Wie Unternehmen mittelgroße Serien wirtschaftlich fertigen

Viele Serienfertiger ähneln noch immer einem Manufakturbetrieb, der mit niedrigem Automatisierungsgrad kleine und mittelgroße Stückzahlen fertigt. Doch in Zeiten von Industrie 4.0 gilt gerade für Zulieferer von Bauteilen ein effektives Produktionsmanagement als Voraussetzung, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Es geht um kurze Reaktionszeiten und schnelle Bearbeitungsprozesse – und das alles natürlich vor dem Hintergrund, dass am Ende die Qualität stimmen muss.

Im Laufe der Jahre haben sich die Vorgaben für die Produktion immer wieder verändert: Galt vor einigen Jahren noch die Serienproduktion von großen Stückzahlen als Maß aller Dinge, so ging es in den letzten Jahren zunehmend darum, auch die Stückzahl 1 wirtschaftlich zu fertigen. Geschuldet ist dies den kürzer werdenden Produktlebenszyklen sowie der wachsenden Vielfalt an möglichen Produktvarianten. Das Produktionsumfeld, das sich in der Regel zwischen diesen beiden Extremen befindet, wird allerdings häufig noch zu wenig betrachtet. Dabei ergibt sich hier für viele Produktionsunternehmen eine interessante Marktchance, und zwar jenseits der großen Serienhersteller und Spezialisten für Losgröße 1.

Gemeint ist damit beispielsweise, dass über Stückzahlen zwischen 50 und 1.000 Stück nachgedacht wird. Diese können weder in einer Fertigung, die auf Großserien >10.000 optimiert ist, noch in Unternehmen, die auf Losgröße 1 spezialisiert sind, wirtschaftlich hergestellt werden. Allerdings ergeben sich auch in diesen Bereichen kontinuierliche Veränderungen und gerade die Anforderungen an Flexibilität und Geschwindigkeit werden immer höher.

Dabei bedeutet Flexibilität nicht einmal, dass sich das Produktspektrum sehr häufig ändert, sondern es geht um stark schwankende Losgrößen, die sich weder mit detaillierten Vorhersagen noch mit einer normalen Produktionsplanung erfassen lassen. Hier zeigt sich dann die Meisterklasse der Produktion darin, mittelgroße Serien flexibel innerhalb von wenigen Wochen komplett herzustellen.

Gerade dieses Können führt zu der Chance, sich von dem heutzutage globalen Wettbewerb abzusetzen, da ein wirtschaftlicher Transport über mehrere Kontinente immer auch Zeit kostet. Der lokale Hersteller kann hingegen durch seine Schnelligkeit und die Fähigkeit, flexibel zu reagieren, viele Vorteile generieren, um so am Ende den Zuschlag für den Auftrag erhalten.

Die Metallbau Nick GmbH arbeitet seit Jahren erfolgreich nach dieser Maxime und hat ihre Strategien dazu kontinuierlich verbessert. Ob laserbearbeitete Metallteile, Schweißbaugruppen oder Pulverbeschichtung – im Laufe seiner Entwicklung hat das Unternehmen eine fast lückenlose Fertigungstiefe erreicht. Kunden aus unterschiedlichsten Branchen erhalten bei Metallbau Nick alles kompetent und zeitnah aus einer Hand.

Um diese Flexibilität und Geschwindigkeit zu erreichen, muss die komplette Prozesskette optimiert und durchgängig sein. Dies beginnt bei einem leistungsfähigen ERP-System (Enterprise-Resource-Planning) und geht beispielsweise über in ein damit verbundenes geeignetes CAD/CAM-System, das den Prozessdatenverlauf im Unternehmen unterstützt. Diese Daten werden dann über das firmeninterne Netzwerk an die Maschinen verteilt.

Gleichzeitig kann die Auslastung und Verfügbarkeit der Maschinen überwacht und optimiert werden. Wichtig dabei ist, die Verfügbarkeit der Maschinen auch mit Hilfe vorbeugender Wartung (predictive maintenance) möglichst hoch zu halten und die Zahl ungeplanter Maschinenstillstände zu verringern oder im besten Fall zu vermeiden. So lässt sich festhalten: Jeder Schritt in der Prozesskette, der optimiert oder vielleicht sogar eliminiert werden kann, hilft am Ende, Bauteile schneller und flexibler herzustellen.

Um die optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen, ist der Einsatz moderner Techniken besonders wichtig. Betrachtet man beispielsweise die Entwicklungen in der Laserbearbeitung, haben sich in den letzten Jahren neue Lösungen hervorgetan, welche die Flexibilität und die Geschwindigkeit innerhalb des jeweiligen Prozesses stark verbessern. So bringt zum Beispiel der Einsatz von Faserlasern anstelle von CO2-Lasern gerade bei dünneren Blechen eine Verdoppelung der Schnittgeschwindigkeiten mit sich. Weiterhin ist diese neue Generation von Lasern auch energieeffizienter und hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Beides führt zu höheren Kapazitäten und kürzeren Schneidzeiten, was wiederum die „Time-to-Market“, also die Produktionszeit, verbessert.

