Aktueller Stand des Schneidens: Laserschneiden auf dem neuesten Stand

Jun 05, 2023

Die J&J Company des Metallverarbeiters Cupples aus Tennessee verfolgt mit ihren 19 Laserschneidmaschinen einen ungewöhnlichen Ansatz für den Arbeitsablauf. Wenn man bedenkt, dass der Betrieb eine nahezu perfekte pünktliche Lieferung aufweist, funktioniert der Ansatz. Getty Images

Anmerkung der Redaktion: Dies ist der zweite Teil unserer vierteiligen Serie „Cutting's Current State“ anlässlich unseres 50-jährigen Jubiläums. Schauen Sie sich Teil I, Teil III und Teil IV an.

Wenn Neulinge in der Laserschneideabteilung der J&J Company Inc. von Cupples anfangen, müssen sie normalerweise geschnittene Teile aus einem Nest ausladen, direkt nachdem sie vom Laser kommen. Dies ist ein üblicher Ausgangspunkt für viele, die ihr Berufsleben in einem typischen Metallverarbeitungsbetrieb beginnen, insbesondere für die kleinen Betriebe – vielleicht ein Dutzend Mitarbeiter, weniger als 5 Millionen US-Dollar Jahresumsatz – ohne die in größeren Betrieben üblichen automatisierten Stanzsysteme.

Tatsache ist, dass J&J von Cupples nicht klein ist. Tatsächlich handelt es sich nach Maßstäben der kundenspezifischen Fertigung um einen der größten Betriebe des Landes mit 340 Mitarbeitern und einem Jahresumsatz von über 63 Millionen US-Dollar. Zwischen einem Werk in Jackson und einem weiteren in Dyersburg, Tennessee, verfügt das Unternehmen über 19 Laserschneidmaschinen, darunter einige der leistungsstärksten diesseits des Atlantiks. Es verfügt über mehr als 35 Abkantpressen, umfassende Bearbeitungsmöglichkeiten, einen großen Schweißbetrieb (sowohl manuelle als auch 25 Roboterzellen) und die nötigen Betriebsmittel. Dennoch werden Sie nirgendwo einen automatisierten Turm sehen, der Bleche zuführt oder geschnittene Teile lagert. Die Werkstatt verfügt zwar über einen Laser mit automatischer Be- und Entladung, aber das dient der kratzerfreien Handhabung und nicht der Steigerung des Durchsatzes.

„Die Leute sagen uns, dass wir alles automatisieren müssen, um zu wachsen“, sagte Jeff Cupples, Vizepräsident für Kalkulation und Technik. „Na ja, irgendwie haben wir es auch ohne geschafft. Wir dachten ständig: ‚Irgendwann müssen wir auf Automatisierung zurückgreifen.‘ Aber unser Kundenstamm hat so ziemlich gesagt, dass wir das nicht brauchen. Wir haben eine pünktliche Lieferung von 99 %. Und wir haben keine Schulden. Wir besitzen jede Maschine, die wir haben, und wir zahlen bar für die neuen Maschinen, die wir kaufen. Irgendwie darin verrückte Welt, wir haben unsere Nische gefunden.

Der Betrieb wächst weiter, ein Beweis dafür, dass es nicht den einen „richtigen Weg“ gibt, eine Laserschneideabteilung zu betreiben und im Übrigen einen größeren kundenspezifischen Fertigungsbetrieb (und im Fall von Cupples auch eine große Maschinenwerkstatt) zu verwalten.

Zur Feier des 50-jährigen Bestehens des FABRICATOR-Magazins werfen wir einen Blick auf den aktuellen Stand des Laserschneidens und analysieren den Betrieb bei mehreren bekannten Herstellern im ganzen Land. Das Magazin und das Laserschneiden sind zusammen entstanden. Die Berichterstattung der Publikation über das Laserschneiden von Blechen reicht bis ins Jahr 1974 zurück. Im Laufe der Jahre hat sie den Aufstieg der Laserschneidmaschine von einer obskuren Neuheit und einem potenziellen Ersatz für „Flex-Tool“-Stanzpressen zur Branchendominanz dokumentiert. Natürlich wäre Cupples' J&J ohne es nicht das Unternehmen, das es heute ist.

