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Sep 19, 2023

Ankurbelung der Kurbelgehäuseproduktion

Der Erfolg im Großserienmotorenbau erfordert höchste Präzision

Der Erfolg in der Motorenfertigung in großen Stückzahlen erfordert ein Höchstmaß an Präzisionsbearbeitung, Zuverlässigkeit, intelligenter Technik und vor allem Automatisierung.

Shannon Walter, Fertigungsverfahrensingenieurin, und das Team von Kawasaki Motors Manufacturing Corp., USA (KMM) aus Maryville, Missouri, wo jährlich Hunderttausende Rasenmäher-/Traktor-Kurbelgehäuse hergestellt werden, werden dies als Erste bestätigen . Die Ergebnisse der Präzisionsbearbeitungsautomatisierung tragen wesentlich zu einem der wichtigsten Ziele von Kawasaki bei: Qualität.

In einem überfüllten Verbrauchermarkt mit beliebten Marken ist Qualität keineswegs ein kleiner Faktor. „Jedes Jahr wollen unsere Kunden mehr von unseren Motoren, weil unsere Qualität auf dem Markt hoch geschätzt wird“, sagte Walter. Und sie bekommen noch mehr. „Im Jahr 2022 sind wir wieder auf dem besten Weg, unsere Produktionsrekorde im Jahresvergleich zu brechen“, fügte er hinzu. Das Wachstum hat Kawasaki auch dazu veranlasst, ein zweites Werk, 200 Meilen entfernt, in Boonville, Missouri, zu eröffnen.

Das 1989 gegründete Unternehmen ist der einzige Betrieb, der sich in den USA auf die Herstellung von Kawasaki-Motoren spezialisiert hat. Es beschäftigt etwa 1.000 Mitarbeiter, verfügt über mehr als 83.613 Quadratmeter Produktionsfläche und sage und schreibe 470 CNC-Maschinen – von VMCs bis hin zu VMCs und HMCs bis hin zu Drehmaschinen und Waschmaschinen – mit einer Who-is-Who-Liste führender Marken.

Eine weitere Stärke des Kawasaki-Werks in Maryville ist die vertikale Integration, wobei 95 Prozent der Produkte (beginnend mit dem Druckguss der Kurbelgehäuse) vollständig im Werk hergestellt und montiert werden. Dies gewährleistet die Kontrolle über die Herstellung aller Motorteile (Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe, Wellen, Abdeckungen und Schwungräder) von Anfang bis Ende.

Selbst die effizientesten Fertigungsbetriebe sind nicht immun gegen die Herausforderungen, die eine erhöhte Nachfrage, Arbeitskräftemangel und kürzere Vorlaufzeiten für Kunden mit sich bringen können. Dies war bei KMM trotz des dreischichtigen, siebentägigen Betriebsmodus der Fall. Um die Nachfrage zu decken, musste die Fertigung von fast 200.000 Kurbelgehäusen pro Jahr ausgelagert werden, bevor eine neue Bearbeitungslösung entwickelt wurde. Um Kosten zu sparen, Qualitätsstandards beizubehalten und Ausfallzeiten zu vermeiden, suchte KMM nach einer robusteren Lösung für dieses Problem.

„Wir haben uns das Ziel gesetzt, unsere oberste Vision, die Zeit und Fehler des Bedieners zu eliminieren und unsere Qualität vollständig zu kontrollieren“, sagte Walter. „Wir haben ein sechsköpfiges Komitee gebildet, um die Optionen zu bewerten. Das Komitee hat zweifellos entschieden, dass alle Wege zur vollständigen Automatisierung führen würden.“

Laut Walter standen Roboter zunächst ganz oben auf der Liste des Ausschusses, was vor allem auf die bestehenden (halbautomatischen) CNC-Bearbeitungslinien von KMM zurückzuführen war, die aus acht Maschinen (Multi-Paletten-HMCs, VMCs) bestanden, in denen jeweils zwei Zellen für einen Mitarbeiter reserviert waren Vollständige Schicht, die Aluminiumkurbelgehäuse mit einem Gewicht von 8,6 bis 12,7 kg manuell beladen musste.

