Smarte Automation für High-Mix, Low-Volume-Drehen: Effizienz & Flexibilität steigern

Automation für Drehapplikationen gibt es seit Jahrzehnten: Stangenlader, Gantry-Lader und Roboterlader sind etablierte Automationsgeräte. Alle sind effektive Werkzeuge in mittel- bis hochvolumigen Anwendungen. Doch der Anpassung an Marktdrücke zwingt CNC-Hersteller stetig zu kleineren Losgrößen bei einer breiteren Palette von Werkstückformen und -größen. Diese Entwicklung bringt neue Herausforderungen:

• Wie beeinflussen kleinere Losgrößen die optimale Automationswahl für Drehapplikationen?
• Welcher Automationstyp eignet sich am besten für eine Vielfalt an Werkstückgrößen und -formen?
• Was sind Best Practices, um das Maximum aus der Ausrüstungsinvestition herauszuholen?

Der Bedarf an Automation

Lassen Sie uns kurz innehalten und den grundlegenden Zweck von Automation auf dem Shopfloor betrachten. Geht es um erhöhte Maschinenauslastung? Höhere Produktionskapazität? Geringere Fertigungskosten? Geringere Personalkosten?

Die meisten Shop-Manager würden sagen: Der wahre Grund – der Nr. 1 Treiber für Automation – ist der Mangel an zuverlässigen, qualifizierten Arbeitskräften. Ohne Personal, um das Geschäft zu betreiben, wird es entweder kleiner oder geht ganz unter. Die Reduzierung des Personalbedarfs sollte im Vordergrund jedes Automationsprojekts stehen, besonders in der High-Mix, Low-Volume-Fertigung.

Doch viele Shop-Manager zögern, in Ausrüstung zu investieren, die Personalbedarf reduziert. Der Grund liegt wahrscheinlich in der Tendenz, Personalkosten zu unterschätzen und Ausrüstungskosten zu überschätzen.

Eine 250.000 $ CNC-Maschine mag teurer erscheinen als ein Bediener à 15 $/Stunde. Addiert man Sozialleistungen, Steuern und Schulung, liegt der Netto-Stundenkosten bei ca. 21 $. Fehlt Personal für Wachstum, ist der Wert jedoch deutlich höher. Verteilt man die Maschinenkosten über 15 Jahre und addiert Finanzierung, Wartung, Strom und Miete, kostet die CNC-Maschine ca. 3 $/Stunde im 24/7/365-Betrieb. Investitionen, die Personalbedarf senken, haben zwar einen hohen Anschaffungspreis, liefern aber meist eine hervorragende Rendite.

High Mix, Low Volume

High Mix bedeutet viele verschiedene Teilarten: Stangen, Wellen, Bolzen, Blöcke, Guss- und Schmiedeteile mit vielfältigen Merkmalen.

Low Volume steht für kleine Losgrößen. Die Definition von „klein“ hängt vom Betrachter ab. Statt auf die Stückzahl pro Los zu schauen, ist es oft besser zu betrachten, wie lange das Los läuft, oder welchen Prozentsatz der Laufzeit das Rüsten einnimmt. Wenn Rüstzeit mehr als 10 % der Loslaufzeit ausmacht, befindet man sich im Low-Volume-Bereich.

Diese Definitionen sind wichtig, weil High-Mix-Fertigung auf flexible Fertigungsausrüstung angewiesen ist, während Low-Volume-Fertigung kurze Rüstzeiten erfordert. Wenn Fertigung High Mix und Low Volume zugleich ist, wird die beste Ausrüstungswahl zur Herausforderung. Shops müssen das große Ganze betrachten und sorgfältig Personalkosten und -verfügbarkeit gegen Ausrüstungskosten abwägen. Das hilft, bessere Entscheidungen bei Drehmaschinen und Automation zu treffen.

Drehmaschinen-Optionen für High Mix, Low Volume

Die Unterschätzung des Bedarfs, Personal zu reduzieren, ist der größte Fehler bei der Drehmaschinenwahl für High-Mix, Low-Volume. Oft verzichtet man auf Fräskapazitäten zugunsten eines zusätzlichen Arbeitsschritts auf einer bestehenden Fräsmaschine. Die Extrakosten für Gegenspindel, Schnellwechselwerkzeuge oder Spannfutter mögen wie unnötiger Luxus wirken.

