Ein FFS ist die effektivste Lösung einer Automatisierung in einer High-Mix-Low-Volume-Produktion. Der wichtigste Grund: Mit einem FFS ist eine echte ‚Lights-Out-Fertigung‘, also eine unbemannte Produktion rund um die Uhr, möglich. Darüber hinaus lassen sich mit einem solchen System die Kapazitäten leicht anpassen. Ist die Auslastung hoch, kann in der Nacht mannarm oder bemannt produziert werden. Sinkt die Auslastung indes, ist das FFS für ein oder zwei Schichten nicht in Betrieb. Somit ist die Fertigung je nach Auftragslage flexibel skalierbar.
Hochflexible Fertigung auf optimaler Fläche
FFS von Fastems nutzen zudem die vorhandene Produktionsfläche sehr effizient aus. Einziger limitierender Faktor ist im Grunde die Hallenhöhe. Im Hinblick auf die benötigte Fläche bietet ein FFS außerdem die Option, das Material für die Bearbeitung im System selbst zu lagern und hierdurch u.a. mehr Übersicht im Bereich der Be- und Entladestationen zu schaffen.
Das Fertigungskonzept eines FFS ist darüber hinaus flexibel, sodass unterschiedliche Aufträge und Bauteile parallel bearbeitet sowie dezentral – und vor allem hauptzeitparallel – an den Beladestationen gerüstet werden können. FFS sind überdies jederzeit erweiterbar und passen sich somit an die Geschäftsentwicklung eines Unternehmens an.
‚Lights-Out-Fertigung‘ – die Voraussetzungen
Für eine echte ‚Lights-Out-Fähigkeit‘ eines FFS müssen jedoch bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. So kann beispielsweise eine mannarme Nachtschicht nur dann stattfinden, wenn im bemannten Betrieb des FFS (erste und zweite Tagschicht) ein gewisser Produktionsvorrat angelegt wurde. Hierzu sind folgende Bedingungen erforderlich:
- Ausreichend lange NC-Programmlaufzeiten für einen Teil des Fertigungsspektrums.
- Lange Palettenlaufzeiten in den Maschinen, etwa durch Mehrfachspannungen, um möglichst viele Teile an einer Spannvorrichtung oder einem Spannturm zu platzieren.
- Ein realistisches Verhältnis von Be- und Entladezeiten (Rüstzeiten) zur Bearbeitungszeit. Sind die Rüstzeiten zu lang, kann kein Puffer aufgebaut werden.
- Eine ausreichende Anzahl aktiver Paletten im System, um einen guten Fertigungsmix zu erzielen und viele Aufträge vorrüsten zu können.
Praktische Hürden im bemannten Betrieb
Sind allerdings die aufsummierten Be- und Entladezeiten mit der reinen Zerspanungszeit identisch bzw. nahezu identisch (z. B. Zerspanungszeit 15 Minuten, Beladezeit 12 Minuten und Entladen 5 Minuten), kann kein Puffer und somit kein Vorrat für die Nachtschicht aufgebaut werden.
Eine weitere Einschränkung entsteht z. B. durch eine 5-Achs-Bearbeitung, da hier der Mehrfachaufspannung in aller Regel Grenzen gesetzt sind. Typischerweise ist hier nur ein Werkstück pro Palette aufgespannt, um eine optimale Zugänglichkeit der Werkzeuge für die Komplettbearbeitung zu gewährleisten.
Große und schwere Bauteile führen hingegen zu einem höheren Aufwand beim Beladen, wodurch die Bevorratung an Teilen im System erschwert wird. Last, but not least lassen sich Paletten, die bestimmten Aufträgen zugeordnet sind, nicht für andere Aufspannungen verwenden. Müssen die Teile für die fest zugeordneten Aufträge und damit Paletten gerade nicht bearbeitet werden, bleiben die Paletten ungenutzt im System.
Allerdings bedeuten solche und weitere Herausforderungen im bemannten Betrieb nicht zwangsläufig, dass sich der Einsatz eines FFS für eine Lights-Out-Fertigung nicht rentiert. Die Lösung: eine automatisierte Beladezelle (ALD – Autoloading) von Fastems.
Deutliche Steigerung des Automatisierungsgrades
Eine ALD-Zelle erhöht den Automatisierungsgrad eines FFS, weil sie rund um die Uhr mit einem Roboter das automatisierte Be- und Entladen von Vorrichtungen auf Paletten übernimmt. Hierbei spielt es keine Rolle, auf wie viele Paletten im FFS zugegriffen werden kann, da sich dieselbe Palette während einer Lights-out-Fertigung mehrfach neu bestücken lässt. ALD können sowohl in Neuanlagen als auch bestehende FFS (als Nachrüstung) einfach integriert werden.
