Spühl GmbH setzt auf hoch automatisierte Fertigungsprozesse Flexible Heller-Fertigungszellen für kleine bis grosse Bauteile (Teil 1)

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Die Fertigung der Spühl GmbH ist professionell durchdekliniert. Nichts wird dem Zufall überlassen, derart perfektionistisch präsentierte sich die Fräsbearbeitung, als der SMM einen Blick auf zwei unabhängige Flexible Fertigungszellen (FFZ) mit zwei Heller-Bearbeitungszentren werfen konnte. Die flexible automatisierte Fertigung ab Losgrösse 1 ist bei Kleinteilen auf einer Heller HF 3500 perfekt eingespielt, bei Grossteilen ist Losgrösse 1 auf der FP 14000 eine personal- und rüstintensive Aufgabe. Zwei Fertigungswelten, die perfekt aufeinander abgestimmt sind und sich hervorragend ergänzen.

Die Spühl GmbH entwickelt mit 180 Mitarbeitenden hochkomplexe Spezialmaschinen – so genannte Federkernmaschinen – zur Herstellung von Federn, die in Federkernmatratzen schliesslich für einen gesunden Schlaf der darauf Liegenden sorgen.

Die Spühl GmbH in Wittenbach (SG) ist eine Tochtergesellschaft des amerikanischen Traditionsunternehmens Leggett & Platt mit rund 20 000 Mitarbeitenden. Leggett & Platt ist ein weltweit führender Hersteller von Komfortkomponenten für Wohnmöbel, Büromöbel, Betten und Bettsysteme.

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Spühl AG: Spezialmaschinenbauer mit hoher Fertigungstiefe

Die Spühl GmbH verfügt über ein sehr spezifisches Know-how, das in der Entwicklungsabteilung mit rund 32 Mitarbeitenden laufend weiterentwickelt wird. In der Montage, Produktion und Logistik sind insgesamt 100 Mitarbeitende beschäftigt, davon 30 Lernende. Die gesamte Fertigung und Montage – Drehen, Fräsen, Schleifen, Montieren – ist auf einer Hallenfläche von 3000 m² untergebracht.

In der spanabhebenden Fertigung wird das gesamte Teilespektrum von kleinen Dreh- und Frästeilen bis hin zu gross dimensionierten Maschinenständern für die Federkernmaschinen just in time im eigenen Haus gefertigt. Im kubischen Bereich stehen dafür sechs vollautomatische Heller-Werkzeugmaschinen zur Verfügung.

Zusammen mit Patrick Jung (Fertigungsleiter, Spühl GmbH) und Christoph Andris (Vertriebsgebietsleiter, Heller Schweiz) konnte der SMM einen Blick in die Produktion und speziell in die Fräsbearbeitung werfen, wo vor vier Jahren in zwei – unabhängig voneinander arbeitende – autonome Flexible Fertigungszellen (FFZ) von Heller investiert wurde:

• FFZ 1: «Heller HF 3500» für Kleinteile mit Erowa-Palettenautomation. Über die letzten vier Jahre liefen auf der Heller HF 3500 über 1700 CNC-Programme für unterschiedliche Komponenten.

• FFZ 2: «Heller FP 14000» für die Grossteilebearbeitung mit Palettenautomation von Erowa (Schuler). Auf der «Heller FP 14000» wurden in den vier Jahren 300 unterschiedliche Komponenten gefertigt.

Hier werden die Unterschiede zwischen automatisierter Gross- und Kleinteilebearbeitung deutlich. Weitere vier 4-achsige Heller-BAZ sind nicht Gegenstand dieses Berichtes.

