Bei kleinen und mittleren Losgrößen erhöhen Pallettiersysteme die Produktivität und Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen. Foto: Schunk

Der Weg zur optimalen Losgröße

Kleine Losgrößen

Kleine Serien und geringe Losgrößen sind eine der größten Herausforderungen, mit denen kunststoffverarbeitende Betriebe derzeit konfrontiert sind.

Die Losgröße ist ein fertigungstechnischer Begriff für die Serien- oder Auftragsgröße, das heißt die Menge der in einem Los zusammengefassten Stücke einer Produktart, die in einem zeitlichen Zusammenhang hintereinander, ohne Unterbrechung durch andere mit Sortenwechselkosten verbundene Fertigungsaufträge hergestellt werden. Die Massenproduktion fußt auf dem Grundgedanken, nur eine hohe Stückzahlausbringung – das heißt das Fahren von großen Losen – könne die anteiligen Kosten für die recht langen Rüstvorgänge pro Teil minimieren. Doch kleine Losgrößen sind nicht gleich kleine Losgrößen. Hierbei spielt die Art der Anwendung eine beachtliche Rolle. Für den einen bedeutet es tatsächlich die Losgröße 1, andere wiederum reden dabei von mehreren Tausend Stück. Vor allem in der Verpackungsindustrie sind hohe Stückzahlen das Tagesgeschäft.

Andreas Rothschink, Sales Director Plas­tic Packaging bei Sonoco Consumer Products Europe, hat auf die Frage, ob kleine Losgrößen in seiner Branche eine entscheidende Rolle spielen, folgende Antwort parat: „Das hängt davon ab, was Sie unter ‚kleinen Losgrößen‘ verstehen. Wir verstehen darunter den Umfang einer Tagesproduktion bei einer aktuellen Produktion – also 20.000 bis 60.000 Einheiten. Da wir unsere Kunststoffbehälter im In-mould-Labeling-Verfahren (IML) produzieren, bei dem das Etikett direkt im Spritzgießvorgang mitverarbeitet wird, stellen diese Losgrößen für uns kein Problem dar. Wir müssen lediglich das Etikett austauschen. Die Voraussetzung dafür ist allerdings, dass wir ein bereits vorhandenes Werkzeug nutzen können. Ein Werkzeug wegen einer kleinen Losgröße extra aufzubauen ist mit zu großen Kosten verbunden und deshalb auch für den Kunden wirtschaftlich nicht sinnvoll.“

6,2 Millionen Teile werden beim Spielzeughersteller Faller insgesamt pro Jahr gefertigt, und zwar in kleinen bis mittleren Losgrößen zwischen 100 bis 5.000 Stück.

Herrmann Ultraschall entwickelt und baut Maschinen, die Kunststoffe, Packstoffe und Vliesstoffe mittels Ultraschallvibratio­nen dauerhaft verbinden. Auch in dieser Branche spielen kleine Losgrößen oft eine entscheidende Rolle. Volker Aust, Leiter Product Management & Marketing bei der Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, erläutert: „Unsere Kunden sind es in vielen Fällen gewohnt, Produktionen mit kleinen Losgrößen, jedoch in Großserienqua­lität abzuwickeln. Durch zunehmende Varianten­vielfalt auf der einen und steigende Indivi­dualisierung auf der anderen Seite wird dieser Trend beschleunigt. Dies gilt für nahezu allen Branchen, die wir mit Ultraschallschweißmaschinen bedienen. Selbst vor Automatisierungen macht dieser Trend heutzutage keinen Halt. Es gilt passende Lösungen für diese Kundenanforderungen zu finden, um die wirtschaftliche Produktion kleiner Losgrößen zu ermöglichen.“

"Die optimale Auftragsvorbereitung und Planung der Maschinenbelegung sind bei uns ein wichtiger und zenntraler Punkt zur Rüstzeitoptimierung", erkärt Martin Zapf, Leiter der Produktion bei Faller. Foto: K-MAGAZIN
„Die optimale Auftragsvorbereitung und Planung der Maschinenbelegung sind bei uns ein wichtiger und zenntraler Punkt zur Rüstzeitoptimierung“, erkärt Martin Zapf, Leiter der Produktion bei Faller. Foto: K-MAGAZIN
Die Branchen sind im Umbruch

