Smart Factory: vollautomatisierte flexible Produktion auch für kleine Stückzahlen

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Angesichts steigender Produktionskosten, des Mangels an qualifizierten Arbeitskräften und der Forderung nach niedrigeren Herstellungspreisen macht WTO, ein Hersteller von Präzisionswerkzeughaltern, einen bahnbrechenden Sprung in die Zukunft. In Zusammenarbeit mit dem Hersteller von Spanntechnik, Hainbuch, führt WTO eine vollautomatische Smart Factory ein, in der alle Prozesse robotergesteuert sind, was die Fertigungsindustrie revolutioniert.

Seit Jahren tendieren die Produktionskosten nur in eine Richtung steil nach oben, während gleichzeitig immer niedrigere Herstellungspreise gefordert werden. Zudem mangelt es an Fachkräften. Vor diesen Herausforderungen stehen viele Hersteller, darunter auch WTO, ein Hersteller von statischen und angetriebenen Präzisionswerkzeughaltern. Die Lösung liegt auf der Hand: eine vollautomatisierte Produktionshalle. Bei der Serienproduktion greift man immer auf etablierte Methoden zurück, für kleine Stückzahlen müssen jedoch neue Prozesse entwickelt und in ein Gesamtsystem integriert werden. Warum? Denn beispielsweise müssen Spannmittel mehrmals täglich gewechselt werden, was enorme Herausforderungen an Prozess und Sicherheit mit sich bringt. Gemeinsam mit dem Marbacher Spanntechnikhersteller Hainbuch hat WTO die Hürden durch eine eng abgestimmte Mess- und Versuchsreihe überwunden. In der neuen Smart Factory von WTO sind alle Prozesse automatisiert: Roboter legen die Bauteile ein, wechseln die Spannmittel und fahrerlose Transportsysteme bringen alles von A nach B. Seit Ende 2022 erfolgt die Produktion einer der Komponenten der angetriebenen Werkzeuge läuft rund um die Uhr autonom in Losgrößen von 1 bis 100. Dies ist nach einer 3-jährigen Entwicklungsphase ein Meilenstein für WTO und Hainbuch.

Die WTO hat ihren Sitz in Ohlsbach bei Offenburg, abseits der Großstädte mangelt es an Fachkräften. Aufgrund der demografischen Entwicklung wird sich diese Situation weiter verschärfen. Zudem wollen immer weniger Menschen Maschinenführer werden und die Bereitschaft zur Schichtarbeit nimmt immer ab. Sascha Tschiggfrei, Geschäftsführer der WTO, erkannte dies und begann 2016, über Lösungen nachzudenken. „Fachkräfte sind das eine, Kostensteigerungen das andere. Da wir international agieren, ist der Wettbewerbsdruck groß. Manche Unternehmen entscheiden sich für eine Verlagerung ins Ausland, wo die Kosten niedriger sind. Wir wollten aber unseren Standort in Deutschland behalten, also haben wir es getan.“ Wir müssen reagieren, um die Wettbewerbsfähigkeit unseres Unternehmens langfristig sicherzustellen. Unsere Zukunft liegt in der Smart Factory, die rund um die Uhr produziert und vollautomatisch arbeitet. Sie verschafft uns einen Wettbewerbsvorteil und ermöglicht es uns, mehr hochqualifizierte Mitarbeiter zu gewinnen“, sagte Tschiggfrei .

Für dieses Mammutprojekt suchte WTO einen exklusiven Partner für die Spanntechnik, der mit Engagement und Know-how die passende Technologie beisteuern konnte. „Die technischen Details haben wir in Projektteams erarbeitet. Die Fragen waren: Wie spannen wir die Werkstücke, wie können wir das Spannen automatisieren und wie können wir die Spannmittel automatisch wechseln? Ziel war es, dass die Maschinen Umrüstungen durchführen können.“ völlig autonom. Dafür sind Spannmittel erforderlich, die diese Fähigkeit besitzen. Darüber hinaus verfügen wir über einen hochpräzisen Schleifprozess mit einem Toleranzbereich von maximal 3 µm“, so Tschiggfrei. Nachdem das Smart-Factory-Konzept feststand, ging es im nächsten Schritt um die Suche nach einem Partner. Da WTO und Hainbuch bereits bei verschiedenen internationalen Projekten erfolgreich zusammengearbeitet hatten, war Hainbuch der Partner der Wahl. Ende 2019 begannen die ersten Gespräche zur Definition der Spannmittelanforderungen. Die von Hainbuch entwickelten Designvorschläge wurden angenommen.

WTO verfügt über eine bestehende Produktionshalle mit über 50 CNC-Maschinen. Das Spannen erfolgt bei diesen Maschinen überwiegend mit Backenfuttern, das Umrüsten und Ausrichten für jeden OP erfolgt manuell. Der erste völlig mannlose Fertigungsprozess, der in der Smart Factory umgesetzt wurde, war die Herstellung eines Gehäuses, gefolgt von einer Weichbearbeitung und einer Hartbearbeitung. Tschiggfrei erklärte weiter: „Die Maschinen in der Smart Factory sind allesamt neu. Es handelt sich um Standardmaschinen, die jedoch speziell für den automatischen Spannmittelwechsel per Roboter angepasst wurden.“ Hainbuch sollte vier Maschinen mit Spannvorrichtungen ausrüsten. Zwei Dreh-/Fräszentren in einer Zelle mit Innenspannung auf der Gegenspindel und zwei Rundschleifmaschinen in einer anderen Zelle, eine mit Außenspannung und eine mit Innenspannung. Um beim Schleifen von außen zu spannen, verfügte Hainbuch bereits über ein Standardfutter, das Toplus AC 100 mit Axialrückzug. Für die verschiedenen Gehäuse gibt es mittlerweile 18 Spannsätze, bestehend aus einem Spannkopf mit Endanschlag, die automatisch im Spannfutter gewechselt werden. Für die Innenspannung beim Drehen und Schleifen war jedoch eine völlige Neuentwicklung erforderlich. Es basierte auf dem bestehenden Maxxos T211-Dorn, allerdings wurde in dieser Version mit Sicherheitsprüfungen ein spezieller Dorn entwickelt.

