Hürden beim "Lights-Out"-Präzisionsfräsen überwinden

Was ist "Lights-Out"-Fertigung – und wie realistisch ist sie?

Lights-Out-Fertigung ist eine Methode zur Automatisierung der Produktion, um den menschlichen Eingriff zu minimieren oder ganz zu eliminieren. Die Idee, Menschen durch Geräte oder Prozesse zu ersetzen, die dieselbe Arbeit schneller, besser oder günstiger erledigen, ist nicht neu.

In den letzten Jahren hat die Faszination für Robotik und Automation weiter zugenommen – auch im Präzisionsfräsen. Vollautomatisierte "Lights-Out"-Produktion mit ihrem Potenzial für höhere Produktivität, größeren Durchsatz, Energieeinsparungen und reduzierte Personalkosten ist wohl der Traum jedes Werkstattinhabers.

Doch die Realität stellt eine Herausforderung dar, besonders in der Welt des Präzisionsfräsens. Selbst bei Betrieben, die vollautomatisierte "Lights-Out"-Produktion anbieten, ist es eine Art Fantasie zu behaupten, ein Präzisionsfräsdienst laufe "von selbst" Tag und Nacht.

Kriterien für machbare "Lights-Out"-Fertigung

Jeder "Lights-Out"-Fertigungsbetrieb – ob im CNC-Präzisionsfräsen oder einer anderen Produktionsmethode – muss einige Grundlagen erfüllen, um erfolgreich zu sein:

• Sämtliche Maschinen, einschließlich Werkzeuge, Peripherie und Programmierung, müssen fehlerfrei zusammenarbeiten. Die Ausrüstung muss Dauerbetrieb standhalten, idealerweise mit Selbstüberwachung und der Fähigkeit zur Auto-Korrektur oder zum Abschalten bei Problemen.
• Dasselbe gilt für die Mechanismen zur Materialzufuhr, Kühlmittellieferung, Späneabfuhr und Teileentnahme.
• Und entgegen dem Traum "keine Menschen nötig" ist die Fernüberwachung durch eine Person – wiederum mit der Möglichkeit, kleinere Probleme zu korrigieren oder das System bei größeren Problemen abzuschalten – ein zusätzlicher Vorteil.

Vielleicht am wichtigsten: Die Feststellung, ob eine Maschine für den kontinuierlichen "Lights-Out"-Betrieb geeignet ist, erfordert die Prüfung, ob sie höchste Zuverlässigkeit liefert. Das Ziel ist ein Cpk von ≥1,67 – also die Fähigkeit, dass 99,9999 % der Teile den Anforderungen entsprechen.

Das ist (buchstäblich) eine zulässige Fehlerquote von nur einem auf eine Million.

Und selbst wenn eine Maschine "Lights-Out"-Betrieb bewältigen kann, ist der allgemein akzeptierte Maßstab, dass "Lights-Out" nur dann eine tragfähige Lösung ist, wenn sie einen Return on Investment innerhalb von zwei Jahren liefert.

Wo "Lights-Out"-Betrieb heute eingesetzt wird

Es gibt viele Anwendungen, in denen Robotik ein Segen ist, selbst wenn nur ein Teil des Fertigungsprozesses automatisiert ist. In Bereichen von Bierbrauen bis Verpackung, von FedEx-Drehkreuzen über Amazon-Lager bis zur Flughafen-Gepäckabfertigung spielt Automation in zwei Situationen eine wichtige Rolle:

• Wo sie eine Zuverlässigkeit von eins zu einer Million bietet

ODER

• Wo die Fähigkeit besteht, den Prozess auf kosteneffiziente Weise selbst zu korrigieren

Einige gängige Beispiele

Automatisierte Verpackungsvorgänge nutzen eingebaute Gut/Schlecht-Aussortierung, um Qualität im "Lights-Out"-Betrieb zu sichern. Beispielsweise kann eine Kamera prüfen, ob das Produkt vom Band einwandfrei ist, und die Maschine kann fehlerhafte Produkte aussortieren oder sich bei Problemen selbst abschalten.

Robotisches Widerstandspunktschweißen wird in der Automobilindustrie für Dauerbetrieb breit eingesetzt. (Mehr über Widerstandspunktschweißen auf unserer Website.) Das ist wohl das Bild, das die meisten Menschen mit Roboter-Fertigungsstraßen verbinden.

Anders als bei der Kartonherstellung erfordert diese Art von Betrieb jedoch ein anderes Qualitätsniveau. Man kann schließlich nicht ein ganzes Auto aussortieren, weil eine Schweißnaht fehlerhaft ist. Wie prüft man, ob eine Elektrode irgendwo an einer sehr langen, komplexen Montagelinie versagt hat?

