Automatisierbare Fertigungszelle für mannlose Schichten Fanuc-BAZ: Zuverlässig wie ein Schweizer Uhrwerk

Autor / Redakteur: Matthias Böhm, Chefredaktor / Matthias Böhm

Die PWB AG hat sich in den letzten Jahren vom Serienhersteller zum Spezialisten für Mittel- und Kleinserienfertigung gewandelt. Dazu investierte das Unternehmen zuletzt in ein 5-Achs-Simultan-BAZ Fanuc Robomat MK21 Advanced. Auf nur knapp zehn Quadratmeter Fläche realisiert Fanuc eine voll automatisierbare Fertigungszelle für mannlose Schichten bis max. 150 mm Kubus-Bauteile, Spänemanagement inklusive. Kurz: ein 26 kW starkes japanisches BAZ, präzise und zuverlässig wie ein Schweizer Uhrwerk.

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Klein und kräftig, die Fanuc Robomat MK-21 Advanced. Die 26-kW-Spindel mit 24 000 
1/min kann rund um die Uhr 5-achsig simultan mannlos fertigen. Auf Umschlag sind 2/100 mm die geforderten Fertigungstoleranzen.
Klein und kräftig, die Fanuc Robomat MK-21 Advanced. Die 26-kW-Spindel mit 24 000 
1/min kann rund um die Uhr 5-achsig simultan mannlos fertigen. Auf Umschlag sind 2/100 mm die geforderten Fertigungstoleranzen.
(Bild: Matthias Böhm)

Mit 50 Mitarbeitern am Standort Altstätten sowie einem Standort in Pfäffikon gehört die PWB AG zu den grössten Zulieferanten der Schweiz. Der SMM besuchte im März – gemeinsam mit Walter Meier Fertigungslösungen AG – PWB in Altstätten, auf das sich der folgende Bericht bezieht.

Mit zehn Dreh- und sechs Fräszentren kann das gesamte Spektrum der Fertigungstechnik von kleinen Präzisionsbauteilen bis hin zu grossvolumigen Werkstücken hergestellt werden. Aufgrund dessen, dass das Unternehmen früher im Bereich von Hydraulikkomponenten Serienteile produziert hat, haben die Mitarbeiter die Präzision sozusagen «im Blut». Für Einzelteile und Kleinserien bis maximal 150 mm Kantenlänge wurde der Maschinenpark um ein Fanuc-Robomat-MK21-Advanced-5-Achs-Simultan-Bearbeitungszentrum erweitert, automatisches Werkstück- und Werkzeughandling sowie Spänemanagement inklusive.

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Typisches Bauteilspektrum und Toleranz­klassen

Die Bauteilgrösse der PWB AG in Altstätten liegt im Drehen bei D = 5 bis 250 mm und bis zu 500 mm Länge. Im Fräsen bewegen sich die Kantenlängen von 5 bis 500 mm im 5-Achs-Bereich, bis 3500 mm im Dreiachsfräsen. Das Werkstoffspektrum reicht von Aluminium über Rostfrei bis hin zu Buntmetallen und Kunststoffen. Typischerweise liegen die Toleranzen im IT6/IT7-Bereich, teilweise darunter. Auf der Fanuc Robomat liegen die geforderten Fertigungstoleranzen bei 2/100 mm auf Umschlag, was bei 50 bis 150 mm Kantenlänge IT6 entspricht.

Leistungsstarke Hauptspindel

Andreas Gamper (Techn. Verkaufsberater Werkzeugmaschinen, Walter Meier AG): «Die Robomat MK 21 ist eine extrem kompakte und gleichwohl leistungsfähige Maschine. Mit 26 kW ist die Spindel für diese Maschinengrösse ausgesprochen leistungsstark. Die Maximaldrehzahl liegt bei 24 000 1/min, womit auch kleine Werkzeuge mit genügend hohen Schnittwerten beaufschlagt werden können. Die maximale Grösse der Bauteile liegt bei L × B × H = 150 mm für 5-achsige Simultanbearbeitung.»

Daniel Hutter (Produktionsleiter PWB): «Obwohl die Werkstücke eher kleinvolumig sind, können wir mit der Fanuc Robomat problemlos ins Volle gehen. Wir reizen die Werkzeugleistungen voll aus und gehen an deren Grenzen, wenn immer möglich. Wie Herr Gamper sagt, die Maschine ist ein Kraftpaket, die auf kleinstem Raum das Maximum rausholt. Das sieht man ihr auf den ersten Blick nicht an, ist aber genial. Und manchmal wundern wir uns, welches Spanvolumen vom Knoll-Späneförderer entsorgt werden muss. Auch bezüglich Präzision überzeugt die Fanuc Robomat. In Z-Achse haben wir leichten Wärmegang, der kann kompensiert werden, in der ersten Stunde muss das Werkzeug getastet werden. Die Kompensation läuft automatisch und sobald die Maschine Betriebstemperatur hat, läuft sie zu 100% stabil.»

