Handhabung

Individuell durch Vielfalt

Individualisierte Produkte kostengünstig herstellen: Diese Herausforderung hat die Zimmer Group mit einer neu entwickelten Roboterbearbeitungszelle gelöst. Sie ermöglicht vielfältige Bearbeitungs-, Mess- sowie Handlingsprozesse und ist beliebig skalierbar.

21. Februar 2019
Individuell durch Vielfalt
Die Roboterbearbeitungszelle Multi process Cell der Zimmer Group nutzt ein dynamisches Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden. (Bild: Zimmer Group)

Ein gesellschaftlicher Trend unserer Zeit ist der Wunsch nach individualisierten Produkten. Die Zimmer Group hat dafür eine multifunktionale Roboterbearbeitungszelle entwickelt, welche in der Möbelindustrie eine kostengünstige Produktion auch bei Losgröße 1 ermöglicht. Die Zelle leistet damit einen Beitrag, um individualisierte Produkte auch für breitere Gesellschaftsschichten erschwinglich zu machen, so das Unternehmen. Die Technologie trage überdies dazu bei, auch am Hochlohnstandort Deutschland zu wettbewerbsfähigen Kosten produzieren zu können und damit Arbeitsplätze zu erhalten.

Das System ist flexibel einsetzbar und kann die unterschiedlichsten Werkstückabmessungen in Losgröße 1 verarbeiten. Da es um weitere Module erweitert werden kann, ist die Lösung beliebig skalierbar. Realistische Größen können von einigen Metern bis zu einigen Hundert Metern reichen.

Die Lösung ist zudem schnell. Die Zeitersparnis im Vergleich zu klassischen Bearbeitungsmaschinen richtet sich stark nach dem spezifischen Anwendungsfall, dem intralogistischen Umfeld, dem Sicherheitskonzept und der Bewertungsgrundlage. »Man kann jedoch von einer Agilität im voll automatisierten Umfeld ausgehen, die momentan von keinem konservativen System am Markt erreicht wird«, so Marcel Pfeiffer, Head of Design & Brand bei Zimmer.

Multifunktionaler Bearbeitungskopf

Bei der Multi process Cell des Unternehmens handelt es sich um eine Roboterbearbeitungszelle, die für die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken aus Holz, holzbasierten Werkstoffen, Composit-Werkstoffen oder Aluminium konzipiert wurde – Werkstücke, wie sie typischerweise in der Möbelindustrie eingesetzt werden.

Die zum Patent angemeldete Zelle eignet sich laut Hersteller besonders für kleine Stückzahlen bis zur Losgröße 1. Sie besteht aus zwei zentralen Einheiten: einem hochflexiblen Transportmodul und einem Bearbeitungsmodul mit zwei Industrierobotern. Die Bearbeitungszelle kann aber nach Kundenwunsch und Anforderungsprofil völlig flexibel konfiguriert, betrieben, umkonfiguriert, verkleinert oder erweitert werden.

Das Transportmodul als erster Einheit sorgt für den Werkstücktransport in der Zelle und verknüpft die Be- und Entladestationen mit den Bearbeitungs- und Messstationen. Die individuell gesteuerten Transporteinheiten (Shuttles) lassen sich je nach Anforderung als Master oder als Slave einsetzen. Sie agieren dabei entweder einzeln oder im Verbund. Dadurch entfällt eine starre Kopplung des Transports, zum Beispiel über ein durchgehendes Transportband. So ermöglicht das System einen flexiblen Transport ohne starre Taktung. Die Geschwindigkeit jedes einzelnen Shuttles, beziehungsweise Shuttle-Verbundes, ist frei wählbar.

Eine Bearbeitungszelle als zweiter Einheit kombiniert einen oder mehrere Roboter in einem geschlossenen Fertigungsmodul. Der Roboter kann nicht nur das Be- und Entladen der Werkstücke übernehmen, sondern ist auch für weitere Bearbeitungsaufgaben ausgelegt.

