Hitachi Powdered Metals: 400 % Produktionssteigerung durch Robotik im engen Arbeitsmarkt

Pulvermetallurgie (PM) oder Sintern ist der Prozess, bei dem maßgeschneiderte Mischungen elementarer oder legierter Pulver in vorgefertigten Matrizen verdichtet werden, um effizient Maschinenteile unterschiedlicher Komplexität herzustellen. Nach der Verdichtung werden die Formlinge in einer kontrollierten Atmosphäre im Ofen erhitzt, um die Partikel zu verbinden und die Teile zu härten.

Auch als „Green Compacting“ bekannt, erzielt das Verfahren Bauteile, die typischerweise über 97 % des ursprünglichen Rohmaterials im Fertigteil verwenden. Maßgeschneiderte Pulverlegierungsmischungen ermöglichen die Produktion komplexer, sogar filigraner Teile, die den Festigkeits- und Toleranzanforderungen für hochanspruchsvolle Anwendungen genügen.

Das Werk von Hitachi Powdered Metals (USA) Inc. in Greensburg, Indiana, ist eines von neun Hitachi-Standorten weltweit. Es spezialisiert sich auf die Produktion von Ventiltriebs- und Getriebekomponenten für Zulieferer der US-Automobilindustrie, mit wachsender Präsenz bei Motorrad- und Landschaftsmaschinenherstellern.

Ausgangsmotivation

Hitachi Powdered Metals (HPM) begann 2005 mit schrittweisen Investitionen in Industrieroboter am Greensburg-Standort – getrieben durch einen sich verschärfenden Arbeitsmarkt und die Chance, ein extrem fragiles Produkt herzustellen.

„Wir starteten mit Robotern, weil wir ein Teil für einen Kunden fertigen mussten, das kleine, fragile Zähne hatte, die nicht manuell gehandhabt werden konnten – zu diesem Zeitpunkt wurden all unsere Pressen manuell bedient“, sagte Gregory Owens, Präsident des HPM-Werks Greensburg. „Kostensenkung bei der Arbeitskraft war ebenfalls ein Faktor, aber kurz nach der ersten Installation eröffnete ein großer Automobil-OEM ein Werk in der Stadt, und unser Arbeitskostenproblem wandelte sich in ein Arbeitskräfteverfügbarkeitsproblem, da es extrem schwierig wurde, Mitarbeiter einzustellen und zu halten.“

Um Kosten niedrig zu halten und das Risiko während der Testphase zu minimieren, kaufte HPM einen gebrauchten, vintage 1993 ABB S3 Roboter von CIM Systems Inc. aus dem nahegelegenen Noblesville, Indiana. James Adams, der einige Jahre zuvor als Manufacturing Development Engineer zu HPM gestoßen war, kannte CIM – den langjährigsten ABB Robotics Value Provider (Systemintegrator) in den USA – aus seiner vorherigen Arbeit mit Robotern.

„CIM hatte einen gebrauchten Roboter, der es uns ermöglichte, schrittweise in die Roboterautomatisierung einzusteigen und unser anfängliches Risiko zu begrenzen, falls er nicht wie vorgesehen funktionieren würde“, sagte Adams. „Sie boten uns auch dringend benötigte Unterstützung bei Programmierung und Integration in den bestehenden Betrieb.“

Weniger Ausschuss, bessere Arbeitskräfteallokation

Wenn die pulvermetallurgischen Teile aus der Presse kommen, bevor sie im Ofen gehärtet werden, können sie bei der leichtesten Berührung zerbröseln. Mit dem neu installierten Roboter, ausgestattet mit einem elektromagnetischen Greifer zur Teilehandhabung, sank die Ausschussrate des neuen Produkts von 11 % bei manueller Bedienung auf 0,5 %.

„Beim manuellen Entnehmen der Teile aus der Presse entstand erheblicher Handhabungsschaden. Das Teil konnte unmerklich verformt sein, aber man erfuhr es erst, nachdem es fünf Stunden später aus dem Ofen kam. Korrekt programmiert und ausgestattet, handhaben Roboter die Teile viel schonender“, sagte Adams.

