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Vom 3D-Laser zur Handhabung des Teils. Kann der Roboter die richtige Lösung für Sie sein?

4. Mai 2020 09:30:00 MESZ

Die 3D-Laserschneidesysteme verbreiten sich in einer immer größeren Vielzahl von Anwendungsbereichen: Automotive, Luft- und Raumfahrt, Industriefahrzeuge, Motorräder und Anlagen verschiedener Art.

Da die Zahl der Anwendungen zunimmt, stehen die Hersteller ständig vor neuen Herausforderungen, was die Entwicklung neuer Technologien fördert. Dazu gehören: Optimierung der Schneidprozesse, Verbesserung der Materialflüsse und eine bessere Verwaltung der Neupositionierung der Teile während des 3D-Laserschneidzyklus.

 

Warum wird die Roboterhandhabung beim 3D-Laserschneiden verwendet?

Die Neupositionierung des Teils erfolgt jedes Mal, wenn die zu schneidenden Geometrien nicht in einer einzigen Bearbeitungsposition erreicht werden können.

 

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Während dieses Bedürfnis selten bei Teilen wie tiefgezogenen oder gedruckten Teilen auftritt, tritt es fast immer beim 3D-Laserschneiden von hydrogeformten oder gebogenen Rohren auf, wo normalerweise das Trimmen, Lochen oder Schneiden von Geometrien entlang des Durchmessers des gebogenen Rohrs oder auf gegenüberliegenden Seiten des hydrogeformten Teils eine Änderung der Schneidposition des Teils, auch mehrmals, während desselben Arbeitszyklus erfordert.

In diesem Anwendungstyp spielt die Verwendung des Handhabungsroboters eine wesentliche Rolle und führt zu erheblichen Vorteilen sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht:

  • Mehr Genauigkeit: Bei der Neupositionierung von Teilen führt der Bediener unweigerlich einen kleinen oder großen und völlig unvorhersehbaren Fehler ein, aber das ist bei einem Roboter nicht der Fall. Die Roboterhandhabung zur Neupositionierung des Werkstücks garantiert eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit und verbessert die endgültige Bearbeitungspräzision erheblich.
  • Mehr Produktivität: Verbesserte Produktivität: Mit Hilfe der Robotermanipulation erfolgt die Teilebewegung von einer Schneideposition zur anderen schnell und effizient, ohne dass der Arbeitsprozess zum Öffnen der Türen und zur manuellen Neupositionierung des Teils unterbrochen werden muss. Dies beschleunigt nicht nur den Arbeitszyklus, sondern vereinfacht auch die Berechnung der Zykluszeit und reduziert die Zeit der Kostenvoranschläge.
  • Mehr Machbarkeit: Die Verwendung des Roboters für die Handhabung des mit dem 3D-Laser zu schneidenden Teils erhöht die Anzahl der möglichen Konfigurationen, die dieses gegenüber dem Schneidkopf einnehmen kann und ermöglicht dem Laser, die engsten Bereiche des Teils zu erreichen und die Anzahl der machbaren Teile zu erhöhen.
  • Größere Flexibilität: Im Gegensatz zu einer Schablone für die Werkstückhalterung, die normalerweise große Flächenbereiche unzugänglich macht, hat der Robotergreifer einen besonders kleinen Klemmbereich, so dass fast die gesamte Fläche während desselben Schneidzyklus zugänglich wird.

 

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Die Programmierung des Handhabungsroboters, ein nicht zu unterschätzender Aspekt

In einem 3D-Laserschneidesystem, das den Roboter für die Handhabung des Teils verwendet, ist es wichtig, dass die CAM-Software für die Programmierung des Arbeitszyklus auch die Bewegungen des Handhabungsroboters verwaltet. Der Roboter muss voll in der Anlage integriert sein, nicht nur mechanisch, sondern auch auf Softwareebene. Dies bedeutet, dass der gesamte Arbeitszyklus offline programmierbar sein sollte.

