Neue Impulse für Stationärmaschinen

Zunehmender Kostendruck und ein verschärfter globaler Wettbewerb zwingen auch die Unternehmen der Möbelindustrie, ihre Produktivität und Flexibilität stetig zu steigern. Der Wunsch des Verbrauchers nach qualitativ hochwertigen, individuellen Produkten zu wettbewerbsfähigen Preisen macht den Einsatz leistungsfähiger und gleichzeitig flexibler Fertigungseinrichtungen zwingend notwendig. Die Hersteller von Fertigungssystemen sind daher gefordert, neue Technologien bereitzustellen, um den Forderungen nach erhöhter Ausbringung und geringeren Fertigungskosten bei gleicher oder besserer Qualität gerecht zu werden.

Während der Fokus der jüngsten Entwicklungen bei Durchlaufmaschinen auf der Erhöhung der Flexibilität (Stückzahl 1-Maschine) dieser systembedingt mit hoher Leistung arbeitenden Maschinen lag, wurden bei Stationärmaschinen insbesondere Entwicklungen zur Leistungssteigerung der hochflexiblen „Einzelmaschinen“ in Form von „mehr Teile pro Zeit“ erfolgreich durchgeführt.
Zu nennen ist die Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit durch den Einsatz von Linearmotoren in den Vorschubachsen in Verbindung mit neuen Technologien zur Hochgeschwindigkeitszerspanung. Weiterhin ging mit der Entwicklung neuer Maschinenkonzepte in Linienportalbauweise mit Tandemtisch und Mehrspindeltechnik zur gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer (auch unterschiedlicher) Werkstücke ein Quantensprung in der Leistungssteigerung bei Stationärmaschinen einher. Auch wurden neue Wege mit Parallelkinematiken in der Maschinenkonstruktion bei Oberfräsen beschritten.
Ein der Leistungssteigerung flankierender Ansatz zur Reduzierung der „Stückkosten“ liegt in dem mannarmen Betrieb. Prinzipiell sind Stationärmaschinen für die manuelle Bedienung konzipiert und optimiert. Im Regelfall ist ein Bediener pro Maschine erforderlich, wobei dessen Tätigkeit im Wesentlichen das Rüsten, das Abneh-men, das Restteileentfernen und die Qualitätskontrolle umfasst. Die Mannkosten pro Arbeitsstunde liegen hierbei oftmals höher als der Maschinenstundensatz. Ein mannarmer Betrieb erfordert demzufolge an erster Stelle die Automatisierung des Werkstückhandlings, was den Einsatz von Fertigungszellen unumgänglich macht.

Fertigungszellen
Definitionsgemäß besteht eine flexible Fertigungszelle aus einer (oder mehreren) Bearbeitungsstationen mit gemeinsamer Werkstückversor-gung, die von einem Zellenrechner koordiniert werden. Somit ermöglicht eine Fertigungszelle einen mannarmen Betrieb, d.h., ein Bediener kann beispielsweise mehrerer solcher Anlagen betreuen.
Für den Bediener ergibt die Fertigungszelle eine weitestgehende körperliche Entlastung, betrachtet man allein, welches Gewicht an Werkstücken im Laufe einer Schicht von einem Bediener in der Regel bewegt werden muss.
Darüber hinaus sind gesundheitliche Aspekte zu berücksichtigen in Form von Lärm-, Staubbelastung und Gefahren für den Maschinenführer beim Bedienen der Maschinen. Bei Fertigungszellen sind diese weitestgehend minimiert, da sich der Bediener nicht mehr permanent im Gefahrenbereich der Maschine aufhält.
Die wenigen, hauptsächlich im industriellen Umfeld realisierten Fertigungszellen, stellen vielfach Einzellösungen mit einem sehr hohen Projektierungsaufwand dar. Typischerweise werden der Projektierung nachfolgende Anforderungen zugrunde gelegt:
•Â100 % der Teile des Teilespektrums müssen handelbar sein,
•ÂImplementierung von Sonderfunktionen wie Drehen und Wenden der Teile,
•ÂHohe Taktleistungen des Beschickers. Dies führt zu komplexen High-End-Systemen mit entsprechend hohen Investitionskosten. Die Handhabungseinrichtungen können somit nicht in der Breite wirtschaftlich eingesetzt werden.
Die Gerätetechnik zum Beschicken basiert vor-nehmlich auf Flächenportalen und 3- bis 6-achsigen Robotern. Diese werden in aller Regel vor der CNC-Maschine angeordnet, so dass eine manuelle Bedienung der Maschine stark einschränkt ist bzw. behindert wird. Die Programmierung bzw. Bedienung der „Zelle“ erfordert die Beherrschung sowohl des Handhabungsgerätes als auch der Stationärmaschine mit oftmals verschiedenen Steuerungssystemen.

