Fertigungskapazität erhöht Kapazität erhöht mit Flexibilität und Qualität

Von Anne Richter

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Bystronic hat zusammen mit Emco die Bearbeitung der Maschinenrahmen neu konzipiert. Mit der Hochportalfräsmaschine Megamill von Emco Mecof konnte der Output erhöht werden, um dem gestiegenen Bedarf sowie den hohen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden.

Universalfräskopf mit stufenloser Positionierung, Luft-/Ölschmierung, wassergekühlt, Leistung: 38 kW, Drehmoment: 1000 Nm, Max. Drehzahl: 8000 U/min, HSK 100-A.
Universalfräskopf mit stufenloser Positionierung, Luft-/Ölschmierung, wassergekühlt, Leistung: 38 kW, Drehmoment: 1000 Nm, Max. Drehzahl: 8000 U/min, HSK 100-A.
(Bild: Emco)

Ein sauber strukturierter Produktionsprozess, mit exakt eingetakteten Fertigungsabläufen und zuverlässig arbeitenden Fertigungssystemen, ist eine der Hauptvoraussetzungen für Produktivität und Lieferbereitschaft im Werkzeugmaschinenbau. Erreichbar ist dies nur, wenn Kunde und Lieferant in der Produktionskette gemeinschaftlich zielgerichtet Projekte angehen.

So geschehen bei der Bystronic Laser AG in Niederönz im Projekt einer neuen Fertigungslinie bei der Bearbeitung von Maschinenrahmen für Laserschneidmaschinen. Die Bystronic Laser AG ist ein weltweit führendes Technologieunternehmen im Bereich Blechbearbeitung, speziell bei Laserschneidsystemen. Zusammen mit der Emco GmbH aus Hallein bei Salzburg in Österreich wurde die Bearbeitung der Maschinenrahmen neu konzipiert und konnte jetzt durch die Hochportalfräsmaschine Megamill von Emco Mecof voll übernommen werden.

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Fertigungskapazität erhöhen, Pendelbetrieb ausschlaggebend

«Die Stückzahlen an Maschinenrahmen waren derartig gestiegen, dass ich mit meiner vorhandenen Fertigungskapazität nicht mehr zurechtkam. Wir suchten daher eine neue Maschine, die den Output hat, unsere hohen Qualitätsanforderungen zu erfüllen, und flexibel einsetzbar ist», so die Aussage von Raphael Kopp, Leiter der Fertigung bei der Bystronic Laser AG. Raphael Kopp hatte klare Vorstellungen von dem, was die «Neue» mitbringen musste, nämlich hohe Produktionsstückzahl pro Monat, eine perfekte Genauigkeit beim Ebenenfräsen der Führungsflächen im Maschinenrahmen (Ebenheit von 0,05 mm auf einer Führungsbahnlänge von 3–4 m) und Flexibilität beim Einsatz an verschiedenartigen Baugruppen. Vor allem musste auch die Dimension des Maschinentisches ausreichend gross sein, denn die Systembaugruppen an den Laserschneidanlagen erfordern den entsprechenden Platz.

Die Suche am Markt begann und neben Herstellerbesuchen und der Begutachtung von Testbearbeitungen war nach nicht mal vier Monaten klar, dass die neue Maschine eine Megamill von Emco Mecof sein soll. In enger Abstimmung wurden in dieser Zeit die wichtigen Randbedingungen für den Kauf der Maschine definiert und geprüft sowie die Machbarkeit nachgewiesen. Zur Kaufentscheidung meint Raphael Kopp: «Ausschlaggebend war sicher der Pendelbetrieb, d. h., auf dem Maschinentisch können wir jetzt zwei Werkstücke spannen, eines wird bearbeitet, das zweite wird parallel dazu eingelegt, ausgerichtet und gespannt. Ist Teil eins fertig, fahren wir mit dem Fräskopf auf die zweite Tischhälfte und starten den neuen Job. Die Maschine bleibt sozusagen ‹im Span›.»

