Wie lässt sich Automatisierung und Flexibilität in Fertigungslinien für vielseitige Lochkopierfräser für Mischmodellfertigung ausgewogen gestalten?

Warum Mixed-Model-Fräsen einen neuen Automatisierungsansatz erfordert

Die SKU-Explosions-Herausforderung: Wie steigende Variantenvielfalt starre Automatisierungsfräsen überlastet

Althergebrachte Router können einfach nicht mit der Vielzahl unterschiedlicher Produkte mithalten, die wir heutzutage sehen. Tür- und Fensterhersteller verzeichnen seit etwa 2020 deutlich mehr Varianten in ihren Artikelstammnummern (SKUs), wie aus den Daten des Fabrication Trends Report hervorgeht. Das Problem besteht darin, dass bei herkömmlichen, fest eingestellten Werkzeugvorrichtungen stets manuell sämtliche Einstellungen vorgenommen werden müssen, sobald ein neues Modell in der Fertigungslinie eingesetzt wird. Im Durchschnitt dauert dieser Modellwechsel jeweils rund 47 Minuten. Maschinen mit zu geringer Flexibilität passen sich schlichtweg nicht gut an, wenn Produktvarianten sich so häufig ändern – was zu einer Ausfallzeit von rund 18 Prozent beim Wechsel zwischen verschiedenen Artikeln führt. Aufgrund dieser mangelnden Flexibilität produzieren Fabriken stattdessen große Serien statt kleiner Losgrößen. Dieser Ansatz treibt die Lagerkosten enorm in die Höhe und verursacht nach den Erkenntnissen der Ponemon-Studie 2023 jährlich zusätzliche Kosten in Höhe von rund 740.000 US-Dollar. Im Kern liegt hier ein grundsätzliches Problem: Die meisten Systeme stoßen bei der Mischfertigung an ihre Grenzen, bei der beispielsweise Schlosslochgrößen, Schnittwinkel und Tiefenmaße von Einheit zu Einheit variieren. Ältere Anlagen betrachten solche Variationen noch immer als Fehler – statt sie als integralen Bestandteil der jeweiligen Konstruktionsvorgaben zu akzeptieren.

Neudefinition der Flexibilität: Rekonfigurierbare Automatisierung statt manueller Behelfslösungen

Versuche, technische Lücken lediglich durch das mechanische Zusammenfügen von Komponenten oder das Neuschreiben von Code zu schließen, reichen heutzutage nicht mehr aus. Eine wirklich flexible Automatisierung beruht darauf, über Anlagen zu verfügen, die Veränderungen bereits im Vorfeld erwarten – statt erst danach hektisch zu reagieren. Werfen Sie einen Blick auf das, was heute verfügbar ist: Systeme mit modularen Komponenten, wie etwa die allgemein bekannten, der Norm ISO 10791-6 entsprechenden Schnellwechselfutter, sowie visuell gesteuerte Ausrichtungswerkzeuge. Mit solchen Konfigurationen lässt sich der Wechsel zwischen verschiedenen Modellen in weniger als neun Minuten bewerkstelligen, ohne dabei die entscheidende Genauigkeit von 0,1 mm einzubüßen. Spannvorrichtungen, die die Form des Werkstücks eigenständig erkennen können, gehören mittlerweile zum Standard. Und diese Edge-AI-Steuerungen? Sie passen während der Fertigung automatisch Vorschubgeschwindigkeiten und Bohrpfade an. Dadurch verringert sich die Zeit für Umrüstungen erheblich, und was früher teure Probleme bedeutete, wird nun zu einem echten Wettbewerbsvorteil für die Fertiger.

