Wozu dient eine Prozesskontrolle?

Die Schneidprozesse Plasmaschneiden und Autogenschneiden (Brennschneiden) gehören zu der Gruppe der thermischen Schneidprozesse. Als solches ist eine Analyse und Kontrolle in Echtzeit über die Qualität eines Schnittes bisher technisch nicht möglich. Beispielsweise ist die exakte Vorhersage der Lebensdauer der Verschleißteile (Brenndüse, Elektrode etc.), sei es durch den Maschinenbediener oder die Elektronik der Maschine selber, nicht in der Lage. Erfahrene Bediener erkennen am Klang des Austrittsgeräusches des Gases, ob eine Düse defekt ist oder nicht. Doch nicht jeder Bediener beherrscht diese Feinfühligkeit und nicht jede Aussage trifft auch 100%ig zu. Die Fehlerquote und die Anforderungen an das Bedienerpersonal sind groß. Die Qualität eines Plasmaschnittes wird im wesentlichen von der Geschwindigkeit, dem Strom und dem Abstand zwischen Düse und Schneidgut bestimmt. Das Fehlerbild beispielsweise einer Abweichung durch eine unzulässige Schnittschräge kann verschiedene Ursachen haben, in jedem Fall ist ein solcher Schnitt Schrott oder führt, wenn er nicht rechtzeitig erkannt wird, zu teuren und sehr schmerzhaften Reklamationen beim Lohnzuschnitt, nicht selten zum Verlust eines Auftraggebers. Eine Einzelprüfung jedes ausgeschnittenen Teiles ist aus Kostengründen in den meisten Fällen unmöglich, der Bediener überprüft Stichproben - entsprechen diese den Vorgaben, so wird die ganze Charge ausgeliefert und nicht selten befinden sich darin Ausreisser, die zu einer Reklamation führen können.

Gründe für eine Schnittkontrolle in Echtzeit:

  • Reduktion der Verschleißteilekosten
  • höhere Standzeiten der Düsen, Elektroden, was gleichbedeutend mit einem geringeren Düsenwechsel einhergeht. Weniger Düsenwechsel führen zu höherer Auslastung und senken damit die Schnittkosten
  • Konstante Schnittqualität, Homogenität der Produktion
  • Höhere Genauigkeiten
  • Weniger Reklamationen = mehr zufriedene Kunden
  • Weniger Gratbildung
  • Weniger Nacharbeit = günstigere Teile
  • Entlastung des Bedienpersonals

Diese vorzüglichen Gründe sprechen für eine Prozesskontrolle - schon die Erfüllung eines einzigen der oben genannten Vorteile hätte manchen Schneidanlagenbetreiber schon sehr zufrieden gestellt. Doch leider ist uns bisher kein Verfahren und keine Maschine bekannt, die in der Lage ist, potentielle thermische Fehler und Eigenschaften in Echtzeit, d.h. während des Schneidprozesses zu messen, zu überwachen und die Einstellparameter in Echtzeit selbständig zu korrigieren und die darüber hinaus auch wirtschaftliche finanzierbar wäre. Bereits in den 1990er Jahren wurde von manchen Maschinenhersteller große Investitionssummen in die Entwicklung von adäquater Sensorik und Messelektronik investiert, die genau diese Anforderungen erfüllen sollte. Doch bot die Technologie damals noch nicht bezahlbare Lösungen. Die Sensoren konnten in dem rauen Schneidprozess nicht bestehen, 27.000 bis 30.000 Kelvin heiße Plasma-Lichtbögen, Elektromagnetische Impulse, Hitze, Staub, Ultraschall führten zur Zerstörung der Sensoren innerhalb kürzester Zeit. Wer mit Plasma schneidet, weiss wovon wir reden. Schräge Schnitte, nachlaufende Ecken und Kanten, Grat, Genauigkeiten die für Plasma herausfordernd sind und Konturen mit vielen Ausschnitten, die somit zuviel thermische Verspannungen und Ausdehnungen des Materials implizierten, führten zum Dahinschmelzen der Genauigkeiten des Zuschnitts. Autogenschneiden bietet zwar den Vorteil der einhergehenden Rechtwinkligkeit der Schnittkanten aufgrund des physikalischen Prozesses, jedoch existieren dabei auch Einstellungskriterien, die Bediener- und Erfahrungsabhängig sind und damit keine gute Grundlage für eine Automatisierbarkeit besitzen. Ein weiterer nur schwer einzusehender Nachteil für die Kundschaft von Lohnteilen liegt in der inhomogen Qualität. Ist die Düse neu, das Material noch kalt, bzw. mit der richtigen Temperatur behaftet, sehen die Schnittkanten anders aus, als nach dem 10, 100 oder 300sten Schnitt.
Dieses laufzeitabhängige Verhalten findet man in diesem krassen Gegensatz bei mechanischen Arbeitsmethoden oder beim Laserschneiden in dieser Form nicht. Das Anspruchs- und Vergleichsdenken des Maschinenbauers kreist jedoch nicht selten in diesen Bahnen und somit ist er an eine konstante und homogene Qualität gewöhnt. Diese kann aber ohne eine effektive Prozesskontrolle in Echtzeit ein thermischer Schneidprozess nicht gewährleisten, denn mit jeder Schneidsekunde und mit jedem Anstich wächst der nicht messbare Verschleiß der Düsen und Elektroden. Mit jedem Schnittmeter nimmt auch die Temperatur des Schneidguts zu, so dass Bartbildung und Schnittverlauf und Rauigkeit, Welligkeit und Schnittbild anders aussehen können.

