Automatisierung für alle: Effizienzsteigerung auch in kleinen Fertigungsbetrieben

Automatisierung war einst Großfabriken vorbehalten – jetzt profitieren auch kleine Werkstätten

Automatisierung in Job Shops beschleunigt sich, getrieben durch Industry 4.0, anhaltenden Fachkräftemangel und die COVID-Pandemie.

Verfügbarkeit maßgeschneiderter Roboter- und Materialförderoptionen hilft kleineren Herstellern, mehr zu produzieren und Bediener auf wertschöpfendere Aufgaben zu verlagern. Surging Nachfrage nach PSA (persönlicher Schutzausrüstung) und Arbeitsschutzbedarf rüsteten Shops' Automatisierungsbemühungen zusätzlich auf.

Courtney Ortner, CMO von Absolute Machine Tools (Lorain, Ohio), fasste die Vorteile treffend zusammen: „Mit Cobots (kollaborativen Robotern) haben Sie einen Arbeitspartner – keine Social-Distancing-Sorgen. Viele Shops verlieren Mitarbeiter durch Quarantäne – so läuft der Betrieb trotz Personalausfall weiter. Lights-out-Fertigung wird durch Automatisierung gängiger: Selbst mit Cobot können Sie freitags einen Job einrichten und montags morgens ist er fertig – oft sind Sie dem Produktionszyklus voraus.“

Der Vormarsch der Cobots

Roboter sind der erste Gedanke bei automatisierter Fertigung. Ihre menschen-sichere Variante, Cobots, verbessern sich stetig in Setup-Einfachheit, Flexibilität und Traglast.

Seit Einführung vor 15 Jahren sind Universal Robots (UR), Boston, in Job Shops fester Bestandteil – besonders in High-Mix-, Low-Volume-Umgebungen. Mit der 16-kg-Version (UR16, 2019) erweitert UR die Grenzen, wo Roboter in Produktionsworkflows passen.

2020 war besonders aktiv, so Joe Campbell, UR-Head of Marketing Nordamerika. Zwei Themen: pandemiegetriebene Reorganisation und Annahme neuer Produktionsmodelle.

Kleine Shops – gepresst, jeden Quadratzentimeter begrenzter Fläche effizient zu nutzen – setzen Cobots für soziale Distanzierung ein. „Haben Sie ein Cluster von drei Werkzeugen, setzen Sie ein oder zwei Cobots dazwischen – Operatoren bekommen Luft.“

Zudem erkennen Shops, wie Cobots die Bilanz verbessern. „Shops schauen anders“ auf den Wochentag-only-Plan „und finden das Fertigungsteam offen für mehr Flexibilität.“ Ein UR-Kunde schuf eine Wochenendschicht – viele Teammitglieder nahmen das neue Angebot an. In anderen Fällen: Shops mit einem qualifizierten Operator für Setup und Beladung fügten Cobots für Beladung hinzu, während der Operator mehrere Maschinen überwacht.

UR-Einheiten sparen Stunden bei Setup. Sie können per Touchscreen auf Boden, Wand oder Decke konfiguriert werden – andere Roboter sind oft für spezifische Orientierung spezialisiert. Zykluszeiten sinken, besonders da UR-Cobots mit Dual-Gripper konfigurierbar sind – simultanes Entladen Fertigteil und Einlegen neuem Rohling.

Kritisch für UR-Flexibilität: Kombination mit Drittanbieter-Equipment und -Software über das UR+-Programm – „eine Art App Store für UR“, so Campbell. Mechanische, elektrische, Software-Interfaces sind veröffentlicht, Drittanbieter entwickeln Produkte dafür. „Wichtiger: Sie reichen sie zur Testung und Validierung ein. Wenn wir sagen, ein Greifer ist Plug-and-Play, ist er das – weil wir ihn getestet haben.“

URs Ökosystem von 288 Peripheriegeräten umfasst Teilmagazine, Vision-Systeme, Sensoren, Montageoptionen, Roboterabdeckungen, Apps. Beispiel: Beacon by Hirebotics lässt Operatoren Cobots via Cloud monitoren. „Produktionsstatistiken einsehen und on-the-fly anpassen.“