ALD – die Hauptbestandteile
Eine ALD-Zelle besteht im Wesentlichen aus einem Roboter, der Materialversorgung, einer Ladestation, einem Greiferwechselsystem und der Manufacturing Management Software (MMS) von Fastems als Steuerung.
Der Roboter übernimmt die Teilehandhabung und entnimmt hierzu die Rohteile aus einem Speicher, bestückt die Vorrichtung und legt die Fertigteile aus den entsprechenden Vorrichtungen wieder ab.
Ein Greiferwechselsystem erlaubt hierbei die Handhabung einer großen Teilevielfalt, wobei der Roboter in Abhängigkeit zu den zeitlichen Abläufen in der Zelle noch zusätzlich periphere Tätigkeiten übernehmen kann (wie Messen, Reinigen, etc.).
Einfache Werkstückgeometrie: ALD
Komplexere Werkstückgeometrie: OP10 mit ALD und OP20 manuell
Breite Auswahl an Spanntechnik
Die Spanntechnik ist ebenfalls bei der Automatisierung der Palettenbeladung zu berücksichtigen. So sind hydraulische Spannsysteme seit Langem Standard in der automatisierten Fertigung. Denkbar sind aber auch pneumatische oder elektrische Spannsysteme, wobei letztere immer beliebter werden. Fastems bietet außerdem Lösungen für mechanisches Spannen mit automatischen Schraubeinheiten, vorbestückte Schraubstöcke oder Greifersysteme wie das Gressel R-C2 an, das Werkstückgreifer und Spanner in einer Lösung vereint.
Viele Optionen für die Materialversorgung
Die Versorgung der Zelle mit Material kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Materialpaletten im FFS wie etwa Europaletten oder Gitterboxen, die vom Regalbediengerät in die Zelle transportiert werden.
Als Alternative hierzu bieten sich insbesondere für kleinere Teile Turmspeicher an, die auf der Rückseite von einem Bediener bestückt werden. Und auch eine externe Zuführung in die Zelle über Europaletten oder fahrerlose Transportsysteme wie AGVs oder AMRs ist denkbar.
Die Ladestation als Rüststation für die Vorrichtungen besteht meist aus einer auf das gewählte Spannsystem abgestimmten Einzel- oder Doppelstation, auf der die Paletten für den Roboter positioniert werden.
Zentrale Planung, Steuerung und Überwachung
Die MMS steuert und überwacht schließlich automatisiert den gesamten Fertigungsprozess im FFS als auch die Prozesse in der ALD-Zelle. Das vorrausschauende Ressourcenmanagement erkennt hierbei u.a. in Echtzeit mögliche Engpässe bei Material sowie Werkzeugen und überwacht weitere wichtige Ressourcen wie NC-Programme, Werkzeugstandzeiten und so weiter. Somit ist jederzeit ersichtlich, wie lange die Anlage mit den aktuellen Materialvorräten und Werkzeugen produzieren kann, wodurch das ‚Lights-Out-Potenzial‘ maximiert wird.
Hinzu kommt die einfache Einführung neuer Teile, z. B. durch die schnelle Anpassung bestehender Abläufe (Bearbeitungsschritte hinzufügen oder entfernen) sowie die Unterstützung sowohl parametrisierter als auch bauteilspezifischer Roboterprogramme und unterschiedlicher Be- und Entladezyklen.
Entscheidende Argumente für eine ALD
Viele Unternehmen haben ihr FFS nur in der Woche von montags bis freitags in Betrieb und bleiben daher weit unter den Produktivitätsmöglichkeiten des Systems. Hierzu ein Beispiel mit einem FFS mit drei gekoppelten Maschinen und einem angenommenen Stundensatz von 100 Euro. Bei 48 Stunden Stillstand des FFS pro Wochenende summieren sich auf drei Maschinen hochgerechnet die unproduktiven Stunden auf fast 7.500 Stunden im Jahr mit einer zusätzlichen Umsatzperspektive von 748.000 Euro per annum. Ein Potenzial, das sich mit einer ALD erschließen lässt.
Ein weiteres Argument ist die höhere Maschinenauslastung. Ohne ALD liegen die Spindellaufzeiten meist nur bei 60 Prozent. Eine ALD kann die Auslastung indes auf 90 Prozent steigern, wenn das FFS auch nachts und an den Wochenenden läuft. Das Ergebnis: Eine deutlich höhere Produktivität mit mehr gefertigten Teilen trotz gleichbleibender Anzahl an Maschinen. Der Roboter liefert vor diesem Hintergrund zudem stets eine gleichbleibende Qualität bei den Aufspannungen. Und für die Mitarbeitenden bedeutet eine ALD vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels letztendlich eine deutliche Entlastung durch weniger Spät- und Nachtschichten.
