Roboterschweißen meistern: Umfassender Leitfaden zu Qualität, Effizienz und Kosteneinsparungen

In der Fertigungsindustrie streben Unternehmen ständig nach verbesserter Qualität und Produktivität bei geringen Kosten. Um diese Verbesserungen zu erreichen, wenden sich Fertigungsunternehmen oft der Technologie zu – besonders beim Schweißen.

Schweißen in seiner grundlegendsten Form ist der Prozess, zwei Materialien durch Hitze und Druck zu verbinden. Wenn Menschen an Schweißen denken, sehen sie oft eine Schutzmaske und schwere Handschuhe, die einen Brenner führen. Während manuelles Schweißen noch seinen Platz in der Industrie hat, hat ein wachsender Mangel an professionellen Schweißern eine erhebliche Lücke hinterlassen. Die American Welding Society schätzt, dass bis 2020 ein Mangel von 290.000 Schweißfachleuten herrschen wird. Immer mehr Unternehmen investieren in Roboterschweiß-Setups.

Die Installation einer Roboterschweißanlage erfordert erhebliche Überlegungen, Planung und signifikante Investitionen in Zeit und Geld. Doch Unternehmen, die Roboterschweißen in ihre Prozesse implementiert haben, entdeckten unzählige langfristige Vorteile.

Was ist Roboterschweißen?

Roboterschweißen – auch automatisiertes Schweißen genannt – ist der automatisierte Prozess, mechanisierte programmierbare Werkzeuge zum Schweißen und Handling eines Teils zu nutzen. Diese relativ neue Robotikanwendung hat die Lücke gefüllt, die der wachsende Mangel an Schweißprofis hinterließ, und effektiv einen großen Teil der Schweißjobs der nordamerikanischen Industrie übernommen.

Wie lange gibt es Roboterschweißen schon?

Die Geschichte des Roboterschweißens ist tief in der Geschichte der Industrieroboter allgemein verwurzelt – zurück bis Mitte des 20. Jahrhunderts.

Der erste programmierbare Roboter wurde 1954 von George Devol erfunden, der kurz darauf die weltweit erste Roboterfirma Unimation gründete. Mit diesem Unternehmen schufen Devol und Mitarbeiter den ersten Industrieroboter. Das Modell „Unimate“ wurde in einer General Motors Automobilfabrik in New Jersey eingesetzt – für Punktschweißen und Entnahme von Druckguss-Teilen. Nach dieser positiven Einführung verbreitete sich das Konzept des Industrieroboters innerhalb eines Jahrzehnts weltweit.

Von diesem Initialmodell aus verbesserte sich der Industrieroboter kontinuierlich. 1978 schuf Unimation, finanziert von General Motors, die „Programmable Universal Machine for Assembly“ (PUMA). Viele Labore nutzen diese Version noch heute.

Die Branche wuchs weiter, boomte in den frühen 80ern. In diesen Jahren wuchs die Industrieroboter-Branche so rasant, dass jeden Monat ein neuer Roboter oder eine Firma den Markt betrat – Wettbewerb und Innovation stiegen enorm. In diesem Jahrzehnt wurden Roboterarme verbessert für mehr Mobilität und Kontrolle.

Prozesse verbesserten sich durch die 90er – elektronische Controls erreichten einen Punkt, wo mehrere Roboter gleichzeitig gesteuert und koordiniert werden konnten. Bedieneroberflächen wurden verbessert, Roboterdesigns vereinfacht und gestrafft für besseren Wartungszugang.

Technologische Fortschritte verbessern die Funktionalität von Industrierobotern bis heute – nur begrenzt durch Ausrüstungs- und Forschungskosten.

Wie funktioniert ein Schweißroboter?

Eine Roboter-Schweißeinheit (auch Roboter-Schweißzelle) besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Teile zu schweißen. Dazu gehören Komponenten, die aktiv am Schweißen teilnehmen, sowie Zubehör und Sicherheitsfeatures für reibungslosen Zellenbetrieb.

