P & J Machining

Um wettbewerbsfähig und profitabel zu bleiben, setzt P&J seit Jahrzehnten auf flexible Automatisierung. Bereits 1997 nahm das Unternehmen sein erstes automatisiertes System in Betrieb, das jüngste folgte 2014. Der Vergleich dieser Anlagen zeigt eindrucksvoll, wie sich das Konzept der Fertigungszelle und die dahinterstehende Technologie weiterentwickelt haben – hin zu noch mehr Flexibilität, Produktivität und Prozesssicherheit.

Das neueste System besteht aus zwei vierachsigen horizontalen BAZ von Matsuura in Kombination mit einem Palettenspeicher- und Handlingsystem von Fastems. Für Paul Hogoboom ist es der wichtigste Fortschritt in der mannlosen Luft- und Raumfahrtfertigung: die Fähigkeit der Steuerungssoftware, Auftragsprioritäten automatisch und in Echtzeit an veränderte Kundenanforderungen anzupassen. Das Fastems MMS5 Leitrechnersystem plant die optimale Reihenfolge der Werkstückpaletten, um den Produktionsbedarf des jeweiligen Flugzeugbauprogramms bestmöglich zu erfüllen.

Diese Fähigkeit, die Auftragsprioritäten flexibel zu „mischen“, verschafft P&J Machining entscheidende Vorteile in der Fertigung. Zu den wichtigsten Nutzen der Software zählen die deutlich höhere Flexibilität des Systems, das gleichzeitig 30 bis 45 verschiedene Werkstücktypen in aktiver Produktion verwalten kann, sowie eine präzisere Abstimmung der Fertigungsabläufe auf die Kitting-Programme der Kunden, die die Flugzeugmontage beschleunigen.

Darüber hinaus ermöglicht das System extrem hohe Spanzeiten von 97 bis 98 Prozent und einen durchgängig optimierten Materialfluss von Wareneingang bis Warenausgang. Die lückenlose Erfassung aller Produktionsdaten innerhalb der Software sorgt zudem für eine zuverlässige Rückverfolgbarkeit – ein zentraler Faktor zur Erfüllung der Anforderungen in Luft- und Raumfahrtprojekten.

Zwei Matsuura H Plus-500 Horizontalbearbeitungszentren. Die vierachsigen Maschinen mit 40er Werkzeugaufnahme verfügen über Werkzeugmagazine mit 320 Plätzen, Hochdruck-Kühlschmierstoffsysteme und leistungsstarke Späneförderer mit großen Spänebehältern.

Mit seiner langjährigen Erfahrung in der mannlosen Fertigung war P&J bestens darauf vorbereitet, die erweiterten Möglichkeiten der neuen automatisierten Zelle zu nutzen. Im Laufe der Jahre hat das Unternehmen genau gelernt, welche Aspekte in Planung, Vorengineering, Personal, Schulung und täglichem Betrieb berücksichtigt werden müssen, um eine unbeaufsichtigte Fertigung erfolgreich umzusetzen. All diese Faktoren gelten auch für das neue System – ergänzt um die Fähigkeit, die erweiterten Funktionen der Steuerungssoftware für Planung, Vernetzung und Maschinenüberwachung optimal zu nutzen. Der Fernzugriff auf das System ermöglicht es Führungskräften und Produktionsleitern, Auftragsfortschritte zu verfolgen, Kundenanfragen sofort zu beantworten und eng mit dem Zellenteam zusammenzuarbeiten.

„Wir sind ein Lohnfertiger für die Luft- und Raumfahrt, kein Serienproduzent. Flexibilität muss mit Automatisierung kombiniert werden, um in einer Lohnfertigung wirklich wirksam zu sein“, betont Paul Hogoboom. Die dynamische Auftragsplanung des Fastems-Leitrechners bietet genau diese Kombination auf einem neuen Effizienzniveau und beweist ihren Wert im anspruchsvollen Umfeld moderner Luft- und Raumfahrtfertigung.

