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Laserbearbeitetes Rohrbauteil zum Knicken - © Metallbau Nick
12.02.2020

Mittelgroße Serien flexibel produzieren

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Schweissen und Schneiden

Autor: Dr. Markus Stanik, Metallbau Nick GmbH, Lampertheim, www.nick-gmbh.de


Mittelgroße Serien flexibel produzieren

In Zeiten von Industrie 4.0 gilt gerade für Zulieferer von Bauteilen ein effektives Produktionsmanagement als Voraussetzung, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Dabei geht es um kurze Reaktionszeiten, schnelle Bearbeitungsprozesse und hohe Qualität.

Galt vor einigen Jahren noch die Serienproduktion von großen Stückzahlen als Maß aller Dinge, so ging es in letzter Zeit zunehmend darum, die Stückzahl 1 wirtschaftlich zu fertigen. Geschuldet ist dies den immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen sowie der stetig wachsenden Vielfalt an Produktvarianten. Das Produktionsumfeld, das sich in der Regel zwischen diesen beiden Extremen befindet, wird allerdings häufig noch zu wenig betrachtet. Dabei liegt hier für sehr viele Produktionsunternehmen eine interessante Marktposition, und zwar jenseits der großen Serienhersteller und Spezialisten für Losgröße 1.

Hohe Anforderungen an die Flexibilität

Das gilt etwa für Stückzahlen zwischen 50 und 1.000 Stück. Diese können weder in einer Fertigung, die auf Großserien von mehr als 10.000 optimiert ist, wirtschaftlich hergestellt werden, noch in Unternehmen, die auf Losgröße 1 spezialisiert sind. Allerdings ergeben sich auch in diesen Bereichen Veränderungen und gerade die Anforderungen an die Flexibilität werden immer höher. Dabei geht es hauptsächlich um stark schwankende Losgrößen, die sich weder mit detaillierten Vorhersagen noch einer normalen Produktionsplanung erfassen lassen. Hier zeigt sich dann die Meisterklasse der Produktion: mittelgroße Serien flexibel innerhalb von wenigen Wochen komplett herzustellen.

Gerade dieses Können führt zu der Chance, sich von dem heutzutage globalen Wettbewerb abzusetzen, da ein wirtschaftlicher Transport über mehrere Kontinente immer auch Zeit kostet. Der lokale Hersteller zeichnet sich hingegen durch seine Schnelligkeit und die Fähigkeit, flexibel zu reagieren, aus. Die Metallbau Nick GmbH aus Lampertheim arbeitet seit Jahren erfolgreich nach dieser Maxime – ob es dabei um laserbearbeitete Metallteile, Schweißbaugruppen oder Pulverbeschichtung geht.

Schweißen eines Bauteils mit einem Laserstrahlschweißroboter - © Trumpf Gruppe
Schweißen eines Bauteils mit einem Laserstrahlschweißroboter © Trumpf Gruppe
Durchgängige Prozessketter erhöht Effizienz

Um diese Flexibilität und Geschwindigkeit zu erreichen, muss die komplette Prozesskette optimiert werden und durchgängig sein. Dies beginnt bei einem leistungsfähigen ERP-System (Enterprise-Resource-Planning) und geht etwa über ein damit verbundenes geeignetes CAD/CAM-System, das den Prozessdatenverlauf im Unternehmen unterstützt. Diese Daten werden dann über das firmeninterne Netzwerk an die Maschinen verteilt. Gleichzeitig kann die Auslastung und Verfügbarkeit der Maschinen überwacht und optimiert werden. Wichtig dabei ist, die Verfügbarkeit der Maschinen auch mit Hilfe vorbeugender Wartung möglichst hoch zu halten und ungeplante Maschinenstillstände zu reduzieren oder sie im besten Fall komplett zu vermeiden.

Um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen, ist der Einsatz moderner Technologien besonders wichtig. Betrachtet man zum Beispiel die Entwicklungen in der Laserbearbeitung, so haben sich besonders in den letzten Jahren neue Lösungen hervorgetan, die die Flexibilität und die Geschwindigkeit innerhalb des jeweiligen Prozesses stark verbessern. So bringt der Einsatz von Faserlasern anstelle von CO2-Lasern gerade bei dünneren Blechdicken eine Verdoppelung der Schneidgeschwindigkeiten mit sich.

Weiterhin ist diese neue Generation von Lasern auch wesentlich energieeffizienter und hat dadurch einen höheren Wirkungsgrad. Gerade diese Voraussetzungen machen diese Laserstrahlschneidmaschinen für moderne Produktionen so wichtig, da sie zu höheren Kapazitäten und kürzeren Schneidzeiten führen.

