Auch für kleine Losgrößen geeignet

Dipl.-Ing. Hugo Simler ist Produktmanager Plasmaschneidtechnik der Kjellberg Maschinen- und Elektroden GmbH in Finsterwalde, Dr.-Ing. Jörg Müglitz ist Geschäftsführer der ZIS Industrietechnik GmbH in Meerane, Dipl.-Ing Uwe Müller ist Mitarbeiter der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH

Die moderne industrielle Fertigung greift auf verschiedene thermische Schneidverfahren zurück: das Brennschneiden, das Plasma- und das Laserschneiden. Deren Stärken kommen erst dann zum Tragen, wenn die Brennerführung gleichförmig und bahngesteuert erfolgt. Für qualitativ hochwertige Bearbeitungsergebnisse, beispielsweise, sind konstante, auf einen optimalen Betrag eingestellte Schnittgeschwindigkeiten unerlässlich. Es liegt daher nahe, numerisch gesteuerte Maschinen oder Roboter zum Führen des Brenners einzusetzen.

Von Vorteil ist dabei, dass beim Einsatz thermischer Schneidverfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe Reaktionskräfte am Bearbeitungskopf entstehen. Die verwendeten Beabeitungsköpfe sind klein und leicht und erhalten ihre Energie über ein flexibles, beliebig langes Schlauchpaket. Gleiches gilt, wenn mit einem Nd:YAG-Laser geschnitten wird, bei dem der Laserstrahl in einem Lichtleitkabel zum Bearbeitungskopf gelangt.

Industrieroboter bieten als Führungsmaschinen zum Bewegen der Bearbeitungsköpfe sehr gute Voraussetzungen. Sie haben sich mittlerweile von teuren, empfindlichen und komplizierten Geräten für Spezialisten zu preisgünstigen, robusten sowie einfach bedien- und programmierbaren Systemen entwickelt. Damit kann nun auch der mittelständische Anwender ein erhebliches Rationalisierungspotential erschließen.

Zu den Hauptforderungen der mittelständischen Industrie an Roboteranlagen zählt neben einfacher Bedienung und vertretbaren Investitionskosten eine möglichst hohe Flexibilität. Industrieroboter bieten als Universalmaschinen prinzipiell günstige Voraussetzungen, um diese Vorgaben zu erfüllen. Allerdings sind die beabsichtigten technischen und wirtschaftlichen Effekte erst durch folgende Faktoren zu erreichen:

– geschickte Kombination mit der entsprechenden Fertigungstechnologie,

– kluge Einbindung in den betrieblichen Ablauf sowie

– individuell zugeschnittene Anlagen- und Programmiersoftware.

Üblicherweise wird der Industrieroboter als ein System genutzt, das zeitaufwendig per Teach-in programmierte Bewegungsvorgänge beliebig oft, mit hoher Präzision und Zuverlässigkeit ausführt. In der mittelständischen Industrie sind jedoch große Serien und Standardprodukte eher selten. Hier herrschen kleine Losgrößen vor, für die der Unternehmer kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten bei hoher Qualität sucht.

Dank der Fortschritte bei der Steuerungs-Hard- und -Software lassen sich Industrieroboter flexibel und offline programmieren. Zunehmend sind sie mit PC-basierten Steuerungen ausgestattet. Die Robotersteuerung wird Teil der Windows-Welt und über Netzwerk vollständig in diese integriert. So können immer wieder neue Bewegungsprogramme an den Roboter überspielt und von diesem abgearbeitet werden. Angepasste Software-Werkzeuge vorausgesetzt, eignet sich der Roboter – ähnlich einer NC-Maschine – auch für die wirtschaftliche Fertigung von Kleinserien und sogar von Einzelstücken.

Handelsübliche Offline-Programmiersysteme sind zwar sehr leistungsfähig, aber teuer und nur nach langer Einarbeitungszeit zu bedienen. Für mittelständische Unternehmen sind eher individuell zugeschnittene Lösungen gefragt. Sie ermöglichen das Programmieren von Bahnkonturen an einer bestimmten Bauteilklasse, beispielsweise einem Auspuffkrümmer. In Windows-Oberfläche eingebettet, kann sie auch ein Facharbeiter bedienen. Von Vorteil ist weiterhin, dass entsprechende Lösungen inzwischen auch für den Mittelständler bezahlbar sind.

