Vollmechanisches Aluminiumschweißen beim Metall- und Fahrzeugbauer Trepte

Seit Anfang 2016 schweißt die Trepte Metall- und Fahrzeugbau GmbH einen Teil ihrer Aluminiumbaugruppen mit einer Schweißroboteranlage vom Typ ARCentre Pro der ERL GmbH. Vorher führte das Unternehmen sämtliche Schweißarbeiten manuell durch, was aufgrund der Komplexität der Produkte und der Anzahl der zu schweißenden Bauteile viel Zeit in Anspruch genommen hatte. Durch das neue Anlagenkonzept profitiert der Anwender von einer konstant hohen Schweißnahtqualität und kürzeren Produktionszeiten.

Die Trepte GmbH mit Sitz in Hartmannsdorf bei Chemnitz ist im Bereich Metall- und Blechverarbeitung tätig, fertigt individuelle Einbauten für Sonderfahrzeuge und bietet hochwertige Aluminium-Verbundplatten sowie deren Verarbeitung an. Das im Jahr 1979 gegründete Unternehmen beschäftigt heute rund 25 Mitarbeiter und fertigt unter Einsatz verschiedenster Verfahren seine Produkte auf einer Produktionsfläche von 2000 m² – vom Blech bis zur Baugruppe. Dazu steht der Firma ein moderner Maschinenpark zur Verfügung: Laseranlagen zum Anfertigen der Zuschnitte, Biegemaschinen zum Kanten der Bleche und seit kurzem auch eine Schweißroboteranlage der ERL GmbH, zum Schweißen der Baugruppen.

Zwar hatte Trepte bereits Erfahrung mit automatisierten Produktionsprozessen, aber mit der Automation der Schweißproduktion betrat der Spezialist für Metall- und Fahrzeugbau Neuland, denn bislang wurden sämtliche Schweißarbeiten manuell durchgeführt. Aufgrund der Komplexität der Produkte und der Anzahl der zu schweißenden Bauteile hatte dies viel Zeit in Anspruch genommen: Die Aluminiumkonstruktionen bestehen aus einer Vielzahl von Einzelteilen – bis zu 45 Min. benötigte ein Schweißer, um beispielsweise eine solche Baugruppe manuell fertigzustellen, gegebenenfalls etwas länger, wenn Nacharbeiten erforderlich waren. „Bisher haben wir an der Kapazitätsgrenze produziert“, berichtet Betriebsleiter Peter Hake. Um Kapazitäten für weitere Aufträge zu schaffen und eine konstant hohe Qualität zu erzielen, hat sich das Unternehmen entschieden, die Schweißproduktion mit einer Roboter-Kompaktzelle von ERL weitgehend zu automatisieren. Die wesentlichen Anforderungen von Trepte bei den Überlegungen zur Neubeschaffung einer Maschine waren hohe Schweißnahtqualität, kurze Bearbeitungszeiten und eine einfache Bedienbarkeit.

ERL hat für den Metall- und Fahrzeugbauer aus Sachsen eine Anlage konzipiert, die den Anforderungen genau entspricht: eine Kompaktschweißzelle vom Typ ARCentre Pro, bestehend aus einem Panasonic-Schweißroboter mit zwei Arbeitsstationen. Ebenso zum Projekt gehörten die Ausstattung der Anlage mit einem Absaugsystem, die Einhausung des Arbeitsbereichs mit einem Schutzzaun und die Bereitstellung von Vorrichtungen für die Aufnahme der zu schweißenden Komponenten. Die Programmierung der Bauteile sowie eine Schulung für die künftigen Roboterbediener sorgten für einen optimalen Produktionsanlauf.

ERL lieferte eine Komplettlösung zum vollmechanischen MIG/MAG-Schweißen von Groß- und Kleinserien. Ausgestattet ist die Anlage mit einem kompakt konstruierten Schweißroboter von Panasonic, der sich durch hohe Verwindungssteifigkeit auszeichnet und mit neuester Servotechnik arbeitet. So können bei der Schweißbrennerpositionierung hohe Geschwindigkeiten bei gleichzeitig sanften Bewegungsabläufen erzielt werden. „Es kommt einem so vor, als würde der Roboter ununterbrochen schweißen. Die Positionierzeiten sind so kurz, dass man sie kaum wahrnimmt“, erklärt Geschäftsführer Jörg Trepte.