Ideale Anwendungen für Automation

In Japan betreibt die FANUC Corporation das, was als ultimative automatisierte "Lights-Out"-Fertigung gilt. Roboter arbeiten 24×7 in einem riesigen Komplex von 22 Fabriken, um andere Roboter für Kunden wie Tesla Motors und Apple zu produzieren. Laut Gary Zywiol, Vice President von FANUC Robotics America: "Nicht nur ist es 'Lights-Out', wir schalten auch Klimaanlage und Heizung aus."

Automation wird auch in allen Prozessen eingesetzt, die für Menschen feindlich sind. Das umfasst Fertigungsschritte mit Qualitäts- oder Sicherheitsproblemen sowie Tätigkeiten, bei denen ein Mensch nicht im schnellen Maschinentempo arbeiten kann – wie das oben beschriebene automobile Punktschweißen.

Wenn die Arbeitsumgebung oder Aufgabe hohe Temperaturen, hohe Geschwindigkeiten oder giftige Substanzen beinhaltet, bietet Robotik enorme Vorteile.

Herausforderungen für "Lights-Out" im CNC-Präzisionsfräsen

Alles sehr faszinierend. Aber während wir nicht gegen "Lights-Out"-Fräsen sind, bleiben wir angemessen skeptisch bezüglich seiner Tragfähigkeit in der Präzisionswerkstatt, wo kontinuierliche unbeaufsichtigte Automation eine Herausforderung bleibt.

Verwendete Materialien

Beispielsweise hängt in unserer Welt die Fähigkeit zum "Lights-Out"-Fräsen nicht nur von der Teilegeometrie ab, sondern auch vom verwendeten Material. Generell ist ein weicheres Material – eines, das das Werkzeug nicht so schnell abnutzt wie ein härteres Material oder keine langen, faserigen Späne erzeugt, die sich um das Werkzeug wickeln – ein besserer Kandidat für "Lights-Out"-Aufgaben.

Mit einem geeigneten weicheren Material können Sie Ihre Maschine um 17 Uhr so einstellen, dass sie die ganze Nacht läuft, und morgens einen Korb voller Teile vorfinden, die innerhalb der Toleranz liegen, ohne dass Werkzeuge gebrochen oder abgenutzt sind.

Ein härteres Material wie Edelstahl wird jedoch von niemandem für "Lights-Out"-CNC-Präzisionsfräsen empfohlen. Denn ein so hartes, zähes Material kann Werkzeuge schnell abnutzen oder brechen. Oder Sie finden morgens viele Teile außerhalb der Spezifikation, was das geladene Material verschwendet und Ihren Lieferplan durcheinanderbringt.

Erforderliche Toleranzen

Toleranzen sind eine weitere wichtige Überlegung. Bei einer Toleranz von ±0,005" (0,127 mm) und einem bewährten Material ist "Lights-Out"-Präzisionsfräsen kein Problem. Bei einer Toleranz von ±0,0005" (0,0127 mm) oder darunter bitten Sie um Ärger.

Denn je nach Material wird der Prozess das Werkzeug abnutzen. Wenn Sie einen Außendurchmesser (OD) von 0,0002" (0,00508 mm) halten und den Prozess unbeaufsichtigt laufen lassen, werden Ihre Teile morgens aufgrund von Werkzeugverschleiß höchstwahrscheinlich außerhalb der Spezifikation liegen.

Material-Dos und Don'ts beim "Lights-Out"-Fräsen

Bestimmte Materialien sind von Natur aus besser für "Lights-Out"-CNC-Präzisionsfräsen geeignet. Beispielsweise könnten Messing, 6061-Aluminiumlegierung und bestimmte Kunststoffe, die keine langen, faserigen Späne produzieren (die sich um das Werkzeug wickeln), verwendet werden.

Sogar 303-Edelstahl könnte für "Lights-Out"-Fräsen versucht werden. Zuvor müssten Sie die Ausrüstung jedoch programmieren, einige Stunden testen, um Toleranzhaltung und Werkzeugverschleiß zu prüfen.

Einige Materialien sind absolut ungeeignet für "Lights-Out"-Produktion. Dazu gehört der Liebling der Medizintechnik, 304-Edelstahl, der schwer zu bearbeiten ist, faserige Späne produziert und Grate wirft. Ebenso sind 316, 17-4 und die meisten anderen Edelstähle schwer zu bearbeiten und können Ihre Werkzeuge beschädigen.

Superlegierungen können nicht "Lights-Out" bearbeitet werden, und Titan sollte niemals unbeaufsichtigt bleiben. (Wir haben Videos gesehen, bei denen eine Maschine durch Funken von Titanteilen Feuer fing – ziemlich cool, aber definitiv nicht empfohlen!)

Weitere Stolpersteine im Dunkeln

Für das Präzisionsfräsen von tausenden Teilen könnte Metal Cuttings Array moderner CNC-Schweissdrehmaschinen "Lights-Out"-Produktion unterstützen, da wir den Stangenlader bestücken und die Maschine auf Automatik stellen können. Je nach Durchmesser können wir bis zu zwölf Stangen mit 0,630" (16 mm) Durchmesser laden; bei den kleinsten Standardausgangsdurchmessern von 0,090" (2,25 mm) sogar noch mehr.

