Teile- und Komponentendesign optimieren: Effizienz und Wert steigern

Milltronics Manufacturing Company, ein CNC-Werkzeugmaschinenbauer (computerisierte numerische Steuerungen) mit Sitz in Waconia, Minnesota, ist ein großer Hersteller und Vermarkter von hochwertigen, kosteneffektiven Bearbeitungszentren, Werkzeugmaschinen und Werkzeugdrehmaschinen, die sowohl in den USA als auch im Ausland verkauft werden.

In seiner fast 25-jährigen Geschichte hat Milltronics seine Marketingphilosophie mehrmals geändert, um in einem sehr wettbewerbsintensiven Geschäft zu bestehen. Ursprünglich fertigten und vermarkteten sie CNC-Systeme (einen Computer, der mit Dimensionsinformationen programmiert die Bewegungen von Fräsmaschinen steuert) an inländische Werkzeugmaschinenbauer. Als immer mehr Importe den Markt betraten, stiegen US-Hersteller aus, überzeugt, nicht mehr konkurrieren zu können.

Mit einer abnehmenden Zahl inländischer_builder begann Milltronics, Turnkey-Produkte zu verkaufen, indem sie ihre eigenen CNCs auf importierten Maschinen installierten. Zusätzliche staatliche Sanktionen erschöpften fast ihre Maschinenquelle sowie die Eisengussquelle für die wenigen verbliebenen Kunden. An diesem Punkt war ihre einzige verbleibende Wahl, die Maschinen selbst zu bauen. Ein Weg, den viele zuvor versucht und gescheitert waren. Der Unterschied lag darin, wie sie es taten. Milltronics schreibt einen Großteil seines Erfolgs der Minimierung der Teileanzahl in ihren Maschinen und dem Design von Komponenten zu, die mehrere Bedürfnisse lösen.

Sie nannten ihre neue Produktlinie "Partner", was die grundsätzliche Einstellung des Unternehmens definiert. Milltronics entwickelte "Partnerschaften" mit seinen Mitarbeitern, Lieferanten und Kunden. Diese Strategie beeinflusste wiederum die technische Leistungsfähigkeit, wettbewerbsfähige Preise und die Neudefinition eines gesamten Werkzeugmaschinensegments.

Durch diese Unternehmens-/Lieferantenpartnerschaft löste Milltronics ein beunruhigendes technisches Problem, das die Qualität und das zukünftige Design einer seiner beliebtesten Produktlinien bedrohte – die CNC-Bearbeitungszentren. Das Unternehmen installierte bürstenbehaftete DC-Servomotoren an den Maschinen, die die technische und leistungsmäßige Überlegenheit von AC-Servomotoren nicht bieten konnten.

Als der Werkzeugmaschinenbauer beschloss, bürstenlose Motoren an der VM17-Serie Bearbeitungszentrum zu installieren, wurde Robert Page, ein Elektroingenieur, verantwortlich für Servoantriebe und Motoren, ein integraler Teil dieses technischen Wandels. "Wir hatten zu Beginn dieses Projekts festgestellt, dass der Markt bürstenlose Systeme forderte," sagt Mr. Page, "hauptsächlich wegen ihrer Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit." Es gab einige schnelle bürstenbehaftete DC-Motoren auf dem Markt, aber im Vergleich zur neueren bürstenlosen Technologie galten sie als veraltet. "Im Allgemeinen," merkt Mr. Page an, "sind bürstenlose Motoren schneller und die Notwendigkeit, Bürsten zu wechseln oder sich um Kommutationsgrenzen zu sorgen, entfällt."

Das Unternehmen experimentierte 18 Monate lang mit verschiedenen Kombinationen von Servoantrieben und Motoren verschiedener Hersteller. In manchen Fällen testeten sie Produkte desselben Herstellers; in anderen mischten und kombinierten sie. "Unsere Ergebnisse waren nicht allzu gut," stellt Mr. Page fest. "Wir hatten immer noch Probleme und forschten weiter nach Optionen, die einfacher zu nutzen und zuverlässiger waren."