Das neue System ermöglichte es HPM, mehrere manuelle Maschinenbediener in weniger monotone Positionen im Werk zu versetzen, die Belastung durch repetitive Aufgaben zu verringern und die Arbeitskräfte effizienter einzusetzen.

Produktionssteigerung um 400 Prozent

Im folgenden Jahr fügte HPM fünf weitere gebrauchte S3-Roboter hinzu und wendete das Gelernte aus dem ersten System an, um weitere Pressen zu automatisieren. Nach 18 Monaten hatte HPM genug an Ausschuss und Arbeitskosten gespart, um in den ersten neuen Roboter zu investieren.

Sprung ins Jahr 2019: Mit über 200 installierten Robotern hat die Greensburg-Anlage die gleiche Mitarbeiterzahl wie vor 10 Jahren, produziert aber das vierfache Volumen – und liefert mehr Teile mit weniger Personal als jedes andere globale Hitachi-PM-Werk.

„Sobald der erste Roboter für das fragile Teil installiert war, wurde offensichtlich, dass wir die Roboterautomatisierung wirklich nutzen konnten“, sagte Owens. „Roboter haben unsere ursprünglichen Erwartungen bei Weitem übertroffen, und angesichts der anhaltenden Arbeitskräftemängel glaube ich ehrlich gesagt, dass Roboter uns vor dem potenziellen Nichtbestehen bewahrt haben.“

Nach dem Erfolg des ersten Roboters war das Tempo der nachfolgenden Installationen stetig. Es dauerte zehn Jahre, um 100 installierte Roboter zu erreichen, und dann – als Geschäft und Wirtschaft weiter wuchsen – nur vier weitere Jahre, um den kürzlich installierten 200. Roboter zu erreichen.

Bei sich bietenden Gelegenheiten kaufte HPM weiterhin gebrauchte ABB-Roboter in gutem Zustand, doch immer mehr neue Roboter wurden zur Flotte hinzugefügt. Tatsächlich war jeder Roboter, der seit Nr. 147 im Jahr 2015 hinzugefügt wurde, neu.

HPMs Installationsbasis umfasst eine Reihe von ABB-Klein- und Mittelbau-Sechsach-Robotern, einen Delta-Roboter und mehrere kürzlich hinzugefügte SCARA-Modelle. Zusammen mit 350 Mitarbeitern wird die Automatisierungsinvestition gut genutzt – drei Schichten, fünf bis sechs Tage die Woche.

„Unsere Konzernzentrale ist in Japan“, sagte Adams. „Als sie sahen, wie die Roboter performten und wie schnell der Return on Investment war, unterstützten sie unsere Roboter-Agenda sehr stark.“

Einige der Roboter – sowohl neue als auch gebrauchte – sind ABB Foundry Prime Modelle von ABB Robotics, Auburn Hills, Michigan. Sie sind IP67-zertifiziert und haben gut abgedichtete Verbindungen, die das Innere der Roboter vor den feinen, scharfkantigen Metallpulvern schützen, die in der Werkshalle schweben. Die vielen standardmäßigen IP65-zertifizierten Roboter auf HPMs Boden sind robust und haben der staubigen Umgebung standgehalten.

Kontinuierliche Expansion

Die Verbreitung der Roboter bei HPM wurde durch die Replikation bestehender Applikationen und die Ausweitung der Automatisierung auf andere Funktionen im Werk unterstützt.

Nach der Installation des ersten Roboters an der Presse für das fragilste Produkt automatisierten Adams und sein Team sequenziell das Entnehmen der Presslinge aus anderen Pressen. Teil dieses Prozesses war, jedes Teil auf einer Waage zu wiegen, um seine Integrität zu prüfen. Nach Verifizierung wurde das Teil auf ein Förderband zum Ofen gelegt.

