Automatisieren im Werkzeug- und Formenbau

Mit 5-Achsen-Bearbeitungszentren und Werkstück-Handlingsystemen Einzel- und Serienteile rationeller fertigen

Eine Woche ist eine Woche ist eine Woche, oder etwa nicht? Na ja, so einfach ist das nicht, denn während die einen die 35-Stunden-Woche propagieren, verstehen andere darunter einen verfügbaren (Arbeits-) Zeitraum von 100 Stunden und mehr. Theoretisch und auch praktisch sind 5 Werktage à 24 Stunden mit einer Gesamt-Arbeitszeit von 120 Stunden gleichzusetzen, und wenn man dann noch das Wochen-ende dazunimmt, sind es sogar noch einige Stunden mehr. Das „Polster“ zwischen der so genannten Regelarbeitszeit und der möglichen nutzbaren Laufzeit z. B. von Hochleistungs-Bearbeitungszentren ist demnach so groß, dass es geradezu unverantwortlich wäre, dieses Produktivitäts- und Wirtschaftlichkeits-Potenzial für mehr Wettbewerbs- und Ertragskraft nicht oder nur teilweise auszunutzen. So weit, so gut, doch die Rechnung geht nur dann auf, wenn für den dreischichtigen Betrieb der Maschinen nicht auch die dreifache Anzahl an qualifizierten Ma-schinenbedienern erforderlich ist. Die Maschinen müssen demnach einen so hohen Automatisierungsgrad aufweisen und so reproduzierbar präzise wie prozesssicher arbeiten, dass ein Bediener mehrere Maschinen beaufsichtigen und rüsten und darüber hinaus noch weitere Arbeiten verrichten kann. Die modernen, CNC-gesteuerten Bearbeitungszentren der Maschinen-fabrik Berthold Hermle AG, Gosheim, erfüllen diese Anforderungen schon heute ohne Einschränkungen, doch die weitergehende Automatisierung mittels Werkstück-Wechsel- und Handlingeinrichtungen setzt sich nur vergleichs-weise langsam durch. Daran ist womöglich das „alte“ Vorurteil, dass sich eine durchgängige Automatisierung nur für die Serien- oder Massen-produktion lohnt, nicht ganz unbeteiligt; obwohl doch schon allein durch die universell-flexible Auslegung der BAZ der Baureihen C 500, C 600, C 800 und C 1200 U/V die Voraussetzungen für die Fertigung von Werkstücken mit Losgröße 1 oder in Kleinserien längst geschaffen wurden.

Von Haupt- und Nebenzeiten und anderen Produktivitäts-Faktoren …
Wenn man dann noch einen Schritt weitergeht und die Automatisierung der Teilefertigung bzw. des Werkstück-Handlings im Bereich Werkzeug- und Formenbau anstrebt, der im Normalfall durch die Herstellung von Einzelteilen gekenn-zeichnet ist, dann muss man schon sehr gute Argumente haben, um die entsprechenden Investitionen durchsetzen zu können und be-willigt zu bekommen. So geschehen bei der Firma Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, weltweit tätiger Marktführer elektronischer Interface- und industrieller Automatisierungstechnik mit rund 5300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Zur Phoenix-Gruppe gehören verschiedene Tochtergesellschaften, in denen u. a. elektronische Baugruppen oder auch Stanz- und Biegeteile produziert werden. Die Produktion erfolgt mit sehr hoher Intensität im eigenen Haus, und auch die Werkzeuge werden selbst hergestellt. Zuständig dafür ist die Abteilung Werkzeugbau. Geleitet wird diese von Frau Dipl.-Ing. Sylvia Meyer, und diese hat sich, zu-sammen mit ihren Mitarbeitern Dipl.-Wirt.-Ing. Markus Brentano, zuständig für die Frästechnik, und Nico Chaintoutis, Verantwortlicher des Projekts „Automatisieren der Frästechnik“, die konsequente Rationalisierung der mechanischen Fertigung auf die Fahnen geschrieben. Das kommt nicht von ungefähr, denn die Abtei- Ø
×  lung Werkzeugbau muss sich täglich dem verschärften Wettbewerb stellen, weil die verschiedenen Phoenix Contact-Business Units auch auf dem freien Markt einkaufen können, so sie mit dem Angebot des hauseigenen Lieferanten für Werkzeuge, mechanische Teile und Maschinenbaugruppen nicht klarkommen. Folglich kann sich der Werkzeugbau den verschärften Marktbedingungen mit hohem Kostendruck, kurzen Durchlaufzeiten sowie höchsten Flexibilitäts- und Qualitätsanforderungen trotz der Gruppen-Zugehörigkeit nicht entziehen und muss in jeder Hinsicht wirtschaftlich arbeiten.  