Das Unternehmen begann, das Sigma-Servo-System von Yaskawa Electric (Northbrook, Illinois) zu betrachten, eine kompakte, hochleistungsfähige Kombination aus bürstenlosen Servomotoren, abgestimmt auf flexible, volldigitale Verstärker. Die Sigma-Produktfamilie bot höheres Trägheitsmoment, höheres Drehmoment pro Länge und höheres Drehmoment pro Dollar als andere Systeme, die sie analysierten.

Peter Gennuso, Regionaler Vertriebsleiter, Yaskawa Machine Tool Sales Group, arrangierte die Lieferung von bürstenlosen Servomotoren, Antrieben und Kabeln an Milltronics zur Installation an einem Bearbeitungszentrum, das für die IMTS-Messe im September 1996 geplant war. "Ich war sehr beeindruckt von der Geschwindigkeit und Gesamtleistung dieses Prototypenmodells," stellt Mr. Page fest. "Es erzeugte enormes Interesse bei Kunden auf der Messe, die zu dieser Zeit zunehmend versierter in AC-digitaler bürstenloser Motortechnologie und -leistung wurden."

Yaskaws technische Vertreter waren ebenfalls sehr unterstützend. "Immer wenn wir um Hilfe baten, tauchten sie sofort hier auf, um mit unseren Leuten zu arbeiten. Ich weiß, ein Techniker verbrachte zwei Tage in unserer Anlage, um sicherzustellen, dass die Antriebe völlig passend abgestimmt waren," sagte Mr. Page. "Die Unterstützung war von Anfang an sehr gut – eines der Dinge, die wir mochten. Sie gingen aus ihrem Weg, um uns verschiedene Yaskawa Sigma Servo-Modelle für Tests in unseren Prototypen zu liefern, und zögerten nicht, die, die wir nicht wählten, zurückzunehmen. Yaskawa gab uns die Werkzeuge, die wir für die initiale Entdeckung und den Start brauchten. Die Lernkurve war schnell wegen ihres Engineering-Aufwands und des technischen Wissens, das sie in der Anlage bereitstellten."

"Unsere Engineering-Tests mit den bürstenlosen Servomotoren und Antrieben zeigten exzellente Ergebnisse," fügte Mr. Page hinzu. "Sie verhielten sich jedes Mal genau gleich, wenn sie eingeschaltet wurden – von Maschine zu Maschine. Es hat mein Leben viel einfacher gemacht, weil ich die Servomotoren und Antriebe nicht mehr feinjustieren muss. Sie sind absolut einheitlich und funktionieren immer."

In letzter Zeit führt Milltronics viel strengere Tests durch, um sicherzustellen, dass ihre Maschinen präzise sind. Einer der strengsten ist der Renishaw-Kugelstabtest. Die Maschine wird programmiert, einen Kreis zu schneiden, der auf Rundheit gemessen wird, um zu sehen, wie nah er an der theoretischen Perfektion ist. Das ist eine schwierige Operation für Werkzeugmaschinenmotoren, um anzutreiben und zu kontrollieren. Es ist umfassend, da es alle Aspekte der Maschine misst. Laut Mr. Page liefern die bürstenlosen Servomotoren jedes Mal runde, glatte Kreise.

Systemeinrichtung, Parametereinstellung, Auto-Tuning, Leistungsüberwachung und Fehlersuche werden mit SVMON, dem Softwarepaket des Sigma-Systems, viel einfacher. "Es ist sehr einfach zu bedienen," merkte Mr. Page an. "SVMON erlaubt es Ihnen, ein RS-232-Kabel in die Front des Antriebs zu stecken und die Parameter in etwa 15 Sekunden herunterzuladen. Eine Parameterdatei wird für jede Achse dieser Maschinen geführt, also schalten wir einfach die Antriebe ein, laden die Parameter herunter, und sie sind startbereit."