Früher Serienfertigung – heute Kleinstserienfertigung

Bevor es zu den technischen Details der Maschine geht, ein Blick auf die PWB AG, die sich in den letzten Jahren stark gewandelt hat. Früher war die Produktion auf Serienfertigung ausgelegt. Diese Bereiche sind kontinuierlich nach Osteuropa verlegt worden.

D. Hutter: «Wir haben uns umstellen müssen und sind heute mit einer sehr diversifizierten Produktion auf kleinere bis mittlere Losgrössen spezialisiert sowie Einzelteilfertigung. Entsprechend mussten wir unseren Maschinenpark neu ausrichten. Unsere 4-Achs-Horizontal-BAZ, die auf Serienfertigung ausgelegt waren, haben wir ersetzt durch Bearbeitungszentren und Dreh-Fräszentren, die hochflexibel einen breiten Bereich vom Einzelteil bis zur mittelgrossen Serie abdecken. Grösstenteils haben wir gemeinsam mit den Spezialisten von Walter Meier Fertigungslösungen AG diese Umstrukturierung konsequent durchgezogen.»

Fanuc Robomat: autonom, kompakt, schnell, leistungsstark

D. Hutter: «Bei der Fanuc Robomat handelt es sich genau um eine solche Maschine, die zugeschnitten ist auf unser diversifiziertes Bauteilspektrum. Sie ist schnell, präzise, flexibel, hervorragend einzurichten und kann mannlos fertigen. Es ist eine äus­serst kompakte Fertigungszelle, mit vollintegriertem Werkstückhandling wie auch zweifach ausgelegtem Werkzeugspeicher. Aus unserer Sicht ist es eine geniale Fertigungslösung, für eine weitestgehend mannlose 5-Achs-Simultanbearbeitung bis 150 mm Kantenlänge.»

1,3 Sekunden: sehr kurze Span-zu-Span-Zeit

Herausragend ist darüber hinaus die Dynamik der Maschine. Es gibt wenig Maschinen am Markt, die ähnliche Beschleunigungen haben. Hinzu kommen die extrem kurzen Werkzeug-Wechselzeiten, was sich positiv auf die Nebenzeiten auswirkt. Die Span-zu-Span-Zeit der Advanced-Ausführung beträgt lediglich 1,3 Sekunden, bei bis zu 4 kg Werkzeuggewicht. Damit die Maschine auf die sehr kurzen Span-zu-Span-Zeiten kommt, muss auch die Spindelbeschleunigung entsprechend ausgelegt sein.

Mathias Zavratnik (Verkaufsleiter Deutschschweiz, Walter Meier Fertigungslösungen AG): «Hauptgrund für die kurzen Wechselzeiten ist der direkt in den Bearbeitungsraum integrierte Werkzeug-Karussell-Speicher (21 Werkzeuge) der Fanuc-Bearbeitungszentren. Dank der Nähe zur Hauptspindel geht keine Zeit beim Werkzeugwechsel verloren.»

Ein Roboter für Werkstücke und Werkzeuge

A. Gamper: «Die Leistung pro Quadratmeter wird zunehmend wichtiger. Das ist wie bei einem Schweizer Uhrwerk. Da liegt das gesamte Räderwerk kompakt beisammen, ist hochpräzise und absolut zuverlässig. Die kompakte Bauweise der Fanuc Robomat liegt unter anderem in den integrierten Werkzeug- und Werkstückspeicher begründet. Sie sind direkt nebeneinander positioniert, so dass mit einem Knickarmroboter sowohl die Werkzeuge als auch die Werkstücke gehandelt werden können.»

Werkzeugspeicher und Lang-Nullpunktspannsysteme

Derzeit wird die Fanuc Robomat im 2-Schicht-Betrieb bemannt eingesetzt, die dritte Schicht produziert sie mannlos. Um genügend Material für die mannlose Fertigung zu haben, können 60 Paletten im Werkstückspeicher integriert werden. Die Rohteile werden per Nullpunkt-Paletten-System (Hersteller Lang) für Einzelteile, Kleinserien oder mittlere Serien gespeichert. Sollte ein Express-Auftrag realisiert werden, ist dies mit wenig Aufwand in die laufende Produktion integrierbar. Praktisch gelöst ist das Be- und Entladen der Werkstücke. Die Rohteile können dank des Paletten-Spannsystems aus­serhalb der Maschine gerüstet werden.

