Efficiëntie Ontgrendelen: De Strategische Voordelen van Verticale Bearbeitingscentra

Leveranciers van verticale bewerkingscentra (VMCs) kijken met optimisme uit naar 2022. Ze verwachten verhoogd gebruik van automatisering en verhoogd bewustzijn van de voordelen van bewerken met meer dan drie-as apparatuur.

Meer kanten van een werkstuk in één of twee opspanningen bereiken is slechts een deel van de value proposition van VMCs, volgens machinebouwers. Automatiseren met een robot voor de machine, of een draaias toevoegen, helpt productiviteit te garanderen, terwijl begrip van machine-kinematica—hoe de machine zich over tijd beweegt—de sleutel is tot reproduceerbaarheid.

Een breed scala aan keuzes, van simpelere drie-as machines tot vijf-as—zowel 3 plus 2 als, in mindere mate, continue versies—geeft werkplaatsen een rijkdom aan kansen om VMCs in te zetten voor zowel laag- als hoogvolume runs. En kansen voor het produceren van teruggekomen (reshored) onderdelen bieden nog een extra incentief.

VMC Business is Goed

Allereerst, ondanks de onzekerheid en verwarrende beleid rondom de COVID-19-pandemie die in een derde jaar van tumult sleept, is de vraag naar VMCs sterk. Leverbaarheid is echter, niet onverwachts, een zorg.

“De industrie is best heet,” stelde Jeff Wallace, general manager, national engineering voor DMG Mori USA in Hoffman Estates, Ill. “We verkopen alles wat niet vastgezaagd zit. We verkopen spullen die wél vastgezaagd zitten. Het goede probleem is, we verkopen alles wat we hebben; het slechte probleem is dat levertijden van vier tot zes weken uitgebreid zijn tot vier tot zes maanden.”

VMCs zijn populair over meerdere toepassingen heen, zei Wallace, zelfs met “enkele laagvolume productiecentra waar we eenvoudige prismatische onderdelen maken. Zelfs de verticale drie-as machines zijn in hoge vraag.”

Gegeven personeelstekorten die alleen maar verergerd zijn door de pandemie, is automatisering van VMCs een hoofdzorg geworden.

“Vaak zien we bij de verticale dat we misschien een draaias retrofitten zodat we meer dan één kant van het onderdeel kunnen bereiken. Klanten kijken om zoveel mogelijk te automatiseren—zelfs enkele van de drie-as verticale bewerkingscentra te automatiseren. Een draaias of zelfs een dubbele draaias toevoegen om het onderdeel om te keren en de andere kant te bereiken, zodat we het niet uit een spaanklem hoeven te halen en naar een andere spaanklem brengen—of in die machine of een andere machine—is nu heel populair. Klanten kijken naar hoe ze die VMCs kunnen optimaliseren en meer productiviteit eruit kunnen halen.

“Het leuke aan VMCs is dat ze relatief goedkoop zijn en makkelijk op te zetten. Je zet ze op de vloer, en de meeste hebben een drie-punt-niveeringsysteem. Voor een klant om in een VMC te komen, vooral voor kortlopende productie, is heel kosteneffectief. De vraag is hoog over het hele bord voor bijna al onze producten—en het is goed voor de industrie. We zijn niet de enigen; alle andere bouwers zien vergelijkbare omstandigheden. De taart is best groot, en ik ben blij dat de industrie gezond is.”

Met zijn ROI-rekenmachine helpt DMG Mori te illustreren hoe de VMCs werkplaatsen kunnen helpen hun bottom line te verbeteren—met name “met al het reshoring dat gaande is. We zien veel product terugkomen in de VS—laagkostige, prismatische onderdelen die we de afgelopen 20 jaar over zee hebben uitgebesteed. Kleine tot middelgrote werkplaatsen zijn erg efficiënt geworden in het maken van deze commodity-onderdelen—dingen waar een VMC heel goed voor geschikt is.