Aber Shop-Manager bereuen selten den Kauf teurer Optionen, die Personal einsparen. Maschinenoptionen, die Bedienerarbeit reduzieren, haben fast immer einen hohen ROI. Schnellwechsel-Spannbacken, Schnellwechsel-Spannzangen und Schnellwechselwerkzeuge sollten auf jeder Drehmaschine für High-Mix, Low-Volume verbaut sein. Optionen, die die Flexibilität bieten, Teile in einer Maschine komplett zu fertigen („one-and-done“), haben ebenfalls einen hervorragenden ROI.

Die „Must-Have“ Gegenspindel

Fast alle Drehteile erfordern zwei Operationen. Bei der Automatisierung von Drehmaschinen ist die Gegenspindel eine besonders wertvolle Option, deren Wert oft übersehen oder missverstanden wird. Selbst wenn die Maschine nur Stangenarbeit macht und die Gegenspindel lediglich das Abtrennen des Trennstegs ermöglicht, amortisiert sie sich über die Maschinenlebensdauer gegenüber einem Bediener, der Teile nachlädt oder den Steg manuell abschleift.

Bei der Automatisierung von Futteranwendungen zahlt sich die Gegenspindel richtig aus. Ohne Gegenspindel kann ein typischer Roboter oder Gantry-Lader nur eine Operation pro Durchlauf erledigen. Nach der ersten Operation muss der Bediener die Spannbacken für die zweite Operation einrichten, die Teile wenden und wieder in die Zuführung laden.

Bei der Entscheidung für eine Gegenspindel sollten folgende Fragen geklärt werden:

• Liegen alle zu fertigenden Teile in der Zuführung mit der fertigen Seite nach unten?
• Erfordern die Teile eine Takteinstellung (Clocking) von der ersten zur zweiten Operation, und kann die Zuführung diese zuverlässig halten?

Fällt die Antwort auf eine dieser Fragen mit „Nein“ aus, muss ohne Gegenspindel die zweite Operation manuell geladen werden – was Personal und Fertigungskosten erhöht.

Stangenlader, Gantry oder Roboterlader

Generell diktiert die geplante Arbeit die Automationwahl. High Mix erfordert Flexibilität für verschiedene Werkstückgrößen und -formen. Low Volume verlangt kurze Rüstzeiten für kleine Lose. Leider gibt es keine klare Automationsentscheidung für High-Mix, Low-Volume. Die beste Wahl wird meist durch den Umfang des Teile-Mix bestimmt, den die Automation unterstützen muss.

Stangenlader sind die beliebteste Automationswahl für Drehmaschinen. Sie sind einfach, zuverlässig und erschwinglich. Die primäre Limitation ist die Werkstückgröße: max. ca. 120 mm (4,75 Zoll) Durchmesser. Für High-Mix, Low-Volume bieten magazinierte, servogetriebene Kurzlader generally den breitesten Stangendurchmesserbereich bei kürzesten Rüstzeiten. Für Arbeit, die primär in den Stangenlader-Grenzen liegt, ist er schwer zu schlagen.

Gantry-Lader sind eine weitere bewährte Drehmaschinen-Automationstechnologie. Oft direkt vom Drehmaschinenhersteller als integrierte Lösung erhältlich, entfällt die Sorge, ein komplexes Automationsgerät mit einer komplexen CNC-Drehmaschine zu verheiraten. Funktional arbeitet ein Gantry-Lader ähnlich wie ein Roboterlader: Er nimmt ein Teil aus der Zuführung, lädt es in das Drehmaschinenfutter, entnimmt es nach der Operation und legt es in die Abfuhr. Typischerweise mit Doppelgreifer für höhere Effizienz: Während ein Greifer das fertige Teil entnimmt, hält der andere das nächste Rohteil.

Gantry-Lader können generally für Wellen oder Futterteile konfiguriert werden. Rüstzeiten zwischen ähnlichen Teilen sind relativ kurz, aber von einem 50 mm x 380 mm Wellen zu einem 150 mm Puck können sie sehr lang sein. Eine weitere Limitation: Manche Werkstückgrößen und -formen können gar nicht gehandhabt werden. Gantry-Lader nutzen oft Stapel-Lader für Pucks, die Roh- und Fertigteile übereinander stapeln.

Roboterlader waren vor wenigen Jahren nur als voll kundenspezifische Systeme erhältlich. Hohe Kosten, gezielt auf Hochvolumen, generally nicht geeignet für High-Mix, Low-Volume-Anforderungen. Heute haben neue technologische Entwicklungen Roboterlader zu einer attraktiven Option für High-Mix, Low-Volume gemacht.