Die 5-Achs-Nullpunkt-Spannsysteme (Makro-­Grip von Lang) zeichnen sich durch ihre Prägetechnik aus, bei der der Spannbereich des Werkstücks mit einer definierten Prägung versehen wird, bevor es in den 5-Achs-Spanner in die mit dem gleichen Prägemuster versehenen Spanbacken formschlüssig gespannt wird. Besonders Spannsituationen, die hohe Haltekräfte erfordern und bei denen die Gefahr von Verformungen am Werkstück besteht, können durch das Vorprägen prozesssicherer realisiert werden.

Geniales Werkzeugspeicherkonzept

Da das Einsatzgebiet der Fanuc-Robomat-BAZ konsequent in Richtung mannlose Fertigung von wechselnden Serien und Einzelteilfertigung geht, ist neben dem Werkstückspeicher ein genügend grosser Werkzeugspeicher entscheidend. Bei den Fanuc-Robomat-Fertigungszellen kann der zusätzliche Werkzeugspeicher mit bis zu 300 Werkzeugen ausgebaut werden.

Die Werkzeugbelegung des in der Maschine integrierten Karussellspeichers (21 Werkzeuge) ist auf das jeweils zu fertigende Werkstück abgestimmt. Werden weitere Werkzeuge im Karussell­speicher benötigt, können sie während der Bearbeitung vom Hauptspeicher kontinuierlich in den Karussellspeicher gewechselt werden, ohne den Prozess zu behindern. Dank diesem Werkzeugspeicherkonzept ist die Fanuc Robomat, wie oben bereits erwähnt, sowohl extrem schnell als auch hochgradig flexibel. In vielen Fällen reicht ein kleinerer Speicher wie bei PWB, wie D. Hutter bestätigt.

Pluspunkt: einfache Bedienbarkeit

Ein weiterer Pluspunkt ist die einfache Bedienung. Alle Prozesse, vom CNC-Programm über die Werkzeugverwaltung bis hin zum Werkstückhandling und Roboter, lassen sich über die CNC-Steuerung bedienen.

D. Hutter: «Ein Tag Schulung reichte aus, dann beherrschten unsere Mitarbeiter die Prozesse. Vieles ist selbsterklärend. Das ist seitens Fanuc vorbildlich gelöst. Eine gut ausgelegte Mensch-Maschine-Schnittstelle ist ein wichtiges Kriterium. Wenn ein Mitarbeiter einspringen muss, dann muss das flott gehen, ohne Unterbruch.»

Wenig bekannt, aber perfekt: Big-Plus-Spindel­aufnahme

Die Leistung der 26-kW-Hauptspindel muss an die Schneide gebracht werden. Hier setzt Fanuc, wie fast alle japanischen WZM-Hersteller, auf eine Big-Plus-Werkzeug-Schnittstelle.

M. Zavratnik: «Die Big-Plus-Schnittstelle ist der Mercedes unter den Werkzeug-Schnittstellen. Es ist eine Weiterentwicklung der Steilkegel-Schnittstelle, und zwar in der Art, dass der Bund des Steilkegels als Plananlage mit der Stirnfläche der Werkzeugspindel verpresst wird. Dadurch erhöht sich das Widerstandsmoment und damit die Steifigkeit der Werkzeugschnittstelle erheblich. Eine BBT30-Big-Plus-Schnittstelle verfügt in etwa über die Steifigkeit einer klassischen BT40-Schnittstelle, mit dem Vorteil der kleineren Baugrösse. Dank der Plananlage ist die Z-Position des Werkzeuges zu 100% definiert. Die japanischen WZM-Hersteller setzen zu fast 100% auf die Big-Plus-Schnittstellen.»

Big-Plus bringt hohe Prozesssicherheit

A. Gamper ergänzt: «Gerade in höheren Drehzahlbereichen, wie sie heute bei modernen BAZ ‹State of the Art› sind, weiten sich die Steilkegelaufnahmen. Das hat zur Folge, dass ein klassischer Steilkegel ohne Plananlage leicht eingezogen werden kann und seine Z-Position entsprechend verändert. Big-Plus-Aufnahmen verhindern das, das ist genial gelöst und für eine Produktion konzipiert, wo hohe Drehzahlen, Drehmomente, Zerspankräfte, eine hohe Präzision am Werkstück und letztlich eine hohe Prozesssicherheit gefordert werden. Auch Vibrationen während des Fräsprozesses werden durch die Big-Plus-Schnittstelle erheblich reduziert, was sich auch auf die Oberflächengüte positiv auswirkt.»