“De voorbehoud daar is de bemanning en of je wilt automatiseren: Is het een simpele robot voor de machine zetten of de draaias erop zetten? We hebben een automatiseringsgroep intern bij DMG Mori, en de cobots beginnen op deze VMC-platformen op te vliegen. We hoeven niet eens zo simpel als een luchtcilinder aan de deur te voegen; we laten de robot de deur openen.&rdquo. Door die stappen te nemen, zien klanten vijf tot zes procent productiewinst, zei Wallace.

Multi-as VMCs krijgen meer greep in de VS, concludeerde hij—exploderend, inderdaad, met DMG Mori een tienvoudige verkoopstijging de afgelopen paar jaar. Europa had initieel de voorsprong in adoptie, zei hij, maar “in typisch Amerikaans formaat, zodra we wakker worden, is het alsof: ‘OK, ga uit de weg.’ Amerika is weer wakker geworden, voornamelijk gedreven door de personeelsissues. Als mensen de baan niet willen doen of we geen talent kunnen vinden, hoe minimaliseer je dan die interactie met de machine om een onderdeel te maken? Daarin schittert de multi-as. Als ik mijn staaf correct voorbereid, hoef ik misschien nooit meer dat onderdeel aan te raken tot het compleet is.”

Automatisering vergemakkelijken is het bedrijfs Celos human-machine interface besturing, wat machine-operators in staat stelt om snel een reeks robots te manipuleren om verschillende taken uit te voeren. “We hebben applicaties ontwikkeld die, als je een robot voor een machine zet, de operator geen robot-programmeur hoeft te zijn. Er is een drag-and-drop grafische gebruikersinterface om operators te helpen programmeren. Ons doel is die technologie in handen van de mensen te krijgen, zodat ze niet zowarig zijn voor automatisering, maar comfortabel ermee.”

Het VMC Voordeel

Over het algemeen makkelijker te installeren, “zijn VMCs meestal in een kortere tijd operational en bieden ze minder onderbreking in de dagelijkse bedrijfsvoering,” legde Mitsui Seiki COO Bill Malanche uit. “Ze zijn ook doorgaans kleiner in afmetingen dan veel horizontale machines, wat het algemene gebruik van waardevolle fabrieksvloerruimte reduceert. Het ontwerp van onze machines geeft werkplaatsen en grote fabrieken meer mogelijkheden in een kleiner platform. In onze Vertex-lijn van VMCs biedt de Y-as een grotere hub dan de X-as, wat de totale breedte van de machine kleiner maakt. Meeste VMCs zijn doorgaans breder dan diep.”

Over zijn carrière heen, herinnerde Malanche zich, installeerde hij dozijnen verticale machines in bedrijven over de VS en in het buitenland. “Tot op de dag van vandaag zal ik nog af en toe een klant op een beurs tegenkomen die me herinnerd als het installeren van hun machine, en zegt dat ze die nog steeds hebben, en dat die nog steeds een paar tienden houdt.”

Mitsui Seiki benadrukt jig-bore-stijl machines ontworpen om ultra-hoge precisie in een strak werkbereik te hebben, merkte hij op, wat ze ideaal maakt voor hoogwaardige, laagvolume productie.

“We hebben één klant die ingewikkelde luchtvaartcomponenten produceert die extreem strakke toleranties vereisen,” legde Malanche uit. “De verticale machines die ze gebruiken, produceren een familie onderdelen die ontworpen zijn voor niet alleen productie, maar ook lopend veldonderhoud. Deze omgeving betekent dat de machines een dag voor productiedoeleinden gebruikt kunnen worden, maar onverwachts gedwongen kunnen worden om te wisselen naar veldonderhoudsvereisten.

“Deze klant heeft gekwalificeerde vaklieden die de onderdelen produceren, maar het niveau van het werk is niet geschikt voor gewoon op ‘cycle start’ te drukken; de werkstukken hebben tal van geïntegreerde boren en procescontroles die gemaakt moeten worden tijdens de productie.” Die klant begon met vijf Mitsui Seiki VMCs en heeft er nu 16 in zijn operatie.

