Porta sagt jedoch, dass die meisten Anwendungen eine progressive Bearbeitungssequenz verwenden.

Herr Porta spricht über eine Anwendung, bei der der Kunde drei verschiedene Teile in einem Zyklus des Multicenters produzierte. „Diese Teile gingen in eine Montage, sodass jeder Zyklus der Maschine einen vollständigen Satz von Teilen produzierte“, sagt Herr Porta. „Nach der Bearbeitung wurden die Teile zusammengebaut und an den Kunden versandt. Es war eine sehr effiziente Anwendung.“

Multicenter im Vergleich zu HMCs

HMCs sehen zunehmende Investitionen in Geschäfte, die sich mit High-Mix- und Low-Volume-Arbeiten befassen. Sie verfügen über eine inhärente Flexibilität und passen sich leicht an die Automatisierung an, indem sie Paletten-Shuttle-Systeme verwenden, um Werkstücke in die Werkzeugmaschine hinein und aus ihr heraus zu befördern. Darüber hinaus ist die Schneidwerkzeugkapazität der horizontalen Ausführung ihrem größten Konkurrenten, dem VMC, überlegen.

Die Umfrage wurde von Production Machining durchgeführt Gardner Intelligence, das hauseigene Marktforschungsunternehmen von , zeigt einen deutlichen Anstieg der HMC-Kaufprognosen; 85 Prozent mehr als die Zahlen für 2017.

Herr Porta weist jedoch darauf hin, dass das Multicenter seine Nische findet, wenn Volumen und Werkstückkomplexität mehr als eine HMC erfordern. „Es ist eine Brücke zwischen der sehr hohen Produktion einer Sondermaschine und dem geringeren Volumen mit Flexibilität einer HMC“, sagt er. „Das Multicenter liegt zwischen diesen beiden Maschinenklassen, und es ist eine Standard-Werkzeugmaschine, keine Spezialmaschine, was die Lieferzeiten viel kürzer macht.“

Die Maschine ist für einen 10-Zoll-Arbeitswürfel ausgelegt, obwohl das Design für größere Teile skalierbar ist. Jedes der drei Bearbeitungszentren wird von einem eigenen Werkzeugwechsler bedient, der standardmäßig mit jeweils 12 Werkzeugplätzen ausgestattet ist. Mehr Werkzeugkapazität, jeweils bis zu 40 Werkzeuge, ist bei Bedarf verfügbar. Jede Maschinenspindel hat drei Achsen an der Werkzeugspitze und eine vierte Drehachse befindet sich auf jedem Arbeitstisch. Alle Achsen werden von der FANUC- oder Siemens-CNC der Maschine gesteuert.

Kleinerer Fußabdruck, weniger Leistung

Der Konstruktionsvorteil des Multicenters, sagt Herr Porta, besteht darin, dass ein typischer Kunde für diese Maschine, der drei oder vier HMCs benötigt, um seine Produktionszahlen zu erreichen, diese in einer einzigen Plattform erhalten kann. Es ist einfacher, die Maschine zu betreiben, sie verbraucht weniger Strom und benötigt weniger Stellfläche.

Der Platzbedarf einer HMC mit den dazugehörigen Be- und Entladebereichen ist nicht unerheblich. „Jetzt multiplizieren Sie diese Grundfläche mit drei und die Dinge werden ziemlich groß“, sagt Herr Porta. „Da das Multicenter im Wesentlichen aus drei HMCs auf einer einzigen Plattform besteht, nimmt es nur 87 Quadratmeter ein. Wir kalkulieren, dass drei typische HMCs mit dazugehöriger Automatisierung 240 Quadratmeter einnehmen würden.“

Laut Herrn Porta verbraucht das Multicenter im Vergleich zu drei eigenständigen horizontalen Bearbeitungszentren 50 Prozent weniger Energie. Er nennt Verbrauchswerte von 51 kWh für das Multicenter gegenüber 120 kWh für drei Bearbeitungszentren bei gleicher Produktion.

Diese Preise rechtfertigen sich durch die Reduzierung überflüssigen Zubehörs, sagt er. Beispielsweise treiben die Bearbeitungszentren drei Automatisierungssysteme, drei Späneförderer und drei Palettenwechsler an. Darüber hinaus ist mit drei gegenüber einer Plattform mehr Wartung verbunden.

Zwei Zielkunden

Laut Herrn Porta hat das Multicenter zwei Zielkunden. Da das Unternehmen auf hochvolumigen Spezialmaschinen aufgebaut wurde, ist das Multicenter als Zentrum für die Massenproduktion konzipiert.

