Schunk Lean Automation: Werkzeugmaschinen schlank automatisieren

In einer Werkzeugaufnahme gespannt, entnimmt der Schunk-Greifer in dieser Anwendung Drehteile aus dem Magazin, um sie in den Kraftspannblock einzulegen. Bei Bedarf können mehrere Magazinpaletten kombiniert werden.

Gerade kleinere Betriebe scheuen bis heute die Automatisierung der Werkzeugmaschinenbeladung. Zu komplex, zu teuer, zu störanfällig – so lauten häufig die Befürchtungen. Auch AMH aus Wilnsdorf hatte seit jeher rein manuell beladen. „Wenn wir Einhundert- bis Zweihunderttausend Euro für eine automatisierte Beladung in die Hand nehmen müssen, stellt sich natürlich die Frage, wann unsere Investition gedeckt wird“, berichtet Prokurist Philipp Stötzel. Dass in den zurückliegenden Jahren immer wieder Aufträge mit mittleren und großen Stückzahlen verloren gingen, hatte das Unternehmen in Kauf genommen. Stattdessen konzentrierte sich AMH auf sein Kerngeschäft: die Fertigung anspruchsvoller Prototypen, Einzelteile und Kleinserien. Ein umfangreiches Materiallager mit sofort verfügbaren Rundstahl- und Flachstahlabmessungen war eine gute Basis für diese Strategie.

Der PGN-plus Parallelgreifer mit GSW-B Spindelschnittstelle legt ein bearbeitetes Druckblech auf dem Palettenmagazin ab, um unmittelbar danach den nächsten Rohling aufzunehmen.

Philipp Stötzel
Prokurist bei der AMH GmbH

„Ich kenne kein anderes Einstiegsprodukt in die automatisierte Maschinenbeladung, das so kostengünstig zu realisieren ist wie das Lean-Automation-Programm von Schunk. Zumal ein Großteil der Investition auf die Nullpunktspanntechnik zurückfällt, die sowieso angeschafft worden wäre.“

Flexibel, modern, mannarm

Mit der Investition in ein DMF 260/7 linear Fahrständer-Fräszentrum von DMG Mori sollte sich die Sichtweise verändern. Der Auslöser für ein Umdenken war ein großvolumiger Rahmenvertrag über Frästeile. Das Teilespektrum erstreckte sich von sehr einfachen Geometrien bis hin zu komplexerem Flachmaterial mit tiefen Schrägschlitzen. Flexibel, modern und mannarm sollten möglichst viele Teile auf einmal hergestellt werden, so lautete das Ziel der AMH Geschäftsleitung. Vorarbeiter Sven Dechert und der heutige Produktionsleiter Marius Kühn, denen das Projekt zugeteilt wurde, luden namhafte Spanntechnikhersteller ein, um möglichst einfache und effiziente Lösungen zu präsentieren. Letztlich war es das Gesamtpaket aus Nullpunktspannsystem und Lean-Automation-Greifern von Schunk, das nach einem Vor-Ort-Termin bei einem Referenzanwender den Zuschlag erhielt.

Mit dem flexibel nutzbaren Trägerbackensystem TANDEM TBA-D lassen sich auf TANDEM plus Kraftspannblöcken große Teilespektren spannen, ohne dass Sonderbacken erforderlich sind.