Tim Rashleger, Geschäftsführer, dachte früh in der Testphase, dass die Sigma-Servo-bürstenlosen Motoren und Antriebe und gleichzeitig der höhere Technologiestandard, den sie bieten, zu teuer wären – dass es zu viel kosten würde und die Lernkurve zu lang sein könnte, um das Produkt in Gang zu bringen. Aber es stellte sich als genau das Gegenteil heraus. "Die Kosten für den Einsatz der Yaskawa Sigma Servo-Motoren waren tatsächlich geringer als der vorherige Aufwand," sagte er. "Ich denke, es fällt in vier Kategorien. Erstens war die Kurve, das Produkt startklar zu bekommen, sehr schnell. Zweitens war der Preis besser als gedacht. Wenn der Preis in unsere Volumenzahlen eingerechnet wurde, waren sie leicht zu rechtfertigen. Drittens, technisch auf der Fläche, bauen sich die Sigma Servo-Motoren und -Antriebe schneller zusammen und testen schneller. Fehlersuche ist minimal, weil sie funktionieren. Und viertens, wenn sie ins Feld kommen, haben wir keine Ersatz- und Servicekosten und folglich keine unzufriedenen Kunden. So stellt sich heraus, dass die Gesamtkosten des Einsatzes von Yaskawa Sigma Servos günstig sind gegenüber dem, was niedrigere Technologie sein könnte.

Milltronics Produktlinie ist in Bearbeitungszentren und Werkzeugmaschinen unterteilt. Zwei Drittel des Geschäfts kommen von der Bearbeitungszentren-Produktlinie und ein Drittel wird von den Werkzeugmaschinenprodukten generiert. Es gibt sechs Milltronics Bearbeitungszentrum-Modelle, die von 25×16 Zoll bis 100×30 Zoll Tischverfahrwege reichen und bis zu 20 PS für schwere Zerspanung. Alle diese, mit Ausnahme eines Einstiegsmodells, werden mit Sigma Servo-Motoren und -Antrieben gefertigt. "Aus Fertigungssicht war es sehr produktiv für uns, mehrere Modelle mit denselben Servomotoren zu bauen," sagt Mr. Rashleger. "Zuvor mussten wir verschiedene DC-Größen in höheren Mengen kaufen, um bessere Preise zu bekommen, und dann einen großen Lagerbestand führen. Wegen Yaskaws Wert im 40- und 50-Zoll-Bereich können wir mehrere Maschinenmodelle mit einem Servoprodukt abdecken."

Die Eilgänge der VM16-Maschine mit DC-Servoantrieben betragen 400 ipm (10.160 mm/min). Die meisten anderen Bearbeitungszentren in der Produktlinie, die Yaskawa nutzen, sind wesentlich höher – etwa 800 ipm (20.320 mm/min) ist typisch. "Wenn Sie eine Maschine mit 400 ipm verkaufen versus eine, die 800 ipm bietet, das ist der Unterschied, den Yaskawa AC-Servos im Vergleich zu bürstenbehafteten DCs machen," erklärt Mr. Rashleger. "Wir drücken keine der Technologien wirklich über das Vernünftige hinaus, und die Zuverlässigkeit beider Technologien ist, ganz ehrlich, sehr gut. Ein Kunde jedoch, der Produktion von einer Maschine braucht oder Hochgeschwindigkeits-Eckbearbeitung macht, wird das 800-ipm-Merkmal positiv sehen.

"Auch der Eckvorschub beim tatsächlichen Schneiden wird auf den AC-Digital-Servos erweitert. Das wäre für DCs sehr anspruchsvoll. Andererseits glänzen AC-Servos wegen ihrer geringeren Trägheit und sehr hohen Leistung in Projekten, die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und dreidimensionale Bearbeitung erfordern.

