Automatisierungs-Möglichkeiten für Schneidanlagen

• Sobald dicke Bleche geschnitten werden sollen, ist im Regelfall Automatisieren Pflicht, wenn man vernünftige Auslastungen und damit günstige Stundensätze erzielen will. Die Nebenzeiten sind im allgemeinen wesentlich höher als bei Dünnblech, somit bietet das Feld der Logistik, mit dem Thema Materialdisposition sowie dem internen Transport und Lagerung ein ideales Ratio-Potential.
• Eine günstige Art bei Dickblech-Automatisierungen stellt noch immer die Brenntisch-Verlängerung oder -verbreiterung dar. Zwei oder Drei-Tisch-Betrieb stellt i.d.R. kein Problem dar, sofern die Hallenfläche vorhanden ist und die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen getroffen wurden. Doch nicht immer ist eine parallele Bearbeitung und Entnahme der Brennteile möglich, da potentielle Schwingungen und Stösse auf den Tisch zu ungewollten Schneidfehlern beitragen können - die Brenntische sollten für diesen Zweck daher mechanisch entkoppelt sein, damit sich die Schwingungen nicht auf den Schneidprozess übertragen können.
• Eine andere Art der Automatisierung stellt der Kratzförderer im Brenntisch dar, der den Austrag von Schlackeresten und Kleinteilen erledigt.
• Doch Vorsicht, ein Kratzförderer ist ein empfindliches Bauteil, das regelmäßig gewartet und überwacht werden muss. Auch hier sind verschiedene Systeme am Markt erhältlich, es gibt wartungsarme Rüttelsysteme, welche die Schlacke oder Gutteile, die herunter gefallen sind, durch Schwingungen an den Kopf des Brenntisches befördern.
• Beim Schneiden von Dickblech verkleben die Teile mit dem Gitterrost oder sitzen so fest in ihren Nestern, dass sie mit einem Handbrenner frei geschnitten werden müssen, was manuell erfolgt und daher viel Zeit beim Abräumen kostet.
• Eine vernünftige Automatisierung muss nicht viel kosten, reduziert aber bei richtiger Planung die Schneidkosten um einiges. So kann beispielsweise der Autogen-Schneidbrenner mit einer Schlauchtrommel an der Brennschneidmaschine bzw. am Schneidportal befestigt sein und reduziert so die Nebenzeiten und erleichtert die Handhabung.
• Veraltete Schneidtechnik, Plasmabrenner mit zu hohen Nebenzeiten, zu geringer Leistung, zu hohen Verschleißteilekosten sind ebenso störend, wie veraltete CNC-Steuerungen, die den Bedienungsfluss eher behindern, statt durch intelligente Funktionen zu unterstützen. Ebenso ist eine zu gering automatisierte CAD/CAM-Software gegen eine leistungsfähigere auszutauschen.

Die beste Automatisierung nützt dem Schneidbetrieb nur wenig, wenn der interne Datenfluss nicht optimal geregelt ist. Eine gute Organisationsverwaltung mit der Umsetzung qualitativer ISO 9001 Forderungen ist ein wesentlicher Bestandteil einer Kostensenkungsmaßnahme.

Die Prozess- und Auftragsdaten müssen zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen Stelle dem richtigen Mitarbeiter vorliegen.

Die Arbeitsvorbereitung muss mit dem Einkauf und dem Vertrieb verzahnt werden, damit Reibungsverluste durch Datenstau vermieden werden, Fehler rechtzeitig erkannt und Gegensteuermaßnahmen kostengünstig ergriffen werden können.

Ein papierloser Betrieb nutzt für sich allein betrachtet wenig, wenn die Daten nicht zum richtigen Zeitpunkt bei der verantwortlichen Person verfügbar sind.

Daher ist eine vernünftige Digitalisierung mit einem dafür passenden ERP-System Pflicht, wenn man einen guten ROI und ordentlichen Durchsatz erhalten möchte.

Höhenregelung ist Pflicht bei thermischen Schneidprozessen

Thermische Schneidprozesse wie das Plasmaschneiden oder Brennschneiden erfordern eine gute Höhenregelung. Laserschneiden ohne Höhenregelung ist ebenso undenkbar. Bei Wasserstrahlschneidanlagen empfiehlt sich ebenfalls der Einsatz einer Höhenregelung, jedoch ist es für manche Anwendungen nicht unbedingt erforderlich.

