Die Zukunft der automatisierten Zerspanung: Präzision und Effizienz steigern

ÜBERSICHT ZERSPANUNG UND MASCHINENBEDIENUNG

Zerspanung ist der Prozess der Materialabtragung eines Metall „Rohlings“, um eine gewünschte komplexe Form herzustellen.

Maschinenbedienung (Machine Tending) bezieht sich auf den automatisierten Betrieb von industriellen Werkzeugmaschinen in einem Fertigungsbetrieb, primär unter Einsatz von Robotautomatisierungssystemen. Während Be- und Entladen die Hauptfunktion von Maschinenbedienungssystemen ist,

führt ein Roboter oft weitere wertvolle Funktionen innerhalb des Automatisierungssystems aus, wie autonome Fahrzeugteilelieferung und -entnahme aus der Zelle. Weitere Aufgaben können im ganzheitlichen Fertigungsblick automatisiert und integriert werden: CMM/Teileinspektion, Messung, Abblasen, Waschen, Entgraten & Finishen, Sortieren, Laserkennzeichnung, Verpacken und Versenden.

Vorteile von Maschinenbedienungssystemen:

1. Erhöhte Produktivität
2. Verringerter Direkteinsatz
3. Längere Maschinenlaufzeiten – 24/7
4. Verbesserte Maschinenauslastung
5. Gesamte Produktionskosten gesenkt
6. Verbesserte Produktqualität
7. Erhöhte Maschinensicherheit
8. Betriebliche Flexibilität
9. Bestandsoptimierung

Aufgrund der Komplexität, Funktionalität und der mit Maschinenbedienungssystemen verbundenen Kosten benötigen die meisten Hersteller einen Kapitalfreigabeprozess vor Investitionen, bei dem das Top-Management den Kauf genehmigen muss. Typischerweise wird ein ROI (Return on Investment) berechnet, um den Kauf zu rechtfertigen. Futura Automation ist ausgestattet, um bei der aktuellen Kostenerfassung und ROI-Berechnung zu unterstützen.

Video: Maschinenbedienung

VERTIKALES FRÄSEN – 4 ODER 5 ACHSEN?

Bei der vertikalen Fräsmaschine ist die Spindelachse vertikal ausgerichtet. Fräser werden in der Spindel gehalten und rotieren auf ihrer Achse, was eine „A“-Dimension bereitstellt. Ein Vorschubtisch bietet X, Y bei einer 3-Achsen-Fräse und eine Z-Dimension bei einer 4-Achsen-Fräse. Die Spindel ist eine Drehachse und kann allgemein abgesenkt werden (oder der Tisch angehoben, was denselben relativen Effekt hat, den Fräser näher oder tiefer in das Werkstück zu bringen), was Eintauchschnitte und Bohren ermöglicht. Es gibt zwei Unterkategorien vertikaler Fräsen: das Bettfräsen und das Revolverfräsen.

Wenn eine „B“-Achse ebenfalls rotiert, dann gibt es 5 Bewegungsachsen. Eine 5-Achsen-Maschine bietet unendliche Möglichkeiten hinsichtlich der Teilgrößen und -formen, die Sie effektiv bearbeiten können. Der Begriff „5-Achsen“ bezieht sich auf die Anzahl der Richtungen, in die sich das Schneidwerkzeug bewegen kann. In einem 5-Achsen-Bearbeitungszentrum bewegt sich das Schneidwerkzeug über die linearen X-, Y- und Z-Achsen sowie dreht sich auf den A- und B-Achsen, um das Werkstück aus jeder Richtung anzugehen. Mit anderen Worten: Sie können fünf Seiten eines Teils in einer einzigen Aufspannung bearbeiten.

HORIZONTALES FRÄSEN

Eine Horizontalfräse hat die gleiche Art, aber die Fräser sind auf einer horizontalen Spindel montiert (siehe Wellefräsen) über dem Tisch. Viele Horizontalfräsen verfügen auch über einen eingebauten Drehtisch, der Fräsen in verschiedenen Winkeln ermöglicht; diese Funktion wird Universal-Tisch genannt. Während Endfräser und andere Werkzeugtypen, die für eine Vertikalfräse verfügbar sind, auch in einer Horizontalfräse verwendet werden können, liegt ihr eigentlicher Vorteil in wellenmontierten Fräsern, sogenannten Seiten- und Stirnfräsern, die einen Querschnitt haben, der eher einer Kreissäge ähnelt, aber im Allgemeinen breiter und kleiner im Durchmesser ist.