Horizontale BAZ als Schlüssel zur Effizienz

Paul Hogoboom fasst den Einfluss der zellulären Fertigung mit palettengestützten horizontalen BAZ so zusammen: Die Kapazität von zwei palettisierten horizontalen BAZ entspricht der von zehn nicht-palettengestützen Vertikalmaschinen. Diese Einschätzung basiert auf den Erfahrungen, die P&J Machining beim Übergang von vertikaler Bearbeitung zu palettengestützten Horizontalmaschinen und schließlich zur mannlosen Fertigung mit automatisierten Systemen gesammelt hat.

Das Unternehmen begann Anfang der 1970er-Jahre mit Lohnfertigung in der heimischen Garage der Familie im Raum Tacoma. 1986 zog P&J in ein neues Gebäude am Stadtrand von Puyallup, wo die Fertigung zunächst vollständig auf Vertikalbearbeitungszentren basierte. Mitte der 1990er-Jahre übernahm Paul Hogoboom die Verantwortung für die Produktion und begann, sich intensiver mit der Horizontaltechnologie zu beschäftigen – unterstützt von seinem Vater, der weiterhin in der Geschäftsleitung aktiv war.

„Wir haben viel über Rüstzeitverkürzung, Werkzeugvorbereitung außerhalb der Maschine und andere Schnellwechselmethoden gelernt“, erinnert er sich. Gleichzeitig wurde immer deutlicher, dass die unvermeidlichen Stillstandszeiten bei der vertikalen Bearbeitung die Produktivität und Rentabilität bremsten – insbesondere bei vielen Luft- und Raumfahrtbauteilen, auf die sich das Unternehmen bewarb.

Besuche in lokalen Betrieben, die automatisierte Zellen mit horizontalen BAZ einsetzten, überzeugten ihn davon, dass die Zukunft der Luft- und Raumfahrtfertigung in dieser Technologie liegt. 1997 investierte P&J in das erste palettengestützte horizontale BAZ, eine Investition von über einer Million US-Dollar, die zunächst auf Skepsis beim Vater stieß.

Doch sobald sich das Team an die horizontale Bearbeitung und den nahezu unterbrechungsfreien Betrieb mit Paletten gewöhnt hatte, zeigte sich der Nutzen schnell. Nach und nach kamen weitere Paletten hinzu, dann eine zweite Maschine und schließlich ein Palettenspeicher- und Handlingsystem, das beide Maschinen bedient. Schritt für Schritt lernte das Unternehmen, Fertigung und Organisation so zu strukturieren, dass ein mannloser Betrieb möglich wurde, der laut Hogoboom einzige Weg, um die für solche Systeme nötige Produktivität zu erreichen.

Seitdem hat P&J drei weitere automatisierte Systeme mit vollständig palettengestützten horizontalen BAZ installiert. Die jüngste Anlage mit Matsuura-HMCs und dem Fastems Palettensystem bildet den bisherigen Höhepunkt dieser Entwicklung. Die Installation begann Ende 2013 in einem Neubau neben dem erweiterten Stammgebäude in Puyallup. Die Zelle, ausgelegt für Aluminiumbauteile in der Luft- und Raumfahrt, ging Anfang des folgenden Jahres in Betrieb.

Fokus auf palettengestützte Automatisierung

An der zentralen Steuerstation der Fertigungszelle stellt das Fastems MMS, Version 5 die Software-Tools und Benutzeroberflächen für die Interaktion mit dem Zellenteam bereit. Der Bildschirm zeigt den Status aller 60 Paletten in einer farbcodierten Übersicht.

Die neue Matsuura/Fastems-Zelle markiert gleich mehrere Premieren für P&J Machining. Es ist die erste Installation im Unternehmen, die ein Palettensystem von Fastems integriert, und zugleich das erste System dieser Art in den USA, das mit 6 Meter hohen Regalen für 500-Millimeter-Paletten ausgestattet ist. Auch die beiden Matsuura H Plus-500 Maschinen, die von diesem System bedient werden, sind die ersten horizontalen BAZ dieses Modells, die in den Vereinigten Staaten installiert wurden.