März 2020: UR+ erweitert um Application Kits – Kombinationen wie Greifer mit Software „zur Lösung eines spezifischen Anwendungsproblems“. Ein Kit von Robotiq: Exzenterschleifer, Montagehardware, Vakuumschläuche, Software für Schleifprotokoll bei Möbeln/Küchen. „Komplexe Konturen in Minuten, nicht Tagen programmieren.“ UR's ActiNav Kit: Flexibles Maschinenbelade-Kit für Teileentnahme aus Bin und Beladung diverser Maschinen in präziser Orientierung. „Neues Teil in unter einer Stunde ins System einführen.“

Ein weiterer Schlüssel für Shop-Automatisierung: Virtuelle Schulung. UR erreichte Meilenstein: 100.000+ Operatoren online via UR Academy geschult – kostenlose Module für Programmierung und Deployment.

„Müssen Sie Ihre drei Lead-Machinists für fast eine Woche off-site schulen, ist Ihre Produktion zerrüttet“, so Campbell. Kleine Shops „ziehen die Fähigkeit, 90 % des Trainings online zu machen, wirklich an.“

Schnelles Beladen für die Zukunft

Neben Pandemie-Automatisierungsdruck ist Reshoring in die USA ein weiterer Haupttreiber für Roboter und Beladeequipment in Job Shops.

„Hersteller und Job Shops, die historisch langsam Robotik adoptierten, beginnen nun mehr denn je, Robotik zu umarmen“, sagte Jake Corning, Product Manager & Mechanical Engineer bei Acieta LLC (Waukesha, Wis.). „Da mehr Bekanntes als Unbekanntes vorliegt, sind sowohl Interesse als auch Bestellungen seit Pandemiebeginn gestiegen. Sie sehen den Nutzen: Maschinen laufen lassen, Teile fertigen – auch bei Social Distancing, kranken Mitarbeitern, Shutdowns.“

Zusätzlich: Globale Lieferketten gestört – „sie sehen, dass die Pandemie massives Onshoring in die USA bringen wird. Ohne Automatisierung droht noch größerer Fachkräftemangel als vor der Pandemie. Trotz der Tragödie: US-Hersteller umarmen Robotertechnologie komfortabler und sehen Vorteile für Wettbewerbsfähigkeit, Mitarbeiterzufriedenheit, Loyalität und wettbewerbsfähigere Preise für US-Verbraucher.“

Acieta bietet Lösungen für High-Mix-, Low-Volume-Routinen.

„FastLOAD CX1000 und CR2000 Systeme sind für Erstanwender einfach zu bedienen“, so Corning. „Touchscreen-Interface der CR2000 macht Roboterbetrieb mit verschiedenen Teilgrößen sehr einfach. Operator gibt nur Teilparameter ein, System passt Programm automatisch an. Greifer und Teilspannung flexibel für diverse Teilgrößen – viele verschiedene Teile auf demselben System.“

Wechsel auf CR2000 in Minuten. CX1000, CR2000, DR2000 designed so Roboter weiterläuft während Operator be-/entlädt. „Ermöglicht Nonstop-Betrieb während Pausen, Mittag, sogar außerhalb Schichten bei ausreichend Zufuhrteilen.“

CX1000 auf Rädern – einfach auf Shopfloor manövrierbar. Mit Multiple-Quick-Change-Spannwagen-Optionen. Nutzt FANUCs CRX-10iA/L Cobot – „sehr einfach zu bedienendes Touchscreen-Interface mit Drag-and-Drop-Programmiericons“, so Corning. „Bei komplexeren/größeren Herausforderungen: Custom-Lösungen für High-Mix/Low-Volume mit Vision, End-of-Arm-Tool-Changern, flexibler Spannung.“

Acietas Maschinenbelegungszellen beliebt. „Standard-Robotersysteme für diverse Teile. Als vor-engineered Standardprodukte deutlich günstiger als Custom-Systeme, Lieferung in nur einer Woche. Alle drei Systeme bedienen mehrere Werkzeugmaschinen gleichzeitig. CX1000 und CR2000 nutzen Cobots – maximieren Flächennutzung, da kein Sicherheitszaun nötig.“