Wichtige Maschinenhersteller:

• Mazak: HC, MEGA, UN
• Toyoda: 400, 500, 630, 850, 1000, 1250, 1600 mm Paletten
• Hurco: HM1700i
• Haas: 40-Taper, 50-Taper
• DMG Mori: NH, NHX, DMC, DMU
• Okuma: LB, LT, MULTUS
• Matsuura: H-Plus

DREHZENTREN

Drehen ist ein Zerspanungsprozess zur Herstellung zylindrischer Teile, bei dem sich das Schneidwerkzeug linear bewegt, während sich das Werkstück dreht. Häufig mit einer Drehbank durchgeführt, reduziert Drehen den Durchmesser eines Werkstücks auf ein angegebenes Maß und erzeugt eine glatte Teileoberfläche. Ein Drehzentrum ist eine Drehbank mit computergesteuerter numerischer Steuerung (CNC). Anspruchsvolle Drehzentren können auch eine Vielzahl von Fräs- und Bohroperationen ausführen. 5-Achsen-Fräsmaschinen können als Drehzentrum konfiguriert werden, weshalb die meisten 5-Achsen-Maschinenhersteller eine Drehzentrum-Version anbieten.

Wichtige Hersteller:

• Mazak: HQ, INTEGREX, MULTITEX, ORBITEC, QT
• Okuma: GENUS, MULTUS, LB, LT, LU, V40R
• Hurco: TM, TMX, TMM
• Matsuura: CUBLEX
• DMG Mori: NT, NTX, NZX, CTX, WASINO

FRÄSEN (ROUTING)

Eine computergesteuerte (CNC) Fräsmaschine ist eine computergesteuerte Schneidemaschine, die typischerweise ein Fräswerkzeug als Spindel montiert, das zum Schneiden verschiedener Materialien wie Holz, Verbundwerkstoffe, Aluminium, Stahl, Kunststoffe, Glas und Schaumstoffe verwendet wird. CNC-Fräsen können die Aufgaben vieler Schreinereimaschinen wie Plattenkreissäge, Spindelfräse und Bohrmaschine ausführen. Sie können auch Verbindungen wie Zapfen und Schlitze schneiden.

SPRITZGIESS- UND DRUCKGUSSMASCHINEN

Spritzgießen ist der Prozess, bei dem Kunststoff (oder Metall im ähnlichen „Druckguss“-Prozess) in eine Form gepresst wird. Die beiden Hälften einer Form werden mit ausreichender Kraft geklemmt, um dem Spritzprozess standzuhalten. Nach Abschluss des Spritzvorgangs werden die Formen getrennt und die Teile entnommen. „Anguss“, „Angusskanäle“ und „Grät“ müssen ebenfalls entfernt werden. Spritzgussformen können entweder horizontal oder vertikal positioniert werden. Die Mehrheit der Maschinen ist horizontal ausgerichtet, aber vertikale Maschinen werden in Nischenanwendungen wie Einlegeteile (Insert Molding) eingesetzt, wodurch die Maschine die Schwerkraft nutzen kann. Einige vertikale Maschinen erfordern auch keine Formbefestigung. Es gibt viele Arten, Werkzeuge an den Platten zu befestigen, die häufigste sind manuelle Klemmen (beide Hälften werden an die Platten geschraubt); hydraulische Klemmen (Knochen halten das Werkzeug) und magnetische Klemmen werden ebenfalls verwendet. Magnetische und hydraulische Klemmen werden dort eingesetzt, wo schnelle Werkzeugwechsel erforderlich sind.

AUTOMATISIERTES LAGER UND PALETTENFÖRDERUNG

Pallet Management Systems sind ein Mittel, Teile während des Zerspanungsprozesses zu lagern und diese automatisch über Förderer und letztlich einen Roboterarm (genannt „Tending“) mit geeignetem Werkzeug, das das Teil mit Spannwerkzeugen (wie OMIL) in die Werkzeugmaschine einlegt, zuzuführen.

Trinity Automation hat drei verschiedene Ebenen des Palettenmanagements für eine Vielzahl von Anwendungsfällen und Zerspanungsvolumen entwickelt.

Trinity Automation: AX1, AX2, AX5

• Der AX1 ist ein kompaktes Hochgeschwindigkeits-Palettenmanagementsystem, das kleinere CNC-Bearbeitungszentren in vollautomatisierte Produktionssysteme verwandelt, ideal für die Haas DT & DM Serie, Fanuc Robodrill und ähnliche Systeme.
• Der AX2 ist ein mittelgroßes Palettenmanagementsystem mit einem Größenbereich bis zu 16" Durchmesser × 9" Höhe. Gut geeignet für Seitenbeladung der Haas UMC-500 oder Vertikalbearbeitungszentren wie Haas VF2 oder YCM NXV1020A.
• Der AX5 ist ein großes Palettenmanagementsystem, gut geeignet für Seitenbeladung der Haas UMC-750 oder Vertikalbearbeitungszentren wie Haas VF4. Der AX5 ist die ultimative Lösung, um Ihr Zerspanungsgeschäft auf die nächste Stufe zu heben.