Zusätzliche Arbeitskräfteffizienzen ergaben sich, und dank des feinfühligen Robotergriffs sank die Ausschussrate der weniger fragilen Teile von 7 % auf dieselben 0,5 % des ersten Teils.

Am Ende des Förderbands werden die Teile auf Sinterschalen gelegt, die, wenn gefüllt, in Öfen zum Härten platziert werden. Dieser Ofenbeladeprozess wurde zur zweiten Hauptfunktion, die automatisiert wurde.

In gemessenem Tempo wurden Roboter installiert, um die Teile von den Schalen zu nehmen und auf Paletten zu legen, während gleichzeitig Trennlagen zwischen jede Palettenlage eingefügt wurden.

„Als wir uns mit Robotern vertrauter machten, nahmen wir das Gelernte und duplizierten Applikationen im gesamten Werk“, sagte Adams. „Programmierung wurde viel einfacher, und am letzten Tag der Linieninstallation passten wir bestehende Programme an, kopierten und fügten sie ein – und waren in ein paar Stunden einsatzbereit.“

RobotStudio, ABBs Offline-Simulations- und Programmiersoftware, wurde zu einem wertvollen Werkzeug, um HPMs zunehmende Einführung roboter Technologie zu beschleunigen. Auf dem ABB VirtualController basierend – einer exakten Kopie der echten Software, die Roboter in der Produktion steuert – führt RobotStudio realistische Simulationen durch, wobei Roboterprogramme und Konfigurationsdateien identisch mit denen auf dem Shopfloor verwendet werden. Mit RobotStudio konnte Adams das optimale Zellenlayout entwerfen und dessen Leistung verifizieren, bevor die Roboter in einen bestimmten Betrieb integriert wurden.

„Es ist die beste Software, die je entwickelt wurde“, sagte Adams. „Sie spart Zeit und Geld – sowohl bei der Erstellung von Systemen für neue Applikationen als auch bei der Replikation bereits installierter in anderen Werksbereichen.“

Einführung von Vision

Die relative Einfachheit der Replikation besteht erst, nachdem eine bestimmte Applikation im Werk installiert und verfeinert wurde. Neue Applikationen sind oft anspruchsvoller. Nach 18 Monaten und der erfolgreichen Integration von sechs Pressenbelade-Robotern hatte HPM das Vertrauen, vision-gestützte Technologie – damals (2006) noch in den Kinderschuhen – einzusetzen, um den komplexen Präge- oder Nachpressvorgang robotergestützt zu automatisieren.

Nach dem Ofen können sich Teile oft verziehen, was erfordert, dass sie in eine Presse gegeben werden, die sie wieder gerade oder flach prägt. Viele Teile haben Nutten oder Zähne, die präzise in der Form ausgerichtet werden müssen. Vor den Robotern wurden die zu prägenden Teile von einem Hard-Automation-System gehandhabt, das bei vielen Produktvarianten häufige, zeitaufwendige Umrüstungen erforderte. Diese Umrüstungen waren so lang, dass Rückstände von 250 Produktlosen à ca. 100 Teilen üblich waren.

Mit dem vision-gestützten Roboter gibt es keine Ausfallzeiten. Der Roboter kann das Teil aus einer Gruppe vieler verschiedener Teile identifizieren, aufnehmen, radial ausrichten und präzise in die Nachpresse positionieren.

Da das Vision-System mit der neuesten Robotertechnologie interagieren musste, war dies der erste neue ABB-Roboter, der im Greensburg-Werk installiert wurde. Kurze Zeit nach Inbetriebnahme wurden zwei weitere neue Roboter für dieselbe Applikation gekauft.

„Vor der Installation des Nachpress-Roboters arbeitete das Nachpress-Personal jeden Tag“, sagte Adams. „Sechs Monate nach Installation des ersten Vision-Roboters gab es keine Rückstände mehr und das Personal hatte ihre Wochenenden frei!“

Weitere Vision-Anwendungen

HPM setzte Vision später erneut ein – beim letzten der großen Prozesse, die automatisiert wurden: dem Depalettieren von Teilen, die für Spezialwärmebehandlungen außer Haus geschickt worden waren. Zwar werden die Teile ordentlich positioniert auf gestuften Lagen auf einer Palette versandt, sie kehren aber in relativer Unordnung zurück und sind schwer zu entstapeln. Ein ABB-Roboter mit integrierter Vision findet die Teile und greift sie sicher, damit sie gefahrlos depalettiert werden können.