Veränderung der Losgrössen

Patrick Jung (Fertigungsleiter, Spühl GmbH): «Im Fräsbereich haben wir uns konsequent auf Heller-Bearbeitungszentren konzentriert, die unser gesamtes Fertigungsportfolio abdecken. Als wir zwischen 2007 und 2014 in die 4-Achs-Heller-BAZ mit Palettierung und entsprechend hoher Autonomie investierten, passte diese Fertigungsstrategie perfekt zu unserem Teilesegment. Die Erfahrungen mit den 4-achsigen Heller-BAZ waren hervorragend. Unser Produktportfolio hat sich jedoch verändert. Die Losgrössen sind kleiner geworden, die Teile komplexer. Das ist einer der Gründe, warum wir in der jüngeren Vergangenheit konsequent in 5-Achs-Maschinen investiert haben und weiter investieren werden, weil sie einfach flexibler sind und besser zu unserem heutigen Fertigungsspektrum passen. Hatten wir vor einigen Jahren noch Losgrössen von 50 bis 60, so liegen diese heute zwischen 1 und 10.»

Entsprechend sind die Anforderungen an die Flexibilität und Komplexität der Maschinen gestiegen. Aus diesem Grund wurde bereits vor vier Jahren in die «Heller HF 3500» sowie in die «Heller FP14000» investiert.

Standardisierung: Heller – Siemens – Erowa

Zum Thema Standardisierung sagt Patrick Jung: «Was bei uns auffällt, ist, dass wir in der Fertigung eine sehr stringente Fertigungsstrategie verfolgen. Stringent bedeutet, dass wir – wenn immer möglich – konsequent eine technologische Linie wählen und uns entsprechend ausrichten. In der Steuerungs- und Softwaretechnik gehört beispielsweise Siemens (CNC, CAD/CAM-System Siemens NX) zu unseren Standards. Im Fräsbereich setzen wir auf Heller-Bearbeitungszentren, die durchgängig mit Siemens-CNC-Steuerungen ausgerüstet sind. Im Drehbereich setzen wir ebenfalls auf Drehzentren eines Herstellers mit Siemens-Steuerungen. Bei den Automatisierungssystemen im Fräsbereich setzen wir auf das Steuerungssystem JMS von Erowa. Da Erowa den Automationsspezialisten Schuler – Palettenautomationssysteme für Grossteile – übernommen hat und nun das gesamte Spektrum von der Kleinteile- bis zur Grossteilepalettierung anbietet, können wir mit Erowa sowohl für die Kleinteile- als auch für die Grossteilebearbeitung auf eine einheitliche Steuerungssoftware zugreifen.»

Vorteile der fertigungstechnischen Vereinheitlichung

Den Vorteil der fertigungstechnischen Standardisierung begründet Patrick Jung wie folgt: «Unsere Fertigungsstrategie ist so ausgelegt, dass unsere Maschinenbediener heute sehr flexibel von einer Maschine zur anderen wechseln können. Obwohl die beiden FFZ ‹Heller HF 3500› und ‹FP 14000› völlig unterschiedlich aufgebaut sind, ist der Wechsel der Mitarbeitenden absolut unkompliziert, da beide Heller-WZM über die gleiche Siemens- und Erowa-Steuerung verfügen. Einzig das Rüsten der Werkstücke unterscheidet sich erheblich, ist aber von gut ausgebildeten Mitarbeitenden beherrschbar.»

«FFZ HF3500»: vollautomatisch für kleine und mittlere Bauteile

Als Erstes ein Blick auf die kleinere «FFZ Heller HF 3500»: Herzstück der modular erweiterbaren flexiblen Fertigungszelle (FFZ) für kleine und mittlere Bauteile ist die Heller HF3500. Gefertigt werden auf der HF 3500 Stahl, Aluminium und einige High-End-Komponenten aus Titan. Die meisten Bauteile, die bei der Spühl AG auf der «FFZ Heller HF 3500» gefertigt werden, sind kleinere Bauteile bis 100 mm Kantenlänge. Die Losgrössen sind eher klein (1–10). Selten werden grössere Lose bearbeitet, was Einfluss auf die Art der Automatisierungslösung hat, wie Patrick Jung aufzeigen wird. Wichtig ist, dass es sich bei den Rohteilen um fertig gesägte, einfache kubische Bauteile handelt, die mittels Zentrischspanner auf Nullpunktspannsystem einfach und schnell extern von den Mitarbeitenden gerüstet werden können.