Fertigungszelle mit maschinenintegriertem Werkstückhandlingssystem
Im Rahmen einer breit angelegten Produkt-Innovationsoffensive der Homag AG, welche auch die Neuentwicklung einer weiteren Portalmaschinenbaureihe B700 im Stationärbereich umfasst, wurde eine Fertigungszelle auf der Basis dieser neuen Maschinenbaureihe entwickelt und auf der Ligna 03 erstmals vorgestellt. Das Ziel ist die mannarme Fertigung von Möbelteilen und Bauelementen.
Bei dieser Entwicklung standen nachfolgende Anforderungen im Vordergrund:
•ÂPreisgünstige, standardisierte Systemlösung für einen mannarmen Betrieb
•ÂManuelle Zugänglichkeit der Stationärmaschine bleibt uneingeschränkt erhalten
•ÂDas Werkstückhandlingssystem ist nachrüstbar
•ÂGeringer Mehrplatzbedarf für das Werkstückhandlingssystem
•ÂEinfaches Bedienen und Rüsten des Werkstückhandlingssystems
•ÂMaschinensteuerung mit integrierter Steuerung des Werkstückhandlingssystems (1 Steuerung mit integrierter Bedienoberfläche in einer gemeinsamen Bedienzentrale für beide Systeme)
•Âmehrere Betriebsarten für die Beschickfunktionen (Anzahl Stapelplätze, Platzbelegungen auf den Maschinentischen, Beschickhilfe, usw.)
•ÂSystemlösung aus einer Hand.
Der Lösungsansatz basiert auf einem „maschinenintegrierten Werkstückhandlingssystem“, bestehend aus einem 2-achsigen Linienportal mit Greifereinheit, welches „innerhalb“ der Auf-stellfläche eines Portalmaschinen-BAZs angeordnet ist. Das Maschinenkonzept des BAZs ist besonders geeignet, da die Beladepositionen für die Maschinentische außerhalb der Störkonturen der Bearbeitungssupporte liegen.
Weiterhin bleibt die Zugänglichkeit des Bearbeitungszentrums uneingeschränkt erhalten. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Teile eingefahren, Sonderteile zwischen Serienteilen oder nicht handhabbare Teile gefahren werden. Die Stapelplätze für die Rohteil- und Fertigteilstapel sind seitlich vom Bedienbereich vorgesehen.

Der Greifer des Werkstückhandlingssystems wurde auf eine hohe Flexibilität ausgelegt. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Kombination aus herkömmlichen Saugelementen mit einem innovativen Flächensauger eingesetzt wird. Somit sind Werkstückgrößen mit den Außenmaßen von 350 x 350 mm bis hin zu Platten mit einer Größe von 2000 x 1600 mm problemlos handhabbar. Das Vakuum wird mittels Ejektoren (Venturiprinzip) erzeugt, welche gegenüber einer Vakuumpumpe kürzere Taktzeiten und einen geringeren Wartungsaufwand aufweisen. Der Flächensauger ist mit einer Ventiltechnik ausgestattet, die völlig selbstständig nur die Ventile aktiviert, in deren Ansaugbereich sich Transportgut befindet. Die übrigen Ventile bleiben im inaktiven Zustand. Dies bedeutet, dass auch Werkstücke mit Bohrungen und Ausfräsungen im Ansaugbereich sicher gehalten werden können.

Die Teilebereitstellung erfolgt stapelweise auf Werkstückträgern wie Paletten oder Rollenbahnen. Die erforderliche Toleranz bei der Bereit-stellung der Werkstücke ist durch die nach 2 Seiten ausgerichtete Teilelage im Stapel mit geringem Aufwand realisierbar.
Die genaue Positionierung des Werkstückes auf dem Maschinentisch wird durch einen gelenkig gelagerten Einzelsauger in der Saugtraverse erzielt. Dieser kompensiert mittels seiner Nachgiebigkeit beim Anlegen der Werkstücke an die Maschinenanschläge die Lagetoleranzen und garantiert somit eine definierte und sichere Werkstückausrichtung.

Die Steuerung der Zelle erfolgt über die Maschinensteuerung PC85 power control, so dass der Maschinenführer die Zelle über eine Einga-beeinheit bedient. Durch die Anwendung von WoodWOP für die Programmierung ist das System für den Maschinenführer bzw. Programmierer leicht erlern-, bedien- und somit sicher beherrschbar.
Grundsätzlich sind für die Funktion „Werkstückhandhabung“ 2 verschiedene Einsatzarten vorgesehen, welche sich in den Funktionsabläufen, den Stapel- sowie den Werkstückarten unterscheiden.
Die erste Einsatzart entspricht der einer „Hebeeinrichtung“, wobei das Werkstückhandlingssystem eine Platte vom Rohteilstapel abnimmt und diese auf einem definierten Arbeitsfeld der Maschine ablegt. Es erfolgt hierbei kein Ausrichten des Werkstückes. Das Fertigteil und eventuelle Reststücke werden vom Maschinenführer manuell entnommen. Das System dient hier als reine Arbeitserleichterung für den Bediener.

