Industrie 4.0 bei der Herstellung von
vorgespannten Betonweichenschwellen

Vorgespannte Betonweichenschwellen sind durch eine sehr hohe Variantenvielfalt gekennzeichnet. Kunden dieser Produkte erwarten zunehmend kürzere Durchlaufzeiten nach der Bestellung und erhöhen dabei gleichzeitig immer weiter die Anforderungen an die Qualität. Um dies zu ermöglichen, hat Rail.One nun erstmals ein Werk in Betrieb genommen, bei dem der Industrie 4.0-Ansatz verwendet wurde. Dieses Werk wurde im November 2019 im bayerischen Schwandorf eröffnet, (Abb  1). Die Anlage wurde im Wesentlichen von der Firma Weckenmann Anlagentechnik GmbH & Co. KG realisiert.

1. Grundlagen zu Industrie 4.0

Seit dem Beginn der industriellen Fertigung wurden verschiedene Evolutionsphasen durchlaufen. Die erste Phase begann mit dem Übergang von der Agrar- zur Industriewirtschaft und wird üblicherweise als industrielle Revolution bezeichnet. Die zweite Phase hatte ihren Ursprung mit der Einführung der Elektrizität zu Beginn des 20. Jahrhunderts und ist durch die in der Zeit entwickelte Fließbandarbeit charakterisiert. Mit der Weiterentwicklung der Elektronik und insbesondere der IT setzte dann in den 1970er Jahren die dritte Phase ein. Von da an war man in der Lage, Maschinen gezielt zu steuern, einzelne Abläufe aufeinander abzustimmen und mit Hilfe von Steuer- und Regeltechnik immer besser zu optimieren. Somit konnte man auch dem immer größeren Wunsch nach Differenzierung und Individualisierung von Produkten bei der Massenherstellung nachgehen.

Die bislang vierte und letzte Phase wurde als solches erstmals 2011 auf der Hannover Messe bezeichnet. Im internationalen Kontext wird diese Phase auch durch Begriffe wie „smart manufacturing“, „smart factory“ oder auch CIM „computer integrated manufacturing“ bezeichnet. Grundlegend ist auf jeden Fall, dass die gesamte Wertschöpfungskette von der Bestellung bis zur Lieferung digitalisiert wird. Die in der vorhergegangenen Phase noch passiven Produktionskomponenten werden nun selbständig und steuern bzw. konfigurieren sich situativ entsprechend der notwendigen Auftragslage. Die notwendigen Informationen bezieht man dabei aus einem Leitrechner und alle für die Produktion notwendigen Informationen werden über Datenbanken zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend ist auch, dass die digitalen Komponenten dezentral vorliegen und über situativ zugeschaltete Vernetzung miteinander verbunden sind.

2. Das Konzept für das Werk

Im schienengebundenen Verkehr gibt es eine große Vielfalt an verschiedenen Weichen. Diese können sowohl auf geraden Strecken als auch in Bögen auftreten. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der diese Weichen befahren werden, können die Weichen auch noch unterschiedliche Längen aufweisen. Auf einer in der Strecke liegenden Betonschwelle muss sichergestellt sein, dass die auftretenden statischen und dynamischen Lasten aus dem Zugverkehr zielsicher in den Untergrund abgeleitet werden. Gleichzeitig muss die Schiene dauerhaft gehalten werden. Bei einer Betonschwelle unter einer Weiche muss zudem noch sichergestellt werden, dass alle mechanischen Komponenten für den Betrieb einer Weiche auf den Schwellen befestigt und die entsprechend auftretenden Lasten eingeleitet werden können. Diese Rahmenbedingungen führen bei einer Weichenschwelle dazu, dass jede Schwelle individualisierte Befestigungspunkte aufweist, die schon bei der Herstellung über Anker oder Dübel realisiert werden. Eine ganz besondere Herausforderung ist dabei die präzise Lage dieser Befestigungspunkte. Diese müssen hinsichtlich ihrer geometrischen Position mit einer Toleranz von nur +/- 0,1 mm hergestellt werden. Nur am Anfang und am Ende einer Weiche können Schwellen mit gleichen Abmessungen zum Einsatz kommen, innerhalb einer Weiche unterscheidet sich jede Schwelle von einer anderen. Allein für den Einsatz in Deutschland umfasst die Datenbank für Weichenschwellen derzeit rund 10.000 einzelne individualisierte Schwellen. Jedes Jahr kommen weitere dazu, da auf zahlreichen Bahnstrecken Sonderlösungen notwendig sind.

