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Eine Stufe in Richtung Zukunft

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Die aktuellen Fälle von Standortverlagerungen zeigen eine Tendenz zur Deindustrialisierung unseres Landes. Man liest überall, dass es teuer ist in der Schweiz zu produzieren, viele Möbelfabriken schliessen. Müssen wir unsere Güter und Dienstleistungen bei unseren Nachbarn einkaufen? Oder im Gegenteil:  Können wir Wege finden, diese Waren in der Schweiz zu produzieren, sie zu exportieren?

Das Unternehmen Holzspur GmbH mit Sitz in Sins im Kanton Aargau wurde 2009 gegründet. Die Grundidee des Unternehmens ist simpel: Die Verkleidung von Treppen mit Treppenstufen aus Parkettplatten. Die Innovation liegt in den Details der Ausführung ohne sichtbare Fugen und einer extrem schnellen Montage. Normalerweise benötigt diese Arbeit viel Zeit durch einen Bodenleger, der jede Leiste manuell an die Profile der Treppenstufen anpasst. Das Unternehmen Holzspur misst die rohen Treppenstufen bei einem ersten Termin vor Ort aus, schneidet die Parkettelemente in der Werkstatt und führt anschliessend die Montage beim Kunden aus. Dank dieser Idee ist das Unternehmen nicht nur in der Lage, eine Verkaufsfiliale in Deutschland zu eröffnen sondern auch 100 Prozent der Produktion in der Schweiz durchzuführen.

Zum Vergrössern klicken | Verkleidung einer Betontreppe

Das Problem
Im August 2015 kontaktiert das Unternehmen Holzspur, unterstützt durch die Hightech Zentrum Aargau AG, den Kompetenzbereich Integrierte Planung und Produktion der Berner Fachhochschule BFH. Die Firma Holzspur hat sich zu einem erfolgreichen KMU entwickelt und arbeitet im Vollbetrieb, um ihren Kundenaufträgen nachzukommen.  Die Produktionsmethoden dagegen haben sich wenig verändert.
Die Treppenstufen werden beim Kunden mit Hilfe eines taktilen Messsystems digitalisiert, anschliessend die Konturen in ein CAD-System in 2D exportiert. Nach aufwendiger Arbeit im Büro werden die definitiven Konturen in der Werkstatt mit Hilfe eines Lasers auf einen Schneidtisch projiziert. Mehrere Mitarbeitende schneiden anschliessend mit handgeführten Maschinen  das Parkett auf die exakten Massen zu. Zusätzlich zu der relativ langen Produktionszeit fehlt es den Elementen oft an Präzision. Diese Ungenauigkeiten verlangen eine komplizierte Anpassung auf der Baustelle, die die Montage bisweilen gar unmöglich macht.
Das Hauptziel der Machbarkeitsstudie war es, Wege zu finden, die Präzision zu verbessern und die Produktionszeit zu verkürzen. Deshalb haben die Forschenden der BFH vorgeschlagen, den Produktionsprozess gemeinsam zu analysieren.
Das Mandat, finanziert durch die Hightech Zentrum Aargau AG, wurde schliesslich auf vier unterschiedliche Arbeitspakete verteilt:

  • Analyse der Daten der Messgeräte
  • Schnittstellen und CAD-Software
  • Tests an einigen Teile
  • Vorschläge bezüglich Produktionswerkzeugen
Zum Vergrössern klicken | Aktueller Schneidprozess mit Elektrowerkzeug

Durchführung und Projektresultate
Das Messsystem, das damals vom Unternehmen gewählt wurde, ermöglicht zwar, eine Treppe komplett in 15 Minuten zu vermessen, aber es erlaubt nur 2D- oder 3D-Punkte im DXF-Format zu exportieren. Diese Punkte müssen anschliessend manuell in einem CAD-System oder in einer Excel-Tabelle aufbereitet werden. Die Verwendung unterschiedlicher Software ohne gemeinsame Schnittstelle ist eine Fehlerquelle und stellt ein ernsthaftes Hindernis für die Endbearbeitung auf einer CNC-Maschine dar.   
Für diesen Bereich wurde vorgängig eine Marktstudie durchgeführt um zu überprüfen, ob bereits eine Software für die Treppenfabrikation besteht, die für das Unternehmen geeignet sein könnte. Die Computerprogramme orientieren sich allerdings häufig an der Produktion von neuen Elementen und beinhalten nicht die nötigen Funktionen für Renovationen.
Für die ersten beiden Arbeitspakete haben die Forscher die Probleme also festgehalten und zwei Varianten zur Bearbeitung und zum Exportieren der Daten auf eine CNC-Maschine definiert:

Variante 1: Excel-Tabelle
Da die Stufen geometrisch vergleichbar sind, ihre Dimensionen aber verschieden, entstand die Idee, die Messpunkte in eine Excel-Tabelle zu importieren und dort alle notwendigen Vektorberechnungen durchzuführen. Die Endkonturen können anschliessend mittels eines VBA-Makro-Codes direkt ins CNC-Programm übertragen werden. Der Vorteil dieser Lösung ist die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Allerdings fehlt eine grafische Benutzeroberfläche, um die fertige Verkleidung der Treppe zu visualisieren.

Variante 2: CAD Rhino-Grasshopper
Für diese Variante wurde eine Softwareroutine mit Hilfe der Modellierungs-Software Rhino 3D programmiert. Die Messpunkte können in dieser Software automatisch gelesen und weiter verarbeitet werden. Schliesslich kann die Treppe in 3D visualisiert und überprüft werden. Die Endpunkte der Treppenstufen werden anschliessend ins CNC exportiert. Diese Lösung bietet zahlreiche Vorteile, aber die bedienende Person kann die Formen nicht manuell korrigieren wie in einem klassischen CAD-Programm.

Zum Vergrössern klicken | Simulation Fräsen mit Software Alphacam

Fräsen mit der CNC-Maschine
Drei komplexe Treppenstufen wurden mit der CNC-Maschine gefräst, um die Bearbeitungszeit festzulegen und den Fräsprozess zu überprüfen. Zuerst haben wir die Parkettleisten per Vakuum mit einer Opferplatte aus MDF festgemacht. Mittels Foldingwerkzeugen werden die Teile in weniger als fünf Minuten mit der CNC-Maschine bearbeitet. Arbeitsablauf und Arbeitsrichtung sind die wesentlichen Punkte, um saubere, splitterfreie Ecken zu erzielen. Ein notwendiges Budget für Maschine und Werkzeuge wurde evaluiert, und die Wirtschaftlichkeit und die Produktionskapazitäten einer CNC-Maschine berechnet. Während dieser Evaluation wurde festgestellt, dass das Rationalisierungpotenzial sehr hoch ist. Schliesslich schätzt die Firma Holzspur, dass die Zeit für die Arbeitsvorbereitung mit dem vorgeschlagenen Prozess um 20 Prozent reduziert werden könnte. Die Bearbeitung könnte mit der Anschaffung einer CNC-Maschine in der Hälfte der Zeit realisiert werden.

Schlussfolgerung
In dieser Machbarkeitsstudie wurden wesentliche Punkte geklärt und Arbeitsansätze an das Unternehmen weitergeleitet. Mit der Erweiterung ihres Know-hows wird das Unternehmen nicht nur seine Zukunft sichern können, sondern auch weiter Richtung Europa expandieren.
Eine zukünftige Zusammenarbeit mit der BFH in Form eines KTI-Projekts würde die Firma Holzspur begrüssen, da noch zahlreiche Aspekte weiterentwickelt werden könnten.