Ein Laser und zwei Roboter

Für außergewöhnliche Fertigungsaufgaben

Selbst bei verfeinerten Verfahren wie dem WIG-Schweißen ergeben sich für Konstruktion und Produktion in vielen Fällen Unzulänglichkeiten. Um den hohen Aufwand durch nachzuarbeitende Schweißnähte oder den starken Verzug mit Folgen für die geforderten Maßtoleranzen zu vermeiden, ist das Laserschweißen die einzige Alternative.

23. November 2002
Die beiden Arbeitsgänge Löten und Verschleifen entfallen beim Laserschweißen.
Bild 1: Ein Laser und zwei Roboter (Die beiden Arbeitsgänge Löten und Verschleifen entfallen beim Laserschweißen.)

H.P. Kaysser Systemlösungen in Metall, Hersteller und Zulieferer von Teilen, Baugruppen und fertigen Produkten in Leutenbach bei Stuttgart, hat sich für das Marktsegment der Schweißtechnik zunächst mit einem handbedienten, gepulsten Festkörper-Laser von Trumpf-Laser mit mittlerer Leistung von 50 Watt und Pulsleistungen bis 5 kW ausgerüstet. Die damit gesammelten guten Erfahrungen flossen in eine Anlage mit einem 2kW-Trumpf-Laser ein. Sie ist mit einer Strahlweiche ausgestattet, mit der wechselweise zwei Schweißroboter mit je sechs Achsen bedient werden. Durch Dreh-Kipptische mit jeweils zwei Achsen stehen zur Bearbeitung dreidimensionaler Werkstücke insgesamt acht Achsen zur Verfügung.

Bernhard Krammer, Abteilungsleiter Laserschweißen bei Kaysser, benennt die Vorteile: „Wir können damit Bleche aus unterschiedlichen Materialien schweißen. Die Bearbeitung mit dem Laser ist verzugsarm und kleinere Nacharbeiten sind nur in seltenen Fällen erforderlich, wenn zum Beispiel Schweißnähte unter Oberflächenbeschichtungen an Sichtflächen stören.“

Kreativität gefordert

Probleme für den Fertigungstechniker ergeben sich laut Krammer lediglich dadurch, daß der Laserstrahl beim Schweißen „zu schnell“ ist und nur etwa ein Drittel der Stückzeit beansprucht. Die restlichen zwei Drittel werden für das Ein- und Auslagern der Teile benötigt. Um das Laserschweißen trotz des vergleichsweise hohen Stundensatzes kostengünstig zu erledigen, ist sowohl bei der Konstruktion der Teile und Vorrichtungen als auch bei deren Bau Kreativität gefragt. „Es ist wichtig, die zu schweißenden Teile oder Baugruppen lasergerecht zu konstruieren. Das geht nur in enger Zusammenarbeit mit den Konstrukteuren der Kunden. Am besten für uns ist es aber, wenn der Auftraggeber uns diesen Part überläßt“, erzählt Krammer. So kann der Aufwand für das Programmieren und den Vorrichtungsbau begrenzt werden. Denn dies hat ein schnelleres und präziseres Schweißen sowie einen minimierten Zeitaufwand für das Teile-Handling zur Folge. Wie vorteilhaft sich die Fertigung komplizierter Teile durch das Laserschweißen verändert, demonstrieren Krammer und sein Programmierer Stefan Berger am Beispiel des Gehäuses einer Waage für die Lebensmittelindustrie in den Abmessungen 265 mal 230 Millimeter. Diese besteht aus 1,5 Millimeter dickem Edelstahl.

Laserschweißen spart Zeit und Geld

Den Boden der Waage gilt es, wasserdicht mit dem Oberteil zu verbinden. Dabei muß die Oberkante scharfkantig bleiben, um die darunter einzubauende Elektronik zu schützen. Vor Einsatz des Laserschweißens wurde der Boden zunächst mit Punktschweißungen befestigt, anschließend hartgelötet, aufwendig verschliffen und schließlich auf Dichtigkeit geprüft. Die beiden Arbeitsgänge Löten und Verschleifen entfallen beim Laserschweißen, das um ein vielfaches schneller ist als das zuvor eingesetzte konventionelle Schweißen - und der Stückpreis ist wettbewerbsfähig. Und dies obwohl für ein Teil etwa sechs Stunden Programmierzeit sowie 50 Stunden Arbeitszeit für die Konstruktion anfallen. Umgelegt auf eine Serie von 5.000 Stück, die in Losgrößen von 250 Stück gefertigt wird, rechtfertigen der Wegfall von Nacharbeiten sowie die hohe Schweißnahtqualität die höheren Prozeßkosten. Die Rüstzeit für eine Losgröße veranschlagt Krammer dabei mit weniger als 15 Minuten.

Bei Konstruktionen aus mehreren Blechteilen kommt es oft nicht so sehr auf die Länge der Schweißnaht an. Statt dessen werden Verzapfungen angebracht, die dann an den Einpaßstellen verschweißt werden müssen. Ein Beispiel dafür ist ein Kartenfach für Bankautomaten, von dem voraussichtlich 12.000 Stück in Losgrößen von je 1.000 hergestellt werden. Es besteht aus 1 mm dickem Stahlblech. Acht Schweißnähte von durchschnittlich 6 mm Länge befinden sich an den Verzapfungen. Auch dort entfällt jegliche Nachbearbeitung der Schweißnähte. Die Stückzeit beträgt einschließlich Ein- und Auslegen 30 Sekunden. Dies wird mit zwei Vorrichtungen für jeweils acht Teile erreicht: Während der Bearbeitungszeit der zweiten kann der Bediener die bereits geschweißten Teile der ersten Vorrichtung entnehmen und sie neu bestücken. Die Programmierzeit beträgt acht, die für den Vorrichtungsbau 33 Stunden.

Programmiert werden Verfahr- und Bearbeitungsweg sowie die Winkellage des Roboterarms mit der Software des Herstellers im „Teach-In“-Verfahren. Der Laser wird mit der von Trumpf Laser gelieferten Software gesteuert. Die Verknüpfung der Laser- und Roboterprogramme übernimmt eine Software, die von einem Dienstleister speziell auf die Anforderungen von Kaysser abgestimmt wurde. Die Zeiten für das „Teach-In“ ergeben sich zwar aus den Besonderheiten des einzelnen Teils und den Vorrichtungen jedes Mal neu, Rückgriffe auf bereits erstellte Programme sind jedoch möglich: „Wir erstellen im Laufe der Zeit eine Vielzahl von Parametern für Werkstoffe, Blechdicken und verschiedene Materialien und archivieren sie. Bei der Erstellung von Programmen für das Laserschweißen von Teilen mit gleichen Parametern greifen wir auf unser Archiv zurück. Das betrifft vor allem Schneidgeschwindigkeiten und Eindringtiefen“, erklärt Krammer das Vorgehen.

Wenn das Laserschweißen bei mittleren und großen Serien seine Prozeßvorteile voll ausspielen kann und so, wie bei Kaysser geschehen, Stückzeiten um das Zweieinhalbfache reduzieren werden, ist es auf jeden Fall das Fügeverfahren der Wahl. Vollends überzeugen kann der Laser dort, wo zudem eine hohe Schweißnahtqualität, etwa bei Sichtkanten, gefordert ist.

Erschienen in Ausgabe: 08/2002