Fertigungsprozess «just-in-time»

Die Anforderungen an den Fertigungsdurchlauf bei Bystronic sind hoch. Die Herstellzeit für eine Laserschneidmaschine vom automatisierten Schweis­sen des Maschinenrahmens über das Fertigen, Lackieren, Montieren, Qualitätsprüfen, Inbetriebnehmen bis zur Versandbereitschaft liegt bei 15 Arbeitstagen. Allein die Fertigung eines Maschinenrahmens bis zum lackierten Bauteil muss in fünf Arbeitstagen getätigt sein. Dabei wird an der Megamill in drei Schichten gearbeitet, wobei eine Schicht unbemannt läuft. Die Maschinenrahmen, in fünf unterschiedlichen Grössen vorhanden, mit einem Gewicht von ca. 5 t werden in 12 bis 16 Stunden in einer Aufspannung fertig bearbeitet.

Die Komplettbearbeitung läuft in drei Schritten ab:

  • Schruppen: Fertigungszeit ca. 5 Stunden; zwischenlüften der Teilespannung um Bauteilspannungen zu eliminieren.
  • Vorschlichten: Setzen aller Merkmale, Bohrungen, Gewinde etc.
  • Schlichten: Hochgenaues Bearbeiten der Führungsflächen (Ebenheit von 0,05 mm / 4 m) und Bezugsmasse.

Die Fertigung muss prozesssicher sein, denn Störungen und Fehler, längere Maschinenstillstände von mehr als einem Tag können bei diesem umfangreichen Fertigungsspektrum erhebliche Kosten verursachen, und eine Lagerhaltung von schon fertig bearbeiteten Maschinenrahmen gibt es nicht. Prozessschritte müssen deshalb immer «just-in-time» ablaufen.

Megamill – Fräszentrum für die Bearbeitung grosser Werkstücke

Die Megamill ist ein Hochportalfräszentrum mit oben liegender Gantry, prädestiniert zur Bearbeitung grosser Werkstücke für Anwendungen z. B. im Werkzeug- und Formenbau, im allgemeinen Maschinenbau und in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Maschine kann mit ihren Systembaugruppen kundenspezifisch konfiguriert werden. Hier bei Bystronic ist sie mit einer Tischlänge (X-Achse) von 15 000 mm und in der Querachse (Gantry-Y-Achse) von 5000 mm ausgeführt. Der Z-Schieber (RAM) macht einen Weg von 1750 mm. Bystronic hat sich für einen Universal-Fräskopf aus dem sehr umfangreichen Fräskopf-Sortiment bei Emco Mecof entschieden. Auch deswegen, weil der 2-achsige Kopf mit einem Drehmoment bis 1000 Nm und 8000 rpm genau die Fertigungsanforderungen beim Schruppen und Schlichten erfüllt und aufgrund seiner kompakten Form die komplexen Zugänglichkeiten an der Rahmenkontur problemlos anfahren kann. Dynamisches Anfahren der Positionen spart Zeit bei einer 16-stündigen Bearbeitung.

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«Ein schneller Eilgang in den Achsen und die Dynamik im Fräskopf bringen uns zählbare Einsparungen in der Bearbeitungszeit, gerade wenn wir am Bauteil mehr als 50 Bohrungen anfahren müssen», stellt Raphael Kopp fest. Auch die Zahnstangenantriebe in X- und Y-Achse, ausgestattet mit je zwei Motoren, die im Master-Slave-Verband angesteuert werden, bringen Dynamik in den Prozess. Ein Highlight ist natürlich die Pendelbearbeitung auf dem Tisch. Dabei sind die Arbeitsräume sicherheitstechnisch bzgl. Spänefall und Eingriffsmöglichkeit gegeneinander abgesichert. Auf der einen Seite wird gerüstet, während der Fräskopf auf der anderen Seite arbeitet. Die Megamill wird für diesen Anwendungsfall mit zwei Bedienpanels ausgerüstet, und zwar kann die Bedienperson auf beiden Seiten des Tisches eingreifen und spart damit unnötige Wegzeiten.

Die Box-in-Box-Bauweise des beweglichen Querträgers ist eine weitere Stärke der Maschine. Box-in-Box-Führung bedeutet, die Vertikalachse des RAM ist mit seinen 4-fach-Linearführungen an der oberen und unteren Seite des Querträgers «eingespannt». Diese steife, FEM-gerechnete Baugruppe garantiert die Einhaltung der hohen Anforderungen an die Werkstückqualität, wie sie beim Schlichten der Führungsbahnen am Maschinenrahmen gefordert ist. Die Maschine ist komplett gekapselt und mit einer Absauganlage ausgerüstet.

