Simulation hat viele Facetten: die reale, physikalische Simulation in Form eines maßstabsgetreuen Modellbaus ist schon sehr lange Standard im Wasserbau und im Windkanal. Mit diesen Modellen traf man seit jeher erste Aussagen über komplexeres Strömungsverhalten und prüfte ein vorhergesagtes Verhalten realitätsnah ab. Seit geraumer Zeit haben die rechnergestützten Simulationen immer mehr an Bedeutung gewonnen.

Wenn heute von Simulation die Rede ist, so meint man fast immer Computersimulationen. Selbst hochkomplexe Wettersimulationen haben dank moderner Hochleistungstechnik Einzug in das Standardrepertoire der Wissenschaftler und Ingenieure gehalten. Doch eine Simulation, egal ob real oder am Computer, ist immer nur eine Abstraktion der Realität. Vorrangig sind es die zur Verfügung stehenden Ressourcen wie Zeit, Material und Finanzmittel, die einer Simulation Grenzen setzen. Aber auch der Kontext und der Zusammenhang verschiedener Ebenen limitieren Einsatz- und Aussagebereich einer Simulation.

Die FEM-, Fluid- und Strömungssimulationen sind als verhaltens- und materialabhängige Simulationen extrem rechenhungrig. Es benötigt umfassende und fundierte Kenntnisse, um damit valide und belastbare Ergebnisse zu liefern. Gewöhnlich bleiben diese Arten der Simulation den Experten vorbehalten, die sich mit der Materie auskennen.

Das zweite größere Feld der Simulation umfasst die planungsunterstützende Simulation, die für den Entwurf und die Optimierung von Prozessen und Geschäftsmodellen gedacht sind (vergleiche VDI 3633).

Um einen Überblick für die angewandte Praxis zu bekommen, möchten wir uns hier einem weiteren Gebiet der Simulation widmen, das Ausbildung und die konkrete Umsetzung von Arbeitsabläufen zum Ziel hat. Exemplarisch lässt sich das zeigen am Beispiel der Simulation von automatisierten Schweißprozessen bei der Fertigung von Flurförderzeugen und Baumaschinen.

Herausforderungen der Baumaschinenindustrie

Große Bauprojekte erleben einen Boom. Alleine die Modernisierung der öffentlichen Infrastruktur – Straßen, Brücken, Krankenhäuser, Flughäfen und Verkehrsknotenpunkte – wird bei Ingenieur- und Bauunternehmen über Jahre hinweg für volle Auftragsbücher sorgen. Dazu kommen privatwirtschaftliche Projekte aus den Bereichen Wohnungs- und Industriebau bis hin zu Stadien und Veranstaltungsorten.

Das bedeutet für Hersteller von schweren Baufahrzeugen und Baumaschinen eine hohe Nachfrage nach ihren Produkten. Bauunternehmen benötigen momentan viele Geräte, vom Kompaktlader bis zum Bagger, vom Auslegerkran bis zur Hubarbeitsbühne. Und was diese Unternehmen von ihren Lieferanten verlangen, ist gleichbleibende Qualität, pünktliche Lieferung und die Flexibilität, ihr Angebot schnell an die sich ändernden Anforderungen anzupassen.

Der Schlüssel liegt in der Automatisierung der traditionell manuellen Arbeitsschritte bei der Herstellung dieser Schwermaschinen. Deshalb haben zukunftsorientierte Baufahrzeug- und Baumaschinenhersteller in ihre Produktionslinien Robotersysteme für das Schweißen integriert. Roboter garantieren eine gleichbleibende Schweißqualität. Sie sorgen beispielsweise für einen stets perfekten Neigungswinkel, nutzen eine konstante und optimale Schweißgeschwindigkeit und wenden automatisch die entsprechenden Schweißparameter an.

Im Vergleich zu manuellen Verfahren können Roboter alle Anforderungen an eine Schweißnaht höchster Qualität erfüllen. Zusätzlich stellt der Einsatz von Robotern eine absolute Wiederholgenauigkeit sicher. Das System kann alle Schweißparameter in Echtzeit überwachen und notwendige Einstellungen automatisch vornehmen. Und in Kombination mit Kamerasystemen und Sensoren an der Schweißanlage können Hersteller auch bei kleinen Stückzahlen schnell Qualität und Effizienz erreichen.