Die von den Autoren vertretenen Unternehmen entwickeln seit Jahren technische Lösungen, die Robotertechnik, Schneid- oder Schweißtechnologie und Software integrieren. Darüber hinaus nutzen sie diese Lösungen selbst zur Lohnarbeit. Die angebotenen Pakete sind somit erprobt und umfassend getestet. Ein Beispiel – eine Roboteranlage zum Plasma- und Autogenbrennschneiden für den Behälterbau – soll dies illustrieren.

Das Herz der Anlage bildet ein Industrieroboter mit PC-basierter Steuerung. Diese kontrolliert auch die Bewegung der Zusatzachsen für den Drehtisch und die Roboter-Verfahreinheit. Das System wird komplettiert durch die erforderliche fertigungstechnische Ausrüstung, zu der die Plasmastromquelle, die Gasversorgung und die Brenner gehören. Letztere lassen sich mit einem manuellen Schnellwechselsystem rasch austauschen.

Wie sich zeigte, ist eine Abstandssensorik bei vielen Schneidaufgaben entbehrlich. Dies senkt die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Nicht zu unterschätzen ist der Aufwand für die Sicherheitstechnik, um die Forderungen der für Industrieroboter geltenden Normen nach DIN EN 775 zu erfüllen. Zwingend erforderlich sind Schutzeinrichtungen wie Sperrzäune, Lichtschranken und dergleichen.

Auf einem Industrie-PC, der direkt neben der Anlage in der Werkstatt aufgestellt ist, generiert der Maschinenbediener die Roboterprogramme für die Schnittkonturen. Er erledigt dies anhand der aus den Werkstattzeichnungen zu entnehmenden Geometriewerte. Innerhalb weniger Minuten kann so nicht nur ein Roboterprogramm erstellt, sondern dieses auch abgearbeitet und ein fertiges Bauteil hergestellt werden.

Die an der Entwicklung der roboterisierten Schneid-Lösungen beteiligten Unternehmen sind bestrebt, diese kontinuierlichen zu verbessern. Außerdem haben sie sich zum Ziel gesetzt, künftig auch adäquate automatisierte Lösungen für das Lichtbogenschweißen anbieten zu können. Allerdings stellt das offline programmierte Schweißen von Durchdringungskonturen ungleich höhere Anforderungen als das Schneiden und bedarf noch intensiver Entwicklungsarbeit.

In der Metallbearbeitung werden drei thermische Schneidverfahren eingesetzt: das Brennschneiden, das Plasma- und das Laserschneiden.

Das Brennschneiden beruht auf einem chemischen Vorgang, bei dem Eisen unter Zuführung reinen Sauerstoffs verbrannt und aus der Schnittfuge ausgeblasen wird.

Beim Plasmaschmelzschneiden hingegen wird das Material durch die Energie des Plasmaschneidstrahles aufgeschmolzen und aus der Schnittfuge geschleudert. Es herrscht primär ein physikalischer Vorgang vor.

Das Laserschneiden ist vom Verfahrensprinzip her entweder dem Plasma- oder dem Brennschneiden verwandt, je nachdem, ob mit einem inerten – also chemisch inaktiven – oder einem aktiven Schneidgas gearbeitet wird. Das High-Tech-Verfahren ist mit hohen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie einem niedrigen Wirkungsgrad verbunden. Gleichzeitig stellt es erhebliche Anforderungen an den Einsatzort und die Qualifikation des Bedieners. Zu den Vorteilen zählen vor allem hohe Präzision und Schnittqualität. Hieraus resultiert eine gute Wirtschaftlichkeit im Bereich von Bauteildicken unter 10 mm und bei hohen Genauigkeitsanforderungen.

Die genannten Vorzüge schwinden allerdings bei zunehmender Bauteildicke oder wenn Genauigkeiten bis zu einigen Zehntelmillimetern zulässig sind. Dies ist stets der Fall, wenn die Teile nachfolgend mittels MIG-, MAG- oder WIG-Verfahren verschweißt werden. Dann bieten das Autogenbrennschneiden oder das Plasmaschmelzschneiden die günstigere Lösung. Beide Verfahren eignen sich für einen rauhen Industrieeinsatz und zum Herstellen von Fasen.

Für das Plasmaschneiden bis etwa 15 mm Blechdicke sprechen niedrige Betriebskosten und eine hohe Schnittgeschwindigkeit. Neue Plasmastromquellen und -brenner versprechen eine ähnliche Fertigungsqualität wie Lasersysteme – und dies bei einem Bruchteil der Anschaffungs- und Betriebskosten. Per Brennschneiden lassen sich auch dicke Bleche trennen. Bei richtiger Handhabung ermöglicht das Verfahren Oberflächenqualitäten, die nahe an die der Schruppbearbeitung heranreichen.