Inbetriebnahme mit Hindernissen

Planung des Projekts, mit Beginn im Jahr 2017, Konfiguration der Maschine und anschliessend der Bau der Maschine im Werk Emco Mecof in Belforte Monferrato liefen reibungslos. Aber dann kam die Anlieferung in Niederönz im Herbst 2018: mit 13 LKWs war die Maschine unterwegs zur Aufstellung und Inbetriebnahme in Niederönz. Dann wurde es problematisch, denn die neue Halle bei Bystronic war zwar geplant, aber noch nicht fertiggestellt und die Maschine musste gestellt werden. Wegen erschwerter Zugänglichkeit wurde ein Teil des Dachs der Halle abgedeckt und die Traverse von ca. 30 t über diese Öffnung auf die Längsträger aufgesetzt. Da war Präzision gefragt. Ein Teil der Maschine und das Werkzeugmagazin mit Wechsler standen im Freien. Gemeinsam wurden Lösungen erarbeitet. Um die freistehenden Teile der Maschine wurde eine separate Umhausung gebaut, damit eine Inbetriebnahme überhaupt möglich war. Dazu kam, dass gerade in dieser Zeit eine Stückzahlsteigerung nötig war, und diese musste quasi im «Notbetrieb» hochgefahren werden.

2-Achs-Universal-Fräskopf arbeitet effizient

Die Bearbeitungsköpfe werden bei Emco Mecof im eigenen Haus gebaut, ein wichtiger Faktor, wenn es um Genauigkeit in der Bearbeitung geht. Auch die Genauigkeit in der Verfahrbewegung der Achsen, beispielsweise das Umkehrspiel gegen Null zu realisieren, ist Emco Mecof eminent wichtig. Dieser Anspruch der Realisierung maximal möglicher Genauigkeit an der Maschine ist ein Hauptanspruch an die Emco-Mecof-Maschinen. Neben einer Vielzahl von Standardköpfen werden häufig innovative kundenspezifische Sonderlösungen realisiert, speziell in den Baureihen der grossen Portalmaschinen. In der Megamill-Baureihe sind Bearbeitungsköpfe mit integrierter Rundachse und Schwenkachse motorisch stufenlos verstell- und regelbar und mit einer Getriebe- oder auch Hochgeschwindigkeitsmotorspindel verfügbar. Durch die intelligente Auslegung der Kopfkonstruktion lässt sich in der Anstellung des Kopfes ein Unterschnitt von 15° realisieren, aber gleichzeitig auch eine horizontale Position (0°), lageparallel zur Tischfläche. Dies ist von Vorteil, da somit keine Kompensationswege in den Achsen gefahren werden müssen und die Programmerstellung und Postprozessorgenerierung einfacher sind. Die Bearbeitungsköpfe werden vom zentralen Kühlsystem versorgt, das ebenfalls für Spindel und Torque-Motoren da ist.

Für Bystronic war diese Kopfkinematik «Neuland». Die Kinematik der bisherigen Maschinen ermöglichte ein Programmieren der Arbeitsprogramme am Bedientableau. An der Megamill mit 2-Achs-Kopf war dies nicht mehr effizient. Zur Erstellung von optimalen Ablaufprogrammen musste ein CAM-Tool beschafft werden, dessen Implementierung von Emco Mecof tatkräftig unterstützt wurde. Koordinaten-Transformation, Fräskopfrückzugsabläufe – in all diesen Themen konnte Emco Mecof die jahrelange Kompetenz an den Kunden weitergeben.

Optimierungen für mannlose Bearbeitung im Team umgesetzt

Die Justierung und anschliessende Spannung des Maschinenrahmens auf dem Tisch der Maschine wurde bisher herkömmlich von Hand ausgeführt. Das Teil liegt dabei auf Auflageflächen, die auf dem Tisch gepratzt wurden. Ein Ablauf, der zeitaufwändig ist und schon bald bei Bystronic die Idee einer anderen Spannmethodik entstehen liess. Aus Erfahrungen mit der Magnetspanntechnik, die auch im Betrieb eingesetzt wird, wurde diese Technik auch auf die Spannung der Maschinenrahmen auf der Megamill umgesetzt. Dabei wird das Teil an den Enden vornivelliert, sodass es winklig auf dem Tisch positioniert ist. Danach wird die Magnetspannung über eine Keilverstellung in den Spannsegmenten an alle Auflagepunkte angefahren und gespannt. Aufwändiges Ausrichten und Spannen von Hand jedes Auflagepunktes entfällt. Besonders vorteilhaft und zeitsparend ist diese Methodik beim Zwischenlüften der Spannung nach dem Vorschruppen der Kontur, um innere Spannungen im Teil zu eliminieren. Dies kann jetzt die Steuerung an der Maschine erledigen. Ein Bedienvorgang ist nicht mehr nötig. Dazu hat Emco Mecof ein Ablaufprogramm geschrieben und in der Steuerung hinterlegt, was dann direkt über M-Befehl aufgerufen wird und den Entspannvorgang einleitet.

