Der Verzicht auf das Weichglühen erweist sich sowohl ökonomisch als auch ökologisch als vorteilhaft. Die Einsparung an Energie entspricht dem Strombedarf von ungefähr 270 Vierpersonenhaushalten pro Jahr, unter Berücksichtigung eines mittleren Verbrauchs von 3.800 kWh je Haushalt.

Optimale Flankenanbindung und reduzierte Porenbildungstendenz

Das LaserHybrid-Schweißverfahren kombiniert einen auf die Schweißnaht gerichteten Laserstrahl mit einem MSG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Der stark gebündelte Laserstrahl zeichnet sich durch seine extrem hohe Energiedichte aus und dringt beim Schweißen der Maschinenrahmen bis zu 10 mm tief in den Stahl ein. Unmittelbar nach dem Laser folgt der MAG-Prozess, der die Wurzel auffüllt und eine optimale Flankenanbindung gewährleistet. Die zusätzlich eingebrachte Wärme gibt dem Material Zeit zum Ausgasen und reduziert die Porenanfälligkeit im Vergleich zum reinen Laserschweißen. Abhängig von der Blechstärke werden bei Trumpf bis zu 29 Decklagen mit MAG aufgeschweißt.

Bevor sich Trumpf für unser LaserHybrid-Roboterschweißsystem entschied, wurden Konzepte verschiedener Anbieter evaluiert. Ziel war es, die technisch beste und wirtschaftlichste Lösung zu finden. Möglichkeiten, die bis zu 18 Tonnen schweren und 4,5 × 3 × 2 m großen Bauteile beim Schweißen zu umfahren oder sie auf Dreh-/Kipptischen zu positionieren, wurden schnell verworfen. Das von Beginn an favorisierte hauptzeitparallele Rüsten wäre bei diesen Varianten gar nicht oder nur eingeschränkt möglich gewesen.

Deshalb entschied man sich für eine Zwei-Stationen-Portalanlage mit je einem LaserHybrid- und einem MAG-Schweißroboter sowie zwei großen Kipp-Positionierern, die eine waagerechte Bauteilzuführung ermöglichen. Während in der Schweißzelle ein Maschinenrahmen geschweißt wird, kann der nächste bereits auf dem freien Positionierer fixiert werden – für einen nahtlosen Arbeitsablauf.

Alles in allem stellte sich die von uns vorgeschlagene Variante als die beste heraus. Ausschlaggebend waren mehrere Faktoren: ein vernünftiges Sicherheitskonzept, der Verzicht auf eine Brennerwechselstation durch den Einsatz von zwei Schweißrobotern, die problemlose Schlauchpaketführung, der Einsatz von WireSense für die Nahtsuche und die gute Zugänglichkeit des schlanken MAG-Roboters im Bereich der Ecken. Zudem gewährleistet das hauptzeitparallele Rüsten, ermöglicht durch die beiden Kipp-Positionierer, eine effiziente Produktion. Weitere Pluspunkte, die für uns sprachen, waren die langjährige, vertrauensvolle Geschäftsbeziehung, die Offline-Programmierung der Schweißjobs mit Pathfinder und die Kompetenz unserer Fachkräfte in der Anlagentechnik.

Der Einsatz von zwei Schweißrobotern auf derselben Fahrschiene stellt eine besondere Herausforderung dar. Die Lösung besteht darin, dass immer nur einer am Bauteil schweißt, während der andere in Parkposition bleibt. Für jeden Roboter wurde eine spezifische Programmvorlage erstellt, die sämtliche Bewegungen und Fahrten beinhaltet und als Grundlage für die Programmierung der bauteilspezifischen Schweißaufgaben dient.

Die von Trumpf für die Abnahmebauteile zur Verfügung gestellten Schweißfolgen wurden während der Konstruktionsphase mithilfe unserer Offline-Programmier-Software Pathfinder am digitalen Zwilling simuliert und auf Machbarkeit überprüft. So konnten die Schweißfachkräfte des Auftraggebers schon im Vorfeld auf mögliche Produktionsschwierigkeiten – zum Beispiel Zugänglichkeitsprobleme – aufmerksam gemacht werden. Wolfgang Mitterhauser, unser Software-Ingenieur und Pathfinder-Experte, setzte besondere Akzente:

„Ich habe den Postprozessor (Parser) erweitert, damit er für den MAG-Schweißroboter spezielle Befehle wie den Einsatz der WireSense-Nahtsuch-Sensorik übersetzen kann. Der Parser überträgt die erstellten Schweißprogramme vom digitalen Zwilling auf die echte Anlage. Die Erweiterungen beinhalten Programmabschnitte, die genau auf das System des Kunden zugeschnitten und in der Standardversion von Pathfinder nicht enthalten sind“, erklärt Mitterhauser.