Die Fertigung von vorgespannten Betonweichenschwellen findet heutzutage hauptsächlich im Langen Spannbett statt. Dabei werden die notwendigen individualisierten Befestigungspunkte und die Länge jeder einzelnen Weichenschwelle über ein sogenanntes „Bodenblech“ realisiert. Die präzise Lage der Befestigungspunkte wird durch entsprechend gesetzte und vermessene Bohrungen umgesetzt. Diese Bleche werden in Lagern vorgehalten und dann für den jeweiligen Einsatz in das Lange Spannbett eingesetzt.

Lange Spannbetten bieten zwar viele Vorteile, haben aber Grenzen hinsichtlich der Automatisierung oder auch der Produktivität und benötigen vor allem ein nicht unerhebliches Volumen an umbautem Raum. Diese Nachteile können üblicherweise durch Karussellanlagen kompensiert werden; also Anlagen, bei denen Formen im Kreislauf geführt werden. Für die Herstellung von Weichenschwellen aus Beton gibt es das bereits, Anlagen in Polen und Italien werden dort schon seit mehreren Jahren betrieben. Allerdings werden bei diesen Anlagen nach wie vor Bodenbleche in den Formen getauscht, was weiterhin eine enorme logistische und personelle Anstrengung bedeutet. In Schwandorf sollte dieses Verfahren noch weiterentwickelt werden. Dabei war die zentrale Idee, zukünftig keine Bodenbleche mehr zu tauschen. Am Ende der Planungsphase stand dann ein völlig neuer Produktionsprozess. Viele Abläufe, die in traditionellen Karussell-Anlagen noch mit der Hand erfolgen, wurden durch modernste Knickarmroboter und automatisierte Portal- und Transportsysteme ersetzt, s. (Abb  2). In Ergänzung dazu sollte dann die gesamte Fertigung in ein digitales Umfeld gemäß den Vorstellungen der Industrie 4.0 gebettet werden.

3. Praktische Umsetzung

Das im Oktober 2019 eingeweihte Werk in Schwandorf wurde speziell auf die Anforderungen und Abmessungen einer Karussellanlage ausgelegt. Die Mischanlage befindet sich in einer Einhausung und ist mit einer stationären Kühl-/Heizanlage verbunden, sodass das ganze Jahr über Beton mit gleichbleibender Qualität und von Umgebungsbedingungen unabhängiger Frischbetontemperatur produziert werden kann. Die Anlage ist platzsparend in einem Gebäude mit einer Grundfläche von rund 2.200 m² eingepasst. An mehreren Stellen sind moderne Knickarmroboter integriert. Ein Roboter besprüht dabei die Formen mit unterschiedlichen Längen mit Trennmittel, bei einem anderen Roboter werden die unterschiedlich benötigten Einbauteile mit der notwendigen Toleranzvorgabe von +/- 0,1 mm exakt in die Form gesetzt, (Abb  3). Mithilfe einer vollautomatischen Köpfchenstauchanlage werden die Spannstahlgarnituren mit den Verankerungselementen vorbereitet und über ein Portalsystem automatisch in der Form platziert. Das Vorspannen erfolgt vollautomatisch, der Betoniervorgang erfolgt halbautomatisch. Das Verdichten der unterschiedlich langen Formen erfolgt durch von unten an die Formen magnetisch angekoppelte Rüttler (MagVib-System der Weckenmann GmbH & Co. KG). Durch die kraftschlüssige und vollständige Kopplung der Rüttler wird die Verdichtungsenergie ohne Verluste in die Form eingetragen und die Lärmentwicklung beim Verdichten ist gering. Auf eine sonst übliche Schallschutzkabine konnte somit verzichtet werden.

