Die Entscheidung, einen Prozess zu automatisieren, ist für viele kleine und große Hersteller von großer Bedeutung. Bei dieser Entscheidung geht es jedoch um weit mehr als nur um technische Fähigkeiten und anfängliche Investitionskosten. Vielmehr handelt es sich um eine strategische Entscheidung, die Einfluss darauf hat, wie Sie Ihre Produkte herstellen, wie flexibel Ihre Produktionslinie sein wird und wie Sie sich auf Ihrem Markt behaupten können.
Sobald Sie sich für einen Automatisierungsweg entschieden haben, entscheiden Sie sich – bis zu einem gewissen Grad – für eine ganze Reihe von Funktionen, Einschränkungen und zukünftigen Optionen. Die richtige Entscheidung kann die Qualität verbessern, den Durchsatz steigern und Ihr Unternehmen für Wachstum positionieren.
Die falsche Wahl kann Sie an ein System binden, das schwer oder teuer zu aktualisieren ist, wenn sich Ihre Anforderungen ändern. Alternativ stellen Sie möglicherweise fest, dass Sie zu viel für Funktionen ausgegeben haben, die Sie nie nutzen werden.
Bei Lasersystemen lassen sich handelsübliche Produkte im Allgemeinen in zwei große Kategorien einteilen: vorkonfigurierte Systeme und kundenspezifische Systeme. Auch wenn es sich hierbei lediglich um zwei Extreme handelt, ist diese Unterscheidung hilfreich, um wichtige Entscheidungskriterien zu skizzieren.
Dieser Artikel soll Ihnen dabei helfen, die richtige Entscheidung für Ihr Unternehmen zu treffen.
Was ist ein vorkonfiguriertes Lasersystem?
Ein vorkonfiguriertes Lasersystem ist in der Regel auf einen niedrigeren Einstiegspreis ausgelegt und für die Ausführung einer definierten, begrenzten Aufgabenpalette konzipiert. Diese Systeme richten sich an Hersteller, die gängige Laserprozesse – wie Schweißen, Reinigen oder Schneiden – automatisieren möchten, ohne Zeit und Kosten für eine kundenspezifische Entwicklung aufwenden zu müssen.
Vorkonfigurierte Systeme sind besonders attraktiv für kleine und mittelständische Hersteller oder für größere Betriebe, die schnell Kapazitäten für standardisierte, wiederholbare Prozesse aufbauen möchten. Der Reiz liegt in ihrer Einfachheit. Sie sind zuverlässig, einfach zu installieren und schnell einsetzbar.
Vorkonfigurierte Systeme sind in der Regel eigenständige Einheiten, die in einem lasersicheren Gehäuse der Klasse 1 untergebracht sind und mit Zugangstüren, Verriegelungen oder Lichtvorhängen ausgestattet sind, um die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten. Sie sind in der Regel so konzipiert, dass sie als eigenständige Arbeitszellen oder Arbeitsstationen und nicht als Komponenten einer vollautomatischen Produktionslinie fungieren.
Je nach Zielanwendung und Teilegröße kann ein vorkonfiguriertes System eine Portalbewegung (kartesisch) oder einen Roboterarm verwenden. Portalsysteme werden in der Regel auf einer Arbeitsplattform aus Stahl oder Granit aufgebaut, die eine stabile Grundlage für präzise Arbeitsabläufe bietet. Robotersysteme verfügen meist über einen 6-achsigen Industrieroboter.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass Lieferanten ihre vorkonfigurierten Systeme mit Optionen anbieten. Dazu können verschiedene Laserquellen, Strahlführungsoptiken und möglicherweise sogar Bildverarbeitungs- oder Prozessüberwachungssysteme gehören.
Verschiedene Teilehalterungen und Befestigungsschnittstellen, wie z. B. Tabletts oder Drehhalterungen, sind ebenfalls häufig verfügbar, insbesondere für Markierungssysteme. Schnittstellen für das halbautomatische Be- und Entladen, wie z. B. Förderbandbeladung oder Drehtische, sind manchmal verfügbar.
Ein wesentliches Merkmal vorkonfigurierter Lasersysteme ist ihre Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) bietet in der Regel eine übersichtliche, menügesteuerte Steuerungsumgebung, deren Zugriff auf voreingestellte Programme oder Rezeptparameter beschränkt ist. Dies ermöglicht die Nutzung durch das Personal in der Fertigung mit minimaler Fachausbildung. Für den Prozessingenieur ist die Erstellung neuer Aufgaben ebenfalls vereinfacht und auch für Personen mit begrenzten Programmierkenntnissen zugänglich.
Was ist ein kundenspezifisches Lasersystem?