In gevallen waar van machines moet worden afgehaald voor “in-proces” CMM-inspectie om van operatie naar operatie te gaan, zei Malanche, “hebben we de klant geholpen de processen semi-te automatiseren, waar ze de machines konden rangschikken met ‘zero point’ vastzet-basisplaten om dezelfde onderdelen van machine naar machine en naar de CMM over te dragen met minimale opstelling en verificatie-doorlooptijd.”

Soms kunnen rather kleine optionele verbeteringen aan basale VMCs helpen met automatisering. Items als gereedschapstasters en spindeltasters kunnen gebruikt worden om wissels te versnellen, en het incorporeren van hoog-herhaalbare zero-point basisplaten kan veelzijdigheid toevoegen.

“Maar ik denk dat het grootste voordeel zit in machines die uitgerust zijn voor vijf-as bewerking,” stelde Malanche. “Hoewel het toevoegen van een vijfde as aan de meeste VMCs doorgaans duur is vooraf, is de investering het waard en soms snel terugverdiend met kritische toepassingen. Het avontuur van het uitrusten van hoge-precisie draaiende vijf-as tafels ingebouwd in de machinestructuur geeft fabrikanten het voordeel van nog meer veelzijdigheid in processtroom.”

Mitsui Seiki heeft zijn VMC-platformen ontworpen om veel unieke productieuitdagingen aan te pakken, vervolgde hij. Het bedrijfs basis vijf-as Vertex-serie worden aangeboden in drie formaten om onderdelen van 500 mm tot 1200 mm in doorsnede te hanteren. “We hebben ze gebouwd met aanpassingen gericht op het aanpakken van veel productieuitdagingen en nieuwe methodologieën. Onze machines zijn niet gebouwd op een gemeenschappelijk platform met alleen verlengde moerbouten voor grotere hubs; deze zijn gebouwd op individuele gietijzeren frames ontworpen voor jarenlange dienst en leven. Onze kleinste versie, de Vertex 550-5X met een 400mm draaitafel, weegt 20.000 pond, en de Vertex 100X is driedeel zoveel. Dit zijn geen ‘wegwerp’ VMC-machines.”

Vertex-machines zijn gebouwd met opties zoals direct drive-type draai-as motoren nodig voor verbeterde contourcontrole in de vleugelprofiel-markt, voegde hij toe. “We hebben combinatie-platform machines ontworpen voor multi-proces mogelijkheden zoals additieve/subtractieve metaaldedepositie, frezen en slippen en het hoge-snelheid elektro-erosieproces genaamd Blue Arc, wat gelicenseerd wordt via General Electric.” Met deze opties snijden gebruikers materialen waaronder keramiek, grafiet, aluminium, titaan, Inconel en meer.

Deze soort flexibiliteit helpt VMCs hun plaats op de markt te herwinnen, waar over de jaren de eisen van hogere productie, gekoppeld aan verminderde arbeidscapaciteit, plaats maakten voor HMCs om te domineren. “In wat een relatief korte periode leek, nam de behoefte aan VMCs een achterbaan naar HMCs met grotere toolwisselaars, palletwisselaars en volwassen flexibele productiesystemen,” zei Malanche. “Derig jaar geleden, steunden de meeste middelgrote tot semi-hoge productiewerkplaatsen zwaar op VMCs om talloze redenen, waaronder opsteltijd, gemak van toegang, gemak van onderhoud, beschikbaarheid van gekwalificeerde werknemers en productmix. VMCs hebben nieuw leven gekregen in de hoge-precisie onderdeelmakende markt.”