Das Palettensystem bietet Platz für insgesamt 60 Paletten und verfügt über zwei direkt nebeneinander angeordnete Be- und Entladestationen. Am gegenüberliegenden Ende des Systems stehen die beiden Horizontalbearbeitungszentren, die ebenfalls Seite an Seite angeordnet sind. Die Maschinen sind von den Seiten und der Rückseite gut zugänglich.

Das Handling der Paletten erfolgt über einen schienengeführten Regalbedienkran, der entlang der gesamten Systemlänge verläuft. Das Regallager verfügt über fünf Ebenen mit jeweils zwölf Stellplätzen. Die oberste Ebene ist nach oben offen, um auch Paletten mit besonders hohen Vorrichtungen oder Werkstücken aufnehmen zu können, die über die auf den Paletten montierten Sockel hinausragen.

„Uns gefällt die Hardware der Fastems-Palettenregale, weil sie äußerst stabil und robust ist“, erklärt Paul Hogoboom. Die Regale können Paletten mit Vorrichtungen und Werkstücken aufnehmen, die bis zu 700 Kilogramm wiegen. Unter jeder Palettenstation befindet sich eine pulverbeschichtete Stahlwanne, die Kühlschmierstoff auffängt und über Leitungen zurück in das zentrale Kühlsystem führt.

Sollte es wider Erwarten zu einer Fehlfunktion kommen, ist der schienengeführte Regalbedienkran an beiden Enden mit stoßdämpfenden Puffern abgesichert, um harte Anschläge zu verhindern. Das System kann bei Bedarf erweitert werden, indem sowohl die Palettenregale als auch die Fahrstrecke des Krans verlängert werden. Da der Kran seine Befehle über einen optischen Infrarotsender empfängt, sind keine Kabel erforderlich, die seine Reichweite einschränken könnten.

Eine zweite grafische Ansicht der Zelle bietet eine anschauliche Übersicht über alle aktuellen Aktivitäten. Durch Anklicken der Informationsfelder lassen sich Details zu den einzelnen Komponenten anzeigen.

Jede der Matsuura-Horizontalbearbeitungszentren ist mit mehreren integrierten Automatisierungssystemen ausgestattet, die den mannlosen Betrieb unterstützen. Der automatische Werkzeugwechsler verfügt über 320 Werkzeugplätze und bietet damit ausreichend Kapazität für alle erforderlichen Werkzeuge sowie mehrere Duplikate, um nahezu jede Bearbeitung innerhalb der Zelle abdecken zu können.

Ein Laser-Werkzeugsensor überprüft, ob das Werkzeug in der Spindel unbeschädigt und vollständig ist. Eine spindelmontierte Messtastereinheit kontrolliert nach jeder Schruppbearbeitung die relevanten Merkmale der Werkstücke und überträgt die Messdaten an die CNC-Steuerung. Diese kann daraufhin die Parameter für die Schlichtbearbeitung automatisch anpassen, um eine gleichbleibend hohe Werkstückqualität sicherzustellen.

Flexibilität liegt in der Software

Paul Hogoboom erklärt, dass alle automatisierten Fertigungszellen bei P&J in der Lage sind, bis zu 14 Stunden pro Tag unbeaufsichtigt zu produzieren. Während der Tagschicht übernehmen die Bediener das Entladen der fertigen Werkstücke und das Neubestücken der Paletten, sodass die Maschinen nahezu rund um die Uhr laufen können. Die automatisierten Linien werden lediglich am Montagmorgen kurz heruntergefahren, um Systemprüfungen und geplante Wartungsarbeiten durchzuführen. Was die neueste Fertigungszelle jedoch von den anderen unterscheidet, ist die Leistungsfähigkeit der Steuerungssoftware.

Die Leitrechnersysteme der älteren Fertigungszellen erfüllen zuverlässig ihre Aufgabe: Sie führen genau die Befehle aus, die zuvor von den Bedienern programmiert wurden. Mit anderen Worten, sie tauschen Paletten entsprechend dem vorgegebenen Produktionsplan aus, sobald Bearbeitungen abgeschlossen sind.

