Vernetzte Fertigungsplattform für den Werkzeugbau Vom Inselsystem zur autonomen Produktion

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Als der deutsche Verbindungsspezialist Escha seinen Werkzeugbau digitalisierte, scheiterten viele Anbieter an ihrem starren Systemdenken. Das Rennen machte die Fehlmann AG aus Seon. Nicht nur wegen der robusten «Versa 945», sondern weil die Aargauer bereit waren, ihre High-End-Maschine kompromisslos in ein Gesamtsystem mit niederländischer Automation und deutscher Software zu öffnen. Ein Anwenderbericht darüber, wie Schweizer Kooperationsbereitschaft im Ausland zu 70 Prozent mehr Maschinenlaufzeit führt.

Seit über 40 Jahren entwickelt, produziert und vertreibt die Escha GmbH & Co. KG hochwertige Verbindungstechnik, Gehäusetechnik und spezielle Lösungen für anspruchsvolle Umgebungen mit hohen Schutzklassen wie IP67 bis IP69. Ob Sensor-/Aktor-Steckverbinder, Daten- und Leistungssteckverbinder, Ventilstecker, I/O-Module sowie kundenspezifische Verbindungslösungen und Kabelkonfektionen – Escha liefert die entscheidenden Schnittstellen für industrielle Anwendungen. Das reicht von Automatisierungstechnik und Maschinenbau über die Lebensmittelindustrie bis hin zur Bahn- und Verkehrstechnik oder erneuerbaren Energien.

Als technologisches Rückgrat der eigenen Fertigung betreibt Escha einen internen Werkzeug- und Formenbau. Hier entstehen die komplexen Spritzgusswerkzeuge, Vorrichtungen und Formeinsätze, die später die Grundlage für die Produktion von Millionen Steckverbindern bilden. Benjamin Unruh, Projektmanager bei Escha, beschreibt die Rolle der Abteilung in der Vergangenheit so: «Wir fertigen die Vorrichtungen und Formelemente für unsere Fertigung. Wenn wir vom Kunden sprechen im Werkzeugbau, war das bisher eigentlich immer der interne Kunde.» So sorgt der Werkzeugbau dafür, dass Escha flexibel auf Marktanforderungen reagieren und sowohl Standardprodukte als auch kundenspezifische Lösungen wirtschaftlich realisieren kann.

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Handlungsbedarf im Werkzeugbau

Die bestehenden Fräsprozesse im Werkzeug- und Formenbau konnten die Anforderungen von Escha jedoch immer weniger erfüllen. Die beiden älteren HSC-Fräsmaschinen bearbeiteten im Mischbetrieb ein breites Materialspektrum – von technischen Kunststoffen und Graphit über Kupferwerkstoffe und Aluminium bis hin zu Werkzeugstählen und Edelstahl. Die auf hohe Drehzahlen ausgelegten Spindeln waren zwar ideal für Finishing-Aufgaben, erwiesen sich bei anspruchsvolleren Zerspanprozessen jedoch als wenig leistungsfähig.

Zusätzliche Herausforderungen ergaben sich bei der Prozesssicherheit. Späne blieben aufgrund unzureichender Kühlschmierung häufig an Bauteilen und Spannmitteln haften. Dies führte immer wieder zu Störungen im automatisierten Handling bis hin zu Roboterkollisionen. Gleichzeitig mussten Bearbeitungsprozesse verlangsamt werden, um Werkzeugbrüche zu vermeiden. Lange Werkzeugwechsel- und Reinigungszeiten reduzierten die Produktivität zusätzlich. Kleine Werkzeugmagazine, begrenzte Werkstückabmessungen und eine geringe Palettenkapazität erschwerten lange autonome Laufzeiten.

Neben den technischen Herausforderungen bestand auch organisatorischer Handlungsbedarf. «Werkzeugverwaltung und Fertigungsplanung basierten weitgehend auf manuellen Prozessen. Wir hatten eine regelrechte Excel-Landschaft», erinnert sich Unruh. «Werkzeugdifferenzen wurden einmal am Tag berechnet und wenn danach noch etwas reinkam, musste der Auftrag eben warten.»

Klare Anforderungen statt Bauchgefühl

Für Escha stand von Beginn an fest, dass das Projekt deutlich grösser werden würde als der reine Austausch einer Fräsmaschine. Gesucht wurde eine durchgängige digitale Prozesskette – vom Auftragseingang bis zur fertigen Komponente. Deshalb entstand zunächst eine umfassende Digitalisierungsstrategie für den Werkzeugbau. Ziel war es, sämtliche Prozesse transparenter, standardisierter und datenbasiert steuerbar zu machen. So führte Escha Ende 2021 das MES- und Leitsystem mit Tool- und Jobmanagement von «Evomecs» ein. Parallel dazu entstand ein detailliertes Lastenheft für das Projekt «BAZ 2.0» mit zahlreichen technischen Anforderungen an Maschine, Automation und digitale Integration. Schliesslich wusste Escha genau, an welchen Stellen die bisherigen Prozesse Defizite hatten.