Der Roboter bearbeitet die Bauteile an zwei Stationen, die durch einen elektrisch betriebenen 180°-Takttisch abwechselnd in den Arbeitsbereich des Roboters gebracht werden. Die Stationen sind durch einen Blendschutz voneinander getrennt – während der Roboter auf der einen Seite schweißt, kann auf der anderen Seite das fertige Bauteil entnommen und die Vorrichtung neu bestückt werden. So ist der Roboter fast permanent in Betrieb und die Anlage optimal ausgelastet. Zudem sind die Stationen mit jeweils einer Zusatzachse ausgestattet, die ein Anbringen der Schweißnähte an jeder Bauteilseite ohne Umspannen ermöglicht.

Den hohen Qualitätsanforderungen kommt der Roboter durch die Ausrüstung mit dem „Active Wire Prozess (AWP)“ für das Aluminium-Schweißen nach. Der Vorteil der „AWP“-Technologie liegt – wie der Name schon sagt – in der aktiven Drahtzufuhr. Durch eine permanente Vor- und Rückwärtsbewegung der Schweißdrahtelektrode wird ein konstanter Lichtbogen erzeugt und die Anzahl und Größe der Schweißspritzer verringert. Die Prozessvariante eignet sich für dünne Bleche sowie für solche mit mittlerer Dicke und erzielt durch den pulsierenden Draht auch in Zwangspositionen hochwertige Schweißnähte nahezu ohne Spritzer. Für die optimale Schweißdrahtzufuhr sorgt der „Wire Booster“ – ein Drahtfördersystem zur Förderunterstützung der Schweißdrahtelektrode bei ungünstigen Bedingungen. Wenn von der Drahtvorschubeinheit auf dem Roboter Zug auf den Schweißdraht ausgeübt wird, greift der „Wire Booster“ ein, und der Draht wird dann unterstützend gefördert, sodass ein stabiler Lichtbogen sichergestellt ist.

Der Schweißroboter ist mit der Robotersteuerung „Panasonic WG3“ ausgestattet, die durch ihre einfache Bedienbarkeit auch für Anfänger geeignet ist. Eine einfach aufgebaute und gut strukturierte Programmieroberfläche sowie ein 7“-Farbdisplay erleichtern dem Anwender die Arbeit. Zudem verfügt die „WG3“-Steuerung über einen Schweißnavigator, der anhand der Bauteildaten bei der Auswahl der optimalen Schweißparameter unterstützt. Um einen optimalen Produktionsanlauf sicherzustellen, konnten sich die künftigen Anlagenführer in einer mehrtägigen Schulung sowohl mit der Steuerung als auch mit der gesamten Anlage vertraut machen.

Zum Schutz der Anlagenführer sind sowohl der Schweißarbeitsbereich als auch der Einlegebereich von einem Schutzzaun umgeben. Der Einlegebereich wird durch eine mit Lichtschranke abgesicherte Sicherheitsschleuse betreten – für Service- oder Wartungsarbeiten ist für die Bediener der Zugang zum Roboter über eine eingebaute Servicetür möglich. Zudem ist in den Schutzzaun eine TCP(Tool Center Point)-Prüfstation integriert, die den Austausch von Verschleißteilen und die Kontrolle des TCP ermöglicht, ohne die Anlage betreten zu müssen. Zur Prozessvisualisierung ist frontseitig am Schutzzaun eine Steuerungseinheit mit Touch-Display angebracht, die den Anlagenführern von Trepte bei der Bedienung der Anlage Zeit erspart. Sie ermöglicht eine komfortable Programmauswahl pro Tisch, ohne auf das Handprogrammiergerät zurückgreifen zu müssen, sowie eine automatische Abfrage des Servicestatus. Zudem werden Störungsmeldungen automatisch ermittelt und angezeigt – sie können so umgehend behoben werden, ohne dass eine aufwendige Ursachenforschung erforderlich ist.