Hier sind die grundlegendsten Komponenten einer Roboter-Schweißzelle – alle wichtig für den Roboterschweißprozess:

• Drahtvorschub: Bewegt Fülldraht in den Roboter mit programmierter Rate. Dieser Draht fügt oft Material zur Naht hinzu, um die Verbindung zu stützen.
• Schweißroboter: Enthält Roboter und Werkzeug am Armende – typischerweise Brenner oder Manipulator. Zwei Typen: Gelenkroboter und Portalroboter. Portalroboter bewegen Primärarm in drei Richtungen und rotieren Handgelenk am Armende. Gelenkroboter haben Drehgelenke – mehr Bewegungsfreiheit und Reichweite außerhalb dreier Dimensionen.
• Drahtreiniger: Entfernt Spritzer vom Brenner zwischen Arbeitszyklen – verlängert Lebensdauer der Ausrüstung.
• Brenner: Nutzt Stromfluss zur Elektrode, um aufzuheizen und Metalle zu verbinden. Lichtbogenschweißgeräte haben auch Lichtbogenschutzapparat im Brenner. Meist auch Luft- oder Wasserkühlung integriert.
• Arbeitsbereich: Hier werden Teile platziert und für den Roboter zum Schweißen gehalten. Vorrichtungen fixieren Teile, während der Roboter seine Nähte ausführt.
• Controller: Effektiv das „Gehirn“ der Schweißzelle – liefert Strom und Anweisungen an den Roboter via gespeicherter Programme.
• Teach Pendant: Handgeführtes Interface, um Schweißparameter einzustellen, Roboter manuell zu bewegen und neue Programme einzugeben.
• Schweißstromversorgung: Liefert Strom an den Schweißbrenner. Variiert in Größe und Leistung je nach Anforderungen der zu schweißenden Teile. Unterscheidet sich leicht je nach Lichtbogen- oder Punktschweißzelle.
• Stapellicht: Zeigt an, was die Zelle gerade tut. Rot = Not-Aus, Orange = Programmierung, Grün = automatischer Betrieb.
• Bedienbox: Enthält Start/Stopp-Controls und Buttons für jede Funktion – inkl. Neustart-Button nach behobener Störung.
• Sicherheitsfeatures: Die meisten Roboterschweißmaschinen umfassen Sicherheitsfeatures zum Schutz von Arbeitern und Bedienern – Zäune, Lichtbogenschutz, Zugangstüren und mehr, um Exposition gegenüber gefährlichem Licht, Dämpfen und Bewegung zu reduzieren.

Programme werden via Teach Pendant eingegeben und im Controller gespeichert, der dem Roboter sagt, was zu tun ist. Diese Programme bewegen den Schweißroboter und manipulieren den Brenner am Armende, platzieren ihn exakt dort, wo er an jedem Punkt sein muss. Der Brenner heizt auf, nutzt Stromversorgung, um genug Hitze im Metall zu erzeugen, um Teile dauerhaft zu verschmelzen. Der Drahtvorschub füttert Extramaterial zum Roboterarm. Zwischen Teilen bewegt der Arm den Brenner zum Drahtreiniger, um Spritzer zu entfernen.

Was ist der Roboterschweißprozess?

Der Arbeitsablauf einer Roboterschweißzelle besteht aus einer Reihe eng überwachter Schritte:

1. Teil in Vorrichtung setzen und sicher spannen.

2. Passendes Programm vom Controller wählen. Falls nicht verfügbar: Controller via Teach Pendant programmieren.

3. Start-Button am Controller drücken, um Arbeit zu beginnen.

4. Während erstes Teil bearbeitet wird, zweites Teil in passende Beladestation bewegen.

5. Während Schweißen an Station 1 startet, Station 2 einrichten.

6. Wenn Schweißen fertig, Arbeit an Station 2 beginnen.

7. Fertiges Teil von Station 1 entnehmen und Station für nächsten Zyklus neu laden.

Spezifische Funktionen und Details variieren je nach verwendeter Roboterschweißzelle, aber die meisten folgen diesem allgemeinen Verfahren.

Wie werden Roboter in der Schweißindustrie eingesetzt?