Das Projekt „Automatisieren der Frästechnik“
Als nun die Ablösung verschiedener konventioneller Fräsmaschinen an-stand, machten Sylvia Meyer und Kollegen gleich Nägel mit Köpfen und starteten das Projekt „Automatisieren der Frästechnik“. Zunächst wurde ein Pflichtenheft erstellt und in diesem folgende Forderungen aufgelistet: Nutzung der Werkzeugmaschinen in einer mehrschichtigen, mannlosen Fertigung; Verkürzung der Durchlauf- und Bearbeitungszeiten, Steigerung der Flexibilität und Qualität. Daraus leitete sich die folgende Aufgabenstellung ab: Ablösung der konventionellen Fräsmaschinen durch zukunftssichere Maschinenkonzepte (Entkopplung Mensch-Maschine); Einsatz eines Handlingsystems zum automatischen Beladen mehrerer Werkzeugmaschinen; Einstieg in die Technologie HSC-Bearbeitung. Des Weiteren wurden Arbeitsbereiche, Spindelleistungen und Ausrüstungen spezifiziert und dann begann die Suche nach geeigneten Lieferanten für Bearbeitungszentren, Handlingsysteme, Magazine, Steuerungstechnik und Software. Zwar gab es in den einzelnen Bereichen durchaus gute Lieferanten, doch mit der System-Realisierung aus einer Hand machte schließlich die Hermle AG das Rennen. Das Konzept, die Leistungsdaten und die Referenzen für die 5-Achsen-Bearbeitungszentren der Baureihe C 800 U sowie das Werkstück-Handlingsystem HS 100 überzeugten alle Beteiligten der Firma Phoenix Contact und deshalb wurde der Auftrag für das neue automatisierte Fräsfertigungssystem, bestehend aus 2 Bearbeitungszentren C 800 U und dem Handlingsystem HS 100, an die süddeutschen Maschinenbauer erteilt.

2 Bearbeitungszentren + 1 Handlingsystem + 3 Paletten-Spann-   systeme unter einen Hut bringen
Das Automatisierungskonzept wurde von Anfang an so gewählt, dass zunächst ein BAZ C 800 U und das Werkstück-Handlingsystem und in einem zweiten Schritt dann ein weiteres BAZ C 800 U zur Installation kamen. Das erste BAZ und das Handlingsystem wurden im Frühjahr 2001 und das zweite BAZ dann zum Jahresanfang 2002 geliefert. Bei beiden BAZ handelt es sich um weitgehend identische Standard-Maschinen, die durch einige Anbauten und Zusatzausrüstungen für die Integration in das Komplettsystem vorbereitet wurden. Das erste C 800 U verfügt über eine Spindel mit 24000 min–1 und Werkzeugaufnahme HSK-A63, das zweite C 800 U weist eine Spindel mit 40000 min–1 und eine Werkzeugaufnahme HSK-E40 auf. Für die 5-Achsen-Bearbeitung an bis zu 5 Werkstückseiten haben beide Maschinen den integrierten NC-Schwenkrundtisch und diese wiederum sind mit universellen Paletten-Spannvorrich- tungen zur Aufnahme von drei unterschiedlichen EROWA-Aufspannsys-temen (UPC, ITS 148 und ITS 50) vorbereitet. Der großzügige Arbeitsbereich der BAZ C 800 U mit X = 800, Y = 600 und Z = 500 mm ist für die Einzel- und Kleinserienfertigung im Werkzeugbau von Phoenix Contact ideal, weil damit alle vorkommenden Werkstückgrößen abgedeckt sind. Mit der Möglichkeit, die unterschiedlichen auf die Werkstückpaletten aufgesetzten Teile inklusive der Paletten bei Bedarf durch die gesamte mechanische Fertigung transferieren zu können, ist die Komplettbearbeitung in möglichst wenigen Aufspannungen gewährleistet. Die Komplettbearbeitung in der Fräszelle erfolgt in jedem Fall vollautomatisch, egal ob dafür nur eines oder beide Bearbeitungs-zentren benötigt werden. Das Handlingsystem HS 100 ist in der Lage, Werkstückpaletten mit Abmessungen von max. 540 x 540 mm sowie einem Gewicht bis max. 100 kg vollautomatisch zu handhaben, sprich vom Regalplatz auf das anfordernde BAZ und nach der Bearbeitung ent-weder auf das 2. BAZ oder wieder ins Regal bzw. auf den Ein-/Ausgabe-Rüstplatz zu befördern.