Ein kundenspezifisches Lasersystem wird von Grund auf neu entwickelt, um bestimmte Produktionsanforderungen zu erfüllen, die über die Fähigkeiten vorkonfigurierter Systeme hinausgehen. Jedes kundenspezifische System ist per Definition im Wesentlichen einzigartig.
Maßgeschneiderte Lasersysteme bestehen jedoch in der Regel aus mehreren gängigen – und möglicherweise sogar standardisierten – Bausteinen. Dazu können gehören:
- Automatisierte Materialhandhabung
- Teilbefestigung und Werkzeugausstattung
- Teilbewegung und Positionierung
- Laserquelle und Strahlführung
- Sicht, Wahrnehmung und Prozessüberwachung
- Steuergerät und zugehörige Software
- Kommunikationsmodul (zur Anbindung an MES, SPS oder andere Steuerungssysteme der Fabrikautomation)
- Sicherheit und Gehäuse
Diese Elemente können auf nahezu beliebige Weise kombiniert werden, wodurch ein hohes Maß an Komplexität und Raffinesse erreicht werden kann. Bewegungssysteme können mehrere Roboterarme, Portale, Linearstufen oder Drehtische umfassen. Manchmal arbeiten diese unabhängig voneinander, um Teile parallel zu bearbeiten. Manchmal koordinieren sie sich, um die erforderliche Reichweite, Präzision und Geschwindigkeit zu erreichen.
In Bezug auf die Benutzererfahrung (UX) verfügen kundenspezifische Systeme in der Regel über maßgeschneiderte HMIs, die umfassendere Steuerungs- und Überwachungsfunktionen bieten. Bediener und Prozessingenieure haben möglicherweise Zugriff auf fortschrittliche Diagnosetools, anpassbare Prozessparameter und Schnittstellen, die das Rezeptmanagement oder die Produktion mit hoher Produktvielfalt unterstützen. In der Regel sind für die Verwendung dieser Tools umfangreiche Programmier- und Automatisierungskenntnisse erforderlich.
Obwohl kundenspezifische Lasersysteme als eigenständige Arbeitszellen eingesetzt werden können, sind sie häufig für die Integration in anlagenweite Automatisierungssysteme und Produktionslinien ausgelegt. Sie können über Standard-Industrieprotokolle wie EtherNet/IP, Profinet oder OPC UA eine Verbindung zu SPS-Netzwerken, MES-Plattformen und SCADA-Systemen herstellen.
Auswahl zwischen einem vorkonfigurierten und einem kundenspezifischen Lasersystem
Bei der Wahl des richtigen Ansatzes für die Laserautomatisierung müssen viele Faktoren berücksichtigt und gegeneinander abgewogen werden. Einige davon sind offensichtlich, wie Kapital- und Betriebskosten sowie die verfügbare Stellfläche. Andere sind weniger offensichtlich, wie beispielsweise die Qualität des Kundendienstes und die Aufrüstbarkeit.
Bei so vielen Variablen kann die Entscheidungsfindung überwältigend sein. Um diesen Prozess zu optimieren, ist es hilfreich, die Kernfragen zu identifizieren und sich auf diese zu konzentrieren, die am ehesten über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. In Bezug auf die reine Systemfunktionalität haben wir festgestellt, dass diese sieben Faktoren in der Regel am wichtigsten sind.
Anwendungsfit
Dies ist die Grundlage und der Ausgangspunkt des Entscheidungsprozesses. Zunächst müssen Sie Ihren Prozess definieren und dann feststellen, ob ein Laser die besten Ergebnisse liefern kann.
Um diese Einschätzung vornehmen zu können, müssen Sie verstehen, welche Vorteile der Laser bietet – sei es Geschwindigkeit, Präzision, geringere Wärmeeinbringung oder niedrigere Betriebskosten – und entscheiden, wie der Erfolg gemessen werden soll. Wenn keine klare Definition der Aufgabe und der Erfolgskriterien vorliegt, sind die Chancen auf Erfolg gering.
Hier können Anwendungsentwicklungsdienste von Partnern für Laserautomatisierung hilfreich sein. Idealerweise sollten diese über die Ausrüstung und Erfahrung verfügen, um Ihren Laserprozess zu identifizieren, zu testen und zu optimieren.
Teilgröße
Dies mag wie eine banale Überlegung erscheinen, spielt jedoch eine entscheidende Rolle. Lasersysteme sind durch ihren Arbeitsbereich eingeschränkt.
Vorkonfigurierte Systeme sind auf typische Teilabmessungen für bestimmte Branchen ausgelegt – beispielsweise kleine, präzise Komponenten in medizinischen Geräten oder mittelgroße Baugruppen für den allgemeinen industriellen Einsatz. Wenn Teile außerhalb dieser Normen liegen – sei es, weil sie größer oder ungewöhnlich geformt sind –, ist oft ein maßgeschneidertes oder stark modifiziertes System erforderlich.