Aber auch die Spielwarenindustrie sieht sich mit der Thematik der kleinen Losgrößen konfrontiert. Der Spielwaren- und Modellbaumarkt ist im Umbruch: Kunden und Handel erwarten eine immer kurzfristigere Lieferfähigkeit von Produkten. Flexibilität in der Fertigung ist daher gefordert. Gleichzeitig sind eine schnelle Time-to-Market und individuellere Kunststoffprodukte gefragt, so dass die Losgrößen immer kleiner werden. Bei Faller, einem Spielzeughersteller, der sich auf Modelleisenbahnzubehör spezialisiert hat, sind kleine Losgrößen auf den Spritzgießmaschinen an der Tagesordnung. Der Trend geht auch hier klar zur Individualisierung. Insgesamt fertigt Faller rund 6,2 Mio. Teile pro Jahr, und zwar in kleinen bis mittleren Losgrößen zwischen 100 bis 5.000 Stück. Der Durchschnitt liegt bei rund 500 Stück. „Tendenziell gehen die Losgrößen nach unten, weil wir im Gegensatz zu früher keine großen Lagerbestände mehr vorhalten, sondern flexibel mit einem Vorlauf von drei Wochen auf Abverkäufe ab Lager reagieren. Hinzu kommt, dass bestimmte Märkte nach speziellen Bausätzen nachfragen. In Skandinavien etwa sind Schwedenhäuser für die Miniatureisenbahn gefragt. Die Variantenvielfalt steigt somit“, erklärt Martin Zapf, Leiter der Produktion bei Faller.

Man könnte jetzt aber meinen, dass Spritzgießen und kleine Losgrößen ein Widerspruch in sich sind. Martin Zapf macht dazu eine klare Aussage: „Betriebswirtschaftlich macht es auch uns mehr Spaß, in großen Losgrößen zu arbeiten – keine Frage. Die Herausforderungen, in kleinen Losgrößen zu arbeiten, ergeben sich aus dem Markt. Bei unserem breiten Produktsortiment bleibt es nicht aus, dass wir auch Produkte mit geringen Jahresabsatzmengen produzieren müssen, um unseren Kunden ein möglichst vollständiges Programm anbieten zu können. Diesen Herausforderungen haben wir uns gestellt und die Prozesse ständig optimiert.“

Auf den Trend richtig reagieren
"Wir verstehen unter kleinen Losgrößen den Umfang einer Tagesproduktion - also 20-000 bis 60.000 Einheiten", sagt Andreas Rothschink, Sales Director Plastic Packaging bei Sonoco Consumer Products Europe. Foto: K-MAGAZIN
„Wir verstehen unter kleinen Losgrößen den Umfang einer Tagesproduktion – also 20-000 bis 60.000 Einheiten“, sagt Andreas Rothschink, Sales Director Plastic Packaging bei Sonoco Consumer Products Europe. Foto: K-MAGAZIN

Die Herausforderungen, mit kleinen Losgrößen optimal umzugehen, sind in diesem Zusammenhang die ständigen Themen der möglichst niedrigen Rüstzeiten, eine optimale Maschinenauslegung mit daraus resultierenden geringen Stillstandzeiten und eine ideale Materialbereitstellung. Mit welchen Maßnahmen bei Faller beispielsweise die Rüstzeit in der Fertigung optimiert wird, erklärt Martin Zapf wie folgt: „Die optimale Auftragsvorbereitung und Planung der Maschinenbelegung sind bei uns ein wichtiger und zentraler Punkt zur Rüstzeitoptimierung. Die Fertigungsaufträge müssen so eingeplant werden, dass die Maschinenstillstände auf ein Minimum reduziert werden. Aufträge mit gleichen Werkzeugen und Werkzeugvarianten werden über einen definierten Zeitraum hinweg zusammengefasst.“

Aber auch die Automatisierung spielt in einer effizienten Fertigung von kleinen Losgrößen eine entscheidende Rolle. „Die Voraussetzung ist eine hochmoderne Produktion, wie wir sie an unserem Sonoco-Standort Zwenkau haben, mit entsprechend ausgefeilten Automationslösungen. Mit ihnen sind wir in der Lage, innerhalb von Minuten von einer zu einer anderen Dekoration umzustellen – sprich: das Etikett zu wechseln. Das ist selbstverständlich mit entsprechenden Investitionen in die Produktion verbunden. Aber nur so sind auch Kleinmengen abbildbar“, führt Andreas Rothschink aus.