Mit 85 Regalmagazin-Palettenplätzen hochflexibel rund um die Uhr fräsen
Dazu verfährt ein am Oberportal aufgehängter Manipulator von Position zu Position und nimmt das entsprechende Be- oder Entnahmehandling vor. Insgesamt stehen im modular konzipierten C-Regalmagazin 85 Palettenplätze zur Verfügung, die sich in 8 Plätze für die UPC-, in 47 Plätze für die ITS148- und in 30 Plätze für die ITS50-Paletten aufteilen. Das C-Regalmagazin besteht aus 5 einzelnen Modulen und kann jederzeit ausgebaut oder verändert oder auch reduziert werden. Grundsätzlich sind alle handelsüblichen Werkstückpaletten-Spannsysteme anwendbar, so dass die drei genannten EROWA-Paletten für das HS 100 keine Herausforderung darstellen. Durch die Integration der beiden Bearbeitungs-zentren C 800 U und den hohen Automatisierungsgrad ist ein mannarmer Betrieb garantiert und es wird eine optimale Auslastung der Ma-schinen im 2- oder 3-Schichtbetrieb ermöglicht. Auf Grund der Portalbauweise des Handlingsys-tems und der Anordnung der C-Regalmagazine bleiben die Maschinen und deren Arbeitsräume sehr gut zugänglich, zumal die Beschickung der Werkzeugmagazine sowie die Bedienung der CNC-Steuerungen außerhalb des mit Schutz-gittern abgeschotteten Sicherheitsbereichs statt-finden kann. Der Materialfluss im System wird über einen Leitrechner organisiert und ansons-ten ist der Systembeschickung über den zentra-len Rüstplatz die Nullpunkt-Werkstück-Vermes-sung auf den Werkstück-Paletten vorgeschaltet.

Das Ziel vor Augen: 8000 h/Jahr
Nach Angaben von Sylvia Meyer wird diese Fräs-zelle für alle möglichen Bearbeitungen genutzt, wobei 80 % Einmalteile und nur 20 % Wiederholteile sind. „Wir fertigen sehr viele Einzelteile unterschiedlichen Komplexitäts-Grades – unsere Serien gehen bis etwa 20 Stück. Mit einem Mix aus verschiedenen Teilen sind wir der Meinung, über 140 Stunden Wochen- bzw. 8000 Stunden Jahres-Fräszeit erreichen zu können, was mit dem Hermle-Fräsfertigungssystem absolut realistisch ist. Die Komplettlösung aus einer einzigen verantwortlichen Hand ist dafür die Basis“, so die Leiterin des Werkzeugbaus von Phoenix Contact in ihrem Resümee hinsichtlich des Projekts „Automatisieren der Frästechnik“.
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