 

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Auf diese Weise muss der Bediener, der dann den 3D-Laserschneidezyklus programmiert, nur wissen, wie die CAM-Software programmiert werden muss, die die gesamte Anlage, inklusive Roboter, verwaltet, er muss nicht wissen, wie der Handhabungsroboter programmiert werden muss, und er muss auch keine spezifischen Kenntnisse oder eine bestimmte Erfahrung mit der Programmierung einer  spezifischen Robotermarke haben, wie ABB, KUKA usw.

Deshalb ist es wichtig, Anlagen zu wählen, deren CAM-Software fähig ist, die gesamte Arbeitszelle zu programmieren: Laserkopf, Handhabungsroboter und andere Systeme, die am 3D-Laserschneidprozess teilnehmen.

 

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Roboter-Laserschneiden oder Laserschneiden mit 5 Achsen, welche sind die Unterschiede?

Der Begriff 3D-Laserschneiden impliziert, dass der Kopf das Teil auch in nicht senkrechter Richtung zu seiner Oberfläche schneiden kann. Dies kann auf Blechen, auf geraden Rohren sowie auch auf dreidimensionalen Profilen jedes Typs erfolgen: tiefgezogene hydrogeformte und gegossene Teile, sowie gebogene Rohre usw.

5 Achsen sind für diesen Bearbeitungstyp und in der 3D-Laserschneideanlage unerlässlich:

  • 3 sind generell in einem grundlegenden kartesischen System X, Y, Z lokalisiert, das dazu dient, den Kopf im Raum zu bewegen;
  • 2 befinden sich dagegen in der Nähe des Schneidkopfes und dienen der korrekten Ausrichtung des Laserstrahls.

In einem Roboter-Laserschneidesystem ist der Schneidkopf auf einem Roboter mit sechs Achsen montiert, die siebte Achse ist jene die es der Düse ermöglicht, sich dem Werkstück anzunähern und von ihm wegzubewegen.  

 

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Wenngleich beide dieser Anlagentypen für denselben Zweck entwickelt wurden: Das Laserschneiden von dreidimensionalen Teilen, weisen sie grundlegende Unterschiede auf, die Sie kennen sollten, um eine informierte Entscheidung treffen zu können. Diese sind:

 

Das Arbeitsvolumen

Die Arbeitsvolumen in Laserschneideanlagen mit 5 Achsen oder in Roboter-Laserschneideanlagen haben vollkommen andere Formen.

Die Laserschneideanlagen mit 5 Achsen haben ein Arbeitsvolumen in Quaderform, während das von Roboter-Laserschneideanlagen einem Ellipsoid ähnelt.

 

 

 

Der Freiheitsgrad

Unter Freiheitsgrad verstehen wir die Bewegungsfreiheit, die dem Laserkopf von der Anlage geboten wird. Es handelt sich um eine wichtige Eigenschaft, die sich direkt auf die Machbarkeit der Teile als auch auf die Produktivität der Anlage auswirkt.

Der Freiheitsgrad eines 3D-Laserschneidesystems ist natürlich an die Anzahl seiner Achsen gebunden, deshalb haben die Roboter-3D-Laserschneidesysteme einen höheren Freiheitsgrad als die Laserschneidesysteme mit 5 Achsen.

Zum Beispiel: In den Roboter-3D-Laserschneidesystemen ermöglichen es die 6 Achsen dem Kopf, auch in vertikaler Richtung von unten nach oben zu schneiden.

 

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Es sollte jedenfalls hervorgehoben werden, dass die Verwendung eines Handhabungsroboters für die Bewegung des Teils den Freiheitsgrad enorm erhöht und dazu führt, dass der Unterschied zwischen 5 oder 6 Achsen fast verschwindet.

 

Genauigkeit und Wiederholbarkeit

Hinsichtlich der Qualität des erzielten Ergebnisses, wenngleich die Wiederholbarkeit der Laserschneidesysteme mit 5 Achsen und der Roboter-3D-Laserschneidesysteme der Oberklasse praktisch die gleiche ist, haben die ersten eine durchschnittlich höhere Genauigkeit als die zweiten, hauptsächlich wegen des kartesischen Systems.