Oft werden die Ultraschallschweißgeräte von Hermann Ultraschall auf Hand­arbeitsplätzen, auf denen Kleinserien und/oder kleine Losgrößen verarbeitet werden, eingesetzt. „Dies erfordert einen häufigen Werkzeugwechsel von, in unserem Fall, Sonotrode und Werkstückaufnahme. Die Firma Herrmann hat bereits Anfang der 90er-Jahre begonnen, die Ultraschallschweißmaschinen für Handarbeitsplätze serienmäßig mit indexierten Schnellwechselsystemen auszustatten. Dies ermöglicht einen schnellen und sicheren Werkzeugwechsel, ohne dass der Bediener Kenntnisse vom Einrichten der Maschine benötigt. Diese Lösungen wurden in den folgenden Jahren ständig weiter optimiert bis zur heutigen Industrie-4.0-Lösung, bbei der die Werkzeuge mit RFID-Codierung ausgestattet sind, die die Werkzeugkombinationen auf Plausibilität abfragt und automatisch das benötigte Schweißprogramm mit allen notwendigen Parametern vorwählt. Auch im Bereich der Sondermaschinen (Mehrkopfmaschinen) wurden Konzepte entwickelt, bei denen ganze Werkzeugkassetten oder Werkzeugwechselwägen ohne erneutes Rüsten (Einrichten der Werkzeuge) getauscht werden“, erklärt Volker Aust, Leiter Product Management & Marketing bei Herrmann Ultraschalltechnik.

Auf die Frage, ob Automatisierung eher hilfreich ist oder diese bremsend in Bezug auf kleinere Losgrößen wirkt, wirft Martin Zapf allerdings ein: „Aus unserer Sicht weniger zielführend. Es geht eher darum, die begleitenden Prozesse schlank zu halten und sicher zu implementieren. Eine ständige Optimierung der Abläufe ist für die Mitarbeiter fast schon Tagesgeschäft.“

Beim Spielzeughersteller Faller sind kleine Losgrößen auf den Spritzgießmaschinen an der Tagesordnung - der Trend geht auch in dieser Branche klar zur Individualisierung und somit zu kleinen Losgrößen. Foto: Faller
Beim Spielzeughersteller Faller sind kleine Losgrößen auf den Spritzgießmaschinen an der Tagesordnung – der Trend geht auch in dieser Branche klar zur Individualisierung und somit zu kleinen Losgrößen. Foto: Faller
Kleine Losgrößen automatisiert fertigen

Die Erfolge der automatisierten Maschinen­beladung sind beachtlich: Selbst bei der Fertigung von Kleinstserien und Einzelstücken ist es zwischenzeitlich möglich, rüstzeitbedingte Stillstandzeiten spürbar zu reduzieren und die Maschinen mit minimalem Personalaufwand rund um die Uhr auszulasten. Dabei gilt beispielsweise die überlegte Auswahl der Spannmittel und Greifsysteme als entscheidender Faktor.

Moderne Konzepte zur automatisierten Werkzeugmaschinenbeladung, zum Beispiel für die Bearbeitung von Spritzgießwerkzeugen, berücksichtigen drei zentrale Faktoren: kürzeste Zykluszeiten, eine maximale Anlagenverfügbarkeit sowie die Möglichkeit, sehr flexibel auf Produktmodifikationen und Nachfrageänderungen reagieren zu können. Best-Practice-Beispiele belegen: Wer eine hohe Varianz beherrschen und kleine Losgrößen mit maximaler Effizienz fertigen will, sollte zuallererst die Komplexität seiner Prozesse reduzieren. Dazu zählen strenge Werkzeugkonventionen ebenso wie klare Übereinkünfte bei Werkzeug- und Werkstückspannmitteln. Ebenso wichtig ist es, Rüstzeiten zu minimieren, sie vor die jeweilige Maschine zu verlagern und die Fertigung mithilfe von Teilespeichern zu verstetigen. Besonders große Effekte erzielen Unternehmen, die das Gesamtsystem aus Maschine, Spannmittel, Werkzeugen, Greiftechnik und anderen Beladekomponenten im Blick haben. Denn ob eine Maschinenbeladung bei kleinen Losgrößen besser mithilfe von Paletten, über einen direkten Spannmittelwechsel oder als Teilehandling per Roboter, Portal oder über ein flexibles Fertigungssystem erfolgt, hängt stets von den individuellen Gegebenheiten ab. Das mit über 11.000 Standardkomponenten große Spanntechnik- und Greifsysteme-Sortiment von Schunk bietet hier sehr gute Voraussetzungen für maßgeschneiderte Lösungen.

