Bühler AG: Mit Mazak «alles aus einer Hand» Flexibilität hoch drei

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Die Bühler AG suchte eine «eierlegende Wollmilchsau» und fand das Horizontale Bearbeitungszentrum HCN 8800 von Mazak inklusive Tooltech-Werkzeugmagazin und Palletech-Palettenregalsystem.

Die Wahrscheinlichkeit, dass Sie heute bereits mit der Technologie von Bühler in Berührung gekommen sind, ist gross. So nehmen beispielsweise etwa zwei Milliarden Menschen täglich Lebensmittel zu sich, die auf Bühler-Anlagen hergestellt wurden, und eine Milliarde Menschen fahren in Fahrzeugen, für deren Teile die Druckguss-Technologien von Bühler zum Einsatz kamen. Die 1860 in Uzwil gegründete Bühler AG ist heute mit rund 13 000 Mitarbeitenden an über 30 Fertigungsstandorten und 100 Servicezentren in 140 Ländern vertreten. In der Schweiz, in Tschechien, in Österreich, in China und in den USA findet die zerspanende Produktion des Unternehmens statt. Am Standort in Uzwil, «wo das Herz von Bühler schlägt», sind rund 2500 Mitarbeitende in den Bereichen Produktion, Wartung, Forschung und Entwicklung sowie dem Vertrieb und der Verwaltung tätig, davon beachtliche 30 Prozent in der Produktion (inklusive Blechfertigung, Arbeitsvorbereitung und Automation).

Die Division Manufacturing & Logistics und Supply Chain fertigt ein breites Produktportfolio für die beiden Geschäftssäulen «Grains & Food», welche Lösungen für die globale Lebensmittel- und Futtermittelindustrie umfasst, und «Advanced Materials», welche einen Beitrag zur Fertigung energieeffizienter Fahrzeuge und Gebäude leistet, sowie Ersatzteile für den Servicebereich.

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«Unsere Herausforderung besteht in der hohen Auftragskomplexität. Wir fertigen sehr unterschiedliche und höchst anspruchsvolle Werkstücke in relativ kleinen Losgrössen», erklärt Bruno Toscan, Leiter Investitionen und Fabrikplanung bei Bühler. Daher sei Flexibilität bei den Maschinen gefordert. Etwa 50 Werkzeugmaschinen, davon rund 30 Dreh- und 20 Fräszentren, bilden die Maschinenkapazität am Standort Uzwil ab. Der Schwerpunkt liegt im Bereich Dreh-Fräszentren, auch «die Neuinvestition ist ein Fräszentrum» - das Horizontale Bearbeitungszentrum HCN 8800 von Mazak inklusive Tooltech-Werkzeugmagazin und Palletech-­Palettenregalsystem. Die Fertigungsinsel ist seit 2021 unterbruchsfrei in Betrieb und perfekt auf die Bedürfnisse der Bühler AG abgestimmt.

Strategie «BAZ 2020»

Toscan: «Im Rahmen der Strategie «BAZ 2020» haben wir 2011 damit begonnen, unseren Maschinenpark zu erneuern und auszubauen, und zwar auf Basis einer umfassenden Analyse unserer Zerspanungsanforderungen. Konkret haben wir uns gefragt: Wo geht die Reise hin? Welche Produkte sollen an welchem Standort in Zukunft gefertigt werden? In welchen Stückzahlen, Grössen und mit welchen Werkstoffen? Welche Kapazitäten werden dafür benötigt?»

In der Folge fand eine Fokussierung statt: In Zamberk, Tschechien, werden Komponenten in grös­seren Losgrössen gefertigt, während in der Schweiz eine «Assemble-to-order (ATO)»-Produktions­strategie verfolgt wird. «Bei uns stehen die Themen Komplexität (Stichwort Prototypenfertigung), Versorgungssicherheit (Stichwort Customer Service) sowie die Ausbildung im Vordergrund. Die Bewältigung dieser Vielfalt ist unsere Stärke. Angesichts der Tatsache, dass die Schweiz jedoch einer der teuersten Produktionsstandorte der Welt ist, müssen wir umso mehr auf eine leistungsfähige Fertigung mit modernsten und effizientesten Lösungen setzen, um wettbewerbsfähig zu bleiben», sagt Toscan.

Wer nicht lange suchet, der früher findet

«1995 haben wir uns erstmalig für Mazak entschieden und sind dieser strategischen Ausrichtung seither treu geblieben», sagt Toscan. Die Entscheidung für Mazak sei zwar «nicht in Stein gemeisselt», aber die Strategie «BAZ 2020» habe die getroffene Entscheidung erneut bestätigt. «Die Analyse unterschiedlicher Werkzeugmaschinenhersteller hat uns gezeigt, dass wir mit unserem Fokus auf Mazak weiterhin auf dem richtigen Weg sind», erklärt Toscan.