Überwachung erforderlich

Die Natur des CNC-Präzisionsfräsens erfordert jedoch, dass während einer normalen Acht-Stunden-Schicht jemand bereitsteht, um das Laden zu überwachen und sicherzustellen, dass alles korrekt läuft. Selbst in Präzisionswerkstätten, die behaupten, "Lights-Out" zu fahren, können Sie ziemlich sicher sein, dass jemand da ist, um sicherzustellen, dass nichts schiefgeht.

Stangenlade-Probleme

Präzisionsfräsen stellt auch Herausforderungen beim automatischen Stangenladen. Erstens müssen Sie immer die Durchmessertoleranz des zu bearbeitenden Materials berücksichtigen. Zweitens bedeutet ein Stangenlader nicht, dass er das Material korrekt lädt – bei praktisch jedem Projekt gibt es eine Lernkurve.

Beispielsweise kann die Maschine, wenn sie bei kleineren Durchmessern nicht perfekt eingestellt ist, versuchen, zwei Stangen gleichzeitig zu laden – mit sehr schlechten Ergebnissen.

Werkzeug sauber halten

Eine weitere Anforderung: Der "Lights-Out"-Prozess muss Hochdruckluft oder eine andere hochwertige Methode umfassen, um den Arbeitsbereich spänefrei zu halten, damit diese nicht nachschneiden und das Werkzeug abstumpfen. Sie müssen auch überlegen, wie fertige Teile entladen werden, unter Berücksichtigung ihrer Empfindlichkeit, um Beschädigungen nach der Bearbeitung zu vermeiden.

Zuverlässigkeit von "Lights-Out" im Präzisionsfräsen

Missverstehen Sie uns nicht – wir sagen nicht, dass "Lights-Out"-Produktion im CNC-Präzisionsfräsen unmöglich ist. Aber sie erfordert, alle Beteiligten und Lieferanten in der Planungsphase zusammenzubringen und deren Input einzuholen, um sicherzustellen, dass Sie haben:

• Das perfekte Material
• Die passende Teilegröße und -geometrie
• Cpk ≥1,67 an der Ausrüstung
• Toleranzen, die nicht so eng sind, dass 99,9999 % Prozesszuverlässigkeit nicht machbar ist

Selbst das präziseste Fräsen wäre hart daran, eine Zuverlässigkeit von eins zu einer Million über Werkzeug, Stangenlader, Kühlmittellieferung und enge Toleranzen zu liefern. Wenn aber ALL diese Bedingungen erfüllt sind, lässt sich "Lights-Out"-Produktion realisieren.

Beispielsweise könnten wir bei Metal Cutting testen, welche Maschine, welches Werkzeug und welches Material die spezifizierten Ergebnisse in einem "Lights-Out"-Prozess erzielen. Oder wir testen einen "Semi-Lights-Out"-Prozess, bei dem wir eine Maschine programmieren, Zusatzteile zu produzieren – nicht im kontinuierlichen Nachtbetrieb, sondern in einer zusätzlichen Haltschicht nach Stunden.

Das ROI-Problem im Präzisionsfräsen

Für Hersteller, die dasselbe Produkt immer wieder fertigen, ist ein Return on Investment innerhalb des Zwei-Jahres-Benchmarks für "Lights-Out"-Produktion machbar. CNC-Präzisionsfräsen dreht sich jedoch weitgehend um die Fertigung vieler verschiedener Teile in kürzeren Zeiträumen.

Das bedeutet: Für viele Präzisionswerkstätten gibt es schlicht keine Zeit zu testen, ob ihr Betrieb "Lights-Out" laufen kann. Zudem sind zwei Jahre eine lange Wartezeit auf ROI, was "Lights-Out"-Fräsen kostenprohibitiv macht…

Bei Metal Cutting bieten wir täglich typischerweise neue Werkstattprojekte an, die 200 bis 20.000 Stück erfordern. Während wir Aufträge haben, die über Jahre laufen, haben wir selten Projekte, die kontinuierlich zwei Jahre laufen. Selten stimmen also alle Faktoren für die Erprobung von "Lights-Out"-Optionen.

Am Ende hat engtolerantes Fräsen so viele Variablen, dass es keine Zuverlässigkeit von eins zu einer Million garantieren kann – es ist noch nicht für echte "Lights-Out"-Produktion geeignet. Dennoch wird Automationstechnologie sicher eine wachsende Rolle in der Kleinteilefertigung spielen.

In der Zwischenzeit: Für Tipps zur Erstellung bester Spezifikationen für Ihre Kleinteile laden Sie unseren kostenlosen Leitfaden herunter: "How to Fine-Tune Your Quote Request to Your Maximum Advantage: Frequently Asked Questions in Small Parts Sourcing".