 

Was sollte die Prozesskontrolle leisten?

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 dies in Echtzeit während des Schneidens nicht 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: Die Vision-Systeme erfordern einen zu hohen Entwicklungsaufwand, da die meisten Systeme für die mechanischen Bearbeitungen "Fräsen" und "Drehen" entwickelt wurden. Die Systeme arbeiten dabei im Mikrometer-Bereich, was für Plasma und Autogen überbestimmt ist und sie kommen mit den Umwelteinflüssen des thermischen Schneidens nicht zurecht, d.h. die Hitze ist für diese Art der Sensoren nicht akzeptabel und auch nicht die Schwingungen. Die Messsysteme arbeiten nicht auf den staubigen Maschinen und den schwingenden Brenntischen. 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, alle unsere Wünsche lassen sich derzeit noch nicht befriedigen, jedoch gibt es Systemanbieter auf dem Markt, 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
  • Hinweise für den Bediener

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.

 

Fortschreitender Nutzen einer effektiven Prozessüberwachung:

Beispiel für guten Schnitt dank einer funktionierenden Höhenregelung
Beispiel für guten Schnitt dank einer funktionierenden Höhenregelung

Der Nutzen einer oben beschriebenen Prozessüberwachung läßt sich in Geld allein kaum ermitteln. Der Wert kann unschätzbar werden im Verhältnis zu verlorenen Kunden sogar zu einer Frage der Standortsicherung werden. Wo stünden Sie jetzt, ... wenn Sie diesen und jenen Auftrag bekommen hätten? ... wenn Sie jenen Kunden nicht verloren hätten? ... wenn Sie in den letzten 10 Jahren 250.000€ weniger an Verschleißteilen gebraucht hätten? Dies sind zwar nur hypothetische Fragen, doch es sind auch existentielle Fragen und daher zulässig und bedeutend für ein Unternehmen. Lohnschneider mit mehreren Schneidanlagen im 2- oder 3-Schichtbetrieb investieren jährlich schnell 50.000 bis 100.000 Euro und darüber hinaus an Verschleißteilekosten. Eine Einsparung von beispielsweise 20% würde eine jährliche Kostenreduktion von 20.000 Euro und mehr bewirken. Ganz zu schweigen von den weiteren Qualitätsvorteilen, die zu weiteren Erfolgen und zur Erschließung neuer Branchen führen könnten.

 

Entscheidende Parameter für die Ermittlung des wirtschaftlichen Nutzens lauten:

Welches Einsparpotential kann die Prozess-Kontrolle in Ihrem Unternehmen liefern?

  • Wie hoch ist der gesamte Investitionsaufwand und der Umbauaufwand, inkl. Maschinenstillstand für die Prozesskontrolle?
  • Kann der Hersteller der Prozesskontrolle Aussagen hinsichtlich der Verbesserung der Schnittqualität liefern, beispielsweise in der Form: Reduktion der Nachbearbeitung um 30%?
  • Ist der Maschinenbediener noch die ganze Zeit erforderlich? Oder wird der Bediener frei für andere Tätigkeiten.
  • Welche Aufträge konnten in der Vergangenheit nicht angenommen werden, weil die Genauigkeitsanforderungen zu hoch oder die erzielbaren Verkaufspreise zu niedrig waren? Wie hätte die Bilanz ausgesehen, mit derartigen Nischenaufträgen und bei geringeren Herstellkosten?

Eine Verbesserung seines Angebotes muss auch zu einer Erweiterung der Marktaktivitäten führen. Sind alle Parameter stimmig, so muss sich zwangsläufig auch die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit und der Gewinn eines Unternehmens erhöhen. In jedem Fall stellt die Echtzeit-Prozesskontrolle ein herausragendes Instrument in der Produktion von Brennteilen dar, wenn das Mengengerüst ausreichend groß ist. Eine Echtzeit-Prozesskontrolle umfasst die Prozessüberwachung, die Prozessregelung und die Prozesssteuerung.