„Das ist eine der einzigartigen Fähigkeiten von ABB-Robotern“, sagte Dave Fox, Präsident von CIM Systems, der bei der Integration der verschiedenen Vision-Systeme half. „Die Teile sind auf den Paletten wirklich desorientiert, nicht in einheitlichen Reihen, manche liegen kopfüber. Ein typischer Sechsachser hätte allerlei Singularitätsprobleme – er geriete in eine Position, in der er sich nicht mehr bewegen kann. Aber der ABB-Roboter mit erweiterter Singularitätsvermeidung findet die Teile, greift sie und platziert sie sicher auf einem Förderband – ohne einen Schlag zu verpassen.“

SCARA-Roboter für Qualitätsprüfung

Nicht überraschend führte die Suche nach einem effizienteren System zur Prüfung von Ventilführungen zurück zu Robotern – in diesem Fall einer Gruppe von ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Modellen, die typischerweise für Kleinteilemontage und Materialhandling eingesetzt werden.

HPM-Protokoll verlangt 100% Prüfung aller Ventilführungen – eine beträchtliche Aufgabe angesichts der Vielfalt: 30 verschiedene Größenvarianten und 16 Prüfpunkte pro Teil. Da das vorherrschende Hard-Automation-Prüfsystem dem Volumen nicht mehr gewachsen war, begann Adams nach einer besseren Lösung zu suchen.

Nach Prüfung verschiedener Optionen – alle mit zu vielen beweglichen Teilen und komplexem Engineering – schlug Fox vor, ein System um die SCARA-Roboter zu konzipieren, die ABB 2016 ins Portfolio aufgenommen hatte. Sie waren schnell genug, hatten hohe Wiederholgenauigkeit, einen kleinen Footprint und eine ungehinderte Montageform, die in beengten Räumen passte.

Ein relativ einfaches System wurde mit drei SCARA-Robotern entworfen, die einzelne Ventilführungen von einem Hoppersförderer entnehmen und sie Vision-Kameras und einem stationären „Komparator“ in den verschiedenen Winkeln präsentieren, um die 16 Prüfpunkte zu erreichen. Bestandene Teile werden auf ein Förderband gelegt, nicht bestandene in Ausschussbehälter.

Dank der Flexibilität, jede unterschiedliche Teilvariante mit ähnlicher Leichtigkeit dexterös zu handhaben, kann das System ein Teil alle zwei Sekunden prüfen – 30 % schneller als die vorherige Methode. Da die Bewegungen auf kurze Distanzen beschränkt sind und die Teile sehr leicht sind, würde ein Sechsachser nicht so effektiv arbeiten wie der schlanke, begrenzte Reichweite SCARA.

„Die SCARAs sind eine großartige Ergänzung des ABB-Portfolios. Ohne diese Lösung hätte Hitachi wahrscheinlich eine andere Technologie für die Teileprüfung verfolgen müssen“, sagte Fox. „Es war schön, eine weitere Roboterapplikation zu finden, obwohl das nicht die erste Option war, die in den Sinn kam.“

CIM Systems – immer präsent

Eine Konstante, die vom ersten Roboter bei HPM bis heute im Vorder- oder Hintergrund präsent war, ist CIM Systems. Immer verfügbar, wenn nötig, hat CIM HPM mit neuen und gebrauchten Robotern ausgestattet, bei Programmierung und Fehlersuche geholfen und – vielleicht am wichtigsten – dem HPM-Personal beigebracht, vieles selbst zu tun.

