Bericht_362_Leseprobe

2020
DVS-BERICHTE
Tagung und Ausstellung
Roboter 2020
Automatisiertes Schweißen:
Praktische Lösungen für den Mittelstand

Roboter 2020
Vorträge der gleichnamigen Tagung in Fellbach
am 12. und 13. Februar 2020
Veranstalter:
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und
verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.
DVS-Berichte Band 362
ISBN 978-3-96144-077-1
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses Bandes
oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2020
Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH & Co. KG, Hamm

Vorwort
Roboter 2020
Automatisiertes Schweißen – Praktische Lösungen für den Mittelstand
Liebe Kolleginnen und Kollegen, liebe Teilnehmerinnen und Teilnehmer,
die Technik macht rasante Fortschritte. Themen wie Industrie 4.0, Digitalisierung, Big Data, Robotics,
Virtual Reality, Augmented Reality, Artificial Intelligence sowie autonome Prozesse beeinflussen zunehmend
unser tägliches Leben.
Roboter sind darauf ausgelegt, uns die tägliche Arbeit zu erleichtern, uns von schweren oder gefährlichen
Tätigkeiten zu entlasten oder Routinearbeiten zu übernehmen. Intelligente Roboter greifen, manipulieren,
planen und simulieren. Dabei sind die möglichen Einsatzfelder höchst unterschiedlich. Die Zahl
industrieller Anwendungen steigt stetig.
Unser Fokus beim Einsatz von Robotern gilt ihrem Potential zur weiteren Qualitätsverbesserung und
Effizienzsteigerung von Schweißprozessen. Um diese Entwicklungen aufzugreifen, bietet die Fachtagung
ROBOTER 2020 aktuelle Vorträge aus Industrie und Forschung. Unter dem Motto „Automatisiertes
Schweißen – Praktische Lösungen für den Mittelstand“ diskutieren Sie mit Fachleuten aus vielen Bereichen
die aktuellen Trends zu den Themenfeldern
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Digitalisierung und Robotereinsatz
Fertigungsprozesse und Prozesssicherheit
Moderne Bedienkonzepte und
Anforderungen an das Fachpersonal
Ergänzt wird die Fachtagung durch eine Ausstellung. Ziel ist es, Hersteller und Lieferanten von technischen
Lösungen, Forscher, Dienstleister und Anwender zusammenzubringen, um einen Überblick zu
aktuellen Mechanisierungs- und Automatisierungslösungen zu geben, Trends zu beleuchten, Kontakte
zu knüpfen und zu pflegen sowie Netzwerke zu erweitern. Die Veranstaltung richtet sich nicht nur an
Experten aus diesem Bereich, sondern wir wollen auch Akzente für den Nachwuchs (Studierende, Abiturienten,
Auszubildende) setzen, die den Zusammenhang zwischen Prozess – Mechanisierung/Automatisierung/Digitalisierung
– Bedienung besser verstehen möchten und in diesem Bereich
beruflich Fuß fassen wollen.
Danksagung
Die Vorbereitung und Durchführung solch einer Veranstaltung bedeutet für alle Beteiligten immer einen
großen Aufwand. Der DVS als Veranstalter bedankt sich ausdrücklich bei der Programmkommission, die
eine ansprechende Vortragsreihe zusammengestellt hat. Außerdem danken wir den Referenten für ihre
interessanten und inspirierenden Vorträge sowie den Moderatoren der einzelnen Sessionen. Gleichzeitig
ist die repräsentative Ausstellung nur durch das Engagement der Unternehmen und Sponsoren möglich.
Daher bedanken wir uns ganz herzlich bei den Ausstellern und Sponsoren sowie allen anderen Helfern,
die zum Gelingen von Tagung und Ausstellung beitragen.
Herzlichst
Dr.-Ing. Roland Boecking
Hauptgeschäftsführer DVS e. V.
Christian Paul
Vorsitzender der Programmkommission

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Roboterprogrammierung im Wandel
Wirtschaftlicher Nutzen durch Automatisierung und Digitalisierung in der Schweißtechnik ....... 1
J. Pitzer, Haiger
Mit wissensbasierter Offline-Programmierung gegen Fachpersonalmangel? ............................ 9
J. Bickendorf, Dortmund
Beeinflussung des automatisierten Schweißprozesses – Verbesserung durch eine gemeinsame
Steuerung von Stromquelle und Roboter? ............................................................................... 16
P. Schumacher, Düsseldorf/Neuss
CAx - Computer Aided Arc Welding – Neue Bedienkonzepte für die Programmierung von
Schweißrobotern ...................................................................................................................... 21
L. Bartevyan, Stuttgart
Schweißroboter und Schweißprozesse
Robotergestütztes Schweißen von Rohrknoten ....................................................................... 27
U. Mückenheim, U. Wolski, S. Lotz, S. Keitel, Halle (Saale), J. Müglitz, Meerane, T. Sigmund, Chemnitz
Vollautomatisiertes Laser-MSG-Hybridschweißen von Kfz-Batteriegehäusen - Kostenoptimierte
Lösung im Dienste der Elektromobilität .................................................................................... 34
A. Hartinger, H. Staufer und S. Egerland, Wels/AT
WAAM zur lokalen Verstärkung dünnwandiger Karosseriebauteile im Fahrzeugbau .............. 49
A. Josten, Haiger; M. Höfemann, Salzgitter
Qualitätsoptimierung im mechanischen Fügen durch Einsatz von
Mensch-Roboter-Kollaboration ................................................................................................. 58
F. Schmatz, S. Neumann, J. Sender, W. Flügge, G. Meschut, Rostock/Paderborn
Kollaborierende Roboter in der Schweißtechnik?
„Kollaborierende Roboter in der Schweißtechnik“ .................................................................... 64
A. Henze, Wettenberg
Plug & Weld mit Cobots: Der einfache und schnelle Einstieg in die
Schweißautomatisierung?! ....................................................................................................... 65
S. Ghandi, U. Mückenheim, S. Rose, S. Keitel

Cobot-Schweißen: Anwendungsfelder und Nutzen .................................................................. 74
M. Venth, Auenwald
Aus- und Weiterbildung
Didaktisches Potenzial von Schweißsimulatoren zur Gestaltung einer Lernsituation .............. 77
B. Schmitt, M. Petersen, Universität Bremen
Ausbildungsmöglichkeiten an den SLV-en im Bereich des automatisierten Schweißens mit
Industrierobotern ...................................................................................................................... 81
M. Streff, D. Rotaru, Fellbach
Automatic Path Planning for Industrial Welding Robots: Review and Introduction of a Novel
Framework ............................................................................................................................... 85
G. Hentz, C. Landgraf, J. Stoll, Stuttgart
Prozesssicherheit und Qualität
Einsatz von Maschinellem Lernen zur Stabilitätsprognose in MSG-Schweißprozessen .......... 92
S. Rieck, C. Reppin, A. Gericke und K.-M. Henkel, Rostock
Automatisierte In-Line Prüfung von Schutzgas- und Laserschweißnähten .............................. 99
P. Daniel, Wiesbaden
„Falsche Freunde“ entlarvt - Qualitätssicherung beim Roboterschweißen mit Laser ............. 101
C. Helzle, Aalen
Remote-Laserstrahlschweißen - Gebläse-Crossjet für Scannerschweißoptiken und
Luftmanagement in Laserstrahlschweißzellen ....................................................................... 104
J. Delskamp, Spenge
Autorenverzeichnis ………………………………………………………… ............................… 109

Wirtschaftlicher Nutzen durch Automatisierung und Digitalisierung in der Schweißtechnik
J. Pitzer, Haiger
Automatisierung spielt für produzierende Unternehmen eine immer größere Rolle, um den steigenden, insbesondere
internationalen, Wettbewerb erfolgreich bestreiten zu können. Auch die industrielle Revolution im Sinne von Industrie
4.0 schreitet mit großen Schritten voran und ist – vor allem im privaten Bereich – schon weit verbreitet. Viele Funktionalitäten
und digitale Unterstützung werden von den Menschen im privaten Bereich als selbstverständlich hingenommen
und teilweise schlichtweg vorausgesetzt oder erwartet. Begriffe wie „smart car“; „smart home“, „smart life“
und dergleichen scheinen allgegenwärtig. Auch in der Fachliteratur tauchen immer häufiger smarte Gedanken auf.