Für erstmalig automatisierende Job Shops: Collaborative CX1000 als Einstieg. Automatisierung befreit Arbeiter von repetitiven Aufgaben – „lernen, Roboter zu programmieren oder zu warten. Ein Operator, der zuvor eine Maschine bediente, managt nun Robotersysteme an mehreren Maschinen.“

Essentielle Probleme lösen

Mit íntimer Kenntnis von Zerspanung und Job-Shop-Bedürfnissen hilft Methods Machine Tools Inc. (Sudbury, Mass.) Herstellern, zu automatisieren – mit Blick auf mehr Business und qualifiziertere Belegschaft.

„Wir brauchen mehr gute Zerspaner“, betonte John Lucier, FANUC Automation Manager bei Methods. „Das leisten Roboter. Roboter helfen Shops, mehr Aufträge zu bekommen, um mehr Zerspaner einzustellen.“ Ein gut ausgebildeter Zerspaner belädt nicht – „er rüstete ein, wählt Werkzeuge, schreibt Programme.“

Wie andere Lieferanten sah Methods pandemiebedingten Automatisierungsspike – besonders für Beatmungsteile.

Vor Pandemie besuchte Lucier viele Low-Volume-Shops, die erstmals Automatisierung prüften. Medium-Volume-Betriebe, die Zellen 2–3-mal wöchentlich wechseln für ca. 5.000 Teile, werden common – Methods bietet conveyor-basierte Job Shop Cell Pro Line. Verstellbare Spurteiler erlauben schnellen Wechsel zwischen Klein- und Großteilen. Beliebt: Schubladensysteme mit Stahl-/Aluminiumplatten mit Bohrungen für 20–40 Teile.

Spannung ist weiterer Hauptaspekt: Automatisierte Spannzangen sind relativ einfache Lösung. „Nicht komplex mit Schwenkspannern nötig. Gute alte Spannzange oder Schraubstock mit Pneumatik/Hydraulik zum Öffnen/Schließen, eigene Backen fertigen – wie viele Shops bei ca. 50 Teilen Losgröße.“

Für niedrigste Volumen, bis Losgröße 1: Methods bietet Plus-K und Plus-K 60 Roboter-Rotationskarussell-Systeme. „Roboter nicht teil-spezifisch; bringt generische Spannung rein/raus – kleiner Schraubstock oder Palette. Roboter greift gemeinsames Merkmal an Spannungsfront. Teile in manuellen Schraubstock, Roboter vorkonfiguriert wie Palettenlader – keine Endanwender-Programmierung nötig. Erweitert Standard-Werkzeugangebot RoboDrill von 21 auf optional 161 Werkzeuge.“

Mit solchen Lösungen sehen Job Shops typischerweise ROI in <12–18 Monaten. „Ziel: Sie überzeugen, 2–3 Schichten zu fahren – Roboterzelle füllen, 17 Uhr nach Hause, 2–6h Laufzeit. Wenn automatisiertes System 80 % der geplanten Arbeit bewältigt – pretty darn good.“

Methods' Lösungen basieren auf langjähriger Job-Shop-Verbindung und Wissen, wie sie ticken – Lucier selbst Zerspaner von Handwerk. Er erinnert Shops oft: Eigene Stahl-/Aluminiumgreifer fertigen. Robotervorprogramme anpassen oft einfacher als CNC-Programmierung. Automatisierungsintegrationsgruppe kennt Maschinenprobleme: Kühlmittel, Späne, Werkzeugrotation, Standzeit, Entgraten.

„Wenn Sie Roboter an Werkzeugmaschinen setzen, wollen Sie Roboterintegrator, der das tut. Roboter-Vorteile sollten nicht schwer zu rechtfertigen sein.“

Bedarf analysieren, Tempo erhöhen

Job-Shop-Automatisierungsbedarf verstehen beginnt mit gründlicher Evaluation des Volumens für Produktivitätssteigerung.