„Wir haben die Situation und das dadurch entstandene Problem analysiert, einschließlich Qualitätsproblemen und Ausfallzeiten aufgrund falsch platzierter Teile, die ohne vollständige Automatisierung leicht auftreten können“, erklärte Walter. „Wir kamen zu dem Schluss, dass wir zur Erreichung unseres Ziels eine vollautomatische Lösung benötigen, um Ausfallzeiten zu vermeiden und die Motoren mit Präzision zu bearbeiten, die mindestens so schnell ist wie unsere bestehenden halbautomatischen Linien.“

Angesichts des Ziels, jeden Motor fertigzustellen, der viele Löcher, Zylinder und Merkmale erfordert, die innerhalb weniger Minuten entweder gebohrt, gebohrt, mit Gewinde versehen und plangefräst werden müssen, wusste KMM, dass eine dynamische Technik erforderlich war. Zu diesem Zweck wandte man sich an Grob Systems Inc., Hersteller fortschrittlicher CNC-Bearbeitungszentren mit umfassenden Automatisierungsmöglichkeiten.

Nachdem KMM seine anspruchsvollen Anforderungen herausgegeben hatte, prüfte Grob die beste Möglichkeit, die Zykluszeit zu verkürzen und gleichzeitig die Qualität sicherzustellen und Ausfallzeiten zu vermeiden. Das Grob-Team führte eine eingehende Analyse durch und stellte fest, dass anstelle von zwei Zellen mit je acht Maschinen pro Linie und einer Person, die die Teile manuell bestückt – was mit Problemen behaftet war – eine bessere Lösung eine Linie mit vier Maschinen in zwei Zellen mit einem wäre kundenspezifisches Überkopfportal, das die gesamte Linie und jede Maschine automatisch belädt und beschickt. Das Ergebnis übertraf sogar die Zykluszeitanforderungen von KMM.

„Wir haben versucht, maximale Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Genauigkeit zu erreichen. Grob lud uns in seine Produktionsanlage in Bluffton, Ohio, ein, um seine Abflussfähigkeiten zu demonstrieren, die eine Reduzierung der Zykluszeit um mehr als fünf Prozent schneller als unser Zielziel ermöglichte. Eigentlich haben wir Ich hätte nicht gedacht, dass sie es schaffen könnten, aber erstaunlicherweise haben sie es geschafft. Wir waren sehr beeindruckt und haben ihnen zugestimmt“, sagte Walter.

Ende 2016 wurde die erste Grob-Linie im Werk Maryville installiert und KMM machte sich auf den Weg zu den Rennen, um Kurbelgehäuse herauszudrehen. Die neue Linie besteht aus vier in zwei Zellen angeordneten G500-CNC-Bearbeitungszentren mit einem automatisierten Grob-Hängeladeportal und verfügt über eine Ladestation am Anfang der Linie und eine Station am Ende der Linie, wo die Kurbelgehäuse gehont werden , auf Dichtheit geprüft und gewaschen. Für die Einrichtung ist nur ein Arbeiter erforderlich.

Der Prozess war bei der Eliminierung von Ausfallzeiten und der Steigerung des Motordurchsatzes so erfolgreich, dass KMM für das folgende Jahr eine zweite Grob-Linie bestellte. Seitdem hat KMM jedes Jahr eine neue Linie hinzugefügt, um der stetig steigenden Nachfrage nach Motoren gerecht zu werden. Die Leitungen nehmen derzeit etwa 10 Prozent der kavernösen Grundfläche des Kraftwerks ein.

Anstatt nun einen Mitarbeiter für die manuelle Beladung jeder halbautomatischen Linie mit acht Maschinen und zwei Zellen zu reservieren, hat KMM jetzt einen Mitarbeiter, der für zwei Linien verantwortlich ist. Dies hat die manuelle Beladung deutlich reduziert und gleichzeitig den Durchsatz präziser Fertigteile ohne Ausfallzeiten erheblich erhöht.

„Seit der Installation der Leitungen hat Grob uns geholfen, unseren Bedarf intern ohne Outsourcing zu decken, wodurch wir allein jährlich über 5 Millionen US-Dollar einsparen“, sagte Walter. Zu den Vorteilen zählen vor allem die geringeren Arbeits- und Ausfallzeiten, was auch zu einer verbesserten Qualität geführt hat.