Die in der Produktion eingesetzten Maschinen und Formen werden mit einer konventionellen SPS gesteuert. Die SPS kommuniziert dabei durchgehend mit einem Leitrechner, der alle Informationen für die Produktion bereithält. Der Leitrechner wiederum steht in ständiger Verbindung mit dem Firmeneigenen ERP-System (SAP). Sobald ein Auftrag für eine Weiche eingegangen ist, wird dieser über das ERP-System erfasst. In zugeordneten Datenbanken sind sämtliche technische Details dieser Weichen hinterlegt. Die notwendige Bestellung der zu den Weichen gehörenden Zukaufteilen erfolgt dann automatisch unter Berücksichtigung des Produktionstermins. Die Umsetzung der Fertigung übernimmt dann ebenfalls der Leitrechner, der die Auslastung der Formen über entsprechend hinterlegte Algorithmen optimiert. Darüber hinaus übergibt der Leitrechner den verschiedenen Anlagenkomponenten wichtige Informationen, wie z. B. Anzahl, Art und Lage der Einbaukörper, Vorspannkraft, Länge der Spannstahlgarnitur oder die Information für die Herstellung der Beschilderung. Bei der Endmontage werden für die Mitarbeiter auf einem großen Bildschirm über den Leitrechner wichtige Informationen für die Montage jeder einzelnen Weichenschwelle zur Verfügung gestellt. Jede einzelne Form ist mit RFID-Chips bestückt, sodass die Umlaufanlage jederzeit die Position und den Zustand der jeweiligen Form erfassen kann. Final werden dann alle hergestellten Weichenschwellen über den Leitrechner mit einem QR-Code versehen. Ergänzend hierzu wurde ein drahtloses QR-Code Lesesystem installiert, welches über den Leitrechner mit dem ERP-System in Verbindung steht. Damit ist man in der Lage, jede Schwelle am Lagerplatz eindeutig zu identifizieren. Eine entsprechende Zuordnung zu Produktionsaufträgen sowie die lückenlose Rückverfolgbarkeit sind somit sichergestellt.

Natürlich erfordert so ein Ansatz ein ERP-System, welches flex-
ibel und individuell programmiert werden kann. Denn nur so können die notwendigen Prozesse schlank und effizient gestaltet werden. Auch die Anforderungen an die Hardware, die Datensicherheit und die Verfügbarkeit der Produktionsdaten wurden von Anfang an in die Konzeption des gesamten Werkes berücksichtigt. Damit war sichergestellt, dass Probleme in der Datenkommunikation nicht sofort einen Produktionsstopp nach sich ziehen.

Das Ergebnis ist enorm: die Produktivität ist nahezu doppelt so groß wie in herkömmlichen Fertigungsverfahren und durch den hohen Grad an Digitalisierung sind Begleitprozesse (wie z. B. die Erfassung von Daten für die Qualitätssicherung oder die Steuerung der Instandhaltung) in ihrer Effizienz erheblich gesteigert. Durch die Digitalisierung des gesamten Prozesses ist auch eine schnelle Reaktion auf spez-ielle Kundenanfragen möglich. Wenn z. B. auf Baustellen einzelne Schwellen beschädigt wurden und dringend Ersatz benötigt wird, können diese innerhalb weniger Stunden in die laufende Produktion integriert und bereits am nächsten Tag und innerhalb von 24 Stunden zur Auslieferung bereitgestellt werden.

Text: Dr. Ludwig Friedl, CTO PCM Rail.One AG