Cobot-Lader

Kollaborative Roboter (Cobots) sind beliebt, weil sie keine speziellen Sicherheitsmaßnahmen brauchen, portabel und relativ einfach zu programmieren sind. Doch das Auspacken eines neuen Cobots und die Integration in eine produktive High-Mix, Low-Volume-Automationsmaschine kann entmutigend sein. Greifer anpassen, Zu- und Abfuhr, Türöffner und CNC-Schnittstelle designen und bauen – das sind keine trivialen Aufgaben. Theoretisch kann ein Cobot-Lader eine Bandbreite an Werkstückformen und -größen verarbeiten; seine Effektivität hängt jedoch davon ab, wie Zuführung, Abfuhr und Greifer designed sind. Rüstzeiten hängen von denselben Faktoren ab, sind aber auf einem Eigenbau-System wahrscheinlich deutlich länger als bei einem Automations-„Produkt“.

Robot-in-a-Box (RIB) Lader

Robot-in-a-Box (RIB) ist eine neue Automation-Kategorie, die schnell an Zugkraft gewinnt. Ein RIB kombiniert einen Industrieroboter mit integriertem Sicherheitssystem, Greifern, flexibler Zu- und Abfuhr und standardisierter Schnittstelle zu gängigen CNC-Maschinen. RIBs sind typischerweise vorkonfiguriert und haben eine einfache Benutzeroberfläche, die ein Bediener in wenigen Stunden lernt. Ein RIB hat typically ein flexibleres Zu-/Abfuhrsystem als ein Gantry-Lader. RIBs sind oft portabel, sodass ein Shop die Automation der besten Maschine für den Job zuordnen kann. Mehrere RIB-Anbieter haben niedrige Rüstzeiten und flexible Zu-/Abfuhr als Engineering-Priorität gemacht. Daher haben RIBs in High-Mix, Low-Volume-Umgebungen generally einen Vorteil gegenüber Gantry-Ladern.

RIB mit MultiGrip

MultiGrip ist eine neue Spanntechnologie, speziell für den High-Mix, Low-Volume-Automationsmarkt entwickelt. Sie ist im VBX-160 verfügbar, einem RIB von VersaBuilt Robotics. Zwar initially für Vertikalfräsmaschinen entwickelt, fand sie Eingang in Drehapplikationen und bietet einzigartige Fähigkeiten gegenüber traditionellen Robotergreifern. Ein Problem traditioneller Drei-Backen-Greifer: Sie eignen sich nicht immer für diverse Formen. Zwar gut für runde Pucks, aber möglicherweise ungeeignet für lange Wellen oder Teile ohne runde Spannfläche.

Der MultiGrip-Robotergreifer nimmt Teile nicht wie ein traditioneller Greifer auf. Stattdessen nimmt er bearbeitbare MultiGrip-Backen auf und nutzt diese, um Teile zu greifen. Die Backen können leicht an diverse Werkstückformen angepasst werden: Wellen, Pucks und eine fast unendliche Vielfalt geometrischer Formen. Der Roboter lädt das Teil dann in eine bestehende Spannzange oder Futterbacken wie ein traditioneller Roboterlader. Dieses System fungiert im Wesentlichen als automatischer Werkzeugwechsler für den Roboter, was Rüstzeiten senkt.

Optional kann die Drehmaschine mit MultiGrip-Zwischenfutterbacken konfiguriert werden. In dieser Konfiguration lädt der VBX-160 Backen und Teil direkt in das Drehmaschinenfutter. MultiGrip wirkt dann als automatischer Werkzeugwechsler für den Roboter UND als automatischer Futterbackenwechsler für die Drehmaschine. Der VBX-160 eliminiert einen weiteren Rüstschritt und ermöglicht die Verarbeitung mehrerer Teilenummern in einem Ladevorgang. Für High-Mix, Low-Volume kann das System am Schichtende mit bis zu vier verschiedenen Teilenummern beladen werden und verarbeitet diese automatisch – inklusive Auswahl der passenden CNC-Programme – so dass Bediener morgens einen Stapel fertiger Teile vorfinden.

Ein VBX-160 mit MultiGrip verarbeitet Wellen bis 150 mm Durchmesser und 380 mm Länge sowie Pucks bis 250 mm Durchmesser und 150 mm Höhe.

Insgesamt verändert sich die CNC-Fertigungslandschaft. Kunden fordern komplexere Teile von CNC-Shops, mit kurzen Lieferzeiten und kleinen Losgrößen. Gleichzeitig wird das Personal für Rüsten und Bedienen von CNC-Maschinen knapper. Richtige Investitionen in Werkzeuge, Spanntechnik und Automation ermöglichen Shops, Kundenbedürfnisse besser zu erfüllen, die Abhängigkeit von schwer zu findendem Personal zu reduzieren und Wachstum und Rentabilität zu steigern.