Überschaubarer Aufwand

Die Lösung war sowohl finanziell als auch technisch mit überschaubarem Aufwand umsetzbar. Neben der Programmierung eines Multifunktionsprogramms galt es, die Maschine mit Druckluft zu versorgen, Material- beziehungsweise Werkstückmagazine zu konstruieren und herzustellen, Kraftspannblöcke und Greifer vorzubereiten sowie diverse Testläufe zu absolvieren. Von der ersten Idee über die Entwicklung bis zum Dauertest vergingen kaum mehr als sechs Monate. Dabei lag der Fokus von Anfang an auf einer bedienerfreundlichen Lösung, um den Ablauf für Dritte nachvollziehbar und universell nutzbar zu machen. Das Ergebnis überzeugte letztlich so sehr, dass im Verlauf des Projekts ein zweites DMF260/7 Fahrständer-Fräszentrum angeschafft wurde, um den Prozess noch sauberer und effektiver zu gestalten. Mithilfe von Schwesterwerkzeugen, Entgratwerkzeugen und Polierbürsten konnten die Nebenzeiten auf ein Minimum reduziert werden. Und auch das Prinzip der schlanken Automation wurde immer weiter verfeinert. „Jeden Monat können wir neue Teile in unser Fertigungsprogramm aufnehmen. Und immer wieder stellen wir fest, dass dank Automation nun plötzlich ein für den Kunden attraktiver Preis möglich ist. Inzwischen schließen unsere Kunden Rahmenverträge über mehrere Jahre ab“, berichtet Stötzel.

Unmittelbar nach der Bearbeitung wird der PGN-plus Greifer mit GSW-B Schnittstelle auf die Spindel eingewechselt, um das Druckblech aus dem TANDEM KSP-plus Kraftspannblock zu entnehmen.

Werkzeugmaschine handhabt selbst

Mit dem Lean-Automation-Programm von Schunk lassen sich Werkzeugmaschinen einfach, schnell und kostengünstig automatisieren. Das Prinzip dahinter ist einfach und überzeugend. Statt aufwändig in Peripherie zu investieren, werden all die Dinge genutzt, die in Werkzeugmaschinen bereits vorhanden sind: die Verfahrwege der Spindel, die Werkzeugaufnahmen, die Versorgung mit Druckluft oder Kühlschmiermittel sowie das Werkzeugmagazin. Über eine Schaftschnittstelle werden die Handhabungs- und Reinigungsmodule in Werkzeughaltern gespannt, im Werkzeugmagazin abgelegt und bei Bedarf auf die Maschinenspindel eingewechselt. Der Antrieb der Greifer erfolgt wahlweise mit Kühlschmiermittel oder mit Druckluft, die intern über die Schaftschnittstelle des Verbindungsmoduls zugeführt werden. Aus Sicht von Philipp Stötzel eine ebenso einfache wie wirkungsvolle Lösung: „Ich kenne kein anderes Einstiegsprodukt in die automatisierte Maschinenbeladung, das so kostengünstig zu realisieren ist. Zumal ein Großteil der Investition auf die Nullpunktspanntechnik zurückfällt, die sowieso angeschafft worden wäre.“

Dieses von AHM entwickelte Magazin ist mit Drehteilen bestückt, die auf einer separaten Drehmaschine gefertigt wurden und nun im automatisierten Betrieb mit einer zusätzlichen Eindrehung versehen werden.

Synergie aus Spannmitteln und Greifern

Die Basis bilden bei AMH eine VERO-S NSL plus 600 Spannstation mit sechs Nullpunktspannmodulen, die unmittelbar auf den NC-Rundtisch der 5-Achs-Zentren montiert ist, sowie drei NSL plus 600 Spannstationen auf den Maschinentischen. Diese können für den automatisierten Betrieb in Sekundenschnelle mit Spannmitteln beziehungsweise den von AMH konstruierten und gefertigten Werkstückmagazinen bestückt werden. Zugleich ermöglichen sie eine hohe Flexibilität in der Einzelteilfertigung. „Man muss nur die Spannbolzen freigeben, die Palette entfernen, sauber machen und schon geht es weiter“, schwärmt Dechert.