Intelligente Hardware-Enabler für schnellen Modellwechsel

Modulare Werkzeugsysteme: Reduzierung des Wechsels der Fräse für Aussparungen für Schlosslöcher von 47 auf 9 Minuten

Modulare Werkzeugeinrichtungen bieten Herstellern die dringend benötigte Flexibilität beim Umgang mit verschiedenen Produktmodellen. Statt stundenlang manuell Geräte einzustellen, nutzen diese Systeme Standardanschlüsse, für die keine speziellen Werkzeuge erforderlich sind. Herkömmliche Verfahren benötigen allein für den Wechsel zwischen verschiedenen Schlossvarianten etwa 47 Minuten, da die Mitarbeiter sämtliche Neukalibrierungen vornehmen und Ausrichtungen manuell überprüfen müssen. Neuere Systeme lösen dieses Problem durch voreingestellte Positionen und die praktischen Steckverbindungen, wie wir sie von modernen Maschinen her kennen. Das Ergebnis? Die Rüstzeiten sinken auf unter 9 Minuten, wodurch ungenutzte Zeit während der Fertigungsläufe deutlich reduziert wird. Das entspricht einer Effizienzsteigerung von rund 80 % bei gleichbleibender Genauigkeit – einem Niveau, das die meisten Fabriken benötigen. Zudem verringern sich Verschleiß an den Geräten und Fehler bei der Einrichtung, da die Bediener die Werkzeuge nicht mehr so häufig manuell handhaben müssen. Was früher frustrierende Stillstandszeit war, wird nun zu tatsächlich produktiver Arbeitszeit.

Visiongestützte Kalibrierung und Konformität mit ISO 10791-6 bei Mehrvarianten-Routing

Vision-Systeme haben diese mühsamen manuellen Messungen bei der Fräsung von Schlosslöchern für verschiedene Varianten nahezu vollständig überflüssig gemacht. Die Kameras scannen im Wesentlichen die Referenzpunkte an den Spannvorrichtungen sowie die tatsächliche Geometrie der Werkstücke und passen die Fräsbahnen automatisch unmittelbar vor Beginn der Bearbeitung an. Dieser gesamte Prozess stellt sicher, dass alle Anforderungen der ISO 10791-6 hinsichtlich der Positionierung und der Konsistenz der Vorschubgeschwindigkeiten über verschiedene Modelltypen hinweg eingehalten werden. Selbst bei einer minimalen Abweichung jenseits der Toleranzgrenze von 0,005 mm greift das System mit automatischen Korrekturen ein, sodass die Bohrtiefen unabhängig vom jeweiligen Werkstoff konstant bleiben. Wenn Hersteller Qualitätsprüfungen direkt in ihre Umrüstprozesse integrieren, vermeiden sie frustrierende Probleme wie falsch ausgerichtete Schlagbolzen oder nicht passende Gewinde, die bei manuellen Einrichtungsmethoden häufig auftreten. Als zusätzlichen Vorteil reduziert dieser Ansatz die Prüfzeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden typischerweise um rund zwei Drittel.

Intelligente Steuerungsarchitektur für die Routenplanung von Einzelstücken bis Kleinserien

Edge-AI + SPS-Hybrid-Sequenzierung: Echtzeit-Anpassung von Vorschubgeschwindigkeit, Einschnitttiefe und Werkzeugbahn pro Schlossvariante