Es gibt „smart products“, „smart cars“, „smart buildings“, „smart logistics“, “smart mobility“, “smart grids“ und selbstverständlich
auch die “smart factory”. Entscheidend scheint dabei nicht die Frage, ob die „smart philosophy“ den
Business to Business Bereich erreicht, sondern vielmehr wann und vor allem, wie weit die Digitalisierung schon
verbreitet ist, ohne, dass wir es wirklich gemerkt haben. Auffällig sind vor allem zwei Beobachtungen. Zum einen ist
der Unterschied des Anspruchs an – aber auch der Wahrnehmung von – Digitalisierung stark vom Typ eines Unternehmens
abhängig. Zum anderen scheinen auch die Vorstellungen, was sich genau hinter der Digitalisierung oder
Industrie 4.0 verbirgt sehr individuell zu sein. Dies macht es für Einsteiger in dieses Thema sehr schwierig, auf
bestehende Konzepte zurückzugreifen, um sich eine Vorstellung vom Nutzen für das eigene Unternehmen machen
zu können. Mit diesem Beitrag wollen wir eine mögliche Abgrenzung der unterschiedlichen, aber nicht voneinander
trennbaren, Begriffe zur Verfügung stellen und die Einordnung des eigenen Standpunktes erleichtern. Insbesondere
kleine und mittlere Unternehmen (KMU) haben völlig unterschiedliche und vor allem individuelle Voraussetzungen
und können sich mit den großen Themen aus der öffentlichen Debatte nur schwer identifizieren. Für sie liegt die
digitale Fabrik oder das Internet der Dinge in weiter Ferne und scheint keine Rolle für das eigenen Unternehmen zu
spielen. Da Individualität eine besondere Stellung in der digitalen, automatisierten und vernetzten Umgebung eines
Unternehmens spielt, besteht die Kunst im Umgang mit dem Thema darin, sich aus dem Baukasten der Lösungsansätze
ein individuelles Maßnahmenpaket zusammen zu stellen. Ziel dieses Beitrages ist es, Anknüpfungspunkte für
unterschiedliche Einstiegsniveaus bereit zu stellen und somit vor allem kleinen und mittleren Unternehmen einen
Zugang zu den Möglichkeiten dieser Entwicklungen zu erleichtern.
1 Einleitung
Üblicherweise beginnen Beiträge zum Thema „Industrie 4.0“ mit einer allgemeinen Übersicht über die verschiedenen
Stufen der Industrialisierung. Derartige historische Abrisse mögen dem geschichtlich interessierten Techniker gegebenenfalls
den Einstieg in die Thematik erleichtern, helfen ihm bei der Beantwortung seiner Fragen zur Vierten Industriellen
Revolution in keiner Weise weiter. Wieso das so ist? Die aktuellen und zukünftigen Entwicklungen sind
mit den bisher bekannten und durchlebten Entwicklungen nicht vergleichbar. Die Änderungen sind wesentlich schneller,
die Verknüpfungen deutlich enger, die Sprünge sind größer und vielfältiger, aber vor allem: Ein Großteil der
Veränderung ist auf den ersten Blick nicht sichtbar. Es gibt keine Dampflok, die das Pferd ablöst, es gibt keinen
Generator, der hunderte Bänder und Maschinen antreibt und es ist nicht die Mechanik eines Roboters, die Digitalisierung
vorantreibt. Die entscheidenden Veränderungen spielen sich größtenteils hinter den sichtbaren Komponenten
ab. Sie stecken in vernetzten Systemen, in Quellcodes, in mathematischen Algorithmen, in Software und in Intelligenz.
Der Benefit steckt nur noch zum Teil in der realwirtschaftlichen Wertschöpfung, als vielmehr in den unterschiedlichen,
neuen Geschäftsmodellen dahinter. Die Bedeutung von Dienstleistungen und der Art, wie mit ihr parallel
zu einem physischen Produkt Umsatz generiert wird, nimmt weiter zu.
Doch auch die Vernetzung der Unternehmen untereinander hat mit der weiten Verbreitung von Informationssystemen
eine völlig neue Dimension erreicht. Es kommt nicht mehr darauf an, wo ein Geschäftspartner sitzt. Entfernungen
spielen nur noch dann eine entscheidende Rolle, wenn es keine Breitband-Datenleitung zwischen den Standorten
gibt. Entscheidend für eine Zusammenarbeit ist nicht unbedingt das „wer?“ oder das „wo?“, sondern in vielen Fällen
das „wann?“ bzw. das „bis wann?“ und vor allem das „wie teuer?“.
Vor diesem Hintergrund bedarf es einer völlig neuen Herangehensweise an die Herausforderungen zur Entwicklung
von Geschäftsmodellen. Sicherlich wird das physische Produkt auch in Zukunft notwendig sein, um Funktionen zu
erfüllen und Kundennutzen zu befriedigen. Aber wer seine Produkte – sei es im privaten Bereich oder im Businessto-Business-Umfeld
– an den Mann oder die Frau bringen will, wird seinem Kunden mehr bieten müssen. Und dazu
muss der Unternehmer wissen, welche Bedeutung die Digitalisierung f ür seinen Kunden zum Zeitpunkt des Angebotes
hat. Die Erwartungen an den Grad der Digitalisierung eines Produktes können bei Kunden sehr stark variieren
und darauf muss ein Unternehmer eingehen. Inwiefern es dafür jedoch notwendig ist, dass sich auch kleine produzierende
Unternehmen zu einer digitalen Fabrik wandeln oder ob in Zukunft jedes Produkt einen Zugang zum Internet
der Dinge benötigt, hängt in erster Linie von der Einstellung des Unternehmers hinter dem Produkt ab
DVS 362 1

Bild 1. Beispielhafte Übersicht, in welchen Bereichen smarte Kombinationen im privaten Bereich oder im Business-to-Business-
Umfeld stark vorangetrieben werden.