Als Standardspannmittel in der mannlosen Fertigung nutzt AMH den Kraftspannblock TANDEM KSP plus 250, der über Druckluft angesteuert wird, Spannkräfte bis 55.000 N erzielt und eine Wiederholgenauigkeit von 0,02 mm gewährleistet. Eine optimierte Außenkontur, eine spezielle Gestaltung der Grundbacken und Abdeckleisten sowie minimale Spaltmaße und Abdeckstopfen für die Befestigungsschrauben verhindern, dass sich Schmutznester bilden oder Späne und Staub in den Spanner eindringen und sich dauerhaft festsetzen. Über eine Kühlmittelablaufbohrung wird eindringender Kühlschmierstoff nach außen abgeleitet. Dabei verhindert ein Sinterfilter das Eindringen von Spänen in den Grundkörper. Auf eine Abfrage der Spannblöcke über induktive Näherungsschalter hat AMH verzichtet. Nur in besonders kritischen Fällen werden Werkstücke angetastet, um sicherzustellen, dass sie korrekt gespannt sind.

Mit dem Magnetgreifer GSW-M handhabt AMH vor allem anspruchsvolle Teile mit komplexen Konturen, wie dieses gebogene Blech, das auf der Maschine auch graviert wird.

Trägerbackensystem erhöht die Flexibilität

Um ein möglichst breites Werkstückspektrum abzudecken, sind die Kraftspannblöcke mit dem Trägerbackensystem TANDEM TBA-D ausgestattet. Damit genügen wenige Spanneinsätze, die jeweils über vier Schrauben mit der Trägerbacke verbunden werden, so dass eine maximale Steifigkeit gewährleistet ist. Über die Spitzverzahnung lässt sich ihre Position mit wenigen Handgriffen flexibel variieren. Während AMH zur Rohteilspannung standardisierte Grip- oder Krallenbackeneinsätze nutzt, kommen zur Spannung auf bearbeiteten Flächen in der Regel weiche Trägerbackeneinsätze zum Zug, die individuell ans Werkstück angepasst sind. Drehteile werden in Prismenbacken gespannt. Indem zwei identische Spannblöcke eingesetzt werden, kann der zweite Spanner hauptzeitparallel zur Bearbeitung der ersten Spannung gerüstet und mit wenigen Handgriffen für die zweite Spannung eingewechselt werden.

Vorarbeiter Sven Dechert wechselt mit wenigen Handgriffen den TANDEM KSP plus Kraftspannblock auf die VERO-S Nullpunktspannstation.

Fingergreifer und Magnetgreifer im Einsatz

Die Beladung übernimmt in der Regel ein vielzahngeführter PGN-plus 100 Parallelgreifer mit GSW-B-Schnittstelle, der in einen herkömmlichen Werkzeughalter mit 20-mm-Schaftschnittstelle gespannt und über die maschineneigenen Achsen verfahren wird. Mit ihm handhabt AMH Bleche und Drehteile von wenigen Gramm bis 3,0 kg. Alternativ kommt ein GSW-M Magnetgreifer zum Einsatz, mit dem sich ferromagnetische Teile, wie etwa Bleche, Lagerringe oder Teile mit komplexen Konturen zeit- und kosteneffizient handeln lassen. Ausgestattet mit einem Permanentmagneten muss der Greifer lediglich zum Ablegen der Werkstücke mit Kühlschmiermittel oder Druckluft beaufschlagt werden. Das spart Energie und gewährleistet, dass die Werkstücke auch bei einem plötzlichen Druckausfall zuverlässig gegriffen bleiben. Um greiferseitig die unterschiedlichen Bauteile abzudecken, nutzt AMH auch hier individuelle Spanneinsätze. Ohne Anpassungen oder Fingerwechsel kann der GSW-M unterschiedlichste Werkstücke handhaben, selbst wenn diese mit Bohrungen oder Ausschnitten versehen sind. Der Magnetgreifer verfügt über eine Greifkraft von 20 N und ist für Teile bis 1 kg ausgelegt. Bei Bedarf könnte AMH auch noch einen Vakuumgreifer aus dem Lean-Automation-Programm von Schunk einsetzen.