Cupples verfolgt bei seinen Schneid- und Biegevorgängen einen „Mini-Fabrik“-Ansatz, der sich an der Zusammensetzung seiner Kunden orientiert. Das Unternehmen hat eine Handvoll sehr großer Kunden, die hohe Kapazitätsanforderungen haben, in der Regel genug wiederkehrende Teile, um eine ganze Minifabrik zu füllen. Da Cupples nach wie vor ein Job-Shop ist, gibt es reichlich Ressourcen-Sharing. Wenn eine Minifabrik über freie Kapazitäten verfügt, verschieben die Planer die Arbeit entsprechend. Und eine Minifabrik ist weiterhin auf Kleinauflagen und große Produktmischungen spezialisiert.

Jede Minifabrik ist mit einer Gruppe von Leuten besetzt, die mit einer Gruppe von Produkten bestens vertraut sind, entweder von einem einzelnen Kunden oder einer Handvoll Kunden. „Aber wir sind flexibel“, sagte Cupples und fügte hinzu, dass die Mitarbeiter je nach Bedarf zwischen den Minifabriken wechseln, wenn sich die Kapazitätsanforderungen ändern.

Auch das Personal ist nicht nur flüchtig mit einer Teilegruppe vertraut. Sie wissen, welche Materialgüte von welcher Mühle am besten zu diesen Teilen passt und welche Laser am besten funktionieren.

Der Mini-Fabrik-Ansatz leitet Karrierewege und die Schulung beginnt mit der Begleitung erfahrener Mitarbeiter – nicht vor einem Computer sitzend und einen Nest-Layout betrachtend, sondern am Laser-Shuttle-Tisch selbst stehend und Teile ausladend.

Die J&J Company von Cupples hat sich einen Namen gemacht, indem sie den neuesten Stand im Laserschneiden vorantreibt. Es wurde in mehrere 10-kW-Faserlasersysteme von Bystronic sowie in 12-kW- und 15-kW-Eagles (hier im Bild) investiert.

Man könnte meinen, dass die Auslagerung von Teilen eine gute Möglichkeit wäre, schnell neue Leute zu verlieren. Aber das passiert bei Cupples nicht, vor allem weil die Betreiber lernen, wie wichtig ein reibungsloser Entladevorgang ist. Wenn Bediener Teile schnell entnehmen, stapeln und zum nächsten Arbeitsgang weiterleiten können, wissen sie, dass alle Betriebsvariablen um sie herum ordnungsgemäß funktionieren. Jede Maschine verfügt über einen Schwenkarmlader mit erweiterter Reichweite. Und an jeder Maschine haben Menschen von beiden Seiten Zugriff auf den Wechseltisch, um Teile schnellstmöglich zu entnehmen und zu sortieren.

Zittern und Zerbrechen ist eine Seltenheit. „Wir mögen es nicht, [Teile in Nester] zu stecken“, sagte Cupples und fügte hinzu, dass Programmierer sorgfältig auf die Teileausrichtung und die Lamellenkonfiguration einer Maschine achten, um eine gleichmäßige Unterstützung der geschnittenen Teile zu gewährleisten, und manchmal eine Lamellenkonfiguration ändern, um sie an die Tagesmischung anzupassen Teile.

In jeder Situation, ob manuell oder automatisiert, verlangsamt das Rütteln und Brechen den Durchsatz und ist für die meisten Menschen eine undankbare Aufgabe. Wenn Neulinge bei Cupples ihre Tage damit verbringen würden, zu zittern und zu zerbrechen, würden sie wahrscheinlich nicht lange im Unternehmen bleiben.

Sie würden auch nicht lange bleiben, wenn sie inmitten des Chaos arbeiten würden, von Wechseltisch zu Wechseltisch huschen und stark schwitzen würden, um Teile zu entfernen, bevor der Laser mit dem Schneiden des nächsten Blechs fertig ist. Aber sie huschen nicht. Nachdem der Laser seinen Zyklus beendet hat, entnimmt das Dual-Shuttle-System das geschnittene Blatt und ersetzt es durch ein neues. Neulinge laden die Teile geordnet ab und unterhalten sich dabei mit Veteranen, um zu erfahren, wie und warum der Vorgang so reibungslos funktioniert.