Die Bedienperson läuft jetzt nicht mehr alle Spannpunkte ab, löst die Pratzen und zieht sie danach wieder mit 200 Nm an, und zwar zwei Mal pro Teil. Dies bedeutet, in der mannlosen Schicht ist der Ablauf hochpräzise gewährleistet. Auch für eine Störung durch Bohrerbruch in diesem Zeitraum wurde eine praktikable Lösung gefunden. Die Maschine beendet die aktuelle Bearbeitung, fährt im Pendelbetrieb auf das daneben platzierte, gerüstete Teil und beginnt einen neuen Zyklus. Die Nacharbeit am gestörten Ablauf wird nachfolgend von Hand gemacht, denn hier ist es Bystronic sehr wichtig, dass ein Werkstück korrekt bearbeitet von der Maschine kommt. «Die sehr gute Kunden-Lieferanten-Beziehung, die wir im Projekt aufgebaut haben, konnten wir jetzt bei der Implementierung unserer neuen Idee – die Umstellung des Spannkonzepts auf Magnetspannung – voll nutzen. Professionell und partnerschaftlich haben wir zusammengearbeitet.» Raphael Kopp ist mit dem jetzigen Ablauf in der Produktion äusserst zufrieden. Seit Februar produziert Bystronic hier Teile mit der magnetischen Spannung und hat damit keine Probleme, aber erhebliche Rüstzeiten eingespart.

Die Bystronic Laser AG ist in der Zukunft angekommen

Die Geschäftsleitung, Fabian Furrer, setzt sich stark für die Bystronic-Zukunftsstrategien ein und formuliert es so: «Unser Anspruch ist, bis 2025 klimaneutral zu sein und komplett auf fossile Energien zu verzichten. Dies erreichen wir, indem Öl-, Gasheizungen abgeschaltet werden und mit Wärmepumpen gearbeitet wird, deren Strombedarf über PV-Anlagen gedeckt wird. Schon heute beziehen wir Strom aus Wasserkraft.» Die ökologische Verantwortung jedes Einzelnen für eine lebenswerte Umwelt bezieht er auch auf die Notwendigkeit, über Einsparungen im Energieverbrauch nachzudenken.

«Wir müssen auch unsere Produkte, beispielsweise die Laser-Schneidanlagen, energietechnisch optimieren, damit auch unser Kunde Einspareffekte erzielen kann.» Die Bystronic hat schon 2018 im Unternehmen einen neuen Bereich geschaffen, das Solution Center, in dem an den Produkten, in der digitalen Vernetzung des gesamten Produktionssystems im Betrieb des Kunden Lösungen erarbeitet werden. Das Ziel aller Innovationen, die hier entstehen, ist die Smart Factory. «Die Kunden stellen immer häufiger die Anfrage nach einer komplett vernetzten Fertigung, und das müssen wir leisten können», so die klare Aussage von Fabian Furrer.

Genau die richtige Maschine

Geschäfts- und Fertigungsleitung sind sich nach vier Jahren der Erfahrung in der Fertigung der Maschinenrahmen auf der Megamill einig: «Jetzt nach vier Jahren können wir ganz klar sagen: Die Megamill ist absolut genau die richtige Maschine für unsere Produktion», so das klare Statement von Fabian Furrer. Dabei betont er besonders, dass die Anforderungen, die an die Maschine gestellt wurden, voll erfüllt sind und sie auch zukünftig in der Umsetzung ihrer Ideen mit der Maschine sicher sehr gut arbeiten können. Dazu hat er schon konkrete Vorstellungen: «Wir haben Durchlaufzeiten optimiert, erreichen eine hohe Produktivität und fahren momentan 30–40% mannlos. Aber hier wird es weitergehen und wir werden die mannlose Produktion erweitern. Mit dieser Maschine ist das kein Problem.» -ari- SMM

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