Automatisierung und Digitalisierung beim Brennschneiden

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Beispiel: Autogenbrennanlage mit 6 Brennern mit einbebauter elektr. Zündung und ingetrierter Höhenregelung
Beispiel: Autogenbrennanlage mit 6 Brennern mit einbebauter elektr. Zündung und ingetrierter Höhenregelung

10 Tipps für die Automatisierung beim Brennschneiden

Im Gegensatz zum Plasmaschneiden ist beim Autogenschneiden bzw. Brennschneiden in der Regel die Anwesenheit eines Bedieners erforderlich. Es existieren jedoch mittlerweile eine Reihe von Möglichkeiten durch moderne Elektronik und Automatisierungstechniken, Bearbeitungszeit einzusparen. Hier bieten verschiedene Hersteller unterschiedliche Methoden an. Dabei besteht nicht die Maxime, Automatisierung um jeden Preis zu betreiben, sondern eine auf wirtschaftlichen Gründen basierende Entscheidungsauswahl steht dabei primär im Vordergrund. Will bedeuten, dass manche Automatisierungen auch Nachteile haben können.

Wie kann man das Brennschneiden schneller machen? Durch Automatisierung!

  1. Lochstechautomatiken für autogenes Brennschneiden gibt es bereits für Materialdicken bis 180/200 mm, sie helfen beim Lochstechen und entlasten den Bediener
  2. Schnelle Vorheiztechniken reduzieren die Lochstechzeiten und erhöhen den Anwendungsbereich
  3. Mehrbrennerbetrieb reduziert die Schneidzeiten sowie gegenläufiges Positionieren zweier Schneidköpfe, so dass eine Kontur von beiden Seiten gleichzeitig geschnitten werden kann mit dem Ergebnis minimalen thermischen Verzugs des Schneidteils und Halbierung der Schneidzeit.
  4. Auto. Verstellung der Brennerköpfe in ihrer Distanz zueinander in Abhängigkeit des Schachtelprogamms, (Automatische Brennerdistanzverstellung). Ist hilfreich, wenn die Abstände häufig zu wechseln sind.
  5. Proportionale Gasventile sorgen für längere Lebensdauer der Düsen und schonendes Einstechen
  6. Elektrische Zündsysteme erlauben das programmgesteuerte Zünden der Brenner ohne das der Bediener eingreifen muss
  7. Schnelle Brennersupporte: Die z-Achsen Bewegung der Brennersupporte kann mit 3 m/min oder 6 m/min oder noch wesentlich schneller positionieren. Bei 10.000 bis 50.000 Hüben pro Jahr ergeben sich enorme Einsparpotentiale.
  8. Schnelle Portalsysteme: Häufig sind Brennschneidanlagen sehr lang, nicht selten 20, 30, 50 m und länger. Hier hilft ein schneller Eilgang, denn selbst bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min muss man 2 Minuten warten, bis eine solche Anlage 20 m zurück gelegt hat.
  9. Abtastsysteme, auch Kapazitive Höhenregelung genannt, die schneller und besser den Abstand zwischen Düse und Material regeln können, als der Bediener es vermag. Mittlerweile gibt es Brenner, die sich auch von Schlackehaufen nicht mehr sonderlich irritieren lassen, weil sie als Messgröße nicht mehr die pysikalische Kapazität zu Grunde legen sondern ein induktives oder ein magnetisches Messsystem benutzen. 
  10. Automatisierte Flammüberwachungen, die kontrollieren ob die Flamme an oder aus ist und im Störfall sicher die Anlage ausschalten oder sogar einen Neustart selber erzeugen. Und erst nach misslungenem Versuch die Anlage sicher ausschalten und den Bediener informieren, so dass dieser nicht konstant an der Maschine stehen muss.

    Alle diese Vorschläge haben das Autogenschneiden schneller und wirtschaftlicher werden lassen. Die Systeme wurden leistungsfähiger, aber auch komplexer. Der wirtschaftliche Nutzen derartiger Automatisierungstools für Brennschneidanlagen im Zeitalter der Globalisierung ist unbestreitbar ein großer Motivator für Neuinvestitionen und Modernisierungen.

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    Autogenes Brennschneiden digitalisieren: Die Herausforderungen

    Bisher galt die Digitalisierung beim Brennschneiden für viele als unmöglich, zu teuer, zu kompliziert, zu empfindlich. Dabei stellen sich folgende Herausforderungen beim Autogenschneiden in den Weg, die es zu beherrschen gilt:

    • Eines der Probleme ist die enorme Hitze, die beim Brennschneiden typischerweise auftritt sowie der Staub. Digitalisierungsmaßnahmen müssen daher, wollen sie einen Nutzen bringen, auch zur rauen Umgebung des Brennschneiders passen.
    • Ein anderes Problem liegt in der Wertschöpfung, denn Digitalisierung kostet Geld. Liegen die Kosten allein für die Digitalisierung in der Größenordnung der gesamten Maschine, dann stellt sich schnell die Frage nach dem Sinn und Nutzen einer solchen Maßnahme. Ergo muss das Budget der Digitalisierungsmaßnahme zur Wertschöpfung der Prozesskette Autogenschneiden passen.
    • Digitalisierung verspricht nur dann erfolgreich zu sein, wenn sie robust genug ist, zum Prozess passt und wenn sie in der Investition beherrschbar ist. Darüber hinaus muss sie einen signifikanten wirtschaftlichen Nutzen bieten.