Sie lernen beispielsweise, dass zwar gelegentlich ein Teil die Teilerichtmaschine durchlaufen muss, die Entgratung flacher Teile jedoch nicht erforderlich ist. „Unsere allgemeine Regel ist, dass wir einen Grat von weniger als 0,005 Zoll an der Kante haben wollen, was laut Industriestandards im Wesentlichen überhaupt kein Grat ist“, sagte Cupples. „Wenn wir also mit einem Faserlaser nicht konstant einen Grat von weniger als 0,005 Zoll erreichen können, verwenden wir unsere CO2-Laser. Dennoch führen wir Produktionsschnitte mit 10 mm und dünner mit Stickstoff durch, und 99 % davon werden mit dem geschnitten.“ Faserlaser.

Ein weiteres Beispiel: Ein Veteran, der Teile sortiert, weist möglicherweise auf zwei schmale Teile hin, bei denen es sich um linke und rechte Teile handelt, die zu schmalen Kanälen geformt werden. Sie sind nebeneinander verschachtelt, aber gespiegelt, sodass sich die Kantengeometrieattribute gegenüberstehen. Der Neuling erinnert sich, dass die Materialausbeute unglaublich wichtig ist, und dennoch scheint die Anordnung dieser Teile auf diese Weise einen größeren Webbereich zu hinterlassen. Er bringt dies dem erfahrenen Veteranen in der Nähe zur Sprache, und der Veteran erklärt, wie die Restspannung nach dem Schneiden abgebaut wird und wie die Formtoleranzen an der Abkantpresse aussehen. Der lange, schmale Rohling wird ganz leicht gebogen, weil der Laser Spannungen freigesetzt hat, die im Blech eingeschlossen waren.

Das Team der Minifabrik tut natürlich alles, um dies zu vermeiden. Sie arbeiten eng mit dem Einkaufspersonal zusammen und untersuchen, wie sich der Zuschnitt auf die Lagerbestände verschiedener Werke und Servicezentren auswirkt. Tatsächlich passt das Unternehmen seine Schneidtechnologietabellen basierend auf dem an, was es über bestimmte Materialien aus bestimmten Quellen weiß. Zwei identische Bleche derselben Qualität und ASTM-Bezeichnung können unterschiedlich schneiden, wenn sie von unterschiedlichen Orten stammen.

Programmierer verschachteln und programmieren den Laser außerdem so, dass diese Effekte minimiert werden. Sie stellen sicher, dass der Laser einen Weg einschlägt, um die Hitze des Lasers vom Teil wegzudrücken und das Teil möglicherweise so auszurichten, dass die Auswirkungen von Restspannungen und späteren Komplikationen abgemildert werden Bildung.

Aber in seltenen Fällen ist eine ganz leichte Verbeugung einfach unvermeidlich. In den meisten Fällen wird dieses Teil durch die Teilerichtmaschine geschickt. Für diese Teile benötigt der Kunde dies jedoch nicht. Entscheidend sind die Toleranzen der geformten Kanäle. Und wenn man diese beiden Teile im Nest so ausrichtet, dass sie einander spiegeln, erhält der Bediener der Abkantpresse zwei Teile, die leicht in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind. Dies ermöglicht es dem Bremsenbediener, den Toleranzfehler sowohl auf dem linken als auch auf dem rechten Kanal in die gleiche Richtung, auf das unkritische Maß, zu verschieben.

Cupples fügte hinzu, dass ein Veteran, der sich mit einem Neuling unterhält, wahrscheinlich nicht sofort in alle Details eintauchen würde (ansonsten würden die geschnittenen Teile nie rechtzeitig entladen und sortiert). Unabhängig davon gibt der manuelle Entladevorgang den Leuten die Möglichkeit, sich eine Reihe geschnittener Teile genau anzusehen, darüber zu sprechen und etwas zu lernen. Anfänger lernen, wie die Operation funktioniert, und erfahrene Leute gewinnen Einblicke für weitere Verbesserungen.

Mitarbeiter entladen Teile von einem Wechseltisch. Sie betreiben einen 10-kW-Faserlaser und arbeiten mit 3/8-Zoll. Material mit einer Geschwindigkeit von 225 Zoll pro Minute, zu schnell, als dass ein Bediener es entladen könnte. Ein Lichtvorhang umgibt das Ladesystem und alles wird zurückgesetzt, sobald die Bediener den Bereich geräumt haben.