Sicherlich, die Kosten für eine ALD sind schon allein aufgrund der Kosten für einen Roboter vergleichbar mit der Investition in eine Maschine. Mit einer ALD wird jedoch die Kapazität einer bereits vorhandenen Maschine derart gesteigert, dass eine Neuinvestition nicht mehr notwendig ist. Ganz zu schweigen von dem hohen Zeitaufwand für die Komplettinstallation einer Maschine. Hinzu kommen geringere bis gar keine Personalkosten während der ‚Lights-Out-Phasen‘ eines FFS und die bereits erwähnte höhere Systemauslastung im Jahr.
ALD: Geringer Teilemix, wenige Bearbeitungsschritte, hohe Stückzahlen
Manuell: Hoher Teilemix, viele Bearbeitungsschritte, niedrige Stückzahlen
Einfacher oder komplexer? Die Geometrie entscheidet
Darüber hinaus spielt die Teilegeometrie für das Handling eine entscheidende Rolle. Hintergrund: Wenn ein Bauteil mehrere Bearbeitungsschritte benötigt, lässt sich nicht jeder Schritt automatisieren. Einige Bearbeitungen sind meist geometrisch einfacher und eignen sich daher besser für die automatisierte Beladung. Bei mehreren Bearbeitungsoperationen ist es indes oftmals einfacher, nur OP10 automatisiert zu beladen, da sich die Geometrie nach der Bearbeitung ändert und somit das Greifen der Teile in den Folgeschritten aufwendiger sein kann.
ROI-Beispiel für Investitionsoptionen
Ausgangssituation: Ein Betrieb benötigt zusätzlich 5.300 Stunden an Fertigungskapazität pro Jahr. Aktuell laufen drei CNC-Maschinen im FFS mit jeweils 5.300 Spindelstunden per annum (60 Prozent Auslastung). Die Investitionsoptionen: einmalig 600.000 Euro (Maschine) plus 60.000 Euro Personalkosten jährlich und 5.300 zusätzliche Spindelstunden pro Jahr oder 500.000 Euro (ALD) einmalig plus 7.884 Spindelstunden pro Jahr (ALD).
Was ist bei der Planung zu beachten?
Im Vorfeld einer Investition in eine ALD sind mehrere Einflussfaktoren zu berücksichtigen: der Teilemix, das Teilehandling und die Spanntechnik.
In aller Regel ist es nicht sinnvoll, den gesamten Teilemix in einem FFS automatisiert zu be- und entladen. Vielmehr sollte im selben FFS automatisiertes und manuelles Beladen parallel erfolgen: bei Aufträgen mit hoher Variantenvielfalt manuell während der Tagschichten, bei Serien mit hohen Stückzahlen (z. B. über 1.000 Stück pro Jahr) automatisiert in Spät-, Nacht- oder auch Wochenendschichten. Hierzu ein Beispiel: Bei einem Teilemix mit sechs unterschiedlichen Teilen, zwölf Bearbeitungsschritten und Stückzahlen von über 1.000 pro Jahr kann sich das Beladen mit einer ALD lohnen. Bei 40 Teilen, rund 70 Bearbeitungsschritten und jährlichen Losgrößen zwischen 50 und 1.000 Stück ist dagegen genau zu prüfen, welche Teile automatisiert beladen werden sollten. In vielen Fällen ist hier ein paralleler Ansatz sinnvoll: wiederkehrende Teile automatisiert, stark variierende Teile weiterhin manuell.
ALD auf einen Blick
Einheitlich und in Echtzeit: Mit der aktuellen Version der MMS (Version 8.5) unterstützt die Software sowohl die Fertigung im FFS als auch die Prozesse in der ALD mit einheitlichen Benutzeroberflächen. FFS und ALD lassen sich zentral steuern und überwachen, wobei die MMS Echtzeitdaten liefert.
Standard oder individuell: Für die ALD stehen vordefinierte Hardware-Module bereit (Standardisierung). Individuelle Lösungen werden ebenfalls entwickelt, z. B. für spezifische Anforderungen wie Entgraten, Markieren oder Reinigen.
Werkstückgewichte: Bis circa 2.000 kg pro Werkstück in Abhängigkeit von der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Das übliche Bauteilgewicht beträgt bis zu maximal 150 kg.