Diese Homogenität, die auf den ersten Blick wie eine Einschränkung erscheint, birgt in Wirklichkeit ein hohes Mass an Flexibilität: «Diese Strategie ermöglicht es uns, das Know-how unserer Mitarbeitenden flexibel, das bedeutet an mehreren Maschinen, einzusetzen», so Toscan. «Deswegen lernen auch unsere Auszubildenden an Mazak-Maschinen. Wenn sie anschliessend bei uns in der Produktion bleiben, sind sie bereits mit den Steuerungstechnologien und Programmierungen unserer Werkzeugmaschinen vertraut und müssen nicht neu angelernt werden», ergänzt Matthias Schmid, Leiter Mechanik bei der Bühler AG.

Entscheidend bei dieser Strategie sei ein breites Portfolio der Lieferanten. «Mazak verfügt definitiv über ein genügend breites Spektrum an Werkzeugmaschinen und entsprechenden Lösungen für unser wiederum breites Anforderungsspektrum. Es kommt alles aus einer Hand: die Maschine, der Werkzeugspeicher, die Rüststation, das Palettenregalsystem – die komplette Bandbreite. Das ist ein sehr grosser Vorteil.»

Thomas Siegrist, Geschäftsleiter der Schweizer Mazak-Vertretung Wenk AG in Grenchen: «Wir haben das Privileg, die Bühler AG seit bald dreissig Jahren intensiv betreuen zu dürfen. Dadurch, dass wir nicht nur als Werkzeugmaschinenhersteller, sondern auch als Systemanbieter in die sogenannten BAZ-Strategien von Bühler involviert werden, ist über die Jahre eine sehr enge Zusammenarbeit entstanden.»

Nicht zu unterschätzen sei der erhebliche Aufwand bei der Evaluation verschiedener Systempartner und die Integration dieser. Toscan sagt: «Die Zeit nutzen wir besser mit den Partnerinnen und Partnern, die uns bereits überzeugen konnten, um mit ihnen in die Tiefe zu gehen.» «In der Tat war die Besonderheit bei diesem Projekt nicht vorrangig die Wahl der passenden Werkzeugmaschine, sondern vielmehr die gemeinsame Ausarbeitung des Gesamtkonzepts inklusive Werkstück- und Werkzeugmanagement. Unsere ohnehin enge Zusammenarbeit hat bei diesem Projekt eine neue Tiefe erreicht. Sie ging buchstäblich bis zur letzten Werkzeugschneide», so Siegrist.

Wenk: Komplettbearbeitung

Multitasking-Maschinen

Von einfach bis hochkomplex

Ausgangspunkt für jedes neue Maschinenkonzept ist das Werkstückspektrum, das auf der Anlage gefertigt werden soll. Die Bühler AG stellte Mazak dabei vor eine Herausforderung, denn das Werkstückspektrum erwies sich als ebenso breit wie komplex. Toscan sagt: «Was für die Grösse unseres Standorts verwundern mag: Die Losgrösse liegt zwischen 1 und 20, im Durchschnitt bei 4. Manche Teile fertigen wir einmal im Monat, andere nur einmal im Jahr. Im Durchschnitt beträgt die Wiederholhäufigkeit der Aufträge 2,4 pro Jahr.»

Dabei bewege sich die Grösse der einfachen bis hochkomplexen Werkstücke mit Toleranzklassen bis zu IT6 zwischen 300 und 800 mm Kantenlänge und bis auf Aluminium kämen alle, vor allem schwer zerspanbare und gehärtete Materialien, zum Einsatz – von Guss und Stahl über Messing und Verbundwerkstoffe.

HCN 8800: Stabilität, die überrascht

Das 4-Achs-Horizontalbearbeitungszentrum HCN 8800 mit den folgenden technischen Daten erwies sich als perfekt zugeschnitten auf das kubische Bauteilspektrum:

• Hauptspindel mit erhöhtem Drehmoment: Leistung 30 kW (100% ED)

• Max. Drehmoment: 1218 Nm

• Spindel-Werkzeugschnittstelle: SK50

• Drehzahl: max. 8000 U/min.

• Max. Störkreis: 1450 mm

• Max. Werkstückhöhe: 1450 mm

• Verfahrwege: 1400 mm (X-Achse), 1200 mm (Y-Achse), 1325 mm (Z-Achse)

Die auf einer Gusskonstruktion basierende Maschine hat ein Gesamtgewicht von 30 Tonnen. Sie ist daher auf höchste Steifigkeit ausgelegt. Um zudem eine hohe thermische Stabilität und damit eine sehr hohe Grundgenauigkeit zu erreichen, sind die Kugelumlaufspindeln in allen Achsen innengekühlt.

