Die Entscheidung, einen Prozess zu automatisieren, ist für viele Hersteller, ob klein oder groß, eine wichtige Entscheidung. Aber bei dieser Entscheidung geht es um viel mehr als nur um die technischen Möglichkeiten und die anfänglichen Kapitalkosten. Vielmehr handelt es sich um eine strategische Verpflichtung, die bestimmt, wie Sie Ihre Produkte herstellen, wie flexibel Ihre Produktionslinie sein wird und wie Sie auf Ihrem Markt konkurrieren werden.
Wenn Sie sich für einen Automatisierungspfad entscheiden, kaufen Sie - bis zu einem gewissen Grad - eine ganze Reihe von Fähigkeiten, Einschränkungen und zukünftigen Optionen. Die richtige Entscheidung kann die Qualität verbessern, den Durchsatz steigern und Ihr Unternehmen für Wachstum positionieren.
Eine falsche Entscheidung kann dazu führen, dass Sie sich auf ein System festlegen, das sich nur schwer oder teuer aufrüsten lässt, wenn sich Ihre Anforderungen ändern. Oder Sie müssen feststellen, dass Sie zu viel Geld für Funktionen ausgegeben haben, die Sie nie nutzen werden.
Wenn es um Lasersystemelassen sich die im Handel erhältlichen Produkte im Allgemeinen in zwei große Kategorien einteilen: vorkonfigurierte Systeme und kundenspezifische Systeme. Obwohl es sich dabei nur um zwei Enden des Spektrums handelt, ist diese Unterscheidung nützlich, um wichtige Entscheidungskriterien zu umreißen.
Dieser Artikel soll Ihnen helfen, die richtige Entscheidung für Ihr Unternehmen zu treffen.
Was ist ein vorkonfiguriertes Lasersystem?
Ein vorkonfiguriertes Lasersystem ist in der Regel für einen niedrigeren Einstiegspreis gedacht und für eine bestimmte, begrenzte Anzahl von Aufgaben ausgelegt. Diese Systeme richten sich an Hersteller, die gängige Laserprozesse - wie Schweißen, Reinigen oder Schneiden - automatisieren möchten, ohne den Zeit- und Kostenaufwand für kundenspezifische Entwicklungen auf sich zu nehmen.
Vorkonfigurierte Systeme sind besonders für kleine und mittelgroße Hersteller oder für größere Betriebe attraktiv, die ihre Kapazitäten für standardisierte, wiederholbare Prozesse schnell erweitern wollen. Der Reiz liegt in ihrer Einfachheit. Sie sind zuverlässig, einfach zu installieren und schnell einsatzbereit.
Bei den vorkonfigurierten Systemen handelt es sich in der Regel um in sich geschlossene Einheiten, die in einem lasersicheren Gehäuse der Klasse 1 untergebracht sind und über Zugangstüren, Verriegelungen oder Lichtvorhänge zur Gewährleistung der Bedienersicherheit verfügen. Sie sind in der Regel so konzipiert, dass sie als eigenständige Arbeitszellen oder -stationen funktionieren und nicht als Komponenten einer vollautomatischen Produktionslinie.
Je nach Zielanwendung und Teilegröße kann ein vorkonfiguriertes System mit einem Portal (kartesisch) oder einem Roboterarm arbeiten. Gantry-Systeme werden in der Regel auf einer Arbeitsplattform aus Stahl oder Granit aufgebaut, die eine stabile Grundlage für präzise Operationen bietet. Robotersysteme sind meist mit einem 6-achsigen Industrieroboter ausgestattet.
Es ist nicht unüblich, dass Anbieter ihre vorkonfigurierten Systeme mit Optionen anbieten. Dazu können verschiedene Laserquellen, Strahlführungsoptiken und vielleicht sogar Bildverarbeitungs- oder Prozessüberwachungssysteme gehören.
Verschiedene Schnittstellen für die Aufnahme und Befestigung von Teilen, wie Tabletts oder drehbare Halterungen, sind ebenfalls häufig erhältlich, insbesondere für Markierungssysteme. Schnittstellen für halbautomatisches Be- oder Entladen, wie z. B. Förderbandbeladung oder Drehtische, sind manchmal verfügbar.
Ein Hauptmerkmal vorkonfigurierter Lasersysteme ist die 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 Werkspersonal mit minimaler Spezialausbildung. Für den Verfahrenstechniker ist die Erstellung neuer Aufgaben ähnlich einfach und auch für Personen mit begrenzten Programmierkenntnissen zugänglich.
Was ist ein kundenspezifisches Lasersystem?
