Einfache Automatisierung einer hochpräzisen Fertigung

Wer sich wie die Frank Verzahnungstechnik e.K.  als hochspezialisierter Lohnfertiger innerhalb weniger Jahre gleich mehrmals für eine Roboterzelle von Halter CNC Automation entscheidet, muss hierfür gute Gründe haben. Ein Erfahrungsbericht zu einer durchdachten Strategie.

Die Frank Verzahnungstechnik e.K. mit Sitz in Wehr (Baden-Württemberg), zirka 30 Kilometer östlich von Basel, ist Experte in der Herstellung hochpräziser Verzahnungen für die komplexe Antriebstechnik. „Mit 20 Mitarbeitern produzieren wir für den allgemeinen Maschinenbau Getriebeteile wie z. B. Zahnräder, Ritzelwellen oder Schnecken“, erklärt Inhaber Martin Frank. Entsprechend vielfältig ist die Bandbreite an Branchen, für die das Unternehmen fertigt: z. B. die Verpackungsindustrie, Hydraulikindustrie, Robotik und Handhabungstechnik, Reinraum- und Vakuumtechnik, Medizintechnik oder die Nahrungsmittelindustrie, um nur einen kleinen Ausschnitt zu nennen.

Extrem hohe Fertigungstiefe
Die Produkte werden ausnahmslos gemäß Kundenspezifikationen hergestellt. Die Fertigungstiefe ist daher nach Aussagen von Martin Frank extrem hoch: „Unsere Leistungen reichen vom Rohmaterialeinkauf über sämtliche Arbeitsgänge inklusive komplexester Schleifprozesse bis hin zum fertigen Produkt, wobei wir sowohl Einzelteile als auch Lose bspw. von 5 Stück bis hin zu größeren Serien bis 5.000 Stück produzieren. Da wir im Prinzip immer kunden- bzw. produktspezifische Sonderanfertigungen herstellen, sind wir alles andere als eine klassische Massenfertigung. Deshalb haben wir eine sehr vielschichtige Produktion, in der man u.a. nur wenige identische Maschinen sieht.“

Angesichts der zu fertigenden Losgrößen ist der hohe Automationsgrad eine besondere Stärke von Frank Verzahnungstechnik. „Ab Stückzahl 50 wird durchaus schon automatisiert produziert. Somit können wir selbst bei vergleichsweise kleinen Losen sehr flexibel sowie schnell reagieren und außerdem äußerst wirtschaftlich fertigen. Gegenüber anderen Lohnfertigern ist das zweifelsohne ein deutlicher Wettbewerbsvorteil“, so Martin Frank.

Automatisierte Fertigung größerer Werkstücke
Und ein entscheidender Grund, warum das Unternehmen 2017 erstmals in eine Roboterzelle vom Typ TurnStacker Premium von Halter CNC Automation zum automatisierten Be- und Entladen einer Drehmaschine investierte.

Zwar gab es bei Frank Verzahnungstechnik schon Lösungen für Teilautomatisierungen, z. B. mit Stangenladern an Drehmaschinen. Da die zu bearbeitenden Werkstückdimensionen jedoch weit über die klassische Stangenautomatisierung hinausgehen, die in der Regel nur bis zu einem Durchmesser von zirka 60 mm bis 65 mm reichen, wurden Serien mit größeren Stückzahlen und Teiledurchmessern von bis zu 210 mm auf vertikalen Drehmaschinen bspw. unter Einsatz von Rundtakttischen mit begrenzter Werkstückkapazität gefertigt.

Überzeugendes Robotik-Konzept
„Hiermit ist außerdem nur eine Einseitenbearbeitung möglich. Wir wollten aber vor allem die automatisierte Zweiseitenbearbeitung in der Dreherei forcieren. Bei größeren Bauteilen lässt sich das entweder mit einer Wendestation und zwei Maschinen realisieren, oder aber mit einem Roboter, der eine horizontale Drehmaschine belädt. In unserem Fall war das eine CTX beta 800 von DMG Mori, die über eine Haupt- und Gegenspindel mit identischen Leistungsdaten verfügt. Daher können wir auf beiden Werkstückseiten relativ starke Drehoperationen durchführen, was für die Bearbeitung unsere größeren Bauteile zwingend notwendig ist“, erklärt Martin Frank, der den TurnStacker Premium erstmals auf einer Messe sah. Das Konzept der Roboterzelle konnte überzeugen. „Insbesondere die Stapelstationen für rotationssymmetrische Teile erschienen mir seinerzeit für unsere Bauteile am flexibelsten und sinnvollsten, was sich im Nachhinein als absolut richtig erwies.“

Hohe Werkstückkapazität auf geringer Fläche
Der TurnStacker Premium bietet als äußerst kompakte Roboterzelle auf kleiner Fläche eine besonders hohe Werkstückkapazität und ist für Teile bis zu einem Durchmesser von 230 mm ausgelegt. Das Automatisierungskonzept ist nicht zuletzt mit Blick auf die Bediener der Zelle sehr einfach und erschließt sich daher im Grunde sofort.