Die Zielsetzung war dabei klar formuliert: Die Reparaturkosten sollten um 70 Prozent sinken, die Prozesssicherheit deutlich steigen und die Bearbeitungszeiten pro Bauteil um rund 30 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig sollte eine weitgehend autonome Fertigung mit langen unbeaufsichtigten Laufzeiten ermöglicht werden. Ein weiteres wichtiges Kriterium war die Einbindung in das Leitsystem «Evomecs».

Fehlmann «Versa 945» als flexibler Allrounder

Nach intensiver Marktanalyse fiel die Entscheidung schliesslich auf das «Versa 945» Bearbeitungszentrum von Fehlmann zusammen mit einer abgestimmten Automationslösung von Gibas. «Die Fehlmann-Lösung hatte mit 94 Prozent den höchsten Erfüllungsgrad unserer Anforderungen», erklärt Benjamin Unruh. «Zudem wussten wir bereits aus der Vergangenheit, dass wir uns bei Fehlmann sowohl auf die Technik als auch den Service verlassen können.» Denn seit vielen Jahren arbeitet Escha schon mit einer Fehlmann «Picomax 56» als Stand-alone-Maschine. Besonders positive Erfahrungen beim Service hatten dabei früh Vertrauen geschaffen. «Man kauft nicht nur die Hardware», betont Benjamin Unruh, «man kauft auch Service und Vertrauen mit.»

Technisch passte die «Versa 945» sehr gut zum Anforderungsprofil. Die Maschine kombiniert eine hohe Präzision mit robustem Drehmoment und eignet sich damit ideal für den Materialmix im Werkzeugbau von Escha. Anders als reine Hochgeschwindigkeitsmaschinen versteht Fehlmann die «Versa» bewusst als universelle Plattform für unterschiedlichste Bearbeitungsaufgaben. «Der Kunde braucht nicht immer das Rennpferd», beschreibt Alain Strebel, Vertriebsleiter Deutschland/Nord-Europa bei der Fehlmann AG, die Maschinenphilosophie. «Oft braucht er eher den Galopper – also eine Maschine, die viele unterschiedliche Disziplinen zuverlässig beherrscht.»

Hohe Stabilität und Präzision vereint

Die bei Escha installierte «Versa 945» kombiniert eine Spindeldrehzahl von 24 000 min^-1 mit einem Drehmoment von 74 Nm und deckt damit ein extrem breites Werkstoffspektrum ab. Ein Highlight ist das integrierte Abrasiv-Paket. Es schützt die Führungen effektiv bei der Bearbeitung der hochabrasiven Kunststoffe.

Auch konstruktiv unterscheidet sich die «Versa 945» von den bisherigen Anlagen. Statt einer klassischen Gantry-Bauweise setzt Fehlmann auf eine Portalstruktur mit entkoppelten Achsen. Das geschlossene Portal nimmt Bearbeitungskräfte besonders effektiv auf und sorgt für eine hohe Steifigkeit der gesamten Maschine. «Die Portalbauweise gibt uns genau die Kombination aus Stabilität, Präzision und Flexibilität, die wir für unseren Werkzeugbau brauchen. Dadurch können wir unterschiedlichste Werkstoffe und Bauteilgrössen auf einer Maschine zuverlässig bearbeiten», fasst Benjamin Unruh zusammen.

Neben den Leistungsdaten spielte auch die Automatisierungsfähigkeit der Maschine eine zentrale Rolle. Die «Versa 945» wurde von Beginn an für den automatisierten Betrieb entwickelt und bietet dafür zahlreiche konstruktive Vorteile: Dank des separaten Zugangs für die Automation kann der Bediener von vorne jederzeit Werkzeuge rüsten oder den Prozess überwachen, während der Roboter von der Seite die nächste Palette vorbereitet. Mit 256 Werkzeugplätzen im Regalmagazin sind die Kapazitätsprobleme für die «Light-Out»-Produktion kein Problem mehr. Mit der 80-bar-Innenkühlung werden Späne direkt dort bekämpft, wo sie entstehen. Das sorgt für stabile Prozesse und verhindert die gefürchteten Werkzeugbrüche.