Die zwei Industrieroboter des zentralen Bearbeitungsmoduls sind jeweils mit einer Multibearbeitungseinheit ausgerüstet. Der multifunktionale Bearbeitungskopf übernimmt Bohr-, Fräs- und Sägearbeiten. Durch ein optisches Einmessen und eine 3D-Kompensation der Roboternachgiebigkeiten erreicht die Lösung eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Mithilfe einer zusätzlichen radarbasierten Nachgiebigkeitskompensation kann diese insbesondere bei höheren Prozesskräften weiter gesteigert werden.

Die einzelnen Roboter erfüllen im Bearbeitungsprozess hohe Anforderungen an Präzision und Wiederholgenauigkeit. Ein Nachbearbeiten der Werkstücke ist damit nicht mehr erforderlich. So können zum Beispiel präzise gefräste Löcher ohne weiteren Nachbearbeitungsschritt sofort mit Türgriffen bestückt werden.

Die beiden kooperierenden Roboter arbeiten in einem räumlich begrenzten Bereich. Hier wird das Werkstück innerhalb eines ansonsten fließenden Prozesses kurzzeitig angehalten. Der eng begrenzte Bearbeitungsraum ermöglicht dabei eine Minimierung der Bearbeitungstoleranzen. So lassen sich kurze Bearbeitungszeiten und flexible Bearbeitungsmöglichkeiten realisieren.

Die Multi process Cell zeichnet sich laut dem Hersteller durch die Kombination von anpassungsfähigen, modular aufgebauten Transporteinheiten mit flexiblen Roboterbearbeitungs-, Mess- und Handlingseinheiten aus. Jede Bearbeitungszelle kann so um weitere Bearbeitungs- und Qualitätssicherungsmodule erweitert werden, womit sich beliebig viele Produktionsschritte aneinanderreihen lassen. Zu diesen Modulen zählen zum Beispiel Musterscanner, Messstationen, Montagebereiche, Bearbeitungsbereiche und Kennzeichnungsstationen. Ein Qualitätssicherungsmodul kann etwa aus einer Messstation mit kombinierter Ausschleusung von Teilen bestehen.

Vernetzt über MES-System

Die Lösung macht es außerdem einfach, die Steuerung der Bearbeitungseinheiten in die Gesamtanlagensteuerung zu integrieren und damit die Bewegungen der Bearbeitungseinheit und des Transportmoduls zu synchronisieren. Denn die Produktion erfolgt vernetzt: Alle Prozesse sind direkt an ein übergeordnetes MES-System angebunden. »Die Multi process Cell spielt erst mit dieser Anbindung ihre umfänglichen Fähigkeiten in Bezug auf die Kombination von Produktivität und Flexibilität im Sinne von Industrie 4.0 aus«, erklärt Pfeiffer.

Die Maschinensteuerung identifiziert die einzelnen Werkstücke eindeutig durch einen Barcode. Damit werden eine umfassende Fertigungskontrolle und eine hohe Produktionsqualität sichergestellt. Dank zahlreicher Sensoren können aktuelle Zustandsinformationen in Echtzeit (Condition Monitoring) abgerufen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Cloud-Anbindung. Eine weitere Innovation ist eine integrierte 48-V-Akkuzwischenkreispufferung, die in Kombination mit der Rekuperationsfunktion der Shuttles Laststromspitzen um rund 85 Prozent und so den Energieverbrauch der Anlage um mehr als acht Prozent reduziert. Mithilfe eines digitalen Zwillings im HILS-System (Hardware in the Loop Simulation) kann die Zelle zudem virtuell aufgebaut werden, um die Anlagenleistung und Funktionalität schon vor der Realisierung überprüfen zu können. Damit setzt die Roboterbearbeitungszelle der Zimmer Group die Ansätze der Industrie 4.0 konsequent um.

Hohe Anlagenverfügbarkeit

Der kreative Ansatz des Systems besteht aus der Kombination eines flexiblen Bearbeitungskonzepts mit einem dynamischen Transportsystem, in dem die Transporteinheiten bedarfsorientiert miteinander verbunden werden. Der Bearbeitungsbereich besteht aus Robotern und Multibearbeitungsaggregaten, die sich einen eng begrenzten Arbeitsbereich teilen.

Ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Maschinen ist laut dem Hersteller die hohe Anlagenverfügbarkeit der Roboterbearbeitungszelle. Das Transportsystem ist so konzipiert, dass die Shuttles bei Bedarf im Betrieb einzeln ausgeschleust und ausgetauscht werden können. Auch alle anderen Anlagenkomponenten seien so ausgelegt, dass im Servicefall oder bei Wartungsarbeiten keine unnötigen Demontagen erforderlich sind.

Die Roboterbearbeitungszelle ist seit Mitte des Jahres 2018 zur Bohrbearbeitung bei einem großen Hersteller von Küchenmöbeln im Einsatz. Sie ist Teil einer Fertigungslinie, mit der dieser komplette Küchenausstattungen in Losgröße 1 fertigt. Der Auftraggeber hat bereits großes Interesse an vergleichbaren Anschlussprojekten geäußert, so die Zimmer Group. Durch den modularen Aufbau der Anlage kann der Einsatzbereich weiter ausgebaut werden, zum Beispiel auch beim Setzen von Möbelbeschlägen.

Da vergleichbare Fertigungsaufgaben bei allen Möbelherstellern zu erfüllen sind, sieht das Unternehmen ein erhebliches Marktpotenzial für die Anlage. Auch hier gebe es schon eine Reihe von namhaften Unternehmen, die an dem Bearbeitungssystem Interesse gezeigt haben. Darüber hinaus ist das Maschinenkonzept aber auch in vielen anderen Bereichen einsetzbar. In Verbindung mit dem umfassenden Produktportfolio der Zimmer Group dürfte vor allem beim Einsatz in hochflexibel automatisierten Montagelinien ein erhebliches Marktpotenzial liegen, so der Hersteller.

Hohe Investitionssicherheit

Der Einsatz der Roboterbearbeitungszelle biete den Anwendern erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Durch die Nutzung von Industrierobotern anstelle von klassischen Bearbeitungsmaschinen und durch den deutlich einfacheren Aufbau ergeben sich geringere Investitionskosten.

Das innovative Transportsystem mit den umlaufenden Shuttles, die in Bezug auf Geschwindigkeit, Taktung und anzufahrende Positionen individuell gesteuert und einzeln oder im Verbund betrieben werden können, ermögliche in Verbindung mit den Bearbeitungsstationen eine deutlich höhere Produktionseffizienz als bei herkömmlich getakteten Maschinen. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet bietet das neue Maschinenkonzept laut der Zimmer Group darüber hinaus hohe Investitionssicherheit, da der modulare Aufbau spätere Erweiterungen durch neue Bearbeitungsmodule ermöglicht.

Interview: »Nahe der Realität«

Marcel Pfeiffer, Head of Design & Brand bei Zimmer, über die neue Roboterbearbeitungszelle des Unternehmens sowie Chancen und Grenzen von digitalen Zwillingen.

Warum haben Sie sich für die Entwicklung der Multi process Cell für die Möbelindustrie entschieden?

Auf dem Gebiet der End-of-Arm-Roboterbearbeitung in Kombination mit einer hochflexiblen Performance von Transportshuttles hat sich eine klare Marktlücke ergeben. Diese neue und innovative Ausprägung von Bearbeitungszellen ist hochflexibel und stellt ein Optimum für die Stückzahl-1-Fertigung dar, weil hier der fließende Prozess des Werkstücktransports durch die Fabrik mit einer präzisen und auftragsbezogenen Bearbeitung eines individuellen Kundenteils verknüpft wird. Dieses Prinzip ist selbstverständlich nicht nur für die Möbelindustrie, sondern auch für viele weitere Branchen und Anwendungsfelder interessant. Jedoch hat sich für die Zimmer Group in der Möbelindustrie der erste Serieneinsatz ergeben.

Welche Anforderungen spielten bei der Entwicklung eine Rolle?

