Lichtaus-Automatisierung meistern: Lektionen aus einem Sonderwerkzeugbau

Jeden Wochentag gegen 15 Uhr beginnen Mitarbeiter von Custom Tool, Drehzentren für Lichtaus-Betrieb am Abend einzurichten.

Für die Brüder Young begann Werkstattautomatisierung durch Hinzufügen eines Stangenladers zu einem bestehenden CNC-Drehzentrum.

Dies geschah kurz nach dem Kauf von Cookeville, Tennessees Custom Tool 2008 durch Gillen und Bob Young (Gillen Präsident, Bob Vizepräsident). Der Stangenlader, der ein zweiachsiges CNC-Drehzentrum für lange unbeaufsichtigte Strecken an besetzten Tagen ermöglichte, stellte einen signifikanten Kulturwandel dar im Vergleich zur vorherigen Führung. Damals wurden sogar Gehaltschecks noch handschriftlich geschrieben.

Heute wurden diverse Automatisierungsbeispiele implementiert, wovon der Betrieb in verschiedener Weise profitiert. Beispielsweise können zwei neue stangengespeiste Y-Achsen-Drehzentren mit Gegenspindeln, Lebendwerkzeug und Teilesammlern so eingerichtet werden, dass sie über Nacht laufen mit dem Ziel, Teile komplett zu bearbeiten und so viel Produktionszeit wie möglich aus den verfügbaren 15,5 unbeaufsichtigten Stunden zu holen. Werkstattmitarbeiter, viele nun frei vom reinen Be- und Entladen, können besser Verbesserungsvorschläge machen. Oft betreffen diese die Automatisierung bestehender manueller Aufgaben (wie Integration von Teileentgraten in den Bearbeitungszyklus). Zudem hat neue Prüftechnik Messroutinen für mehrere über Nacht gefertigte Teile automatisiert.

Custom Tool hat kürzlich auch die Datenerfassung für seine „Produktionslogbuch“-Planungsstrategie automatisiert, die vor ca. 10 Jahren etabliert wurde. Das Produktionslogbuch, das zum Rückgrat des Betriebs wurde, zeigt, wie effektiv die Maschinen an einem Tag relativ zu erwarteten Tagesproduktionsvolumen waren und wie viel „gestohlene Zeit“ der Betrieb einstreicht (der Spitzname der Brüder für die unbeaufsichtigten 15,5 Stunden abends). Es hilft auch, Aufträge zu identifizieren, die für Übernachtproduktion Sinn ergeben, da der Betrieb den Anteil jährlicher Lichtaus-Bearbeitungsstunden auf 50 % oder mehr der Gesamtproduktion steigern will. Wie Bob sagt, entspricht diese unbeaufsichtigte Bearbeitungszeit einer zweiten besetzten Schicht zu viel geringeren Kosten.

Nach dem Stangenlader

Bob Young verwaltet den Standortbetrieb, während Gillen (der auch als Chief Architect IoT Solutions für AT&T Consulting arbeitet) in Atlanta, Georgia sitzt (obwohl er so oft wie möglich die Werkstatt besucht). Die Brüder beschlossen, Custom Tool zu kaufen, nachdem Bob, der zuvor für einen Werkzeugmaschinenhändler arbeitete, von den Vorbesitzern angesprochen wurde, die kurz vor dem Ruhestand standen und einen Ausstieg suchten.

Sofort wurde klar, dass Kulturveränderungen essenziell waren. Die beiden begannen, eine Denkweise kontinuierlicher Verbesserung mit Blick auf maximale Automatisierung zu etablieren. Bei natürlicher Fluktuation stellten sie neue Leute ein, viele relativ jung und unerfahren, die offener für fortschrittliche Technologie und eher bereit waren, Prozessvereinfachungen vorzuschlagen.

Nach den Vorteilen des unbeaufsichtigten Betriebs des ersten stangengespeisten Drehzentrums und der Vision einer Zeit, in der Lichtaus-Bearbeitung Realität würde, tätigte Custom Tool 2012 eine substantielle Investition: ein Y-Achsen Okuma LB3000 EX Spaceturn mit Lebendwerkzeug, Gegenspindel und Edge Technologies Stangenlader für Komplettbearbeitung mancher Teile. 2016 kam eine zweite, Januar 2019 eine dritte solche Maschine hinzu.