Zur Reinigung des Maschinenraums und der Spannmittel kommt das Reinigungsgerät Schunk RGG im Einsatz, das ebenfalls in einer Werkzeugaufnahme gespannt und je nach Verschmutzungsgrad mit Kühlschmiermittel oder mit Druckluft betrieben wird. Für Vorarbeiter Sven Dechert ist das RGG ein ausgesprochen nützliches Tool, um gerade in mannlosen Schichten die Prozesssicherheit zu gewährleisten: „Der Maschinenraum wird auch nachts immer intensiv gespült, so dass wir noch nie Probleme mit Verschmutzungen durch Späne hatten.“

Standardisierung hilft

Produktionsleiter Marius Kühn ist von den Möglichkeiten der schlanken Automation überzeugt und schätzt das simple Prinzip der Komponenten: „Ab einer Losgröße von rund 50 Teilen versuchen wir, die automatisierte Beladung einzusetzen, um einen für den Markt relevanten Preis anbieten zu können. Mittlerweile produzieren wir mehrere Hundert Artikel im mannlosen Betrieb – kubische Werkstücke ebenso wie dünne Bleche oder Drehteile.“ Der Handlingprozess wurde auf Basis der unterschiedlichen Magazintypen standardisiert, so dass die Bediener lediglich drei Positionen programmieren müssen. Alles andere läuft vollautomatisch. Das begeistert auch Philipp Stötzel: „Die Lean-Automation-Lösung ist wirklich charmant. Man erhält für einen überschaubaren Betrag eine erhebliche Arbeitserleichterung, bleibt flexibel und kann die Maschinen sehr gut auslasten.“

Auch Vorarbeiter Sven Dechert schätzt die Lösung: „Wir rüsten tagsüber vor, aktivieren nachmittags den mannlosen Betrieb und bestücken das Magazin in der Spätschicht nochmals neu, so dass die Maschine zum Teil bis morgens läuft“, schildert er den täglichen Ablauf. Dank der VERO-S Schnittstelle seien die Palettenmagazine mit wenigen Handgriffen präzise auf die Maschine eingewechselt und gespannt. Tagsüber nutze das Team die Zeit hingegen vor allem für Einzelteile und kleine Stückzahlen, die eine engmaschige Überwachung durch die qualifizierten Fachkräfte erfordern. Große Stückzahlen wiederum laufen meist nachts im mannlosen Betrieb. Der Auslastungsgrad der beiden Maschinen liegt heute bereits bei bis zu 74 % pro Tag, Tendenz steigend. Einschichtig geplant erreicht jede Maschine eine Laufzeit von bis zu 100 Stunden pro Woche. Mittlerweile wurden beide Maschinen zusätzlich mit Kameras ausgestattet, über die es dem Bereitschaftsdienst möglich ist, den Prozess per Smartphone zu überwachen. Zudem erhöhen Doppellager bei großen Stückzahlen die mannlose Kapazität.

Eigene Vermarktung der schlanken Automation

Dass AMH inzwischen daran arbeitet, die Lean-Automation-Lösung selbst zu vermarkten, zeigt, wie überzeugt das Unternehmen von dessen Wirksamkeit ist. Zum einen sollen Kunden bei der Auswahl, Kombination und Konstruktion der erforderlichen Komponenten, sowie bei Inbetriebnahme und Service unterstützt werden. Zum anderen soll die entsprechende Software in Form fertiger Programme geliefert werden, aktuell zunächst für Heidenhain, später auch für Siemens-Steuerungen. Philipp Stötzel versteht sich in diesem Zusammenhang als Botschafter: „Automation ist bei vielen im Kopf, aber immer noch mit einer Schranke belastet, dass es wahnsinnig teuer ist und viel Manpower und Schulung braucht. Damit wollen wir aufräumen und den zukünftigen Kunden aktiv bei der betrieblichen Umsetzung einer smarten Lösung unterstützen, indem wir ihm ein breites Spektrum an Services anbieten werden.“