Warum die Wahl auf das 5-Achsen-Horizontal-Bearbeitungszentrum «Heller HF 3500» fiel, erklärt Patrick Jung so: «Wir wollen alle Bauteile – vom einfachsten bis zum 5-Achsen-Simultanteil – möglichst in einer Aufspannung fertig bearbeiten. Unsere Toleranzanforderungen liegen bei IT5. Das ist auf der Heller HF 3500 bis hin zu mittelgrossen Bauteilen prozesssicher und automatisiert machbar. Apropos prozesssicher: Auch beim Thema Spänemanagement ist ein horizontales BAZ aufgrund des Spänefalls gegenüber einem vertikalen BAZ im Vorteil. Ein weiterer Vorteil der horizontalen Bauweise ist, dass sehr lange Werkzeuge von bis zu 500 mm Länge eingesetzt werden können.»

Welche Automationslösung ist die richtige für die Heller HF 3500?

Bei der Automationslösung unterscheidet Patrick Jung zwischen drei verschiedenen Automationssystemen:

• Aufspannung auf Würfel oder direkt auf Paletten. «FFZ Heller FP 14000»

• Schraubstockbeladung mit Nullpunktspannung. «FFZ Heller HF 3500»

• Roboterbeladung durch Werkstückhandling in einen hydraulischen Automatikschraubstock.

Alle drei Varianten haben ihre Stärken und ihre Berechtigung, sagt Patrick Jung: «Bei der ‹FFZ Heller HF 3500› haben wir uns für die Variante 2 entschieden, inklusive eines in die Maschine integrierten Palettenwechseltisches für einen schnellen Werkstückwechsel. Jedes Rohteil wird manuell auf einem Zentrischspanner gespannt, der wiederum mit einem Nullpunktspannsystem kombiniert ist. Mit diesem System kann ich Kleinserien sehr effizient und prozesssicher bearbeiten. Variante 1, das Spannen per Würfel, ist die ideale Wahl für das grosse Bearbeitungszentrum. Und das Einlegen der Rohteile per Roboter stösst bei unseren vielen wechselnden Aufträgen und Serien an seine Grenzen: Die Programmierung des Roboters wäre zu aufwändig und fehleranfällig. Für grössere Serien wäre die Variante 3 die ideale Wahl.»

Automatisierung und Palettenspeicher von Erowa

Der Erowa-Palettenspeicher der «FFZ Heller HF 3500» verfügt derzeit über 50 ITS148-Paletten, die mit Zentrischspannern ausgerüstet sind. Ergänzt durch 14 Paletten 400 × 400 für grössere Werkstücke. Alle Paletten sind gechipt, so dass das Erowa-System das auf der Palette aufgespannte Werkstück identifizieren kann. Greift ein Bediener von aussen in das Palettensystem ein, wechselt beispielsweise eine Palette, fährt der Roboter – automatisch nach dem Öffnen der Tür – über alle Paletten und scannt die Chips. So weiss das System, welches Bauteil (Auftrag) sich an welcher Stelle befindet.

Die Paletten werden vom Roboter auf den Palettenwechseltisch geladen, der integraler Bestandteil des «Heller HF 3500» ist. Der Heller-Palettenwechseltisch sorgt mit einer 180°-Drehung für eine extrem schnelle Be- und Entladung des Werkzeugmaschinenraums, wie Christoph Andris gegenüber dem SMM erklärt: «Mit dem Palettenwechseltisch erreichen wir bei einem Werkstückwechsel Span-zu-Span-Zeiten von 12 Sekunden, bei Losgrösse eins. Das ist ein hervorragender Wert. Bei typischen Werkstücklaufzeiten von fünf bis zehn Minuten und einer Werkstückwechselzeit von 12 Sekunden arbeitet die Anlage hoch wirtschaftlich.»