    Thermische Materialausdehnung, optimale Teilabstände, Lead-In- und Lead-Out-Strategie bei Dickblech sind eine Wissenschaft für sich. Korrekt prognostizierte Schlackehaufen, die man an den Stellen entstehen lässt, an denen sie am geringsten stören, so dass der Schneidbrenner nicht darüber fahren muss, ist nur eine von vielen Prozess-Störgrößen. Schneidgeschwindigkeit und Brennerabstand können auch von der Charge das Materials abhängig sein und sind nur über geeignete Messsysteme zu erfassen, die aber schnell den Preis einer Brennschneidanlage verdoppeln können.

    In einer Industrie-4.0-Umgebung erwarten wir, dass die Steuerung und die CAD/CAM Software diese Prozessparameter beherrscht bzw. übernimmt.

    Doch aus eigener Programmiererfahrung behaupten wir, dass dies nur mit KI Künstlicher Intelligenz gelingen wird. Normale Rechenprogramme sind dazu nicht in der Lage, empirisch ermitteltes Expertenwissen in Code umzusetzen. Es ist für eine Software ohne KI sehr kompliziert, wenige Teile auf einem Blech prozessgerecht zu positionieren, wenn es darum geht, alle verfahrensbedingten Kriterien zu berücksichtigen.

    Die Softwareanforderungen, das Verschachteln und Restblechminimieren, die Ein- und Ausstiche (engl. Leadin, Leadout) unterscheiden sich für die Schneidprozesse. Während beim Laser- und Wasserstrahlschneiden thermische Einflüsse eine weniger bedeutende Rolle spielen, sind diese jedoch für das Autogenschneiden ausschlaggebend. Je dicker das Material wird, desto mehr Probleme treten in der Praxis auf und wir reden hier von Materialstärken oberhalb von 80 mm, nicht selten wird auch bis zu 500 mm Materialdicke und darüber hinaus geschnitten.

    Zu beachten sei indes, dass es nicht allein darum geht, ein einfaches Loch in ein 500 mm Blech zu schneiden, sondern der Auftraggeber wünscht unabhängig vom Material auch die Einhaltung der Maßhaltigkeit sowie eine einwandfreie Schnittkantenqualität und -oberflächengüte, geringen thermischen Verzug und geringe Materialaufhärtung. Um derartige Vorgaben einzuhalten, erfordert es eine Menge Spezialwissen. Da eine derartige totale Prozessautomatisierung aus heutiger Sicht noch nicht verfügbar ist, beschränken wir die Digitalisierung des Schneidprozesses auf zur Zeit vorhandene Tools und  Softwaremöglichkeiten.

    Autogenes Brennschneiden stellt aus unserer Sicht im Dickblechbereich, aufgrund der erforderlichen Erfahrungswerte die Königsdisziplin der Schneidverfahren dar.

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    Digitalisierungstools für das autogene Brennschneiden

    Im Gegensatz zum Plasmaschneiden ist beim Autogenschneiden bzw. Brennschneiden in der Regel die Anwesenheit eines Bedieners erforderlich. Es gibt jedoch mittlerweile eine Reihe von Möglichkeiten durch moderne Elektronik, Automatisierungs- und Digitalisierungstechniken Zeiten einzusparen. Hier bieten verschiedene Hersteller unterschiedliche Tools an, die wir hier auszugsweise betrachten.

    Möglichkeiten für eine Digitalisierung beim autogenen Brennschneiden:

    • Die z-Höhenregelung des Brenners erhält ein inkrementelles oder absolutes Weg-Messsystem. Die exakte Höhe des bzw. der Autogenbrenner wird erfasst und an ein Steuergerät gemeldet.
    • Die Gasversorgung des Brenners erfolgt über Proportionalventile unter Zuhilfenahme von Gasdrucksensoren, so dass die Gasdrücke, Gasdurchflüsse vom Steuergerät ermittelt und eingestellt werden können.
    • Die CNC-Geschwindigkeitsdaten werden digital über Ethernet oder eine Profi-Bus-Schnittstelle an das Steuergerät weitergeleitet.
    • Liegen alle diese Prozessdaten vor, so kann das Steuergerät die Daten per WLAN an die App eines Tablets oder Smartphones senden und visualisiert.
      Der Bediener erhält so die volle Kontrolle über seine Brenner, an fast jedem Ort der Erde. Die hinterlegte Prozessdatenbank erlaubt automatisch die richtige Einstellung aller Prozessparameter, der Bediener wählt nur noch das Material und die Dicke und automatisch werden die Gasdrücke, Lochstechzeiten, Höhen, Geschwindigkeiten, Abstände etc. eingestellt und geregelt. Der Bediener greift nur dann ein, wenn die Parameter fein zu justieren sind und überträgt seine Korrekturdaten per Mausklick als neuen Datensatz in die Datenbank. Eine CCD-Kamera übermittelt das Prozessbild direkt an die App des Bedieners, so dass dieser den Schneidprozess auch live verfolgen kann.
    • Software wird nun für die Visualisierung der Ergebnisse entscheidend. Software wertet die Daten aus und stellt die Ergebnisse in übersichtlichen Grafiken dar. Die grafische Auswertung erlaubt dem Bediener nun Aussagen über Verbräuche, Fehlerzustände, Arbeitsstatus, Fertigstellung, Ausfälle, Kosten, Chargenprotokolle und vielem mehr. Schnell werden Fehler deutlich, Schwachstellen eher erkannt und Produktionsdaten in Echtzeit verfügbar bereit gestellt.

    Alle diese Vorschläge haben das Autogenschneiden in Deutschland wirtschaftlicher werden lassen. Die Systeme wurden leistungsfähiger, Bediener unabhängiger und wirtschaftlicher. Der wirtschaftliche Nutzen dieser Verbesserungen im Zeitalter der Globalisierung ist unbestritten ein großer Vorteil und Motor für Neuinvestitionen und Modernisierungen.

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