Roboterschweißen macht 29 % aller Robotikanwendungen in der Industrie aus – nur getoppt von Robotik-Materialhandling. Automatisiertes Schweißen wird am häufigsten in Fertigungs- und Ingenieursindustrien genutzt, um Effizienz von Unternehmen und Laboren zu steigern.

Am häufigsten werden sie für Widerstands-Punktschweißen und Lichtbogenschweißen bei hohen Stückzahlen eingesetzt. Diese beiden Prozesse im Detail:

Widerstands-Punktschweißen

Robotergestütztes Widerstandsschweißen ist ein ökonomischer Weg, zwei Blechstücke an einem einzelnen Punkt zu verbinden. Häufig in der Automobilfertigung – Blech in Autoform schweißen. Viele Punktschweißer in der Autoindustrie sind robotergestützt und an Montagelinien zu sehen.

Der Prozess: Zwei Kupferlegierungselektroden werden an die zu verbindenden Teile angelegt und Strom durchgeleitet. Der Strom erhitzt das Metall, es schmilzt und bildet einen Pool zwischen den Stücken an der aufgebrachten Stelle. Beim Abkühlen verschmelzen die Stücke.

Roboter-Schweißer sind ideal für diese Anwendung – sie setzen multiple Punktschweißnähte mit extremer Genauigkeit und Effizienz.

Lichtbogenschweißen

Robotergestütztes Lichtbogenschweißen ist als Branche erst kürzlich gewachsen, holt aber schnell zum Punktschweißen auf als beliebteste Roboterschweißmethode. Der Prozess nutzt Stromversorgung, um einen Lichtbogen zwischen brennermontierter Elektrode und Metall zu erzeugen. Dieser Lichtbogen produziert ca. 6500 °F an der Brennerspitze. Das erhitzt das Metall, erzeugt einen Schmelzpool unter dem Brenner, der beim Abkühlen erstarrt. Beim Abkühlen verschmelzen die Teile dauerhaft.

Wegen der extremen Hitze reagieren die beteiligten Metalle oft chemisch mit Sauerstoff und Stickstoff in der Umgebungsluft. Dies kann die Integrität der Schweißverbindung beeinträchtigen. Deshalb beinhalten viele Lichtbogenschweißprozesse Lichtbogenschutz – der Lichtbogen und das geschmolzene Metall werden mit einem Schutzschild aus Gas oder Dampf abgedeckt, um Kontakt mit Umgebungsluft zu minimieren.

Die extreme Hitze und chemischen Reaktionen machen Lichtbogenschweißen zur perfekten Anwendung für Robotik – da dies die Exposition von Arbeitern und Bedienern gegenüber diesen Risiken reduziert.

Was sind die Vorteile des Roboterschweißens?

Die Implementierung eines Roboterschweiß-Setups erfordert signifikante Zeit- und Geldinvestition. Doch die Vorteile des Systems übertreffen traditionelles Schweißen bei Weitem, und die Systemkosten werden schnell durch gesteigerte Produktivität, verbesserte Qualität und reduzierten Abfall hereingespielt.

Schweißteams in den USA profitieren von Roboterschweißen durch folgende Vorteile:

Erhöhte Produktion

Roboterschweißsysteme erledigen den Job schnell und effizient, machen weniger Fehler als menschliche Gegenstücke und steigern Produktionsgeschwindigkeit enorm. Zudem können Roboter 24/7 arbeiten – im Gegensatz zu menschlichen Arbeitern, die Schlaf, Pausen, Urlaub brauchen. Menschliche Bediener haben typischerweise <50 % Lichtbogenzeit, die mit Ermüdung später in der Schicht abnimmt. Roboter haben 75–80 % Lichtbogenzeit – bei längeren Nähten steigt dies auf 95 %.

Verbesserte Qualität und Konsistenz

Das automatisierte System erstellt konsistente Schweißnähte mit extrem hoher Genauigkeit – platziert dieselben Qualitätsnähte immer wieder am selben Ort ohne Ermüdung. Die Präzision reduziert Spritzer, was sauberere Nähte ergibt. Fehler und Defekte werden nicht eliminiert – defekte Ausrüstung oder fehlerhafte Programmierung können Produktdefekte ergeben. Beides kann durch zertifizierte Roboterschweißtechniker verhindert werden.