Neuere dieser Systeme können zwar bei ungeplanten Stillständen Benachrichtigungen per SMS oder E-Mail senden, doch die Priorisierung, Planung und Reihenfolge der Paletten bleibt vollständig von der manuellen Eingabe der Bediener abhängig. Ändern sich die Auftragsprioritäten aufgrund von Terminverschiebungen, müssen die Fertigungspläne der Zellen manuell angepasst werden, um diese neuen Anforderungen zu berücksichtigen.

Im Gegensatz dazu kann die Software des Fastems-Leitrechners diese Planungsaufgaben eigenständig übernehmen. Sie überwacht alle in der Fertigungszelle aktiven Aufträge und reagiert auf Stückzahlen und Liefertermine, die aus dem zentralen Produktions- und Ressourcenplanungssystem (MRP) des Unternehmens übermittelt werden. Auf dieser Basis koordiniert die Software alle Abläufe so, dass die richtigen Teile in der richtigen Menge zum richtigen Zeitpunkt gefertigt werden.

Zu den Abläufen, die die Software koordiniert, gehören die Bereitstellung des Rohmaterials an den Beladestationen, das Einreihen und Positionieren der Paletten mit den passenden Vorrichtungen in der richtigen Reihenfolge sowie die Zuteilung der verfügbaren Maschinenzeit nach Priorität. Die Software erkennt selbstständig, wenn eine Palette vorübergehend eingelagert werden muss, um einer anderen mit höherer Priorität den Vortritt zu geben, und aktiviert sie anschließend automatisch wieder im Produktionsplan, sobald die Maschine frei ist.

„Das Besondere an dieser Software ist ihre Fähigkeit, auf Änderungen bei Teilemix, Stückzahlen und Lieferterminen zu reagieren, ohne dass das Zellenteam eingreifen muss“, erklärt Paul Hogoboom. Wird beispielsweise ein Liefertermin vorgezogen, priorisiert das System die betroffenen Paletten und Maschinen automatisch neu. Paletten mit dem dringenden Auftrag werden bevorzugt bearbeitet, während andere vorübergehend im Lager verbleiben, bis wieder freie Maschinenkapazität zur Verfügung steht.

Darüber hinaus überwacht das System alle Bearbeitungsressourcen innerhalb der Zelle. Es prüft, ob die für die anstehenden Aufträge benötigten Werkzeuge im Werkzeugmagazin vorhanden sind und ob deren Standzeit ausreicht, um die Bearbeitung abzuschließen. Fehlende oder verschlissene Werkzeuge werden automatisch markiert und dem Bedienpersonal gemeldet.

Ein häufiges Beispiel für den Nutzen dieser Flexibilität ist eine verspätete Freigabe von Konstruktionsdaten durch den Kunden. Solche Teile müssen sofort vorgezogen werden, damit die schnelle Lieferung hilft, den Produktionsplan des Kunden wieder einzuhalten und Verzögerungen in der Flugzeugmontage zu vermeiden. Laut Paul Hogoboom kommt es gelegentlich sogar vor, dass ein einzelnes Teil tagsüber oder spätestens am nächsten Morgen fertiggestellt werden muss, um eine dringende Anfrage zu erfüllen. Sobald diese Eilaufträge abgeschlossen sind, aktiviert die Software den ursprünglichen Produktionsplan wieder und passt ihn automatisch an.

Ebenso erleichtert die Flexibilität der Zellensoftware den Umgang mit einem Produktionsplan, in dem sich Werkstücktypen, Losgrößen und Liefertermine ständig ändern. Diese Anpassungsfähigkeit unterstützt P&J besonders bei den aktiven Kitting-Programmen. Ein Kit ist ein Versandbehälter, der alle Komponenten enthält, die für einen bestimmten Montageschritt im Flugzeugbau benötigt werden. Der Behälter wird direkt an den Einsatzort in der Montagelinie des Kunden geliefert, wo das Montagepersonal ihn bei Bedarf öffnet. Da alle Teile in beschrifteten Fächern oder Trays mit den zugehörigen Montageanweisungen und Prüflisten bereitliegen, sorgt das Kitting für einen reibungslosen Ablauf, reduziert Fehler, verhindert Fehlteile und vermeidet Verzögerungen bei der Wareneingangskontrolle des Kunden.