«Die Maschine ist stabil wie ein Panzer. Ein Beispiel: Wir fertigen auf dieser Maschine Extrudergehäuse, die wir bisher auf einem Bohrwerk mit Gegenlager bearbeiten mussten. Heute können wir sie auf der HCN 8800 fliegend ausdrehen», erklärt Toscan. Neben der Stabilität sei auch der perfekte Spänefall hervorzuheben, der deutlich besser sei als bei einer vertikal angeordneten Spindel.

Toscan sagt: «Aufgrund unserer grossen Teilevielfalt und -komplexität dauerte es neun Monate, bis die Maschine Stück für Stück eingefahren war und wir im Dreischichtbetrieb auf ihr fertigen konnten. Zum Vergleich: In Zamberk dauerte die Einfahrphase einer nahezu identischen Anlage, aufgrund des kleineren und weniger anspruchsvollen Teilespektrums sowie der grösseren Serien, lediglich drei Monate.»

«Das lag vor allem am hohen Programmieraufwand. Wir haben beispielsweise auch einfachere Maschinen in der Prototypenwerkstatt, wo die Bedienerin oder der Bediener das Teil direkt in Mazatrol programmiert. Das ist an der HCN 8800 aufgrund der Komplexität der Teile nicht möglich. Jedes neue Bauteil wird erst im CAM-System extern programmiert und dann gemeinsam von der Programmiererin oder dem Programmierer und der Bedienerin oder dem Bediener an der Maschine eingefahren», ergänzt Schmid.

Seither läuft die Maschine 24 Stunden an 5–6 Tagen in der Woche. Schmid: «Eine solche Anlage muss so viel laufen wie möglich. Sie ist daher für einen Dreischichtbetrieb konzipiert. Da wir nicht wie in Zamberk in Serie fertigen und kleinere Losgrössen haben, ist keine ‹Geisterschicht› durch Automatisierung möglich. Mit wenigen Ausnahmen haben wir immer einen Mitarbeitenden an der Spindel oder beim Vorbereiten der Teile.»

Siegrist sagt: «Es erscheint zunächst unlogisch, gerade in der Schweiz, den Dreischichtbetrieb aufrechtzuerhalten. Die Komplexität und die Vielfalt der Teile verlangen jedoch einen relativ hohen Bedienungsaufwand. Dort sind den Möglichkeiten der Maschine Grenzen gesetzt.»

Schmid: «Eine bedienlose Fertigung ist insbesondere hinsichtlich der engen Werkstücktoleranzen bisher nicht realisierbar gewesen. Wir reden hier zum Teil von hochpräzisen IT6-Toleranzen. Für die sogenannten Messpässe müssen wir nach wie vor eine vorprogrammierte, manuelle Werkstückvermessung durchführen.»

«Auch die Endkontrolle wird zum grössten Teil noch von unseren Mitarbeitenden durchgeführt. Nur wenn ein Teil zum ersten Mal auf der Maschine gefertigt wird, kommt eine 3D-Messmaschine von Zeiss zum Einsatz», ergänzt Toscan.

Werkzeugmanagement: Weniger ist mehr

«Bei unserem vielseitigen Produktportfolio ist ein schnelles Umrüsten ein Muss. Das betrifft nicht nur die Maschine, sondern auch die Werkzeuge und Vorrichtungen», betont Toscan. Um Rüstzeiten zu reduzieren, wurde das gesamte Werkzeugmanagement neu aufgesetzt. Jedes Werkzeug ist nun mit einem «Industrial RFID»-Chip versehen, auf dem die aktuellen Daten (z. B. Stand- und Einsatzzeiten) des individuellen Werkzeugs hinterlegt sind. Die Tool-ID von Balluff integriert diese Daten in die Maschinensteuerung und sorgt auf diese Weise für eine automatisierte Kommunikation im Tool Data Managementsystem (TDM) und eine optimale Werkzeugauslastung.

«In diesem Rahmen haben wir uns auch dazu entschieden, beim Werkzeugkonzept eine Standardisierungsstrategie zu fahren. Wir wollten keine Altlasten mehr mitschleppen und haben die Anzahl der Werkzeuge zur Teileherstellung um 50 Prozent gegenüber der bisherigen Fertigung reduziert. Das war eine sehr aufwendige Übung. Wir mussten nicht nur auf Kompromisswerkzeuge umsteigen, die für verschiedene Werkstoffe geeignet sind, sondern auch die CAM-Programmierung für jedes Bauteil neu aufsetzen. Allein bei der HCN 8800 waren das um die 300 Bauteile.»