2 Everything gets smart – ist das smart?
Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 tauchen immer wieder Begriffskombinationen mit dem Begriff „smart“ auf. Betrachtet
man diese Häufung der Formulierung zunächst von der Bedeutung des Wortes „smart“, so spricht auf den
ersten Blick nichts gegen diese Entwicklung. Smart bedeutet nichts anderes als „klug“ oder „intelligent“ – und das
kann per se nicht schlecht sein. Viele Funktionalitäten und digitale Unterstützungen nehmen wir im privaten Bereich
mittlerweile als selbstverständlich hin. Begriffe wie "smart phone", "smart watch", "smart car", "smart home", "smart
life" und dergleichen scheinen allgegenwärtig. Auch im industriellen Bereich tauchen sie immer häufiger auf. Es gibt
"smart products", "smart buildings", "smart logistics" und selbstverständlich auch die "smart factory". Doch wie weit
ist die Digitalisierung tatsächlich schon verbreitet? Auffällig ist, dass der Anspruch an und die Wahrnehmung von
Digitalisierung sehr stark vom Typ eines Unternehmens abhängen. Auch innerhalb eines Unternehmens gibt es – je
nach Abteilung – sehr individuelle Vorstellungen, was genau sich hinter Digitalisierung und Industrie 4.0 verbirgt. Vor
allem kleine und mittlere Unternehmen haben völlig unterschiedliche und höchst individuelle Voraussetzungen und
können sich mit den großen Themen der öffentlichen Debatte nur schwer identifizieren. Für sie liegen die digitale
Fabrik und das Internet der Dinge oftmals in weiter Ferne und scheinen keine Rolle für das eigene Unternehmen zu
spielen.
Allerdings ist auch hier eine differenzierte Herangehensweise angebracht. Die Verlagerung von Intelligenz vom Menschen
hin zur Sache erleichtert in vielen Bereichen den Umgang mit der Sache und kann darüber hinaus den Nutzen
dieser Sache deutlich steigern. Gleichzeitig kann diese Verlagerung auch dazu führen, dass wesentliches Knowhow
vernachlässigt wird oder gar verloren geht, was dem grundsätzlichen Streben nach Wissen und Neugier entgegen
wirkt. Ein plakatives Beispiel hierzu ist sicherlich die hohe Verbreitung von Navigationssystemen in Fahrzeugen.
Während man vor wenigen Jahren noch vor Beginn einer Reise mit einer Karte – zumindest grob – geplant hat und
sich einen Überblick über die Route verschafft hat, setzt man sich heute völlig unvorbereitet in sein Auto und folgt
den Anweisungen der Stimme aus dem Smartphone. Dies führt immer wieder zu amüsanten Meldungen in den
Nachrichten, wenn wieder einmal ein Reisebusfahrer einen gleichnamigen, aber falschen Skiort angefahren hat und
mit seiner Reisegruppe statt in den Alpen an der Atlantikküste vorgefahren ist. Es kann aber durchaus auch zu
lebensbedrohlichen Situationen führen, wenn ein Autofahrer am Übergang auf eine Fähre nicht darauf achtet, ob die
Fähre schon am Anlieger festgemacht hat und er geradewegs in den Rhein fährt. Beides zeigt, dass der Umgang
mit intelligenten Systemen nur dann den vollen Nutzen liefert, wenn der Anwender diese Technologien trotz aller
Intelligenz auch bewusst einsetzt.
2 DVS 362

Im privaten Bereich bleiben die Auswirkungen dieser „Intelligentisierung von Dingen“ im Großen und Ganzen im
Rahmen und haben kaum Auswirkungen auf andere. Der Privatanwender kann für sich selbst entscheiden und verantworten,
wie weit er die neuen Technologien nutzen und zulassen möchte. Er entscheidet selbst, ob Daten aus
seinem Umfeld Dritten zugänglich gemacht werden. Es ist jedoch offensichtlich, dass eine Entscheidung gegen die
Teilnahme an dieser Entwicklung zu spürbaren Nachteilen führt und man sich zwangsläufig ein Stück weit aus dem
social media Leben heraus zieht. Somit scheint die Entscheidung, ob jemand an der Entwicklung überhaupt teilnehmen
möchte, nicht ganz freiwillig zu sein. Ganz anders kann das jedoch im Unternehmenskontext aussehen. Hier
kann sich ein Unternehmer in vielen Fällen noch weniger frei entscheiden, ob er an der Entwicklung teilnehmen
möchte. Mit der Einführung von intelligenten Produkten und weitreichender Vernetzung im Unternehmen geht in der
Regel eine Öffnung der Netzwerke von Unternehmen für Dritte zwangsläufig einher. Es entstehen neue Datenflüsse,
die dem Nutzer nicht immer offensichtlich sind. Dies kann zu Unsicherheit führen und stellt insbesondere für kleine
und mittlere Unternehmen eine große Hemmschwelle dar. Bezieht man diesen Sachverhalt auf die Schweißtechnik,
so kommt hinzu, dass sich vor allem kleine und mittlere Betriebe aus der Schweißtechnik in einem eher konservativen
Umfeld bewegen, die mit Automatisierung, Digitalisierung oder gar Industrie 4.0 bisher nicht in Berührung gekommen
sind. Sie müssen sich verstärkt mit diesen Themen auseinander setzen, vertraut machen und lernen, die richtige
Stufe der Unternehmensentwicklung zu definieren. Man bewegt sich also ständig im Spannungsfeld zwischen Nutzensteigerung
durch Digitalisierung und potentieller Gefahr durch Missbrauch von Zugangsmöglichkeiten und Datenverfügbarkeit.
Allerdings sollte man sich hierbei die Frage stellen, welche realen Auswirkungen ein Missbrauch
haben könnte, welcher Schaden wirklich eintreten könnte und ob diese Schäden durch eine zusätzliche Öffnung der
Systeme entstehen würde oder ob diese Gefahr nicht sowieso schon durch die vorhandene Datenverfügbarkeit besteht.
3 Automatisierung ist der Schlüssel zur Effizienz
Für eine positive Unternehmensentwicklung ist es notwendig, den eigenen Startpunkt zu kennen. Gerade kleine und
mittlere Unternehmen, die regional gut aufgestellt sind und sich eventuell über mehrere Generationen hinweg einen
soliden Kundenstamm aufgebaut haben, sind mit dem Begriff Industrie 4.0 überreizt und ersticken jeden Gedanken
an diese Entwicklung aufgrund des Überangebots an Informationen im Keim. Sie fertigen ihre Produkte oft mit einem
hohen Anteil an manuellen Fertigungsschritten und vertreten die Meinung, dass ihr Produkt nicht für die Automation,
geschweige denn für eine vernetzte Produktion geeignet sei. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass in vielen
Beiträgen die Begriffe „Automation“, „Digitalisierung“ und „Industrie 4.0“ oft verschwimmend verwendet werden und
keine klare Abgrenzung stattfindet. Betrachtet man zum Beispiel die grundsätzliche Definition der Stufen der Automatisierung,
so stellt man schnell fest, dass viele Betriebe mehr Automatisierung einsetzen, als sie zunächst vermuten.
Geht man in der Geschichte der Menschheit zurück, so haben schon die ältesten Völker mit der Mechanisierung
begonnen. Bereits aus der Antike ist der Wunsch des Menschen bekannt, seine Arbeit durch automatische Helfer
erledigen zu lassen. Die Maschinen der alten Baumeister waren in der Lage, beeindruckende Arbeiten zu leisten.
Auch im Mittelalter wussten die Menschen sich die Arbeit mit Hilfe großer Apparaturen zu erleichtern.
