Acerios Heiss-Plasma-Oberflächenreinigungssystem, Fronius-Prototypen-Zentrum, Standort Wels.

Ausgabe 10 | 2021

Intelligentes Schweissprozessmanagement als Wettbewerbsvorteil

Fronius Schweiz AG

Industrie 4.0 ist mittlerweile in aller Munde. In Gesellschaft, Politik und Wirtschaft gehört der Begriff zu den Top-Themen. Doch wie verhält es sich mit der Digitalisierung in metallverarbeitenden Betrieben? Was bedeutet sie im Hinblick auf die Fügetechnik mit ihren unterschiedlichen Schweissprozessen? Welche Auswirkung hat die digitale Vernetzung von Anlagen und Komponenten, welche Vorteile bringt sie Unternehmen? Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit stehen im Vordergrund.

Schweissparameter analysieren, optimieren und dokumentieren. Stabile Schweissprozesse mit möglichst geringem Verzugsverhalten sicherstellen und dadurch gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit erhöhen. All das sind Herausforderungen für metallverarbeitende Unternehmen, um auch in Zukunft wettbewerbsfähig zu sein. Umfassende Digitalisierung spielt dabei eine Hauptrolle. Zum Beispiel betreibt Fronius am Standort Wels ein Prototypen-Zentrum, in dem bereits viele digitale Lösungen rund um Schweisstechnik und sonstiges Hightech-Equipment Anwendung finden. Damit bietet das Prototypen-Zentrum natürlich die Möglichkeit zur Auslagerung des Prototypen-Schweissens. Jedoch dient es auch als Vorlage dafür, wie Industrie 4.0 in der Praxis aussehen kann.

Weniger Stillstandkosten und mehr Output
Um die Effizienz zu erhöhen, programmieren schon jetzt Unternehmen ihre Schweissabläufe «offline». Die Arbeiten finden also getrennt von den Roboterschweissanlagen statt – so auch bei Fronius in seinem Prototypen-Zentrum. Schweisstechniker müssen infolge nicht mehr abwarten, bis laufende Schweissarbeiten beendet sind, um den Roboter für neue Aufgaben zu teachen. Vielmehr können sie sämtliche Schweissfolgen Naht für Naht von vornherein festlegen und simulieren.
Offline Programmier- und Simulationssoftware wie der Fronius Pathfinder erkennt Achslimits, berechnet Startpunkte, Endpunkte sowie Anfahrtswege. Zudem setzt die Software selbstständig Positionspunkte. Störkonturen werden gleichzeitig visualisiert und Brenneranstellungen dementsprechend korrigiert – schon im Vorfeld und nicht erst während der ersten Schweissversuche. Offline programmieren und simulieren optimiert den Schweissablauf, erhöht die Produktivität und spart unnötige Stillstandkosten.

Effizient und ressourcenschonend
Für hochwertige Schweissverbindungen, wie sie im Automobilbau verlangt werden, müssen Metalloberflächen vor dem Schweissen von Fremdpartikeln oder Schmutzfilmen befreit werden. In der Vergangenheit waren hier vielfach grosse Mengen an chemischen Reinigungslösungen notwendig, wobei meist die gesamte Oberfläche eines Bauteils behandelt werden musste. Doch organische und filmische Verschmutzungen können im Zeichen der Industrie 4.0 nun hocheffizient beseitigt werden:
Das Oberflächenreinigungssystem Acerios von Fronius greift hierbei auf heissaktives Plasma zurück. Der Roboter führt den Brenner mit seiner Plasmaflamme bei 1000 °C punktgenau an die zu reinigenden Stellen, an denen anschliessend geschweisst wird. Mit etwa 6 m/min bewegt sich das reinigende Plasma dann über die Metalloberflächen. Die deutliche Effizienzsteigerung dabei: Statt so sauber wie möglich, reinigt Acerios so sauber wie nötig. Geld- und Umweltressourcen werden geschont.

Voraussetzung für zukunftsorientierte Lichtbogenbeherrschung
Doch wie sind stabile sowie spritzerarme Schweissprozesse zu generieren, die für ausgezeichnete Wurzelerfassung, hohe Abschmelzleistung bei reduzierter Streckenenergie, stabiles Einbrand-Verhalten oder konstante Lichtbogenlängen stehen? Digitale Schweissgeräte mit hoher Rechenleistung, enormen Speicherkapazitäten, extrem schnellen Bussystemen und nicht zuletzt hochdynamischen Drahtvorschüben sind die Antwort. Für derartige Systeme steht bei Fronius die Hightech-Schweissgeräteplattform TPS/i. Mit ihr gehen innovative Schweissprozesse und Prozessvarianten einher: LSC (Low Spatter Control) zeichnet sich zum Beispiel durch hohe Lichtbogenstabilität und deutlich reduzierte Schweissspritzer aus. PMC (Pulse Multi Control) besticht durch Kennlinien wie die verbesserte Pulskorrekturfunktion oder das weiterentwickelte Synchro-Puls-Verfahren. Beide Schweissprozesse verfügen über Einbrand- und Lichtbogenlängen-Stabilisatoren. PCS (Pulse Controlled Spray-Arc) wiederum erlaubt es Anwendern, übergangslos zwischen Impulslichtbogen und Sprühlichtbogen zu wechseln, wobei der problematische Übergangslichtbogen vermieden wird.
Generell vereinfachen derartig innovative Schweissprozesse und Kennlinien die Bedienung der Schweissgeräte, sparen Zeit und erhöhen die Qualität von Schweissnähten.