FINISHING: ENTGRATEN UND POLIEREN

Bearbeitete Teile erfordern meist einen gewissen Grad an Finishing vor Anwendung oder Verkauf. Entgraten kann als grobes Finishing betrachtet werden und könnte Schleifen oder Trommeln in Medien umfassen. Polieren ist eine weitere Art des Finishings, besonders aus kosmetischen Gründen. Für spritzgegossene / druckgegossene Teile gibt es auch einen Entgratungs-, Grat- oder Angussentfernungsprozess. Paletten, die zum Transport der Teile in den Zerspanungsprozess verwendet werden, können auch genutzt werden, um dieselben bearbeiteten Teile zu einer Entgrat- oder Polierstation zu transportieren.

QUALITÄTSINSPEKTION UND CMM

Viele Hersteller werden auch verpflichtet sein, gefertigte Komponenten zu 100 % auf Qualität oder Einhaltung enger Fertigungsspezifikationen zu prüfen. Es gibt eine Reihe von Werkzeugen für automatisierte Inspektion, darunter maschinelles Sehen und Koordinatenmessgeräte (CMM). In allen Fällen kann das Handling der Teile in und aus den Inspektionswerkzeugen automatisch mit einem Roboterarm erfolgen. Teile können mit denselben Paletten, die für die Zerspanung verwendet werden, zu einer Inspektionsstation transportiert werden.

AUTOMATISIERTE KENNZEICHNUNG UND ETIKETTIERUNG

Es gibt mehrere Techniken, um fertige Teile mit Modell- und Seriennummern zu kennzeichnen. Dazu gehören Laserdruck, Prägemarkierung (Dot Peening), RFID-Tagging und Tintenstrahldruck, in umgekehrter Reihenfolge der Beliebtheit.

AUTONOME MOBILE ROBOTER (AMRs)

Ein weiteres Werkzeug zur Straffung der Fertigung und Reduzierung der Arbeitskosten ist der Autonome Mobile Roboter (AMR). Dies ist eine sich noch entwickelnde Technologie zum Transport von Produkten auf dem Shopfloor ohne Förderer oder manuelle Gabelstapler. Ein AMR kann Produkte von einem anderen Prozess oder von der Maschinenseite in Lager, Verpackung oder Versand bewegen.

WIE MAN EIN SYSTEM AUSWÄHLT?*

Erfolg in der Fertigung wird immer um Gewinne gehen, auch bekannt als Return on Investment (ROI). Es gibt zwei Elemente von Return oder Profit: Einnahmen minus Ausgaben. Ausgaben können ebenfalls in zwei Teile unterteilt werden: Direkte und Belastete (Overhead). Direkte Ausgaben entstehen auf dem Shopfloor und sind die tatsächlichen Kosten der Herstellung einer Komponente. Direkte Ausgaben können auch in zwei Teile unterteilt werden: Arbeit und Kapitalisierung (Abschreibung). Arbeit umfasst nicht nur Stundenlohn, sondern auch Sozialleistungen, Beschäftigungssteuern und zusätzliche Unterstützungskosten einschließlich Sicherheitsrisiken. Repetitive und einfache Arbeit, die durch eine Maschine ersetzt werden kann, sollte für globale Wettbewerbsfähigkeit ersetzt werden.

Einige Betriebe bleiben noch an ihren traditionellen Wegen hängen, in dem Glauben, dass vertraute Technologien sie durch neue Herausforderungen bringen. Das wird nicht funktionieren – zumindest nicht im heutigen globalen Markt. Neue Technologien wie Fortschritte in der CNC zu erkennen, ist eine strategische Entscheidung, die die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens sichert.

Die Rechtfertigung neuer Technologie ist ein mehrstufiger Prozess:

Schritt 1: Ihre Kosten verstehen
Transparentes Kostenrechnungssystem nutzen, alle Kostenfaktoren bewerten einschließlich direkter „All-in“- oder voll belasteter Arbeit, bewerten, wie neue Technologie den Cashflow verbessern kann, und Stückkosten sowie den Einfluss der Investition in neue Technologie auf Produktionskosten und ROI berechnen.