Der drehbare Werkstückpuffer verfügt über insgesamt 12 verstellbare Stapelstationen. Bei Produktionsstart sind 11 Stationen mit Rohteilen bestückt, während die letzte Station für die Ablage der ersten Fertigteile reserviert ist.

Hubvorrichtungen erleichtern Teilehandhabung
Ein besonderes Merkmal der Roboterzelle sind zwei mittels Lasersensoren überwachte Hubvorrichtungen an einer spezifischen Entnahme- und Ablageposition des Werkstückpuffers. An der Entnahmeposition werden die Rohteile durch die Hubvorrichtung so positioniert, dass der Roboter mit seinem Greifer das erste oberste Werkstück entnehmen kann. Zur Ablage der bearbeiteten Teile in der jeweils hierfür vorgesehenen Stapelstation senkt die Hubvorrichtung an der Ablageposition die Fertigteile entsprechend ab, bis die Station komplett mit Bauteilen gefüllt ist.

Für das Werkstückhandling nutzt der Roboter einen Doppelgreifer, sodass er aus der Maschine ein Fertigteil entnehmen und anschließend die Maschine sofort mit einem Rohteil versorgen kann. Während der Roboter die Maschine kontinuierlich be- und entlädt, kann ein Bediener hauptzeitparallel an der gesicherten Rückseite der Zelle die Fertigteile entnehmen und den Werkstückpuffer mit neuen Rohteilen versorgen.

Prozesssicherheit ist oberstes Gebot
Frank Verzahnungstechnik bearbeitet mithilfe der Automatisierung Werkstücke bis zu einem Durchmesser von 200 mm und einer Höhe bis 40 mm. Bei kleineren Durchmessern kann die Werkstückhöhe indes auch 80 bis 90 mm betragen. Laut Martin Frank ändern sich alle zwei bis drei Tage die Dimensionen der Werkstücke, sodass die Zelle entsprechend umgerüstet werden muss, was aber in der Regel nur wenig Zeit in Anspruch nimmt.

Gearbeitet wird in zwei Schichten. Die Tagschichten sind vor allem der Produktion komplexerer Bauteile vorbehalten, wobei der Roboter je nach Werkstück und Losgröße, die sich zwischen hundert und mehreren tausend Stück bewegen, bisweilen bis zu zwei Stunden autark die Drehmaschine be- und entladen kann. „Die Werkstoffe unserer Verzahnungsteile sind meist sehr abrasiv. Daher muss der Fertigungsprozess zyklisch von einem Mitarbeiter überwacht werden, etwa um rechtzeitig eine Schneidplatte tauschen oder ein Maß nachstellen zu können. Sicherlich hat jeder Maschinenhersteller selbst Überwachungskonzepte, z. B. zu Werkzeugstandzeiten oder für den Werkzeugbruch etc. Das sind Standardprozesse, die bei uns natürlich auch laufen. Wir bewegen uns jedoch speziell in einem Qualitätsumfeld mit sehr hohen Ansprüchen, in dem die alleinige Überwachung von Verschleißgrenzen nicht ausreicht, und genau hier kommen unserer Mitarbeiter zur Prozesskontrolle ins Spiel.“

Die Fertigung von einfacheren Bauteilen verlagert Frank Verzahnungstechnik daher ganz bewusst in eine dritte mannlose Schicht. Hierzu werden vor Ende der zweiten Schicht die Maschine und der TurnStacker Premium für eine vollautomatisierte Produktion durch die gesamte Nacht hindurch vorbereitet.

Erneute Entscheidung für bewährte Lösung
Vor rund einem Jahr baute Frank Verzahnungstechnik die Produktionskapazitäten in der Dreherei weiter aus, u.a. durch die Modernisierung mit einem Drehzentrum CLX 450 V6 von DMG Mori, ebenfalls mit Haupt- und Gegenspindel.

Aufgrund der überaus positiven Erfahrungen mit der ersten Roboterzelle von Halter CNC Automation stand bereits im Vorfeld fest, diese Maschine ebenfalls mit einem TurnStacker Premium zu automatisieren.

„Die neue Maschine verschafft uns gemeinsam mit der Roboterzelle die gleichen Möglichkeiten, wie das bereits seit 2017 bestehende System. Wir erreichen somit auf verschiedensten Ebenen eine gewisse Redundanz, weil wir mit beiden Lösungen das gleiche Fertigungskonzept verfolgen und somit die gleichen Bauteile produzieren können. Hierdurch hat sich unsere Flexibilität in der Drehteilefertigung nochmals entscheidend erhöht, wodurch wir nun in der Lage sind, die Produktionsressourcen im Sinne unserer Kunden bestmöglich auszuschöpfen und somit noch schneller reagieren können“, so das abschließende Fazit von Martin Frank.