"Wir haben Yaskawa Sigma Servos jetzt seit über sechs Monaten im Feld, also sind eine signifikante Anzahl im Einsatz," merkt Mr. Rashleger an, "und ich hatte nie einen einzigen Bericht über einen, der unterdimensioniert war. Was auch immer sie veröffentlichen, die Spezifikation neigt dazu, sehr konservativ zu sein. Manchmal gab es früher Fragen über den Schub der Maschine, wenn dieselbe DC-Größe genutzt wurde, aber das war mit bürstenlosen Sigma Servos und Antrieben keine Überlegung mehr. Und das ist signifikant.

"Die Zuverlässigkeit dieser Produkte war außergewöhnlich – über allem, was wir je genutzt haben in Bezug auf Nutzung. Unsere Serviceabteilung meldete keine Feldausfälle in den ersten sechs Monaten der Auslieferungen, was, ganz ehrlich, phänomenal ist.

"Wir haben bemerkt, dass einige unserer Wettbewerber begonnen haben, einige ihrer eigenen Servos zu fertigen," sagte Mr. Rashleger. "Wir haben diese Option geprüft, und sie ergibt einfach keinen Sinn. Diese Technologie zu lernen – sie zu meistern und zu maximieren – ist einfach keine Expertise, von der wir fühlen, dass wir unsere Ressourcen darauf verwenden sollten. Die Produkte sind sehr wettbewerbsfähig. Yaskawa ist weit mehr versiert in der technisch korrekten Produktion dieses Produkts als jede private Werkzeugmaschinenfirma könnte. Meiner Ansicht nach ist es nicht machbar, dies selbst zu entwerfen und zu fertigen, und wir werden diesen Teil der Werkzeugmaschine weiterhin beziehen. Um das Herz unserer Bearbeitungszentren bestmöglich zu machen, haben wir Yaskawa Servos ausgewählt.

"Wir haben bereits festgestellt, dass der Wechsel zu bürstenlosen Sigma Servos eine sehr gute Entscheidung für das Unternehmen war," stellte Mr. Rashleger fest. "Wir sind sehr aufgeregt darüber, was es für uns getan hat. Wir wünschten nur, wir hätten den Wechsel sechs Monate früher gemacht, weil wir für andere Entscheidungen Preise zahlen. Die Tatsache, dass 100 Prozent unserer AC-Digitalantriebsnutzung Yaskawa ist, sagt wirklich das Vertrauen aus, das wir in das Produkt und die Geschäftsbeziehung haben."

Werkzeugmaschinen sind unglaublich wettbewerbsintensiv, also zählt jeder Dollar in dieser Produktlinie. Die Anforderungen an diese Maschinen liegen typischerweise im Bereich der DC-Technologie.

Milltronics fertigt seine eigenen CNC-Systeme, daher werden die technischen Fortschritte in den Yaskawa-Produkten wirklich geschätzt," sagt Mr. Rashleger. Milltronics führte kürzlich eine Hochgeschwindigkeits-Centurion-Steuerung mit State-of-the-Art-Technologie ein, einschließlich 3D-Farbgrafik und Hochgeschwindigkeitskonturierung. Aber sie würde immer noch nicht ihre maximale Leistung erbringen, es sei denn, sie wäre mit einem Servo mit derselben aufgerüsteten Technologie gekoppelt. Die Integration der beiden Technologien hat Milltronics einen führenden Vorsprung in der Leistung gegeben. Bearbeitungszentren mit diesem Leistungsniveau kosteten typischerweise das Doppelte.

"Was an unserem Unternehmen aufregend ist, ist, dass echte Fertigung stattfindet," sagte Mr. Rashleger. "Wir beweisen, dass die Technologie in Amerika existiert, für ein Blue-Chip-Unternehmen, um erfolgreich qualitativ hochwertige, wertorientierte Produkte herzustellen und weltweit zu vermarkten. Wir denken, die Fertigungsbasis ist das Aufregendste, was passiert."