Das Unternehmen führt sowohl statisches als auch automatisiertes dynamisches Schachteln durch. Welche Strategie es wählt, hängt vom Kunden und den zu schneidenden Teilen ab. „Bei einem Nest kommt es nicht nur auf die Dichte an“, sagte Cupples. „Wir brauchen konsistente Teile. Und wenn wir enge Toleranzen haben, müssen wir auf die Faserrichtung des Materials achten. Es gibt so viele Szenarien, und wir sind darauf eingestellt, jeden Tag mit allen zu arbeiten.“

Obwohl es kontraintuitiv klingt, macht die Tatsache, dass J&J bei Cupples eine Menge sich wiederholender Arbeiten hat, die alle in diesen Minifabriken organisiert sind, das manuelle Entladen und Sortieren der Teile effektiver. Wenn Manager die Teilentladungsarbeit auf 19 Laser verteilen müssten, die Nester von Kleinserienteilen von Dutzenden oder Hunderten von Kunden produzieren, würde Chaos herrschen. Auch hier fertigt das Unternehmen Kleinserien und stellt ihnen eine „sonstige“ Minifabrik zur Verfügung, aber das Schneiden in der Produktion ist sein A und O.

Die Kundennachfrage bestimmt das Nest, und bei Cupples ist die Nachfrage etwas vorhersehbarer als beispielsweise bei einem kleinen Lohnfertiger mit Hunderten von Kleingeldkunden. Im Laufe der Zeit arbeiten die Programmierer und Kalkulatoren einer Minifabrik zusammen, um die optimale Teileschachtelung zu erstellen und dabei die Anforderungen an eine hohe Materialausbeute, eine gute Teilekonsistenz und einen reibungslosen Teilefluss – einschließlich Teilesortierung – auszugleichen.

Mit dem richtigen Laser und den verfügbaren Teilensortierkräften ordnen sie die richtige Teilegruppe zu. Wenn die Laser eine Charge dickes Material verarbeiten, könnte der Manager einer Minifabrik nur zwei Leute für die Bedienung von drei Maschinen einplanen. Die Schneidzykluszeit ist lang genug, sodass zwei Personen Programme starten und Teile entladen können, bevor der Laser mit dem Schneiden der nächsten Platte fertig ist.

Wenn ein Teil voller kleiner, lochintensiver Teile ist, ist die Schneidzykluszeit ebenfalls länger, sodass für den Betrieb möglicherweise weniger Sortierpersonal erforderlich ist. Eine Person könnte ausreichen, um die Maschine zu bedienen und Teile zu sortieren. Wenn umgekehrt ein leistungsstarker Laser ein Nest aus nur einer Handvoll großer Teile schneidet, ist der Laser innerhalb von Minuten fertig. Dies erfordert, dass ein Team von Sortierern bereitsteht, um große Teile (mit Hebehilfen) abzuladen, bevor der Laser mit dem Schneiden fertig ist. Alternativ könnte sich ein Programmierer dafür entscheiden, mehrere große Teile zu verschachteln, die von kleineren Teilen umgeben sind. Dies verlängert den Schneidzyklus und gibt den Sortierern etwas mehr Zeit zum Entladen.

„Wir verfügen über flexible Sortierteams, deren Zahl abhängig von der Länge des Durchlaufs auf dem Blech oder der Platte wächst oder schrumpft“, sagte Cupples.

Cupples kicherte. „In anderen Geschäften, weniger als eine Meile von mir entfernt, stehen zwei 10-kW-Faserlaser. Wir sind umzingelt!“ Er fügte hinzu, dass nahegelegene Stahl-Servicezentren ebenfalls leistungsstarke Faserlaser installieren. „Das sind milliardenschwere Unternehmen, die auf dem Vormarsch sind“, sagte er. „Wir müssen uns irgendwie einen Vorsprung verschaffen.“

Cupples hat sich diesen Vorsprung mit einem zweigleisigen Ansatz verschafft. Erstens handelt es sich um einen One-Stop-Shop, der nicht nur Schneiden (einschließlich Plasma- und Wasserstrahlschneiden), Biegen, Walzen, Schweißen, Lackieren und Montieren, sondern auch umfangreiche Bearbeitungen anbietet. Es ist auch keine kleine Bearbeitungsabteilung; Es ist ein vollwertiges Bearbeitungsunternehmen.

Die Werkstatt nutzt eine Automatisierung, die an einen ihrer Bystronic-Laser angeschlossen ist, hauptsächlich für die kratzerfreie Bearbeitung.