Die zweiten Einsatzart entspricht der automatischen Beschickfunktion, wobei hier zwischen der Optimat- und der profi line-Beschickung unterschieden wird.
Bei der Optimat-Beschickung wird von einem Rohteilstapel ein Teil aufgenommen und dieses auf einem definierten Arbeitsfeld der Maschine ablegt und ausgerichtet. Nach erfolgter Bearbeitung durch die Maschine wird das Fertigteil vom Werkstückhandlingssystem auf dem Fertigteil-stapel abgelegt. In einem Stapel befinden sich hierbei ausschließlich Gleichteile.
Bei der profi line-Beschickung können im Rahmen der vorgesehenen Platzverhältnisse zwei Rohteilstapel mit einer max. Länge (X-Richtung) von 850 mm gebildet werden. Dadurch lassen sich die Pufferkapazitäten vergrößern bzw. die Platzverhältnisse bei kleineren Werkstückabmessungen besser nutzen. Auch hier gilt, dass sich in einem Stapel aus-schließlich Gleichteile befinden.
Die zweite Einsatzart lässt optional die Möglichkeit der Mehrplatzbelegung auf der Maschine zu (2 Werkstücke auf einem Tisch). Ebenso ist eine automatische Belegung der Spiegelplätze möglich.

Umfeldanforderungen
Für den erfolgreichen Einsatz dieses Werkstückhandhabungssystems müssen derzeit nachfolgende Bedingungen erfüllt werden:
•ÂBearbeitungszentrum B700
•ÂStapel an zwei Bezugskanten ausgerichtet,
•Âgleiche Teile in einem Stapel,
•ÂEntsorgung von Reststücken erfolgt ausschließlich in der Bearbeitungsmaschine,
•Âkeine Drehung bzw. kein Wenden der Werkstücke,
•Âdie Saugtraverse muss bei wechselnden Teilegeometrien manuell umgerüstet werden.
Das System ist demzufolge besonders vorteilhaft einsetzbar bei der Fertigung größerer Losgrößen. Die maximale Nutzung ergibt sich, wenn die Teilebearbeitungszeiten größer oder gleich der Beschickzeiten sind. Die einfache Bedienung und der Verzicht auf komplexe, automatische Rüstvorgänge führt auf ein preiswertes System und ist somit auch für viele Betriebe einsetzbar.
Kostenbetrachtung/Amortisationsrechnung
Abschließend soll nach der Vorstellung der Technik auch die Kostenseite einer derartigen Zelle im Vergleich zu einem „konventionellen“, d.h. ausschließlich manuell beschickten Bearbeitungszentrum näher betrachtet werden. Dies erfolgt aufbauend auf der Maschinenstundensatzrechnung unter Einbeziehung der Personalkosten für den Maschinenbe-diener. Der Berechnung liegen hierbei folgende Annahmen zugrunde:
Maschine 1: Bearbeitungszentrum O BAZ 722/42/K mit manueller Beschickung, 2fach-Belegung, 1 Maschinenführer zu 100% für eine Maschine zustän-dig,
Maschine 2: Bearbeitungszentrum O BAZ 722/42/K mit Werkstückhandlingssystem, 2 Palettenplätze, Betriebsart 1, 2fach-Belegung, 1 Maschinenführer zu 30 % für eine Zelle zuständig.
Die Beschickzeiten sind bei beiden Systemen annähernd gleich.
Die Berechnung der Nutzungszeit in Abhängigkeit der Anzahl Schichten erlaubt die Berechnung der unterschiedlichen Kosten für den Maschi-nenbediener bei beiden Systemen (vereinfachte Beispielrechnung):
Im Einschichtbetrieb ergibt sich bei der Zelle eine jährliche Einsparung von 1275 Mann-Stunden mit diesem linearen Berechungsansatz gegen-über der Maschine 1, im Dreischichtbetrieb sind es demzufolge 3826 Mann-Stunden.
Die Personalkosten verhalten sich progressiv, da die Schichtzulagen bei der Kostenermittlung zu berücksichtigen sind.
Dieser Einsparung durch die reduzierten Personalkosten sind die höheren Investitionskosten für das Werkstückhandlingssystem entgegenzustellen.
Modellrechnungen zeigen, dass bereits im Zweischichtbetrieb die Amortisationszeit für das Werkstückhandling deutlich unter einem Jahr liegt.

Fazit
Ein großes Potenzial zur Wirtschaftlichkeitssteigerung bei CNC-Stationärmaschinen liegt in der Automatisierung des Werkstückhandlings. Nicht nur die zuvor dargestellte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt dies auf. Auch andere Effekte können zur Investitionsentscheidung beitragen. Hierzu zählt insbesondere die Erhöhung der Maschinenlaufzeiten durch die Nutzung der Pausenzeiten und / oder die Weiterarbeit der Fertigungszelle nach Schichtende. Die körperliche Entlastung des Bedieners ist ein weiteres Augenmerk.
Gerade in Zeiten, in denen die Ergebnisse der holzverarbeitenden und möbelproduzierenden Industrie in der EU rückläufig sind und die Im-porte aus nicht EU-Ländern ein Rekordhoch erzielen, ist es unerlässlich, sämtliche Potenziale in der Fertigungstechnik am Standort Deutschland auszuschöpfen.

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