Mensch und Roboter – Seite an Seite

Fokus/Roboter

Schwächen bei der Konzentration und Ausdauer – niemals! Roboter gelten als verlässliche, unverzichtbare ›Kollegen‹ der Industriemitarbeiter. Sie übernehmen zunehmend das Schweißen, Biegen, Trennen, den Transfer und die Ablage von Rohren. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen werden Roboter künftig noch flexibler machen und den rein repetitiv arbeitenden Roboter auf Dauer ablösen.

22. März 2018
© Kuka
Bild 1: Mensch und Roboter – Seite an Seite (© Kuka)

Morgens zur Arbeit und erst mal den Fernseher einschalten. Passt auf den ersten Blick nicht wirklich. Und doch wird genau das zur Realität bei der kamerakontrollierten, vollelektrischen Fertigungszelle von Transfluid Maschinenbau. Sie ist das Herzstück des intelligenten Rohrbearbeitungssystems. Über einen Großbildschirm flimmern keine aktuellen Nachrichten, sondern wertvolle Informationen zu Energieverbrauch, CPK-Wert und Stückzahl der bisher bearbeiteten Rohre.

Ein wichtiger Baustein des Bearbeitungszentrums von Transfluid sind Roboter, die bei der Fertigung von Klimaleitungen eingesetzt werden. Neben dem Kamerakontrollsystem hat die Bearbeitungsanlage ein Magazin, ein Vier-Achsen-Handlingsystem, zwei Kombinationsmaschinen zur Rohrumformung, eine Biegemaschine, eine Anfaseinheit, einen Nadeldrucker und zwei Roboter.

Roboter im Rohrbiegen

Eine Seite des Rohres wird vor dem Biegevorgang immer mit einer Rohrumformmaschine in Kombination bearbeitet, während die zweite Seite nach dem Biegevorgang spanlos nachbeschnitten und danach ebenfalls umgeformt wird. Falls erforderlich, hält der Roboter das bearbeitete Rohr anschließend in eine Entgratvorrichtung. 

»Beide Enden können mithilfe der Kamera optisch kontrolliert werden«, erläutert Stefanie Flaeper, Geschäftsführerin bei Transfluid. »Alternativ hält der Roboter das Rohr in eine Beschriftungseinheit, in der es dann an allen Positionen markiert werden kann – und zwar ganz ohne Spannvorrichtung.«

Über eine Umformanlage mit Rundtakttisch könnten darüber hinaus zwei Rohre über einen Flansch miteinander verbunden werden. Für den Fertigungsprozess bedeute das neben einem Höchstmaß an Sicherheit eine hohe Ausbringung bei 100 Prozent dokumentierter Qualität – und für die informative ›Unterhaltung‹ per Großbildschirm ist nebenbei auch noch gesorgt …

Roboter haben sich bei der Rohrbearbeitung bewährt. Sie sorgen für kontrolliertes Handling«, betont Flaeper. Ein Roboter sei optimal für die Fertigung gebogener Bauteile geeignet. »Dagegen haben sie eher eine geringe Bedeutung beim Handling langer und gerader Rohre. Hier sind Linearsysteme schneller«, ergänzt sie.

Vor allem in der Verarbeitung sind Roboter weit verbreitet, weil hier komplexe Handlingaufgaben oder relativ schwere Bauteile manipuliert werden müssen.

Automatisiert schweißen

Für Polysoude und seine Kunden bildet der Roboter eine Ergänzung zu herkömmlichen Automatisierungslösungen. Der Roboter ermöglicht die Führung des Brenners für das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) an Rohren selbst unter beengten Platzverhältnissen. Und er gewährleistet »eine qualitativ hochwertige Naht dank seiner Präzision und Reproduzierbarkeit der Bewegungsabläufe bei komplexen Geometrien«, erläutert Hans-Peter Mariner, Geschäftsführer von Polysoude.

Roboter sind im Allgemeinen weit verbreitet in der Schweißtechnik. Allerdings kaum, wenn es um das WIG-Schweißen geht. Angewendet wird das WIG so gut wie überhaupt nicht in Verbindung mit Engspalt-Schweißen und Rohr-in-Boden-Schweißen. Der Grund hierfür seien laut Hans-Peter Mariner gesetzliche Auflagen.

Dazu gehört beispielsweise eine abgeschirmte Zone ohne Zugang für den Bediener – im Gegensatz zu herkömmlichen Automatisierungslösungen. Polysoude aber ermöglicht den Einsatz von Robotern beim WIG-Schweißen.

Das wesentliche Entscheidungskriterium für einen bestimmten Robotertyp besteht in seiner Präzision, »die beim WIG-Schweißen selbst unter Volllast im Bereich von 5/10 Millimetern liegt«, sagt Hans-Peter Mariner. Außerdem gelte der Anspruch auf einfache Programmierung und Verfügbarkeit von Sensorik, insbesondere intelligente Nachverfolgung.