Für Björn Schiesling, Konstrukteur in der Automatisierungsabteilung von Hainbuch und von Anfang an dabei, gibt es grundlegende Anforderungen, die bei der Automatisierung berücksichtigt werden müssen. „Was fehlt beim automatisierten Spannenwechsel? Es ist der Mitarbeiter, der die Kontaktflächen reinigt. Selbst kleinste Schmutzpartikel führen dazu, dass die Genauigkeit außerhalb der Spezifikation liegt. Dann sind da noch die Sicherheitskontrollen. Darf sich die Spindel drehen?“ Ist es richtig gespannt? Sitzt es richtig? Kann sich etwas lösen? Generell alles, was normalerweise vom Bediener überprüft und eingestellt wird. Das ist bei der Automatisierung nicht mehr der Fall. Für uns war die Umsetzung eine große Herausforderung Diese Kontrollen in den Spannmitteln. Natürlich mussten wir auch mit dem Maschinenhersteller ausarbeiten, wie dies steuerungstechnisch durch die Überwachung der Hubposition umgesetzt werden kann. Zum Beispiel: Für die Kontrolle per Luftabtastung kann ich die Kanäle zur Verfügung stellen in der Spannvorrichtung, damit eine Luftsensierung implementiert werden kann. Allerdings muss der Maschinenhersteller die Luftversorgung und die dahinter liegenden Sensoren, die mit der Maschinensteuerung kommunizieren, anpassen. Auf dem Weg zur endgültigen Lösung gab es viele Hindernisse, aber wir waren es "Wir konnten sie erfolgreich überwinden", sagt Schiesling.

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Stand vom 23.03.2021

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Für die Innenspannung dachte Hainbuch auch darüber nach, die Segmentspannbuchsen und Endanschläge einzeln auszutauschen. Nach der Bewertung der Aspekte Sicherheit, Genauigkeit und Kontamination sowie dem Vergleich verschiedener Ansätze wurde klar, dass ein sicherer Prozess nur mit vorbestückten Dornen erreicht werden kann. Jetzt verfügen die Schleifzelle und die Dreh-Fräszelle über jeweils zehn Maxxos-Dorne mit einer Schnellwechselschnittstelle von centrotex AC. Diese werden für die verschiedenen Gehäuse mit entsprechendem Aufbau vorrätig gehalten und vom Roboter automatisch umgestellt.

Philipp Wußler, Bereichsleiter Schleifen bei WTO, hatte zunächst große Zweifel, ob alles klappen würde. „Diese Zweifel sind zum Glück verflogen. Die Spannmittel erfüllen alle Anforderungen, sei es Sauberkeit, Genauigkeit und ganz wichtig Wiederholgenauigkeit. Bei jedem Dornwechsel liegen wir innerhalb der geforderten 3 µm“, stellt Wußler zufrieden fest. Der automatisierte Fertigungsprozess hat die Rüstzeit um 25 Prozent im Vergleich zur alten Methode reduziert, bei der die Backenfutter gewechselt, von Hand ausgerichtet und die Backen auf Genauigkeit geschliffen werden mussten. „Auch der Ausschuss hat sich deutlich reduziert bzw. liegt nahezu bei Null. Das liegt daran, dass das Spannen früher weniger genau war. Jetzt spannen wir mit axialem Rückzug am Anschlag und das geht viel genauer. Sobald ich das Werkstück eingefahren habe, kann ich „Ich weiß, dass der nächste Rüstvorgang gut klappt. Dadurch habe ich keine Sorgen mehr um Spannmittel“, ergänzt Wußler. Für die WTO ist klar: Je sicherer die Klemmung, desto sicherer ist auch der Prozess.

Neuigkeiten aus dem Management

Spanntechnikspezialist Hainbuch mit neuem CEO

„Die Smart Factory ist so konzipiert, dass der einzige manuelle Vorgang die Anlieferung des Rohmaterials ist. Ein fahrerloses Transportsystem übernimmt sogar die fertigen Gehäuse, die in der Produktionszelle geprüft und vermessen werden, und bringt sie von der Maschine ins Lager.“ „Zur Smart Factory gehört eine Kommandozentrale mit Büros für die Planung der Fertigungsprozesse und die Programmierung. Dort sind auch die Spannmittel und die Definition der Handhabungsparameter für die Automatisierung geplant“, sagt Tschiggfrei. Weitere Projekte sind bereits geplant und Hainbuch wird erneut die Spannmittel liefern und bei der Inbetriebnahme mitwirken. Tschiggfrei sagt abschließend: „Wir sind sehr zufrieden. Wir wollten einen Partner, der dieses Entwicklungsprojekt gemeinsam mit uns durchführt. Hainbuch hat alles daran gesetzt, bis ins letzte µm zu kommen. Herr Schiesling und Herr Wußler haben sich mit Leidenschaft für das Projekt eingesetzt. Es.“ Es braucht solche Leute, um so etwas erfolgreich umzusetzen. Aus meiner Sicht ist das Ergebnis sogar besser als erwartet.“

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