Flexible Fertigungszelle für den autonomen Betrieb

Fehlmann arbeitet seit vielen Jahren eng mit dem niederländischen Automatisierungsspezialisten Gibas zusammen. «Aufgrund der Anforderungen von Escha an Flexibilität, unterschiedliche Spannsysteme und die offene Integration des «Evomecs»-Leitsystems war für uns von Anfang an klar, dass Gibas unser Partner für die Automation sein würde», erklärt Alain Strebel. «Wir haben bereits viele gemeinsame Anlagen in den Niederlanden realisiert und wussten, dass Gibas offen für solche kundenspezifischen Lösungen ist.» Genau diese Offenheit war für Escha entscheidend. «Das war letztlich einer der wichtigsten Punkte», erinnert sich Benjamin Unruh. «Viele Wettbewerber wollten ihr eigenes System mitbringen. Sowohl Fehlmann als auch Gibas waren bereit, sich auf unser Konzept einzulassen und die komplette Anlage in die bestehende «Evomecs»-Umgebung einzubinden.»

Herzstück der Anlage ist eine zentral angeordnete Roboterzelle mit einem Fanuc-Roboter. Da die Bauteile von kleinen Elektroden bis hin zu grossen Formplatten mit Werkstückkonturen reichen, musste die Automation entsprechend flexibel ausgelegt sein. So kann die Anlage gleichzeitig drei unterschiedliche Spannsysteme – ITS50, ITS148 und UPC320 – verarbeiten. Insgesamt stehen 100 ITS-Plätze sowie zwölf UPC-Plätze zur Verfügung.

Automation nach Mass statt Standardlösung

Weil Escha die Anlage mit grossen Schiebetüren für schnelles Be- und Entladen ausstatten wollte, musste sichergestellt werden, dass keine falsch positionierten Paletten in die Maschine gelangen. Die Lösung dafür ist ein optisches 2D-Code-System: «Der Roboter ist hierfür mit einem spezialisierten Barcode-Scanner sowie einem Lasersensor zur Anwesenheitsüberprüfung ausgestattet. Dieses System fungiert als kritisches Sicherheitsfeature. Vor jedem Transfer in die «Versa 945» scannt der Roboter die Palette in der Übergabestation ab und verifiziert die Identität sowie die korrekte Lage», erklärt Enrico Akkerman, CCO bei Gibas.

Ein weiteres wesentliches Element ist die integrierte Waschstation innerhalb der Automationszelle, die Gibas speziell für die Anforderungen von Escha entwickelte. Dazu Enrico Akkerman: «Herkömmliche industrielle Waschanlagen arbeiten meist mit thermischer Trocknung. Das ist jedoch für hochpräzise Werkzeugbauteile problematisch, da die Wärme zu Verzug an den Bauteilen führen kann. Deshalb arbeitet unsere Lösung bei Umgebungstemperatur und wird direkt durch das «Evomecs»-Leitsystem gesteuert. Je nach Material und Bauteilgeometrie wählt das System automatisch das passende Reinigungsprogramm aus.»

«Evomecs» als digitales Gehirn der Fertigung

Durch das MES- und Leitsystem «Evomecs» wurde aus der Fertigungszelle eine durchgängig vernetzte Produktionsplattform. Es steuert, überwacht und verknüpft nahezu den gesamten Werkzeugbau digital. «Das Ganze beginnt bei uns im Auftragsleitsystem», erklärt Benjamin Unruh. «Der Kunde platziert einen Auftrag und daraus entstehen automatisch die Tasks für die Fertigung. Sämtliche Prozesse – von der Konstruktion über CAM, Werkzeugmanagement und Fräsen bis hin zu Erodieren, Montage und Qualitätssicherung – werden zentral über «Evomecs» organisiert. Das System übernimmt die komplette Auftragssteuerung. Von der CAM-Programmierung über Werkzeugverwaltung und Maschinenbelegung bis hin zur Qualitätssicherung werden sämtliche Arbeitsschritte zentral koordiniert.»

Eine zentrale Rolle im neuen Fertigungskonzept spielt das digitale Werkzeugmanagement. «Evomecs» erfasst, verwaltet und überwacht die Werkzeuge automatisch inklusive ihrer Standzeiten. Dadurch weiss Escha jederzeit, welche Werkzeuge verfügbar sind, wie lange sie bereits im Einsatz waren und ob sie für kommende Aufträge ausreichen. Wie bei den Werkstücken werden auch die Werkzeuge per optischem 2D-Code identifiziert und automatisch in die Werkzeugbibliothek übernommen. In das Magazin gelangen sie über eine Schnellwechseltür.