Zu einer gewissen Berühmtheit gelangte das WIG-Schweißen unter Einsatz von Robotern bei einem der weltweit ambitioniertesten Projekte, bei Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Das Projekt soll beweisen, dass die Fusion als Energiequelle ohne CO2-Emissionen in großem Umfang zur Stromerzeugung dienen kann. 35 Länder beteiligen sich an der Konstruktion der geplanten Kammer ›Tokamaks‹ für die Kernfusion.

Extreme Wandstärken zusammenfügen

Polysoude lieferte eine Anlage zum Roboterschweißen an das italienische Unternehmen Simic für deren Konstruktion von für Iter bestimmten Radialplatten aus rostfreiem Stahl mit einer Wandstärke von 100 Millimetern. Das Zusammenfügen der Bauteile erweist sich als außergewöhnliche Herausforderung: Es wird vor Ort in Südfrankreich umgesetzt, bedingt durch die hohe Anforderung an Präzision bei Verbund und eine Null-Fehler-Qualität.

Das WIG-Heißdraht-Engspaltschweißverfahren hat sich als die beste Wahl erwiesen, um Teile mit diesen sehr großen Wandstärken zusammenzufügen. Die Werkzeugträger für Engspaltbrenner, wie eben Roboter und Schweißfahrwerke, sind jeweils an die Größe und Geometrie der zu schweißenden Verbindung angepasst. Angewendet werden kann das WIG-Engspaltschweißen übrigens bei Werkstücken bis 400 Millimeter Wandstärke.

Nach den Sternen greifen

Zuverlässigkeit und Qualität haben naturgemäß eine hohe Priorität beim Iter-Projekt, das seit 2007 beim französischen Kernforschungszentrum Cadarache gebaut wird. In der Tokamaks-Kammer, die von supraleitenden Magneten umgeben ist, sollen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium auf 100 Millionen Grad Celsius gebracht werden, sodass sie miteinander verschmelzen. Eine Technologie, die nach den Sternen greift und sie nachahmen möchte:

Die Kernfusion ist der Grund dafür, dass die Sonne und alle leuchtenden Sterne Energie abstrahlen.

Der hohe finanzielle Aufwand von schätzungsweise mehr als 15 Milliarden Euro für eine der größten Baustellen in Europa und eine sich verzögernde Fertigstellung führten auch zu Kritik an Iter. Befürworter sehen dagegen in der Kernfusion vor allem eine effektive Form der Energieerzeugung, da es zu einer zehnfachen Leistungsverstärkung kommen soll. Obendrein gilt sie als eine Energiequelle ohne CO2-Emissionen und nahezu ohne strahlenden Abfall. Etwa 2025 soll erstmals ein Wasserstoffplasma erzeugt werden. Roboter leisten ihren Beitrag zum Gelingen des Iter-Projektes.

Die Kombination macht’s mitunter. Mit ›Twister‹ entwickelte Wafios ein Biegesystem, das auch bei Rohr-Schlauch-Kombinationen einsetzbar ist. Wafios verbindet das System mit einem Kuka-Roboter zwecks Produktivitätssteigerung – verbunden mit einer denkbar einfachen Bedienung. Kuka, Hersteller von Robotern, sieht seit einigen Jahren einen stetig wachsenden Markt für Roboterbearbeitung.

Bisher standen vor allem Bearbeitungsprozesse mit relativ niedrigen Genauigkeitsansprüchen im Fokus. Hier kam entweder über das Prozesswerkzeug ein genauigkeitsausgleichendes Element – Polierscheibe, Schleifkopf, auslenkbare Entgratspindel – in die Prozesskette, oder die Bearbeitungsgenauigkeiten waren mehr oder weniger irrelevant.

»Diese Bearbeitungsprozesse werden heute noch oft von Menschen ausgeführt, aber infolge zunehmenden Kostendrucks, gleichmäßiger Qualitätsanforderungen oder mangels personeller Ressourcen zunehmend maschinell und automatisiert umgesetzt«, prognostiziert Alexander Bay, Marktsegment Manager CNC/Machining bei Kuka Roboter. Eine Entwicklung, auf die sich Kuka eingestellt hat. Die General Industry wächst sehr stark, und das vor allem außerhalb Deutschlands.

»Dazu muss man nur den Elektronikmarkt betrachten, der ein enormes Wachstumspotenzial für die Automatisierung bietet«, so Bay. Das gebe es insbesondere in Asien. Die Fokussierung auf die General Industry gehe Hand in Hand mit der verstärkten Internationalisierung.

Zukunftsmarkt China

Deutschland ist und bleibt für Kuka ein wichtiger Markt für roboterbasierende Automatisierungslösungen. »Allerdings sehen wir auch, dass die großen Wachstumsmärkte der Zukunft außerhalb Deutschlands und Europas liegen. Deswegen fokussieren wir uns vor allem auf den asiatischen Raum und dort insbesondere auf China, das Land, das auch laut der International Federation of Robotics (IFR) der größte und am schnellsten wachsende Markt für Industrieroboter ist«, so Bay.