Dank dieser Erweiterungen können die Anlagenbediener/-innen genau festlegen, welche Informationen in welchem Umfang vom Postprozessor übertragen werden. „Das Ergebnis ist ein Schweißprogramm, das exakt den Anforderungen des Roboters entspricht“, ergänzt Mitterhauser.

Damit ein möglicher Aufprall des Brenners am Bauteil frühzeitig erkannt wird, kann im Pathfinder ein Kollisionssensor angelegt werden. Erkennt das virtuelle Überwachungssystem einen potenziellen Zusammenstoß, wird dies von der Software sofort angezeigt.  

Der Schweißdraht als Sensor

Selbst wenn alle Systemkomponenten nahezu perfekt ineinandergreifen, riskiert man ohne Nahtsuch-Sensorik Abweichungen beim Lagenschweißen. Das kann zu Bindefehlern wie Durchbrand oder unzureichenden A-Maßen führen. Unsere WireSense-Funktion nutzt die Drahtelektrode als Sensor für die Schweißnahtsuche und verzichtet dabei auf optische Messhilfen, die die Bauteilzugänglichkeit des Brenners beeinträchtigen könnten. Durch punktgenaues Abtasten mittels hochfrequent reversierender Drahtbewegungen werden die verschiedenen Bauteilgeometrien erfasst und die Lage der einzelnen Bleche zueinander präzise bestimmt. WireSense kommt ohne zusätzliche Brenner-Anbauteile aus und benötigt weder Kalibrierungs- noch Wartungsarbeiten. Mithilfe der innovativen Sensorik profitiert Trumpf von fehlerfreien Schweißnähten und verringerten Produktionskosten.

Intelligente Steuerung aller Abläufe

Die benutzerfreundliche Systemsteuerung HMI-T21 RS ist das Herzstück der Schweißanlage. Sie überwacht und koordiniert alle Peripheriekomponenten wie Roboter, Schweißstromquelle, Kipp-Positionierer und Brennerreinigung. Dank der verfügbaren 3D-Echtzeitansichten können die Schweißfachkräfte von Trumpf sämtliche Roboterbewegungen live auf dem Monitor verfolgen. Dabei haben sie die Möglichkeit, zwischen voreingestellten oder selbst erstellten Ansichten zu wählen und diese zu speichern, um stets eine optimale Darstellung zu gewährleisten.

Ein wesentlicher Bestandteil der innovativen HMI-T21 RS ist ihr Programmeditor. Hier definieren Anlagenbediener/-innen die einzelnen Programmabläufe, weisen sie einer Bearbeitungsstation zu und speichern sie als Ablaufschrittkette ab.

In der Statusleiste werden Stör-, Warn- oder Info-Meldungen in Klartext angezeigt. Sind keine Meldungen vorhanden, werden sämtliche Anlagenzustände und der Programmablauf dargestellt, wobei man in der rechten Spalte den angemeldeten Benutzer sieht.

Mitterhauser: „Die Statusübersicht zeigt den Zustand aller vorhandenen Sensoren an. Kommt es zu einer Störmeldung, können sämtliche Signale mithilfe der HMI überprüft werden.“

Virtuelle Inbetriebnahme und Montage

Aufgrund der enormen Abmessungen von Portal und Positionierer war es uns nicht möglich, die gewohnte Installation und Vorab-Inbetriebnahme des Schweißsystems an unserem Standort durchzuführen. Stattdessen setzten wir auf eine virtuelle Inbetriebnahme mithilfe von Pathfinder. Mit Unterstützung der Software erstellten wir einen digitalen Zwilling der Anlage – inklusive aller im Schaltplan definierten Signale sowie einer realitätsnahen Kinematik. Dieses virtuelle Modell ermöglichte uns eine simulationsgestützte Inbetriebnahme unter nahezu realen Bedingungen.

Auch bei der Vorab-Begutachtung durch unseren Kunden erwies sich Pathfinder als überaus nützlich. Sämtliche Bewegungsabläufe der beiden Schweißroboter und Kipp-Positionierer, die bis zu zehn verschiedene Bauteile aufnehmen können, konnten die Trumpf-Experten mithilfe einer Virtual-Reality-Brille realitätsnah erleben.

Trumpf war während der gesamten Designphase involviert und leistete mit Anregungen und Rückmeldungen einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg des Projekts.

Die Montage der LaserHybrid-Schweißanlage am Einsatzort erwies sich als anspruchsvoll. Die enormen Ausmaße des Portals und der bis zu 90° schwenkbare Kipp-Positionierer stellten eine erhebliche logistische Herausforderung dar. Alle Komponenten mussten zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein, um unnötige Verzögerungen zu vermeiden. Besonders herausfordernd war die nächtliche Lieferung der beiden Kipp-Positionierer, die aufgrund ihrer Größe teilweise über gesperrte Autobahnen transportiert werden mussten.