Die Teilnahme an solchen Kitting-Programmen setzt seitens des Zulieferers ein hohes Maß an Organisation und Disziplin voraus. Die Lieferung der Kits muss eng mit dem Kunden abgestimmt werden, da sich die geplanten Stückzahlen und Ausführungen der Flugzeuge von Monat zu Monat ändern. P&J richtet die Versandtermine seiner Kits nach den Produktionsprognosen der Kunden aus – und diese Termine müssen sich in der Auftragsplanung der Fertigungszellen widerspiegeln.

Am einfachsten lässt sich die Teilefertigung zur Einhaltung der Kitting-Vorgaben mit der Matsuura/Fastems-Zelle steuern, was Paul Hogoboom insbesondere auf die leistungsfähige Planungsfunktion der Software zurückführt.

Auch intern profitiert P&J von einer ähnlich hohen Effizienz im Materialfluss. Rohmaterialien werden zweimal täglich entsprechend Typ und Menge, wie im aktuellen Arbeitsplan festgelegt, an die Fertigungszelle geliefert. Da dieser Plan regelmäßig aktualisiert wird, erfolgen die Materialanlieferungen stets termingerecht und bedarfsgerecht. Dadurch wird die Zwischenlagerung halbfertiger Teile an der Zelle auf ein Minimum reduziert.

Die bearbeiteten Werkstücke werden nach Abschluss der Bearbeitung ebenso zügig an die nachfolgenden Prozessschritte weitergeleitet.

Das Unternehmen trägt seinen Teil bei

Die Fähigkeit der Zellensoftware, Produktionspläne dynamisch zu steuern, basiert auf einer sorgfältig entwickelten Fertigungsstrategie, die P&J parallel zur Installation dieser Zelle umgesetzt hat. Diese Strategie baut auf den langjährigen Erfahrungen des Unternehmens mit zellulärer Fertigung und mannloser Produktion auf.

Paul Hogoboom betont, dass der Erfolg einer automatisierten Fertigungszelle in hohem Maße von den Entscheidungen abhängt, die bereits vor ihrer Konfiguration und Installation getroffen werden.

Zu den wichtigsten Schritten, mit denen sich P&J auf die Einführung der Matsuura/Fastems-Zelle vorbereitet hat, gehören:

1. Aufbau eines leistungsfähigen Zellenteams

(1) Sobald die Palette beladen und die Türen geschlossen sind, transportiert sie das Shuttle automatisch an den nächsten Bestimmungsort. Die Werkstücke werden entweder direkt bearbeitet oder bis zum geplanten Einsatz zwischengelagert – die Zellensoftware steuert diesen Ablauf dynamisch anhand der Daten aus dem MRP-System.

Für das Zellenteam werden Mitarbeiter benötigt, die über ausgeprägte Kenntnisse in der Zerspanung und im Technologiemanagement verfügen, offen für neue Verfahren sind, gut im Team arbeiten und flexibel auf Veränderungen reagieren. Die Leitung der Zelle liegt bei Rick Nelson, einem erfahrenen Mitarbeiter von P&J mit umfangreicher Praxis in der Bedienung automatisierter Systeme. Zum Team gehören in der Regel ein Werkzeugmachermeister, ein Programmierer, der Fertigungsleiter, ein Instandhalter sowie die Maschinenbediener, die während der Tagschicht für den Betrieb der Zelle verantwortlich sind.

2. Vollständige „Vorplanung“ aller Aspekte der Zellfertigung

(2) In der Vorplanungsphase wird festgelegt, welche Werkstücktypen, -formen und -größen zur Zelle passen. Dieses Aluminiumteil zählt zu den größten. Die Software weiß, welche Palette dafür eingerichtet ist und wann sie laut Plan bereitgestellt werden muss.

