Dass der Einsatz mehrerer preisgünstiger CNC-Werkzeugmaschinen in Zellen gegenüber der Verwendung teurerer Spezialmaschinen in „Done-in-one“-Konfiguration wesentliche Vorteile bieten kann, zeigt eine Studie der TU Darmstadt. Die am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) untersuchte Produktionszelle umfasste unter anderem zwei CNC-Bearbeitungszentren und eine CNC-Drehmaschine von Haas.
Das Forschungskonzept beruhte auf der Annahme, dass die Prinzipien der schlanken Produktion in gängigen Bearbeitungsabläufen von Fertigungsunternehmen jeder Größe nicht umgesetzt wurden. In der Montage und Prozesssteuerung, insbesondere bei der Serienfertigung im Automobilsektor, findet das Fluss-Prinzip als zentrale Komponente der schlanken Produktion bereits umfassend Anwendung. Jedoch wird es in der maschinellen Bearbeitung noch nicht häufig mit Erfolg durchgesetzt und ist in Europa generell nur selten anzutreffen.
Bei der Zellenfertigung geht es im Prinzip darum, heterogene Anlagen, in diesem Fall CNC-Werkzeugmaschinen, zu Gruppen zusammenzufassen, um eine Familie oder Gruppe ähnlicher Teile zu fertigen. Bei diesem Konzept werden die Maschinen für gewöhnlich in U-Form angeordnet, um den Fluss der zu bearbeitenden Teile synchron zur Taktzeit zu steuern, d. h. zur durchschnittlichen Produktionszeit, die benötigt wird, um den Bedarf des Kunden zu erfüllen.
Um die potenziellen Vorteile nachzuweisen, wurde an der Prozesslernfabrik CIP (Center für industrielle Produktivität) des PTW eine Referenz-Produktionslinie in Zellenkonfiguration aufgebaut. Die „Done-in-one“-Linie umfasste zwei hochspezialisierte Werkzeugmaschinen, genauer ein horizontales CNC-Bearbeitungszentrum mit 4 Achsen und Spannwürfel sowie ein automatisches CNC-Mehrachsen-Drehzentrum.
Die konkurrierende Linie wurde als Bearbeitungszelle eingerichtet. Sie bestand aus zwei 3-Achsen-Bearbeitungszentren Super Mini Mill 2 und einer 2-Achsen-CNC-Drehmaschine SL-10 von Haas sowie aus zwei universellen CNC-Bearbeitungszentren und einer CNC-Drehmaschine eines anderen Herstellers. In der Studie wird festgestellt, dass sich die Investition für die beiden Maschinen in der „Done-in-one“-Linie auf insgesamt 780 000 Euro belief, während die sechs CNC-Werkzeugmaschinen in der Zellenkonfiguration nur 340 000 Euro kosteten.
Der Vergleich der Wirtschaftlichkeit der beiden Konfigurationen auf Grundlage von 2000 Teilen pro Woche und einem Arbeiter an jeder Fertigungslinie ergab erstaunliche Ergebnisse: Die „Done-in-one“-Linie benötigte 15 Schichten, um die 2000 Teile zu fertigen. Die Rüstzeit betrug 35 Minuten, während die Stückkosten der einzelnen Teile ohne Material mit 3,95 Euro errechnet wurden. Bei der Zellenkonfiguration waren dagegen nur 12,6 Schichten erforderlich, um die 2000 Teile nach gleichen Spezifikationen fertigzustellen. Die Rüstzeit verringerte sich auf 10 Minuten, die Stückkosten sanken auf 2,55 Euro.
In einem alternativen Szenario mit zwei Arbeitern in der Bearbeitungszelle stiegen die Stückkosten bedingt durch die zusätzlichen Arbeitskosten geringfügig auf 3,10 Euro an. Damit lagen sie aber immer noch unter den 3,95 Euro der „Done-in-one“-Linie. Dafür verkürzten sich die 12,6 auf 9,8 Schichten und die Rüstzeit von 10 auf nur 7 Minuten. Bei einem Kapazitätsvergleich auf Grundlage von 15 Schichten produziert die „Done-in-one“-Linie 2000 Teile, die Zelle mit einem Arbeiter 2377 Teile (ein Anstieg um 19 %) und die Zelle mit zwei Arbeitern 3064 Teile, was einer Steigerung um 29 % entspricht.
In allen Fällen hat die Studie sichergestellt, dass die Genauigkeit und Qualität der Teile gewährleistet waren und dass die preiswerteren universellen Maschinen in der Lage waren, einen ähnlich hohen Standard zu produzieren wie die Spezialmaschinen.
Beim Vergleich der beiden Konzepte könnten auch die zukünftigen Kosten mit berücksichtigt werden. Falls die Produktionslinie vergrößert werden muss, sind die Kosten für die Einbindung einer neuen Maschine in die Zelle aufgrund des großen Unterschieds in den Anschaffungskosten erheblich geringer als bei der „Done-in-one“-Linie.
Der Bericht der TU Darmstadt unter dem Titel „Cellular Manufacturing to enable Lean Machining“ wurde von Stefan Seifermann, Jörg Böllhoff, Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele und Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Universität erstellt. Mitautor war Dr. Sven Bechtloff, der in der Zwischenzeit die Universität verlassen hat.
Haas Automation www.haascnc.com
PTW der TU Darmstadt www.ptw.tu-darmstadt.de
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