Was macht automatisierte Bearbeitungsanlagen produktiv, zuverlässig und flexibel?

1. Hohe Produktivität

Der Hauptzweck der automatisierten Fertigung besteht darin, die Produktivität von Arbeitskräften und Maschinen zu steigern. Die Automatisierung sollte auf einem fortschrittlichen Prozess basieren und die Nicht-Bearbeitungs- sowie Hilfszeiten kontinuierlich reduzieren. Die Automatisierung eines veralteten Prozesses bringt nur begrenzte Vorteile.

Die langfristige Produktivität liegt unter der idealen Taktzeit, da Verluste auch außerhalb des Bearbeitungszyklus auftreten. Werkzeugwechsel, Reparaturen, Einstellarbeiten an den Maschinen, das Nachladen, Produktwechsel und organisatorisch bedingte Stillstände kosten Zeit. Diese Verluste lassen sich in sechs Bereichen reduzieren:

1. Verluste im Zusammenhang mit der Bearbeitung. Setzen Sie durchgängige automatisierte Fertigungslinien, schnelle, spanlose Verfahren, automatische Prüfverfahren, Spanabfuhr sowie Roboter oder Vorrichtungen zur periodischen Beschickung ein.
2. Verluste im Zusammenhang mit Werkzeugen. Setzen Sie Werkzeugmagazine, automatische Werkzeugwechselroboter, automatische Werkzeugverstellung, Selbstarretierungsvorrichtungen und den obligatorischen Werkzeugwechsel ein.
3. Ausrüstungsbedingte Verluste. Setzen Sie automatische Verschleißausgleichs- und Verschleißminderungsmechanismen, Schutzeinrichtungen, langlebige Werkstoffe, eine zuverlässige Schmierung, planmäßige Wartung und automatische Diagnose ein.
4. Verluste durch Schichtwechsel und Materialengpässe. Setzen Sie automatisierte Lagerung zwischen Arbeitsgängen, Fertigungslinien, Abteilungen und Werkstätten ein, verbunden mit automatischer Erfassung und computergestützter Verwaltung.
5. Verluste im Zusammenhang mit Schrott. Nutzen Sie aktive In-Prozess-Prüfung, adaptive Regelung, automatische Werkzeugverschleißkompensation und obligatorische Werkzeugwechsel, um den Prozess und die Werkstückgeometrie zu regulieren und Ausschuss zu reduzieren.
6. Umrüst- und Einrichtungsverluste. Einsatz moderner CNC-Automaten, rekonfigurierbarer flexibler Fertigungslinien, computergesteuerter variabler Systeme, Programmsteuerung, automatischer Programmumschaltung und schnell einstellbarer Werkzeuge.

2. Gleichbleibende Bearbeitungsgenauigkeit

Die Produktqualität entscheidet darüber, ob das Produkt und das automatisierte System einen praktischen Nutzen haben. Die Vermeidung von Chargenausschuss und die Gewährleistung der Genauigkeit sind grundlegende Anforderungen.

1. Maßabweichungen durch Verschleiß des Werkzeugs. Verschleiß kann die Maß- und Geometriegenauigkeit beeinträchtigen. Die automatische Werkstückvermessung, die indirekte Überwachung von Schnittkraft, Drehmoment, Temperatur, Geräuschpegel oder Oberflächenrauheit sowie die direkte Online-Verschleißerkennung können in ein Steuerungssystem einfließen, das das Werkzeug automatisch kompensiert. Wo Erkennung und Kompensation nicht verfügbar sind, wird in Bearbeitungszentren und FMS häufig ein obligatorischer Austausch auf Basis der Werkzeugstandzeit angewendet, wobei die Standzeitdaten und die Bearbeitungszeit computergesteuert verwaltet werden.
2. Elastische Verformung. Ein System mit geringer Steifigkeit kann erhebliche Fehler verursachen, insbesondere bei der Endbearbeitung, wo die Steifigkeit auch die Oberflächenrauheit beeinflusst. Spezial- und Modulmaschinen für mittlere oder hohe Stückzahlen können auf eine Produktfamilie ausgerichtet konstruiert werden, sodass ihre mechanischen Eigenschaften eine ausreichende Steifigkeit gewährleisten. Die Weiterentwicklung eines Zahnstangenfräsers von einem Zahn auf mehrere Zähne kann beispielsweise zu Genauigkeitsverlusten führen, wenn die Steifigkeit der Maschine nicht berücksichtigt wird.
3. Schnittparameter. Vorschubgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe beeinflussen die Oberflächenrauheit. Sie müssen den Produktivitätsanforderungen gerecht werden, ohne die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen.
4. Fehler bei der Maschineneinstellung. Die automatisierte Fertigung basiert auf voreingestellten Maschinen und automatisch erzielten Maßen. Die Maßvorgaben der Maschine sowie die Beziehung zwischen Maschine und Werkstück müssen daher vor Produktionsbeginn angepasst werden. Werkzeuge können anhand eines Referenzteils oder durch Probeschnitte eingestellt werden und müssen die vorgegebenen Toleranzen einhalten.

3. Hohe Zuverlässigkeit der Anlagen

Qualität, Kosten und tatsächliche Produktivität hängen von der Zuverlässigkeit ab. Mit steigender Zuverlässigkeit nähert sich die tatsächliche Leistung dem theoretischen Auslegungswert an.