Bezogen auf die Schweißtechnik definiert die DIN 1910-100 unterschiedliche Grade der Mechanisierung, bis hin zum
vollautomatischen Schweißen von Bauteilen:
Tabelle 1. Übersicht der Grade der Mechanisierung in der Schweißtechnik
Benennung Brenner-/ Werkzeug -
führung
Zusatzvorschub
Werkstückhandhabung
Manuelles Schweißen
(Handschweißen)
manuell manuell manuell
Teilmechanisiert manuell mechanisch manuell
vollmechanisiert mechanisch mechanisch Manuell
automatisiert Mechanisch mechanisch mechanisch
So spricht die DIN 1910-100 von einem manuellen Schweißprozess eigentlich nur beim E-Handschweißen mit Stabelektrode
oder beim WIG Schweißen mit manuell zugeführtem Zusatzwerkstoff, da hier alle wesentlichen Tätigkeiten
manuell ausgeführt werden und nicht durch mechanisierte Systeme unterstützt werden. Bereits der im allgemeinen
Sprachgebrauch als manuell bezeichnete Metallschutzgasschweiß (MSG)-Prozess mit abschmelzender Endlosdrahtelektrode
ist bei genauerer Betrachtung schon ein teilmechanisierter Schweißprozesses, da die Drahtelektrode
durch das Drahtvorschubgerät mechanisch vorgeschoben und nur die Führung des Schweißbrenners selbst
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manuell ausgeführt wird. Erst diese Entwicklung – die der Endlosdrahtelektrode – hat es schlussendlich ermöglicht,
dass wir heute automatisiert schweißen können.
Solange die Zuführung der Bauteile oder die Brennerführung nicht auch mechanisiert ausgeführt wird, spricht die
Norm von teilmechanisierten Prozessen. Erst wenn auch diese Schritte mechanisiert in den Fertigungsprozess eingebunden
sind, spricht die Norm von einem automatischen Prozess. Der Begriff „vollautomatisch“ ist demnach genau
genommen überzogen.
Da ein automatisierter Prozess in der Regel eine Abfolge wiederkehrender Arbeitsschritte ist, kann eine deutlich
konstantere Qualität erreicht werden, als bei den manuellen Prozessen. Allerdings überwiegen noch weitere Vorteile
der Automatisierung gegenüber dem manuellen Schweißen. Ein Handschweißer schweißt mit einer Schweißgeschwindigkeit
von ca. 35-45 cm/min. Während einer 7-Stunden-Schicht muss er mehrfach pausieren oder wird durch
Nebentätigkeiten vom Schweißen abgehalten. So kommt ein durchschnittlicher Schweißer vielleicht auf eine produktive
Schweißzeit (Lichtbogenbrennzeit, ist vergleichbar mit der Einschaltdauer) von 30-50%. Setzt man für die gleiche
Aufgabenstellung ein mechanisiertes oder automatisches System ein, so können sowohl die Schweißgeschwindigkeit
als auch die Einschaltdauer je nach Anwendung mit Eindraht-Schweißprozess erheblich höher sein. Nimmt man
für die gleiche Anwendung eine Schweißgeschwindigkeit von 70 cm/min mit einem Roboter an, so erreicht man allein
dadurch eine Steigerung der Produktivität um 100%. Nimmt man weiter an, dass ein mechanisiertes System eine
Einschaltdauer bis zu 95% haben kann, so wäre die Produktivitätssteigerung bei einer Einschaltdauer von 70% noch
einmal um 75% gestiegen. Führt man diese Überlegung weiter und setzt Systeme ein, die die Rüstzeiten parallel zu
den Produktionszeiten legen, so kann man hier weitere Steigerungen der Produktivität erreichen. Auf diese Weise
kann mit einem vergleichsweise einfachen mechanisierten System die Produktivität leicht verdreifacht werden.
Doch nicht nur die direkten Produktivitätssteigerungen zeigen, dass die Investition in automatisierte Systeme vorteilhaft
sein kann. In vielen Fällen arbeiten schweißtechnische Betriebe nach Schweißanweisungen oder anderen produktionsrelevanten
Vorgaben. Bei manuell geführten Schweißanwendungen bedarf es erfahrener, guter Schweißer,
die in der Lage sind, diese Vorgaben über die Naht hinweg, über den Tag hinweg und über die Woche hinweg
konstant einzuhalten. Nur so kann die geforderte Qualität – aus der sich die Vorgaben ableiten – eingehalten werden.
In den meisten Fällen wird diesen Vorgaben ein recht breites „Gut-Fenster“ eingeräumt. Je breiter das Fenster ist,
desto einfacher ist es für den Schweißer, formal korrekt zu schweißen. Allerdings birgt ein breites Fenster die Gefahr,
dass die Naht formal zwar in Ordnung ist, aber der Parameter real zu hoch oder zu niedrig war. Beides kann zu
unzulässigen Unregelmäßigkeiten in der Naht oder zur Zerstörung des Werkstoffes führen oder schlichtweg unwirtschaftlich
sein und sollte vermieden werden. Je kleiner das Fenster ist, desto näher ist der Realwert am idealen
Sollwert.
Für ein mechanisiertes System gibt es diese Schwankungen über die Zeit nicht. Ein mechanisiertes System arbeitet
vormittags genauso wie nachmittags und arbeitet montags genauso wie mittwochs oder freitags. Auch Schwankungen
aufgrund mangelnder Handfertigkeit kommen bei Robotern nicht vor. Daher kann bei einem mechanisierten
System das erlaubte Sollwert-Fenster deutlich kleiner sein, als bei einer manuell ausgeführten Tätigkeit. Dies hat
darüber hinaus zur Folge, dass man mit einem mechanisierten System deutlich näher an die Grenze des technisch
Machbaren rücken kann und somit die Wirtschaftlichkeit innerhalb des Schweißprozesses an seine Grenze ausreizen
kann. Welche Auswirkungen eine Optimierung und Ausreizung der Schweißparameter bereits im Kleinen haben
kann, zeigt folgendes Zahlenspiel. Schweißt man eine Naht für ein a-Maß=4mm mit einer Schweißgeschwindigkeit
von 60cm/min mit dem Roboter, so ist das für einen Handschweißer schon nicht mehr erreichbar. Für einen Meter
Schweißnaht bräuchte man demnach 1:36min. Dafür würde man z.B. 14m/min Drahtvorschub wählen. Dreht man
jetzt den Drahtvorschub auf 16m/min, erreicht man nicht mehr ca.7kg Abschmelzleistung pro Stunde, sondern 8kg.
Damit füllt man den Meter nicht mehr in 1:36min sondern in 1:29min. Man spart also pro Meter Schweißnaht 7 Sekunden.
Das klingt auf den ersten Blick sehr wenig. Wenn man aber im Jahr 20km dieser Schweißnaht fertigt, so
kommt man schnell auf 38 Stunden Einschaltdauer, die eingespart werden können.
Darüber hinaus gibt es Schweißverfahren, die nur noch mechanisiert eingesetzt werden können. Denken wir hierbei
zunächst an das Schweißen mit zwei oder mehr abschmelzenden Drahtelektroden, so sind hier Reduzierung der
Schweißzeit um bis zu 500% durchaus realistisch. Auch die laserbasierte Schweißverfahren eröffnen dank der hohen
Schweißgeschwindigkeit und des besonders tiefen Einbrandes völlig neue Möglichkeiten der Produktivitätssteigerung.