Ein kundenspezifisches Lasersystem wird von Grund auf so konzipiert, dass es spezifische Produktionsanforderungen erfüllt, die über die Möglichkeiten vorkonfigurierter Systeme hinausgehen. Jedes kundenspezifische System ist per Definition im Wesentlichen einzigartig.
Kundenspezifische Lasersysteme bestehen jedoch in der Regel aus mehreren gemeinsamen - und möglicherweise sogar standardisierten - Bausteinen. Diese können umfassen:
- Automatisierter Materialtransport
- Vorrichtungen und Werkzeuge für Teile
- Bewegung und Positionierung von Teilen
- Laserquelle und Strahlführung
- Vision, Sensorik und Prozessüberwachung
- Controller und zugehörige Software
- Kommunikationsmodul (als Schnittstelle zu MES, PLC oder anderen Steuerungssystemen der Fabrikautomation)
- Sicherheit und Einschließung
Diese Elemente können in nahezu beliebiger Weise kombiniert werden, und es ist ein hohes Maß an Komplexität und Raffinesse möglich. Die Bewegungssysteme können mehrere Roboterarme, Portale, Lineartische oder Drehtische umfassen. Manchmal arbeiten diese unabhängig voneinander, um Teile parallel zu bearbeiten. Manchmal werden sie koordiniert, um die erforderliche Reichweite, Präzision und Geschwindigkeit zu erreichen.
Was die Benutzerfreundlichkeit (UX) angeht, so verfügen kundenspezifische Systeme in der Regel über maßgeschneiderte HMIs, die tiefere Steuerungs- und Überwachungsfunktionen bieten. Bediener und Prozessingenieure haben Zugang zu fortschrittlichen Diagnosetools, anpassbaren Prozessparametern und Schnittstellen, die das Rezeptmanagement oder die High-Mix-Produktion unterstützen. Für den Betrieb dieser Tools ist in der Regel ein gewisses Maß an Programmier- und Automatisierungswissen erforderlich.
Kundenspezifische Lasersysteme können zwar eigenständige Arbeitszellen sein, sind aber häufig für die Integration in werksweite Automatisierungssysteme und Produktionslinien konzipiert. Sie können über industrielle Standardprotokolle wie EtherNet/IP, Profinet oder OPC UA mit SPS-Netzwerken, MES-Plattformen und SCADA-Systemen verbunden werden.
Die Wahl zwischen einem vorkonfigurierten und einem kundenspezifischen Lasersystem
Bei der Wahl des richtigen Ansatzes für die Laserautomatisierung müssen viele Faktoren berücksichtigt und abgewogen werden. Einige davon sind offensichtlich, wie z. B. die Investitions- und Betriebskosten und die verfügbare Stellfläche. Andere sind weniger offensichtlich, wie z. B. die Qualität der Herstellerunterstützung und die Aufrüstbarkeit.
Bei so vielen Variablen kann die Entscheidungsfindung überwältigend sein. Um diesen Prozess zu rationalisieren, ist es hilfreich, die Kernpunkte 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 die wichtigsten sind.
Anwendung Fit
Dies ist die Grundlage und der Ausgangspunkt für den Entscheidungsprozess. Zunächst müssen Sie Ihren Prozess definieren und dann bestimmen, ob ein Laser die besten Ergebnisse liefern kann.
Um diese Einschätzung vornehmen zu können, müssen Sie verstehen, was der Laser zu leisten vermag - sei es Geschwindigkeit, Präzision, geringerer Wärmeeintrag oder niedrigere Betriebskosten - und entscheiden, wie der Erfolg gemessen werden soll. Wenn nicht klar definiert ist, was die Aufgabe ist und was den Erfolg ausmacht, gibt es kaum eine Chance, ihn zu erreichen.
Hier können die Anwendungsentwicklungsdienste von Laserautomationspartnern hilfreich sein. Im Idealfall verfügen sie über die Ausrüstung und Erfahrung, um Ihren Laserprozess zu identifizieren, zu testen und zu optimieren.
Teil Größe
Dies mag wie eine banale Überlegung erscheinen, spielt aber eine entscheidende Rolle. Lasersysteme sind durch ihren Arbeitsbereich eingeschränkt.
Vorkonfigurierte Systeme sind auf typische Teileabmessungen für bestimmte Branchen ausgelegt - kleine, präzise Komponenten in medizinischen Geräten oder mittelgroße Baugruppen für den allgemeinen industriellen Einsatz, zum Beispiel. Wenn Teile außerhalb dieser Normen liegen - sei es, dass sie größer oder ungewöhnlich geformt sind - ist oft ein kundenspezifisches oder stark modifiziertes System erforderlich.