Volker Aust, Leiter Product Management & Merketing bei der Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG Foto: K-MAGAZIN
Volker Aust, Leiter Product Management & Merketing bei der Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG Foto: K-MAGAZIN

„Unsere Kunden sind es in vielen Fällen gewohnt, Produktionen mit kleinen Losgrößen, jedoch in Großserienqualität abzuwickeln. Durch zunehmende Variantenvielfalt auf der einen und steigende Individualisierung auf der anderen Seite wird dieser Trend beschleunigt.“

Einen flexiblen und zugleich prozessstabilen Spannmittelwechsel ermöglichen standardisierte Palettiersysteme. Dabei werden die Werkstücke und Spannvorrichtungen auf Spannpaletten gerüstet, magaziniert und aus dem Palettenmagazin sukzessive auf das Bearbeitungszentrum eingewechselt. An der Unterseite verfügen die Paletten über eine einheitliche Schnittstelle zum Nullpunktspannsystem. Vergleichbar mit einem Adapter verbinden sie die Maschine mit unterschiedlichsten Werkstücken. Moderne Palettensysteme verfügen zusätzlich über eine seitliche Schnittstelle, so dass die Paletten prozessstabil mit einem Roboter oder Portal verbunden werden können. Eine effiziente Lösung ist hier beispielsweise das Schunk Palettiermodul Vero-S NSA plus, das flach baut und im Maschinenraum jede Menge Platz fürs Werkstück und für die Achsbewegungen lässt. Es erreicht dank eines patentierten Eil- und Spannhubs Einzugskräfte bis 20.000 N und Haltekräfte über 100.000 N.

Welche Technologien fördern zukünftig kleine Losgrößen?

Zukünftig müssen sich Unternehmen noch mehr auf das Thema kleine Losgrößen und Individualisierung einstellen. Hierbei gibt es verschiedene Ansätze, welche technologischen Entwicklungen gefordert sind. Andreas Rothschink von Sonoco ist der Meinung, dass der wichtigste Treiber hier die fortschreitende Digitalisierung, insbesondere der Digitaldruck, ist. „Das macht einen schnellen Wechsel von Designs überhaupt erst möglich. Dadurch kann dem Wunsch nach Differenzierung vonseiten der Kunden, mit dem Stichwort individualisierte Verpackungen, entsprochen werden.“

Für Volker Aust ist deutlich zu beobachten, dass der flexible Einsatz von Schweißrobotern für Ultraschallschweiß- und Schneid­applikationen zunimmt. „Hier sind robuste und leistungsstarke Ultraschallkomponenten gefragt, die sich an die neuen Gegebenheiten sicherlich in der nächsten Zeit noch weiter anpassen müssen. Ebenso wird die Vernetzung mit anderen, an der Wertschöpfungskette beteiligten Partnern eine zentrale Rolle spielen. Als Fazit sehen wir als Firma Herrmann mit jeder Marktveränderung gleichermaßen eine Herausforderung und Chance, uns darauf innovativ einzustellen und passende, zuverlässige Lösungen für unsere Kunden anzubieten“, sagt Aust.

In Zukunft wird auch die Digitalisierung (zum Beispiel Simulation von Spritzgießprozessen) verstärkt dazu beitragen, die Rüstzeiten zu optimieren. „Nicht nur die Rüstzeiten, sondern alle Prozesse rund ums Spritzgießen werden optimiert – Stichwort: Manufacturing Execution System (MES)“, ist sich Martin Zapf sicher. „Bei Faller haben wir ein MES seit 2016 im Einsatz, welches uns hilft, Abweichungen und Verbesserungspotenziale schnell zu erkennen und geeignete Maßnahmen einzuleiten.“

Faller nutzt 3D-Druck und Digitaldruck, um das Thema Individualisierung weiter voranzutreiben. Aktuell nutzen die Schwarzwälder zwei 3D-Drucker zum Beispiel für den Bau von Prototypen. Gefertigt werden damit Modelle von neuen Produkten, die auf der Nürnberger Spielwarenmesse der Öffentlichkeit präsentiert werden. In Zukunft sollen die Geräte auch für die Herstellung von Werkzeugeinsätzen und Miniserien genutzt werden. „Aber für die heute bei uns im Spritzgießen üblichen Losgrößen ist 3D-Druck noch nicht wirtschaftlich abbildbar“, stellt Zapf klar.

20.000 Newton Einzugsfräfte werden dank eines patentierten Eil- und Spannhubs beim Palettiermodul Vero-S NSA plus von Schunk erreicht. Darüber hinaus auch Haltekräfte über 100.000 N.

Digitaldruck ermöglicht Faller die Individualisierung von Produkten sogar bis zur Losgröße 1, etwa durch Hinzufügung einer Patina bei der Veredlung von Gebäuden. Im Gegensatz zum Tampondruck entsteht beim Digitaldruck kein hoher Ausschuss, bis der Prozess steht. Somit ist er laut Zapf ideal für kleine Serien geeignet

Stefan Lenz

 

Aufmacherbild: Schunk