Schritt 2: Potenzielle Vorteile der CNC-Technologie verstehen
Einige messbare Vorteile: erhöhte Produktivität, reduzierte Rüst- und Werkzeugwechselzeiten, verbesserte Betriebszeit, Durchsatz, Ausschussrate und Werkzeugkosten, während Wartungskosten und Arbeitsvorbereitungskosten gesenkt werden.

Genauso wichtig sind einige immaterielle Vorteile der CNC: Qualität, Genauigkeit und verbesserte Oberflächengüte, ohne von der Bedienerfertigkeit abhängig zu sein. Es kann auch die Prozessflexibilität erhöhen, mit voreingestellten Schnellwechselwerkzeugen mit standardisierten Einsätzen und Einpunktdrehen statt teurer Formwerkzeuge.

Schritt 3: Kosten älterer Ausrüstung verstehen
Ältere Ausrüstung bedeutet bescheidenere Effizienzen, längere als geplante Rüstzeiten, erfordert verschwindende Fertigkeiten für Einrichtung und Betrieb. Ebenso wichtig: Ältere Ausrüstung kann statistisch keine Toleranzen halten und produziert übermäßige Ausschussteile, was die Effizienz beeinträchtigt und Materialkosten erhöht.

Amortisationsberechnung

Es gibt verschiedene Wege, die Amortisation neuer Technologie zu bewerten. Eine Return-on-Investment (ROI)-Analyse kann helfen, eine gute Entscheidung über den Kauf einer teuren oder weniger teuren Maschine zu treffen.

Die ROI-Analyse zeigt, wie sich die Investition auf den Cashflow eines Unternehmens auswirkt, basierend auf den mit dem Projekt verbundenen Einnahmen und Ausgaben. ROI wird als prozentuale Rendite angegeben.

Das die ROI-Analyse durchführende Unternehmen muss die Rendite für die Investition basierend auf den Projektkosten und dem Einfluss der Investition auf den Cashflow bestimmen. Sobald die Rendite bestimmt ist, muss das Unternehmen entscheiden, ob es eine akzeptable Rendite ist. Typischerweise wird eine Rendite von 20 % oder mehr als akzeptabel angesehen.

Es gibt noch mehr

Diese Rechtfertigungsmethode berücksichtigt jedoch nicht wichtige technische und strategische Aspekte für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Qualität ist beispielsweise eine der heutigen Top-Prioritäten für Endnutzer. Dieser Faktor ist ein gutes Beispiel für das, was in einer ROI-Analyse nicht vollständig erfasst wird. Qualität hängt nicht nur von der Art der verwendeten Ausrüstung ab, sondern auch vom Prozess, wie z. B. der Fertigstellung von Teilen in einem einzigen Schritt.

Zusätzlich zur Qualität gibt es eine Reihe weiterer Vorteile – immaterielle Vorteile –, die sich auf die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens auswirken. Diese können so wichtig sein wie der Einfluss der Investition auf den Cashflow. Diese anderen Vorteile zu berücksichtigen, ist ein langfristiger Investitionsansatz, der das Überleben des Unternehmens sichern kann.

Während die ROI-Analyse traditionell für Hochvolumen-Mehrjahresprojekte verwendet wurde, kann sie auch zur Analyse der Weisheit eines Maschinenkaufs für die Niedervolumenproduktion einer großen Vielfalt von Teilen über mehrere Jahre eingesetzt werden. Das gezeigte Beispiel war sehr einfach, und es gibt viele zusätzliche Faktoren, die Sie berücksichtigen möchten, wie steuerliche Auswirkungen neuer Maschinen.

Schließlich ist ROI nicht unbedingt dasselbe wie Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit. Rentabilität hängt von den Kosten pro Maschinenstunde der in Betracht gezogenen Maschine und vom Einfluss der immateriellen Vorteile ab. Abhängig von der Kapitalinvestitionsentscheidung eines Unternehmens kann der Cashflow-Effekt recht unterschiedlich von langfristiger Wettbewerbsfähigkeit und Rentabilität sein.

Es ist möglich, einen hohen ROI und eine niedrige Rentabilität zu haben, und das Gegenteil ist ebenfalls wahr.

Betrachten Sie einen Neumaschinenkauf aus beiden Blickwinkeln. Führen Sie eine ROI-Analyse durch und betrachten Sie auch die langfristigen Auswirkungen der Investition. Obwohl die Rentabilität zunächst höher sein mag, wenn man eine günstigere Maschine betrachtet; aufgrund der langfristigen Vorteile kann der Kauf der höherwertigen Maschine die günstigste Wahl für den Präzisionsteilehersteller sein.

*Dank an Jeff Reinert von Index Systems in Artikel veröffentlicht in: American Machinist