Kürzere Produktlebenszyklen und steigende Kunden-Individualität – diesen Herausforderungen wird in Produktionsprozessen mit der sogenannten 4. Industriellen Revolution begegnet. Um den sich ändernden Anforderungen in Endprodukten kurzfristig entsprechen zu können, müssen auch Produktions­anlagen und Maschinen schneller verfügbar sein. „Für uns als Anlagen- und Maschinenbauer im internationalen Wettbewerb liegt eine der wesentlichen Herausforderungen darin, Durchlaufzeiten respektive Lieferfristen signifikant zu reduzieren“, erklärt Alexander Goebels, Leiter der Produktionsplanung der SMS group im Werk Mönchengladbach. Damit bringt er eine der zentralen Zielsetzungen für die im Jahr 2010 begonnene umfassende Modernisierung der Fertigung auf den Punkt. Die SMS group ist ein weltweit agierender Systemanbieter von Anlagen, Maschinen und Services entlang der metallurgischen Wertschöpfungskette; die Geschäftsfelder reichen von Stranggießanlagen und Walzwerken bis zu Anlagen für die Stahlwerk-, Rohr- und Schmiedetechnik.

„Wir gehen eine Vielzahl kleiner und größerer Schritte auf dem Weg zu In­dustrie 4.0“, erklärt Alexander Goebels. Einer dieser Schritte ist die höhere ­Flexibilität in der Eigenfertigung, sprich der Produktionsplanung in Bezug auf eine flexible Maschinenbelegung. Eine Schlüsselkomponente im neuen Organisations- und Automatisierungskonzept ist die übergreifende Werkzeugverwaltung auf Basis von ‚Tool-ID‘ von Balluff, das die Werkzeug-Identifikation mittels Industrial RFID erledigt. Statt der früher praktizierten manuellen Datenerfassung – etwa zu Standzeiten von Werkzeugen über Notizzettel oder Papier-Labels an den Werkzeugen – sind alle werkzeugrelevanten Daten wie Identität, Hersteller, Duplonummer, Schneidengeometrien und Werkzeugstandzeiten berührungslos auf einem Datenträger im Schaft des Werkzeuges gespeichert. Der Anwender bringt das Werkzeug zur Maschine, legt dieses in die Werkzeugaufnahme ein und liest die Daten automatisch über die Tool-ID-­Lösung in die Maschinensteuerung ein.

60 Mio. Euro Investitions­volumen

Ziel des Projektes bei SMS zur kompletten Modernisierung der Produktion ist die Steigerung der Produktivität ­sowie die Reduzierung der Liefer­zeiten und letztlich auch die lang­fristige Sicherung der Arbeitsplätze am Standort Mönchengladbach. Vom Investitionsvolumen in Höhe von über 60 Mio. Euro floss weit über die Hälfte in einen hochmodernen Werkzeug­maschinenpark zur Produktion von Anlagenkomponenten für den Schwermaschinenbau von SMS. Innerhalb von knapp über drei Jahren wurden parallel zum laufenden Betrieb alle Maschinen ausgetauscht und ein neuer Großmaschinenpark installiert.

Vorbereitete Werkzeuge in der Werkzeug-Voreinstellung im SMS-Werk Mönchengladbach. Insgesamt gibt es rund 10.000 technologisch und geometrisch unterschiedliche Werk­zeuge, die ohne RFID-Technologie nur schwierig zu handeln wären.

© Balluff

Auf Bohrwerken, einem Doppelbohrwerk mit zwei Fahrständern und kombi­nierbaren Mehrfachtischen, Portalmaschinen, Karusselldrehmaschinen und Flachbett-Drehmaschinen mit bis 21 m Verfahrweg werden heute beliebig komplexe Bauteile aus Stahl und vergütetem Stahl mit bis zu 200 t Werkstückgewicht gefertigt. Dabei handelt es sich in der Regel um Einzelteile oder maximal Kleinstserien bis zehn Stück, die oft viele Stunden oder manchmal sogar mehrere Wochen ­ununterbrochen auf einer Maschine laufen.

„Alle Maschinen sind in eine durchgängige Umfeld-Organisation mit ­zentraler NC-Programmierung in der Arbeitsvorbereitung und dezentral angeordneten PC-Stationen zur Betriebsdatenerfassung und NC-Programm-Simulation via ‚Exapt‘ eingebunden“, erklärt Judith Schmitt, Betriebsleiterin der mechanischen Fertigung. Exapt ist das von SMS genutzte Werkzeug- und Produktionsdatenmanagement. Eine übergeordnete Fertigungssteuerung erarbeitet die höchstmögliche Auslastung der Maschinen. Zum Gesamtsystem gehört auch eine zentrale Werkzeug-Voreinstellung, von der aus alle Maschinen versorgt werden.