Energie sparen

Automatisierte Schweißsysteme sparen Energie durch konsistenten Betrieb – vermeiden energieteure Startvorgänge. Zudem über-schweißen Roboter nicht und reduzieren Bedarf an Korrekturschweißen – senken Energieaufwand.

Verringerter Ausschuss

Reduzierter Abfall

Verbrauchsmaterialien sind eine weitere Abfallquelle – Düsen und andere Komponenten mit kurzer Lebensdauer, die nach bestimmter Nutzung ersetzt werden. Roboterschweißeinheiten erhöhen Schweißgeschwindigkeit und minimieren Energieüberschuss – verlängern Lebensdauer jedes Verbrauchsteils. Neue Verbrauchsmaterialien werden seltener gekauft – Kostenersparnis.

Return on Investment

Die meisten Unternehmen werden feststellen, dass für größere Projekte die Effizienzen, Genauigkeit und Kosteneinsparungen des Roboterschweißens die anfänglichen Setupkosten bei Zusammenarbeit mit einem Metallfertigungsunternehmen mehr als wettmachen.

Die Kombination aus höheren Geschwindigkeiten, höherwertigen Nähten und reduziertem Ausschuss trägt zu diesem schnellen ROI bei. Dieser steigt weiter, wenn Sie reduzierte Energiekosten und minimierte Über-Schweiß-Chancen berücksichtigen. Der Wechsel zu Roboterschweißprozessen kann Unternehmen signifikant bei Gesamtkosten helfen.

Um einen ungefähren ROI zu berechnen, kann ein Unternehmen aktuelle Teilzykluszeiten bewerten und mit potenziellen Zykluszeiten für Roboterschweiß-Setup vergleichen. Weitere Einsparungen bei Abfall, Arbeit und Energie können für genauere Zahlen einbezogen werden.

Wie wählt man einen Vertragshersteller mit hochwertigem Roboterschweiß-Setup?

Ein guter Vertragshersteller investiert nicht nur in hochqualifizierte Profis, sondern auch in Roboterschweiß-Setups, die beste Qualität und Wert bieten – durch Monitoring von MIG-Pistolen und Verbrauchsmaterialien und Suche nach passenden Peripheriegeräten:

MIG-Pistolen

MIG-Pistolen müssen sorgfältig für das jeweilige Modell im Roboterschweiß-Setup ausgewählt werden. Unternehmen sollten MIG-Pistolen mit passender Amperezahl und Kühlkapazität wählen. Unzureichende Amperezahl oder Kühlung kann Maschinenausfall verursachen, während eine Pistole mit mehr Kapazität als nötig Geldverschwendung ist – der Preis ist direkt proportional zur gebotenen Amperezahl.

Verbrauchsmaterialien

Verbrauchsmaterialien – Kontaktspitzen, Düsen, Halteköpfe, Liner – sollten sorgfältig ausgewählt und gemanagt werden. Verschiedene Düsen und Kontaktspitzen für verschiedene Anwendungen – Standard-Verbrauchsmaterialien für Niedrigampere-/Kurzzeitanwendungen, Heavy-Duty (teurer) für Hochampere-/Langzeitanwendungen zur Reduzierung von Ausfallzeiten für Wechsel.

Peripheriegeräte

Ein Peripheriegerät ist jede zusätzliche Ausrüstung, die in das Roboterschweißsystem integriert werden kann. Die richtigen Peripheriegeräte maximieren Performance des Setups. Zwar mit Vorabkosten verbunden, können sie den ROI der Roboter-Schweißinvestition erhöhen durch Performance-Verbesserung, verlängerte Verbrauchsmaterial-Lebensdauer und reduzierte Schweißfehler-Wahrscheinlichkeit.