Durchsatzanforderungen
Durchsatzkapazitäten sind ein Bereich, in dem vorkonfigurierte und kundenspezifische Lösungen häufig unterschieden werden. Da Produktivität ein vorrangiges Ziel der Automatisierung ist, ist dies oft der entscheidende Faktor.
Vorkonfigurierte Systeme sind in der Regel als Einzelarbeitszellen oder -arbeitsplätze konzipiert. Daher eignen sie sich in der Regel am besten für einen geringen bis mittleren Durchsatz. Das Be- und Entladen von Teilen, insbesondere wenn es manuell erfolgt, ist oft der geschwindigkeitsbestimmende Faktor für ein vorkonfiguriertes System.
Beispielsweise können Technologien wie das On-the-Fly-Schweißen Schweißgeschwindigkeiten von mehr als 1000 Schweißnähten pro Minute erreichen. Dies kann den Durchsatz in einer eigenständigen Workstation wie dem EV-Cube erhöhen, aber der Transport und die Integration in eine Produktionslinie können den Durchsatz noch weiter verbessern.
Im Gegensatz dazu ist die Geschwindigkeit, die ein kundenspezifisches Lasersystem erreichen kann, oft nur durch die Investitionskosten, Platzbeschränkungen oder nicht laserbezogene Engpässe begrenzt. Kundenspezifische Systeme können mehrere Laserquellen oder Optiken, verschiedene Arten von Systembewegungen oder parallel laufende nicht laserbezogene Prozesse integrieren, um einen sehr hohen Durchsatz zu erzielen.
Je nach Ihren Anforderungen kann es immer noch kostengünstiger sein, mehrere Standardsysteme zu installieren, anstatt in eine größere, maßgeschneiderte Anlage zu investieren.
Einige vorkonfigurierte Systeme unterstützen automatisierte Optionen zum Laden von Teilen oder die Integration mit Förderbändern. Dies kann den Durchsatz erhöhen, indem die Leerlaufzeit des Systems während des Ladens oder Entladens von Teilen minimiert wird.
Werkzeuge
Wenn man sich näher mit der Teilbeladung befasst, lohnt es sich auch zu untersuchen, wie das Teil fixiert und dem Laser präsentiert wird. Standardsysteme verfügen in der Regel über eine begrenzte Auswahl an Optionen zur Teilhalterung. Dazu können feste Klemmen, Positionierungsstifte, manuelle oder pneumatische Spannfutter (für runde Teile) und V-Blöcke gehören. Dies kann die Fähigkeit des Systems einschränken, komplexe Schweißbahnen auszuführen oder mit 3D-geformten Teilen zu arbeiten, die aus mehreren Winkeln bearbeitet werden müssen.
Wenn Teile eine komplexe Positionierung, dynamische Befestigung oder Interaktion mit externen Systemen erfordern, muss das Werkzeug entsprechend konstruiert werden. Dies kann natürlich mit einem maßgeschneiderten Robotersystem erreicht werden. Aber hier können auch die Fähigkeiten eines vorkonfigurierten Werkzeugs erweitert werden, vorausgesetzt, der Hersteller verfügt über die entsprechenden Fähigkeiten und ist dazu bereit.
Toleranzen und Qualität
Werkzeuge spielen zwar eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Prozessgenauigkeit und Wiederholbarkeit, können jedoch durch verschiedene Sensoren und insbesondere Bildverarbeitungssysteme ergänzt werden. Diese können dem System dabei helfen, Abweichungen zwischen den Teilen besser auszugleichen oder Einschränkungen hinsichtlich der Positionskonsistenz der Werkzeuge zu kompensieren.
Einige vorkonfigurierte Systeme können Bildverarbeitungssysteme und Prozessüberwachung als Standardoptionen enthalten. Beispielsweise sind Schweißkonfigurationen der IPG LaserCell-Plattform mit LDD-Echtzeit-Laserschweißmesssystemen für die Inline-Schweißnahtüberwachung erhältlich.
Es ist jedoch möglich, dass die Kombination aus Komplexität der Teile und Toleranzanforderungen zu Anforderungen führt, die über das hinausgehen, was ein vorkonfiguriertes System leisten kann. Dies führt dazu, dass die Lösung in Richtung eines kundenspezifischen oder halbkundenspezifischen Designs geht.
Laserleistung
Standard-Lasersysteme sind für bestimmte Laserleistungsbereiche ausgelegt. Dies hängt in der Regel von der Optik des Werkzeugs, den Sicherheitssystemen, den Kühlungsanforderungen und möglicherweise sogar vom Strombedarf ab.
Allerdings können erhöhte Anforderungen an die Prozessgeschwindigkeit oder dickere Materialien einen Laser mit höherer Leistung erforderlich machen.