4 Mit Digitalisierung den Erfolg steigern
Im Zuge der Automatisierung hat auch die Datenverarbeitung und Digitalisierung Einzug in die Fertigung gehalten.
Unbestritten ist, dass eine gewisse Digitalisierung die notwendige Voraussetzung für den Weg in Richtung Industrie
4.0 ist. Von daher soll auch hier kurz auf einige Merkmale der Digitalisierung eingegangen werden. Diese Entwicklung
ist nichts Neues. Computer Added Design (CAD), Computer Added Manufacturing (CAM) oder CNC gesteuerte Maschinen
sind schon lange in den Unternehmen etabliert. Neu ist der immer tiefer gehende Einfluss der Digitalisierung
4 DVS 362

und die Gewinnung und Nutzung von Daten während des Produktionsprozesses. So steigt der Einsatz von Sensorik
bei den Produktionsmaschinen oder in der Fertigungsinfrastruktur. Die Sensoren liefern Daten über den aktuellen
Status der Fertigung, die über Softwarelösungen visualisiert werden können. Der Fertigungsleiter kann sich in Echtzeit
ein Bild darüber machen, wie der Status in der Produktion ist und was als Nächstes kommt. Zu jedem Bauteil
können die Prozessparameter erfasst und dargestellt werden. Stichprobenkontrollen sind jederzeit abrufbar und somit
kann über lange Zeiträume der wahre Zustand der Produktionsmaschine ermittelt werden. Auf diese Weise entsteht
eine Transparenz über den eigenen Fertigungsablauf, der mit analoger oder willkürlicher Auswertung nicht
möglich wäre. Diese Informationen werden den Bedienern, den Fertigungsleitern oder auch anderen Teilnehmern
am Produktionsprozess auf unterschiedlichen Visualisierungsmedien dargestellt. Oftmals über browserbasierte
Dashboards, bei denen sich der Anwender seinen individuellen Bildschirm mit den für ihn relevanten Informationen
selbst zusammenstellen kann.
Bild 2. Beispiel eines Dashboards zur browserbasierten Visualisierung von Produktions- und Prozessdaten
Nicht selten kommt es vor, dass Unternehmer über die Zeit hinweg einer gewissen Betriebsblindheit zum Opfer fallen
und den schleichenden Einzug von Ineffizienz – im einfachsten Fall durch stetigen Werkzeugverschleiß – nicht realisieren.
Ein weiterer triftiger Grund für die Erfassung der Produktionsdaten beziehungsweise der Schweißparameter
sind normative Vorgaben. Für viele metallverarbeitende Betriebe, insbesondere für jene, die der Automobilindustrie
zuliefern, ist eine Zertifizierung nach ISO 9001 verpflichtend. Um nicht von vornherein vom Markt abgeschnitten zu
sein, ist es für diese Unternehmen ratsam, die Mindestanforderungen für ein durchgängiges Qualitätsmanagementsystem
zu erfüllen. An dieser Stelle schließt sich der Kreis zur Einleitung, dass viele Unternehmen nur bedingt frei
sind in der Entscheidung, eine Entwicklung mitzumachen oder nicht. In der ISO 9001 werden die Voraussetzungen
für das Qualitätsmanagement beschrieben. Ein wesentliches Merkmal für ein zertifizierfähiges Qualitätsmanagementsystem
ist die unternehmensübergreifende Dokumentation. Dabei geht es zum einen um den Nachweis für das
Qualitätsmanagementsystem zur Zertifizierung, zum anderen allerdings auch um die Know-how-Erhaltung für interne
Zwecke. Das Qualitätsmanagementsystem ist also die grundlegende Basis und gleichzeitig elementarer Grund, der
eine Parameter-Erfassung erforderlich macht. Neben der Pflicht zur sorgfältigen, unternehmensübergreifenden Dokumentation
verlangen weitere, spezifische Normen detaillierte Aufzeichnungen der gewählten Schweißparameter.
Die EN ISO 1090 beispielsweise, die die Grundlage für die CE-Zertifizierung im bauaufsichtlichen Bereich darstellt,
verlangt eine ständige, eigene Überwachung der Produktion, die sogenannte „werkseigene Produktionskontrolle
(WPK)“. Betriebe, die ihre Produkte mit einem CE-Kennzeichen ausstatten wollen oder müssen, sind also zwangsläufig
mit der sorgfältigen und genauen Erfassung und Dokumentation von Schweißdaten konfrontiert.
Bezogen auf den Schweißprozess sind hier vor allem die direkten Schweißparameter (Strom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit
und eingebrachte Wärme) interessant. Aber auch Nebenparameter wie Gasdurchflussmenge, Motorströme
oder Bauteiltemperatur können problemlos erfasst werden. Der Gasdurchfluss ist ein gutes Beispiel für
häufig auftretende Fehleinschätzung. Bei einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm wird in der Regel eine
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Gasdurchflussmenge von 12-14 L/min empfohlen. Über die Zeit hinweg kann sich die reale Gasmenge am Brenner
verändern. Entweder, weil die Schweißer die Durchflussmenge verstellen oder weil unterwegs entlang der Gasstrecke
Schutzgas verloren geht. Etwa durch undichte Stellen oder poröse Gasschläuche. Zu wenig Gas führt dann
irgendwann zu Poren in der Schweißnaht oder Oxidationsunregelmäßigkeiten. Zu viel Gas kann ebenfalls zu Poren
führen, ist aber auch schlichtweg unwirtschaftlich. Den Gasdurchfluss durch Hören oder Fühlen am Brenner korrekt
einzuschätzen, ist wahrscheinlich nur wenigen Schweißern vorbehalten. Daher sollte regelmäßig die Gasdurchflussmenge
überprüft werden. Diese sollte direkt an der Gasdüse gemessen werden. Der manuelle Messvorgang mit
dem Gasmessröhrchen erfordert eine Unterbrechung der Schweißarbeit und benötigt entsprechend Zeit, sodass
viele Stromquellenhersteller einen Gasdurchflusssensor im Verlauf der Gasstrecke anbieten. Der Gasdurchfluss wird
direkt am Display angezeigt und kann – in Verbindung mit einem Schweißdatenüberwachungstool – von der Stromquelle
kontinuierlich überwacht werden.
Bei den direkten Schweißparametern schließt sich der Kreis von Automatisierung und Datenüberwachung noch deutlicher.
Wie bereits beschrieben ist die Einhaltung der vorgegebenen Schweißparameter ein wesentliches Qualitätsmerkmal
und bezogen auf die Schweißleistung aufgrund des Energieverbrauches auch eine wichtige Controllinggröße.
Auch hier führt eine Abweichung nach oben oder nach unten irgendwann zu Fehlern in der Schweißnaht oder
zur Zerstörung des Grundmaterials. Eine mechanisierte Schweißanlage mit der Funktion, die Schweißparameter zu
erfassen und mit Grenzwerten zu überwachen eröffnet die Möglichkeit, eine 100%ige Kontrolle der Schweißnahtparameter
bezogen auf ein Bauteil sicherzustellen. Die Schweißanlage erfasst die Daten kontinuierlich und vergleicht
sie mit vorgegebenen Soll-Wert-Fenstern und greift selbstständig ein, wenn Abweichungen vom erlaubten Wert auftreten.