„Aufgrund der geringeren Anzahl manueller Einstellungen haben wir jährlich über 160.000 US-Dollar an Arbeitskosten eingespart und weitere 32.000 US-Dollar an jährlichen Einsparungen durch die Eliminierung von Ausfallzeiten aufgrund verlegter Teile erzielt“, fuhr Walter fort. „Und in den Einsparungen sind noch nicht einmal die vermiedenen Kosten enthalten, die etwa durch die Beschädigung wichtiger Maschinenkomponenten entstehen. Außerdem hat die Zeitersparnis von über fünf Prozent pro Zyklus zu einer erheblichen Steigerung des Produktionsdurchsatzes unserer Motoren geführt.“

Es gab auch andere Vorteile, etwa wie Grob KMM bei der Bewältigung der Arbeitslogistik unterstützt hat. „Wir hatten Schwierigkeiten, genügend Arbeitskräfte für unser Werk in Maryville einzustellen und zu halten“, sagte Walter, „und die Grob-Linien haben entscheidend dazu beigetragen, dass wir mit der Nachfrage Schritt halten und gleichzeitig die Arbeitskräfte in unserem Kurbelgehäusebearbeitungsbereich um 50 Prozent reduzieren konnten.“

Das Herzstück des Systems sind die robusten, kompakten 5-Achsen-CNC-Bearbeitungszentren G500 von Grob, die in der 400.000 Quadratfuß großen Anlage [37.161 Quadratmeter] des Unternehmens in Bluffton hergestellt werden. Mit schnellen Spindelhochlaufzeiten, einer schnellen Span-zu-Span-Zeit von 2,6 Sekunden und einem automatisierten Portalladesystem sind diese Maschinen ideal für den Hochproduktionsbetrieb rund um die Uhr.

Was die Genauigkeit betrifft, verfügen die Maschinen über eine Wiederholgenauigkeit der linearen Achse von 0,0001 Zoll [0,0025 mm], was laut Grob eine kontinuierliche Zuverlässigkeit und Präzision gewährleistet.

Durch die Verwendung einer horizontalen Spindelkonstruktion werden während des gesamten Z-Achsen-Hubs konstante Fräsbedingungen aufrechterhalten, da sich die Achsenlager mit der Spindel bewegen, und die Späne fallen vom zu bearbeitenden Teil ab.

Die Spankontrolle und -abfuhr wird auch auf andere Weise weiter verbessert. Beispielsweise erfolgt die Bearbeitung der Teile direkt über dem Späneförderer und der Werkzeugwechsel erfolgt außerhalb des Arbeitsbereichs, wodurch Spänebeeinträchtigungen beim Werkzeugwechsel vermieden werden. Darüber hinaus reinigt eine Bürste den Werkzeugschaft, bevor das Werkzeug in die Spindel eingesetzt wird, und ein Kühlmittelspülsystem schiebt die Späne aus dem Arbeitsbereich und durch das Förderband.

„Diese Funktionen sind alle geschäftskritisch in Betrieben wie unserem, wo es einfach keine Option ist, die Bearbeitung anzuhalten, um Spanhaufen zu beseitigen“, sagte Gary Wilmes, Wartungsingenieur bei KMM. „Eine Maschine kann sogar gesperrt werden, während der Rest der Linie weiterläuft“, fügte er hinzu, „und es gibt einen offenen Zugang zum Hydraulik- und Pneumatikschrank, was die Wartung erleichtert.“

Ein Unternehmen dieser Größenordnung und die Strategie von KMM, erheblich in ein automatisiertes Bearbeitungsprojekt zu investieren, könnten ohne ein hohes Maß an Vertrauen und Zusammenarbeit zwischen beiden Parteien nicht vollständig umgesetzt werden. Dazu gehört auch ein zeitnaher Service bei Bedarf.

„Wir waren mit der Unterstützung während des Grob-Implementierungsprozesses sehr zufrieden. Wir waren umweltfreundlich, wenn es um Siemens-Steuerungen ging, und die Mitarbeiter von Grob waren hervorragend, als wir Hilfe brauchten. Ich kann ihren Projektmanager und Servicetechniker gar nicht genug loben für ihre Arbeit.“ „Wir haben uns bei jedem Problem oder jeder Anfrage, die wir mit den Grob-Leitungen hatten, behandelt“, sagte Walter.

„Da sich die Fabrik in den USA befindet, hatten wir außerdem das Gefühl, dass wir nicht auf Ersatzteile warten müssten, wenn die Maschinen gewartet werden müssten. Ihre Full-Service-Fähigkeit ist ausgezeichnet und wir haben festgestellt, dass in 98 Prozent der Fälle ein Problem auftritt.“ „Probleme, die auftreten können, können mithilfe ihres Ferndiagnosedienstes gelöst werden“, fügte Wilmes hinzu.

Und diese Zeit kann Kawasaki nutzen, um noch mehr Kurbelgehäuse herauszudrehen.

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