Anlagenstillstände entstehen durch Störungen an Maschinen, Vorrichtungen oder Bauteilen, Werkzeugausfälle, geplante Stillstände oder organisatorische Ursachen wie fehlende Rohlinge, Werkzeuge oder Personal, fehlerhaftes Material sowie Unterbrechungen der Strom- oder Druckluftversorgung. Störungen führen entweder zum Stillstand einer Anlage oder verhindern die Einhaltung der vorgegebenen Genauigkeit.

Die Ausfallrate im Laufe der Betriebszeit lässt sich grob in drei Phasen unterteilen:

1. Frühe Misserfolge. Die Ausfallhäufigkeit ist anfangs hoch und sinkt dann rasch. Zu den Ursachen zählen Materialfehler, unausgereifte Konstruktion, mangelhafte Fertigung sowie anfängliche Bedienungsfehler. Regelmäßige Inspektionen, Rückmeldungen an Konstruktion und Fertigung, die Behebung von Mängeln, die Einarbeitung des Bedienpersonals sowie das Einlaufen der Komponenten sorgen für eine Stabilisierung der Anlage.
2. Zufällige Ausfälle. Im Normalbetrieb ist die Ausfallhäufigkeit stabil, und Störungen treten unvorhersehbar auf, häufig aufgrund von Überlastung oder unvorhergesehener Spannungskonzentration. Reinigung, Schmierung, Einstellung und Inspektion tragen dazu bei, die Lebensdauer zu verlängern.
3. Verschleißbedingte Ausfälle. Mechanischer Verschleiß, Materialermüdung, chemische Korrosion und zeitbedingte Materialveränderungen führen zu einem starken Anstieg der Ausfallrate. Eine verbesserte Wartung senkt diese Rate und verlangsamt den Verschleiß.

Die Zuverlässigkeit hängt von der Zuverlässigkeit der Komponenten, der Anzahl der Komponenten und der Verbindungsarchitektur ab. Bei einer starren, in Reihe geschalteten Leitung führt der Ausfall einer einzigen Komponente zum Stillstand der gesamten Leitung; durch die Aufteilung der Leitung in gepufferte Abschnitte lassen sich Zuverlässigkeit und Produktivität verbessern.

Gute Konstruktions-, Fertigungs- und Betriebsabläufe, Wartungsfreundlichkeit sowie eine schnelle Fehlererkennung tragen dazu bei, Ausfallzeiten zu reduzieren. Bei häufig ausfallenden Verschleißteilen sollten Schnellwechselverbindungen zum Einsatz kommen, damit komplette Ersatzbaugruppen ausgetauscht werden können. Parallele redundante Komponenten, Standby-Zweige und eine manuelle Notsteuerung können die Verfügbarkeit weiter verbessern.

4. Flexibilität in der Fertigung

Kürzere Produktlebenszyklen und eine größere Produktvielfalt haben dazu geführt, dass die gemischte Produktion kleiner und mittlerer Losgrößen mittlerweile gang und gäbe ist. Flexible Anlagen können innerhalb einer definierten Teilefamilie durch einen Softwarewechsel und geringfügige Anpassungen an den Werkzeugen umgestellt werden, oft ohne manuelle Maschineneinstellung. Dies reduziert die Umrüst- und Produktionsvorbereitungszeiten erheblich und kann die Produktion gemischter Modelle unterstützen.

Automatisierte Systeme für kleine und mittlere Chargen erfordern unter Umständen:

1. Automatischer Programmwechsel. Computer oder speicherprogrammierbare Steuerungen sollten schnell zwischen verschiedenen Anlagenprogrammen umschalten können, ohne das System anzuhalten.
2. Automatische Fertigung mehrerer Produkte oder einer Baugruppenfamilie. Universelle, hochautomatisierte Transfer-, Paletten- und Bearbeitungssysteme sollten gruppierte Teile automatisch bearbeiten.
3. Variable Routing- und Taktzeiten. Ein äußerst flexibles System sollte verschiedene Produkte über unterschiedliche Prozessabläufe und Transportwege mit unterschiedlichen Produktionsraten leiten.
4. Effiziente automatische Bearbeitung und Werkzeugwechsel. CNC-Maschinen mit Magazinen und automatischen Werkzeugwechslern verkürzen die Bearbeitungs- und Werkzeugwechselzeiten und sichern die Produktivität.
5. Automatische Überwachung und Fehlerdiagnose. Prüfungen, Überwachung und Diagnose während des Produktionsprozesses reduzieren Ausfallzeiten und Prüfzeiten und gewährleisten gleichzeitig Zuverlässigkeit und Qualität.

Nicht jede Maschine benötigt alle Funktionen. Die Flexibilität sollte den Produktionsanforderungen und den tatsächlichen Betriebsbedingungen entsprechen.

Selbst starre Systeme mit hohem Durchsatz können flexible Elemente enthalten. CNC-Zellen oder Maschinen mit austauschbaren Spindelköpfen können die Produktanpassungsfähigkeit verbessern. Puffer in starren Transfersystemen können einzelne Abschnitte voneinander entkoppeln, sodass der Ausfall einer Einheit nicht zum Stillstand der gesamten Linie führt.