Doch es brauchte Zeit, die Vorteile der Lichtaus-Bearbeitung zu ernten. Der Betrieb musste sich an die neue Ausrüstung gewöhnen und potenzielle Übernachtbearbeitungen validieren. Dann begann man, Aufträge für zunehmend längere Abendstrecken zu fahren, bis man volles Vertrauen hatte, dass sie erfolgreich durch die Nacht laufen. Mehrere Elemente wurden für zuverlässige unbeaufsichtigte Prozesse berücksichtigt, und der Betrieb lernte diverse Lektionen. Einige betreffen:

• Kühlmittelsystem. Unerwartete Druckabfälle oder unterbrochene Kühlmittelzufuhr können Werkzeugbruch verursachen. Über Nacht laufende Maschinen benötigen mehr Wartung als Einschichtmaschinen. Wenn ein Booster-Pumpenfilter bei Einschichtbetrieb alle paar Tage geprüft wird, muss er nun täglich kontrolliert werden. Zudem verfügt Custom Tools zweites Y-Achsen-Drehzentrum über einen Controller, der die Maschine stoppt, wenn er ein Kühlmittelproblem erkennt.
• Späneförderer. Nicht alle Späneförderer sind gleich. Custom Tools erstes Y-Achsen-Drehzentrum hat ein konventionelles Gerät, das zweite ein Hennig-Gerät mit Zähnen am Förderband. Die Young-Brüder sagen, dieser Förderer entfernt lange, fadenförmige Späne (typisch bei Aluminiumbearbeitung) effektiver, weshalb sie Aluminiumaufträge eher auf dieser Maschine über Nacht laufen lassen. Dies verhindert Späne-„Vogelnester“, die das Teilesammelsystem stören könnten.
• Teilesammlung. Anfangs diente der Spänehopper auch als Teilesammler. Jetzt hat jedes Drehzentrum einen integrierten Teilesammler. Die Sammlergröße muss das Übernachtproduktionsvolumen aufnehmen können. Ist die Kapazität zu klein, ist die Anzahl großer Teile, die über Nacht produziert werden können, begrenzt. Zudem kommt Kühlmittel mit jedem gesammelten Teil heraus, daher ist eine Möglichkeit nötig, Kühlmittel aus dem Sammler zurück in die Maschinenwanne zu leiten.
• Stangenlader. Wenn Teile für einen Auftrag groß sind, kann die Kapazität des Stangenladers limitieren, wie viele Teile über Nacht gefertigt werden. Andererseits, wenn Zykluszeiten sehr schnell sind, kann der gesamte geladene Stangenverbrauch aufgebraucht werden, sodass jemand in die Werkstatt kommen müsste, um Material nachzufüllen, damit die Übernachtproduktion nicht sinkt.
• Redundante Werkzeuge. Ein Kraftstoffanschlussteil mit zwei Gewindearten war der erste Auftrag, den Custom Tool für Übernachtlauf mit redundanten Werkzeugen einrichtete. Bei bemanntem Lauf konnte der Bediener erkennen, wann ein Versatzwechsel durch Werkzeugverschleiß nötig war. Doch zunächst konnte man den Auftrag nur vier Stunden lichtaus fahren, da dann Versatzanpassungen für die zwei Gewindeschneidwerkzeuge nötig wurden. Daraufhin nutzte man redundante Gewindeschneidwerkzeuge mit Werkzeugwechsel bei bestimmter Stückzahl kurz vor Verschleißproblemen. Zwar nutzt man nicht die volle Standzeit der Gewindeeinsätze, aber die zusätzliche unbeaufsichtigte Laufzeit rechtfertigt dies.
• Lastüberwachung. Mit Spindellastüberwachung bedeutet Lastnull Werkzeugbruch. Teilprogramme sind so geschrieben, dass die Maschine an diesem Punkt stoppt, statt den Auftrag fortzusetzen und nachfolgende Werkzeuge zu riskieren.
• Messkapazität. Es ist schön, wenn hunderte Teile über Nacht gefertigt werden, aber diese unbeaufsichtigte Produktion änderte, was manche Custom Tool Mitarbeiter morgens tun. Zeit muss für Teiletrennung, Prüfung, Maschinenbewertung und Einrichtung des nächsten Auftrags eingeplant werden. Tatsächlich wurde Teileprüfung zum Flaschenhals bei erster Lichtaus-Implementierung. Um Prüfläufe zu beschleunigen, fügte Custom Tool ein Keyence IM-Serie Bilddimensionsmesssystem hinzu, das automatisch zahlreiche externe Teilmerkmale an einem oder mehreren auf dem Gerät aufgespannten Teilen messen und aufzeichnen kann.

Produktionsprotokollierung automatisieren

Das 2011 von Bob implementierte Produktionslogbuch zeigt, wie produktiv die neun CNC-Maschinen und eine Roboterzelle täglich sind, indem geplante Arbeit pro Maschine mit tatsächlicher Produktion verglichen wird. Es zeigt auch, wie effektiv der Betrieb die verfügbaren Übernachtstunden nutzt.