Einige dieser Einschränkungen lassen sich nicht ohne Weiteres aufrüsten oder erweitern. Wenn eine Anwendung also unbedingt eine höhere Laserleistung erfordert, als ein Standardsystem liefern kann, kann dies die Entscheidung für den Bau einer kundenspezifischen Laserlösung erzwingen.
Bedienerinteraktion
Neben der Systemfunktionalität ist auch zu berücksichtigen, wie einfach es programmiert und bedient werden kann. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem vorkonfigurierte und kundenspezifische Systeme tendenziell erheblich voneinander abweichen.
Vorkonfigurierte Systeme sind für vorhersehbare, unkomplizierte Interaktionen ausgelegt und unterstützen in der Regel nur eine begrenzte Auswahl an Vorgängen. Die Programmierung neuer Aufgaben ist oft vereinfacht und manchmal sogar auf Drag-and-Drop-Funktionen reduziert, wie beispielsweise bei einem Cobot-System für das Laserschweißen.
All dies vereinfacht die Schulungsanforderungen sowohl für Bediener als auch für Verfahrenstechniker. Außerdem können die Systeme in der Regel fast unmittelbar nach der Installation in der Produktion eingesetzt werden.
Maßgeschneiderte Roboter-Lasersysteme können eine vereinfachte Benutzeroberfläche für Bediener enthalten. Dahinter verbirgt sich jedoch in der Regel eine wesentlich komplexere Softwareumgebung.
Der Vorteil dieser Komplexität besteht darin, dass sie über nahezu unbegrenzte Möglichkeiten verfügen. Dazu gehört oft auch die Fähigkeit zur Integration mit anderen Fabrikautomatisierungssystemen.
Das bedeutet aber auch, dass sie in der Regel komplexer und schwieriger zu programmieren sind und mehr Fachwissen erfordern. Es ist nicht ungewöhnlich, dass es länger dauert, ein neues System oder einen neuen Prozess in Betrieb zu nehmen, insbesondere wenn es um umfangreiche Interaktionen mit externen Systemen geht.
Sonstige Überlegungen
Wie bereits erwähnt, ist der Kauf eines Lasersystems keine binäre Entscheidung. Bei einigen Anbietern ist es möglich, mit einem vorkonfigurierten System zu beginnen und es mit Optionen so lange zu modifizieren, bis es im Wesentlichen zu einem maßgeschneiderten System wird. Bei anderen Anbietern sind vorkonfigurierte Systeme starr und für einen engen Aufgabenbereich optimiert.
Vorkonfigurierte Roboter-Lasersysteme sind in der Regel kostengünstiger als vollständig maßgeschneiderte Werkzeuge und können vom Hersteller meist schneller geliefert werden. Darüber hinaus ist die Installation eines vorkonfigurierten Systems wahrscheinlich mit einem geringeren Lernaufwand verbunden, da der Hersteller bereits über umfangreiche Erfahrungen mit dessen Einsatz in einer Vielzahl von Produktionsumgebungen verfügt.
Die Modifizierung eines Standardsystems zur Erweiterung der Systemfunktionalität verursacht in der Regel auch geringere zusätzliche Kosten als die Beschaffung derselben Funktionen durch ein vollständig maßgeschneidertes System. Dies gilt jedoch nicht in allen Fällen. Vorkonfigurierte Systeme weisen Einschränkungen auf, die umfangreiche Modifizierungen kostspieliger machen können als eine komplette Neukonfiguration.
Es gibt auch logistische und finanzielle Probleme. Die Änderung eines vorkonfigurierten Systems, das bereits in der Produktion eingesetzt wird, führt dazu, dass dieses Tool offline geht. Diese Ausfallzeit hat Auswirkungen. Die Kosten für diese Änderung können jedoch aus den Betriebsausgaben bestritten werden, während die Anschaffung eines neuen Systems immer eine Investition darstellt.
Denken Sie schließlich daran, dass ein bestimmter Anbieter möglicherweise nur eine begrenzte Produktpalette anbietet. Dies kann ihn dazu veranlassen, Ihnen eine Lösung aus seinem bestehenden Produktangebot oder seinen bestehenden Fähigkeiten zu empfehlen. Leider ist dieses Produkt möglicherweise nicht optimal für Ihre Anwendung geeignet.
Erste Schritte mit der Laserautomatisierung
Dank unserer einzigartigen vertikalen Integration bietet IPG alles von Laserkomponenten und -technologien bis hin zu vorkonfigurierten Systemen, modularen Plattformen und kundenspezifischen Produktionslinien. Als Partner für alle Bereiche der Laserautomatisierung drängen wir Ihnen kein bestimmtes Produkt oder Konzept auf.
Der Einstieg ist ganz einfach: Schicken Sie uns einige Musterteile, besuchen Sie eines unserer weltweiten Anwendungslabore oder erzählen Sie uns einfach von Ihrer Anwendung.