Die Höhenregelung beim Autogenschneiden:

Autogenschneiden ohne Höhenregelung ist denkbar, möglich und tritt sogar häufig auf! Höhenregelungen beim Autogenprozess arbeiten mit einer Sensorik, die auf kapazitive Änderungen reagiert. Mit Hilfe einer Ringelektrode wird die Kapazität zwischen Metallplatte und Elektrode gemessen. Sobald sich das empfangene Messsignal ändert, errechnet eine Elektronik die Stellgröße für den Höhenantrieb aus und bewegt den Brennersupport samt der Ringelektrode solange auf oder ab, bis die gewünschte Führungsgröße erreicht ist. Leider verschleissen diese Ring-Elektroden unter dem Einfluss großer Hitze und Materialspritzer recht schnell, so dass viele Bediener dieses Bauelement abbauen und einfach per Augenmass die Höhe einstellen und bei Bedarf manuell nachregeln. Wenn dünnes Material unterhalb 50mm geschnitten wird, so werden diese Abtastungen (in der Umgangssprache: "Kappa" genannt) von Anwendern eingesetzt. Oberhalb einer bestimmten Materialdicke, meist größer 50 mm, nutzen nur wenige Maschinenbediener die Kappa, da die Ringe aufgrund der thermischen Einflüsse zu schnell verbrennen. Ein Problem der Praxis: Durch zurück geworfene Materialspritzer beginnen die Kappas zu schwingen, wenn sie über derartige Schlackehaufen in den Randzonen überfahren. Rost und Schmutzpartikel auf der Blechtafel lösen somit Störsignale aus und versetzen die Höhenregelung zum Regeln, obwohl real betrachtet, gar kein Grund zur Verstellung vorliegen muss. Dies führt häufig dazu, dass Bediener dann gerne auf die Kappas verzichten und lieber den Brennerabstand auf ein "sicheres" Niveau anheben und so eventuell schlechtere Schnittergebnisse in Kauf nehmen.

Schneidbrenner mit integrierter Höhensteuerungen

Andere Brennersysteme basieren auf einer Integration von Autogenbrenner mit eigebauter Höhenregelung und teilweise sogar mit einer elektrischen Zündung. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt in der kompakten Bauweise und dem Schutz vor Zerstörung. Der Zuschnitt auch bei dickeren Blechen kann so genauer und sauberer erfolgen. Durch den Einsatz von Automatisierungskomponenten ist der Bediener von übermässigen Nachstellarbeiten befreit und kann beispielsweise schon Teile abräumen oder putzen.

Erklärung der Funktionsweise eines Autogenbrenners mit integrieten Automationselementen:

Es existieren mehrere Abtastarten auf dem Markt. Manche Brennerköpfe basieren auf einem magnetischen Verfahren und andere auf einem kapazitiven.

Der magnetische Sensor reagiert auf Metall; nicht aber auf Wasser, ebenso nicht auf Oxide und Schlacken. Trifft nun ein Brenner mit dieser magnetischen Abtastung auf einen, beim vorherigen Lochstechen aufgeworfenen Schlackehaufen, dann wird dieser mechanisch detektiert und veranlasst die Steuerung die Vorschubgeschwindigkeit abzusenken, bei gleichzeitigem Hochfahren des Brenners, bis kein Kontakt zur Schlacke mehr vorliegt. Dabei bleibt die Flamme weiterhin an und brennt (wenngleich mit schlechterer Qualität, weil zu hohem Abstand zum Blech) die Kontur weiter. Nach Überfahren des Schlackehaufens bewegt sich der Brenner automatisch auf die optimale Höhe über dem Blech zurück und die Vorschubreduktion wird aufgehoben. Der Brenner kann deutlich näher an die Plattenkante fahren, ohne das die Höhenabtastung "unruhig" wird. Damit können Bleche mit besserer Materialausnutzung verschachtelt werden und es gibt keinen Abtastring, der verschleißt oder verbrennt.

Der kapazitive Sensor erkennt den Schlackehaufen und überfährt diesen ebenso, es kann aber dabei jedoch unter Umständen dazu führen, dass der Schnitt abreisst und erneut vorgeheizt werden muss. Beide Brennerkörperarten werden mit werkzeuglosen Düsenschnellwechselverschluss angeboten und sorgen damit auch für reibungsloseren Betrieb und schnelle Düsenwechsel.

Beim Plasmaschneiden gilt für die Z-Achsen-Höhenregelung:

Höhenregelung beim Plasmaschneiden über die LIBO - Lichtbogengesteuerte Spannungsmessung

Forderung an eine effektive Prozesskontrolle?

Es wäre wünschenswert, wenn durch eine Prozess-Kontrolle die Homogenität des Plasma- und Autogenschnittes gewährleistet wäre. D.h. wenn eine Sensorik dafür sorgen könnte, dass durch Anpassung der Schnittgeschwindigkeit, des Düsenabstands und des Schneidstromes die Qualität des ersten bis zum letzten Konturteils identisch wäre. Ist der Regelbereich am Ende, wäre es wünschenswert, wenn die Sensorik den Schneidprozess stoppt und den Bediener auffordert die Verschleißteile zu wechseln.