«Um Werkzeugbruch zu vermeiden, gingen wir früher auf Nummer sicher und haben Werkzeuge frühzeitig gewechselt. Heute treffen wir Entscheidungen auf Grundlage realer Maschinendaten. Wir wissen jederzeit, welches Werkzeug wie lange gelaufen ist und welche Reststandzeit noch zur Verfügung steht. Das gibt uns deutlich mehr Sicherheit und Transparenz im gesamten Fertigungsprozess», erklärt Benjamin Unruh.

Über 70 Prozent mehr produktive Maschinenlaufzeit

Mit der neuen Fertigungsplattform hat Escha seine ursprünglichen Ziele in vielen Bereichen übertroffen. Besonders sichtbar wird das bei den Maschinenlaufzeiten. Während die vorherige Lösung im Durchschnitt lediglich rund 8,75 Stunden produktive Laufzeit pro Tag erreichte, läuft die neue Anlage heute durchschnittlich etwa 15 Stunden täglich produktiv. «Das entspricht einer Steigerung von über 70 Prozent», freut sich Benjamin Unruh. «Und dabei sind die Laufzeiten heute viel stabiler und planbarer.»

Durch die stabile Kühlung, höhere Prozessstabilität und die digitale Werkzeugüberwachung konnten Werkzeugbrüche und Ausschuss signifikant reduziert werden. Gleichzeitig laufen die Werkzeuge wesentlich reproduzierbarer und verschleissärmer. «Wir fräsen heute deutlich gleichmässiger. Die Werkzeuge laufen kontrollierter. Wir haben weniger Verschleiss und dadurch stabilere Prozesse und eine bessere Bearbeitungsqualität.»

Der Werkzeugbau ist nun effizienter aufgestellt. Gleichzeitig verbesserte sich die Termintreue massiv – von zuvor etwa 55 Prozent auf heute rund 88 Prozent. «Die Prozesse sind heute wesentlich transparenter und besser planbar», sagt Unruh. «Dadurch können wir flexibler auf kurzfristige Änderungen reagieren. Und so haben wir auch begonnen, Aufträge von externen Kunden zu bearbeiten.»

Mitarbeiter frühzeitig eingebunden

Um den Übergang zur neuen Fertigungsplattform möglichst reibungslos zu gestalten, gab es ein vierstufiges Schulungskonzept. Zunächst erfolgte die Maschinenschulung an der «Versa 945». Anschliessend wurden die Mitarbeiter an der Gibas-Automation geschult, bevor ein Intensivtraining für das «Evomecs»-Leitsystem folgte. In einer vierten Stufe vermittelte die Projektleitung schliesslich die speziell auf Escha zugeschnittenen Workflows und Prozessabläufe.

«Wir wollten die Mitarbeiter komplett mitnehmen», betont Benjamin Unruh. «Die hohe Akzeptanz der neuen Systeme ist aus meiner Sicht ein wesentlicher Erfolgsfaktor des Projekts. Denn erst das Zusammenspiel aus moderner Technologie und qualifizierten Mitarbeitern ermöglicht die stabile und weitgehend autonome Fertigung, die wir mit dem Projekt erreichen wollten.»

Gemeinsam zur vernetzten Fertigungsplattform

Entstanden ist eine durchgängig vernetzte Fertigungsplattform, in der Maschine, Automation und MES-System eng miteinander verzahnt arbeiten. Die Fehlmann «Versa 945» sorgt dabei für die erforderliche Präzision und Prozessstabilität, die Gibas-Automation ermöglicht lange autonome Laufzeiten und «Evomecs» verbindet sämtliche Prozesse zu einer zentral gesteuerten digitalen Prozesskette.

Entscheidend für den Projekterfolg war neben der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten vor allem die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten. Escha, Fehlmann, Gibas und «Evomecs» arbeiteten von Anfang an eng zusammen, um die technischen, organisatorischen und digitalen Anforderungen optimal aufeinander abzustimmen. Auch während der Inbetriebnahme und der anschliessenden Optimierungsphase wurden Herausforderungen partnerschaftlich gelöst.

Die Ergebnisse sprechen für sich: höhere Maschinenlaufzeiten, mehr Prozesssicherheit, eine deutlich verbesserte Termintreue und eine Fertigung, die heute wesentlich transparenter und flexibler arbeitet als zuvor. Durch die neue Fertigungsplattform und die geschaffenen Kapazitäten mit «Evomecs» und Fehlmann arbeitet der Werkzeugbau nun nicht mehr nur für die Escha eigene Produktion, sondern entwickelt sich inzwischen auch zunehmend in Richtung externer Kunden.

(neu)

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