Machines In Beweging

Het cruciale concept van kinematica, of hoe een machine zich beweegt, is iets wat YCM Technology USA in Carson, Calif., benadrukt met zijn ingebouwde kinematica-kalibratie voor de Noord-Amerikaanse mark. Die pakketten—met tasters, gereedschapslengtemeting en toolingballen—zullen standaard zijn op YCM’s 3 plus 2 of continue vijf-as machines, zei Brian Huff, business development manager voor het Midwest.

Naarmate een machine zijn functies uitvoert, kan de nauwkeurigheid veranderen, merkte Huff op, en “het is veelvoorkomend dat een operator zou denken dat de machine niet nauwkeurig is of de opname niet nauwkeurig was.” Dat adresseren vereist het definiëren van rotatiecentra voor de vierde en vijfde as en in staat zijn ze te kalibreren. Historisch gezien zouden fabrikanten het rotatiecentrum kunnen instellen als onderdeel van de machine-installatie, zei hij. “Als de klant worstelt met nauwkeurheid, zou het een servicebezoek vereisen, en ze komen terug om die rotatiecentra te herdefiniëren—wat duur kan zijn. Dingen gebeuren, machines bewegen, het gewicht van het werkstuk verandert—en andere dynamieken zijn in spel. Sommige fabrikanten hebben het belang van kinematica-kalibratie sneller omarmd. Daarom is ons belang om het makkelijk te maken voor onze gebruikers en operators; het gaat geen servicebezoek vereisen, en je hebt de machine op het hoogste niveau van nauwkeurigheid.”

Hoe vaak moeten VMCs gekalibreerd worden? Het kan een keer per week, een keer per maand, of zelfs dagelijks zijn, afhankelijk van de applicatie, raadde Huff aan.

“We vertellen onze klanten dat als je werk hebt dat kritischer is en je meer afwijking ziet, draai het kinematica-programma. Als je nauwkeurig werk draait, draai de kinematica; draai het voor de job, draai het dagelijks om zeker te zijn. Als je 0.0005” afwijking ziet over de loop van een week, misschien wekelijks draaien.” Dat vertaalt zich tot 0.0127 mm.

Ideaal zou Huff willen “kinematica een normaal gesprek maken” en proberen de kloof te overbruggen tussen bedrijven die rotatiecentra definiëren bij installatie en diegenen die denken dat kinematica-kalibratie gemakkelijk toegankelijk en snel uit te voeren moet zijn. “Het wordt een leefstijl voor alle fabrikanten.”

Een andere manier waarop YCM nauwkeurigheid aanspreekt is door zijn partnership met Kessler, wiens spindels en koppen op YCM verticale machines verschijnen om klemkracht voor de A en C of B en C assen aan te pakken en rigiditeit aan de punt van het snijgereedschap te behouden. “Onze standaard spindel op onze dubbele kolom vijf-as stempel-mold machine piekt op 54 hp,” zei Huff, of 40,2 kW. “Het is een HSK 100, met 16.000 RPM, dat vol vermogen levert op 2.500 RPM. Hoge rigiditeit, koppel, RPM en pk maakt een echt veelzijdige spindel- en kopconfiguratie. Onze luchtvaartversie gaat tot 18.000 RPM, met een HSK 63 spindel die 94 pk [70 kW] levert, gericht op aluminium bewerking.” Bovendien geeft de partnership met Kessler YCM een Midwest-bron voor spindelreparatie.

YCM Technology legt bijzondere nadruk op zijn vijf-as machines. Terwijl 3 plus 2 configuraties populairder zijn, groeit de vraag naar volle vijf as, merkte Huff op. Hij ziet ook vragen naar automatisering toenemen.