Wenn HPM Roboter in eine neue Applikation integrierte – mit Vision oder sonst –, übernahm CIM Setup und Programmierung, stets bemüht, ihr Fachwissen zu teilen, einschließlich der Nutzung von RobotStudio. In gelegentlichen Pausen in HPMs Roboteranschaffungszeitlinie war CIM verfügbar, um Programme zu aktualisieren, schwer auffindbare Ersatzteile für ältere Modelle zu beschaffen oder Ratschläge zur Arbeit mit Robotern verschiedener Baujahre zu geben.

„Bei jedem der verschiedenen Prozesse ließen wir CIM die initiale Integration und Programmierung durchführen. Als wir begannen, Prozesse im Werk zu replizieren, hatten wir genug gelernt, um vieles selbst zu machen“, sagte Adams. „Dank seiner engen Beziehung zu ABB weiß Dave Fox immer, wann neue Technologie kommt und welche Roboter für unsere verschiedenen Applikationen optimal sind. Die Unterstützung von CIM Systems und der Service von ABB waren eine ideale Kombination.“

Angesichts dieser langjährigen Beziehung ist es keine Überraschung, dass als der erste Roboter 2017 bei ABBs US-Fertigungsstätte in Auburn Hills vom Band lief, er von CIM bei HPM in Betrieb genommen wurde. Der einzigartige IRB 2400 Roboter wurde werkseitig in Rot, Weiß und Blau lackiert und ist prominent in HPMs Anlage positioniert – er führt Prüf- und Palettieraufgaben aus.

„Wir sind begeistert, dass wir den ersten in Amerika gefertigten Roboter für HPM beschaffen konnten“, erklärte Fox. „Das ist besonders bedeutsam, weil das Indiana-Werk die flexibelste Automatisierung unter HPMs vielen globalen Standorten hat.“

Unterstützung anderer HPM-Standorte

HPMs Konzernmanagement in Japan nahm die großen Produktivitätsverbesserungen wahr, die das Greensburg-Team mit Robotern erzielte, und beauftragte Adams und Owens 2017 mit der Leitung einer „Global Robotics“-Initiative, um die anderen Hitachi-Pulvermetallwerke weltweit beim Ausbau ihrer Roboter-Nutzung zu unterstützen.

Das zweijährige Programm ist über die Hälfte hinaus, und die Tochtergesellschaften beginnen, signifikante Produktivitätsverbesserungen zu realisieren – selbst bei den niedrigeren Arbeitskosten in den anderen Ländern.

Adams hat ABBs Remote Monitoring Funktion bei HPM eingerichtet, sodass er oder seine Teammitglieder von außerhalb der Fabrik per Laptop, Tablet oder Smartphone sehen können, wie die Roboter laufen, und die meisten Probleme fernwarten können. Mit den neueren Robotern hofft HPM, ABB Ability Connected Services – ABBs einheitliches, branchenübergreifendes digitales Angebot – zu nutzen, das Echtzeitdaten zu Roboterstatus und -leistung von jedem Ort bereitstellt.

Zukunftspläne

HPMs laufende Mission umfasst die Verbesserung der Abläufe durch Roboterautomatisierung.

„Wir erwarten ein Wachstum von 10 % pro Jahr für die absehbare Zukunft und müssen alles tun, um wettbewerbsfähig zu bleiben“, sagte Owens. „Wir prüfen, welche Getriebeteile wir für Elektrofahrzeuge fertigen können, und haben uns das Ziel gesetzt, Nicht-Automobil-Segmente wie Schwerindustrie zu erschließen, wo Pulvermetall Teile aus anderen Materialien zu geringeren Kosten ersetzen könnte.“

„Ich erwarte, dass das Tempo der Roboterinstallationen stabil bleibt oder sogar zunimmt“, fügte Owens hinzu.

Für Informationen zu Hitachi Powdered Metals (USA) Inc. besuchen Sie www.hitachi-pm.us oder rufen Sie 812-663-5058 an. Für CIM Systems Inc.: www.cimrobotics.com oder 317-773-5600. Für ABB Robotics: www.abb.com/robotics oder 248-391-9000.