Die Lasertechnik hat auch im Bereich des Schweißens neue Maßstäbe gesetzt. Beispielsweise können durch den Einsatz eines Laserschweißroboters deutliche Prozessoptimierungen umgesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren, welche meistens mit einem Zusatzwerkstoff arbeiten, werden hier die zu verschweißenden Werkstücke im Berührungspunkt sehr stark erwärmt, um beide Bauteile direkt miteinander zu verschmelzen. Diese Erwärmung geschieht beim Laserschweißen in einem sehr kleinen, begrenzten Bereich, sodass Materialveränderungen und auch ein thermischer Verzug nahezu ausgeschlossen sind. Damit lässt sich am Ende ein präzises Bauteil herstellen, bei dem kostspielige Nacharbeiten zum Richten entfallen.

Besonders die Reduktion nachfolgender Arbeitsschritte ist eine Stärke des Laserschweißens. So muss beispielsweise bei optisch anspruchsvollen Werkstücken die Schweißnaht konventioneller Schweißverfahren nach der Bearbeitung durch einen Schleifprozess geglättet werden. Da im Vergleich dazu beim Laserschweißen selten Zusatzmaterial eingesetzt wird, kann bei vielen lasergeschweißten Bauteilen auf einen nachfolgenden Schleifprozess verzichtet werden. Die Oberfläche des Werkstücks ist bereits glatt. Durch den sehr geringen Erwärmungsbereich wird zudem eine optisch schöne und gleichmäßige Schweißnaht erzeugt. Verschiedene Untersuchungen bei Prüfinstituten bescheinigen der nahezu unsichtbaren Laserschweißnaht eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Zugbeanspruchung als herkömmliche Schweißnähte. Auch ist die Schweißzeit kürzer als bei konventionellen Schweißverfahren. Diese Vorteile konkurrieren allerdings mit den hohen Anschaffungskosten der Laserschweißanlagen.

Ein weiteres Bearbeitungsverfahren zeigt ebenso seine Stärke bei Produktivität und Flexibilität: das Rohrlaserschneiden. Dabei wird der Laserstrahl, ähnlich wie beim Schneiden von Blechen, für das Schneiden von Rohren eingesetzt. Wieder zeigt sich im Vergleich zum konventionellen Sägen und Bohren eine starke Verbesserung gerade bei der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Weiterhin ist der Laserschnitt so präzise, dass kein Verschnitt entsteht und das Rohrmaterial optimal ausgenutzt werden kann.

Aber die eigentliche Stärke des Verfahrens ist die sehr hohe Vielseitigkeit: Aufgrund der freien Programmierbarkeit des Rohrlasers können äußerst verschiedene Strukturen und Geometrien geschnitten werden. Die Maschine schafft nicht nur Kappschnitte und Bohrungen, sondern erzeugt nahezu alle geometrisch darstellbaren Geometrien wie beispielsweise Langlöcher, Ausbrüche, Steckverbindungen, Hakenstrukturen, Sechskantausschnitte und vieles mehr.

Dadurch werden völlig neue Konzepte bei der Konstruktion und Entwicklung von Rohrbaugruppen ermöglicht: Diese Bauteile müssen nicht nur seltener geschweißt werden, sondern können einfach gesteckt oder geknickt werden. Mit Hilfe eines Ausschnittes lässt sich eine Metallrohrverbindung beispielsweise so vorbearbeiten, dass ein Winkel nicht aus zwei Teilen zusammengeschweißt, sondern das Rohr geknickt wird und nur noch an einigen wenigen wichtigen Stellen geschweißt werden muss. Neben einer verbesserten Stabilität des Bauteils kann auch noch der Prozessschritt „Schweißen“ optimiert werden.

Neben dem Einsatz moderner Technologien ist bei den mittleren Stückzahlen auch die Auswahl der richtigen Automatisierung entscheidend. Gerade hier kann ein falsches Konzept die Flexibilität und Produktivität nachhaltig behindern, wenn beispielsweise die Umrüstzeiten zu hoch sind. Andererseits ist eine Automatisierung zwingend notwendig, um in diesem Stückzahlbereich die maximale Produktivität zu erzielen.

Erreicht werden kann dieses durch den Einsatz moderner, hochflexibler Robotersysteme, die auf der einen Seite eine sehr große Flexibilität bei der Programmierung und Teilevielfalt zulassen, auf der anderen Seite allerdings auch eine sehr hohe Produktivität, insbesondere für mannarme oder mannlose Fertigungen, gewährleisten. Hierbei unterscheiden sich die Anlagen deutlich von denen für eine große Serienproduktion. In der Verknüpfung dieser Anlagen mit den anderen Produktionsmaschinen können Flexibilität und Produktivität für mittlere Stückzahlen deutlich gesteigert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Flexibilität und Produktivität sich nicht ausschließen, sondern durch geeignete Prozesse „versöhnt“ werden können, um auf diese Weise nachhaltigen Erfolg sicherzustellen.

Dr. Markus Stanik