Die Drahtelektrode als Sensor für automatische Korrekturen
Automatisiertes, vollkommen autonomes Schweissen mit fehlerlosen Schweissnähten – das ist die Vision. Schweisssysteme sollen Spalte, Spanntoleranzen und andere Unregelmässigkeiten selbstständig ausgleichen. Mit WireSense, SeamTracking und TouchSense stellt Fronius innovative Assistenzsysteme für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung, welche die Effizienz beim Schweissen nennenswert steigern. Mit ihrer Hilfe können Schweissroboter ihre Programme völlig autonom an Nahtverläufe anpassen.
Das verringert die Nacharbeit deutlich. Ausserdem reduziert sich – im Falle von Abweichungen – der Aufwand für das nachträgliche Umprogrammieren der Roboterbahnen. Alle drei Assistenzsysteme verwenden die Drahtelektrode demnach nicht nur als Zusatzwerkstoff, sondern auch als Sensor. Einschränkungen bei der Bauteilzugänglichkeit, wie dies häufig mit Laser- oder Kamera-Sensorsystemen der Fall ist, gibt es keine. Unternehmen sparen sich Wartungsarbeiten und Ausgaben für zusätzliche Sensor-Hardware.
Das neueste ArcView-Kamerasystem von Fronius ermöglicht einen unmittelbaren Blick auf den Lichtbogen. Damit wird eine Echtzeit-Überwachung des laufenden Schweissprozesses gewährleistet. In Kombination mit TPS/i-Stromquellen generiert ArcView pulsgesteuerte Bilder – exakt in den Dunkelphasen des Lichtbogens.
Dadurch liefert das System hochauflösende Bilder, wobei unterschiedliche Belichtungen zu einem detailreichen HDR-Bild zusammengefügt werden. Bei Bedarf kann der Schweisstechniker unmittelbar korrigierend eingreifen.
Transparenz und Sicherheit, aber auch Produktivität und Zeitersparnis sind häufige Anforderungen in der schweisstechnischen Produktion. Hierfür ist die Aufzeichnung von Schweissdaten für Dokumentation und Analyse notwendig. Das unmittelbare Feedback aus der Produktion unterstützt in der Prozessoptimierung. Ausserdem können Systemzustände überwacht und Fehler erkannt werden, um infolge sicher und mit hoher Qualität zu fertigen.
Die Datendokumentationssoftware Fronius WeldCube speichert hierfür alle relevanten Daten des Schweissprozesses. Jede einzelne Schweissnaht kann dadurch nachverfolgt werden. Zudem sind alle WeldCube-Varianten webbasierte Softwarelösungen. Nutzer können dadurch sowohl via Computer als auch über mobile Endgeräte auf WeldCube zugreifen und die Details zu jeder einzelnen Schweissnaht abrufen. Das System dokumentiert den Fortschritt der Schweissarbeiten und bewertet mittels Ampelsystem jede einzelne Schweissnaht.

Punktgenaues Vermessen von geschweissten Bauteilen
Ein modernes optisches Vermessungssystem – wie es auch im Fronius-Prototypen-Zentrum Verwendung findet – prüft Verzug und Bauteilabweichungen gegenüber den CAD-Konstruktionsdaten der Bauteile. Ein Roboter positioniert hierfür eine spezielle Vermessungskamera an verschiedenen Stellen der Bauteile. Bevor diese abgelichtet werden, wird ein Lichtgitter auf die Bauteile geworfen.
Mithilfe dieses Lichtgitters erkennt das System die Konturen des Bauteils und erzeugt eine dreidimensionale Aufnahme. Eine spezielle Software erkennt infolge etwaiger Abweichungen von den ursprünglichen Konstruktionsdaten und wertet diese aus (Schweissfolge, Verzug, …). Die Ergebnisse aus den Vermessungsdaten dienen allerdings nicht nur der Qualitätskontrolle, sie führen auch zu einem permanenten Optimieren der Fügearbeiten.
Vielfältige Bauteile aller Grössen und Formen verlangen nach intelligenten Schweisskonzepten. Die Fronius Welding Automation setzt in der Robotik auf den Plattformgedanken. Dieser ermöglicht es, standardisierte Komponenten zu einem kundenspezifischen Schweisssystem zu kombinieren. Zum Einsatz kommen Schweissroboter, Handling-Roboter und Positionierer. Darüber hinaus sind auch Wechselstationen für Brenner und Kontaktrohre, Greifer-Ablagesysteme, Bauteilschleusen für den Ein- und Austransport sowie automatisierte Regalsysteme integriert.
Die digitale Vernetzung all dieser Komponenten sowie deren zentrale Systemsteuerung gewährleistet vollautomatisierte Abläufe beim Schweissen sowie im Bauteil-Handling. Das sorgt wiederum für ein hohes Mass an Autonomie. Verfügbar sind zudem Schnittstellen zu gängigen ERP-Systemen und eine Web-API für den Datentransfer zu Drittsystemen.

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