Bei Beauftragung, so Absolutes Ortner: „Systemlayout erstellen, Best Practices für Automatisierung entscheiden – Fördersysteme, Roboter, Rohmaterialhandling, Fertigteilhandling – in CAD designen, damit alles in Grundriss passt, alles innerhalb Budget.“

Neben Standard-Automatisierungsausrüstung – Cobots, Teilhandling, Monitoring – bietet Absolute „Turnkey-Paket“: „Wir sourcen beste Lösung und arbeiten mit Lieferanten für Erfolg.“

Absolutes Sourcing-Erfahrung zahlt sich aus: „Ein Kunde mit OB7 Cobot erzielt 20 % mehr Effizienz, deutlich weniger Ausschuss pro Schicht. Lieferzeiten um zwei Wochen reduziert – Maschine/Zelle für Zusatzarbeit frei, höherer ROI. Weniger repetitive Aufgaben → weniger Arbeiterunfallansprüche, weniger Krankmeldungen – spart Geld.“

Wie andere Shops fanden: Mehr Operatorverfügbarkeit für andere Aufgaben → „mehr Zeit für Gesamtprozesse wie Qualitätskontrollen. Stärker in Prozessmanagement involviert statt nur Knöpfe drücken, weniger Langeweile und Ermüdung.“

Kosten überraschend niedrig: „Cobot-Linie von Productive Robotics startet bei 34.900 $ für Basic CNC Package. Upgrade zu vollintegrierter Zelle mit mehreren Cobots, Förderern, In-Prozess-Messung, Teilpräsentation möglich.“

Monitoring für mehr Output

Mitsubishi Electric Automation Inc. (Vernon Hills, Illinois) bietet MTConnect-basierte Integrated Machine Analytics (IMA) für Maschinenmonitoring. IMA Mobile App: einfacher Einstieg.

Mit IMA „verstehen Shops Produktion besser – hilft bei präziser Jobplanung für volle Maschinen-/Arbeitszeitauslastung, präzisere Angebote für mehr Aufträge“, so Robert Brodecki, IMA Mobile Service Product Manager.

Hardware: nur Ethernet-Verkabelung und Hub/Switch bei Mehrmaschinenanschluss. Setup: 5–10 Min pro Maschine. „Bei niedrigem Einstiegspreis: ROI in Tagen – besonders bei unbeaufsichtigter/Lights-out-Produktion und verlorener Zeit durch Maschinenstopp, erst später bemerkt. IMA Mobile Benachrichtigung: innerhalb 10–15 Sek. wissen, wenn Maschine stoppt, egal wo Sie sind.“

Monitoring steigert Durchsatz signifikant: „Nur Execution State: Job Shops haben Maschinen typ. 25–40 % verfügbarer Zeit im Schnitt. Einfaches Monitoring via IMA Mobile → schnell auf 50 %+ durch sofortiges Reagieren auf Stopps. Echte Maschinendaten – kein Raten, wie lange geschnitten, idle, aus war.“ Verfügbare Maschinenstunden erweitern durch mehr Schichten mit weniger Personal – oder unbeaufsichtigt – ohne Produktionsverlust durch unerwartete Stopps.

Mit IMA Mobile: Operatoren zu wertschöpfenden Aufgaben – „wissend, App benachrichtigt bei Jobende oder Unterbrechung.“

Bei niedrigem Einstiegspreis lässt IMA Nutzer „Produktion verstehen, verbessern, einfachere unbeaufsichtigte Projekte starten – mit Sicherheit, dass Maschinen laufen. Da auf MTConnect-Standard basierend: Wechsel zu tiefergehender, anpassbarer Monitoring-Software ohne erneute Maschinenanbindung – neue Software zeigt einfach auf MTConnect Agents, Maschinendaten schnell verfügbar.“

Diese Einfachheit war besonders wichtig für Automatisierung in COVID-Zeiten: „Sinnvoll, da Unternehmen mehr automatisieren wollen, aber ohne präzise Produktionsdaten schwer zu wissen, wo und wie. Pandemiebeginn: Viele Unternehmen noch unentschlossen bzgl. Maschinenmonitoring. Mit fortschreitender Pandemie: Erkenntnis, Automatisierung und Remote-Lösungen nicht vermeidbar → Projekte ganz nach oben priorisiert.“