Die Bauteilprogrammierung erfolgte durch ERL unter Einsatz der Offline-Programmiersoftware „Panasonic DTPS“. Die Software ermöglicht die komplette Programmierung und Simulation der Bewegungen des Roboters sowie die Berechnung der Zykluszeiten. Durch die Offline-Programmierung konnte ERL den Roboter am Personal Computer programmieren, Programmabläufe optimieren und dadurch eine schnelle Inbetriebnahme der Anlage ermöglichen.

Die wohl größte Herausforderung für die Ingenieure von ERL war die Entwicklung der Vorrichtung zur Aufnahme der Schweißbauteile – nicht umsonst gilt der Vorrichtungsbau als Königsdisziplin beim automatisieren Schweißen. „Die Kunst ist, die Spannvorrichtungen so zu platzieren, dass die einzelnen Teile optimal fixiert sind, alle Schweißnähte vom Roboter ohne Umspannen angebracht werden können und gleichzeitig die Positionierzeiten möglichst kurz gehalten werden“, erklärt Michael Saxstetter, Leiter Projektmanagement bei ERL. Die Aluminium-Baugruppen von Trepte sind komplexe Produkte mit vielen Winkeln und unterschiedlichen Maßen. Je nach Variante müssen bis zu 90 Schweißnähte angebracht werden. „Das war eine anspruchsvolle Aufgabe – aber durchaus lösbar. Wir haben die Bauteile genau vermessen und verschiedene Spannpunkte simuliert und letztlich eine Lösung erarbeitet, mit der Trepte die Roboteranlage einfach, präzise und effizient bestücken kann. Dabei ist natürlich auch das Know-how, das die Mitarbeiter der Firma Trepte beim manuellen Schweißen des Bauteils gesammelt haben, mit eingearbeitet worden“ erklärt er. Während der Roboter auf der einen Tischseite schweißt, wird auf der anderen Seite die Vorrichtung vom jeweiligen Anlagenführer bestückt. Dazu sind lediglich die einzelnen Teile an der richtigen Stelle zu platzieren und die Spanngriffe zu schließen. Mit nur wenigen Handgriffen sind alle Teile fixiert.

Die neue Anlage ist seit Anfang 2016 in Betrieb. Nur zweieinhalb Wochen nach Inbetriebnahme schweißte der Anwender verschiedene Aluminium-Baugruppen schon komplett mit dem Roboter. Betriebsleiter Peter Hake ist zuversichtlich, künftig noch weitere Aluminium-Produkte auf den Schweißroboter umzustellen.

Die Trepte GmbH vertraut nicht erst seit kurzem auf die Schweiß-Kompetenz von Erl. Bereits seit vielen Jahren wird das Unternehmen von der Erl Niederlassung Dresden in allen Belangen der Schweißtechnik betreut. Mit der Automatisierung der Schweißproduktion des Metall- und Fahrzeugbauers führen Trepte und Erl eine bewährte Zusammenarbeit fort. Die Erl Automation GmbH lieferte das gesamte System, inklusive Schulung, Bauteilprogrammierung und Vorrichtungsbau aus einer Hand. So hat Trepte nur einen einzigen Ansprechpartner, der für das komplette Lieferprogramm verantwortlich ist.

Die neue Anlage ist bei Trepte schon in Betrieb. „Nur zweieinhalb Wochen nach Inbetriebnahme schweißen wir die Alu-Sitze schon komplett mit dem Roboter“, berichtet Geschäftsführer Jörg Trepte. „Wirklich erstaunlich bei der Maschine ist die Konstanz und Qualität der Schweißnähte “, so der Firmenchef weiter. Betriebsleiter Peter Hake ist zuversichtlich, künftig noch weitere Aluminium-Produkte auf den Schweißroboter umzustellen – konkret denkt er dabei an verschiedene Kraftstoffbehälter für Sonderfahrzeuge.