Das alles sind überzeugende Argumente für die Automatisierung von Schweißaufgaben bei der Herstellung von Baufahrzeugen und Maschinen. Der beste Schweißroboter ist jedoch nur so gut wie seine Programmierung. Und genau dort stoßen die Fahrzeug- und Maschinenhersteller an die Grenzen des Fachkräftemarktes. Erfahrene Roboterprogrammierer und Schweißfachingenieure sind rar. Die Ausbildung ist umfassend und der Markt sehr dynamisch. Ständig kommen neue Fertigungsmethoden und Prozesse hinzu. Es ist schon Herausforderung genug, bei den Schweißfachthemen auf dem Laufenden zu blieben. Und sollen sich die Mitarbeiter auch noch mit hochkomplexem Robotik-und Automatisierungsthemen beschäftigen?

 

Simulation von Schweißanlagen für die Programmierung

Genau hier setzt die Robotersimulation an und kann beim Training und der rechnergestützten Programmierung der Schweißanlagen wertvolle Dienste leisten. Der Staplerhersteller Crown setzt zum Beispiel seit Jahren am Standort Roding in der Oberpfalz Roboterzellen für die Schweißfertigung ein. Die Ergebnisse für Produktivität und Qualität überzeugen, daher wurde in den vergangenen Jahren der Anlagenbestand wiederholt erweitert. In Folge konnte es jedoch einen Engpass bei der Programmierung zusätzlicher Varianten oder neuer Bauteile geben. Daher hatte Crown im vergangenen Jahr das zeitaufwändige manuelle Teachen der Roboteranlagen durch eine Simulation bei der Offline-Programmierung (OLP) ersetzt.

Die bekannten Vorteile des Roboterschweißens haben sich für den Staplerhersteller bestätigt: Bei einzelnen Prozessschritten hat das Werk in Roding damit ein hohes Produktivitätsplus erreicht. Statt mehrerer Tage, dauert das Programmieren eines neuen Werkstücks oder einer neuen Teile-Variante nur einige Stunden.

Weil die Programmierung in der Simulationsumgebung von Fastsuite Edition 2 geschieht, also parallel zum Produktivbetrieb der Anlage, wurden die Stillstandzeiten der Anlage verringert. Die Produktionsunterbrechung zum Einrichten und Teachen neuer Bauteile wurde auf ein Minimum reduziert. Die Schweiß-Qualität der massiven Stahlteile entspricht dem Standard des Herstellers.

Die Simulation und das Projekt machen sich bis in die Entwicklung und Konstruktion bemerkbar: Der Werkzeugbau kommt schneller zu der passenden Vorrichtung, weil die Anlage mit allen Kinematiken als simulierfähiges 3D-Modell vorliegt. Statt den realen Vorrichtungsprototypen immer wieder zu testen, kann die virtuelle Vorrichtung zuerst auf Zugänglichkeit geprüft werden und anschließend real gebaut werden. Neue Bauteile können während der Entwicklung für die spätere Schweißfertigung optimiert werden.

Der Erfolg des Projekts hat auch damit zu tun, dass Beteiligte aus unterschiedlichen Abteilungen von Anfang an eingebunden waren. Schweißfachleute, Roboterprogrammierer, Arbeitsvorbereitung und Fertigungsplaner, Fertigungsprozess-Management sowie Werksleiter Mads Andreasen. Die Simulation war dabei der rote Faden und bildet die Basis für eine neue und direkte Art der Kommunikation zwischen den Entscheidungsebenen.

„Bei Crown stehen alle hinter der neuen Lösung und nutzen die Möglichkeiten der Offline-Programmierung. Das Arbeiten hat sich verändert – zum Positiven. Der Aufwand und die Investition haben sich in jeder Hinsicht gelohnt“, berichtet Andreasen: „Das OLP-Projekt ist in erster Linie gut für unsere Wirtschaftlichkeit. Aber wir sehen auch, dass unsere Mitarbeiter sehr zufrieden sind und das ist uns bei Crown ebenso wichtig.“

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