Dieser Schritt umfasst nahezu alle Entscheidungen, die festlegen, wie die Werkstücke in der Zelle bearbeitet werden. Dazu gehören die Definition der zu produzierenden Werkstücktypen und -größen, die Gestaltung der Vorrichtungen und Spannmittel, die Werkzeugauswahl sowie zahlreiche weitere technische Details.

In diesem Fall ist die Zelle ausschließlich der Bearbeitung von Aluminiumteilen gewidmet, von denen die meisten in ein Gehäuse von der Größe eines Brotkastens passen. Der Großteil der auf dieser Zelle gefertigten Werkstücke sind Strukturbauteile und Verbindungselemente zwischen Flügel und Rumpf für zwei etablierte Verkehrsflugzeugprogramme. Insgesamt können rund 700 verschiedene Artikelnummern aus mehreren Familien ähnlicher Werkstücke auf der Zelle gefertigt werden, wobei an einem durchschnittlichen Tag etwa 30 bis 45 verschiedene Teile gleichzeitig in Produktion sind.

Die 500-Millimeter-Paletten stammen vom Maschinenhersteller und verfügen über T-Nuten und Gewindebohrungen. Viele Paletten sind mit einem T-förmigen Aufsatz versehen, der zwei Spannseiten bietet, an denen unterschiedliche Schraubstöcke oder Sondervorrichtungen montiert werden können. Jede Seite kann für ein anderes Teil oder eine andere Operation eingerichtet werden. Die Ausrichtung der Werkstücke sowie die am besten geeigneten Spannkonzepte werden in dieser Phase gemeinsam festgelegt. Ein zentrales Ziel dieser Vorplanungsphase besteht darin, den Variantenreichtum der Vorrichtungen mit der geforderten Kapazität in Einklang zu bringen.

Auch bei der Werkzeugplanung ist Balance gefragt. Obwohl die Werkzeugmagazine ausreichend groß sind, ist ihre Kapazität nicht unbegrenzt. Beide Maschinen verfügen über identische Werkzeugbestände, sodass sie für die Produktionsplanung vollständig austauschbar sind – jede Maschine kann jede Palette bearbeiten. Die CNC-Programmierer verwalten die Werkzeuglisten und erstellen die Bearbeitungsprogramme entsprechend. Zudem liefern sie Standzeitdaten, mit deren Hilfe das Leitrechnersystem die Werkzeugnutzung überwacht und steuert.

3. Vollständige und präzise Dokumentation in digitalem Format bereitstellen

Die Verfügbarkeit dieser Dokumentation ist entscheidend für effiziente Be- und Entladeprozesse der Paletten. Wenn zu Beginn der Tagschicht die Paletten mit fertig bearbeiteten Werkstücken entladen werden, sorgt die Zellensoftware automatisch dafür, dass die nächsten Paletten gemäß Produktionsplan bereitgestellt werden – es sei denn, dieselbe Palette wird unmittelbar erneut beladen. Sobald eine leere Palette an der Beladestation eintrifft, kann der Bediener über das Bedienpanel die hinterlegten Unterlagen mit bebilderten Ladeanweisungen, Rüstplänen und Arbeitsanweisungen öffnen. Durch die Eingabe des jeweiligen Status im System teilt der Bediener mit, welche Palette gerade be- oder entladen wird. Das System steuert daraufhin den Palettenfluss gemäß dem Produktionsplan.

Paul Hogoboom betont, dass man die Bedeutung dieser vorbereitenden Schritte für den Gesamterfolg einer automatisierten Fertigungszelle leicht unterschätzen könnte. Die Software des Fastems Leitrechners jedoch belohnt diesen Aufwand mit einem reibungslosen und effizienten Betrieb. „Der Beweis liegt in der Produktivität dieser Maschinen – sie stehen nur dann still, wenn Paletten gewechselt oder Werkzeuge erneuert werden“, erklärt er.