Anforderungen an den Durchsatz
Die Durchsatzleistung ist ein Bereich, in dem sich vorkonfigurierte und kundenspezifische Lösungen in der Regel unterscheiden. Da die Produktivität ein Hauptziel der Automatisierung ist, ist dies oft der entscheidende Faktor.
Vorkonfigurierte Systeme sind in der Regel als Einzelplatz-Arbeitszellen oder -Workstations konzipiert. Daher eignen sie sich in der Regel am besten für niedrige bis mittlere Durchsatzanforderungen. Das Be- und Entladen von Teilen, insbesondere wenn es manuell erfolgt, ist oft der durchsatzbegrenzende Faktor für ein vorkonfiguriertes System.
Mit Technologien wie dem fliegenden Schweißen können beispielsweise Schweißgeschwindigkeiten von mehr als 1000 Schweißnähten pro Minute erreicht werden. Dies kann den Durchsatz in einer eigenständigen Arbeitsstation wie dem EV-Cube erhöhen, aber durch die Beförderung und Integration in eine Produktionslinie kann der Durchsatz weiter gesteigert werden.
Im Gegensatz dazu wird die Geschwindigkeit, die ein kundenspezifisches Lasersystem erreichen kann, oft nur durch die Investitionskosten, Platzbeschränkungen oder Engpässe außerhalb des Lasers begrenzt. Kundenspezifische Systeme können mehrere Laserquellen oder Optiken, mehrere Arten von Systembewegungen oder parallel laufende Nicht-Laser-Prozesse umfassen, um einen sehr hohen Durchsatz zu erreichen.
Je nach Ihren Anforderungen kann es immer noch kostengünstiger sein, mehrere Standardsysteme zu installieren, als in eine größere, speziell angefertigte Anlage zu investieren.
Einige vorkonfigurierte Systeme unterstützen die automatische Beladung mit Teilen oder können mit Förderbändern verbunden werden. Dies kann den Durchsatz erhöhen, da die Leerlaufzeit des Systems beim Be- und Entladen der Teile minimiert wird.
Werkzeugausstattung
Bei der weiteren Betrachtung der Teilebeladung lohnt es sich auch zu prüfen, wie das Teil befestigt und dem Laser präsentiert wird. Standardsysteme verfügen in der Regel über eine begrenzte Auswahl an Werkstückhalteoptionen. Dazu gehören feste Spannvorrichtungen, Fixierstifte, manuelle oder pneumatische Spannvorrichtungen (für runde Teile) und V-Blöcke. Dies kann die Fähigkeit des Systems einschränken, komplexe Schweißpfade auszuführen oder mit 3D-geformten Teilen zu arbeiten, die aus mehreren Winkeln bearbeitet werden müssen.
Wenn Teile eine komplexe Positionierung, eine dynamische Befestigung oder eine Interaktion mit externen Systemen erfordern, muss das Werkzeug entsprechend ausgelegt sein. Dies kann natürlich mit einem kundenspezifischen Robotersystem erreicht werden. Aber hier können auch die Fähigkeiten eines vorkonfigurierten Werkzeugs erweitert werden, vorausgesetzt, der Hersteller ist dazu in der Lage und bereit.
Toleranzen und Qualität
Während die Werkzeuge eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Prozessgenauigkeit und Wiederholbarkeit spielen, können sie durch verschiedene Sensoren und insbesondere Bildverarbeitungssysteme ergänzt werden. Diese können dem System helfen, Abweichungen von Teil zu Teil besser auszugleichen oder Einschränkungen bei der Positionskonsistenz des Werkzeugs zu kompensieren.
Einige vorkonfigurierte Systeme können Bildverarbeitungssysteme und Prozessüberwachung als Standardoptionen enthalten. So sind beispielsweise Schweißkonfigurationen der IPG LaserCell-Plattform mit LDD-Echtzeit-Laserschweißmesssystemen für die Inline-Schweißüberwachung erhältlich.
Es ist jedoch möglich, dass die Kombination aus Teilekomplexität und Toleranzanforderungen zu Anforderungen führt, die über das hinausgehen, was ein vorkonfiguriertes System leisten kann. Dies führt dazu, dass die Lösung in Richtung einer kundenspezifischen oder halb-kundenspezifischen Konstruktion geht.
Laserleistung
Lasersysteme sind für bestimmte Laserleistungsbereiche ausgelegt. Dies wird in der Regel durch die Optik des Werkzeugs, die Sicherheitssysteme, den Kühlungsbedarf und vielleicht sogar den Leistungsbedarf bestimmt.