Somit ist gewährleistet, dass alle Bauteile, die nicht mit den vorgegebenen Schweißparametern gefertigt worden
sind, aus der Produktion herausgefiltert werden können. Im Umkehrschluss kann garantiert werden, dass alle
Teile, die die Fertigung unbeanstandet verlassen, mit den Parametern geschweißt wurden, die vorgegeben waren.
Allerdings muss man dabei darauf hinweisen, dass die Einhaltung der Schweißparameter nicht gleichzusetzen ist
mit einem fehlerfreien Bauteil. Selbst wenn alle Parameter eingehalten wurden, kann es trotzdem zu unzulässigen
Unregelmäßigkeiten in der Naht führen. Die Kenntnis der wahren Parameter spiegelt daher eine gewisse Wahrscheinlichkeit
über die Qualität einer Schweißnaht wider. Diese Kenntnis dieser Wahrscheinlichkeitsverteilung kann
dann wieder dazu genutzt werden, bei Stichprobenkontrollen die Bauteile zu überprüfen, bei denen die Ist-Werte an
den Grenzen des Erlaubten waren, statt sich mit den Bauteilen aufzuhalten, die mit hoher Wahrscheinlichkeit fehlerfrei
geschweißt wurden. Somit kann die Treffergenauigkeit bei Stichprobenkontrollen mit Hilfe der Schweißdatenüberwachung
optimiert werden.
5 Vernetzung schafft neue Möglichkeiten
Die nächste Stufe in der Reihe ist die Vernetzung der Systeme. Auch hier läuft die Verkettung der physischen Glieder
einer Wertschöpfungskette parallel mit der Vernetzung der digitalen Datenströme. Automatisierte Fertigungsprozesse
bieten zweierlei große, wirtschaftliche Vorteile. Der erste Vorteil ist die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit
einzelner Fertigungsteilprozesse. Am Beispiel einer Schweißaufgabe ist das die Steigerung der Schweißgeschwindigkeit
(durch Steigerung der Abschmelzleistung und Ausreizung der Grenzen) beziehungsweise die Reduzierung
der Gesamtschweißzeit an einem Bauteil durch den Einsatz automationsfähiger Schweißverfahren (Tandem,
Laser, etc.). Diese Option ist vergleichsweise offensichtlich und leicht zu verstehen. Die zweite Option zielt auf die
Verkettung und Integration unterschiedlicher Fertigungsschritte ab. Die Möglichkeiten hängen natürlich stark vom
Bauteil selbst ab. So kann beispielsweise mit einem geeigneten Werkzeug der Aufwand für Heftarbeiten reduziert
werden, wenn die Einzelbauteile in einem Spannwerkzeug gehalten werden. Oder bei Bauteilen, die vorgewärmt
werden müssen, kann mit Hilfe von Wechselwerkzeugen zunächst automatisiert auf exakt die richtige Temperatur
vorgewärmt werden. Im Anschluss wechselt der Roboter den Vorwärmbrenner gegen einen Schweißbrenner und
schweißt das Teil in der gleichen Vorrichtung aus. Durch die Integration vorgelagerter Produktionsschritte können
Transport- und Zwischenlagerkosten reduziert werden. Durch die automatisierte Vorwärmung ist wiederum gewährleistet,
dass die Teile jedes Mal identisch behandelt werden und es nicht zu Schwankungen durch einen manuellen
Bediener kommt.
Gemäß der in der Einleitung getroffenen Definition der Mechanisierungsgrade ist ein Produktionsablauf dann automatisch,
wenn auch die Zuführung und die Abführung der Teile mechanisiert von Statten gehen. Die Logistik zwischen
den verschiedenen Produktionsschritten trägt also Wesentlich zum Grad der Automatisierung bei. Die mechanische
Verkettung und Integration reduziert Transportaufwand und senkt die erforderliche Fläche für Lagerhaltung
zwischen den Stationen. Man weiß zudem zu jedem Zeitpunkt, wo sich ein Bauteil gerade befindet. Im nächsten
Schritt der Automatisierung wird diesem physischen Materialstrom ein digitaler Datenstrom hinzugefügt. In vielen
Fällen erhält ein Bauteil zu Beginn der Fertigung einen Datenträger (zum Beispiel einen RFID-Chip oder einen Barcode).
Auf diesen Datenträger werden im Laufe der Einzelschritte die Bauteil- und Fertigungsdaten gespeichert und
sind somit dem Bauteil zuordenbar. Das kann bereits beim Wareneingang beginnen, wenn dem Grundmaterial die
entsprechenden Links zu den Materialzeugnissen zugeordnet werden oder wenn ein Bauteil die Programme für den
Schweißroboter selbst mitbringt. Oder es können die Schweißparameter und die erlaubten Grenzen individuell zugeordnet
sein und der Schweißautomat liest diese aus und übernimmt sie in seinen Ablauf. Nach dem Schweißen
werden die realen Daten ebenfalls auf den Datenträger gespeichert und sind somit eindeutig dem Bauteil zuordenbar.
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Weitere Informationen wie zum Beispiel die Produktionsdauer, Wartezeiten oder Fehlerhäufigkeit können ebenfalls
mit abgelegt werden.
Bild 3. Beispiel einer Verkettung von unterschiedlichen Fertigungsschritten in einer Gesamtanlage
Auf diese Weise entsteht ein enormer Fundus an Produktions-Know-how, welcher als Datenbasis für eine zielgerechte
Optimierung der Produktion herangezogen werden kann. Die Informationen können unmittelbar zurück in die
Konstruktion gemeldet werden, wenn zum Beispiel erkannt wird, dass die Spaltgröße bei einer Nahtvorbereitung für
eine bestimmte Verbindung ungeeignet ist oder falsch kalkuliert wurde. Diese Information kann dann parallel in die
Qualitätskontrolle gemeldet werden, sodass hier die Verfahren für eine Konstruktionsänderung anlaufen können.
Und wiederum parallel dazu kann die Materialwirtschaft informiert werden, dass sich Bauteilabmessungen ändern
werden.
Für das Qualitätswesen spielt die Vernetzung grundsätzlich eine besondere Rolle. Durch die automatisierte Erfassung
und Verteilung von Informationen ist eine lückenlose Rückverfolgbarkeit gewährleistet. Diese wird inzwischen
sowohl von einigen Normen, aber auch von Kundenkreisen verlangt und ist in der Regel mit großem Erfassungsund
Auswerteaufwand verbunden. Diese Aufwände verursachen zusätzliche Kosten, die in der Regel nicht zu einer
Verbesserung des Produktes oder der Produktfunktion beitragen. Daher ist es oft schwierig, die Kosten für diesen
Aufwand an den Kunden weiter zu geben. Die Folge ist, dass man einen Aufwand hat, der von niemandem bezahlt
wird. Vor allem vor diesem Hintergrund ist eine Steigerung der Automatisierung vor allem für kleine und mittlere
Unternehmen von großem Vorteil, da sie in der Regel mit einer geringeren Ressourcenkapazität wirtschaften müssen.