„Einige unserer Kunden widmen das Multicenter einem einzelnen Teil, wie einer Sondermaschine“, sagt Herr Porta. „Diese Werkstätten fertigen teilweise Automobilmengen im Bereich von 700.000 bis 1.000.000 Teilen pro Jahr. Die inhärenten Vorteile der drei Bearbeitungszentren in einer Plattform – Kostenreduzierung durch weniger Stellfläche, weniger Energie und geringeren Arbeitsaufwand – gelten weiterhin für diese Anwendungen.“

Wo sich das Multicenter von seinen Spezialmaschinen-Vorfahren unterscheidet, ist seine Fähigkeit, bei Anwendungen mit geringerem Volumen kostenmäßig wettbewerbsfähig zu sein. „Einige unserer Kunden nutzen das Multicenter, um Produktionsaufträge zu erfüllen, die kein hohes Volumen, sondern eher einen hohen Mix aufweisen“, sagt Herr Porta.

Für diese zweite Zielgruppe sind Chargen von 500 bis 5.000 typisch. Diese Geschäfte stellen im Allgemeinen keine Teile für den Lagerbestand her, sondern führen eher „Spot“-Bestellungen aus.

Diese Werkstätten nutzen in der Regel die Kapazität des Multicenters, um auf eingehende Bestellungen zu reagieren. Die Maschinen in diesen Werkstätten sind eher für eine flexible Produktion als für eine dedizierte Produktion ausgelegt.

Schnellwechsel-Halterung

Der Aufbau des Multicenters unterscheidet sich deutlich von einem HMC. Die Maschinenbasis ist eine Schweißkonstruktion, die Herr Porta als geschlossene Kastenstruktur beschreibt. Im Inneren der Kiste trägt ein Drehtisch mit vier Stationen die Bearbeitungspaletten. Die Box hat drei Wände mit je einem Bearbeitungszentrumsmodul an jeder der Wände mit einem eigenen Linearführungssatz. Die vierte Wand ist für die Lade-/Entladestation offen, um Zugang zum Arbeitsbereich zu erhalten.

Bei der Entwicklung des Multicenters hat Porta das Spannsystem flexibel gestaltet. Auf jeder der drei Paletten der Maschine ist ein Empfänger montiert, der für die Position oder kontinuierlich für die Konturierung in der B-Achse durch die Palette indexiert werden kann. Die Empfänger sind standardisiert und verbleiben auf der Palette.

Spanner für die spezifischen Werkstücke werden auf dem Empfänger montiert und öffnen oder schließen unter CNC und die Hydraulik wird ständig von der Steuerung überwacht. Die Umstellung erfolgt durch einfaches Austauschen der Klemmen am Empfänger. Daraus ergibt sich eine Umschaltzeit von 30 Sekunden.

Für den Zugriff auf die fünfte Seite eines Werkstücks ist die Vorrichtung so konstruiert, dass sie um 90 Grad weiterschaltet, um diese Seite des Teils der Spindel auszusetzen. Während dieser Vorgang normalerweise auf Spindel drei durchgeführt wird, kann er bei Bedarf auf allen Spindeln durchgeführt werden. Die Vorrichtungen können auch mit einer U-Achsen-Option ausgestattet werden, wenn zur Endbearbeitung des Teils eine Einzelpunktdrehung erforderlich ist.

Ausführen des Programms

Die Programmierung für das dreispindlige Multicenter ist relativ einfach. Jedes Modul des Bearbeitungszentrums hat seine eigene Seite entweder in der FANUC- oder der Siemens-Steuerung, sodass seine Programmierung im Grunde genommen jeweils eine Dreiachsenmaschine mit einer B-Achse ist. Die Programmierung erfolgt von Spindel eins über zwei bis drei.

Obwohl effektiv drei separate Programme gleichzeitig laufen, besteht keine Notwendigkeit für eine separate Synchronisationssteuerung. Beide CNC-Marken, die Porta verwendet, betreiben die Synchronisation der Programme im Hintergrund der Steuerung.

Da die Maschine über drei Spindeln verfügt und normalerweise sequentielle Operationen ausführt, ist es wichtig, die Zykluszeit auszugleichen, um Totzeiten zu eliminieren. Porta hat zusammen mit Microsoft ein Softwarepaket namens Energy Characterization entwickelt.

Die Software liest den Stromverbrauch von Spindelmotoren, reduziert effektiv die Leistung für leichtere Schnitte und überträgt sie durch regeneratives Bremsen mit mehr Leistung auf die Spindel. Das Nettoergebnis ist ein optimierter Stromverbrauch.

Porta ist mit Industrie 4.0-Konnektivitätsfunktionen kompatibel. Einige seiner Entwicklungsprogramme sind relativ weit fortgeschritten. Die verfügbaren Informationen, ob die Produktion 1.000.000 Teile oder 500 Teile beträgt, sind für jeden Hersteller von Wert. Daten verbinden Chips als Währung der metallverarbeitenden Fertigung.