Definition

Eine Fertigungszelle, auch Produktionszelle genannt, ist eine automatisierte Produktionseinheit, die aus einer oder mehreren Maschinen sowie einem Materialflusssystem besteht und eine klar definierte Fertigungsaufgabe übernimmt. Sie kann autonom arbeiten oder in ein übergeordnetes Fertigungssystem integriert sein. Durch die Kombination von CNC-Technik, Robotik und intelligenten Steuerungssystemen ermöglicht eine Produktionszelle eine effiziente, präzise und flexible Fertigung. Je nach Konfiguration kann sie manuell, teilautomatisiert oder vollautomatisiert betrieben werden, um unterschiedliche Produktionsanforderungen optimal zu erfüllen.

Kernkomponenten

Eine Fertigungszelle besteht aus mehreren zentralen Elementen, die eine präzise und effiziente Bearbeitung von Werkstücken ermöglichen. Diese Komponenten arbeiten nahtlos zusammen, um Produktionsprozesse zu automatisieren, Durchlaufzeiten zu minimieren und eine hohe Wiederholgenauigkeit sicherzustellen.

1. Bearbeitungseinheiten

Das Herzstück einer Produktionszelle ist meist ein CNC-gesteuertes Bearbeitungszentrum oder eine spezialisierte Werkzeugmaschine. Diese Maschinen führen präzise Fräs-, Dreh-, Schleif- oder Bohrprozesse durch und sind häufig mit automatischen Werkzeugwechslern ausgestattet, um verschiedene Bearbeitungsschritte in einem Prozessdurchlauf zu ermöglichen.

2. Handhabungssysteme

Um einen reibungslosen Materialfluss innerhalb der Fertigungszelle sicherzustellen, kommen Roboterarme, Portalsysteme oder Linearschienen zum Einsatz. Diese übernehmen das Be- und Entladen der Werkstücke, die Positionierung innerhalb der Bearbeitungseinheit sowie den Transport zwischen einzelnen Prozessstationen.

3. Materialflusssysteme

Automatisierte Fördersysteme, wie Rollenbahnen, Förderbänder oder fahrerlose Transportsysteme (FTS), stellen die logistische Anbindung der Produktionszelle an nachgelagerte Produktionsschritte sicher. Je nach Prozessanforderung werden Werkstücke entweder direkt zur nächsten Station transportiert oder in Pufferspeichern zwischengelagert.

4. Sensorik und Qualitätskontrolle

Moderne Modelle sind mit hochpräzisen Sensoren ausgestattet, die Prozessdaten in Echtzeit erfassen. Optische Messsysteme, taktile Prüftechnik oder Laserscanner kontrollieren die Maßhaltigkeit der gefertigten Teile und ermöglichen eine sofortige Korrektur von Abweichungen.

5. Steuerungs- und Informationssysteme

Die zentrale Steuerungseinheit koordiniert sämtliche Abläufe innerhalb der Fertigungszelle. Sie basiert häufig auf speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), industriellen PCs (IPC) oder Edge-Computing-Lösungen. Diese Systeme kommunizieren mit Produktionsleitsystemen (MES) oder übergeordneter Automatisierungssoftware, um den Fertigungsprozess in Echtzeit zu überwachen, Daten zu analysieren und die Produktion zu optimieren.

6. Sicherheitssysteme

Um den Betrieb einer Produktionszelle sicher zu gestalten, sind verschiedene Schutzmechanismen integriert. Dazu gehören Lichtgitter, Sicherheitszäune, Not-Aus-Schalter und softwarebasierte Überwachungssysteme. Diese Maßnahmen gewährleisten den Schutz des Bedienpersonals und verhindern ungewollte Maschinenstillstände.

Die Kombination dieser Kernkomponenten macht eine Fertigungszelle zu einer leistungsfähigen Einheit innerhalb einer automatisierten Produktionsumgebung. Durch die gezielte Abstimmung der einzelnen Elemente lassen sich Effizienz, Flexibilität und Qualität in der Fertigung nachhaltig verbessern.

Typen und Konzepte

Die Fertigungszelle ist eine zentrale Einheit der modernen Automatisierungstechnik und kann je nach Anwendungsbereich, Flexibilitätsgrad und Integrationsniveau unterschiedlich ausgelegt sein. Die Auswahl des richtigen Konzepts hängt von Faktoren wie Produktionsvolumen, Variantenvielfalt und Automatisierungsgrad ab.