Spindelaufnahme sorgt für weniger Werkzeugverschleiss

Damit die Big-Plus-Ausführung mit Plananlage realisiert werden kann, muss sowohl die Spindel inklusive Plananlage als auch der Steilkegel inklusive Plananlage in einem sehr engen Toleranzfeld geschliffen werden.

A. Gamper: «Man kann dank der Big-Plus-Schnittstelle erheblich mehr Zeitspanvolumen generieren. Auch auf den Werkzeugverschleiss wirken sich die Big-Plus-Aufnahmen positiv aus, schlicht weil wegen der höheren Steifigkeit weniger Schwingungen resultieren.»

5-Achs-Simultan mit Schwenkrundtisch

Je nach Werkstückspektrum kann die Fanuc Robomat 3-achsig und auf Wunsch mit integriertem Schwenkrundtisch ausgelegt werden. Die PWB setzte aufgrund des komplexeren Bauteilspektrums auf integriertem Schwenkrundtisch für die 5-Achs-​Simultanbearbeitung.

D. Hutter: «Die 4. und 5. Achse kommen relativ oft zum Einsatz, 5-Achs-Simultanbarbeitung nutzen wir in Einzelfällen. Aber wenn es sein muss, steht es zur Verfügung. Der Schwenkrundtisch verfügt über eine sehr hohe Dynamik, er kann mit einer Drehzahl von bis zu 300 1/min beaufschlagt werden.

Dank Modulbauweise: In vier Wochen geliefert

Auf die Frage des SMM, warum letztlich in eine Fanuc Robomat investiert wurde, sagte D. Hutter: «Wir benötigten zwingend zusätzliche Fertigungskapazitäten für unsere kubische Kleinteilefertigung. Genau hier spielt die Fanuc Robomat ihre Stärken aus. Der geringe Platzbedarf war ebenfalls ein Argument und nicht zuletzt das gute Preis-Leistungs-Verhältnis. Ein weiteres Kriterium war darüber hinaus die schnelle Verfügbarkeit.»

Mathias Zavratnik: «Die Fanuc-Bearbeitungszentren können wir jederzeit liefern. Das liegt daran, dass es sich um ein modular aufgebautes WZM-Gesamtkonzept handelt, bei dem vom Werkstückhandling bis zur Späneentsorgung und Knickarmroboter alles integriert ist. Das ist eine hochkompakte Systemlösung, die gleichzeitig sehr flexibel einsetzbar ist. Wir haben typischerweise 8 bis 12 Maschinen dieses Typs in unterschiedlichen Ausführungen am Lager. Wenn der Auftrag reinkommt, werden kundenspezifische Anpassung direkt bei uns in Schwerzenbach realisiert. Der Schwenkrundtisch wurde beispielsweise als Option bei uns in Schwerzenbach integriert. Weil es sich um Standard-Abläufe handelt, geht es entsprechend flott.»

Entsprechend flott heisst: Nach Auftragseingang dauerte es bis zur Lieferung genau vier Wochen, innerhalb dieser Lieferfrist wurde die Maschine auf die Kundenwerkstücke bereits eingefahren.

D. Hutter: «Als sie geliefert wurde, war das ‹plug and play›. Nach einem Schulungstag konnten wir loslegen, es mussten noch einige Anpassungen, wie das Werkzeug- und Werkstück-Handling, realisiert werden. Rückblickend kann ich sagen, dass es vom Evaluationsprozess bis zur Montage und Inbetriebnahme absolut rund lief und die Zusammenarbeit mit Walter Meier sehr gut war.»

Über 30-jährige Kooperation

Mathias Zavratnik: «Wir arbeiten seit über drei Jahrzehnten eng mit PWB zusammen. Es hat sich ein Kompetenzaustausch auf hohem Niveau entwickelt. Wir kennen die Bedürfnisse der PWB und haben uns auf deren hohe Fertigungsanforderungen entsprechend ausgerichtet. Wenn wir Fertigungslösungen für PWB gemeinsam mit unseren Maschinen- und Systemlieferanten entwickeln, ist das auch für unser Unternehmen oft eine technologische Herausforderung.»

D. Hutter: «Das kann ich bestätigen, achtzig Prozent unseres Maschinenparks sind von Walter Meier. Es ist eine Zusammenarbeit auf Augenhöhe, sie verfügen über sehr kompetente Mitarbeiter. Wenn wir ein Fertigungslösung benötigen, können sie uns sehr kompetent beraten und uns die jeweiligen Vor- und Nachteile der Möglichkeiten aufzeigen. Auch die After-Sales-Betreuung ist ausgezeichnet, was letztlich für eine langjährige Kundenbeziehung ausschlaggebend ist.» SMM

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