6 Die 4. Industrielle Revolution in die Fertigung holen?
Alles, was bisher beschrieben wurde, ist im Grunde einfache Mechanisierung in Verbindung mit Sensorik, Verkettung,
Vernetzung und Digitalisierung innerhalb einer Produktion. Auch die internationale Vernetzung von Unternehmen
und anderen Playern in der Weltwirtschaft ist lediglich eine Ausweitung der vorhandenen Technologie. In vielen
Beiträgen zur 4. Industriellen Revolution wird genau das als neue Entwicklung dargestellt. Allerdings fängt die eigentliche
Revolution an dieser Stelle erst an. Mit der 4. Industriellen Revolution ist nicht gemeint, dass man vorhandene
Technologien auf dem Globus verbreitet und in andere Wirtschaftszweige überträgt. Revolution bedeutet einen
grundsätzlichen Wandel zu durchlaufen. Es geht darum, neue Geschäftsmodelle zu erfinden. Alte Zöpfe abzuschneiden
und sich zwangsläufig mit neuen Ideen zu beschäftigen. Das ist vor dem Hintergrund der vergleichsweise konservativen
Schweißtechnikbranche eine große Herausforderung für produzierende Unternehmen. Zur Veranschaulichung
kann ein Blick in eine andere Welt helfen. Vor allem im Endkundengeschäft gibt es zahlreiche Beispiele, in
denen die industrielle Revolution zu einem Umdenken geführt hat. Vor allem plattformbasierte Lösungen sind im
Trend. Markante Beispiele sind das Hotelunternehmen AirBNB, das selbst keine eigenen Hotels besitzt, sondern
lediglich eine Plattform bietet, auf der private Übernachtungsmöglichkeiten angeboten werden. Ebenso verfährt das
Taxiunternehmen Uber, das keine Taxen bereitstellt, sondern Kunden und Anbieter zusammenführt. Ein bekanntes
Beispiel aus dem Business to Business Bereich ist das Geschäftsmodell von Rolls Royce. Der Turbinenhersteller
verkauft seine Triebwerke nicht mehr, sondern vermietet sie und rechnet über die tatsächlich geleistete Betriebsstunde
ab. Er bietet also nicht mehr die Hardware „Turbine“ an, sondern die Funktion „Vorschub“. Möglich ist das
jedoch nur durch den Umstand, dass Rolls Royce die genauen Informationen über den Betrieb des Triebwerkes hat.
Die Turbinen senden diese Informationen regelmäßig direkt an Rolls Royce. Hier hat Rolls Royce markanten Wandel
seines Geschäftsmodells vollzogen und nutzt digitale Informationsverarbeitung als verkaufbares Gut.
Die Frage dahinter ist nicht mehr, welches Produkt braucht der Kunde, damit er seine Aufgabe lösen kann, sondern
vielmehr „Welche Aufgabe muss der Kunde lösen?“. Ein weiteres Beispiel ist hier die Frage nach dem Bohrer oder
dem Loch. Ein Kunde kauft keine Bohrmaschine, weil er eine Bohrmaschine besitzen möchte, sondern er kauft eine
Bohrmaschine, weil er ein Loch benötigt. Hier könnte also ein Geschäftsmodell entwickelt werden, nach welchem
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dem Kunden eine Bohrmaschine zur Verfügung gestellt wird und an Ende wird nach einem gewissen Schlüssel
entsprechend der gebohrten Löcher abgerechnet. Hierzu muss dann aber dem bereitstellenden Unternehmen bekannt
sein, welche Art von Löchern und wie viele Löcher der Kunde mit der Bohrmaschine gebohrt hat. Auch hier
wird der Nutzen „Loch steht zur Verfügung“ verkauft und nicht die Hardware „Bohrmaschine“.
Die Beispiele zeigen, dass es keine Patentlösung oder gar ein Produkt „Industrie 4.0“ gibt. Bei Industrie 4.0 handelt
es sich vielmehr um eine neue Denkweise, eine neue Herangehensweise. Dank der hohen Flexibilität der Lösungsansätze
werden diese auch auf höchst unterschiedliche Problemfälle individuell angewendet.
Deswegen sollten sich Unternehmer Gedanken darüber machen, wie sie mit der „Philosophie Industrie 4.0“ umgehen
wollen. Eine ratsame Herangehensweise könnte sein, dass sich Unternehmen Gedanken machen müssen, ob sie
es sich erlauben können, das Thema „Industrie 4.0“ vollkommen zu ignorieren. Dann muss man sich darüber klar
werden, in welcher Phase der digitalen Entwicklung sich das eigene Unternehmen und das Umfeld befindet. Anschließend
gilt es zu prüfen, welche Voraussetzungen für den nächsten Schritt erforderlich sind. Erst wenn diese
Voraussetzungen geschaffen sind, kann man sich Gedanken über neue Geschäftsmodelle machen. Und als letzter
Schritt gilt es, die Geschäftsprozesse auf die Unternehmensstrategie anzupassen.
7 Zusammenfassung
Der Begriff „Industrie 4.0“ wird seit Jahren inflationär verwendet. Das Problem dabei ist, dass die Vorstellungen der
unterschiedlichen Branchen nicht immer unmittelbar auf die Schweißtechnik übertragen werden können, dies aber
durchaus passiert. Die Forderung nach dem digitalen Lebensbild im privaten Bereich ist für Betriebe aus der
Schweißtechnik nicht so einfach zu übernehmen. Hinzu kommt die Vermischung zahlreicher ähnlicher, aber vom
Wesen her völlig unterschiedlicher Begriffe. Die Vielzahl an Informationen macht es dem Interessierten noch schwerer,
die richtigen Informationen für die eigene Situation heraus zu filtern.
Grundsätzlich ist die 4. Industrielle Revolution nicht mit den vorangegangenen Revolutionen vergleichbar und spielt
sich in einer völlig neuen Dimension ab. Die Herangehensweise ist deutlich individueller und muss für jedes Unternehmen
und teilweise für jedes Produkt oder jede Dienstleistung individuell entwickelt werden. In manchen Bereichen
hat man jedoch keine wirkliche Wahl, sich der Entwicklung zu entziehen oder nicht und ist darauf angewiesen, Teil
des Systems zu werden.
Für Unternehmen, die offen sind, sich mit der eigenen Situation und der Situation im relevanten Umfeld zu beschäftigen,
können sich große Chancen bieten. Die Möglichkeiten reichen von der Steigerung der Produktivität, über die
Optimierung der Abläufe, über die Vereinfachung von Nebentätigkeiten bis hin zur Entwicklung völlig neuer Geschäftsmodelle.
Dabei gibt es kein Patentrezept, das für alle Herausforderungen eine Lösung bietet. Vielmehr ist
unternehmerische Kreativität und die Bereitschaft neue Wege zu gehen eine gute Voraussetzung für einen Start in
die nächste Revolution in der vernetzen Welt von heute.
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Mit wissensbasierter Offline-Programmierung gegen Fachpersonalmangel?