Es folgen einige typische Werte der Genauigkeit und Wiederholbarkeit für ein Laserschneidesystem mit 5 Achsen und ein 3D-Laserschneidesystem, die beide der Oberklasse angehören.

 
Laserschneiden mit 5 Achsen
Laserschneiden mit Roboter
Genauigkeit* ± 0,05 mm ± 0,15 mm
Wiederholbarkeit* ± 0,05 mm ± 0,05 mm

 

Umfang der Investition

Die Kosten der Laserschneidesysteme, die den bisher beschriebenen Systemen entsprechen, können sehr unterschiedlich sein. Das ist hauptsächlich auf das Automationsniveau des gesamten Prozesses, auf die Möglichkeit, einen Handhabungsroboter zu haben und darauf, dass man vor einer personalisierten Lösung steht zu tun haben.

  • Laserschneidesysteme mit 5 Achsen: Es handelt sich um echte Stand-alone-Maschinen, die Kosten haben, welche je nach Modell und Technologie von ca. € 500.000 auf über eine 1,000,000 € variieren können. Obwohl ein Bewegungssystem mit 5 Achsen teurer als ein Roboter ist, werden seine Kosten, da es sich um eine „Standard-Anlage“ handelt, durch die Produktion verschiedener Modelle desselben Typs gedämpft.

  • Allgemein verbreitete Roboter-Laserschneidesysteme: Sie werden oft durch Befolgen der spezifischen Anfragen des Kunden hergestellt. Obwohl die Bestandteile, aus denen sie hergestellt werden, modulare Standard-Teile sind, kann die kundenspezifische Anpassung je nach den Anwendungen zu einer deutlichen Erhöhung der Preise führen. Es ist zum Beispiel Zeit erforderlich, um die gesamte Anlage zu entwickeln, sowie auch, um alle Bestandteile richtig zu verbinden und zu programmieren, damit sie die Aufgaben ausführen können, für die sie entwickelt wurden.

    Der Preis dieser Systeme kann sehr unterschiedlich sein, beispielsweise gibt es Systeme, die mit mehr als einem Roboter mit einem 3D-Laserschneidkopf ausgestattet sind. Für diese Art von Lösungen kann der Preis leicht über eine Million Euro steigen.

  • Kompakte Roboter-Laserschneidesysteme: Als wegbereitende Technologie zieht das 3D-Laserschneiden viele Hersteller an, die ihre Produktion zu erneuern wünschen.

    Um das hohe Maß an Flexibilität und Vielseitigkeit einer Standardmaschine zu gewährleisten (vollständige Kontrolle von einem einzigen Verwaltungspunkt aus, Offline-CAM-Programmierung, Maschineneinrichtung usw.) und um Personalisierungskosten zu vermeiden, haben einige Werkzeugmaschinenhersteller kompakte und standardisierte 3D-Laserschneidrobotersysteme geschaffen.

    Standardisierte Lösungen bieten viele Vorteile, weil ein Werkzeugmaschinenhersteller die Herausforderungen versteht, denen seine Kunden täglich begegnen. Daher enthalten diese Systeme bereits Leistungsmerkmale und Funktionen, die den Produktionsprozess vereinfachen, so dass der Bediener offline programmieren und schnell an die Maschine gelangen kann. Die Produktion ist flexibler, effizienter, einfacher und schneller, aber nicht nur das, auch der technische Kundendienst ist viel besser, denn eine Standardlösung bedeutet, dass die Techniker bereits geschult und bereit sind, bei Bedarf effizient einzugreifen, und dass Ersatzteile immer verfügbar sind. Die Produktionskosten dieser Standardgeräte sind durch die Herstellung mehrerer Modelle desselben Typs begrenzt, so dass der Kaufpreis im Allgemeinen zwischen 300.000 € und 500.000 € variieren kann.

     

Deshalb kann diese Art von Lösung ein äußerst vorteilhafter Weg sein, um mit einer begrenzten Investition und mit einer Maschine, die die Erfahrung und die Technologie eines CNC-Laserschneidsystems aufweist, in die Welt des 3D-Laserschneidens einzusteigen.

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