Weiter entkoppelt der Palettenwechsler die Maschine vom Robotersystem. Die Vorteile liegen auf der Hand: Dadurch können mehrere Maschinen an die Automation angeschlossen werden, ohne die Wirtschaftlichkeit der Anlage durch Wartezeiten zu gefährden. Ein Eingriff in den Arbeitsraum der Maschine ist auch bei laufender Automation möglich.

Werkzeugdaten: Balluff-Werkzeuge

Kernelement eines flexiblen Fertigungssystems ist die durchgängige Digitalisierung, zu der auch die Werkzeugaufbereitung gehört. Patrick Jung: «Die Werkzeuge werden auf Werkzeugvoreinstellgeräten gerüstet und vermessen. Die gemessenen Werkzeugdaten sowie Stand- und Laufzeiten werden auf einen Chip im Werkzeughalter übertragen.

Der Prozessablauf auf der «FFZ Heller HF 3500»

Die «FFZ Heller HF 3500» produziert mannlos rund um die Uhr. Die Werkstückdaten der jeweiligen Aufträge sind im Chip der Erowa-Werkstückpalette hinterlegt und werden automatisch eingelesen und das entsprechende NC-Programm geladen.

Vorgehen bei sich wiederholendem Auftrag

Sind die Aufträge in der Vergangenheit bereits einmal gefertigt worden, kann der Prozess – vom Rohteil bis zum Fertigteil – bedienerlos durchlaufen werden. Die Erowa-Palette wird vom Roboter aus dem Palettenspeicher gegriffen und auf dem in die Maschine integrierten Palettenwechseltisch positioniert. Mit einer 180°-Drehung gibt er die fertig bearbeitete Palette zur Aufnahme durch den Roboter frei. Das in der Maschine befindliche Rohteil wird per Taster vermessen und auf korrekte Spannung geprüft.

Vorgehen Neuauftrag

Handelt es sich um einen neuen Auftrag, wird das erste Teil eingefahren. Bei einfacheren Teilen macht das der Maschinenbediener alleine. Bei komplexeren Teilen ist der CAM-Programmierer beim Einfahren dabei und bespricht die Fertigungsabläufe mit dem Maschinenbediener. Alle Änderungen werden direkt am CAM gemacht. So bleibt die Hoheit jederzeit beim CAM-System.

Erweiterung um weitere zwei Heller-BAZ

Dank des modularen Konzepts kann das FFZ von Heller zu einem komplexeren Flexiblen Fertigungssystem (FFS) ausgebaut werden, wie Patrick Jung sagt: «Unser Ziel ist es, das ‹FFZ Heller HF 3500› mit zwei weiteren HF 3500 zu einem Flexiblen Fertigungssystem (FFS) zu erweitern. Das ist eigentlich ganz einfach. Wir müssen lediglich die Erowa-Palettenlinie verlängern und zwei neue BAZ integrieren. Mit der Erweiterung werden wir die 4-Achs-Werkzeugmaschinen ersetzen.»

Teil 2

So weit der erste Teil dieses Berichts. Im zweiten Teil des Anwenderberichts gehen wir konkret auf die Flexible Fertigungszelle «FFZ Heller FP 14000» ein. Sie ist wie die «FFZ Heller HF 3500» eine autonom produzierende Fertigungseinheit mit einem Erowa-Palettensystem mit 10 Palettenplätzen, 12 Paletten und einem Rüstplatz für gross bauende Komponenten, wie Maschinenständer usw.

Spühl GmbH investiert in Flexible Fertigung

Flexible Heller-Fertigungszellen für kleine bis grosse Bauteile (Teil 2)

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