J. Bickendorf, Dortmund
Eine große Chance dem Mangel an qualifizierten Schweißern insbesondere auch in kleinen und mittleren Unternehmen
zu begegnen, ist die Automatisierung mit Robotern. Die entscheidende Voraussetzung eine vergleichbare
Flexibilität und Wirtschaftlichkeit zu erreichen, wie mit qualifizierten Schweißern, ist dabei eine schnelle und einfache
Neuprogrammierung der Roboter auch für kleinste Losgrößen. Dieser Beitrag zeigt die hohen Anforderungen
an entsprechende neue Methoden zur schnellen Roboterprogrammierung auf, beschreibt Lösungen zu deren Umsetzung
und veranschaulicht deren Realisierung am Beispiel des Offline-Programmiersystems „MOSES - IWA“
(Intelligent Welding Assistant). Dieses System ist bereits heute in der Lage, für eine Reihe von Anwendungen mittels
automatischer Schweißprozessplanung, automatischer Bewegungsplanung und simulationsbasierter Programmgenerierung
die Programmierung von Schweißrobotern mit einem Automatisierungsgrad von bis zu 100%
selbständig durchzuführen.
1 Fachpersonalmangel und Automatisierung des Schweißens
In Zeiten zunehmenden Fachkräftemangels, gerade auch an qualifizierten Schweißern, liegt es nahe, den Einsatz
von Automatisierungslösungen wie Schweißrobotern zu erwägen. Selbst bei Verwendung einfacher und kostengünstiger
Lösungen ist die Genauigkeit moderner Industrieroboter in aller Regel hinreichend, um die ruhige Hand
des menschlichen Schweißers zu ersetzen. Der Mensch bringt jedoch eine Reihe weiterer Qualifikationen und
Erfahrungswissen mit, welche nicht ohne Weiteres zu substituieren sind. Dies betrifft vor allem die folgenden Fragen:
• Wo genau beginnen und enden Schweißnähte und wo werden sie unterbrochen?
• In welcher Reihenfolge und Richtung sind Nähte zu schweißen, um den Wärmeverzug gering zu halten?
• Welche Schweißparameter sind einzustellen, um gute Ergebnisse zu erzielen?
Diese Fragen müssen natürlich auch im Rahmen der Roboter-Programmierung beantwortet werden. Hinsichtlich
der Qualifikationsanforderungen an den/die Roboter-Programmierer/in bedeutet dies, dass diese/r nicht nur Erfahrung
in der Teach-In- oder Offline-Programmierung haben muss, sondern auch fundierte Schweißkenntnisse. Mitarbeiter/innen
mit diesen Kenntnissen sind noch schwieriger zu finden, als qualifizierte Schweißer. Die Lösung
dieses Problems kann ein Offline-Programmiersystem (OLP) bieten, welches die Programmierung der Schweißroboter
für neue Aufgaben (teil-)automatisch auf der Basis von CAD-Daten, Schweiß- und Roboter-Wissen durchführt.
2 Prozesskette der automatischen Schweiß-Offline-Programmierung
Voraussetzung dafür ist die Realisierung automatischer Lösungen für eine Reihe anspruchsvoller Teilaufgaben:
Bild 1. Prozesskette der automatischen Schweiß-Offline-Programmierung
Dies beginnt mit der Platzierung der Schweißnähte im CAD-Modell und der automatischen Festlegung der Nahtdicken
(A-Maße) und (ggfls.) der Lagenanzahl. Weiterhin erforderlich sind die Planung der Schweißreihenfolgen und
-richtungen, Zuordnung der Schweißparameter zu den Nähten, Messung der Toleranzen zur Anpassung der Bahn-
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koordinaten, Planung der Roboterbewegungen einschließlich ihrer Aufteilung auf Roboterachsen / Portalachsen /
Positioniererachsen, deren Synchronisation sowie Kollisionskontrolle und möglichst sogar Kollisionsvermeidung. Ist
das alles überhaupt technisch und wirtschaftlich möglich?
3 Lösungsbausteine
Die folgenden Abschnitte beschreiben, wie die genannten Teilaufgaben im Offline-Programmiersystem „MOSES –
IWA“ (Intelligent Welding Assistant) gelöst wurden.
Am Anfang der Prozesskette stehen Geometrieimport und -analyse sowie die Platzierung der Schweißnähte im
CAD-Modell. Für die Platzierung der Schweißnähte im CAD Modell gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:
1) Sofern der Konstrukteur die Schweißnähte bereits im Rahmen des Konstruktionsprozesses als Bestandteil des
3D-CAD-Modells anlegt, können diese zusammen mit dem Geometriemodell in MOSES importiert und ausgewertet
werden. Einige CAD-Systeme bieten für diesen Zweck eigenständige „Schweißnaht“-Objekte an, welche
graphisch als Zylinder, Fillet oder ähnliches Objekt dargestellt und mit Zusatzinformationen, wie zum Beispiel
dem a-Maß, versehen werden können.
Da es jedoch bislang keinen einheitlichen Standard zur Übertragung der Schweißnahtverläufe im Rahmen der
gängigen CAD-Schnittstellenspezifikationen gibt, hat Autocam zusammen mit Partnern den WISCON-Standard
definiert, der bereits vor einigen Jahren vom deutschen Stahlbauverband (DStV / bauforumstahl e.V.) als Empfehlung
für seine Mitglieder übernommen wurde. Dieser nutzt das XML-Format zur Beschreibung der Schweißnahtverläufe
als Ergänzung zu vorhandenen, gängigen CAD-Geometrieformaten wie DSTV/NC oder STEP. Die
WISCON-Schnittstelle wird bereits mit mehreren Stahlbau-CAD-Systemen genutzt (z. B. Trimble Tekla, AVEVA
Bocad, u. a.) und auch im Schiffbau eingesetzt.
Alternativ dazu können Schweißnähte auch als einfache geometrische 3D-Objekte beschrieben werden, sofern
diese mithilfe von Zusatzinformationen (wie z. B. Layer-Zuordnung, Farbe oder andere Attribute) eindeutig als
Schweißnähte identifizierbar sind. Diese können dann als Bestandteil des 3D-Geometriemodells, z. B. im
STEP- oder im IFC-Format, übertragen werden. In diesem Fall ist lediglich der OLP-seitige Implementierungsaufwand
höher, da es sich meist nicht um standardisierte Lösungen handelt.
2) Sofern der Konstrukteur im Rahmen des Konstruktionsprozesses keine Schweißnähte definiert, ist MOSES mit
seinem Modul „Seamdefiner“ in der Lage, Schweißnahtverläufe im 3D-CAD-Modell selbstständig automatisch
anzulegen. Die CAD-Modelle der Schweißbaugruppen müssen dazu zwei Anforderungen erfüllen:
• Es muss sich um Vollkörper-Volumenmodelle (CSG) handeln.
• die Modelle müssen alle konstruktiven Details enthalten, die für die Platzierung und den Verlauf der
Schweißnähte relevant sind (z. B. Ausrundungsradien).
Auf Grundlage dieser Modelldaten platziert MOSES Nähte basierend auf Regeln und auf einer Analyse des
CAD-Baugruppenmodells automatisch dort, wo es schweißtechnologisch sinnvoll und wo die Zugänglichkeit
gegeben ist. Voraussetzung für die Analyse der Baugruppentopologie ist deren Repräsentation als Vollkörper-
Volumenmodell. Deren Informationsgehalt ermöglicht die Nutzung von CAD-Funktionsbibliotheken zur Ermittlung
der Berührkanten und -flächen von Einzelteilen und damit zur Festlegung von Nahtplatzierungen und
Nahtverläufen. Die erforderliche Nahtdicke wird aus Materialstärke, Blechdickenverhältnis, etc. abgeleitet.
Bild 2. Automatische Nahtfindung im CAD-Modell eines Profil-Bauteils
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