Die Routing-Steuerung für gemischte Modelle hat dank einer intelligenten Kombination verschiedener Technologien tatsächlich die Einschränkungen der traditionellen festen Automatisierung durchbrochen. Kernstück dieser Lösung ist Edge-AI, die auf den bewährten, seit langem bekannten SPSen (Speicherprogrammierbaren Steuerungen) aufsetzt. Was macht diese Konfiguration so effizient? Die Edge-Komponente verarbeitet Live-Sensordaten – beispielsweise zu Maschinenschwingungen, Temperaturschwankungen oder Unterschieden in der Materialdichte – und passt die Bearbeitungsparameter in Echtzeit an. Der SPS-Anteil übernimmt hingegen die präzise Bewegungssteuerung, etwa die Vorgabe der Spindeldrehzahlen, die Regelung der Zuführgeschwindigkeit von Werkstoffen sowie die exakte Bestimmung der Bohrtiefe für jede einzelne Bohrung. Dieses zweistufige System ermöglicht es Herstellern, Produktionsparameter automatisch zwischen verschiedenen Schlossvarianten umzuschalten – selbst bei der Einzelstückfertigung – ohne dass manuelle Eingriffe zur Anpassung der Einstellungen erforderlich wären. Noch vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess überprüfen diese Systeme die vorgeschlagenen Werkzeugwege anhand von Simulationen mit digitalen Zwillingen, um gefährliche Kollisionen zu vermeiden und die strengen Toleranzanforderungen nach ISO 10791-6 während des Wechsels von Maschineneinrichtungen einzuhalten. Sehr beeindruckende Forschungsergebnisse zeigen, dass solche verteilten Steuerungssysteme auf Basis kooperativer Modelle die Gesamte Anlageneffektivität (OEE) im Kleinserienfertigungsbereich allein durch die Reduzierung der Stillstandszeiten zwischen den einzelnen Operationen um 14 bis 22 Prozent steigern können. Diese Erkenntnis wurde 2021 in den IEEE Transactions veröffentlicht.

Digitaler Zwilling – gesteuerte Sequenzierung zur Minimierung von Rüstverlusten bei Mischmodell-Läufen

Virtuelle Validierung optimaler Modellsequenzen vor der physischen Ausführung

Bei der Umrüstung zwischen verschiedenen Modellen auf Fertigungslinien entstehen häufig Rüstverluste, die rund 15 bis 30 Prozent der gesamten Produktionszeit ausmachen. Die Digital-Twin-Technologie geht dieses Problem direkt an, indem sie zunächst in einer virtuellen Umgebung Simulationen von Hunderten – wenn nicht gar Tausenden – möglicher Verschlussvarianten durchführt. Das System analysiert sämtliche Aspekte – von der Bewegungsführung der Werkzeuge über die erforderlichen Klemmpunkte bis hin zur optimalen Zuführgeschwindigkeit der Materialien. Auf Grundlage all dieser Faktoren ermittelt es diejenige Ablaufsequenz, die sich im realen Betrieb auf der Fertigungsfläche am besten bewährt. Praxiserprobungen haben gezeigt, dass dieser Ansatz die Rüstzeiten um rund 40 % senkt. Besonders wertvoll ist dies, weil damit die sonst übliche „Versuch-und-Irrtum“-Anpassung entfällt. Zudem bleibt die Synchronisation zwischen robotergestützten Werkzeugwechslern und Förderbändern beim Schrittbetrieb entlang der Linie gewährleistet. Darüber hinaus trägt die Technologie dazu bei, die strengen Anforderungen der ISO 10791-6 bezüglich der dimensionsgenauen Fertigung verschiedener Produktvarianten zu erfüllen. Für Hersteller, die flexible Automatisierungssysteme anstreben, bedeutet die digitale Erprobung von Chargenabläufen, teure Produktionsunterbrechungen beim Wechsel von einer individuellen Konfiguration zur nächsten zu vermeiden.

FAQ

Was ist Mixed-Model-Routing?

Mixed-Model-Routing umfasst Fertigungsprozesse, die unterschiedliche Produktdesigns berücksichtigen müssen; dies erfordert Systeme, die sich schnell an verschiedene Spezifikationen wie Schlossbohrungsdurchmesser und Schnittwinkel anpassen können.

Warum sind herkömmliche Festautomatisierungssysteme für Mixed-Model-Routing unzureichend?

Herkömmliche Systeme weisen eine geringe Flexibilität auf und erfordern erheblichen manuellen Aufwand, um sich an neue Produktvarianten anzupassen, was zu Stillstandszeiten und höheren Lagerkosten führt.

Welche Vorteile bieten modulare Werkzeugsysteme in der Fertigung?

Modulare Werkzeugsysteme verkürzen die Rüstzeiten erheblich durch den Einsatz standardisierter Verbindungen und voreingestellter Positionen, was die Effizienz steigert und den Verschleiß der Maschinen verringert.