Bis kürzlich wurden all diese Daten manuell erfasst. Jede Stunde loggen Mitarbeiter Stückzahlen stündlich pro Maschine und tragen diese Werte sowie Maschinenstatuscodes in das Produktionslogbuch-Tabellenkalkulation ein. Der Betrieb strebt an, die Werte der Codes 10 und 15 zu maximieren, die Produktionszeit während der Tagesschicht und unbeaufsichtigte Übernachtproduktion darstellen. Der Vergleich mit erwarteter Tagesproduktion zeigt die wahre Maschinenauslastung, sagt Bob. Andere Codes für Rüstzeit, Nacharbeit, Warten auf Material, Werkzeug oder Bedieneraufmerksamkeit beleuchten, wie lange ein Auftrag neben der reinen Bearbeitungszeit tatsächlich dauert.

Gemeinsame Variablen tracken den Status jedes Auftrags. Stückzahl wird per G-Code gehandhabt und erhöht sich um eins bei jedem abgeschlossenen Teilzyklus. Andere Variablen erfordern Bedienerinput: Laufziel (Maschine pausiert bei Erreichen der Stückzahl), Auftragsnummer (auf dem Auftragspapier) und Produktionslogbuch-Code (zeigt Produktionsstatusänderung).

Das Produktionslogbuch hilft, Prozesse zu identifizieren, die sich für Lichtaus-Betrieb eignen. Wenn eine für die ganze Nacht eingerichtete Maschine nicht nahe an die 15,5 verfügbaren Stunden herankommt, ist der Auftrag vielleicht nicht gut für Übernachtlauf geeignet. Oder wenn eine Maschine die ganze Nacht läuft und eine andere nur halb, könnte es Sinn machen, den kürzer laufenden Auftrag auf eine andere Maschine zu verlegen und ihn durch Arbeit der länger laufenden Maschine zu ersetzen für höhere Auslastung. Das Logbuch dient auch als Tagebuch, da es Probleme wie Werkzeugbruch oder Stangenladerfehler dokumentiert, die Maschinen von Zielen abbrachten.

Der Betrieb arbeitet weiter auf das Szenario hin, in dem niemand mehr stündlich Maschinen besuchen muss, um Daten für das Produktionslogbuch zu sammeln und einzutragen. Dies dank eines automatisierten Datenerfassungs- und Reportingsystems, das Gillen entwickelt und das eine webbasierte Industrial Internet of Things (IIoT) Plattform nutzt, um Daten von Maschinen mit Agenten für das offene MTConnect-Kommunikationsprotokoll sowie der firmeneigenen Jobboss ERP-Software abzurufen. Die Plattform ist Devicewise for Factory von Telit, einem Unternehmen für IIoT-Module, Software und Konnektivitätsdienste.

Lichtaus-Bearbeitung bedeutet, dass morgens viele Teile auf das Werkstattpersonal warten. Für Custom Tool schuf dies einen Prüfengpass, der zur Anschaffung eines Bilddimensionsmessgeräts führte, um die Teilesmessung für Qualitätsmitarbeiter zu beschleunigen.

Gillen sagt, die Vorteile dieses Systems sind die Schnittstelle zu verschiedenen Steuerungen und dass keine kundenspezifische Programmierung für Datenerfassung nötig ist. Es ist konfiguriert, um automatisch alle zuvor manuell gesammelten Daten von der Maschine (Stückzahl, Maschinencode und mehr) sowie ERP-Daten (Auftragsnummer, Beschreibung, Bestelldatum, Bestellmenge, Lieferdatum und mehr) abzurufen und in der Cloud zu speichern. Daten sind über ein Web-Dashboard zugänglich. Reports können dann grafischer zeigen, was zuvor im Produktionslogbuch-Tabellenkalkulation verfügbar war.

Das System sammelt seit Anfang Juni 2018 alle 20 Minuten Daten ohne einen Eintrag für eine laufende Maschine zu verpassen. Gillen sagt, es gibt viele gute Maschinenüberwachungsprodukte. Sein technischer Background ermöglichte jedoch die Erkundung einer Inhouse-Lösung, die die Geschäftsarten adressiert, die der Betrieb am meisten interessieren. Er glaubt auch, diese Datenerfassungsfähigkeit könnte zu noch fortgeschritteneren Analysen führen, wie das Verknüpfen von Schneidzeit mit spezifischen Schneidwerkzeug- oder Einsatztypen.