Die Werkzeugversorgung der Bearbeitungsmaschinen erfolgt größtenteils vollautomatisch, wie etwa im Kern der Fertigung mit vier Bearbeitungszentren und angegliedertem Hochregallager für die Werkstückpaletten-Automation. „In diesem Fertigungsbereich liegt die Bearbeitungsdauer der Bauteile im Durchschnitt bei zwei Stunden pro Spannung, wobei oft 70 bis 80 verschiedene Werkzeuge benötigt werden“, erklärt Ale­x­ander Goebels. Ein Highlight im ­Hochregallager ist das hier integrierte Shuttle-System zur vollautomatischen Versorgung der Bearbeitungszentren mit Werkzeugen. Die vorbereiteten Werkzeuge werden von einem Shuttle zu Zwischenablagen an den Bearbeitungszen­tren gebracht. Von dort übernimmt ein zweiter Shuttle die einzelnen Werkzeuge und führt sie synchron zur laufenden ­Bewegung der jeweiligen Fahrständermaschine mit, so dass das Werkzeug-Handling der Maschine die Werkzeuge während der Hauptarbeitszeit quasi fliegend übernehmen kann. Die Rückgabe der Werkzeuge erfolgt auf gleichem Weg. So sind laut Goebels allein in diesem Bereich – einschließlich der jeweils 120 Magazinplätze in den vier Maschinen – immer rund 1000 aktiv auftrags­bezogene Werkzeuge im Umlauf.

10.000 Werkzeuge

Kernkompo­nente der teils vollauto­matisierten Werkzeugversorgung der Bearbeitungsmaschinen ist die Werkzeug-Identifikation “Tool-ID” von Balluff.

© Balluff

„Im gesamten Werk verwalten wir etwa 10.000 technologisch und geometrisch unterschiedliche Werkzeuge, die jeweils einzeln oder nach Bedarf auch mehrfach vorhanden sind“, ergänzt Peter Sosnitzka, verantwortlich für die Werkzeug-Voreinstellung. In seinem Bereich werden alle Werkzeug-Komponenten vorgehalten und generell sämtliche Werkzeuge vorbereitet. Hier werden die relevanten Werkzeug-Parameter direkt beim Vermessen berührungslos auf den RFID-Datenträger im Werkzeughalter übertragen. Gleichzeitig werden die Daten in das Werkzeug- und Produktionsdatenmanagement ‚Exapt‘ übergeben, das von der Werkzeug-Erfassung über die Verwaltung bis zum Fertigungsein­satz die gesamte Prozesskette abdeckt.

Das Tool-ID-System sorgt dafür, dass alle benötigten Werkzeugdaten an jedem Einsatzort, einschließlich der in den Maschinen zurückgeschriebenen Standzeiten, korrekt und stets aktuell zur Verfügung stehen. Die fehlerfreie, elektronische Datenübermittlung via RFID-Schreib-/Lesegeräte an allen Übergabestellen respektive Maschinen ist vor allem in den Fertigungsbereichen von großer Bedeutung, wo Werkzeuge manuell übergeben werden. Dies kann in Werkzeug-Magazinen von Maschinen oder in angegliederten Magazin­systemen geschehen, in denen zusätzliche Industrieroboter die Werkzeuge handeln.

Projektziel erreicht

In der Werkzeug-Vorein­stellung werden alle Werkzeug­parameter auf den Balluff-Daten­träger übertragen.

© Balluff

„Eine der größten Herausforderungen während der gesamten Projektphase war die Modernisierung der Infrastruktur und das Einrichten sowie Hochfahren der neuen Maschinen in die vorhandene und voll laufende Produktion“, resümiert Wilhelm Plaßwilm, Meister der Elektro-Instandhaltung. Währenddessen musste für kurze Zeit mit manueller Werkzeugverwaltung gearbeitet werden – wofür mehr als das Dreifache an Arbeitszeit gebraucht wurde.

Pluspunkte der Werkzeugverwaltung mittels ‚Tool-ID‘ sind die unverwechselbare Datenzuordnung zu jedem Werkzeug auf dem fest montierten RFID-Datenträger sowie die fehlerfreie Übermittlung der Parameter beim Werkzeugwechsel. Ein weiterer Vorteil ist die optimale Standzeit-Ausnutzung der Werkzeuge. Und auch wenn das Einsparpotenzial daraus bei SMS nicht explizit beziffert ist, so sorgen doch kontinuierliche Kontrollen und das Rückschreiben der Laufzeiten auf den Datenträger dafür, dass rechtzeitiges Nachschleifen beziehungsweise das Austauschen von Wendeschneidplatten oder Werkzeugen gesichert ist und ein vorzeitiges Aussondern verhindert wird. Damit verringern sich die Werkzeugkosten und der Lagerbestand lässt sich exakt an den Bedarf anpassen. Letztlich ist es durch die Modernisierung gelungen, die Lieferzeiten zu halbieren.

Autor: John Großpietsch ist freier Fachjournalist in Zell am Harmersbach.