Aus gutem Grund gilt China als der Zukunftsmarkt für die Robotik. Schon heute ist er der mit Abstand größte Absatzmarkt für Industrierobotik – und zeichnet sich durch sehr hohe Wachstumsraten aus. In drei Jahren erwartet die International Federation of Robotics, dass der Jahresabsatz an Industrierobotern in China auf 160.000 Stück anwächst – dies sollte dann knapp 40 Prozent des globalen Absatzes entsprechen.

Fräsen riesiger Rohre

Auch der zunehmend attraktivere Markt der Kunststoffrohre ist Kuka wichtig. So lieferte das Unternehmen nicht nur den Roboter ›Kuka 120 R2700 extra HA‹, sondern auch die Lineareinheit ›KL 1500-3 T, zwei Kuka-Servo-Motoren MG 360‹ für die externe Drehachse sowie die Steuerung ›Kuka CNC‹. Die Anlagen sind Teil einer von Eugen Riexinger entwickelten, vollständig integrierten Automatisierungslösung zur Herstellung von Rohren für den Weholite-Lizenznehmer Asset International im walisischen Newport.

Die Automatisierungslösung ermöglicht das präzise Fräsen riesiger Rohre mit Durchmessern bis 3,5 Meter. Eingesetzt werden diese überdimensionalen Rohre unter anderem in der Schwerkraftkanalisation, bei der Entwässerung, in unterirdischen Kanälen, in Rückhaltebeckensystemen oder in Niederdruckanwendungen.

Dank der Barrierefreiheit der Anlage kann der Roboter auf der Lineareinheit direkt an das zu bearbeitende Kunststoffrohr heranfahren und dann das Bauteil flexibel nach Bedarf bearbeiten. »Die Lösung hat dafür gesorgt, dass wir die Produktivität signifikant steigern konnten«, freut sich Graham Bennett, Operation Manager bei Asset International. Bei kürzeren Fertigungszeiten habe man die Kapazitäten um mehr als 50 Prozent erhöht.

Keine Frage, der Einsatz von Robotern bringt bereits heute ein großes Leistungsvermögen: Überall da, wo Mitarbeiter qualitativen Einfluss auf Produkte nehmen können, ist das Potenzial auch sehr hoch. Als ein wichtiger Treiber bei der Roboter-Anwendung gilt der Automotive-Sektor.

Und ein Ende der Entfaltung des Potenzials ist nicht in Sicht. So waren Roboter bisher vor allem repetitiv und haben mit der immer gleichen Präzision und Wiederholgenauigkeit gearbeitet. »Die Anforderungen der Zukunft sind andere – gerade im Bereich professioneller Servicerobotik«, erklärt Alexander Bay, Marktsegment Manager CNC/Machining bei Kuka Roboter. »Wenn Roboter in andere Bereiche vordringen wollen, müssen sie flexibler werden. Dabei kann maschinelles Lernen helfen.«

Teil von Industrie 4.0

Roboter werden zunehmend auch Teil von Industrie 4.0. Der Roboter als flexibles Produktionselement wird dabei in der Lage sein, Daten in der Produktion zu sammeln und diese mit den IT-Systemen auszutauschen. Alexander Bay erläutert: »Produktionsabläufe werden dadurch noch effizienter und die Systeme können schnell auf individualisierte Kundenwünsche reagieren.«

Ein weiterer Trend ist die Vereinfachung der Programmierung. »Des Weiteren die Online-Verknüpfung der Roboter, um Daten aus externen Systemen, zum Beispiel CAD, übernehmen zu können«, ergänzt Stefanie Flaeper. Eine Herausforderung sei es, die Roboter auch für sehr kleine Produktionsgrößen einzusetzen, was heute nur bedingt möglich sei.

Sicher ist auf jeden Fall: »Roboter werden näher an den Menschen rücken, das heißt Roboter werden noch mehr Aufgaben von Menschen übernehmen, die Menschen unterstützen, um bestimmte schwierige Aufgaben umzusetzen«, ist sich Transfluid-Geschäftsführerin Flaeper sicher.

»Interessant wäre es auch, wenn der Roboter präzise die Bewegung eines Menschen in einem Produk-tionsprozess nachahmen könnte, ohne programmiert werden zu müssen.« Mensch und Roboter – Seite an Seite – sozusagen.

Hintergrund

Die Tube in Düsseldorf ist die weltweit wichtigste Messe der Rohr- und rohrverarbeitenden Industrie. Mehr als 1.200 nationale und internationale Aussteller präsentieren auf der Messe die neuen Technologien und moderne Maschinen. Das Angebot umfasst Produkte, Dienstleistungen und Technologien rund um Rohmaterialien, Rohre und Zubehör, Maschinen zur Herstellung von Rohren, Gebrauchtmaschinen, Werkzeuge zur Verfahrenstechnik und Hilfsmittel, Mess- und Prüftechnik, Automation sowie Handel mit Rohren.

Erschienen in Ausgabe: 02/2018