Zweitens ist es ein Anwender modernster Technologie, insbesondere wenn es um Laser geht. Der Ort verfügt über einen Reinraum, der der Reinigung und Wartung von Laseroptiken gewidmet ist. Dazu gehört auch die Optik seiner acht CO2-Laser, die immer noch damit beschäftigt sind, dickes Material zu schneiden, und das Unternehmen reinigt und wartet einige seiner älteren Faserlaserköpfe.

Mit Ausnahme des Austauschs der unteren Abdeckfolien sind die neuesten Faserlaserköpfe versiegelt und nur für den Laser-OEM zugänglich. Das hindert den Hersteller jedoch nicht daran, den Prozess zu perfektionieren. Beispielsweise untersuchte Cupples‘ Team den Schnitt an seinem 12-kW-Eagle-Faserlaser (in den USA über Fairmont Machinery verkauft). Sie wussten, dass der Strahl die nötige Kraft und Fokussierung hatte, um extrem schnell einen guten Schnitt zu erzielen, aber könnte es noch besser sein? Sie schauten auf die Düse und hatten einen Gedanken.

„Wir sagten: ‚Hey, wir haben Bearbeitungskapazitäten und wir haben Kupferbestände. Der Maschinenhersteller ist damit einverstanden, also schneiden wir unsere eigene Düse und sehen, was passiert‘“, erinnert sich Cupples. Diese Düse, die so konzipiert ist, dass sie eine laminare Strömung fördert und die Turbulenzen des Stickstoff-Hilfsgases in der gesamten Schnittfuge reduziert, beschleunigt die Schnittgeschwindigkeit um etwa 20 %. „Als ich das letzte Mal nachgesehen habe, haben wir 3/8-Zoll-Kohlenstoffstahl mit etwa 305 Zoll pro Minute geschnitten.“

Auf der FABTECH® 2019 war diese Düse – auch Cupples-Düse genannt – am Stand von Eagle Laser zu sehen. Cupples erinnerte sich: „Die 15-kW-Maschine auf der Messe schnitt mit einer Cupples-Düse 3/8-Zoll-Stahl mit 390 Zoll pro Minute.“

Angesichts der unglaublichen Fortschritte bei der Schnittgeschwindigkeit in den letzten Jahren zahlt sich das Risiko normalerweise aus. Wenn bei einer neuen Maschine größere Probleme auftreten, wirkt sich dies selten auf die Gesamtkapazität aus. Tatsächlich erhöht sich die Schneidkapazität trotz ungeplanter Ausfallzeiten fast immer.

Cupples erinnerte sich an die Installation eines 6-kW-Faserlasers, der ersten Installation dieser Art in Nordamerika. „Da schienen wir Alpha- und Betatester zu sein“, sagte er. „Während der ersten sechs Monate lief die Maschine nicht die Hälfte der Zeit. Dennoch waren wir auf dem neuesten Stand der Technik und erzielten immer noch den Output. Ja, die Maschine war die Hälfte der Zeit außer Betrieb, aber die Maschine.“ lief doppelt so schnell [wie unser älterer Laser] und die Beschleunigungen waren viel besser. Letztendlich hatten wir also immer noch mehr Leistung für weniger Geld.“

Allerdings ist sich Cupples vollkommen darüber im Klaren, dass nicht jedes Unternehmen – einschließlich börsennotierter Servicezentren – bereit wäre, solche Risiken einzugehen und auf dem neuesten Stand der Technik zu sein. Mit diesen Schritten hebt sich Cupples von der Konkurrenz ab und steigert nicht zuletzt das technische Wissen vieler dort Beschäftigter.

Darüber hinaus ermöglicht es dem Unternehmen, mit einer Vielzahl von Branchenanbietern zusammenzuarbeiten, von Bystronic über Eagle bis hin zu High-YAG, um sie bei der Entwicklung der bestmöglichen Produkte zu unterstützen. Eine solche Zusammenarbeit – vom Endkunden über den Hersteller bis zum Gerätehersteller – ist der Grund, warum der Herausgeber von The FABRICATOR, die Fabricators & Manufacturers Association, vor einem halben Jahrhundert ins Leben gerufen wurde. J&J von Cupples, das in den letzten 18 Monaten mehr als 100 Mitarbeiter eingestellt hat, ist ein Beweis dafür, wie gut diese Zusammenarbeit wirklich funktioniert.