Potentiell hilfreiche Peripheriegeräte:

• Düsenreinigungsstation: Auch Reamer oder Spritzerreiniger genannt. Reinigt Düse von Schmutz, Ablagerungen, Spritzern bei Routine-Durchläufen. Verhindert Abdeckungsverlust, der zu Defekten und Nachschweißen führt. Verlängert Verbrauchsmaterial-Lebensdauer, reduziert Wechselhäufigkeit.
• Anti-Spritzer-Sprayer: Erhöht Verbrauchsmaterial-Lebensdauer durch Anti-Spritzer-Verbindung auf Verbrauchsmaterialien als Schutzbarriere. Wie Düsenreinigungsstation – verhindert Abdeckungsverlust, reduziert Wechselhäufigkeit.
• Drahtschneider: Für Lichtbogen-Roboter muss Draht bei Lichtbogenstart herausragen. Drahtschneider schneidet Schweißdraht auf spezifizierte Länge – entfernt Inkonsistenzen in Drahtlänge und -qualität. Ergebnis: zuverlässigere Lichtbogenstarts, konsistentere Nähte.
• Armmontage: Für bestimmte Setups ist Kollision ein Risiko. Für Roboter mit Kollisionserkennungssoftware ist solide Armmontage nötig, um Ausrüstung zu schützen, indem sie bei Kollisionserkennung und Abschaltung in Position gehalten wird.
• Kupplung: Für Roboter ohne Kollisionserkennung nötig zum Schutz vor Kollision. Kupplung erkennt physischen Impact und sendet elektrisches Signal an Roboter-Controller, der System stoppt – verhindert weiteren Schaden.

All diese Peripheriegeräte können Schutz und Produktivität von Roboterschweißausrüstung unterstützen.

Wer sollte eine Roboterschweißeinheit bedienen?

Roboterschweißen erfordert ständige Überwachung und Wartung durch geschulten Bediener. Wenn niemand im aktuellen Talentpool des Unternehmens Roboterschweißerfahrung hat, ist es im besten Interesse, ein Metallfertigungsunternehmen mit zertifizierten Roboterschweißeinheit-Bedienern zu beauftragen.

Ein geschulter Techniker maximiert Uptime des Projekts durch Planung und Durchführung regelmäßiger präventiver Wartung. Das minimiert unnötige Ausfallzeiten und stellt sicher, dass das System reibungslos läuft – alles Vorteile, die an Ihr Projekt weitergegeben werden.

Die Beauftragung eines Vertragsherstellers mit zertifizierten Roboterschweißtechnikern kann kosteneffektiver sein. Sehr wenige Unternehmen spezialisieren sich auf Roboterschweißen – besonders in den USA – mit hochqualifiziertem, professionellem Personal, das genau weiß, wie man mit Roboterschweißzellen beste Ergebnisse für Ihr Produkt erzielt. Fairlawn Tool, Inc. ist eines dieser Unternehmen – bietet qualitativ hochwertigen Roboterschweißservice durch AWS-zertifiziertes Schweißteam.

Bei Fairlawn Tool, Inc. betrachten wir Roboterschweißen als integralen Teil unseres Produktionsprozesses, um Gesamtkosten für unsere Kunden zu reduzieren – Sie erhalten höchste Qualität zum niedrigsten Preis. Zusätzlich bieten wir stolz manuelle Schweißservices, die für kleinere Läufe und hochgradig kundenspezifische kommerzielle Aufträge bestens geeignet sind. In den meisten Fällen kann manuelles Schweißen mit Roboterschweißen kombiniert werden, um das Beste aus beiden Ansätzen zu erhalten. Wir sind stolz auf konsistente Qualität, egal wie groß das Fertigungsprojekt – weil wir sicherstellen wollen, dass jede Einheit Ihre Erwartungen übertrifft.

Fairlawn Tool ist ein Full-Service-Vertragshersteller für all Ihre Metallfertigungsbedürfnisse. Indem wir jeden Teil des Prozesses im Haus von unserem Maryland-Werkstandort abwickeln, gewährleisten wir höchste Qualität zu wettbewerbsfähigen Preisen. Wir helfen gerne bei Fragen und beraten zum besten Ansatz für Ihr Unternehmen.

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