1. Manuelle Fertigungszelle

Bei dieser Variante werden einzelne Maschinen oder Stationen von Bedienpersonal manuell be- und entladen. Sie bietet zwar eine hohe Flexibilität, ist jedoch in Bezug auf Effizienz und Prozesssicherheit begrenzt. Solche Produktionszellen finden sich häufig in Kleinserienfertigungen oder in Bereichen, in denen eine vollständige Automatisierung wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.

2. Teilautomatisierte Fertigungszelle

Hier werden wesentliche Prozesse durch Maschinen und Robotersysteme übernommen, während bestimmte Aufgaben – beispielsweise die Qualitätskontrolle oder der Materialnachschub – noch durch Menschen erfolgen. Diese Lösung eignet sich für mittlere Produktionsvolumen und ermöglicht eine schrittweise Automatisierung ohne hohe Initialkosten.

3. Vollautomatisierte Fertigungszelle

In einer vollautomatisierten Produktionszelle laufen sämtliche Prozesse ohne direkten menschlichen Eingriff ab. CNC-Bearbeitungszentren, Roboter und Materialflusssysteme arbeiten synchron und werden durch ein übergeordnetes Steuerungssystem koordiniert. Diese Art der Fertigung ermöglicht maximale Effizienz, reduzierte Stillstandszeiten und eine gleichbleibend hohe Produktqualität.

4. Flexible Fertigungszelle (FFZ)

Eine flexible Produktionszelle ist darauf ausgelegt, unterschiedliche Werkstücke in variabler Stückzahl zu produzieren, ohne größere Umrüstzeiten zu verursachen. Dies wird durch CNC-gesteuerte Maschinen, automatische Werkzeugwechsler und intelligente Steuerungssysteme erreicht. Die FFZ eignet sich besonders für produzierende Unternehmen, die eine hohe Variantenvielfalt bewältigen müssen.

5. Modulare Fertigungszelle

Diese Konzeption basiert auf einem Baukastenprinzip, bei dem einzelne Module – etwa Bearbeitungsstationen oder Roboter – je nach Bedarf hinzugefügt oder entfernt werden können. Die modulare Fertigungszelle bietet eine hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Produktionsanforderungen und lässt sich leicht erweitern oder umstrukturieren.

6. Verkettete Fertigungszelle (Flexible Fertigungssysteme – FFS)

Hierbei handelt es sich um eine Erweiterung der FFZ, bei der mehrere Fertigungszellen durch ein zentrales Steuerungssystem miteinander vernetzt sind. Werkstücke werden automatisch zwischen den Zellen transportiert, wodurch ein durchgängiger Fertigungsprozess ohne manuelle Eingriffe entsteht. Solche Systeme sind ideal für Serienfertigungen mit hohen Qualitätsanforderungen und ermöglichen eine dynamische Produktionssteuerung.

FAQ – Häufig gestellte Fragen zu Fertigungszellen

Wie unterscheidet sich eine Fertigungszelle von einer klassischen Produktionslinie?

Während eine klassische Produktionslinie in einer festen Abfolge von Stationen arbeitet, ist eine Fertigungszelle flexibler aufgebaut. Sie kann autonom arbeiten oder in ein größeres System integriert werden und ist oft für komplexe, variantenreiche Fertigungsaufgaben ausgelegt.

Welche Rolle spielen Roboter in einer Fertigungszelle?

Roboter übernehmen in einer Produktionszelle häufig das Materialhandling, die Bauteilpositionierung oder unterstützende Fertigungsschritte. Sie sorgen für einen kontinuierlichen Materialfluss und entlasten das Bedienpersonal von monotonen oder ergonomisch ungünstigen Aufgaben.

Wie werden Produktionszellen in bestehende Produktionsprozesse integriert?

Die Integration erfolgt meist schrittweise und beginnt mit einer Analyse der vorhandenen Prozesse. Eine Produktionszelle kann entweder als autarke Einheit arbeiten oder über ein Fertigungsleitsystem (MES) mit bestehenden Produktionsanlagen vernetzt werden.

Welche Branchen setzen Fertigungszellen ein?

Produktionszellen finden Anwendung in zahlreichen Branchen, darunter die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Maschinenbau sowie Elektronikfertigung. Besonders Unternehmen mit variantenreicher Produktion profitieren von dieser Automatisierungslösung.