Die Maßgabe unseres Kunden war es, ein Produktionskonzept mit voller Anbindung an das kundenspezifische Auftragsmanagement zu erstellen, welches hohe Produktivität mit maximaler Flexibilität verbindet. Kurz gesagt: maximale Agilität mit der Kombination von Robotern und einem shuttlegestützten Materialtransport zu ermöglichen.

Was sind wesentliche Unterschiede zu ähnlichen Produkten?

Momentan sind mir tatsächliche keine vergleichbaren Produkte oder Anwendungen bekannt. In der Tat besitzt die Zimmer Group einige weltweite Patente im Bereich der technischen Umsetzung von Roboterbearbeitungszellen. Jedoch wäre der geforderte Anwendungsfall auch mit konservativ verketteten Maschinen aus der Holzbearbeitungsindustrie zu lösen gewesen. Diese hätten aber durch die notwendige Parallelisierung der Prozesse einen wesentlich größeren Flächenbedarf am Produktionsstandort, eine höhere Erstinvestition sowie höhere Energiekosten nach sich gezogen, um die geforderte Agilität abbilden zu können.

Was waren die größten Herausforderungen, die Sie bei der Entwicklung der Zelle zu stemmen hatten?

Die geforderten enorm kurzen Taktzeiten verlangten ein intensives Vernetzen und Ineinanderschränken der zwei am Bearbeitungsprozess beteiligten Roboter. Weitere Hürden stellten die extreme Präzision und deren Wiederholbarkeit im fließenden Prozess dar.

Ein digitaler Zwilling ermöglicht bei der Zelle, Anlagenleistung und Funktionen vorher zu testen. Welchen Fragen kann der Anwender damit beispielsweise nachgehen?

Hier ergeben sich bei einer Betrachtung des gesamten Lifecycles der Anlage verschiedenste Ansätze, die nicht nur einer akademischen Betrachtung standhalten, sondern auch dem Nutzer einen tatsächlichen Mehrwert bieten. Ich möchte hier nur drei Beispiele anführen, um einen Eindruck der Vielfältigkeit zu vermitteln.

Und das sind?

Der Hersteller kann bereits in der Konzeptions- und Konstruktionsphase die Software in einem sicheren Umfeld testen und Alliterationen schnell und kostengünstig umsetzen. Der Anwender kann – in Zusammenarbeit mit dem Hersteller – eventuell zu sportlich gesetzte Ziele, etwa bezüglich Taktzeiten, in Simulationen bewerten und Detailverbesserungen schon in der Konzeptionsphase einfließen lassen. Des Weiteren hat der Anwender die Möglichkeit, sein Bedienpersonal vor Aufbau der Anlage zu schulen und Produktionsabläufe auch aus der Perspektive des Bedieners heraus zu optimieren. Dies wirkt sich auf eine signifikant verkürzte Inbetriebnahmephase, gesteigerte Betriebssicherheit und höhere Produktivität ab dem ersten Produktionstag der Anlage aus.

Wo liegen Möglichkeiten und Grenzen digitaler Zwillinge?

Die Möglichkeiten des digitalen Zwillings sind mit Sicherheit vielfältig. Je komplexer eine Anlage ausgestaltet ist, desto umfangreicher und schlagkräftiger sind die Szenarien und Vorteile des digitalen Zwillings. Diese reichen von der Angebotsphase über die Konzeptionierung, Konstruktion, Inbetriebnahme, Produktion bis hin zum Umbau der Anlage. Jedoch gibt es natürlich, wie bei jeder technischen Lösung, auch Grenzen. Diese sind beispielsweise bedingt durch die nur vereinfachte Abbildung der Realität in der virtuellen Welt. Eine Tatsache, die einer limitierten Rechenleistung geschuldet ist sowie Berechnungsalgorithmen, die von einem Idealzustand ausgehen. Alle diese Faktoren, wie auch Schwankungen in der Tagesform des Bedienpersonals, bringen Variablen in die Gesamtberechnung. Sie verdeutlichen immer wieder, dass die virtuelle Welt des digitalen Zwillings eben nur eine Annäherung an die Realität ist – wenn auch in vielen Fällen eine Annäherung nahe an der Perfektion.

Erschienen in Ausgabe: 01/2019