Schneiden verschiedener Geometrieelemente auf einem Rohrlaser - © BLM Adige
Schneiden verschiedener Geometrieelemente auf einem Rohrlaser © BLM Adige
Verringerung der Arbeitsschritte durch Laserstrahltechnik

Die Laserstrahltechnik hat auch im Bereich des Schweißens neue Maßstäbe gesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren, die meistens mit Zusatzwerkstoff funktionieren, werden hier die zwei zu verschweißenden Werkstücke im Berührpunkt sehr stark erwärmt, damit beide Bauteile direkt miteinander verschmelzen. Diese Erwärmung geschieht beim Laserstrahlschweißen nur in einem sehr kleinen begrenzten Bereich, sodass Materialveränderungen und auch ein thermischer Verzug nahezu ausgeschlossen sind. So kann am Ende ein viel präziseres Bauteil hergestellt werden und kostspielige Nacharbeiten zum Richten des Verzugs entfallen.

Gerade die Verringerung nachfolgender Arbeitsschritte aus der Prozesskette ist eine Stärke des Laserstrahlschweißens. So muss zum Beispiel bei optisch anspruchsvollen Werkstücken die Schweißnaht vom konventionellen Schweißverfahren nach der Bearbeitung durch einen Schleifprozess wieder geglättet werden. Da im Vergleich dazu beim Laserstrahlschweißen selten Zusatzwerkstoff eingesetzt werden muss, kann bei vielen Bauteilen auf einen nachfolgenden Schleifprozess verzichtet werden.

Die Oberfläche des Werkstücks ist bereits glatt. Durch den sehr geringen Erwärmungsbereich kann auch eine optisch sehr schöne und gleichmäßige Schweißnaht erzeugt werden. Die Schweißzeit ist zudem kürzer als bei konventionellen Verfahren. Verschiedene Untersuchungen bei Prüfinstituten bescheinigen der Laserschweißnaht, obwohl sie fast unsichtbar ist, eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Zugbeanspruchung als bei anderen Schweißverfahren. Diese Vorteile konkurrieren allerdings mit den hohen Anschaffungskosten der Laserstrahlschweißanlage.

Höhere Geschwindigkeit beim Schneiden von Rohren

Ein weiteres Bearbeitungsverfahren zeigt ebenso seine Stärke bei Produktivität und Flexibilität: das Laserstrahlschneiden von Rohren. Wegen der freien Programmierbarkeit des Rohrlasers können ganz verschiedene Strukturen und Geometrien geschnitten werden. Die Maschine schafft nicht nur Kappschnitte und Bohrungen, sondern erzeugt nahezu alle geometrisch darstellbaren Geometrien wie Langlöcher, Ausbrüche, Steckverbindungen, Hakenstrukturen, Sechskantausschnitte usw.

Dadurch werden völlig neue Konzepte bei der Konstruktion und Entwicklung von Rohrbaugruppen ermöglicht. Diese Bauteile müssen nicht nur seltener geschweißt werden, sondern können einfach gesteckt oder geknickt werden. Mit Hilfe eines Ausschnitts lässt sich eine Metallrohrverbindung so vorbearbeiten, dass ein Winkel nicht aus zwei Teilen zusammengeschweißt, sondern das Rohr geknickt wird und nur noch an wenigen wichtigen Stellen geschweißt werden muss.

Laserbearbeitetes Rohrbauteil zum Knicken - © Metallbau Nick
Laserbearbeitetes Rohrbauteil zum Knicken © Metallbau Nick
Hoher Automatisierungsgrad mithilfe von Robotik

Neben dem Einsatz moderner Technologien ist bei den mittleren Stückzahlen auch die Auswahl der richtigen Automatisierung entscheidend. Gerade hier kann das falsche Konzept die Flexibilität und Produktivität behindern, wenn etwa die Umrüstzeiten zu hoch sind. Andererseits wiederum ist eine Automatisierung zwingend notwendig, um in diesem Stückzahlbereich die maximale Produktivität zu erzielen.

Erreicht werden kann dies durch den Einsatz moderner, hochflexibler Robotersysteme, die auf der einen Seite eine sehr große Flexibilität bei der Programmierung und Teilevielfalt zulassen, auf der anderen Seite allerdings auch eine sehr hohe Produktivität, insbesondere für mannarme oder mannlose Fertigungen gewährleisten. Hierbei unterscheiden sich die Anlagen deutlich von denen für eine große Serienproduktion. In der Verknüpfung dieser Anlagen mit den anderen Produktionsmaschinen können Flexibilität und Produktivität für mittlere Stückzahlen deutlich gesteigert werden.

Schlagworte

AutomatisierungLaserschweißenMittelstandRobotikSerienfertigung

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