Die Verschleißteilekosten für manche Plasmabrenner die im Lohnzuschnitt hoch ausgelastet sind und oftmals nonstop schneiden, können schnell 50.000,- Euro pro Jahr und mehr pro Brennkopf betragen. Man stelle sich nur einmal vor, die Einstellung der Maschine ließe sich so verändern, dass die Lebensdauer der Verschleißteile sich erhöhen ließe - Einsparungen könnten hier schnell einige 10.000 € pro Jahr ausmachen - gerade in wirtschaftlich schweren Zeiten ein klarer Vorteil. Doch muss eine derartige Einstellung in Echtzeit während des Schneidprozesses erfolgen, sonst kommt die Verbesserung zu spät. Eine abgebrannte Düse lässt sich nicht wieder in Stand setzen und Brennteile die bereits verschnitten wurden, können in der Regel nicht mehr korrigiert werden. Nacharbeit ist teuer, diese Kosten trägt der Endkunde in der Regel nicht.
Die Schnittgeschwindigkeit ist leider nicht immer dieselbe, selbst wenn das Material die gleiche Güte besitzt, so sind Chargenunterschiede beim Schneiden durchaus feststellbar. Die Schnitteinstellungen hängen von der Qualität und der Güte des Materials ab, auch wenn dieser Einfluss nur eine Schwankung von normalerweise nicht mehr als ± 5 % bis ± 10% ausmacht, so wäre es dennoch wünschenswert, wenn eine Anlage dies automatisch erkennen würde und sich selber optimal einstellen könnte.

Durch Abnutzung der Düsen verändert sich der Schnittspalt

Beim thermischen Schneiden trägt der heiße Schneidstrahl soviel Material in der Schnittfuge ab, dass eine Schnittfugenkompensation erforderlich ist. Diese sorgt für das Erreichen einer möglichst guten Maßhaltigkeit des Konturteils. Besonders problematisch beim Plasmaschneiden ist die kurze Lebensdauer der Verschleißteile, weil sich hier bereits nach jedem Schnittmeter und jedem weiteren Einstich der Schnittspalt durch die Abnutzung der Düse verändert. Leider kann ein Mensch diese Abnutzung in Echtzeit während des Schneidens nicht in Millimetern erfassen. Der Schneidprozess selber kann auch nicht beliebig oft angehalten werden, um Stichproben vorzunehmen, um gegenbenfalls die Schnittfuge zu korrigieren. Hier wäre es wünschenswert, ein Vermessungssystem zu implementieren, dass die Teile automatisch beim Schneiden vermisst und Abweichungen erkennt und die Schnittfugenkorrektur in Echtzeit anpasst. Voraussetzung: Die CNC-Steuerung der Maschine spielt da mit. Denn bei vielen CNCs ist eine einmal eingegebene Schnittfugenkompensation für den ganzen Schneidauftrag gültig und läßt sich nicht von Teil zu Teil korrigieren. Es sei denn man stoppt den ganzen Schneidauftrag und fährt erneut mit der neuen Schnittfugeneingabe weiter - dies ist aber viel zu aufwendig. Daher muss hier eine Abstimmung zwischen Sensor-Hersteller und CNC-Hersteller erfolgen, damit diese Funktionen auch möglich sind.

Messsysteme ungeeignet für Plasmaanwendungen

Das Schneidforum hat Gespräche mit diversen Sensor-Herstellern für das automatische Vermessen von Konturteilen geführt: Bisher konnte dabei keine brauchbare Lösung gefunden werden. Handelsübliche Vision-Systeme, die für die mechanischen Bearbeitungen "Fräsen" und "Drehen" oder für Schweißanwendungen entwickelt wurden, müssten für den Einsatz bei thermischen Schneidanwendungen noch eine erhebliche Anpassung erhalten, damit sie für die Zwecke nutzbar wären. Die dann bereits hochpreisigen Überwachungsspezialisten wären damit dann noch teurer und somit unrentabel für den Schneidprozess.
Übliche Vision-Systeme arbeiten dabei im Mikrometer-Bereich, was für Plasma und Autogen überbestimmt ist und sie kommen mit den Umwelteinflüssen des thermischen Schneidens in der Regel nicht zurecht, d.h. die Hitze, Staub, Strahlung ist für diese Art der Sensoren nicht akzeptabel. Die Messsysteme haben auf den staubigen Maschinen und den schwingenden Brenntischen so ihre Probleme. Oftmals wird verlangt die Teile vom Brenntisch zu nehmen und auf einen speziellen Messtisch zu legen - dies ist aus Verfahrens- und Zeitgründen in der Praxis jedoch für Lohnschneider unmöglich. So dass wir nach wie vor feststellen müssen, das es bisher noch keinen bezahlbaren Echtzeit-Prozessspezialisten für das thermische Schneiden gibt. Jedoch seit kurzem treten Systemanbieter auf dem Markt auf, die von sich glauben, einige der wünschenswerten Forderungen zu erfüllen.

Eine Prozessüberwachung sollte folgende Wünsche umsetzen:

• Erkennung, ob ein Schneidprozess sich gerade im Gut- oder Schlecht-Bereich befindet
• Erkennung, ob die Einstellparameter (Höhe und Schnittgeschwindigkeit) in Ordnung sind
• Erkennung, ob die Verschleißteile noch OK sind
• Regelung der Führungsgrößen mit Kommunikation über die CNC in Echtzeit
• Bedienerhinweise für das Personal

These:

Könnte eine Schneidanlage mit einem derartigen System ausgestattet werden, dann könnten Zuschnitte mit gleichbleibender Qualität und hoher Genauigkeit bei geringen Herstellkosten gefertigt werden. Das Unternehmen würde bei den Herstell- und Nachbearbeitungskosten sparen und die Kundenzufriedenheit erhöhen.