Höhere Anforderungen an die Prozessgeschwindigkeit oder dickere Materialien können jedoch einen Laser mit höherer Leistung erforderlich machen.
Einige dieser Beschränkungen lassen sich nicht einfach aufrüsten oder erweitern. Wenn also eine Anwendung unbedingt eine höhere Laserleistung erfordert, als sie ein Standardsystem liefern kann, kann dies die Entscheidung für eine kundenspezifische Laserlösung erzwingen.
Interaktion mit dem Bediener
Neben der Funktionalität des Systems ist ein weiterer wichtiger Aspekt, wie einfach es programmiert und bedient werden kann. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem vorkonfigurierte und kundenspezifische Systeme in der Regel erheblich voneinander abweichen.
Vorkonfigurierte Systeme sind für eine vorhersehbare, unkomplizierte Interaktion ausgelegt und unterstützen in der Regel eine begrenzte Auswahl an Operationen. Die Programmierung neuer Aufgaben ist oft vereinfacht und manchmal sogar auf eine einfache Drag-and-Drop-Funktionalität reduziert, wie z. B. bei einem Cobot zum Laserschweißen.
All dies entspannt die Schulungsanforderungen für Bediener und Verfahrenstechniker. Es bedeutet auch, dass die Systeme in der Regel fast unmittelbar nach der Installation in der Produktion eingesetzt werden können.
Kundenspezifische Lasersysteme können eine vereinfachte Benutzeroberfläche für die Bediener enthalten. Dahinter verbirgt sich jedoch in der Regel eine sehr viel anspruchsvollere Softwareumgebung.
Der Vorteil dieser Ausgereiftheit ist, dass sie praktisch unbegrenzte Möglichkeiten haben. Dazu gehört oft auch die Möglichkeit der Integration mit anderen Fabrikautomatisierungssystemen.
Das bedeutet aber auch, dass sie in der Regel komplexer und schwieriger zu programmieren sind und mehr Fachwissen zur Unterstützung erfordern. Es ist nicht ungewöhnlich, dass es länger dauert, ein neues System oder einen neuen Prozess in Betrieb zu nehmen, vor allem, wenn es eine umfangreiche Interaktion mit externen Systemen erfordert.
Andere Überlegungen
Wie bereits erwähnt, ist der Kauf eines Lasersystem nicht wirklich eine binäre Entscheidung. Bei einigen Anbietern ist es möglich, mit einem vorkonfigurierten System zu beginnen und es mit Optionen zu modifizieren, bis es im Wesentlichen zu einem kundenspezifischen System wird. Bei anderen Anbietern sind die vorkonfigurierten Systeme starr und für ein enges Spektrum von Aufgaben optimiert.
Vorkonfigurierte Lasersysteme kosten in der Regel weniger als vollständig kundenspezifische Werkzeuge und können vom Hersteller in der Regel schneller geliefert werden. Darüber hinaus ist die Installation eines vorkonfigurierten Systems wahrscheinlich mit weniger Lernaufwand verbunden, da der Hersteller bereits über umfangreiche Erfahrungen mit dem Einsatz des Systems in verschiedenen Produktionsumgebungen verfügt.
Die Modifizierung eines Standardsystems zur Erweiterung der Systemfunktionalität ist in der Regel auch mit einem geringeren Kostenanstieg verbunden, als wenn dieselbe Fähigkeit durch ein vollständig individuelles System erreicht wird. Dies gilt jedoch nicht für alle Fälle. Vorkonfigurierte Systeme weisen Einschränkungen auf, die umfangreiche Änderungen teurer machen können, als wenn man bei Null anfängt.
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 ist. Diese Ausfallzeit hat Auswirkungen. Die Kosten für die Änderung können jedoch aus den Betriebskosten stammen, während die Anschaffung eines neuen Systems immer eine Kapitalausgabe darstellt.
Schließlich sollten Sie bedenken, dass ein bestimmter Anbieter möglicherweise nur eine begrenzte Produktpalette anbietet. Dies kann ein Anreiz sein, Sie auf eine Lösung aus der Palette der vorhandenen Produkte oder Möglichkeiten zu verweisen. Leider bietet dieses Produkt möglicherweise nicht die optimale Lösung für Ihre Anwendung.
Erste Schritte mit Laser-Automation
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 Fragen der Laserautomatisierung drängen wir Sie nicht zu einem bestimmten Produkt oder Ansatz.
Der Einstieg ist ganz einfach: Schicken Sie uns einige Musterteile, besuchen Sie eines unserer weltweiten Anwendungslabors oder erzählen Sie uns einfach von Ihrer Anwendung.