“We zien consistent verzoeken voor automatisering als onderdeel van het machinepakket. Het is niet alleen palletisatie; we zien meer acceptatie van en interesse in pick-and-place automatisering. Het is een natuurlijke pasvorm met vijf-as omdat je in veel gevallen, binnen één of twee opspanningen, het hele werkstuk compleet kunt bewerken. Werkstukvasthouden is in dit geval cruciaal en dat je geen interferentie hebt van vastzetten of klemmen in de weg van de snijder. Als je een werkstuk van de bodem kunt vasthouden en vijf kanten toegankelijk maken, is dat ideaal. Voor vasthouden van de bodem, zijn er fabrikanten die systemen hebben ontworpen die een geweldig werk doen; we werken momenteel met bedrijven die dit type oplossingen aanbieden. Ook bieden we gepalletiseerde automatiseringspakketten met de YCM-machines en ontwikkelen we verder collaboratieve en pick-and-place automatiseringspakketten.”

Mikken op Hoge Productie

De afgelopen twee tot drie jaar waren de meeste VMC-uitrol van Chiron robuuste, hoogvolume productieplatforms ontworpen om de bewerkingsvereisten van grote automobiele en luchtvaartcomponenten te halen, zei Business Development Manager Simon Knecht van Chiron America in Charlotte, N.C.

“Met deze bewerkingscentra met succes gevestigd en breed beschikbaar voor onze Noord-Amerikaanse klanten, versterken we ons productportfolio nu aan de andere kant van het productiespectrum: hoge-precisie, micro-gebearbeide componenten,” zei Knecht.

Dit jaar lanceert Chiron zijn Micro5 bewerkingscentrum, ontwikkeld in Zwitserland en ontworpen voor kleine werkstukken—in de orde van 50×50×50 mm—zei hij. “De snelheid en dynamica van dit bewerkingsconcept zijn ontworpen om klanten te ondersteunen met verhoogde productiviteit. Naast de benchmarks van hoge snelheid en minimaal bewegende massa, is de machine een modulair platform en kan uitgerust worden met geïntegreerde automatisering. Bovendien is de Micro5 ontworpen voor flexibele schaalbaarheid, wat fabrikanten de mogelijkheid geeft om naadloze productielijnen met meerdere machines te creëren.”

VMCs zijn over het algemeen gebaseerd op een modulaire concept, legde hij uit; het is gangbare praktijk om van vierde- naar vijfde-as lay-out te veranderen. “Vaak hebben onze klanten de machineconfiguratie gewijzigd naar een andere tafelinstelling met vierde of vijfde as op de tafel.”

Als andere leveranciers, adres Chiron America de operator-vaardighedenkloof. Slimme automatisering “is één deel van een oplossing die doorvoer garandeert tijdens geplande productie-uren,” zei Knecht. “Automatiseringstechnologieën, met name robots, hebben doorgaans een hoge technische beschikbaarheid en draaien met hoge betrouwbaarheid. Met processen en cellen ontworpen voor kleinere batches, zijn onze automatiseringsoplossingen zelfs in staat om vastzetten in de machine te wisselen. In tegenstelling tot een handmatige opstelling, die vaak meer dan een uur kan duren om de vastzetten te wisselen, verbetert het automatiseren van de VMC met een zero-spanningsysteem de doorvoer en brengt de machine terug naar waar het voor ontworpen is: Bewerken. Onze bewerkingstafel-as-configuraties zijn ontworpen om deze spanningsmethoden te accommoderen.”

Trends zoals de shift naar e-mobiliteit en pandemie-gebeutelde toeleveringsketens eisen meer flexibiliteit van apparatuur—makend setup-verlagende VMC een kritisch hulpmiddel. “De mogelijkheid om snel over te schakelen naar een ander werkstuk op een machine drijft de benadering om het aantal opspanningen te reduceren en zoveel mogelijk operaties binnen dezelfde machine af te ronden,” zei Knecht. Chiron’s geïntegreerde werkstukwisseling stond deellading en lossen toe terwijl hun vijf-as VMCs draaien.

Deze flexibiliteit benutten en een VMC inzetten voor veel verschillende werkstukken “zal leiden tot tastbare voordelen in termen van ROI,” concludeerde Knecht. “Te veel keer heb ik toegewijde machines en apparatuur gezien die stilvielen na verlies van een job of project, terwijl de fabrikant de machine niet volledig kon benutten.”