Tooltech: Kompaktes Werkzeugmagazin

Als erste Kundin, die das Werkzeugmagazin Tooltech von Mazak in der Schweiz einsetzt, ist die Bühler AG eine Pionierin. Das Werkzeugmagazin bietet aktuell Platz für 348 Werkzeuge, darunter auch Werkzeuge mit einem Durchmesser von bis zu 405 mm und einer Länge von bis zu 800 mm, die für tiefere Kavitäten eingesetzt werden können.

Toscan: «Bei der Auslegung und Grösse des Werkzeugmagazins haben wir untersucht, mit welchen Werkzeugen sich 90 Prozent unseres Teilespektrums fertigen lassen. Mazak hat die daraus abgeleiteten Anforderungen wiederum erfolgreich auf das Werkzeugmagazin appliziert. Heute müssen nur noch Spezialwerkzeuge, die selten gebraucht werden, für diese Anlage aufbereitet werden.»

«Wir sind froh, dass wir mit unseren Möglichkeiten, den Anforderungen gerecht werden konnten. Bühler nutzt den zur Verfügung stehenden Platz optimal, da sie die maximale Kapazität ausschöpfen. Das ist vor allem den intensiven Analysen im Vorfeld zu verdanken», unterstreicht Siegrist. «Aber auch der Flexibilität von Mazak», ergänzt Toscan. «Das Werkzeugmagazin ist modular aufgebaut und kann an veränderte Anforderungen angepasst werden.»

Palletech: Modular erweiterbares Paletten­regalsystem

Das Gleiche trifft auf das Palettenregalsystem zu. «Um den Personalaufwand für die Maschinenbedienung zu verringern und unsere begrenzt zur Verfügung stehende Aufstellfläche so effizient wie möglich zu nutzen, war uns ein genügend grosser Paletten­speicher für kleine bis grosse Teile wichtig. Mit der Palletech-­Lösung von Mazak stehen uns aktuell sechzehn 800×800-mm-Paletten über zwei Ebenen zur Verfügung. Damit haben wir einen sehr guten Puffer. Und sollte die Kapazität einmal nicht ausreichen, können wir das System jederzeit und problemlos erweitern. Diese Modularität ist genial», so Toscan.

Um das Werkstückmanagement weiter zu optimieren, wurde auch das bisherige Spannkonzept gemeinsam mit den Technologiepartnern Schunk und Gressel überarbeitet. «Die HCN 8800 eignet sich perfekt für Würfel-Spannungen. Die Werkstücke werden in einer Rüststation ausserhalb der Maschine hauptzeitparallel per Hand gespannt. Der Aufspanntisch verfügt über ein Nullpunktspannsystem und die Zuführung erfolgt automatisch über das Palettenregalsystem», erklärt Toscan.

Rück- und Ausblick

Durch die hohe Modularität der Gesamtanlage ist eine Erweiterung zum Flexiblen Fertigungssystem (FSS) durch die Integration eines zweiten BAZ jederzeit möglich. «Im Hinblick auf zukünftige, steigende Fertigungsanforderungen und um die Mazak Integrex e-1550 zu entlasten, ist ein weiterer Ausbau der Anlage bereits in Auftrag. Wir werden zusätzlich in das vertikale 5-Achs-Dreh-Fräszentrum Mazak i-800V investieren und auch das Palettenregalsystem auf 32 Paletten erweitern», sagt Toscan.

Siegrist erklärt: «Der Trend geht in Richtung 5-Achs-­Vertikalmaschinen, dabei gibt es Teile, bei denen die 4-Achs-Horizontalbearbeitung massive Vorteile hat. Sie ist aufgrund ihrer Maschinenstruktur in ihrer Stabilität kaum zu übertreffen und dabei günstiger im Unterhalt als eine 5-Achs-Maschine. Hervorragend ist bei den H-BAZ der Spänefall gelöst. Gerade am teuren Werkplatz Schweiz lohnt sich also ein differenzierter Blick auf die eigenen Produktionsanforderungen.» Auch das Thema Wartung sei hier zu berücksichtigen. «Bei einem Crash ist eine 4-Achs-­Horizontalmaschine erheblich schneller wieder einsatzbereit als eine 5-Achs-Maschine», ergänzt Toscan.

Die Investition in die neue Fertigungsinsel habe sich jedenfalls gelohnt: «Im Vergleich zur Vorgängeranlage, die ähnlich aufgebaut war, ist die neue Anlage um 25 Prozent effizienter», erläutert Toscan. «Wir konnten viele Störfaktoren, z. B. im Rüstprozess, eliminieren.» SMM

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